CN113280353A - 一种污泥处理与燃煤NOx减排一体化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种污泥处理与燃煤NOx减排一体化装置，包括污泥干化装置、污泥部分气化装置、喷射器和锅炉；污泥干化装置包括干化装置本体、以及设置其上的污泥入口、污泥出口、热蒸汽进口和冷蒸汽出口；污泥部分气化装置包括污泥部分气化装置本体以及设置在其上的干化污泥进口、部分气化气出口和污泥焦出口；干化污泥进口与污泥出口连通，部分气化气出口连通至锅炉，污泥焦出口连通至喷射器的进口；锅炉包括汽包和再燃区，部分气化气出口和喷射器的出口均连通至再燃区；汽包连通至热蒸汽进口。本发明还提供了一种使用上述装置的方法。本发明结合污泥的热处理特性，使污泥变废为宝，同时也可以实现燃煤NOx超低排放。

Description

一种污泥处理与燃煤NOx减排一体化装置及方法

技术领域

本发明涉及燃煤工业锅炉领域，尤其涉及一种污泥处理与燃煤NOx减排一体化装置及方法。

背景技术

我国煤炭储量丰富，据统计，在我国煤炭占已探明一次性能源总量的92％。目前为止，我国能源消耗中，煤炭占比仍然高达56.7％，这意味着在未来相当长的时间内，煤炭在能源结构中仍然占据主导地位。

NOx(包括NO、NO₂和N₂O)是环境污染的主要来源之一。据十年一次的《第二次全国污染源普查公报》报道，2017年末，以煤为主导燃料的电力、热力生产和供应业NOx排放量169.24万吨，占工业源氮氧化物排放量的26.20％。工业锅炉是现代工业生产和社会生活中一种常见的热工设备。据统计，在我国燃煤工业锅炉总数近60万台，是仅次于电站锅炉的主要燃煤设备，其年耗煤量近6.4亿吨。由于工业锅炉本身燃烧空间的限制以及结构设计的不合理，使其普遍存在着运行效率低、NOx排放高的问题。随着各类环境问题的日渐突现和环保标准的逐渐严苛，实现燃煤工业锅炉NOx的超低排放对能源环境的可持续发展具有重要意义。

污泥是一种含水率超过70％的由有机残片、细菌体、无机颗粒及胶体等组成的复杂混合物。工业生产及城市运转过程都会产生大量污泥，如果这些污泥得不到合适的处理或处置，将会对环境造成巨大污染，危及人类的生命财产安全。现有的污泥处理过程包括浓缩、消化、药剂处理、热处理及干化等；其主要的处置措施包括填埋、肥料农用、海洋倾弃、焚烧及资源化利用，其中焚烧及资源化利用是将污泥变废为宝的一项重要举措，也是近几年的研究热点。

当前，在电站锅炉的NOx脱除技术中，由于相对较好的NOx脱除效果，以氨气、尿素等为还原剂的SNCR和SCR法是被燃煤电厂使用得较多的NOx脱除方法。其中SNCR是将还原剂(如NH₃)喷入炉膛850-1100℃的温度区域，与NOx反应生成N₂和H₂O；而SCR是指在催化剂的作用下，向280-420℃的烟气中喷入还原剂，选择性地将烟气中的NOx还原为N₂和H₂O。污泥中含有大量的氮，其热处理过程会释放出大量的NH₃和HCN，借鉴燃煤电厂中的SCR或SNCR的原理，如果能把这部分NH₃和HCN用于NOx的还原过程，既解决了污泥的处理，又控制了NOx的排放，这将是一举两得的事，同时也势必会带来巨大的经济价值。

