CN113083009A - 一种基于生物质热解的燃煤锅炉高温喷氨脱硝系统及方法 - Google Patents

一种基于生物质热解的燃煤锅炉高温喷氨脱硝系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于生物质热解的燃煤锅炉高温喷氨脱硝系统及方法，在锅炉主燃区分别连接生物质热解装置和氨基还原剂喷入装置，抽取高温过热器后高温烟气与生物质热解装置的高温烟气入口端连接，生物质燃料经多级加热热解后产生混合气，与氨基还原剂依次通入锅炉主燃区；采用空气分级的燃烧方式，利用设置的低氮燃烧器及SOFA风喷口，降低主燃区过量空气系数；增加SOFA风喷口，使主燃区呈还原性气氛；在主燃区内喷入氨基还原剂，氨基还原剂在高温还原性气氛下，能够与烟气中的氮氧化物发生还原反应，降低炉膛出口氮氧化物浓度。

Description

一种基于生物质热解的燃煤锅炉高温喷氨脱硝系统及方法
技术领域
本发明涉及火电厂烟气脱硝技术，具体为一种基于生物质热解的燃煤锅炉高温喷氨脱硝系统及方法。
背景技术
氮氧化物是燃煤电厂主要的大气污染源之一。目前，燃煤电厂常用的氮氧化物减排技术包括低氮燃烧技术、非选择性催化还原技术(SNCR)及选择性催化还原技术(SCR)。不同脱硝工艺的结合或联用将是脱硝技术的一个重要发展方向，创新脱硝机理、研发多级复合脱硝工艺正成发展方向。
常规SNCR技术是在850-1150℃温度区间、有氧条件下，喷入氨基还原剂将NO还原成N2和H2O。研究表明，SNCR技术也可拓展到高温段，即高温还原区喷氨脱硝技术。高温还原区喷氨脱硝技术是建立在空气分级基础上的多种脱硝技术联合使用的方法，在炉内主燃区形成的高温、缺氧环境下喷入氨基还原剂，从而还原烟气中的NOx。与SNCR技术相比，高温还原区喷氨脱硝技术的效率更好，且不产生氨逃逸。
影响高温还原区喷氨的脱硝效率的主要因素是喷氨位置氧浓度水平，一般应小于0.5％。由于炉内氧浓度不均匀，即使进行了空气分级燃烧，主燃区仍存在氧浓度大于0.5％的区域，降低了高温喷氨的脱硝效率。国内研究者针对主燃区喷氨脱硝技术的实施及控制提出了不同的方法，如在燃尽区布设SOFA风，并在主燃区通入再循环烟气，使主燃区为高温还原性气氛，此时主燃区喷入的还原剂能够与烟气中的氮氧化物发生还原反应，从而降低了氮氧化物浓度。又如，在旋风炉主炉膛燃尽风喷口下方布设氨剂喷口，且氨剂喷口分多层、倾斜布置，增强了氨剂与烟气的混合效果，进而提高喷氨的脱硝效率。以上方法均能有效提高主燃区高温喷氨的脱硝效率，但煤种适应性较差。
生物质高温热解能够产生CHi、H2、CO等还原性气体以及焦炭，现有技术中常通过生物质再燃来降低炉内氮氧化物，但未对生物质热解过程中产生的热解炭和混合烟气在进入炉膛内部不同区域进行分类处理，从而导致在炉膛内部仍存在脱硝效率较低的问题。
发明内容
针对现有技术中存在主燃区高温喷氨脱硝技术效率低的问题，本发明提供一种基于生物质热解的燃煤锅炉高温喷氨脱硝系统及方法。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种基于生物质热解的燃煤锅炉高温喷氨脱硝系统，包括锅炉、生物质热解装置和氨基还原剂喷入装置；锅炉侧壁沿高度方向依次设置低氮燃烧器、生物质热解气喷口、氨基还原剂喷枪和SOFA风喷口，其中，低氮燃烧器、生物质热解气喷口和氨基还原剂喷枪设置在锅炉底部的主燃区，SOFA风喷口设置在锅炉燃尽区；锅炉尾部设置依次连接的屏式过热器和高温过热器；生物质热解装置的固相出口通过热解炭出口管道连接低氮燃烧器，气相出口通过混合气出口管道连接生物质热解气喷口；屏式过热器和高温过热器之间设置高温烟气抽取管路的输入端，高温烟气抽取管路输出端连接生物质热解装置的供热端。
