CN1203117A - 解耦循环流化床燃烧系统及其脱硫与脱硝方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及流化床固体燃料燃烧系统,它将循环床中的煤燃烧分为隔绝空气干馏和半焦燃烧两个步骤,以解决脱硫和脱硝的矛盾。原煤供入干馏区,脱硫剂加入半焦燃烧区,用分离器返回的含有一定脱硫剂的高温灰来加热原煤。原煤干馏过程中释放的含硫气体被脱硫剂捕捉,干馏产生的半焦进入燃烧区下部脱硫区,半焦燃烧生成的NOx与干馏产生的还原气体在燃烧区上部反应而脱硝。该系统设备简单,脱硫脱硝更加有效,造价较低,易于推广应用。

Description

解耦循环流化床燃烧系统及其脱硫与脱硝方法
本发明是关于流化床固体燃料燃烧和设备技术,特别是关于循环流化床燃烧系统(CFBC)中氧化脱硫与还原脱硝的方法。
循环流化床燃烧被认为是实现洁净燃煤的最佳方式,已被广泛应用于煤、生物质及废弃物的燃烧,由于循环床可以实现低温燃烧,并具有良好的传热传质和混合性能,所以在脱硫脱硝和燃烧效率方面都颇具优势,得到世界各国的广泛重视,发展前景广阔,然而目前的循环流化床燃烧存在以下几方面的问题:1.脱硫和脱硝同时同地进行,然而,很多条件对这两过程的影响是相反的,因而无法分别使两过程达到最佳,只能两者适当兼顾,严重影响脱硫和脱硝效果。
2.煤和脱硫剂都供到床内氧气浓度和温度最高的区域,迅速升温,干馏和燃烧同时进行,抑制了对脱硝有利的还原物质的生成,增加了氮氧化物的排放。
3.尽管低温燃烧降低了NO和SO2的排放,但却增加了N2O的排放。
为同时降低NOx和SO2的排放,很多学者做了一些针对性的工作,比如分级燃烧,即氧气并不一次供入床内,而是在床高某一位置设置二次风入口,甚至三次风入口,这样可以在循环床下部造成缺氧状况,有利于降低NOx排放[①Khan,W.U.Z. and Gibbs,S.M. (1991) Proc. of the 11th Int.Conf. onFBC,Montreal,p. 1503;②Volk,M. et al. (1989),Proc. ofthe 10th Int. Conf. on FBC,San Francisco,p. 995;③Nack,H. et al.(1980),Proc. of the 6th Int. Conf. on FBC,Atlanta,p. 979],然而,这种设计对脱硫是不利的。另一方面是所谓的内循环流化床,通过内构件和供风方式使某一区域缺氧,另一区域富氧,以此降低NOx的排放[④Hirota,T. et al. (1990),Proc. of the 3rd Int. Conf. on CFB,Nagoya,p. 491]。最有意义的是Lin等人提出在煤进入流化床燃烧前,先在另一流化床中气化,气化生成的半焦进入流化床中燃烧,而气化生成的气态物质送入燃烧流化床中促进脱硝过程并燃尽。对于循环床,他们则提出将煤、脱硫剂和高温灰在另一流化床中混合并气化[⑤Lin,Weigang (1994),Ph. D. thesis,Delft University of Technology,p. 195]。并在循环床中仍用分级供风的方式。然而,这些思想仍然不能解决脱硫和脱硝矛盾(脱硫剂和煤同时加入)以及干馏和燃烧彻底分离(煤加热时有空气存在)的问题,实现起来也比较困难。