CN113332840A - 一种改性煤粉部分气化再燃NOx减排装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改性煤粉部分气化再燃NOx减排装置，包括机械化学改性装置、部分气化炉、喷射器和锅炉，机械化学改性装置连接至部分气化炉，部分气化炉分别连接至喷射器和锅炉，喷射器连接至所述锅炉；部分气化炉包括本体以及设置在本体上的改性煤粉进口、煤气出口和半焦出口；改性煤粉进口与机械化学改性装置的出口连通，煤气出口连通至锅炉，半焦出口连通至喷射器的进口；锅炉包括再燃区，煤气出口和喷射器的出口均连通至再燃区。本发明还提供了一种上述装置的使用方法。本发明以煤为原料来实现NOx的超低排放，同时又可以从根本上降低设备投入成本。
Description
技术领域
本发明涉及锅炉领域，尤其涉及一种改性煤粉部分气化再燃NOx减排装置及方法。
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，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％。随着各类环境问题的日渐突现和环保标准的逐渐严苛，进一步实现燃煤发电NOx的超低排放对能源环境的可持续发展具有重要意义。当前，由于相对较好的NOx脱除效果，以氨气、尿素等为还原剂的SCR和SNCR法是被使用得较多的燃煤烟气NOx脱除技术。但是上述两种方法均存在着严重缺陷，如：还原剂的大量消耗将会大幅度增加脱硝成本；另外，难以控制的氨泄漏问题间接降低NOx脱除效率的同时也导致了二次污染，严重时甚至危及工作人员的生命安全。
煤的部分气化是针对煤中不同组成部分具有不同反应特性的特点，对各组成部分实现分级利用，即：首先将煤的挥发分气化产生煤气(包括CH4、H2和CO等可燃性气体)，剩余难以气化的半焦通过燃烧处理，不再用于产生煤气。与传统的煤气化技术相比，煤的部分气化技术具有操作简单、运行成本低，煤气化后的产物挥发分含量低，方便储存和运输等优点。
中国专利号CN201910149021.2，公开日2019-06-11，记载了一种改性煤再燃脱硫脱硝的系统及其处理方法，该技术将改性煤粉喷入炉膛再燃区，形成富燃料，强还原性气氛，对烟气中的NOx进行还原。该技术的缺陷在于：改性煤粉虽具有一定的比表面积、孔隙结构和表面活性位点，但是相对于改性后制得的煤焦而言，改性煤粉比表面积、孔隙结构和表面活性位点还是较缺乏的，因此，直接将改性煤粉喷入炉膛再燃区，为NOx的还原提供反应场所的效果是比较有限的，有待于进一步提高；此外，直接将改性煤粉喷入炉膛再燃区，煤中的C、H等元素没有得到充分利用，影响还原性气氛的形成。
鉴于我国燃煤发电现有的主要NOx脱除技术存在的问题，本领域技术人员致力于开发一种改性煤粉部分气化再燃NOx减排装置，通过结合煤的部分气化和煤粉的机械化学改性的优势，实现燃煤NOx超低排放，促进煤炭资源的合理利用，从根本上降低设备投入成本。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供了一种改性煤粉部分气化再燃NOx减排装置，包括机械化学改性装置、部分气化炉、喷射器和锅炉，所述机械化学改性装置连接至所述部分气化炉，所述部分气化炉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；
所述部分气化炉包括本体以及设置在所述本体上的改性煤粉进口、煤气出口和半焦出口；所述改性煤粉进口与所述机械化学改性装置的出口连通，所述煤气出口连通至所述锅炉，所述半焦出口连通至所述喷射器的进口；
所述锅炉包括再燃区，所述煤气出口和所述喷射器的出口均连通至所述再燃区。
进一步地，所述机械化学改性装置为气流磨。
进一步地，在使用所述机械化学改性装置对煤粉进行机械化学改性时，添加粉碎添加剂；或者向所述机械化学改性装置充入还原性气体或者部分氧化性气体，以调节粉碎气氛，其中，所述部分氧化性气体包括不同配比的O2、CO2、H2O。
进一步地，所述粉碎添加剂包括0.05％的钼酸盐、0.5％-1.5％的硅烷系列偶联剂、钛酸酯系列偶联剂、铝钛复合偶联剂。
