一种用生物质还原燃煤工业锅炉烟气氮氧化物的方法及装置

摘要

本发明公开了一种用生物质还原燃煤工业锅炉烟气氮氧化物的方法及装置。该方法为：使生物质颗粒在输送过程中发生高温热解反应析出包括碳氢基、氨基的活性基团以及残余焦；将热解后的生物质颗粒喷入燃煤工业锅炉炉膛内形成还原区与烟气发生反应。该装置包括生物质颗粒输送装置、喷嘴和再循环风机，其中所述生物质颗粒输送装置由生物质料斗、生物质给料机、输送管连接而成，该输送管延伸至燃煤工业锅炉的炉膛内，输送管位于炉膛内的部分为高温分解段，喷嘴设置在输送管的末端；再循环风机连接在输送管与锅炉尾部烟道之间。本发明针对燃煤工业炉烟气排放的特点，可实现燃煤工业锅炉烟气中氮氧化物的高效脱硝，脱硝率达30％-60％，具有广泛的推广及使用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用生物质还原燃煤工业锅炉烟气氮氧化物的方法及装置，属于 生物质能利用与燃煤工业锅炉烟气脱硝技术领域。

背景技术

我国燃煤工业锅炉因具有数量多、平均蒸发量小，单台排放污染物量少，总的 排放污染物量大等特点，对大气中氮氧化物(NO_x)的排放贡献巨大，仅次于火电 行业和机动车尾气位列第三，是影响城市空气环境质量的主要污染源之一。目前我 国针对固定源NO_x减排控制技术多采用的是低氮燃烧和还原法(选择性催化还原 法、选择性非催化还原法)两种技术。其中，低氮燃烧技术虽然成本较低，系统运 行条件要求较低，但存在的缺陷是对NO_x的去除效果十分有限，其脱硝效率一般在 20-30％以下，无法满足日益严格的环保要求。而还原法尽管脱硝效率较高，但该技 术的缺点是初始投资大，运行成本过高，且一般都采用氨、尿素等农用肥料为脱硝 剂，如在我国大范围使用，势必会造成我国环保与农业对氨资源的竞争。再燃技术 以其适应性广以及较高脱硝效率被视为一种非常有效的电站锅炉脱硝技术。而以生 物质为燃料的再燃脱硝技术又因具有脱硝效率高和二氧化碳零排放等特点成为目 前国内外研究的热点。然而，目前国内外关于生物质再燃技术的研究主要是针对大 型电站锅炉，对于该技术在工业锅炉上的应用研究目前还是空白，其没有实现的主 要原因有以下几点：

1、燃煤工业锅炉负荷变化频繁，尤其是北方供暖锅炉，在冬季供暖期有初寒 期、严寒期和末寒期，锅炉负荷大多在30-40％、60-80％、80-100％三个档运行。

2、工业锅炉一般烟气温度较低，不利于生物质直接再燃脱硝。

3、工业锅炉烟气中一般含氧量为10-12％左右。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用生物质还原燃煤工业锅炉烟气氮氧化物的方法， 针对燃煤工业炉烟气排放的特点，实现燃煤工业锅炉烟气中氮氧化物的高效脱硝。

本发明的另一目的在于提供一种用生物质还原燃煤工业锅炉烟气氮氧化物的 装置，该装置结构简单实用。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用生物质还原燃煤工业锅炉烟气氮氧化物的方法，包括：使生物质颗粒在 输送过程中发生高温热解反应析出包括碳氢基、氨基的活性基团以及残余焦；将热 解后的生物质颗粒喷入燃煤工业锅炉炉膛内形成还原区，与烟气发生反应。

其中，生物质颗粒在高温分解段的热解反应如下：

本发明中，生物质颗粒在喷入炉膛之前先在高温下发生热解反应，析出碳氢基、 氨基等活性基团，有利于烟气中的氮氧化物在还原区被最大限度地同相还原反应生 成氮气，同时，生物质热解后的残余焦又能够积极与烟气中的氮氧化物发生异相还 原反应，生成氮气。所述的同相还原反应和异相还原反应如下所示：

同相还原反应为：

NO+NH_i→N₂+...