进一步，生物质热解装置还包括依次连接的给料斗、球磨机、一级旋风分离器和二级旋风分离器；球磨机一侧为供热端连接高温烟气抽取管路输出端，另一侧为携带生物质粉末的烟气排出口且连接一级旋风分离器的进料口，一级旋风分离器的排气口连接二级旋风分离器的进料口，二级旋风分离器的出气口连接混合气出口管道。
进一步，一级旋风分离器和二级旋风分离器的热解炭出口汇流至同一热解炭出口管道。
进一步，热解炭出口管道入口端接入带有煤粉的一次风。
进一步，生物质热解装置包括依次连接的氨基还原剂储罐、给料泵2、计量装置和控制阀；控制阀出水口连接氨基还原剂喷枪。
进一步，氨基还原剂储罐中的氨基还原剂包括液氨、尿素和氨水中的至少一种。
进一步，锅炉燃尽区侧壁设置NO检测探头，且NO检测探头在锅炉侧壁沿高度方向高于SOFA风喷口；所述NO检测探头输出端连接控制阀。
一种基于生物质热解的燃煤锅炉高温喷氨脱硝方法，包括以下步骤：锅炉采用空气分级燃烧方式，主燃区过量空气系数保持在0.75-0.9，设置SOFA风喷口，风量为总风量的30％-40％；高温烟气抽取管路抽取高温烟气通入生物质热解装置，生物质热解装置产生的热解炭通过低氮燃烧器进入锅炉，混合气经过生物质热解气喷口进入锅炉，同时产生包括H+、OH-的活性自由基；氨基还原剂喷入装置将氨基还原剂喷入锅炉主燃区，H+、OH-的活性自由基与喷入的氨基还原剂协同作用于脱硝过程。
进一步，在生物质热解装置包括如下步骤：给料斗将生物质颗粒排至球磨机中进行粉碎研磨后，通过高温烟气进行干燥并预热解；
随后依次进入两个旋风分离器中二次热解，产生的热解气和烟气的混合气从旋风分离器上方，经生物质热解气喷口进入锅炉主燃区，热解产生的热解炭在旋风分离器底部落下，随着携带煤粉的一次风共同进入锅炉主燃区。
进一步，氨基还原剂喷入装置包括如下步骤：燃尽区的NO浓度检测探头检测到NO浓度并反馈氨基还原剂喷入装置，按照氨氮比的设定阈值来折算需氨量；通过控制阀控制主燃区的氨基还原剂喷入量，控制氨氮比NSR在1-2之间；氨基还原剂通过氨基还原剂喷枪雾化后送入锅炉主燃区，计量装置实时测量并显示氨基还原剂的喷入量。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供一种基于生物质热解的燃煤锅炉高温喷氨脱硝系统，设计合理，在锅炉主燃区分别连接生物质热解装置和氨基还原剂喷入装置，抽取高温过热器后高温烟气与生物质热解装置的高温烟气入口端连接，生物质燃料经多级加热热解后产生混合气，与氨基还原剂依次通入锅炉主燃区。本系统利用生物质热解气消耗主燃区的局部富氧，以及热解气中碱金属对脱硝反应的催化作用，提高了脱销效率。
进一步，本发明在锅炉燃尽区设置SOFA风喷口和NO检测装置，可调节锅炉主燃区空气系数，以及控制反应所需的氨基还原剂的供给量。
本发明一种基于生物质热解的燃煤锅炉高温喷氨脱硝方法，采用空气分级的燃烧方式，利用设置的低氮燃烧器及SOFA风喷口，降低主燃区过量空气系数。增加SOFA风喷口，使主燃区呈还原性气氛。在主燃区内喷入氨基还原剂，氨基还原剂在高温还原性气氛下，能够与烟气中的氮氧化物发生还原反应，降低炉膛出口氮氧化物浓度。
