CN113324244A - 一种部分气化耦合载氧体辅助燃烧处理固体燃料的系统及工艺 - Google Patents

一种部分气化耦合载氧体辅助燃烧处理固体燃料的系统及工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种部分气化耦合载氧体辅助燃烧处理固体燃料的系统及工艺，该系统包括燃烧炉、气化炉、旋风分离器、密封返料器、分离装置、渣库、除尘器、载氧体储存库、灰库、烟气净化系统及烟囱，该工艺包括以下步骤：步骤一：燃料加入气化炉，空气与燃料混合反应；步骤二：气化炉生成的混合物中固体颗粒一部分返送回气化炉内、另一部分返送回燃烧炉内；步骤三：气化炉的气化产物气注入燃烧炉；步骤四：燃烧炉燃烧后生成的混合物进行气固分离，固体颗粒加入燃烧炉内底部，烟气则经除尘器后一部分排向大气，另一部分送回燃烧炉；燃烧炉的排渣实现分离操作；除尘器捕捉到的颗粒通过第二分离装置分离；步骤五：载氧体储存库中的颗粒送入燃烧炉中。

Description

一种部分气化耦合载氧体辅助燃烧处理固体燃料的系统及 工艺
技术领域
本发明涉及能源技术与环境保护技术交叉领域，具体涉及一种部分气化耦合载氧体辅助燃烧处理固体燃料的系统及工艺。
背景技术
循环流化床锅炉具有燃料适用性好、负荷调节宽、炉内脱硫等优点，由于其燃烧温度较低(800～900℃)，因此还具有低NOx排放的特点，在能源、化工等领域被广泛应用。当引入分级配风等技术手段时，可以获得更低的NOx排放，通常可以满足大多数国家的环保标准。但是，针对近年来国家提出的燃煤电站超低排放NOx排放指标要求(6％O2条件下，NOx排放小于50mg/m3)，流化床锅炉实现NOx超低排放依然面临巨大挑战。
目前，进一步降低流化床锅炉NOx排放的方法通常采用选择性非催化还原(SNCR)或选择性非催化还原(SNCR)+选择性催化还原(SCR)的方法。通过喷入氨水等与NOx发生还原反应，以实现循环流化床锅炉NOx的超低排放。其中，SNCR技术虽然投入成本较低，但脱硝效率也较低，且会在一定程度上影响锅炉效率；而SCR技术虽然脱硝效率较高，但投资和运行均成本较高。此外，为了获得较高的脱硝效率，SNCR和SCR技术都会投入过量的氨，从而带来NH3逃逸。逃逸的NH3若直接排放到大气中会造成雾霾，若与SO3反应生成NH4HSO4或(NH4)2SO4则可能腐蚀和堵塞空气预热器。
此外，虽然流化床反应器具有良好的气固混合特性，但是实际应用的工业锅炉大多存在混合不良的区域，形成局部氧化和局部还原性的区域。为了保证燃料的燃烬度，通常会引入过量空气进入炉内参与反应，这不仅对燃烧效率和经济性均带来不利影响，还有可能会产生局部热点带来床层团聚以及污染物排放增加等问题。因此，如何改善炉内氧和温度的均匀性、完成污染物的超低排放(特别是NOx)成为大型锅炉需要解决的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种部分气化耦合载氧体辅助燃烧处理固体燃料的系统及工艺，不仅可以提高炉内温度和氧分布的均匀性，提高氧利用率、燃烧效率以及系统运行安全性和稳定性，还可以实现流化床锅炉燃烧的低NOx排放。
