CN115725340A - 一种富氮生物质的资源化利用系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物质利用技术领域，公开了一种富氮生物质的资源化利用系统及方法。所述系统从左至右依次为富氮生物质燃料制备单元、N调控高效富氮生物质气化单元和高氨富氢燃气燃烧单元。污泥、富氮非木质纤维素生物质氮含量极高，高温热处理NOx污染严重，本发明通过上述系统将其气化制得富含NH₃、H₂、CO和CxHy的高氨富氢燃气，再将其送入高氨富氢燃气燃烧单元燃烧，实现了“氮解耦控制”。将污泥中的氮(N)资源化(NH₃)利用，高氨富氢燃气的燃烧，可替代部分化石燃料。本发明在解决大宗富氮污泥等生物质清洁资源化最佳处置的同时，实现了火电锅炉协同降低NOx和CO₂的目标。

Description

一种富氮生物质的资源化利用系统及方法

技术领域

本发明属于生物质利用技术领域，具体为一种富氮生物质的资源化利用系统及方法。

背景技术

火力发电厂亟须减少CO₂排放，通过改善燃煤锅炉燃烧方式和燃料种类来逐步实现减污协同降碳的目标，确保能源和电网安全灵活的合理平衡。

污泥有作为替代燃料来减少煤燃烧的潜质。活性污泥是市政污水处理过程中产生的主要固体废弃物之一，其主要成分有水、蛋白质、脂质、碳水化合物、致病微生物、重金属和灰分等。我国生活污泥产量预计在2030年达到9700万吨以上，但污泥处置65％以上仍以填埋为主，堆肥、焚烧等资源化利用量低于20％，生活污泥资源化利用率低。高温处理可以有效破坏生物细胞并分解有毒有机物，实现污泥的无害化、减量化和资源化处置。但污泥含水量大，机械压滤脱水后含水量高于80％，高温处理能耗大，单独对其进一步脱水难度大，能耗高。且生活污泥中含氮量通常在3％以上，甚至高达9％，在燃烧过程中会释放大量NOx气体，造成严重的环境污染。另外，富氮非木质纤维素生物质，其氮含量高达7％以上，例如抗生素菌丝体废物和微藻等富氮微生物的数量都很大，并且生长繁殖速度很快，对生态环境的潜在威胁(如湖泊富营养化和抗生素耐药性)都很大，这都与它们丰富的氮源密切相关。

氨是一种无碳富氢燃料，氨气燃烧直接生成H₂和N₂，无CO₂排放，氨的能量密度为22.5MJ/kg，与化石燃料相当，是一种极具潜在应用价值的清洁燃料。但氨气的燃点温度高，热值中等，火焰燃烧速度低，难以单独稳定燃烧。而当氨气与化石燃料混合燃烧时，高热值的化石燃料可显著改善NH₃的燃烧稳定性。针对上述污泥用于燃煤锅炉时水分含量高、NOx排放量大，环境污染严重；富氮非木质纤维素生物质的氮含量极高，对生态系统威胁严重和NH₃难以稳定燃烧的问题，目前也进行了大量的研究，但是现有研究一部分对污泥和富氮生物质需要进行单独干燥脱水，能耗大；还有部分在热解过程中完全没考虑污泥氮含量极高，NOx排放污染极其严重的问题，只有少数采用焦炭吸附等额外的附加设备对挥发性含氮气体进行处理。因此，目前污泥等富氮生物质用于热解高值化利用的研究仍存在能耗大、资源化利用率低和含氮污染物处置难的问题。因此有必要对大宗污泥等富氮生物质的高值、清洁、大规模应用方式进行进一步的创新。

发明内容

针对上述问题本发明提供了一种富氮生物质的资源化利用系统及方法。该方法在实现富氮生物质中氮元素燃烧无害化的同时，将氮转化为了一种氨燃料并用于专用燃气锅炉或用于改善燃煤锅炉减污降碳。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