经过对现有技术的检索发现，中国专利号CN201711166042.2，公开日2018-04-06，记载了一种污泥资源化利用装置及其方法，该技术将污泥热解产生的热解气和污泥焦作为再燃燃料和气、固脱硝剂，输送至工业锅炉或窑炉的再燃烧区，在替代部分煤粉燃料的同时实现NOx的还原。该技术的主要缺陷在于：由于工业锅炉燃烧空间狭小，缺乏相应的燃尽装置，燃料在炉内行程较短，燃尽时间不足，从而导致污泥热解气或污泥焦的燃烧效率较低，同时，污泥热解气或污泥焦与烟气中NOx的混合时间较短，混合效果较差，进而使NOx的还原效率较低。

鉴于我国燃煤工业锅炉NOx排放高、运行效率低及污泥处理棘手的问题，结合污泥的热处理特性，替代性地开发出一种能使污泥变废为宝，同时也可以实现燃煤工业锅炉NOx超低排放的一体化技术在实现资源的合理利用和能源环境的改善等方面起着至关重要的作用。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种污泥处理与燃煤NOx减排一体化工业锅炉装置，结合污泥的热处理特性，使污泥变废为宝，同时也可以实现燃煤NOx超低排放。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供了一种污泥处理与燃煤NOx减排一体化装置，包括污泥干化装置、污泥部分气化装置、喷射器和锅炉，所述污泥干化装置连接至所述污泥部分气化装置，所述污泥部分气化装置分别连接至所述喷射器和所述锅炉，所述喷射器连接至所述锅炉；

其中，所述污泥干化装置包括干化装置本体、以及设置在所述干化装置本体上的污泥入口、污泥出口、热蒸汽进口和冷蒸汽出口；

所述污泥部分气化装置包括污泥部分气化装置本体以及设置在所述污泥部分气化装置本体上的干化污泥进口、部分气化气出口和污泥焦出口；所述干化污泥进口与所述污泥出口连通，所述部分气化气出口连通至所述锅炉，所述污泥焦出口连通至所述喷射器的进口；

所述锅炉包括汽包和再燃区，所述部分气化气出口和所述喷射器的出口均连通至所述再燃区；所述汽包连通至所述热蒸汽进口。

进一步地，所述锅炉的烟道连通至所述污泥出口，以对干化后的污泥进行烟气再循环补充输送。

进一步地，所述锅炉的烟道还连通至所述喷射器的进口。

进一步地，所述锅炉上设置有多个烟道抽取点，以通过不同的所述烟道抽取点抽取所述烟道上不同位置的烟气。

进一步地，所述污泥部分气化装置可以选自气流床、流化床、移动床或旋风炉中任意一种。

进一步地，所述污泥部分气化装置的温度在400-500℃内，并保持在惰性气体或或者部分氧化气体氛围下，其中所述部分氧化气体包括不同配比的O2、CO2、H2O。

进一步地，所述污泥干化装置输送至所述污泥部分气化装置的干化污泥的流量是可调节的。

进一步地，所述喷射器采用多级旋流配风方式。

进一步地，所述污泥部分气化装置的所述部分气化气出口处设置有烟气过滤器。

本发明提供了一种使用如上所述的污泥处理与燃煤NOx减排一体化装置的方法，包括如下步骤：

从所述锅炉的汽包中抽取蒸汽输送至所述污泥干化装置，以干化污泥；

将干化后的所述污泥输送至所述污泥部分气化装置进行部分气化反应，生成气化气和污泥焦；

将所述气化气输送至所述锅炉的所述再燃区；

将所述污泥焦通过所述喷射器输送至所述锅炉的所述再燃区。

本发明提供的污泥处理与燃煤NOx减排一体化装置及方法具有以下技术效果：

1、本发明中污泥部分气化反应产生的部分气化气被输送至锅炉的再燃区，部分气化气中含有大量的NH₃、HCN、CO、H₂、CH₄等气体，NH₃在再燃区可以通过反应将烟气中的NOx还原为N₂和H₂O，而相当多的研究也已经证明在再燃区HCN也可以还原NOx为N₂，使NOx进一步减少。另外，HCN也可以通过转化为NH₃的形式来促进NH₃对NOx的还原；CO和H₂在再燃区可以形成还原性氛围，促进NOx的还原；H₂和CH₄在再燃区燃烧消耗氧气，间接的促进还原性气氛的形成，进一步降低NOx的生成。

