一種用生物質還原燃煤工業鍋爐煙氣氮氧化物的方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種用生物質還原燃煤工業鍋爐煙氣氮氧化物的方法及裝置。該方法為：使生物質顆粒在輸送過程中發生高溫熱解反應析出包括碳氧基、氣基的活性基團以及殘余焦；將熱解后的生物質顆粒噴入燃煤工業鍋爐爐膛內形成還原區與煙氣發生反應。該裝置包括生物質顆粒輸送裝置、噴嘴和再循環風機，其中所述生物質顆粒輸送裝置由生物質料斗、生物質給料機、輸送管連接而成，該輸送管延伸至燃煤工業鍋爐的爐膛內，輸送管位于爐膛內的部分為高溫分解段，噴嘴設置在輸送管的末端；再循環風機連接在輸送管與鍋爐尾部煙道之間。本發明針對燃煤工業爐煙氣排放的特點，可實現燃煤工業鍋爐煙氣中氮氧化物的高效脫硝，脫硝率達30%-60%，具有廣泛的■推廣及使用價值。
【專利說明】一種用生物質還原燃煤工業鍋爐煙氣氮氧化物的方法及裝
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用生物質還原燃煤工業鍋爐煙氣氮氧化物的方法及裝置，屬于生物質能利用與燃煤工業鍋爐煙氣脫硝【技術領域】。
【背景技術】
[0002]我國燃煤工業鍋爐因具有數量多、平均蒸發量小，單臺排放污染物量少，總的排放污染物量大等特點，對大氣中氮氧化物(NOx)的排放貢獻巨大，僅次于火電行業和機動車尾氣位列第三，是影響城市空氣環境質量的主要污染源之一。目前我國針對固定源NOx減排控制技術多采用的是低氮燃燒和還原法(選擇性催化還原法、選擇性非催化還原法)兩種技術。其中，低氮燃燒技術雖然成本較低，系統運行條件要求較低，但存在的缺陷是對NOx的去除效果十分有限，其脫硝效率一般在20-30%以下，無法滿足日益嚴格的環保要求。而還原法盡管脫硝效率較高，但該技術的缺點是初始投資大，運行成本過高，且一般都采用氨、尿素等農用肥料為脫硝劑，如在我國大范圍使用，勢必會造成我國環保與農業對氨資源的競爭。再燃技術以其適應性廣以及較高脫硝效率被視為一種非常有效的電站鍋爐脫硝技術。而以生物質為燃料的再燃脫硝技術又因具有脫硝效率高和二氧化碳零排放等特點成為目前國內外研究的熱點。然而，目前國內外關于生物質再燃技術的研究主要是針對大型電站鍋爐，對于該技術在工業鍋爐上的應用研究目前還是空白，其沒有實現的主要原因有以下幾點:
[0003]1、燃煤工業鍋爐負荷變化頻繁，尤其是北方供暖鍋爐，在冬季供暖期有初寒期、嚴寒期和末寒期，鍋爐負荷大多在30-40%、60-80%、80-100%三個檔運行。
[0004]2、工業鍋爐一般煙氣溫度較低，不利于生物質直接再燃脫硝。
[0005]3、工業鍋爐煙氣中一般含氧量為10-12%左右。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于提供一種用生物質還原燃煤工業鍋爐煙氣氮氧化物的方法，針對燃煤工業爐煙氣排放的特點，實現燃煤工業鍋爐煙氣中氮氧化物的高效脫硝。
[0007]本發明的另一目的在于提供一種用生物質還原燃煤工業鍋爐煙氣氮氧化物的裝置，該裝置結構簡單實用。
[0008]為實現上述目的，本發明采用以下技術方案:
[0009]一種用生物質還原燃煤工業鍋爐煙氣氮氧化物的方法，包括:使生物質顆粒在輸送過程中發生高溫熱解反應析出包括碳氫基、氨基的活性基團以及殘余焦；將熱解后的生物質顆粒噴入燃煤工業鍋爐爐膛內形成還原區，與煙氣發生反應。
[0010]其中，生物質顆粒在高溫分解段的熱解反應如下:
[0011]
b1mass rymly^ >CH丨 +NHi +char +...