通过在低氮燃烧器上方喷入生物质热解气，降低主燃区氧浓度，同时产生H+、OH-等活性自由基，H+、OH-自由基与喷入的氨基还原剂协同作用，能够提高高温还原区喷氨的脱硝效率。同时，生物质中含有碱金属，热解过程中碱金属挥发成气体，随热解气一起进入炉膛，碱金属对脱硝反应具有催化作用，从而进一步提高主燃区喷氨脱硝效率。通过SOFA风喷口将主燃区喷入的未反应的氨基还原剂氧化，因此不存在氨逃逸。有效降低了燃煤锅炉氮氧化物排放量，对于烟煤、褐挥发分煤种，可以取代SCR，通过喷入生物质热解气配合高温喷氨技术即可将氮氧化物排放浓度降低至50mg/m3以下。
进一步，本发明中燃尽区的NO浓度检测探头检测到NO浓度并实时反馈氨基还原剂喷入装置，按照氨氮比的设定阈值来折算需氨量，能够实现对锅炉内部的反应进行实时监控和还原剂的实时供给。
附图说明
图1为本发明具体实施例中一种基于生物质热解的燃煤锅炉高温喷氨脱硝系统示意图。
图中：1氨基还原剂储罐；2给料泵；3计量装置；4控制阀；5给料斗；6球磨机；71一级旋风分离器器；72二级旋风分离器器；8锅炉；9低氮燃烧器；10生物质热解气喷口；11氨基还原剂喷枪；12SOFA风喷口；13NO浓度检测探头；14屏式过热器；15高温过热器；16生物质热解装置；17氨基还原剂喷入装置；18高温烟气抽取管路。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
一种基于生物质热解的燃煤锅炉高温喷氨脱硝系统，如图1所示，包括锅炉8、生物质热解装置16和氨基还原剂喷入装置17；锅炉8侧壁沿高度方向依次有低氮燃烧器9、生物质热解气喷口10、氨基还原剂喷枪11和SOFA风喷口12；锅炉8底部为主燃区，中部为燃尽区；低氮燃烧器9、生物质热解气喷口10和氨基还原剂喷枪11在主燃区，SOFA风喷口12设置在燃尽区。
锅炉8尾部有屏式过热器14和高温过热器15；生物质热解装置16通过热解炭出口管道连接低氮燃烧器9，生物质热解装置16通过混合气出口管道连接生物质热解气喷口10；屏式过热器14和高温过热器15之间有高温烟气抽取管路18，高温烟气抽取管路18连接生物质热解装置16的高温烟气入口端。
生物质热解装置16还包括依次连接的给料斗5、球磨机6、一级旋风分离器71和二级旋风分离器器72；球磨机6一侧为供热端连接高温烟气抽取管路18输出端，另一侧为携带生物质粉末的烟气排出口且连接一级旋风分离器71的进料口，一级旋风分离器71的排气口连接二级旋风分离器72的进料口，二级旋风分离器72的出气口连接混合气出口管道；同时一级旋风分离器71和二级旋风分离器72的热解炭出口汇流至同一热解炭出口管道。
生物质热解装置16包括依次连接的氨基还原剂储罐1、给料泵2、计量装置3、控制阀4和NO检测探头13，NO检测探头13输出端连接氨基还原剂喷入装置17的控制阀4；控制阀4出水口连接氨基还原剂喷枪11；其中，氨基还原剂储罐1中的氨基还原剂包括液氨、尿素和氨水中的至少一种。
生物质是一种特殊的燃料，挥发分极高，占到燃料比重的70％-80％。生物质在200℃时就开始热解，在热解过程中大分子向简单分子化合物转化，温度越高转化得越彻底，因此要热解完全，需要尽量维持较高的热解温度和一定的停留时间。抽取锅炉8尾部900-1100℃的烟气至生物质热解装置16，生物质在700-1100℃温度下维持一定的停留时间，能够热解产生以H2、CHi、CO为主的可燃气体，且较高的热解温度能够减少焦油的产生，提高碳转化率，将生物质热解产生的混合气通入锅炉炉膛内，此时形成高温、缺氧的环境，再配合还原剂，从而提高脱硝效率。