为了达到以上目的，本发明提供如下技术方案：一种部分气化耦合载氧体辅助燃烧处理固体燃料的系统,该系统包括燃烧炉、气化炉、旋风分离器、密封返料器、分离装置、渣库、除尘器、载氧体储存库、灰库、烟气净化系统及烟囱，所述燃烧炉通过旋风分离器与所述除尘器相连，所述除尘器通过所述烟气净化系统与所述烟囱相连，所述除尘器通过分离装置分别与所述灰库、载氧体储存库相连，所述气化炉通过旋风分离器与所述燃烧炉相连，所述旋风分离器与所述密封返料器相连，所述燃烧炉通过分离装置与所述渣库相连。烟气净化系统包括NOx、SOx、PM、酸性气体以及重金属等的脱除工艺；第一分离装置、第二分离装置均包含磁分离、机械筛分、浮选分离等物理化学分离方法，具体分离方式的选择视灰渣与载氧体物化性质差异的实际情况而定。
作为本发明的一种改进，所述旋风分离器包括第一旋风分离器及第二旋风分离器，所述密封返料器包括第一密封返料器及第二密封返料器，所述分离装置包括第一分离装置及第二分离装置。
作为本发明的一种改进，所述燃烧炉烟气出口与所述第一旋风分离器烟气入口相连，所述除尘器气体出口分别与所述烟气净化系统、燃烧炉直连，所述除尘器固体出口与所述第二分离装置相连，所述第二分离装置分别与所述灰库、载氧体储存库相连，所述第一旋风分离器底部通过下降管与所述第一密封返料器相连，所述气化炉烟气出口与所述第二旋风分离器烟气入口相连，所述第二旋风分离器顶部气体出口与所述燃烧炉相连，所述第二旋风分离器底部通过下降管与所述第二密封返料器相连。第二旋风分离器顶部气体出口与燃烧炉不同高度的气体喷口相连，燃烧炉不同高度的气体喷口可沿炉膛壁面各个方向和高度布置，喷口数量视实际情况而定；
作为本发明的一种改进，所述载氧体储存库与所述第一密封返料器相连，所述第一密封返料器出口与所述燃烧炉下部返料口相连，所述第二密封返料器出口分别与所述燃烧炉下部返料口、气化炉下部返料口相连，所述燃烧炉排渣口与所述第一分离装置相连，所述第一分离装置出口分别与所述渣库、载氧体储存库相连。
作为本发明的一种改进，所述燃烧炉为循环流化床锅炉，且其反应压力为常压、反应温度为800-950℃，所述气化炉为快速流化床反应器，且其反应压力为常压、反应温度为800-950℃。
作为本发明的一种改进，一种部分气化耦合载氧体辅助燃烧处理固体燃料的工艺，该工艺包括以下步骤：
步骤一：空气作为气化炉的流化介质，燃料加入气化炉后进行热解和部分气化反应，生产大量还原性物质，空气与燃料混合反应产物中高浓度的还原性气体会迅速将气化炉内NOx还原成N2，形成低NOx的气化产物气；
步骤二：气化炉生成的混合物经第二旋风分离器分离，固体颗粒被捕捉后通过第二密封返料器一部分返送回气化炉内底部、另一部分返送回燃烧炉内底部，与燃烧炉中导入的空气、除尘器排出的烟气及燃烧炉内的床料混合后燃烧；
步骤三：来自气化炉的高还原性气化产物气从燃烧炉的不同位置注入，创造局部还原性区域，并将NOx还原成N2，然后未反应的还原性气体被燃烧炉中导入空气中的氧气及燃烧炉中的床料氧化并形成CO2和H2O；
步骤四：燃烧炉燃烧后生成的混合物经第一旋风分离器进行气固分离，固体颗粒通过第一密封返料器加入燃烧炉内底部，继续参与燃烧反应；烟气则经除尘器除尘后，一部分烟气依次通过烟气净化系统、烟囱排向大气，另一部分烟气与空气混合后送入燃烧炉，烟气中NOx会在燃烧炉密相区的焦炭表面发生还原反应，减少NOx的排放；燃烧炉的排渣中含有载氧体，燃烧炉的排渣进入第一分离装置且第一分离装置将炉渣与载氧体进行分离，然后载氧体颗粒进入载氧体储存库，炉渣进入渣库；除尘器捕捉到的颗粒进入第二分离装置，所捕捉到的颗粒中含有飞灰及载氧体颗粒，第二分离装置将载氧体分离出来并送到载氧体储存库中，飞灰进入灰库；
