CN110906319B - 基于生物质分布式供热的模块化无废锅炉工艺*** - Google Patents
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Abstract
基于生物质分布式供热的模块化无废锅炉工艺***，属于生物质锅炉和清洁供热技术领域。包括生物质控温热解气化锅炉、高温除尘器、石墨烯换热脱硝一体化机组、烟风资源化回收清洁换热塔四个模块，其中燃料燃烧过程依次经过上料、控温气化室、燃烧换热室、高温受热面，高温烟气经高温除尘器送入石墨烯换热器，并经深度脱硝后经风机送入清洁换热塔中部进烟口，并向上经多级喷淋换热及洗涤净化、除雾干燥后向上经烟囱口排出扩散，清洁换热塔的下部为锅炉助燃风全热空预器，新风由烟气余热水喷淋加温加湿后不同支路送入锅炉，热网回水送入烟气余热板换预热后，再进入石墨烯换热器和锅炉本体加热，实现余热、烟气污染物、凝结水、灰渣的全资源化利用。
Description
技术领域
本发明涉及基于生物质分布式供热的模块化无废锅炉工艺***，属于生物质锅炉清洁生产技术和自然资源能源分布式清洁供热技术领域。
背景技术
分布式清洁供热已成为中国北方地区现时代重大而亟需全面解决的民生课题，对于难以纳入到城市集中供热体系的城镇及农村供热用户而言，亟需摆脱散烧煤等高污染低效率且费用也较高的散烧煤等落后采暖方式的困扰，但目前的主要非煤化技术路线包括各类电采暖、空气源热泵、燃气采暖等，均存在费用较高、或需要依靠大量补贴维持的情况，在当前依托大量的分布式生物质资源，采用清洁燃烧技术的分布式清洁供热热源方式，有可能成为大规模解决分布式供热需求的一种供热方式，已引起产学研和政策部门的重视和深化研究与推广。
目前直燃式生物质锅炉已可做到较高的热效率（新型锅炉可达到60%～80%左右），且初投资相对较低，但其锅炉排烟的污染物水平较高，烟尘、焦油类物质、二氧化硫、NOx、氯化氢等污染排放水平均可能较高，尚需进一步提高其污染防治技术。
另一类非直燃式生物质热源方式首先将生物质进行热解气化，所产生的燃气再送入到燃气锅炉制取蒸汽或热水，可有效控制NOx等污染物的生成量，具有更佳的环保性能，目前已开始大规模推广，但其锅炉热效率仍维持在70%～80%左右，且其各类污染物水平仍然相对偏高。
目前不少地方环保政策或标准已开始出现了要求生物质锅炉等也达到烟气超低排放标准，这对所有现有生物质锅炉而言都还需进行提标设计和改造。
同时，现有生物质锅炉都存在烟气中的大量余热也被浪费掉。而锅炉供热***所产生的污水、固废物等也需进一步治理。
发明内容
本发明的目的和任务是，针对上述生物质锅炉供热方式存在的问题，在生物质燃烧、换热、烟气处理、废水处理、固废物处理等工艺环节采用新型技术方法和措施，实现大幅提高热利用效率、大幅较低污染物的产生量及较低污染物水平并将其转化为可资利用的工业或建材原料、及实现还田循环利用等，实现清洁无废的生物质清洁供热方式。同时，采取模块化设计方法以简化***安装、降低运行维护难度，也更适用于分布式供热的小型化热源需求。