本发明提供了一种富氮生物质的资源化利用系统，所述系统从左至右依次为富氮生物质燃料制备单元、N调控高效富氮生物质气化单元和高氨富氢燃气燃烧单元；所述富氮生物质燃料制备单元用于将富氮生物质制备成富氮生物质燃料；所述N调控高效富氮生物质气化单元包括循环流化床气化炉、高温旋风分离器和三向返料阀，其中富氮生物质燃料制备单元通过进料口与循环流化床气化炉相连通，循环流化床气化炉通过烟道与高温旋风分离器连接，高温旋风分离器通过下行立管与三向返料阀连接，三向返料阀通过左侧高温返料阀控制的管道与循环流化床气化炉连接；所述高氨富氢燃气燃烧单元是将燃煤或燃气发电锅炉经过改造所得，通过气体管道与高温旋风分离器(23)连接。

本发明还提供一种基于上述系统的富氮生物质的资源化利用方法，包括以下步骤：

步骤1，将富氮生物质与富氨气化调节剂充分混合；

步骤2，将步骤1中的混合物进行干燥、破碎制得富氮生物质燃料；

步骤3，将步骤2中的富氮生物质燃料进行气化制备高氨富氢燃气和高温半焦；

步骤4，将步骤3制备的高氨富氢燃气用于专用燃气或燃煤发电系统，减少系统化石燃料的使用，减少CO₂的排放。

进一步，所述步骤1中的富氮生物质为未进行脱水的原污泥、富氮非木质纤维素生物质(抗生素菌丝体废物和微藻等富氮微生物)中的一种或两种及两种以上的混合物；其中原污泥使用时水分控制在80％-90％，污泥中的氮含量为3％-9％；富氮非木质纤维素生物质的氮含量为7％-9％。

进一步，所述步骤1中的富氨气化调节剂为富含铁钙的金属化合物，其主要由富含铁钙的固体废弃物如电石渣、钢渣、赤泥等混合加工制成；以干基、Ca/Fe元素质量为基准，富氨气化调节剂的添加量为富氮生物质总质量的1％-3％。作用机理为：污泥及其他富氮生物质中的含氮成分主要以化学性质不稳定的脂肪族化合物为主。高温下CaO促进其中的酰胺氮(胺、酰胺等)脱氨转化为NH₃，并抑制焦炭中的腈氮分解为HCN。富氨气化调节剂可通过促进含氮化合物的脱氨以在气化过程中生成更多的NH₃。

进一步，所述步骤2中混合物的干燥方式为，利用高氨富氢燃气燃烧单元燃烧后所产生的高温底渣热回收后所产生的200℃-300℃的高温惰性气体进行干燥，干燥后混合物中的含水率为15％-25％；所述破碎后的物料粒径为6mm-13mm。该粒径是流化床入炉的最佳粒径，达到最佳的流化状态后，可实现高效的气化反应，生成更多的可燃气。

进一步，所述步骤3的具体过程为：将破碎后的富氮生物质燃料通过进料口进入循环流化床气化炉进行气化，以富氮生物质中剩余的水分和CO₂作为气化剂，气化温度为700-900℃，气化时间为30-60分钟。富氮生物质燃料中剩余的水分一方面可以作为气化剂，促进生物炭的气化；另一方面残留的水分强化了气化炉中的富氢气氛，该气氛有利于燃料氮向NH₃的进一步转化。尽可能多的将燃料中的N向气化气中迁移，制得高氨富氢燃气和高温半焦。

进一步，所述步骤4中的专用燃气或燃煤发电系统为拥有特殊燃烧条件的，适合高氨富氢燃气燃烧的燃烧系统；可使用燃气锅炉，或可将燃煤发电煤粉锅炉经过改造，在锅炉原有的主燃区的基础上，设立一高氨富氢燃气燃烧区，将部分一次风燃烧器更换为高氨富氢气体燃烧器，通过气体管道与高温旋风分离器连接。上述区域均具有特定的燃烧温度和燃烧气氛等燃烧条件，以保证NH₃尽可能燃烧被氧化为无污染的N₂。

