CN102364246A

CN102364246A - 利用生物质炭再燃联合脱除燃煤烟气中NOx和Hg的方法及***

Info

Publication number: CN102364246A
Application number: CN2011101026857A
Authority: CN
Inventors: 陈丹丹; 亓海明; 石嵩; 滕跃; 殷瞻; 刘康; 芮斌; 卢平
Original assignee: Nanjing Normal University
Current assignee: Nanjing Normal University
Priority date: 2011-04-25
Filing date: 2011-04-25
Publication date: 2012-02-29

Abstract

本发明公开了一种利用生物质炭再燃联合脱除燃煤烟气中NO_x和Hg的方法，该方法基于再燃脱硝和烟气再循环的原理，以生物质炭作为再燃燃料，利用其低硫、低氮、含氯、高灰焦活性、高能量密度、零CO₂净排放等特点，将生物质炭喷送入炉膛再燃区，通过缺氧燃烧、生物质炭的催化还原作用、以及含氯烟气和高活性灰焦催化氧化作用，实现燃煤烟气中NO_x和汞等多种污染物的联合脱除。本发明还公开了实施本方法的***，包括生物质炭制备***、煤制粉***、炉膛及其燃烧***、烟气再循环***和锅炉尾部烟气处理***。本发明以生物质炭作为再燃燃料，集成了燃料再燃与烟气再循环的技术优势，具有投资和运行成本低、脱硝和脱汞效率高、减少CO₂净排放等优点。

Description

利用生物质炭再燃联合脱除燃煤烟气中NOx和Hg的方法及***

技术领域

本发明涉及一种利用生物质炭再燃联合脱除燃煤烟气中NO_x和Hg的方法及***，属于燃烧技术领域。

背景技术

据国际能源署预测，到2030年，煤炭仍然是当今世界的主要能源之一，占世界总能源消耗的27%。大量的煤炭利用导致NO_x和重金属Hg等污染物排放量不断增加，造成严重的环境污染。在世界范围内，由于人类活动造成的汞排放量为2000~3400吨，占汞总排放量(自然和人为之和)的30~55%，而燃煤电站中汞排放己成为最大的人为汞污染源。煤炭是我国的主要能源。目前，我国由燃煤所产生的SO₂、NO_x和CO₂分别约占总排放量的90%、70%和85%。据估算，我国年汞排放量大致约为500吨，其中向大气排放量约为350吨，每年还在以4.8%递增，这使得中国面临着比其他国家更严峻的汞污染。

燃煤烟气中汞存在形式有元素态Hg⁰、氧化态Hg²⁺和颗粒Hg^p三种，其中Hg²⁺和Hg^p较容易被各种大气污染控制装置(如烟气脱硫、电除尘器等)捕获，单质汞Hg⁰难以被常规的大气污染控制装置捕获，在大气中的停留时间可长达0.5-2年，并随着大气传播到很远的地方。研究表明，烟气中酸性组分（特别是HCl、Cl₂）对元素态汞的氧化具有很强地促进作用。目前汞控制技术主要包括矿选和煤洗选、燃烧改进、吸收剂喷射、干湿法烟气洗涤等，而采用吸附剂(活性炭、飞灰等)喷射、烟气调制（增加烟气中氯含量）与空气污染控制装置相结合是一种很有前景的燃煤汞控制技术之一，但由于活性炭成本和烟气调制技术等问题限制了该技术的应用。

相比而言，燃煤烟气中NO_x脱除技术较为成熟，主要有燃烧改进和尾部烟气脱硝两大类。燃烧改进技术主要包括低NO_x燃烧器、空气分级燃烧、燃料分级（燃料再燃）、烟气再循环等，尾部烟气脱硝有催化还原法、溶液吸收法和吸附法三大类。目前，催化还原法（选择性催化还原法SCR）与低NO_x燃烧器是普遍采用的脱硝技术组合，然而SCR技术组合存在投资大、催化剂失活和运行成本高等问题。

燃料再燃烧技术是一种正在发展的、很有前景的低NO_x燃烧技术。该技术主要特点是将炉内燃烧区域沿炉膛高度分成主燃烧区、再燃区和燃烬区。将75%-85%的燃料送入主燃烧区，形成氧气充裕的氧化性气氛（α＞1），剩余15%-25%的燃料送入再燃烧区，形成缺氧的还原性气氛（α＜1），使得主燃烧区内生成的NO_x在再燃区还原性气氛中发生还原反应，迫使NO_x还原为N₂，最后在再燃区上部的燃烬区内补入部分空气，保证燃烧产物完全燃烧。再燃燃料有天然气、油、煤粉和生物质等。天然气是最佳的再燃燃料，但是由于天然气价格较高，且储量有限，不适合大规模推广。研究认为挥发分较高的细煤粉（如褐煤、烟煤）也是一种很好的再燃燃料，但单纯采用煤粉再燃技术，对煤粉细度要求较高（通常＜10μm），且飞灰含炭量较大，影响燃烧效率，同时其NO_x还原效率难以突破60%的瓶颈。由于生物质炭具有低硫、低氮、高氯、高灰焦活性、零CO₂净排放等特点，中国专利ZL200610098040.X和ZL200710021748.X分别提供了利用生物质和煤粉再燃控制燃煤烟气中NO_x、汞等污染物的方法，然而由于常规生物质燃料存在能量密度低、运输成本高、易腐烂、难以粉磨、不便储存等缺陷，限制了该技术的工业应用。通常条件下，燃煤烟气中元素汞（Hg⁰）比例较高，难以在常规的烟气处理装置通过飞灰吸附和烟气洗涤的方式脱除。因此，如何对生物质燃料进行合理加工，并进一步优化再燃工艺，实现燃煤烟气中NO_x和Hg等多种污染物的联合脱除是亟待解决的课题。