进一步地，所述锅炉的烟道连通至所述部分气化炉的半焦出口，以取部分烟气进行再循环补充输送。
进一步地，所述锅炉上设置有多个烟气抽取点并被配置为能够从不同的所述烟气抽取点抽取所述烟道上不同位置的烟气。
进一步地，所述机械化学改性装置输送至所述部分气化炉的改性煤粉的流量是可调节的。
进一步地，所述喷射器采用多级旋流配风方式。
进一步地，所述部分气化炉的所述煤气出口连通至所述机械化学改性装置与所述部分气化炉之间的煤粉输送通道，以将所述机械化学改性装置的出口输出的改性煤粉直接送入所述锅炉。
本发明还提供了一种使用如上所述的改性煤粉部分气化再燃NOx减排装置的方法，包括如下步骤：
将煤粉在所述机械化学改性装置中被机械化学改性；
将经所述机械化学改性装置改性后的所述煤粉经输送至所述部分气化炉进行部分气化反应；
将所述部分气化反应生成的煤气输送至所述锅炉的再燃区；
将所述部分气化反应生成的半焦经过所述喷射器输送至所述锅炉的所述再燃区。
本发明提供的改性煤粉部分气化再燃NOx减排装置及方法具有以下技术效果：
1、本发明将煤粉进行机械化学改性，以提高煤粉的比表面积、孔隙结构以及活性位点等物化性能，然后将改性后的煤粉进行部分气化反应，由于改性后煤粉的物化性能大幅度提升，使得煤粉的部分气化反应更容易发生，从而可以降低部分气化反应对部分汽化炉、温度、压力等的要求，从而达到控制成本的目的。
2、本发明通过添加粉碎添加剂和/或调节粉碎气氛，不仅可以强化煤粉的物理性能，同时也有利于煤粉表面还原性官能团或还原性气氛的形成，可进一步降低NOx的生成。
3、本发明中部分气化反应产生的煤气中含有大量的可燃性气体如CO、CH4及H2等，这些可燃性气体被输送至锅炉的再燃区进行燃烧反应，可以大量的消耗再燃区的氧气，促使再燃区还原性气氛的形成，从而促进NOx的还原。
4、本发明中部分气化反应产生的半焦经过高温喷射器也被输送至再燃区，由于是机械化学改性煤粉部分气化后生成的半焦，其比表面积、孔隙结构以及活性位点经部分气化反应挥发分析出过程后将进一步增加，这为再燃区NOx的异相还原提供了足够的场所，促进NOx异相还原反应的发生，减少NOx的生成。
5、本发明以煤粉为原料，将部分气化反应生成的煤气和半焦喷入锅炉的再燃区，制造有利于NOx还原的环境。与现有SCR、SNCR等主要的NOx脱除技术相比，煤的价格低廉，反之SCR和SNCR技术中的还原剂成本较高，所以以煤为原料来实现NOx的超低排放可以从根本上降低成本。此外，部分气化产生的半焦通过喷入锅炉的再燃区为NOx的异相还原反应提供场所的方式实现二次利用，这也可以节约成本。
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是采用烟气再循环补充输送时的结构示意图；
图3是采用多级配风方式的喷射器时的结构示意图；
图4是将煤气出口与煤粉输送管道连通时的结构示意图。
其中，10-机械化学改性装置，20-部分气化炉，21-本体，22-改性煤粉进口，23-煤气出口，24-半焦出口，30-喷射器，40-锅炉，41-再燃区，42-烟道抽取点。
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，本发明提供了一种改性煤粉部分气化再燃NOx减排装置，包括机械化学改性装置10、部分气化炉20、喷射器30和锅炉40；机械化学改性装置10与部分气化炉20连接；部分气化炉20分别与喷射器30、锅炉40连接，喷射器30还与锅炉40连接。
机械化学改性装置10可以通过调控粉碎环境，对煤粉的比表面积、孔隙结构、活性位点等物化特征加以强化，以进一步提高其反应活性。机械化学改性装置10的出口连通至部分气化炉20。在一些实施方式中，机械化学改性装置10可以选用气流磨，气流磨的粉碎环境如压力、温度等可以调节，然后再结合煤粉物化性能表征测试，以获得最佳活性的改性煤粉。在一些实施方式中，在机械化学改性的过程中可以添加一些粉碎添加剂，例如，添加0.05％的钼酸盐，可减小煤粉粒度增加孔隙度；添加0.5％-1.5％的硅烷系列偶联剂、钛酸酯系列偶联剂、铝钛复合偶联剂可增加链装活性基团；以再循环烟气为粉碎气氛可增加CO的形成。在一些实施方式中，在机械化学改性的过程中，可以往机械化学改性装置10充入还原性气体或者充入不同配比的O2、CO2、H2O等部分氧化性气体，以调节粉碎气氛。添加粉碎添加剂和充入还原性气体或充入不同配比的O2、CO2、H2O等部分氧化性气体可以同时采用，也可以选择其中一种实施。通过添加粉碎添加剂和/或调节粉碎气氛不仅可以强化煤粉的物理性能，同时也有利于煤粉表面还原性冠能团或气氛的形成，可进一步降低NOx的生成。