2、本发明中部分气化反应产生的污泥焦经过高温喷射器也被输送至再燃区，污泥焦具有丰富的比表面积、孔隙结构以及活性位点，这为再燃区NOx的异相还原提供了足够的场所，同时在再燃区污泥焦也可以降低NOx还原反应的活化能，促进NOx异相还原反应的发生；此外污泥焦的低石墨化及结晶度、丰富的表面含氧官能团也可以显著提高低NOx的还原效率。另外，冷却处理后的污泥焦在锅炉的再燃区可以吸收大量热量，降低再燃区的燃烧温度，这可以减少热力型NOx的生成。

3、本发明以煤粉为原料，将部分气化反应生成的部分气化气和污泥焦喷入锅炉的再燃区，对燃煤烟气中的NOx进行还原。与现役SCR、SNCR等主要的NOx脱除技术相比，可以将污泥变废为宝，反观SCR和SNCR技术中脱硝设备以及还原剂等成本较高，所以以污泥为原料来实现NOx的超低排放，一方面合理的处理了污泥，避免了专门的污泥处理工厂所需的昂贵成本，另一方面也间接解决了因污泥处理不当给环境造成的二次污染问题。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的结构示意图；

图2是将部分烟气输送至喷射器时的结构示意图；

图3是采用多级旋流配风方式的喷射器时的结构示意图。

其中，10-污泥干化装置，11-干化装置本体，12-污泥入口，13-热蒸汽进口，14-污泥出口，15-冷蒸汽出口，20-污泥部分气化装置，21-污泥部分气化装置本体，22-干化污泥进口，23-部分气化气出口，24-污泥焦出口，30-喷射器，40-锅炉，41-汽包，42-再燃区，43-烟气抽取点。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1所示，本发明提供了一种污泥处理与燃煤NOx减排一体化装置包括污泥干化装置10、污泥部分气化装置20、喷射器30和锅炉40；污泥干化装置10与污泥部分气化装置20连接；污泥部分气化装置20分别与喷射器30、锅炉40连接，喷射器30还与锅炉40连接。

污泥干化装置10包括干化装置本体11、污泥入口12、污泥出口14、热蒸汽进口13和冷蒸汽出口15。污泥入口12、污泥出口14、热蒸汽进口13、冷蒸汽出口15设置在干化装置本体11的侧壁上，污泥入口12和污泥出口14相对设置，热蒸汽进口13与污泥入口12设置在同一侧，冷蒸汽出口15与污泥出口14设置在同一侧。污泥从污泥入口12进入干化装置本体11内，在干化装置本体11内将污泥进行干化处理，处理后的污泥从污泥出口14排出。

污泥部分气化装置20包括污泥部分气化装置本体21、干化污泥进口22、部分气化气出口23和污泥焦出口24。干化污泥进口22、部分气化气出口23、污泥焦出口24分别设置在污泥部分气化装置本体21上，干化污泥进口22与污泥干化装置10的污泥出口14连通，部分气化气出口23与锅炉40连通；污泥焦出口24与喷射器30的进口连通。

锅炉40包括汽包41和再燃区42；污泥部分气化装置20的部分气化气出口23连通至锅炉40的再燃区42，喷射器30的出口与锅炉40的再燃区42连通，汽包41与污泥干化装置10的热蒸汽进口13连接。

汽包41的蒸汽通过热蒸汽进口13进入到干化装置本体10内，将污泥干化装置10内的污泥进行干化处理，以脱除水分。干化后的污泥经过干化污泥进口22进入到污泥部分气化装置20内进行部分气化反应，气化后生成的部分气化气经过部分气化气出口23输送至锅炉40的再燃区42，其中，部分气化气中大量的NH₃和HCN在锅炉40的再燃区42将NOx还原为N₂和H₂O。其反应式如下：