生物质炭不仅具有生物质原料的特点，而且具有加工成本低、能量密度高、不易腐烂、易粉碎、可长时间储存等优点，在能源利用保护和改善生态环境方面具有独特的优势。我国生物质资源丰富，燃煤电站锅炉数量庞大，面对日益严格的环境要求，锅炉燃烧***的改造非常迫切。利用生物质炭再燃技术，不仅其改造成本低，而且可以利用可再生能源，实现可再生能源利用和环境保护的双重效益。

发明内容

本发明的目的是结合生物质炭和再燃技术的特点，提供一种利用生物质炭再燃联合脱除燃煤烟气中NO_x和汞等污染物的方法及***。

为了实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：

本发明利用生物质炭再燃联合脱除燃煤烟气中NO_x和Hg的方法，主要涉及生物质炭的制备、炉膛、锅炉尾部受热面、烟气再循环***和烟气尾部净化等***，包括以下步骤：在主燃区内提供锅炉正常运行所需的大部分燃料煤和空气，燃烧过程中生成的NO_x和释放的汞进入高温烟气中；在再燃区内燃烧生物质炭燃料，还原主燃区内生成的NO_x，同时再循环烟气也送入再燃喷口，以进一步降低NO_x；在锅炉尾部烟道中，利用燃烧过程中产生的含氯烟气、飞灰与生物质灰焦的共同作用，氧化和吸附烟气中的汞，最后由烟气净化装置（如电除尘器）捕集吸附汞的飞灰。

本发明以生物质炭作为再燃燃料，基于燃料再燃和烟气再循环技术，在降低NO_x排放的同时，利用再燃过程中释放的氯（Cl₂、HCl）和生成的生物质灰焦实现燃煤烟气中NO_x和汞高效脱除的目的。

本发明利用生物质炭再燃联合脱除燃煤烟气中NO_x和Hg的***，包括生物质炭制备***、煤粉制备***、炉膛燃烧***、烟气再循环***和尾部烟气净化***，炉膛燃烧***由下到上依次分为主燃区、再燃区和燃尽区，煤经过磨机预处理后，储存在煤粉仓中，通过煤粉输送管道与主燃区喷口连接；生物质炭经过磨机预处理后，储存在生物质炭粉仓中，在热风的输送下经生物质炭输送管和再燃区喷口连接；再循环烟气管道与再燃区喷口相连，降低燃烧温度，降低氧浓度，减少NO_x的生成；热风经热风输送管与燃尽区喷口连接，提供燃料完全燃烧所需的燃尽风；在锅炉炉膛内燃烧生成的烟气和飞灰依次经过尾部烟道中的省煤器、空气预热器、烟气除尘***和烟气脱硫装置；最后，洁净的烟气由烟囱排放。

本发明实现生物质炭再燃联合控制燃煤烟气中NO_x和汞排放的理论基础是：

根据再燃过程中生物质炭燃烧的特点，生物质炭灰份中碱金属（如钠、钾）通过生成自由基强化NH₃-NO 的作用，解决了单纯煤粉再燃时燃尽差，NO_x还原率低的问题，可以减少大幅度提高NO_x的还原效率，突破了常规再燃技术NO_x还原60％的瓶颈；其次通过结合烟气再循环技术，将再循环烟气通入再燃区，部分冷却了的烟气被送回到再燃区，降低了燃烧温度和氧浓度，进一步减少了氮氧化物的形成；第三，生物质炭再燃过程中形成的含氯（HCl等）烟气和活性灰焦氧化吸附烟气中的元素汞；最终结合锅炉的大气污染控制装置，实现生物质炭再燃联合脱除燃煤烟气中NO_x和汞。

本发明以生物质炭作为再燃燃料，集成了燃料再燃与烟气再循环的技术优势，具有如下优点：

1）再燃燃料热值和能量密度高，运输成本低，便于运输和储存；

2）燃料制备和再燃***结构简单，主燃烧器和锅炉***的改造较小，对炉内燃烧影响不大，投资省，运行费用低；

3）利用生物质炭所形成的含氯烟气和活性灰焦，强化了生物质炭与烟气中NO_x和汞的相互作用，提高了烟气脱硝和脱汞效率，可以显著降低NOx、Hg等污染物排放70%~80%；