[0012]本發明中，生物質顆粒在噴入爐膛之前先在高溫下發生熱解反應，析出碳氫基、氨基等活性基團，有利于煙氣中的氮氧化物在還原區被最大限度地同相還原反應生成氮氣，同時，生物質熱解后的殘余焦又能夠積極與煙氣中的氮氧化物發生異相還原反應，生成氮氣。所述的同相還原反應和異相還原反應如下所示:
[0013]同相還原反應為:2NO-1- 2CnHm + (2n + —- 1)0: -> N2 + 2nC02 + mH20
[0014]NCHNHi — N2+...
[0015]異相還原反應為:C +NO — ^N2 +COXO2
L
[0016]優選地，所述的生物質顆粒通過由燃煤工業鍋爐排出的熱煙氣輸送，熱煙氣的溫度為50°C -150°c。利用燃煤鍋爐尾部煙道排出的部分熱煙氣將生物質顆粒噴入爐膛內，不但有利于形成還原反應所需的低化學當量比，還能夠強化生物質顆粒射流剛性和還原區混合條件。首先，由于燃煤鍋爐尾部煙道排出的部分熱煙氣含氧量較低，在與鍋爐爐膛內煙氣混合時易于形成符合還原區要求的低化學當量比；其次，燃煤鍋爐尾部煙道排出的部分熱煙氣在經預熱段之后的溫度與鍋爐爐膛內的煙氣溫度接近，且保證生物質的噴入速度在30m/s-50m/s時，即可增強生物質顆粒射流剛性，強化還原區的混合條件。
[0017]優選地，所述生物質顆粒在900°C -1100°C下進行熱解反應，熱分解時間為
0.3s_l.4s。
[0018]本發明中生物質是以揮發分和生物質焦的形式與煙氣中的氮氧化物發生反應，因此，可在較低溫度范圍具有良好的脫硝效果。一般地，電站鍋爐生物質再燃脫硝效率最佳反應溫度在1000°c -1200°c，而本發明中生物質還原氮氧化物的最佳反應溫度在700 0C -900。。。
[0019]本發明將生物質作為脫硝劑先進行預分解，以揮發分和生物質焦的形式噴入爐膛，進行還原反應。此時，生物質的投加量較少，生物質投加量按生物質顆粒發熱量占鍋爐總發熱量的0.5% -2%投加，對鍋爐燃燒效率幾乎沒有影響。因此，當工業鍋爐負荷發生變化時，只需對生物質用量進行微調即可，而生物質的脫硝效率始終能夠保持在40%以上。一般地，當鍋爐負荷在30% -40%時，生物質脫硝效率可達40%左右；當鍋爐負荷在60% -80%時，生物質脫硝效率可達50%左右；當鍋爐負荷在80% -100%時，生物質脫硝效率可達60%左右。
[0020]本發明中，將生物質在過量空氣系數為0.3-0.9的環境中進行預分解，隨后以揮發分和生物質焦的形式噴入氧濃度較高的爐膛，在局部形成還原區。一般地，電站鍋爐生物質再燃還原區的最佳過量空氣系數為0.7-0.9，而本發明生物質還原氮氧化物的最佳過量空氣系數為1.0-1.5。
[0021]一種用于實現上述方法的裝置，該裝置包括生物質顆粒輸送裝置、噴嘴和再循環風機，其中所述生物質顆粒輸送裝置由生物質料斗、生物質給料機、輸送管連接而成，該輸送管延伸至燃煤工業鍋爐的爐膛內，輸送管位于爐膛內的部分為高溫分解段，噴嘴設置在輸送管的末端；再循環風機連接在輸送管與鍋爐尾部煙道之間。
[0022]其中，所述噴嘴的開口朝上，呈漏斗狀，其外壁與水平線呈30°夾角。
[0023]本發明的有益效果為:
[0024]I)本發明將燃煤工業鍋爐尾部煙道來的部分熱煙氣作為生物質顆粒的輸送介質，有利于形成還原反應所需的低化學當量比，同時能夠強化生物質顆粒射流剛性和還原區混合條件。