进一步，所述步骤4的具体过程为：将步骤3制备的富含NH₃、H₂、CO和CxHy的气化气，即所述的高氨富氢燃气通过高温旋风分离器捕捉分离后，从高温旋风分离器上部管道送入专用燃气或燃煤发电系统的高氨富氢燃气燃烧区燃烧；产生的高温半焦经过高温旋风分离器捕捉分离后，进入三向返料阀，其中一部分高温生物质半焦通过左侧高温返料阀再次进入循环流化床气化炉提供后续气化反应所需热量，另一部分高温生物质半焦通过高温返料阀直接排出，进行冷却和热量回收。所收集的富含金属元素的活性生物质焦可作为高活性吸附材料使用，回收的热量可以用于富氮生物质燃料制备单元中污泥干燥，进一步降低干燥能耗，减少CO₂的排放。

进一步，所述高氨富氢燃气在专用燃气或燃煤发电系统高氨富氢燃气燃烧区燃烧的温度为800-1200℃，燃烧当量比为1.2-1.6。

与现有技术相比本发明具有以下优点：

1、本发明创造性的将污泥等富氮生物质中的氮(N)资源化(NH₃)利用，与传统污泥处置相比，无大量NOx排放的污染，无需附属设备对高温热处理后的含NOx气体进行污染物处理；

2、本发明利用污泥和富氮非木质纤维素生物质气化后气化气中的NH₃、H₂和CxHy(高氨富氢燃气)燃烧代替部分煤炭燃烧，减小了燃煤CO₂排放，有利于减污降碳；

3、本发明无需过多的设备改造，富氮生物质气化产生的H₂、CO和CxHy等可燃气的存在，可解决NH₃难燃的问题，促进其在燃煤锅炉中的稳定燃烧；

4、本发明实现了污泥和富氮非木质纤维素生物质大宗清洁高值利用。富氮生物质气化后产生的高温生物质半焦，一部分可直接作为固体载热降低气化炉的能耗，另一部分可作为活性炭用于气体、水污染物的吸附净化。

附图说明

图1为本发明提供的一种富氮生物质的资源化利用系统示意图；

图2为污泥气化时污泥中的氮元素向气相中NH₃和HCN的转化量；

图3为NH₃燃烧时，不同温度下NH₃被氧化为N₂的转化率。

具体实施方式

下面结合本发明实施例和附图，对本发明的技术方案进行具体、详细的说明。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的富氮生物质的资源化利用系统，从左至右依次为富氮生物质燃料制备单元1、N调控高效富氮生物质气化单元2和高氨富氢燃气燃烧单元3；所述富氮生物质燃料制备单元1用于将富氮生物质制备成富氮生物质燃料；所述N调控高效富氮生物质气化单元2包括循环流化床气化炉21、高温旋风分离器23和三向返料阀24，其中富氮生物质燃料制备单元1通过进料口22与循环流化床气化炉21相连通，循环流化床气化炉21通过烟道与高温旋风分离器23连接，高温旋风分离器23通过下行立管与三向返料阀24连接，三向返料阀24通过高温返料阀25控制的管道与循环流化床气化炉21连接；所述高氨富氢燃气燃烧单元3是将燃气或燃煤发电锅炉31经过改造所得，在锅炉原有的主燃区的基础上，设立一高氨富氢燃气燃烧区，将部分一次风燃烧器更换为高氨富氢气体燃烧器，通过气化器入口与高温旋风分离器2上方的管道27连接。

实施例1

通过上述系统将富氮生物质资源化利用的方法，包括以下步骤：

步骤1，将含水量为80％，氮含量3％的未进行脱水的污泥中混合1％的含有大量钙铁的钢渣固废(以干基、Ca/Fe元素质量为基准)，并充分混合均匀；

步骤2，用火电厂燃煤锅炉燃烧后所排放的高温底渣热回收后，所产生的200℃的高温惰性气体将步骤1中的混合物进行干燥，使干燥后混合物中的含水率为15％，并将其破碎为粒径为13mm的颗粒，制得富氮生物质燃料，水分的存在有利于下一步骤中混合物的气化。

