一种循环流化床锅炉多污染物协同脱除燃烧装置及方法与流程

2021-03-04 22:03:52|

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本发明属于煤清洁高效燃烧技术领域，具体涉及一种循环流化床锅炉多污染物协同脱除燃烧装置及方法。

背景技术：

我国煤炭资源丰富，由燃煤烟气排放的nox、so2和hg对人类健康和生态环境带来了极大的危害。电力生产作为煤炭消费的最大主体，其燃煤量占到了煤炭消耗的51％。因此对燃煤电厂nox、so2和hg等多种污染物的控制，已成为我国大气污染控制领域最为紧迫的任务。

循环流化床(cfb)燃烧技术是一种高效低污染的清洁燃烧技术，在国内外已广泛地推广并应用。随着国家《火电厂大气污染物排放标准》(gb13223-2011)的颁布实施，要求nox、so2与hg分别达到100mg/m³、100mg/m³、0.03mg/m³的最新排放标准，对nox与so2甚至严格要求达到50mg/m³与35mg/m³的超低排放标准要求，这使得循环流化床锅炉面临了更大的挑战。

现有的控制nox、so2和hg三种污染物最为成熟的方法分别是：采用选择性非催化还原(sncr)、选择性非催化还原与选择性催化还原(scr)联用的方法实现nox达标排放；通过尾部烟道一级湿法脱硫(wfgd)或二级湿法脱硫实现so2达标排放；采用活性炭注入脱汞(aci)。目前，国内外针对多污染物大都使用逐一治理的方法，即不同污染物添加不同的净化装置加以脱除，形成各个脱除工艺的串联，但分级治理方式存在占地面积较大、还原剂及吸收剂消耗量大、基建投资及运行费用极高等缺陷。

尽管已有同时脱硫脱硝一体化工艺，如高能辐射化学法、活性炭法、烟气循环流化床法、等离子体法等，但由于其投资和运行费用巨大而未得到广泛应用，并且对于其它的气态污染物及固体颗粒物仍需串联其它的工艺装置加以实现。如中国专利cn201610077738.7公开了一种工业燃煤锅炉烟气多污染物超低排放协同脱除系统，通过scr脱硝装置、静电除尘器、三相紊流筒高效脱硫除尘塔和提效型湿式静电除尘除雾装置的联合作用，以实现工业燃煤锅炉烟气中nox、so2和粉尘污染物的超低排放。该系统尾部烟道设备复杂，投资运行及维护成本较高。中国专利cn201810113587.5公开了一种粉状活性焦联合脱硫和脱硝的系统及方法，通过粉末活性焦与氨气，脱除烟气中的nox与so2，由于需要提供额外的活性焦与氨气原料，投资运行成本也较高。

综上所述，现有循环流化床锅炉污染物脱除技术缺陷如下：

(1)循环流化床多污染物脱除主要采用单项逐级串联治理的方式，即通过sncr与scr联用的脱硝方法、以及炉内喷钙脱硫与尾部一级湿法脱硫或多级湿法脱硫的联合脱硫方法、活性焦脱汞法等，由于以上脱硫脱硝脱汞方法需要配置复杂的烟气脱硫脱硝脱汞处理系统，同时还需要提供额外的还原剂与吸收剂，其系统复杂，投资、运行与维护成本高昂，同时还会带来二次污染(如脱硫废水问题，氨逃逸问题)，严重制约了循环流化床锅炉技术的推广应用。