部分气化炉20包括本体21、改性煤粉进口22、煤气出口23和半焦出口24。改性煤粉进口22、煤气出口23、半焦出口24分别设置在本体21上，改性煤粉进口22与机械化学改性装置10的出口连通，煤气23与锅炉40连通；半焦出口24与喷射器30的进口连通。经过改性后的煤粉，其物化性能大幅度提升，使得煤粉在部分气化炉20内的部分气化反应更容易发生，从而可以降低部分气化反应对部分气化炉、温度、压力等方面的要求，达到控制成本的目的。在部分气化反应中，产生的煤气中含有大量的可燃性气体，如CO、CH4及H2等，这些可燃性气体被输送至锅炉进行燃烧反应，可以大量的消耗锅炉中的氧气，促使锅炉中还原性气氛的形成，从而促进NOx的还原。
部分气化炉20的半焦出口24与喷射器30的进口连通，使得部分气化反应产生的半焦经过高温的喷射器30输送至锅炉40中。由于机械化学改性煤粉部分气化后生成的半焦，其比表面积、孔隙结构以及活性位点经部分气化反应挥发析出过程后将进一步增加，这为锅炉NOx的异相还原提供了足够的场所，促进NOx异相还原反应的发生，从而减少NOx的生成。
锅炉40包括再燃区41；部分气化炉20的煤气出口23连通至锅炉40的再燃区41，喷射器30的出口与锅炉40的再燃区41连通。
本发明通过将改性煤粉部分气化产生的煤气及半焦输送至锅炉40的再燃区41，煤气中大量的可燃性气体在再燃区41中发生燃烧反应，可以消耗大量氧，从而创造有利于NOx还原的还原性气氛；同时高物化特性的半焦在再燃区41为NOx的还原提供反应场所，有利于NOx的进一步还原；此外，低温半焦在再燃区41可以吸收部分热量，降低再燃区41的燃烧温度，这可以减少热力型NOx的生成。另一方面，本实施方式以改性后的煤粉为原料，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，煤的价格低廉，这可以从根本上控制成本；并且改性后的煤粉反应性较高，可以降低对部分汽化炉20和操作温度、压力等的要求，这也有利于成本的控制；最后经过部分气化产生的半焦以喷入锅炉40的再燃区41的方式被二次利用，进一步降低成本。与现有的主要的NOx脱硫技术相比，本发明可以有效解决成本高、脱除效率有待提升的问题，从而可以进一步实现燃煤发电NOx的超低排放。
在一些实施方式中，机械化学改性装置10输送至部分气化炉20的改性煤粉的流量可调节。当锅炉40负荷变化，引起锅炉40再燃区41烟气流量变化，进一步导致再燃区41NOx总量变化时，可以及时的通过调节输送至部分气化炉20的改性煤粉流量来控制部分气化产生的煤气和半焦的量，使再燃区41NOx的还原效果最佳。
在一些实施方式中，如图2所示，锅炉40的烟道与部分气化炉20的半焦出口24连通，以取部分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41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上设置有多个烟气抽取点42，可以从中选择不同的烟气抽取点42抽取烟气输送至部分气化炉20的半焦出口24处。通过调控不同烟气抽取位置，抽取不同成分的烟气对半焦进行烟气再循环补充输送，以最大化的在锅炉40的再燃区41中形成还原性氛围，促进NOx的还原。