一种基于生物质热解的燃煤锅炉高温喷氨脱硝方法，包括以下步骤：锅炉8采用空气分级燃烧方式，主燃区过量空气系数保持在0.75-0.9，设置SOFA风喷口12，风量为总风量的30％-40％，使主燃区呈还原性气氛，在高温还原性气氛下，能够与烟气中的氮氧化物发生还原反应，降低炉膛出口氮氧化物浓度；
高温烟气抽取管路18抽取高温烟气通入生物质热解装置16，生物质热解装置16产生烟气与生物质热解气的混合气，热解炭通过低氮燃烧器9进入锅炉8，混合气经过生物质热解气喷口10进入锅炉8，降低主燃区氧浓度，同时产生H+、OH-等活性自由基，H+、OH-自由基与喷入的氨基还原剂协同作用，能够提高高温还原区喷氨的脱硝效率；
氨基还原剂喷入装置17将氨基还原剂喷入锅炉8主燃区，H+、OH-的活性自由基与喷入的氨基还原剂协同作用于脱硝过程。
在生物质热解装置16中包括如下步骤：给料斗5将生物质颗粒排至球磨机6中进行粉碎研磨后，通过高温烟气进行干燥并预热解；随后进入两个旋风分离器器中二次热解，首先经一级旋风分离器器71热解并分离后，产生的热解气随烟气从一级旋风分离器器71上方出气口排至二级旋风分离器72的进料口，之后经二级旋风分离器72热解分离后产生的热解气随烟气排至二级旋风分离器72的出气口，之后烟气与热解气的混合气经生物质热解气喷口10进入锅炉8主燃区，其中在一级旋风分离器71和二级旋风分离器72中，热解产生的热解炭在其底部落下，随着携带煤粉的一次风共同进入锅炉8主燃区。
在氨基还原剂喷入装置17中包括如下步骤：通过燃尽区NO浓度检测探头13检测到的NO浓度，按照氨氮比的设定阈值来折算需氨量；通过控制阀4控制主燃区的氨基还原剂喷入量，控制氨氮比NSR在1-2之间；氨基还原剂通过氨基还原剂喷枪11雾化后送入锅炉8主燃区，计量装置3实时测量并显示氨基还原剂的喷入量。
所述方法能够有效降低主燃区氧浓度，并产生H+、OH-等活性自由基，H+、OH-自由基与喷入的氨基还原剂协同作用，提高高温喷氨的脱硝效率。
同时，生物质中含有碱金属，热解过程中碱金属挥发成气体，随热解气一起进入锅炉8，碱金属对脱硝反应具有催化作用，从而进一步提高主燃区喷氨脱硝效率。通过SOFA风喷口12将主燃区喷入的未反应的氨基还原剂氧化，因此不存在氨逃逸。通过以上方法，有效降低了燃煤锅炉氮氧化物排放量，对于烟煤、褐煤等中高挥发分煤种，可以取代SCR，通过喷入生物质热解气和高温喷氨技术即可将氮氧化物排放浓度降低至50mg/m3以下，具有良好的经济效益及环境效益。

Claims (10)

1.一种基于生物质热解的燃煤锅炉高温喷氨脱硝系统，其特征在于，包括锅炉(8)、生物质热解装置(16)和氨基还原剂喷入装置(17)；
所述锅炉(8)侧壁沿高度方向依次设置低氮燃烧器(9)、生物质热解气喷口(10)、氨基还原剂喷枪(11)和SOFA风喷口(12)，其中，低氮燃烧器(9)、生物质热解气喷口(10)和氨基还原剂喷枪(11)设置在锅炉(8)底部的主燃区，SOFA风喷口(12)设置在锅炉(8)中部的燃尽区；锅炉(8)尾部设置依次连接的屏式过热器(14)和高温过热器(15)；
所述生物质热解装置(16)的固相出口通过热解炭出口管道连接低氮燃烧器(9)，气相出口通过混合气出口管道连接生物质热解气喷口(10)；
所述屏式过热器(14)和高温过热器(15)之间设置高温烟气抽取管路(18)的输入端，高温烟气抽取管路(18)输出端连接生物质热解装置(16)的供热端。