本发明的具体描述是：基于生物质分布式供热的模块化无废锅炉工艺***，其***流程中包括生物质控温热解气化锅炉、高温除尘器、石墨烯换热脱硝一体化机组、烟风资源化回收清洁换热塔四个模块，其中，生物质控温热解气化锅炉1包括上料段11、控温气化室14、燃烧换热室13、高温受热面12并集成在一个锅炉本体内，石墨烯换热脱硝一体化机组3包括风机31、脱硝氧化剂装置32、石墨烯翅片管换热器33并集成在一个设备框架内，烟风资源化回收清洁换热塔4包括下部的锅炉助燃风全热空预器43、中上部的烟气喷淋换热洗涤塔48、顶部烟囱段49并集成在一个塔体内，其中新风A自锅炉助燃风全热空预器43的下部进风口41进入，向上经烟气余热水喷淋换热区，锅炉助燃风全热空预器43的侧上部出风口经送风管道分别与控温气化室14的第一进风口15和燃烧换热室13的第二进风口16相连，高温受热面12的高温出烟口17与高温除尘器2的进烟口相连，高温除尘器2的出烟口与石墨烯换热脱硝一体化机组3的石墨烯翅片管换热器33的进烟口相连，石墨烯翅片管换热器33的出烟口分别与脱硝氧化剂装置32的臭氧出口和风机31的进烟口相连，风机31的出烟口与烟气喷淋换热洗涤塔48的中部进烟口相连，烟气喷淋换热洗涤塔48的中部进烟口向上依次与其内部的喷淋换热装置、洗涤净化装置及除雾干燥装置相通，其上部出口与顶部烟囱段49相通，顶部烟囱段49的顶部烟囱口与大气相通，烟气喷淋换热洗涤塔48的底部水池出水口经高温余热泵46后与烟气余热板换44的高温侧进口相连，烟气余热板换44的高温侧出口分别与烟气喷淋换热洗涤塔48的中部喷淋管和锅炉助燃风全热空预器43的上部喷淋管相连，锅炉助燃风全热空预器43的塔底水池出水口经低温余热泵42后与烟气喷淋换热洗涤塔48的上部喷淋管相连，烟气余热板换44的低温侧进口与热网回水H的进水管相通，烟气余热板换44的低温侧出口与石墨烯翅片管换热器33的进水口相连，石墨烯翅片管换热器33的出水口与高温受热面12的进口相连，高温受热面12的出口与载热工质G的供出管相通。
烟气喷淋换热洗涤塔48的底部水池的出水管上还设置有排污口和与水质调节装置47的进料口相通的开口，其中排污口与凝结水回收装置45的进料口相通，凝结水回收装置45的淡水出口与热网回水H的管道的补水口S相连，凝结水回收装置45的下部设置有物料J1的排料口，高温除尘器2的下部设置有飞灰J2的排料口，锅炉1的控温气化室14的下部设置有碳化灰渣J3的排料口。
基于生物质分布式供热的模块化无废锅炉工艺***，其***的工作方法如下：
i.生物质燃料自上料段11送入控温气化室14，高温高湿进风自第一进风口15进入，燃料进行缺氧、控温热解，并将温度控制在基本不产生外源性NOx的范围内，燃料热解气化的燃气向上进入燃烧换热室13，碳化灰渣J3则自下部排料口排出还田；
ii.热解气化燃气燃烧换热室13进行有氧控温燃烧，并将温度控制在基本不产生外源性NOx的范围内，烟气进入高温受热面12，锅炉给水则在热解气化燃气燃烧换热室13和高温受热面12中进行换热；
iii.高温烟气D自高温受热面12的出烟口送入高温除尘器2进行除尘并达到超低排放标准，飞灰J2则自下部排料口排出还田；
iv.高温洁净烟气E自高温除尘器2的出烟口送入石墨烯换热脱硝一体化机组3，进行清洁换热，并与喷入的深度脱硝氧化剂进行充分混合，烟气中的NO等被氧化为溶于水的NOx形式；
v.低温氧化烟气F由风机31送入到烟气喷淋换热洗涤塔48的进烟口，并向上经过多层喷淋换热、洗地净化、除雾干燥过程，由喷淋水通过热质交换过程带走大量余热和包括烟尘、可溶盐、重金属、二氧化硫、氯化氢、NOx在内的大量可观测或难观测污染物，继而经顶部烟囱段49的烟囱口向上排入大气并进行扩散；
vi.烟气喷淋换热洗涤塔48的高温余热水出水通过烟气预热板换44与热网回水H进行换热并实现烟气余热深度回收；
vii. 烟气喷淋换热洗涤塔48的凝结水溢流水通过凝结水回收装置45进行回收，其中淡水W作为补水送入热网回水管道，物料J1则自下部排料口排出还田或用作建筑材料或工业盐原料。