步骤3，将破碎后的富氮生物质燃料通过进料口22进入循环流化床气化炉21进行气化，以污泥等富氮生物质中剩余的水分和CO₂作为气化剂，气化温度为700℃，气化时间为60分钟，得到高氨富氢燃气和高温半焦，上述条件均有利于污染元素N向NH₃的转化；

步骤4，将步骤3循环流化床气化炉1气化后产生的高氨富氢燃气通过高温旋风分离器23捕捉分离后，从高温旋风分离器23上部管道27送入专用燃气锅炉或燃煤锅炉高氨富氢燃气燃烧区燃烧，燃烧温度为800℃，燃烧当量比为1.2，该条件更有利于NH₃向N₂的转化，且热解气在燃煤锅炉中燃烧产生的SO₂和少量NOx可利用燃煤锅炉自带的后续烟气处理设备进行净化处理，并且可燃热解气的存在可减少炉内化石燃料的使用，在控制NOx的同时，降低了CO₂的排放；产生的生物质半焦经过高温旋风分离器23捕捉分离后，进入三向返料阀24，其中一部分高温生物质半焦通过高温返料阀25再次进入循环流化床气化炉21提供后续气化反应所需热量(可节省能耗)，另一部分高温生物质半焦通过高温返料阀26直接排出，进行冷却和热量回收。所收集的富含金属元素的活性生物质焦可作为高活性吸附材料使用，回收的热量可以用于富氮生物质燃料制备单元1中污泥干燥，减少CO₂的排放。

实施例2

通过上述系统将富氮生物质资源化利用的方法，包括以下步骤：

步骤1，将含水量90％，氮含量5％的未进行脱水的污泥与3％的石灰石进行混合(以干基、Ca/Fe元素质量为基准)，并充分混合均匀；

步骤2，用火电厂燃煤锅炉燃烧后所排放的高温底渣热回收后，所产生的300℃的高温惰性气体将步骤1中的混合物进行干燥，使干燥后混合物中的含水率为25％，并将其破碎为粒径为6mm的颗粒，制得富氮生物质燃料，水分的存在有利于下一步骤中混合物的气化。

步骤3，将破碎后的富氮生物质燃料通过进料口22进入循环流化床气化炉21进行气化，以污泥等富氮生物质中剩余的水分和CO₂作为气化剂，气化温度为900℃，气化时间为30分钟，得到高氨富氢燃气和高温半焦，上述条件均有利于污染元素N向NH₃的转化；

步骤4，将步骤3循环流化床气化炉1气化后产生的高氨富氢燃气通过高温旋风分离器23捕捉分离后，从高温旋风分离器23上部管道27送入专用燃气锅炉或燃煤锅炉高氨富氢燃气燃烧区燃烧，燃烧温度为1200℃，燃烧当量比为1.6，该条件更有利于NH₃向N₂的转化，且热解气在燃煤锅炉中燃烧产生的SO₂和少量NOx可利用燃煤锅炉自带的后续烟气处理设备进行净化处理，并且可燃热解气的存在可减少炉内化石燃料的使用，在控制NOx的同时，降低了CO₂的排放；产生的生物质半焦经过高温旋风分离器23捕捉分离后，进入三向返料阀24，其中一部分高温生物质半焦通过高温返料阀25再次进入循环流化床气化炉21提供后续气化反应所需热量(可节省能耗)，另一部分高温生物质半焦通过高温返料阀26进入直接排出，进行冷却和热量回收。所收集的富含金属元素的活性生物质焦可作为高活性吸附材料使用，回收的热量可以用于富氮生物质燃料制备单元1中污泥干燥，减少CO₂的排放。

实施例3

通过上述系统将富氮生物质资源化利用的方法，包括以下步骤：

步骤1，将含水量为85％，氮含量2％的未进行脱水的污泥和抗生素菌丝体废物和微藻等富氮微生物中混合2％的Fe₂O₃(以干基、Ca/Fe元素质量为基准)，并充分混合均匀；