4NO+4NH₃+O₂→4N₂+6H₂0

4NO₂+2NH₃+O₂→3N₂+6H₂O

另外，部分气化反应生成的污泥焦经过污泥焦出口24进入到喷射器30内，再经喷射器30的出口输送至锅炉40的再燃区42。污泥焦丰富的表面积、孔隙结构及活性位点为NOx的还原反应提供了场所，进一步促进了NOx还原。

本发明通过将污泥部分气化产生的部分气化气及污泥焦输送至锅炉40的再燃区42，部分气化气中大量的NH₃和HCN将烟气中的NOx还原为无污染的N₂和H₂O；同时高物化特性的污泥焦在再燃区42为NOx的还原提供反应场所，降低反应的活化能，有利于NOx的进一步减少；此外，经过冷却处理的污泥焦在再燃区42可以吸收大量热量，降低再燃区42的燃烧温度，减少热力型NOx的生成。另一方面，本发明以污泥为原料，合理的处理了污泥，避免了专门的污泥处理工厂所需的昂贵成本。与现有的需要专用还原剂的SCR、SNCR等主要的NOx脱除技术相比，本发明可以有效解决现有的主要燃煤NOx脱除技术存在成本高、脱除效率有待提升及污泥处理等棘手的问题，从而使污泥变废为宝的同时又实现了燃煤NOx的超低排放。

在一些实施方式中，污泥部分气化装置20可以选择相应的气流床、流化床、移动床或旋风炉。

在一些实施方式中，污泥干化装置10输送至污泥部分气化装置20的干化污泥的流量可调节。当锅炉40负荷变化，引起锅炉40再燃区42烟气流量变化，进一步导致再燃区42的NOx总量变化时，可以及时的通过调节输送至污泥部分气化装置20的污泥流量来控制部分气化产生的部分气化气和污泥焦的量，使再燃区42NOx的还原效果最佳。

在一些实施方式中，污泥部分气化装置20的温度控制在400-500℃内，并且保持在惰性气体氛围下，以使污泥部分气化过程中NH₃和HCN释放量最大，同时也避免附属NOx的释放；在一些实施方式种，可以保持在部分氧化气体氛围下，部分氧化气体可以包括不同配比的O₂、CO₂、H₂O。

在一些实施方式中，如图1所示，锅炉40的烟道与污泥干化装置10的污泥出口14连通，对干化后的污泥进行烟气再循环补充输送，即将尾部烟气输送至干化后的污泥处，由于尾部烟气氧浓度极低，有利于还原性气氛的形成。在一些实施方式中，如图2所示，在锅炉40的尾部烟道的不同位置处取部分尾部烟气对半焦在喷射器30中进行烟气再循环补充输送，采用烟气再循环对半焦进行补充输送，调节输送气氛，有利于锅炉40再燃区42还原性气氛的形成。

在一些实施方式中，如图3所示，喷射器30可以采用多级配风方式，并且第n(n>1)级配风可以是旋流的，采用多级旋流配风，可以强化锅炉40的再燃区42的湍动状态，另一方面避免局部高温区域的产生，有效控制热力型NOx的生成，同时也可以促进NOx还原反应的进行。

在一些实施方式中，在污泥部分气化装置20的部分气化气出口23处设有烟气过滤器，以过滤分离煤气中微量的焦油或者细颗粒物，以防止部分气化气输送过程中的腐蚀、堵塞等问题的发生。

在一些实施方式中，如图1所示，在锅炉40上设置有多个烟气抽取点43，可以从中选择不同的烟气抽取点43抽取锅炉40的烟道上不同位置的烟气输送至污泥干化装置10。通过调控不同烟气抽取位置，可以调整气化介质成分，从而调整部分气化反应产物成分，以实现部分气化反应中最大化的生成NH₃和HCN的同时也生成其他如CO、H₂等还原性气体，这有助于在锅炉40的再燃区42中形成还原性氛围，促进NOx的减少。