装置集成为如下四个流程相连、安装紧凑的设备模块：生物质控温热解气化锅炉1、高温除尘器2、石墨烯换热脱硝一体化机组3、烟风资源化回收清洁换热塔4，及其之间的连接管道。
高温除尘器2采用静态除尘的玄武岩纤维高效布袋除尘器结构。
石墨烯翅片管换热器33采用外壁面电镀或涂覆石墨烯涂层的高效翅片管换热器结构。
石墨烯换热脱硝一体化机组3中也可不设置脱硝氧化剂装置32，此时石墨烯翅片管换热器33自带前置SCR脱硝板结构。
烟风资源化回收清洁换热塔4采用锅炉排烟余热回收供热用三塔合一喷淋换热装置、并与烟囱合为一体的结构。
本发明的有益效果如下：其一是：生物质燃烧及制热的生产过程全面实现了清洁化工艺控制，从而最大程度地减少污染物的生成及高效降低和消除污染物，包括：首先生物质燃料在控温热解工艺段进行可控热化裂解以大幅降低NOx的生成量，产生的中间燃气进入燃气锅炉工艺段进行控温低氮高效稳定燃烧；然后采用高温除尘器先期高效去除烟尘；进而采用高效防腐蚀换热器可防止大量积灰及耗费较多能源动力吹灰，大幅降低出口烟温及提高热效率；烟气再送入清洁换热塔，并经过多级喷淋换热及洗涤净化、除雾干燥后经烟囱口排放，排烟成分已获得最大幅度的净化处理。其二是：全面实现高效热利用，整个生物质热源***的热效率提高到接近乃至超过100%（以燃料低位发热量计算），大大超过目前生物质热源的30%～80%的热能转化效率，从而可大幅节省燃料、或显著提高供热能力，显著降低社会污染排放量。其三是：污染物的资源化转化及利用，烟气中的污染物在喷淋换热及洗地净化过程中被拦截下来，而通过对凝结水进行污水零排放及分盐结晶，可将相关污染物最终转化为工业级氯化钠、硫酸钠、或用作建材的磷酸钙等稳定化合物，作为燃烧产物的灰渣可用于还田等。其四是：烟气中的大量凝结水可回用于厂内工艺原水、供暖补水等。其五是：余热及污染物资源化的同时全面解决接近废气、废水及固废物的污染问题，从根本上解决环保治理的运行成本过高等问题，使整个清洁供热***建得起、用得起。其六是：整个生物质清洁供热热源***采用模块化设计方法、一体化结构型式，最大程度地减少占地、投资、建设周期、提高运行控制的智能化、减少运行维护管理的工作量，适宜于分布式热源及清洁供热方式。
附图说明
图1本发明的***示意图。
图1中各部件编号与名称如下。
生物质控温热解气化锅炉1、高温除尘器2、石墨烯换热脱硝一体化机组3、烟风资源化回收清洁换热塔4、上料段11、高温受热面12、燃烧换热室13、控温气化室14、第一进风口15、第二进风口16、高温出烟口17、风机31、脱硝氧化剂装置32、石墨烯翅片管换热器33、进风口41、低温余热泵42、锅炉助燃风全热空预器43、烟气余热板换44、凝结水回收装置45、高温余热泵46、水质调节装置47、烟气喷淋换热洗涤塔48、顶部烟囱段49、新风A、预热新风B、加温加湿新风C、高温烟气D、高温洁净烟气E、低温氧化烟气F、载热工质G、热网回水H、物料J1、飞灰J2、灰渣J3、药剂K、防腐剂L、原水O、臭氧O3、P外排烟、补水口S、淡水W。
具体实施方式
图1是本发明的***示意图和实施例。
本发明的具体实施例1如下。