步骤2，用火电厂燃煤锅炉燃烧后所排放的高温底渣热回收后，所产生的250℃的高温惰性气体将步骤1中的混合物进行干燥，使干燥后混合物中的含水率为20％，并将其破碎为粒径为10mm的颗粒，制得富氮生物质燃料，水分的存在有利于下一步骤中混合物的气化。

步骤3，将破碎后的富氮生物质燃料通过进料口22进入循环流化床气化炉21进行气化，以污泥等富氮生物质中剩余的水分和CO₂作为气化剂，气化温度为800℃，气化时间为40分钟，得到高氨富氢燃气和高温半焦，上述条件均有利于污染元素N向NH₃的转化；

步骤4，将步骤3循环流化床气化炉1气化后产生的高氨富氢燃气通过高温旋风分离器23捕捉分离后，从高温旋风分离器23上部管道27送入专用燃气锅炉或燃煤锅炉高氨富氢燃气燃烧区燃烧，燃烧温度为1000℃，燃烧当量比为1.5，该条件更有利于NH₃向N₂的转化，且热解气在燃煤锅炉中燃烧产生的SO₂和少量NOx可利用燃煤锅炉自带的后续烟气处理设备进行净化处理，并且可燃热解气的存在可减少炉内化石燃料的使用，在控制NOx的同时，降低了CO₂的排放；产生的生物质半焦经过高温旋风分离器23捕捉分离后，进入三向返料阀24，其中一部分高温生物质半焦通过高温返料阀25再次进入循环流化床气化炉21提供后续气化反应所需热量(可节省能耗)，另一部分高温生物质半焦通过高温返料阀26直接排出，进行冷却和热量回收。所收集的富含金属元素的活性生物质焦可作为高活性吸附材料使用，回收的热量可以用于富氮生物质燃料制备单元1中污泥干燥，降低锅炉煤炭的使用，减少CO₂的排放。

实施例4

在实验室条件下，对污泥气化过程中氮元素向气相中NH₃的转化进行了实验分析。具体实验条件为在纯Ar气氛下，使用污泥在255℃、350℃、490℃、750℃温度下进行了30min的气化。在热解过程中，燃料中的氮元素在气相中只会转化成NH₃和HCN两种含氮气体，因此，对整个实验过程中的NH₃和HCN总量进行了测定，如图2所示。可以看出，NH₃的含量高达400mg/L左右，远远高于HCN的25mg/L。因此，在污泥气化过程中，污泥中大部分的氮都转化成了NH₃，可以进一步高效地被系统所使用。

实施例5

在实验室条件下，进行了NH₃燃烧氧化的实验研究，以验证高氨富氢燃气用于循环流化床清洁燃烧的可行性。在立式炉中探究了不同温度下NH₃氧化的N₂分解率，如图3所示。可以看出，827℃下，NH₃氧化向N₂转化的比例为23.67％，1027℃时，N₂生成率达到了73％。因此，在工业条件下，CFB炉内存在大量的含有Ca/Fe催化剂的煤灰的条件下，NH₃转化成无污染的N₂是可行的。

Claims (9)

1.一种富氮生物质的资源化利用系统，其特征在于：所述系统从左至右依次为富氮生物质燃料制备单元(1)、N调控高效富氮生物质气化单元(2)和高氨富氢燃气燃烧单元(3)；所述富氮生物质燃料制备单元(1)用于将富氮生物质制备成富氮生物质燃料；所述N调控高效富氮生物质气化单元(2)包括循环流化床气化炉(21)、高温旋风分离器(23)和三向返料阀(24)，其中富氮生物质燃料制备单元(1)通过进料口(22)与循环流化床气化炉(21)相连通，循环流化床气化炉(21)通过烟道与高温旋风分离器(23)连接，高温旋风分离器(23)通过下行立管与三向返料阀(24)连接，三向返料阀(24)通过高温返料阀(25)控制的管道与循环流化床气化炉(21)连接；所述高氨富氢燃气燃烧单元(3)是将燃煤或燃气发电锅炉(31)经过改造所得，通过气体管道与高温旋风分离器(23)连接。