[0025]2)本發明中，生物質顆粒在被噴入爐膛之前，先在高溫分解段發生熱解反應，析出碳氫基、氨基等活性基團，有利于煙氣中的氮氧化物在還原區被最大限度地同相還原為氮氣，同時，生物質熱解后的殘余焦又能夠積極與煙氣中的氮氧化物發生異相還原反應，生成氮氣，通過以上雙重作用有效地提高了生物質還原氮氧化物效率。
[0026]3)本發明直接利用生物質粉碎后的顆粒作為脫硝劑，符合國家關于生物質能的高效開發和利用政策，將生物質合理利用技術與燃煤工業鍋爐脫硝技術結合，降低了生物質轉化過程的技術風險和成本，在基本不影響工業鍋爐原來燃燒狀況的條件下，有效降低了氮氧化物的排放。
[0027]4)本發明適用于新建鍋爐，以及對在運行鍋爐的改造。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1為本發明用生物質還原燃煤工業鍋爐煙氣氮氧化物的裝置的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0029]如圖1所示，本發明用生物質還原燃煤工業鍋爐煙氣氮氧化物的裝置包括生物質料斗1、生物質給料機2、輸送管3、噴嘴4和再循環風機6。其中，生物質料斗1、生物質給料機2、輸送管3相互連接構成生物質顆粒輸送裝置，輸送管延伸至燃煤工業鍋爐的爐膛內，用于將生物質顆粒輸送至爐膛內形成還原區。輸送管3位于爐膛內的部分為高溫分解段H，噴嘴4設置在輸送管3的末端，噴嘴4開口的形狀、大小等可以根據實際需要進行選擇和調整，考慮到自噴嘴噴出的生物質顆粒的分散程度以及與煙氣的接觸面積，優先選擇開口朝上、呈漏斗狀的噴嘴，其外壁與水平線呈30°夾角為宜。再循環風機6連接在輸送管3與鍋爐尾部煙道之間。
[0030]該裝置在使用過程中，生物質顆粒儲存在生物質料斗I中，經生物質給料機2給料至輸送管3，循環風機6將鍋爐尾部的煙氣輸送至輸送管3，作為動力將生物質顆粒輸送并噴入爐膛內的還原區R，而生物質顆粒在進入爐膛之前需要在高溫分解段H進行高溫熱解反應，控制高溫分解段的溫度在900°C -1100°C，并控制生物質顆粒高溫分解段停留時間為
0.3s_l.4s。
[0031]本發明對生物質物料的選用沒有特殊要求，一般可用在電站再燃技術中的生物質物料都可選用，如木屑、玉米秸、稻殼以及花生殼等。
[0032]實施例1
[0033]參見圖1所示，選擇華北地區常見的楊木屑作為生物質物料，選擇2t/h燃煤實驗鍋爐進行測試，利用燃煤實驗鍋爐尾部煙道來的部分熱煙氣通過輸送管3將生物質顆粒先經高溫分解段H，再噴入爐膛形成還原區R，生物質顆粒在高溫分解段H發生熱解反應，析出碳氫基、氨基等活性基團。
[0034]生物質顆粒發熱量占鍋爐總發熱量的1.2%，鍋爐尾部煙道來的熱煙氣溫度為IlO0C,煙氣量為鍋爐排煙量的5%，其攜帶生物質顆粒后的過量空氣系數為0.65。高溫分解段H的溫度為950°C，生物質顆粒在高溫分解段H的停留時間為0.9s。生物質的噴入速度為35m/s。還原區R的溫度為850°C，過量空氣系數為1.0。
[0035]在還原區R，碳氫基、氨基等活性基團與工業鍋爐煙氣中的氮氧化物發生同相還原反應生成氮氣，同時生物質熱解后的殘余焦與氮氧化物發生異相還原反應，將鍋爐煙氣中的氮氧化物還原成氮氣。