基于生物质分布式供热的模块化无废锅炉工艺***，本发明的具体描述是：基于生物质分布式供热的模块化无废锅炉工艺***，其***流程中包括生物质控温热解气化锅炉、高温除尘器、石墨烯换热脱硝一体化机组、烟风资源化回收清洁换热塔四个模块，其中，生物质控温热解气化锅炉1包括上料段11、控温气化室14、燃烧换热室13、高温受热面12并集成在一个锅炉本体内，石墨烯换热脱硝一体化机组3包括风机31、脱硝氧化剂装置32、石墨烯翅片管换热器33并集成在一个设备框架内，烟风资源化回收清洁换热塔4包括下部的锅炉助燃风全热空预器43、中上部的烟气喷淋换热洗涤塔48、顶部烟囱段49并集成在一个塔体内，其中新风A自锅炉助燃风全热空预器43的下部进风口41进入，向上经烟气余热水喷淋换热区，锅炉助燃风全热空预器43的侧上部出风口经送风管道分别与控温气化室14的第一进风口15和燃烧换热室13的第二进风口16相连，高温受热面12的高温出烟口17与高温除尘器2的进烟口相连，高温除尘器2的出烟口与石墨烯换热脱硝一体化机组3的石墨烯翅片管换热器33的进烟口相连，石墨烯翅片管换热器33的出烟口分别与脱硝氧化剂装置32的臭氧出口和风机31的进烟口相连，风机31的出烟口与烟气喷淋换热洗涤塔48的中部进烟口相连，烟气喷淋换热洗涤塔48的中部进烟口向上依次与其内部的喷淋换热装置、洗涤净化装置及除雾干燥装置相通，其上部出口与顶部烟囱段49相通，顶部烟囱段49的顶部烟囱口与大气相通，烟气喷淋换热洗涤塔48的底部水池出水口经高温余热泵46后与烟气余热板换44的高温侧进口相连，烟气余热板换44的高温侧出口分别与烟气喷淋换热洗涤塔48的中部喷淋管和锅炉助燃风全热空预器43的上部喷淋管相连，锅炉助燃风全热空预器43的塔底水池出水口经低温余热泵42后与烟气喷淋换热洗涤塔48的上部喷淋管相连，烟气余热板换44的低温侧进口与热网回水H的进水管相通，烟气余热板换44的低温侧出口与石墨烯翅片管换热器33的进水口相连，石墨烯翅片管换热器33的出水口与高温受热面12的进口相连，高温受热面12的出口与载热工质G的供出管相通。
烟气喷淋换热洗涤塔48的底部水池的出水管上还设置有排污口和与水质调节装置47的进料口相通的开口，其中排污口与凝结水回收装置45的进料口相通，凝结水回收装置45的淡水出口与热网回水H的管道的补水口S相连，凝结水回收装置45的下部设置有物料J1的排料口，高温除尘器2的下部设置有飞灰J2的排料口，锅炉1的控温气化室14的下部设置有碳化灰渣J3的排料口。
基于生物质分布式供热的模块化无废锅炉工艺***，其***的工作方法如下：
i.生物质燃料自上料段11送入控温气化室14，高温高湿进风自第一进风口15进入，燃料进行缺氧、控温热解，并将温度控制在基本不产生外源性NOx的范围内，燃料热解气化的燃气向上进入燃烧换热室13，碳化灰渣J3则自下部排料口排出还田；
ii.热解气化燃气燃烧换热室13进行有氧控温燃烧，并将温度控制在基本不产生外源性NOx的范围内，烟气进入高温受热面12，锅炉给水则在热解气化燃气燃烧换热室13和高温受热面12中进行换热；
iii.高温烟气D自高温受热面12的出烟口送入高温除尘器2进行除尘并达到超低排放标准，飞灰J2则自下部排料口排出还田；
iv.高温洁净烟气E自高温除尘器2的出烟口送入石墨烯换热脱硝一体化机组3，进行清洁换热，并与喷入的深度脱硝氧化剂进行充分混合，烟气中的NO等被氧化为溶于水的NOx形式；
v.低温氧化烟气F由风机31送入到烟气喷淋换热洗涤塔48的进烟口，并向上经过多层喷淋换热、洗地净化、除雾干燥过程，由喷淋水通过热质交换过程带走大量余热和包括烟尘、可溶盐、重金属、二氧化硫、氯化氢、NOx在内的大量可观测或难观测污染物，继而经顶部烟囱段49的烟囱口向上排入大气并进行扩散；
vi.烟气喷淋换热洗涤塔48的高温余热水出水通过烟气预热板换44与热网回水H进行换热并实现烟气余热深度回收；
vii. 烟气喷淋换热洗涤塔48的凝结水溢流水通过凝结水回收装置45进行回收，其中淡水W作为补水送入热网回水管道，物料J1则自下部排料口排出还田或用作建筑材料或工业盐原料。