步骤五：进入载氧体储存库中的载氧体颗粒与新鲜载氧体颗粒进行混合后经第一密封返料器送入燃烧炉中继续参与反应。
作为本发明的一种改进，所述燃烧炉的床料为载氧体颗粒，所述气化炉的床料为惰性材料。气化炉添加的燃料不仅包括煤、生物质、生活垃圾以及污泥等固体废弃物，还包括以上两种或多种燃料的混合物。载氧体颗粒包括金属基载氧体、非金属基载氧体或复合型载氧体；其中，金属基载氧体包括铁基、锰基、镍基、铜基、钴基载氧体以及含有铁、锰、镍、铜、钴氧化物的矿石、废渣；非金属基载氧体包括CaSO4或BaSO4；复合型基载氧体包括含有铁、锰、镍、铜、钴中任意两种及多种金属氧化物的合成载氧体。惰性材料包括燃料灰、石英砂及河沙等。气化炉生成的混合物中的固体颗粒包括焦炭及床料。载氧体颗粒在燃烧炉中一方面可以在富氧区域被氧气氧化，另一方面可以在缺氧区域氧化可燃物质(包括CO,H2,CxHy以及焦炭等)，提高循环流化床燃烧器中氧气和温度分布的均匀性，提高氧利用率和燃料燃烧效率。
相对于现有技术，本发明具有如下优点：
1、燃料先在气化炉中热解和部分气化，空气与燃料混合反应产物中高浓度的还原性气体可以将NOx还原为N2，降低挥发分氮转化为NOx的比例；
2、高还原性的气化产物气分级注入燃烧炉内，作为还原剂将燃烧炉内NOx还原，从而在炉内减少NOx的原始排放；
3、采用燃烧后烟气部分循环进入燃烧炉，一方面可以提高烟气余热的利用，另一方面烟气中NOx可以在燃烧炉密相区焦炭表面被还原，有利于NOx的进一步减排；
4、采用载氧体做循环床料，可以提高燃烧炉内氧气和温度分布的均匀性，提高燃烧效率和氧利用率；
5、本发明可以用于指导新建循环流化床燃烧系统的设计，也可用于现有循环流化床锅炉燃烧系统的改造。
附图说明
图1为本发明一种部分气化耦合载氧体辅助燃烧处理固体燃料的系统示意图；
附图标记列表：1、燃烧炉；2、气化炉；3-1、第一旋风分离器；3-2、第二旋风分离器；4-1、第一密封返料器；4-2、第二密封返料器；5-1、第一分离装置；5-2、第二分离装置；6、渣库；7、除尘器；8、载氧体储存库；9、灰库；10、烟气净化系统；11、烟囱。
具体实施方式
如附图1所示，一种部分气化耦合载氧体辅助燃烧处理固体燃料的系统,该系统包括燃烧炉1、气化炉2、旋风分离器、密封返料器、分离装置、渣库6、除尘器7、载氧体储存库8、灰库9、烟气净化系统10及烟囱11，所述燃烧炉1通过旋风分离器与所述除尘器7相连，所述除尘器7通过所述烟气净化系统10与所述烟囱11相连，所述除尘器7通过分离装置分别与所述灰库9、载氧体储存库8相连，所述气化炉2通过旋风分离器与所述燃烧炉1相连，所述旋风分离器与所述密封返料器相连，所述燃烧炉1通过分离装置与所述渣库6相连。
所述旋风分离器包括第一旋风分离器3-1及第二旋风分离器3-2，所述密封返料器包括第一密封返料器4-1及第二密封返料器4-2，所述分离装置包括第一分离装置5-1及第二分离装置5-2。