2.根据权利要求1所述一种基于生物质热解的燃煤锅炉高温喷氨脱硝系统，其特征在于，所述生物质热解装置(16)还包括依次连接的给料斗(5)、球磨机(6)、一级旋风分离器(71)和二级旋风分离器(72)；所述球磨机(6)一侧为供热端连接高温烟气抽取管路(18)输出端，另一侧为携带生物质粉末的烟气排出口且连接一级旋风分离器(71)的进料口，一级旋风分离器(71)的排气口连接二级旋风分离器(72)的进料口，二级旋风分离器(72)的出气口连接混合气出口管道。
3.根据权利要求2所述一种基于生物质热解的燃煤锅炉高温喷氨脱硝系统，其特征在于，所述一级旋风分离器(71)和二级旋风分离器(72)的热解炭出口汇流至同一热解炭出口管道。
4.根据权利要求2所述一种基于生物质热解的燃煤锅炉高温喷氨脱硝系统，其特征在于，所述热解炭出口管道入口端接入带有煤粉的一次风。
5.根据权利要求1所述一种基于生物质热解的燃煤锅炉高温喷氨脱硝系统，其特征在于，所述生物质热解装置(16)包括依次连接的氨基还原剂储罐(1)、给料泵(2)、计量装置(3)和控制阀(4)；控制阀(4)出水口连接氨基还原剂喷枪(11)。
6.根据权利要求5所述一种基于生物质热解的燃煤锅炉高温喷氨脱硝系统，其特征在于，所述氨基还原剂储罐(1)中的氨基还原剂包括液氨、尿素和氨水中的至少一种。
7.根据权利要求1所述一种基于生物质热解的燃煤锅炉高温喷氨脱硝系统，其特征在于，所述锅炉(8)燃尽区侧壁设置NO检测探头(13)，且NO检测探头(13)在锅炉(8)侧壁沿高度方向高于SOFA风喷口(12)；所述NO检测探头(13)输出端连接控制阀(4)。
8.一种基于生物质热解的燃煤锅炉高温喷氨脱硝方法，其特征在于，基于权利要求1-7所述任意一种基于生物质热解的燃煤锅炉高温喷氨脱硝系统，包括以下步骤：
锅炉(8)采用空气分级燃烧方式，主燃区过量空气系数保持在0.75-0.9，设置SOFA风喷口(12)，风量为总风量的30％-40％；
高温烟气抽取管路(18)抽取高温烟气通入生物质热解装置(16)，生物质热解装置(16)产生的热解炭通过低氮燃烧器(9)进入锅炉(8)，混合气经过生物质热解气喷口(10)进入锅炉(8)，同时产生包括H+、OH-的活性自由基；
氨基还原剂喷入装置(17)将氨基还原剂喷入锅炉(8)主燃区，H+、OH-的活性自由基与喷入的氨基还原剂协同作用于脱销过程。
9.根据权利要求8所述一种基于生物质热解的燃煤锅炉高温喷氨脱硝方法，其特征在于，所述在生物质热解装置(16)包括如下步骤：
给料斗(5)将生物质颗粒排至球磨机(6)中进行粉碎研磨后，通过高温烟气进行干燥并预热解；
随后依次进入两个旋风分离器中二次热解，产生的热解气和烟气的混合气从旋风分离器上方，经生物质热解气喷口(10)进入锅炉(8)主燃区，热解产生的热解炭在旋风分离器底部落下，随着携带煤粉的一次风共同进入锅炉(8)主燃区。
10.根据权利要求8所述一种基于生物质热解的燃煤锅炉高温喷氨脱硝方法，其特征在于，所述氨基还原剂喷入装置(17)包括如下步骤：
燃尽区的NO浓度检测探头(13)检测到NO浓度并反馈氨基还原剂喷入装置(17)，按照氨氮比的设定阈值来折算需氨量；
通过控制阀(4)控制主燃区的氨基还原剂喷入量，控制氨氮比NSR在1-2之间；
氨基还原剂通过氨基还原剂喷枪(11)雾化后送入锅炉(8)主燃区，计量装置(3)实时测量并显示氨基还原剂的喷入量。
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