装置集成为如下四个流程相连、安装紧凑的设备模块：生物质控温热解气化锅炉1、高温除尘器2、石墨烯换热脱硝一体化机组3、烟风资源化回收清洁换热塔4，及其之间的连接管道。
高温除尘器2采用静态除尘的玄武岩纤维高效布袋除尘器结构。
石墨烯翅片管换热器33采用外壁面电镀或涂覆石墨烯涂层的高效翅片管换热器结构。
石墨烯换热脱硝一体化机组3中也可不设置脱硝氧化剂装置32，此时石墨烯翅片管换热器33自带前置SCR脱硝板结构。
烟风资源化回收清洁换热塔4采用锅炉排烟余热回收供热用三塔合一喷淋换热装置、并与烟囱合为一体的结构。
需要说明的是，本发明提出了生物质清洁燃烧、清洁生产工艺、三废清洁化及资源化利用的技术实现方式，并给出了如何实现上述目的的具体实施方法、流程和实施装置，而按照此一总体解决方案可有不同的具体实施措施和不同结构的具体实施装置，上述具体实施方式仅仅是其中的一种而已，任何其它类似的简单变形的实施方式，例如采用分体锅炉结构、降低锅炉出口烟温，或采用不同的省煤器结构，采用不同的水质处理设备及方法；采用不同的换热元件结构及其简单变形；或者简单的调整余热水进出水参数及分级数量；或进行普通专业人士均可想到的变形方式等，或者将该技术方式以相同或相似的结构应用于不同燃料种类、等及其它类似应用场合，均落入本发明的保护范围。
Claims (6)
1.基于生物质分布式供热的模块化无废锅炉工艺***，其特征在于：其***流程中包括生物质控温热解气化锅炉、高温除尘器、石墨烯换热脱硝一体化机组、烟风资源化回收清洁换热塔四个模块，其中生物质控温热解气化锅炉（1）包括上料段（11）、控温气化室（14）、燃烧换热室（13）、高温受热面（12）并集成在一个锅炉本体内，石墨烯换热脱硝一体化机组（3）包括风机（31）、脱硝氧化剂装置（32）、石墨烯翅片管换热器（33）并集成在一个设备框架内，烟风资源化回收清洁换热塔（4）包括下部的锅炉助燃风全热空预器（43）、中上部的烟气喷淋换热洗涤塔（48）、顶部烟囱段（49）并集成在一个塔体内，其中新风（A）自锅炉助燃风全热空预器（43）的下部进风口（41）进入，向上经烟气余热水喷淋换热区，锅炉助燃风全热空预器（43）的侧上部出风口经送风管道分别与控温气化室（14）的第一进风口（15）和燃烧换热室（13）的第二进风口（16）相连，高温受热面（12）的高温出烟口（17）与高温除尘器（2）的进烟口相连，高温除尘器（2）的出烟口与石墨烯换热脱硝一体化机组（3）的石墨烯翅片管换热器（33）的进烟口相连，石墨烯翅片管换热器（33）的出烟口分别与脱硝氧化剂装置（32）的臭氧出口和风机（31）的进烟口相连，风机（31）的出烟口与烟气喷淋换热洗涤塔（48）的中部进烟口相连，烟气喷淋换热洗涤塔（48）的中部进烟口向上依次与其内部的喷淋换热装置、洗涤净化装置及除雾干燥装置相通，其上部出口与顶部烟囱段（49）相通，顶部烟囱段（49）的顶部烟囱口与大气相通，烟气喷淋换热洗涤塔（48）的底部水池出水口经高温余热泵（46）后与烟气余热板换（44）的高温侧进口相连，烟气余热板换（44）的高温侧出口分别与烟气喷淋换热洗涤塔（48）的中部喷淋管和锅炉助燃风全热空预器（43）的上部喷淋管相连，锅炉助燃风全热空预器（43）的塔底水池出水口经低温余热泵（42）后与烟气喷淋换热洗涤塔（48）的上部喷淋管相连，烟气余热板换（44）的低温侧进口与热网回水（H）的进水管相通，烟气余热板换（44）的低温侧出口与石墨烯翅片管换热器（33）的进水口相连，