所述燃烧炉1烟气出口与所述第一旋风分离器3-1烟气入口相连，所述除尘器7气体出口分别与所述烟气净化系统10、燃烧炉1直连，所述除尘器7固体出口与所述第二分离装置5-2相连，所述第二分离装置5-2分别与所述灰库9、载氧体储存库8相连，所述第一旋风分离器3-1底部通过下降管与所述第一密封返料器4-1相连，所述气化炉2烟气出口与所述第二旋风分离器3-2烟气入口相连，所述第二旋风分离器3-2顶部气体出口与所述燃烧炉1相连，所述第二旋风分离器3-2底部通过下降管与所述第二密封返料器4-2相连。
所述载氧体储存库8与所述第一密封返料器4-1相连，所述第一密封返料器4-1出口与所述燃烧炉1下部返料口相连，所述第二密封返料器4-2出口分别与所述燃烧炉1下部返料口、气化炉2下部返料口相连，所述燃烧炉1排渣口与所述第一分离装置5-1相连，所述第一分离装置5-1出口分别与所述渣库6、载氧体储存库8相连。
所述燃烧炉1为循环流化床锅炉，且其反应压力为常压、反应温度为800-950℃，所述气化炉2为快速流化床反应器，且其反应压力为常压、反应温度为800-950℃。
一种部分气化耦合载氧体辅助燃烧处理固体燃料的工艺，该工艺包括以下步骤：
步骤一：空气作为气化炉2的流化介质，燃料加入气化炉2后进行热解和部分气化反应，生产大量还原性物质，空气与燃料混合反应产物中高浓度的还原性气体会迅速将气化炉2内NOx还原成N2，形成低NOx的气化产物气；
步骤二：气化炉2生成的混合物经第二旋风分离器3-2分离，固体颗粒被捕捉后通过第二密封返料器4-2一部分返送回气化炉2内底部、另一部分返送回燃烧炉1内底部，与燃烧炉1中导入的空气、除尘器7排出的烟气及燃烧炉1内的床料混合后燃烧；
步骤三：来自气化炉2的高还原性气化产物气从燃烧炉1的不同位置注入，创造局部还原性区域，并将NOx还原成N2，然后未反应的还原性气体被燃烧炉1中导入空气中的氧气及燃烧炉1中的床料氧化并形成CO2和H2O；
步骤四：燃烧炉1燃烧后生成的混合物经第一旋风分离器3-1进行气固分离，固体颗粒通过第一密封返料器4-1加入燃烧炉1内底部，继续参与燃烧反应；烟气则经除尘器7除尘后，一部分烟气依次通过烟气净化系统10、烟囱11排向大气，另一部分烟气与空气混合后送入燃烧炉1，烟气中NOx会在燃烧炉1密相区的焦炭表面发生还原反应，减少NOx的排放；燃烧炉1的排渣中含有载氧体，燃烧炉1的排渣进入第一分离装置5-1且第一分离装置5-1将炉渣与载氧体进行分离，然后载氧体颗粒进入载氧体储存库8，炉渣进入渣库6；除尘器7捕捉到的颗粒进入第二分离装置5-2，所捕捉到的颗粒中含有飞灰及载氧体颗粒，第二分离装置5-2将载氧体分离出来并送到载氧体储存库8中，飞灰进入灰库9；
步骤五：进入载氧体储存库8中的载氧体颗粒与新鲜载氧体颗粒进行混合后经第一密封返料器4-1送入燃烧炉1中继续参与反应。
所述燃烧炉1的床料为载氧体颗粒，所述气化炉2的床料为惰性材料。
实例
下面以钛铁矿作为载氧体，煤作为燃料，对此发明加以进一步说明。
步骤1：煤被加入气化炉内，且进行快速热解和部分气化反应，迅速生成大量还原性物质(包含CO,H2,CxHy以及NH3等)，空气作为气化炉的流化介质，空气与煤混合反应产物中高浓度的还原性气体会迅速将炉内NOx还原成N2，形成低NOx的产物气；
步骤2：气化炉中生成的烟气混合物经第二旋风分离器分离，焦炭和床料颗粒通过第二密封返料器一部分返回到气化炉内底部、另一部分进入燃烧炉内底部进行燃烧；