比如分级燃烧只能降低NOx的排放,但由于无法使煤在隔绝空气的条件下干馏,又无法使脱硫过程中有充足的氧气供应,所以脱硫和脱硝都无法达到最佳条件。Lin等人的思想尽管能促进还原性气体的形成,对脱硝有利,但是由于气化时仍有氧气供应,无法使煤隔绝空气干馏,并且脱硫剂和煤同时同地加入,无法造成适合于脱硫和脱硝的脱硫剂、燃料和空气最佳配置。对于N2O的控制,有人提出采用炉后煤气燃烧(gas afterburnig)和N2O的固体催化分解[⑥Jan Remmert Pels(1995),Ph. D. thesis,DelftUniversity of Technology,p. 270],例如为了消除N2O,有专利报道在产生等离子体的两电极间放置沸石催化剂,N2O可有效地分解成N2和O2;用ArF激光束辐射来分解N2O,可减少90%(从50到5ppm);用UV灯结合光化学催化使N2O分解成N2和O2,还有人设想采用辐射引发分解技术(radiation-initiated techniques)来除去废气中的NOx/N2O/SOx,但是这些技术费用过高,难于发展和应用。
李等人为解决小型燃煤设备中NOx和烟尘排放问题,发明了一种使煤在隔绝空气的条件下逐渐升温干馏,然后在底部供氧燃烧的技术,而干馏产物中的含还原物质的挥发分则与半焦燃烧产生的NOx反应,达到抑制NOx目的[⑦李静海等,中国专利申请号-95102081.1]。这一技术经实验证明可有效地降低NOx的排放,并已有产品出售。这种通过从顶部加煤使干馏和燃烧分离的方法,增加固体物料循环的新工艺后,可以进一步推广应用于循环流化床。
本发明的目的在于提供一种解耦循环流化床煤燃烧装置及其同时脱硫与脱硝的方法。其中通过将煤加入干馏区,而将脱硫剂加入半焦燃烧区,使煤隔绝空气在低脱硫剂浓度下,逐渐升温干馏,产生尽可能多的还原性物质,引入燃烧区上部脱硝,而保证半焦燃烧区内有充足的氧气和高的脱硫剂浓度,达到解决脱硫和脱硝矛盾、分别对这两过程进行优化的目的。
本发明提供了一种氧化脱硫与还原脱硝的“解耦循环流化床煤燃烧系统”(CFBC)。
本发明还提供了一种“解耦循环流化床煤燃烧系统”的氧化脱硫与还原脱硝的新构思及具体工艺方法。
本发明解耦循环流化床煤燃烧系统及其脱硫脱硝工艺方法的主要发明点如下:1.过程解耦:通过将煤的干馏和半焦燃烧解耦,促使煤中的一部分氮元素以还原性气体析出,这些还原气体与半焦燃烧形成的氮氧化物反应,达到脱硝的目的。
2.异处供料:通过将煤和脱硫剂分别加入干馏区和燃烧区,实现了氧化气氛和高脱硫剂浓度下脱硫,而还原气氛和低脱硫剂浓度下脱硝的最佳操作。另外,煤加入干馏区,升温速度慢,干馏产物在燃烧区中部燃烧,使温度升高,有利于降低N2O的排放。
3.分区脱硫和脱硝:通过异处供料和过程解耦,使脱硫和脱硝在异处进行,使这两个矛盾的过程可以分别调整到各自的有利条件,实现了最佳的燃料、脱硫剂、温度水平和空气配置。