(2)现有部分燃煤烟气脱硫脱硝脱汞一体化技术，如高能辐射化学法、活性炭法、等离子体法等，由于需要提供额外的吸收剂、还原剂以及额外的能耗，其投资和运行费用巨大，维护工作量大，处理烟气量小，存在二次污染等因素而未得到广泛应用，并且对于其它的气态污染物仍需串联其它的工艺装置加以实现。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种循环流化床锅炉多污染物协同脱除燃烧装置及方法。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种循环流化床锅炉多污染物协同脱除燃烧装置，包括：锅炉和尾部烟道；所述锅炉与尾部烟道相连通；所述锅炉包括主燃室、第一旋风分离器和返料器；其特征在于，还包括第二给煤机、热解室、半焦活化室、第二旋风分离器和活性焦脱硫脱汞反应塔；所述返料器设置在第一旋风器固相出口处；所述热解室前墙上部侧壁与返料器进料立管的侧壁相连通；使部分高温循环灰从所述固相出口进入热解室；所述第二给煤机设置在所述热解室顶部，用于添加第二级燃料；所述第二旋风分离器的进口与所述热解室的上部出口相连；所述半焦活化室连通在热解室后墙下部；所述活性焦脱硫脱汞反应塔入口与半焦活化室底部连通，所述活性焦脱硫脱汞反应塔底部出口与所述主燃室通过半焦再燃喷口连通。

优选的，所述尾部烟道包括自上而下布置的过热器和/或再热器、省煤器、空气预热器；所述空气预热器热风出口管道分别与所述锅炉底部的一次风管道及所述主燃室下部炉膛的半焦再燃喷口相连通；所述活性焦脱硫脱汞反应塔前墙进口与尾部烟道除尘器出口烟道相连通，后墙出口与进口烟道相连通，底部与炉膛半焦再燃喷口相连通。

优选的，所述热解室底部设有进料流化风室与出料流化风室，热解室顶部中间位置内侧设有一隔板，通过隔板将热解室分为进料室与出料室，进料室与出料室通过隔板下部的通道相连通，热解室出口设有活化室。

优选的，所述第二旋风分离器顶部气相出口分别与热解气喷口、进料流化风室、返料流化风室相连通，第二旋风分离器底部固相出口与半焦活化室顶部的进料口相连通；半焦活化室侧壁与尾部烟道上设置的过热器相连通。

优选的，所述主燃室自下而上设有一级氧化脱硫区与半焦再燃一级脱硝区；所述第一旋风分离器与尾部烟道连接处依次设置有热解气再燃二级脱硝区和燃尽区；所述第二旋风分离器的气相出口通过热解气喷口与所述热解气再燃二级脱硝区连通。

优选的，所述半焦再燃一级脱硝区设置有至少一个半焦再燃喷口；所述热解气再燃二级脱硝区设置有至少一个热解气喷口；所述燃尽区设置有至少一个燃尽风喷口；所述一级氧化脱硫区底部侧壁设置有石灰石喷口。

优选的，所述热解气喷口还可以布置在所述主燃室中下部，且位于半焦再燃喷口下部；所述燃尽风喷口布置在第一旋风分离器出口垂直或水平烟道上。

优选的，所述主燃室自下而上设有一级氧化脱硫区与热解气再燃一级脱硝区；所述第一旋风分离器与尾部烟道连接处依次设置有半焦再燃二级脱硝区和燃尽区；所述尾部烟道的受热面出口设有活性焦二级脱硫与脱汞区。

优选的，所述热解气再燃一级脱硝区设置有至少一个热解气喷口；所述半焦再燃二级脱硝区设置有至少一个半焦再燃喷口；所述燃尽区设置有至少一个燃尽风喷口。

一种循环流化床锅炉多污染物协同脱除燃烧方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将一级燃料、一次风和脱硫剂加入主燃室底部的一级氧化区进行燃烧，将石灰石通过返料器加入主燃室底部，与主燃室底部燃烧过程中产生的so2进行一级脱硫反应，主燃室燃烧产物通过第一旋风分离器，从下部固相出口排出的部分高温循环灰进入热解室；

步骤二、将二级燃料加入至热解室内，低温热解生成热解产物，热解产物通过第二旋风分离器进行气固分离，分离后得到的细焦粉固相产物与从热解室底部排出的粗焦粉一起进入半焦活化室，在半焦活化室通过从过热器过来的过热蒸汽进行活化反应产生活性焦，活性焦进入活性焦脱硫脱汞反应塔进行脱汞与二级脱硫；