步骤3：来自气化炉的高还原性的气化产物气从燃烧炉的不同炉膛高度被注入，创造局部还原区域并将燃烧炉内的部分NOx还原成N2，然后未反应的还原性气体被燃烧炉中导入空气中的氧气及燃烧炉中的钛铁矿发生氧化反应生成CO2和H2O；
步骤4：燃烧炉燃烧后生成的混合物经第一旋风分离器进行气固分离，分离下来的钛铁矿颗粒和未燃烬的焦炭颗粒通过第一密封返料器回到燃烧炉内底部，继续参与燃烧反应；烟气则经除尘器除尘后，一部分烟气依次通过烟气净化系统、烟囱排向大气，另一部分烟气与空气混合送入燃烧炉，烟气中NOx会在燃烧炉密相区的焦炭表面发生还原反应，减少NOx的排放；燃烧炉的排渣(含有灰渣和钛铁矿颗粒)进入第一分离装置(磁分离器)将炉渣与钛铁矿进行分离，然后钛铁矿颗粒进入钛铁矿储存库，炉渣进入渣库；除尘器捕捉到的颗粒(煤灰+钛铁矿颗粒)进入第二分离装置(磁分离器)中将钛铁矿分离出来并送到钛铁矿储存库中，飞灰进入灰库；
步骤5：钛铁矿颗粒在燃烧炉中一方面可以在富氧区域被氧气氧化，另一方面可以在缺氧区域氧化可燃物质(包括CO,H2,CxHy以及焦炭等)，提高循环流化床燃烧器中氧气和温度分布的均匀性，提高氧利用率和燃料燃烧效率；以钛铁矿与可燃气CO反应为例，钛铁矿在燃烧炉中的分别会发生如式(1)的还原反应和式(2)的氧化反应。
CO+Fe2TiO5+TiO2＝2FeTiO3+CO2 ΔH＝-48 kJ/mol O (1)
2FeTiO3+0.5O2＝Fe2TiO5+TiO2 ΔH＝-235 kJ/mol O (2)
步骤6：进入钛铁矿储存库中的钛铁矿颗粒与新鲜载氧体颗粒进行混合后经第一密封返料器送入燃烧炉中继续参与反应。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种部分气化耦合载氧体辅助燃烧处理固体燃料的系统,其特征在于，该系统包括燃烧炉(1)、气化炉(2)、旋风分离器、密封返料器、分离装置、渣库(6)、除尘器(7)、载氧体储存库(8)、灰库(9)、烟气净化系统(10)及烟囱(11)，所述燃烧炉(1)通过旋风分离器与所述除尘器(7)相连，所述除尘器(7)通过所述烟气净化系统(10)与所述烟囱(11)相连，所述除尘器(7)通过分离装置分别与所述灰库(9)、载氧体储存库(8)相连，所述气化炉(2)通过旋风分离器与所述燃烧炉(1)相连，所述旋风分离器与所述密封返料器相连，所述燃烧炉(1)通过分离装置与所述渣库(6)相连。
2.根据权利要求1所述的一种部分气化耦合载氧体辅助燃烧处理固体燃料的系统，其特征在于：所述旋风分离器包括第一旋风分离器(3-1)及第二旋风分离器(3-2)，所述密封返料器包括第一密封返料器(4-1)及第二密封返料器(4-2)，所述分离装置包括第一分离装置(5-1)及第二分离装置(5-2)。
3.根据权利要求2所述的一种部分气化耦合载氧体辅助燃烧处理固体燃料的系统，其特征在于：所述燃烧炉(1)烟气出口与所述第一旋风分离器(3-1)烟气入口相连，所述除尘器(7)气体出口分别与所述烟气净化系统(10)、燃烧炉(1)直连，所述除尘器(7)固体出口与所述第二分离装置(5-2)相连，所述第二分离装置(5-2)分别与所述灰库(9)、载氧体储存库(8)相连，所述第一旋风分离器(3-1)底部通过下降管与所述第一密封返料器(4-1)相连，所述气化炉(2)烟气出口与所述第二旋风分离器(3-2)烟气入口相连，所述第二旋风分离器(3-2)顶部气体出口与所述燃烧炉(1)相连，所述第二旋风分离器(3-2)底部通过下降管与所述第二密封返料器(4-2)相连。