异相还原反应为：

优选地，所述的生物质颗粒通过由燃煤工业锅炉排出的热烟气输送，热烟气的 温度为50℃-150℃。利用燃煤锅炉尾部烟道排出的部分热烟气将生物质颗粒喷入炉 膛内，不但有利于形成还原反应所需的低化学当量比，还能够强化生物质颗粒射流 刚性和还原区混合条件。首先，由于燃煤锅炉尾部烟道排出的部分热烟气含氧量较 低，在与锅炉炉膛内烟气混合时易于形成符合还原区要求的低化学当量比；其次， 燃煤锅炉尾部烟道排出的部分热烟气在经预热段之后的温度与锅炉炉膛内的烟气 温度接近，且保证生物质的喷入速度在30m/s-50m/s时，即可增强生物质颗粒射流 刚性，强化还原区的混合条件。

优选地，所述生物质颗粒在900℃-1100℃下进行热解反应，热分解时间为 0.3s-1.4s。

本发明中生物质是以挥发分和生物质焦的形式与烟气中的氮氧化物发生反应， 因此，可在较低温度范围具有良好的脱硝效果。一般地，电站锅炉生物质再燃脱硝 效率最佳反应温度在1000℃-1200℃，而本发明中生物质还原氮氧化物的最佳反应 温度在700℃-900℃。

本发明将生物质作为脱硝剂先进行预分解，以挥发分和生物质焦的形式喷入炉 膛，进行还原反应。此时，生物质的投加量较少，生物质投加量按生物质颗粒发热 量占锅炉总发热量的0.5％-2％投加，对锅炉燃烧效率几乎没有影响。因此，当工业 锅炉负荷发生变化时，只需对生物质用量进行微调即可，而生物质的脱硝效率始终 能够保持在40％以上。一般地，当锅炉负荷在30％-40％时，生物质脱硝效率可达 40％左右；当锅炉负荷在60％-80％时，生物质脱硝效率可达50％左右；当锅炉负荷 在80％-100％时，生物质脱硝效率可达60％左右。

本发明中，将生物质在过量空气系数为0.3-0.9的环境中进行预分解，随后以挥 发分和生物质焦的形式喷入氧浓度较高的炉膛，在局部形成还原区。一般地，电站 锅炉生物质再燃还原区的最佳过量空气系数为0.7-0.9，而本发明生物质还原氮氧化 物的最佳过量空气系数为1.0-1.5。

一种用于实现上述方法的装置，该装置包括生物质颗粒输送装置、喷嘴和再循 环风机，其中所述生物质颗粒输送装置由生物质料斗、生物质给料机、输送管连接 而成，该输送管延伸至燃煤工业锅炉的炉膛内，输送管位于炉膛内的部分为高温分 解段，喷嘴设置在输送管的末端；再循环风机连接在输送管与锅炉尾部烟道之间。

其中，所述喷嘴的开口朝上，呈漏斗状，其外壁与水平线呈30°夹角。

本发明的有益效果为：

1)本发明将燃煤工业锅炉尾部烟道来的部分热烟气作为生物质颗粒的输送介 质，有利于形成还原反应所需的低化学当量比，同时能够强化生物质颗粒射流刚性 和还原区混合条件。

2)本发明中，生物质颗粒在被喷入炉膛之前，先在高温分解段发生热解反应， 析出碳氢基、氨基等活性基团，有利于烟气中的氮氧化物在还原区被最大限度地同 相还原为氮气，同时，生物质热解后的残余焦又能够积极与烟气中的氮氧化物发生 异相还原反应，生成氮气，通过以上双重作用有效地提高了生物质还原氮氧化物效 率。

3)本发明直接利用生物质粉碎后的颗粒作为脱硝剂，符合国家关于生物质能 的高效开发和利用政策，将生物质合理利用技术与燃煤工业锅炉脱硝技术结合，降 低了生物质转化过程的技术风险和成本，在基本不影响工业锅炉原来燃烧状况的条 件下，有效降低了氮氧化物的排放。