2.一种基于权利要求1所述系统的富氮生物质的资源化利用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将富氮生物质与富氨气化调节剂充分混合；

步骤2，将步骤1中的混合物进行干燥、破碎制得富氮生物质燃料；

步骤3，将步骤2中的富氮生物质燃料进行气化制备高氨富氢燃气和高温半焦；

步骤4，将步骤3制备的高氨富氢燃气用于专用燃气或燃煤发电系统，减少系统化石燃料的使用，减少CO₂的排放。

3.根据权利要求2所述的一种富氮生物质的资源化利用方法，其特征在于：所述步骤1中的富氮生物质为未进行脱水的原污泥、富氮非木质纤维素生物质中的一种或两种及两种以上的混合物；其中原污泥使用时水分控制在80％-90％，污泥中的氮含量为3％-9％；富氮非木质纤维素生物质的氮含量为7％-9％。

4.根据权利要求2所述的一种富氮生物质的资源化利用方法，其特征在于：所述步骤1中的富氨气化调节剂为富含钙铁的固废基混合物，其主要由富含钙铁的固体废弃物混合加工制成；以干基、Ca/Fe元素质量为基准，富氨气化调节剂的添加量为富氮生物质总质量的1％-3％。

5.根据权利要求2所述的一种富氮生物质的资源化利用方法，其特征在于：所述步骤2中混合物的干燥方式为，利用高氨富氢燃气燃烧单元燃烧后所产生的高温底渣热回收后所产生的200℃-300℃的高温惰性气体进行干燥，干燥后混合物中的含水率为15％-25％；所述破碎后的物料粒径为6mm-13mm。

6.根据权利要求2所述的一种富氮生物质的资源化利用方法，其特征在于，所述步骤3的具体过程为：将破碎后的富氮生物质燃料通过进料口(22)进入循环流化床气化炉(21)进行气化，以富氮生物质中剩余的水分和CO₂作为气化剂，气化温度为700-900℃，气化时间为30-60分钟，尽可能多的将燃料中的N向气化气中迁移，制得高氨富氢燃气和高温半焦。

7.根据权利要求2所述的一种富氮生物质的资源化利用方法，其特征在于：所述步骤4中的专用燃气或燃煤发电系统为拥有特殊燃烧条件的，适合高氨富氢燃气燃烧的燃烧系统；可使用燃气锅炉，或可将燃煤发电煤粉锅炉经过改造，在锅炉原有的主燃区的基础上，设立一高氨富氢燃气燃烧区，将部分一次风燃烧器更换为高氨富氢气体燃烧器(32)，通过气体管道与高温旋风分离器(23)连接。

8.根据权利要求2所述的一种富氮生物质的资源化利用方法，其特征在于：所述步骤4的具体过程为：将步骤3制备的富含NH₃、H₂、CO和CxHy的气化气，即所述的高氨富氢燃气通过高温旋风分离器(23)捕捉分离后，从高温旋风分离器(23)上部管道送入专用燃气或燃煤发电系统的高氨富氢燃气燃烧区燃烧；产生的高温半焦经过高温旋风分离器(23)捕捉分离后，进入三向返料阀(24)，其中一部分高温生物质半焦通过高温返料阀(25)再次进入循环流化床气化炉(21)提供后续气化反应所需热量，另一部分高温生物质半焦通过高温返料阀(26)直接排出，进行冷却和热量回收；所收集的富含金属元素的活性生物质焦可作为高活性吸附材料使用，回收的热量可以用于富氮生物质燃料制备单元(1)中污泥的干燥，进一步降低干燥能耗，减少CO₂的排放。

9.根据权利要求8所述的一种富氮生物质的资源化利用方法，其特征在于：所述高氨富氢燃气在专用燃气或燃煤发电系统高氨富氢燃气燃烧区燃烧的温度为800-1200℃，燃烧当量比为1.2-1.6。

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