本发明的污泥处理与燃煤NOx减排一体化装置，其使用方法如下：

第一步：先将热蒸汽从汽包41输送至污泥干化装置10对污泥进行干化处理，以脱除水分；

第二步：将污泥干化装置10干化后的污泥经干化污泥进口22输送至污泥部分气化装置20进行部分气化反应；

第三步：将部分气化反应释放的部分气化气经部分气化气出口23输送至锅炉40的再燃区42，部分气化气中大量的NH₃、HCN、CO、H₂、CH₄等气体在锅炉40的再燃区42将NOx还原为N₂和H₂O；

第四步：将部分气化反应生成的污泥焦经过高温的喷射器30输送至锅炉40的再燃区42，由于污泥焦丰富的比表面积、孔隙结构及活性位点等特征，为NOx的还原反应提供了场所，进一步促进了NOx还原。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种污泥处理与燃煤NOx减排一体化装置，其特征在于，包括污泥干化装置、污泥部分气化装置、喷射器和锅炉，所述污泥干化装置连接至所述污泥部分气化装置，所述污泥部分气化装置分别连接至所述喷射器和所述锅炉，所述喷射器连接至所述锅炉；

其中，所述污泥干化装置包括干化装置本体、以及设置在所述干化装置本体上的污泥入口、污泥出口、热蒸汽进口和冷蒸汽出口；

所述污泥部分气化装置包括污泥部分气化装置本体以及设置在所述污泥部分气化装置本体上的干化污泥进口、部分气化气出口和污泥焦出口；所述干化污泥进口与所述污泥出口连通，所述部分气化气出口连通至所述锅炉，所述污泥焦出口连通至所述喷射器的进口；

所述锅炉包括汽包和再燃区，所述部分气化气出口和所述喷射器的出口均连通至所述再燃区；所述汽包连通至所述热蒸汽进口。

2.如权利要求1所述的污泥处理与燃煤NOx减排一体化装置，其特征在于，所述锅炉的烟道连通至所述污泥出口，以对干化后的污泥进行烟气再循环补充输送。

3.如权利要求2所述的污泥处理与燃煤NOx减排一体化装置，其特征在于，所述锅炉的烟道还连通至所述喷射器的进口。

4.如权利要求2所述的污泥处理与燃煤NOx减排一体化装置，其特征在于，所述锅炉上设置有多个烟道抽取点，以通过不同的所述烟道抽取点抽取所述烟道上不同位置的烟气。

5.如权利要求1所述的污泥处理与燃煤NOx减排一体化装置，其特征在于，所述污泥部分气化装置可以选自气流床、流化床、移动床或旋风炉中任意一种。

6.如权利要求1所述的污泥处理与燃煤NOx减排一体化装置，其特征在于，所述污泥部分气化装置的温度在400-500℃内，并保持在惰性气体或者部分氧化气体氛围下，其中所述部分氧化气体包括不同配比的O₂、CO₂、H₂O。

7.如权利要求1所述的污泥处理与燃煤NOx减排一体化装置，其特征在于，所述污泥干化装置输送至所述污泥部分气化装置的干化污泥的流量是可调节的。

8.如权利要求1所述的污泥处理与燃煤NOx减排一体化装置，其特征在于，所述喷射器采用多级旋流配风方式。

9.如权利要求1所述的污泥处理与燃煤NOx减排一体化装置，其特征在于，所述污泥部分气化装置的所述部分气化气出口处设置有烟气过滤器。

10.一种使用如权利要求1-9任一项所述的污泥处理与燃煤NOx减排一体化装置的方法，其特征在于，包括如下步骤：

从所述锅炉的汽包中抽取蒸汽输送至所述污泥干化装置，以干化污泥；

将干化后的所述污泥输送至所述污泥部分气化装置进行部分气化反应，生成气化气和污泥焦；

将所述气化气输送至所述锅炉的所述再燃区；

将所述污泥焦通过所述喷射器输送至所述锅炉的所述再燃区。

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