4)本发明适用于新建锅炉，以及对在运行锅炉的改造。

附图说明

图1为本发明用生物质还原燃煤工业锅炉烟气氮氧化物的装置的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明用生物质还原燃煤工业锅炉烟气氮氧化物的装置包括生物 质料斗1、生物质给料机2、输送管3、喷嘴4和再循环风机6。其中，生物质料斗 1、生物质给料机2、输送管3相互连接构成生物质颗粒输送装置，输送管延伸至燃 煤工业锅炉的炉膛内，用于将生物质颗粒输送至炉膛内形成还原区。输送管3位于 炉膛内的部分为高温分解段H，喷嘴4设置在输送管3的末端，喷嘴4开口的形状、 大小等可以根据实际需要进行选择和调整，考虑到自喷嘴喷出的生物质颗粒的分散 程度以及与烟气的接触面积，优先选择开口朝上、呈漏斗状的喷嘴，其外壁与水平 线呈30°夹角为宜。再循环风机6连接在输送管3与锅炉尾部烟道之间。

该装置在使用过程中，生物质颗粒储存在生物质料斗1中，经生物质给料机2 给料至输送管3，循环风机6将锅炉尾部的烟气输送至输送管3，作为动力将生物 质颗粒输送并喷入炉膛内的还原区R，而生物质颗粒在进入炉膛之前需要在高温分 解段H进行高温热解反应，控制高温分解段的温度在900℃-1100℃，并控制生物质 颗粒高温分解段停留时间为0.3s-1.4s。

本发明对生物质物料的选用没有特殊要求，一般可用在电站再燃技术中的生物 质物料都可选用，如木屑、玉米秸、稻壳以及花生壳等。

实施例1

参见图1所示，选择华北地区常见的杨木屑作为生物质物料，选择2t/h燃煤实 验锅炉进行测试，利用燃煤实验锅炉尾部烟道来的部分热烟气通过输送管3将生物 质颗粒先经高温分解段H，再喷入炉膛形成还原区R，生物质颗粒在高温分解段H 发生热解反应，析出碳氢基、氨基等活性基团。

生物质颗粒发热量占锅炉总发热量的1.2％，锅炉尾部烟道来的热烟气温度为 110℃，烟气量为锅炉排烟量的5％，其携带生物质颗粒后的过量空气系数为0.65。 高温分解段H的温度为950℃，生物质颗粒在高温分解段H的停留时间为0.9s。生 物质的喷入速度为35m/s。还原区R的温度为850℃，过量空气系数为1.0。

在还原区R，碳氢基、氨基等活性基团与工业锅炉烟气中的氮氧化物发生同相 还原反应生成氮气，同时生物质热解后的残余焦与氮氧化物发生异相还原反应，将 锅炉烟气中的氮氧化物还原成氮气。

采用上述方法和装置可有效地脱除燃煤工业锅炉烟气中的氮氧化物含量，在基 本不影响锅炉效率的前提下，使脱硝效率达50％。

实施例2

本实施例的工艺条件与实施例1大致相同，其中高温分解段H的温度为1050 ℃，还原区R的温度为900℃，此时脱硝效率达55％。

实施例3

工艺条件与实施例1大致相同，其中高温分解段H的温度为900℃，还原区R 的温度为700℃，此时脱硝效率达38％。

综上所述，本发明的方法和装置可有效地促进碳氢基、氨基等活性基团与锅炉 烟气中氮氧化物之间的同相还原反应以及生物质热解后的残余焦与锅炉烟气中氮 氧化物之间的异相还原反应，从而极大地降低了工业锅炉烟气中的氮氧化物浓度， 脱硝率达30％-60％。利用易得的生物质原料即可达到减少污染，保护环境的目的， 且容易对现有锅炉进行改造，以符合环保要求，由此该技术具有广泛的推广及使用 价值。