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41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，在部分气化炉20的煤气出口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4所示，将部分气化炉20的煤气出口23连通至机械化学改性装置10与部分气化炉20之间的煤粉输送通道，使得从机械化学改性装置10的出口输出的煤粉能够直接进入锅炉40的再燃区41，从而将部分气化反应生成的煤气用于将改性后的煤粉直接输送至锅炉40的再燃区41，煤气中含有大量的可燃性气体可以大量的消耗再燃区的氧气，有助于再燃区还原性气氛的形成，促进NOx的还原，同时改性煤粉丰富的理化性质可以进一步促进NOx的还原。
本发明的改性煤粉部分气化再燃NOx减排装置，其使用方法如下：
第一步：煤粉在机械化学改性装置10中被机械化学改性；
第二步：将经机械化学改性装置10改性后的煤粉经改性煤粉进口输送至部分气化炉20进行部分气化反应；
第三步：将部分气化反应生成的煤气经煤气出口23输送至锅炉40的再燃区41，煤气中大量的可燃性气体如CO、CH4和H2等在锅炉40的再燃区41燃烧，消耗大量氧，从而使锅炉40的再燃区41形成还原性气氛，以促进NOx的还原；
第四步：将部分气化反应生成的半焦经过高温的喷射器30输送至锅炉40的再燃区41，半焦丰富的比表面积、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。
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)
1.一种改性煤粉部分气化再燃NOx减排装置，其特征在于，包括机械化学改性装置、部分气化炉、喷射器和锅炉，所述机械化学改性装置连接至所述部分气化炉，所述部分气化炉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；
所述部分气化炉包括本体以及设置在所述本体上的改性煤粉进口、煤气出口和半焦出口；所述改性煤粉进口与所述机械化学改性装置的出口连通，所述煤气出口连通至所述锅炉，所述半焦出口连通至所述喷射器的进口；
所述锅炉包括再燃区，所述煤气出口和所述喷射器的出口均连通至所述再燃区。
2.如权利要求1所述的改性煤粉部分气化再燃NOx减排装置，其特征在于，所述机械化学改性装置为气流磨。
3.如权利要求1所述的改性煤粉部分气化再燃NOx减排装置，其特征在于，在使用所述机械化学改性装置对煤粉进行机械化学改性时，添加粉碎添加剂；或者向所述机械化学改性装置充入还原性气体，以调节粉碎气氛。
4.如权利要求3所述的改性煤粉部分气化再燃NOx减排装置，其特征在于，所述粉碎添加剂包括0.05％的钼酸盐、0.5％-1.5％的硅烷系列偶联剂、钛酸酯系列偶联剂、铝钛复合偶联剂。
5.如权利要求1所述的改性煤粉部分气化再燃NOx减排装置，其特征在于，所述锅炉的烟道连通至所述部分气化炉的半焦出口，以取部分烟气进行再循环补充输送。
6.如权利要求5所述的改性煤粉部分气化再燃NOx减排装置，其特征在于，所述锅炉上设置有多个烟气抽取点并被配置为能够从不同的所述烟气抽取点抽取所述烟道上不同位置的烟气。
7.如权利要求1所述的改性煤粉部分气化再燃NOx减排装置，其特征在于，所述机械化学改性装置输送至所述部分气化炉的改性煤粉的流量是可调节的。
8.如权利要求1所述的改性煤粉部分气化再燃NOx减排装置，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所述的改性煤粉部分气化再燃NOx减排装置，其特征在于，所述部分气化炉的所述煤气出口连通至所述机械化学改性装置与所述部分气化炉之间的煤粉输送通道，以将所述机械化学改性装置的出口输出的改性煤粉直接送入所述锅炉。
10.一种使用如权利要求1-9任一项所述的改性煤粉部分气化再燃NOx减排装置的方法，其特征在于，包括如下步骤：
将煤粉在所述机械化学改性装置中被机械化学改性；
将经所述机械化学改性装置改性后的所述煤粉输送至所述部分气化炉进行部分气化反应；
将所述部分气化反应生成的煤气输送至所述锅炉的再燃区；
将所述部分气化反应生成的半焦经过所述喷射器输送至所述锅炉的所述再燃区。
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