[0036]采用上述方法和裝置可有效地脫除燃煤工業鍋爐煙氣中的氮氧化物含量，在基本不影響鍋爐效率的前提下，使脫硝效率達50%。
[0037]實施例2
[0038]本實施例的工藝條件與實施例1大致相同，其中高溫分解段H的溫度為1050°C，還原區R的溫度為900°C，此時脫硝效率達55%。
[0039]實施例3
[0040]工藝條件與實施例1大致相同，其中高溫分解段H的溫度為900°C，還原區R的溫度為700°C，此時脫硝效率達38%。
[0041]綜上所述，本發明的方法和裝置可有效地促進碳氫基、氨基等活性基團與鍋爐煙氣中氮氧化物之間的同相還原反應以及生物質熱解后的殘余焦與鍋爐煙氣中氮氧化物之間的異相還原反應，從而極大地降低了工業鍋爐煙氣中的氮氧化物濃度，脫硝率達30% -60%。利用易得的生物質原料即可達到減少污染，保護環境的目的，且容易對現有鍋爐進行改造，以符合環保要求，由此該技術具有廣泛的推廣及使用價值。
【權利要求】
1.一種用生物質還原燃煤工業鍋爐煙氣氮氧化物的方法，其特征在于，使生物質顆粒在輸送過程中發生高溫熱解反應析出包括碳氫基、氨基的活性基團以及殘余焦；將熱解后的生物質顆粒噴入燃煤工業鍋爐爐膛內形成還原區，與煙氣發生反應。
2.根據權利要求1所述的用生物質還原燃煤工業鍋爐煙氣氮氧化物的方法，其特征在于，所述熱解后的生物質顆粒通過由燃煤工業鍋爐排出的熱煙氣輸送，熱煙氣的溫度為500C -150°C。
3.根據權利要求1所述的用生物質還原燃煤工業鍋爐煙氣氮氧化物的方法，其特征在于，所述生物質顆粒噴入還原區的速度為30m/s-50m/so
4.根據權利要求1所述的用生物質還原燃煤工業鍋爐煙氣氮氧化物的方法，其特征在于，所述生物質顆粒在900°C -1100°C下進行熱解反應，熱分解時間為0.3s-l.4s。
5.根據權利要求1所述的用生物質還原燃煤工業鍋爐煙氣氮氧化物的方法，其特征在于，所述還原區的溫度為700°C -900°C。
6.根據權利要求1所述的用生物質還原燃煤工業鍋爐煙氣氮氧化物的方法，其特征在于，所述生物質的投加量按生物質顆粒發熱量占鍋爐總發熱量的0.5% -2%投加。
7.根據權利要求1所述的用生物質還原燃煤工業鍋爐煙氣氮氧化物的方法，其特征在于，所述生物質在過量空氣系數為0.3-0.9的環境中進行熱分解反應。
8.一種用于實現權利要求1所述方法的裝置，其特征在于，該裝置包括生物質顆粒輸送裝置、噴嘴和再循環風機，其中所述生物質顆粒輸送裝置由生物質料斗、生物質給料機、輸送管連接而成，該輸送管延伸至燃煤工業鍋爐的爐膛內，輸送管位于爐膛內的部分為高溫分解段，噴嘴設置在輸送管的末端；再循環風機連接在輸送管與鍋爐尾部煙道之間。
9.根據權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述噴嘴的開口朝上，呈漏斗狀，其外壁與水平線呈30°夾角。
【文檔編號】F23B90/06GK104214767SQ201410398514
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年8月14日 優先權日:2014年8月14日
【發明者】束韞, 張凡, 王洪昌, 朱金偉, 田剛, 黃家玉, 劉宇, 王紅梅 申請人:中國環境科學研究院