石墨烯翅片管换热器（33）的出水口与高温受热面（12）的进口相连，高温受热面（12）的出口与载热工质（G）的供出管相通；所述的烟气喷淋换热洗涤塔（48）的底部水池的出水管上还设置有排污口和与水质调节装置（47）的进料口相通的开口，其中排污口与凝结水回收装置（45）的进料口相通，凝结水回收装置（45）的淡水出口与热网回水（H）的管道的补水口（S）相连，凝结水回收装置（45）的下部设置有物料（J1）的排料口，高温除尘器（2）的下部设置有飞灰（J2）的排料口，生物质控温热解气化锅炉（1）的控温气化室（14）的下部设置有碳化灰渣（J3）的排料口；所述的高温除尘器（2）采用静态除尘的玄武岩纤维高效布袋除尘器结构。
2.如权利要求1所述的基于生物质分布式供热的模块化无废锅炉工艺***的工作方法如下：
i.生物质燃料自上料段（11）送入控温气化室（14），高温高湿进风自第一进风口（15）进入，燃料进行缺氧、控温热解，并将温度控制在基本不产生外源性NOx的范围内，燃料热解气化的燃气向上进入燃烧换热室（13），碳化灰渣（J3）则自下部排料口排出还田；
ii.热解气化燃气燃烧换热室（13）进行有氧控温燃烧，并将温度控制在基本不产生外源性NOx的范围内，烟气进入高温受热面（12），锅炉给水则在热解气化燃气燃烧换热室（13）和高温受热面（12）中进行换热；
iii.高温烟气（D）自高温受热面（12）的出烟口送入高温除尘器（2）进行除尘并达到超低排放标准，飞灰（J2）则自下部排料口排出还田；
iv.高温洁净烟气（E）自高温除尘器（2）的出烟口送入石墨烯换热脱硝一体化机组（3），进行清洁换热，并与喷入的深度脱硝氧化剂进行充分混合，烟气中的NO等被氧化为溶于水的NOx形式；
v.低温氧化烟气（F）由风机（31）送入到烟气喷淋换热洗涤塔（48）的进烟口，并向上经过多层喷淋换热、洗地净化、除雾干燥过程，由喷淋水通过热质交换过程带走大量余热和包括烟尘、可溶盐、重金属、二氧化硫、氯化氢、NOx在内的大量可观测或难观测污染物，继而经顶部烟囱段（49）的烟囱口向上排入大气并进行扩散；
vi.烟气喷淋换热洗涤塔（48）的高温余热水出水通过烟气余热板换（44）与热网回水（H）进行换热并实现烟气余热深度回收；
vii.烟气喷淋换热洗涤塔（48）的凝结水溢流水通过凝结水回收装置（45）进行回收，其中淡水（W）作为补水送入热网回水管道，物料（J1）则自下部排料口排出还田或用作建筑材料或工业盐原料。
3.如权利要求1所述的基于生物质分布式供热的模块化无废锅炉工艺***，其特征在于所述的装置集成为如下四个流程相连、安装紧凑的设备模块：生物质控温热解气化锅炉（1）、高温除尘器（2）、石墨烯换热脱硝一体化机组（3）、烟风资源化回收清洁换热塔（4），及其之间的连接管道。
4.如权利要求1所述的基于生物质分布式供热的模块化无废锅炉工艺***，其特征在于所述的石墨烯翅片管换热器（33）采用外壁面电镀或涂覆石墨烯涂层的高效翅片管换热器结构。
5.如权利要求1所述的基于生物质分布式供热的模块化无废锅炉工艺***，其特征在于所述的石墨烯换热脱硝一体化机组（3）中也可不设置脱硝氧化剂装置（32），此时石墨烯翅片管换热器（33）自带前置SCR脱硝板结构。
6.如权利要求1所述的基于生物质分布式供热的模块化无废锅炉工艺***，其特征在于所述的烟风资源化回收清洁换热塔（4）采用锅炉排烟余热回收供热用三塔合一喷淋换热装置、并与烟囱合为一体的结构。
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