4.根据权利要求3所述的一种部分气化耦合载氧体辅助燃烧处理固体燃料的系统及工艺，其特征在于：所述载氧体储存库(8)与所述第一密封返料器(4-1)相连，所述第一密封返料器(4-1)出口与所述燃烧炉(1)下部返料口相连，所述第二密封返料器(4-2)出口分别与所述燃烧炉(1)下部返料口、气化炉(2)下部返料口相连，所述燃烧炉(1)排渣口与所述第一分离装置(5-1)相连，所述第一分离装置(5-1)出口分别与所述渣库(6)、载氧体储存库(8)相连。
5.根据权利要求1所述的一种部分气化耦合载氧体辅助燃烧处理固体燃料的系统，其特征在于：所述燃烧炉(1)为循环流化床锅炉，且其反应压力为常压、反应温度为800-950℃，所述气化炉(2)为快速流化床反应器，且其反应压力为常压、反应温度为800-950℃。
6.根据权利要求4所述的一种部分气化耦合载氧体辅助燃烧处理固体燃料的系统所相配的工艺，其特征在于：该工艺包括以下步骤：
步骤一：空气作为气化炉(2)的流化介质，燃料加入气化炉(2)后进行热解和部分气化反应，生产大量还原性物质，空气与燃料混合反应产物中高浓度的还原性气体会迅速将气化炉(2)内NOx还原成N2，形成低NOx的气化产物气；
步骤二：气化炉(2)生成的混合物经第二旋风分离器(3-2)分离，固体颗粒被捕捉后通过第二密封返料器(4-2)一部分返送回气化炉(2)内底部、另一部分返送回燃烧炉(1)内底部，与燃烧炉(1)中导入的空气、除尘器(7)排出的烟气及燃烧炉(1)内的床料混合后燃烧；
步骤三：来自气化炉(2)的高还原性气化产物气从燃烧炉(1)的不同位置注入，创造局部还原性区域，并将NOx还原成N2，然后未反应的还原性气体被燃烧炉(1)中导入空气中的氧气及燃烧炉(1)中的床料氧化并形成CO2和H2O；
步骤四：燃烧炉(1)燃烧后生成的混合物经第一旋风分离器(3-1)进行气固分离，固体颗粒通过第一密封返料器(4-1)加入燃烧炉(1)内底部，继续参与燃烧反应；烟气则经除尘器(7)除尘后，一部分烟气依次通过烟气净化系统(10)、烟囱(11)排向大气，另一部分烟气与空气混合后送入燃烧炉(1)，烟气中NOx会在燃烧炉(1)密相区的焦炭表面发生还原反应，减少NOx的排放；燃烧炉(1)的排渣中含有载氧体，燃烧炉(1)的排渣进入第一分离装置(5-1)且第一分离装置(5-1)将炉渣与载氧体进行分离，然后载氧体颗粒进入载氧体储存库(8)，炉渣进入渣库(6)；除尘器(7)捕捉到的颗粒进入第二分离装置(5-2)，所捕捉到的颗粒中含有飞灰及载氧体颗粒，第二分离装置(5-2)将载氧体分离出来并送到载氧体储存库(8)中，飞灰进入灰库(9)；
步骤五：进入载氧体储存库(8)中的载氧体颗粒与新鲜载氧体颗粒进行混合后经第一密封返料器(4-1)送入燃烧炉(1)中继续参与反应。
7.根据权利要求6所述的一种部分气化耦合载氧体辅助燃烧处理固体燃料的工艺，其特征在于：所述燃烧炉(1)的床料为载氧体颗粒，所述气化炉(2)的床料为惰性材料。
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