本发明的基本构思是:煤中含有C,H,N,S等多种元素和灰分,在煤加热过程中,可产生一部分气态物质,主要包括NH3,H2,CH4,HCN,H2S,NOx等,如加热过程中有氧气存在,则析出的还原性气体减少。煤中的S和N除在挥发物中析出外,还有一部分在半焦燃烧过程中形成SO2和NOx。脱硫主要靠加脱硫剂(如:CaO),充足的空气过剩系数、良好的脱硫剂活性及高的脱硫剂浓度对降低燃烧过程中形成的SO2有利。但温度对脱硫的影响则表现为有一最佳值(一般800℃-900℃时脱硫效果较好,最佳为850℃)。脱硝可以通过其与还原性物质的反应来实现,但目前大多是靠调整燃烧工况来控制NOx的排放,一般来说,氧气浓度越低越有利于还原性气体的产生,有利于控制NOx的形成,燃烧温度越低则NOx排放越少,脱硫剂的存在对NOx的排放有不良影响,因此脱硫和脱硝是矛盾的。本发明是将脱硫和脱硝两种过程分开进行,分别对两过程达到优化控制。
此外,煤加热过程中并不需要氧气,如果煤升温干馏和燃烧同时同地进行,由于有氧气存在,并在高温下快速升温,只能起到抑制还原物质生成而增加NOx和N2O排放的副作用。因此,本发明是将干馏和燃烧分别进行,实现了最佳的氧气供应,并促进还原物质的生成,降低NOx和N2O的排放。
下面将结合附图对本发明内容做进一步描述。
图1是本发明解耦循环流化床煤燃烧系统及各结构部分的功能构思简图。该图说明本发明CFBC是由燃烧室(区)、干馏室(区)及气体/固体分离装置三部分组成。这样使干馏和燃烧分离解耦,使脱硫和脱硝均可优化控制。
图2是本发明脱硫脱硝机理及基本工艺方法图示。图中指出了本发明干馏区和燃烧区中可能发生的主要化学反应,即在干馏区所产生的H2S与高温灰中CaO反应形成CaS而被除去,在燃烧室脱硫区所产生的SO2与供入的脱硫剂(CaO)在氧化气氛下生成CaSO4被除去;从干馏室来的还原气体NH3以及从燃烧室脱硫区产生的NOx和N2O在燃烧室的上部脱硝区反应而脱硝,排出N2、烟气及少量NOx、N2O和SO2。
图3是本发明解耦循环流化床煤燃烧系统的一优选实施例及其氧化脱硫和还原脱硝的工艺方法。
图4是本发明解耦循环流化床煤燃烧系统的另一较佳实施例及其氧化脱硫和还原脱硝的具体工艺方法。
根据上述发明构思,本发明提出了如下一种CFBC及结构特征、脱硫脱硝的工艺方法,如图1所示,整个CFBC系统由燃烧室,干馏室和气固分离装置三部分组成。燃烧室上部为脱硝区,下部为脱硫区,两区的分界可根据煤种、操作条件等调整。新鲜煤供入干馏区与从气固分离装置返回来的高温灰在无氧气存在的条件下混合升温,高温灰的温度一般保持在850℃~900℃之间,高温灰的流率一般是新鲜煤的10~15倍以上,以确保煤温达到800℃使挥发物大部分可析出,由于煤升温速度慢,所以有利于抑制N2O的生成。干馏产生的半焦进入燃烧区与底部供入的空气相遇燃烧。脱硫剂在燃烧区底部供入以保证脱硫区的脱硫剂浓度最高,由于燃烧区底部脱硫剂浓度最高,活性最好,氧气浓度也最高,所以满足脱硫的最佳条件。在燃烧区上部的脱硝区半焦燃烧生成的NOx与来自干馏区的还原性气体反应被还原为N2(),这里氧气浓度很低并且可燃挥发份中含有的H2、CO等也有利于这一反应的进行,可燃挥发份则与剩余氧气相遇燃烧,使这一区域温度升高,有利于N2O的降低。在干馏区中产生的H2S与高温灰中的脱硫剂CaO反应生成CaS,烟气夹带高温灰进入气固分离装置实现气固分离。由于干馏区和燃烧区下部的有效脱硫和干馏产生的还原气体在燃烧区上部的脱硝,排出烟气中NOx、N2O和SO2的含量很低。
实验证明,此种结构可使干馏和燃烧分离进行,最大限度地利用煤干馏过程中生成的还原性物质脱硝,燃烧区内密相段脱硫,稀相段脱硝,两过程互不影响。使脱硫区过剩空气系数达到最大,温度不受脱硝牵制,可调整到脱硫最佳温度。脱硝区过剩空气系数可很低,还原性物质浓度很高,脱硫剂浓度降低,温度可以根据脱硝要求调整。本发明解决了循环床中脱硝和脱硫矛盾的问题,可归纳如下:
实施例图3是本发明解耦循环流化床燃烧系统一较佳实施例,用以对本发明内容作进一步描述,从该图可看出,循环床中被烟气夹带的高温灰经旋风除尘器(1)分离后落入料腿(2)中,在松动气(3)(水蒸汽或再循环烟气)的作用下,经料封(4)进入循环流化床干馏区(5)的顶部与从料斗(6)供入的新鲜煤相遇并在重力作用下下降并混合逐渐升温干馏,干馏区(5)内设置挡板(7)来促进新鲜煤和高温灰的混合并增加停留时间,保证煤可以升温干馏,由于升温速度慢,所以有利于抑制N2O的生成。干馏产生的H2S被高温灰中的CaO吸收生成CaS,干馏产生的半焦和灰落入循环床底部密相燃烧区(11)与经布风板(9)供入的空气相遇燃烧,并在供入的脱硫剂(12)作用下脱硫,由于这个区域Ca/S高,氧气浓度高,所以有利于脱硫过程。干馏区(5)中隔绝空气,所以在产生的可燃气体中含有大量还原性物质NH3,这些气体经位置可调的通道(8)被引入循环床上部稀相燃烧区(13),可燃物与剩余氧相遇燃烧,NH3则与下部半焦燃烧形成的NOx反应达到脱硝的目的,由于这里处在脱硫区和半焦燃烧下游,所以Ca/S和氧气浓度都较低,有利于脱硝过程,并且由于挥发份的燃烧,这一区域温度升高,有利于控制N2O的排放,因此实现了氧化脱硫和还原脱硝的最佳条件,脱硝区的温度可通过换热器(14)调整到合适的温度,燃烧废气夹带高温灰进入旋风除尘器(1)分离。部分灰和CaSO4从底部排灰口(10)排出。排出旋风除尘器的烟气中SO2和NOx以及N2O的浓度很低,实现了脱硝和脱硫的最优化。
图4为另一实施例。循环床中被烟气夹带的高温灰经旋风除尘器(1)分离后落入料腿(2)中,在松动气(3)的作用下经料封(4)并与供料斗(6)加入的新鲜煤一起落入干馏流化床(5)中,在少量循环烟气的流化下新鲜煤被高温灰加热干馏,干馏产生的H2S被CaO吸收,而半焦则进入燃烧区(11)与经布风板(9)供入的空气相遇燃烧,并在脱硫剂供入口(12)供入的脱硫剂作用下脱硫,由于这个区域Ca/S高,氧气浓度高,所以有利于脱硫过程。干馏区(5)中隔绝空气,所以在产生的可燃气体中含有大量还原性物质NH3,这些气体被引入循环床上部稀相燃烧区(13),可燃物与剩余氧相遇燃烧,NH3则与下部半焦燃烧形成的NOx反应达到脱硝的目的,由于这里处在脱硫区和半焦燃烧下游,所以Ca/S和氧气浓度都较低,有利于脱硝过程,挥发份燃烧后这里温度升高,有利N2O的分解,煤在干馏区升温速度较慢,也有利于降低N2O的排放。因此实现了氧化脱硫和还原脱硝的最佳条件,脱硝区的温度可通过换热器(14)调整到合适的温度,燃烧废气夹带高温灰进入旋风除尘器(1)分离。部分灰和CaSO4从底部排灰口(10)排出。排出旋风除尘器的烟气中SO2和NOx以及N2O的浓度很低,实现了脱硝和脱硫的最优化。图4不同于图3之处仅在于干馏区未装设挡板、增设干馏区与燃烧区相连接的下部通道(16)以及增设另一进气口(15)。

Claims (5)