4）可大规模利用生物质资源，实现控制CO₂排放的目的。

附图说明

图1是本发明中生物质炭制备的工艺流程图。

图2是本发明利用生物质炭再燃联合脱除燃煤烟气中NO_x和Hg的方法及***结构示意图。

具体实施例

结合附图对本发明作进一步的描述。

生物质炭的制备可采用电站制炭和现场制炭两种流程，如附图1所示，电站制炭是指将生物质燃料运输到电站后再制炭，而现场制炭是在现场将生物质炭化后再运输到电站。两种流程的主要差别在于生物质制炭的地点不同，相比而言，现场制炭工艺不仅可以提高生物质热值和能量密度，而且适合于储存和长距离输送。本实施例采用现场制炭，对于输送距离较远的生物质燃料而言更加经济。

电站锅炉制粉***的煤4经过磨机2预处理后，储存在煤粉仓7中，通过煤粉输送管道8连接到炉膛主燃烧器9，喷入炉膛主燃区12，其燃烧器可以为低NO_x燃烧器；生物质炭再燃燃料1经过磨机2，粉磨好的细生物质炭（粒度小于1mm）储存在生物质炭粉仓3中，经生物质炭输送管22，由热风1801携带输送到再燃燃料喷口6，喷入炉膛再燃区13；再循环烟气管道5与再燃区喷口6相连，降低燃烧温度，降低氧浓度，减少NO_x的生成；热风1802经热风输送管10与燃尽区喷口11连接，在炉膛燃尽区14提供燃料完全燃烧所需的燃尽风。本方案采用生物质炭中间储仓式制粉***，另外还可以采用直吹式制粉***等其它备选方案。

在炉膛15内燃烧生成的烟气和飞灰经锅炉尾部烟道16，依次流经省煤器17和空气预热器18，高温烟气得到快速冷却，在合适的温度下（200℃以下），烟气中元素汞在烟气组分和飞灰的相互作用下，发生催化氧化反应，进而吸附飞灰颗粒上，吸附在飞灰颗粒上的汞经过烟气除尘***19（电除尘器、袋除尘）被捕集下来；不含灰的烟气继续进入烟气脱硫装置20（湿法烟气脱硫、喷雾干燥烟气脱硫等）进行烟气脱硫和氧化态汞处理，洁净的烟气由烟囱21排放，最终实现燃煤烟气中NO_x、Hg等多种污染物的联合脱除。

本发明的特征在于：通过生物质炭再燃燃料（约占总燃料供给15-25%）的供给，在炉膛内部形成了不同气氛的燃烧反应条件，生物质炭燃料在高温下迅速完成热解，释放出碱金属和氯等，形成还原性气氛，强化了NO的还原反应，迫使更多的NO_x被还原成N₂。利用烟气再循环技术，将再循环烟气喷入再燃区，降低燃烧温度，降低氧浓度，减少NO_x的生成；热风喷入燃尽区，提供燃料完全燃烧所需的燃尽风。燃烧中形成的高含氯量的烟气和高活性飞灰，在锅炉尾部烟道中催化氧化和吸附烟气中的汞，进而通过尾部烟气处理装置达到联合脱除燃煤烟气中污染物的目的。

Claims

1.利用生物质炭再燃联合脱除燃煤烟气中NO_x和Hg的***，包括生物质炭制备 ***、煤粉制备***、炉膛燃烧***、烟气再循环***和尾部烟气净化***，炉膛燃烧***由下到上依次分为主燃区（12）、再燃区（13）和燃尽区（14），其特征在于，煤经过磨机（2）预处理后，储存在煤粉仓（7）中，通过煤粉输送管道（8）与主燃区喷口（9）连接；生物质炭经过磨机（2）预处理后，储存在生物质炭粉仓（3）中，在热风（1801）的输送下经生物质炭输送管（22）和再燃区喷口（6）连接；再循环烟气管道（5）与再燃区喷口（6）相连，降低燃烧温度，降低氧浓度，减少NO_x的生成；热风（1802）经热风输送管（10）与燃尽区喷口（11）连接，提供燃料完全燃烧所需的燃尽风；在锅炉炉膛（15）内燃烧生成的烟气和飞灰依次经过尾部烟道（16）中的省煤器（17）、空气预热器（18）、烟气除尘***（19）和烟气脱硫装置（20）；最后，洁净的烟气由烟囱（21）排放。

2. 利用权利要求1所述***的方法，包括以下步骤：在主燃区（12）内提供锅炉正常运行所需的大部分燃料煤和空气，燃烧过程中生成的NO_x和释放的汞进入高温烟气中；在再燃区（13）内燃烧生物质炭燃料，还原主燃区内生成的NO_x，同时再循环烟气也送入再燃喷口，以进一步降低NO_x；在锅炉尾部烟道中，利用燃烧过程中产生的含氯烟气、飞灰与生物质灰焦的共同作用，氧化和吸附烟气中的汞，最后由烟气净化装置捕集吸附汞的飞灰。

3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述烟气净化装置采用电除尘器或袋除尘器。