1.一种解耦循环流化床煤燃烧系统,其特征在于:(1)该系统是由燃烧室(区)、干馏室(区)及气体/固体分离装置三部分组成,燃烧室的上部为稀相段脱硝区,下部为密相段脱硫区,干馏区产生的干馏气体被引入燃烧室上部,而产生的半焦则进入燃烧室下部;(2)分别将煤供入干馏室和将脱硫剂(CaO)供入燃烧室底部,使煤的干馏和半焦燃烧解耦,使煤干馏过程形成的还原气体NH3与半焦燃烧形成的氮氧化物NOx反应被还原成N2而脱硝,并使半焦在氧化气氛下燃烧形成的SO2与高浓度脱硫剂CaO于适当温度下进行反应形成CaSO4而脱硫;(3)供入干馏区的新鲜煤与来自气/固分离装置的高温灰在无氧条件下混合升温,升温速度较慢,有利于降低N2O的排放,高温灰的温度一般保持在850-900℃之间,高温灰的流率一般是新鲜煤的10~15倍以上,以确保煤温达到800℃左右,使大部分挥发物及所含有的NH3、HCN析出;(4)干馏室中产生的H2S与高温灰中脱硫剂CaO反应生成CaS。
2.按照权利要求1所述的解耦循环流化床煤燃烧系统,其特征在于:在干馏室顶部设有新鲜煤供料口,在燃烧室底端设有供气口和底部设有供入空气的布风板,燃烧室下部脱硫区设有脱硫剂供入口和排灰口,燃烧室的脱硫区和脱硝区都可设有一定面积的不同形式的换热器,气体/固体分离装置的上面设有排气口,下面设有水蒸汽(或循环烟气)进入口,下部设有分离物高温灰落入的料腿,料腿下面为一料封驱使高温灰进入干馏区,所说的气/固分离装置可以是各种形式的分离器。
3.按照权利要求1或2所述解耦循环流化床燃烧系统,其特征在于各部分结构连接、功能及操作方法:循环床中被烟气夹带的高温灰经气/固分离装置分离后落入料腿中,在自下供入的水蒸汽(或循环烟气)的作用下经料封进入循环流化床干馏区顶部与这里供入的新鲜煤相遇并在重力作用下下降,同时混合逐渐升温干馏;干馏区借助于档板来促进新鲜煤和高温灰混合并增加停留时间以利于煤的高温干馏,由于升温速度较慢,有利于抑制N2O的生成,干馏产生的H2S被CaO吸收,而半焦和灰落入循环床底部密相燃烧区与经分布板供入的空气相遇燃烧,并在供入的脱硫剂作用下脱硫;干馏区产生的可燃气体及含有的大量还原物NH3从循环床中部引入循环床顶部稀相区,可燃物与剩余氧相遇燃烧,NH3则与下部半焦燃烧形成的NOx反应形成N2而脱硝;挥发份的燃烧使温度升高,有利N2O的分解,脱硝区的温度是通过换热器来调节的。
4.按照权利要求1或2所述的解耦循环流化床煤燃烧系统,其特征在于优选实施例包括如下部分和部件:旋风除尘器1、料腿2、水蒸汽(循环烟气)入口3、料封4、干馏区5、新鲜煤供料斗6、挡板7、通道8、布风板9、排灰口10、下部密相燃烧区11、脱硫剂供入口12、上部稀相燃烧区13、换热器14,它们的连接关系和作用如下:在循环床中被烟气夹带的高温灰经旋风除尘器1分离后落入料腿2,在水蒸汽作用下经料封4进入干馏区5,干馏区设置的挡板7可增加新鲜煤和高温灰的停留时间与混合,干馏区5产生的半焦和高温灰落入循环床底部的燃烧区11,与经布风板9供入的空气相遇燃烧并在脱硫剂作用下脱硫,干馏区5所产生的可燃气体和还原物质NH3经通道8进入循环床上部的燃烧区13,再燃烧、反应而脱硝,换热器14是用于调节脱硝区的温度使脱硫和脱硝的条件达到优化。
5.按照权利要求4所述的解耦循环流化床煤燃烧系统,其特征在于另一较佳实施例的煤干馏区内由于鼓泡床构成而不装设挡板,增加干馏区与燃烧区相连接的下部通道16以及增设另一进气口15。
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