步骤三、在步骤二中活性焦失活，后经过一次热风输送进入主燃室中下部半焦再燃一级脱硝区与主燃室底部一级氧化区产生的nox进行第一级脱硝还原，将大部分nox还原成氮气；

步骤四、步骤二中第二旋风分离器分离后的气相还原产物一部分进入主燃室出口将烟气中的nox进行第二级脱硝还原，将步骤三中未还原的nox全部还原成氮气；另外一部分进入热解室底部提供流化风；

步骤五、步骤四中第二级脱硝还原未燃尽残炭颗粒与co气体在再燃风作用下进行充分燃尽。

优选的，所述一级氧化脱硫区的过量空气系数为1.10～1.15；所述一级氧化脱硫区反应温度为850～900℃；所述半焦再燃一级脱硝区的过量空气系数为0.9～1.0，反应温度为950～1000℃；所述热解气再燃二级脱硝区的过量空气系数为1.0～1.08，反应温度为1000～1100℃；所述燃尽区的过量空气系数为1.1～1.15，反应温度为900～950℃；热解室的反应温度为550～650℃；活性焦二级脱硫与脱汞区的反应温度为120～160℃；第一旋风分离器出口再燃量占总输入热量的8～15％。

优选的，所述一级燃料与二级燃料是烟煤、褐煤、无烟煤、生物质或碳基燃料中的一种或几种。

本发明的有益之处在于：

(1)本发明实现了在一个反应装置内，通过煤热化学转化过程中自身产生的大量廉价还原剂与吸附剂，经过二级脱硫、二级脱硝与一级脱汞反应，多种气态污染物so2、nox及重金属hg的低成本高效联合脱除，工艺流程简单，能够大幅降低投资和运行费用。

(2)本发明将热解产物通入热解气二级脱硝区，第一作为燃烧烟气中nox的强还原反应剂；第二通过反应放热为还原反应提供热源，保证还原反应温度；第三热解气中的热解含酚废水及焦油在高温区进行完全分解反应，无二次污染排放问题。解决了低温热解后尾部复杂的焦油粉尘分离问题与焦油析出堵塞管道问题，同时也解决了含酚废水的排放问题，实现零废水排放，充分保证系统的稳定运行。此外，热解过程中产生的粉尘及脱硫脱汞反应塔出来的失活半焦送入主燃室进行高效燃烧，实现了固废资源化利用，大大提高了系统的能源利用效率，同时实现了系统的近零排放。同时热解室提供的热解气还原剂，可以解决主燃室启动调试及低负荷下的高nox排放问题，可以实现全负荷全流程超低排放。

(3)本发明一级燃料与二级燃料可以是同一种燃料，也可以是不同燃料，提高了系统的燃料适用性与调节灵活性。

(4)本发明通过将高温循环灰热载体作为煤低温热解反应热源，不需要额外的热源，实现了能源节约；在低温热解过程中产生的具强还原性的廉价热解气与半焦分别作为主燃室一级脱硝区与二级脱硝区的还原剂，对烟气中的nox进行二级高效脱硝还原，同时相对常规的燃烧方法，还原区域及还原反应时间均有较大幅度的提高，反应温度提高，氧气浓度下降，通过以上技术措施大幅度地提高了脱硝强度与脱硝效率，系统通过二级脱硝后的脱硝效率可以达到90％以上；热解过程中产生的半焦通过燃烧系统自身产生的过热蒸汽对其进行活化，活化后的半焦作为脱硫脱汞吸附剂，系统通过二级脱硫后的脱硫效率可以达到99％以上，脱汞效率可以达到90％以上；多污染物so2、nox及hg脱除所需的还原剂及吸附剂全部通过系统自身产生，不需要额外提供，大幅度降低投资运行成本。

附图说明

图1是本发明循环流化床锅炉多污染物协同脱除燃烧装置具体实施例1的结构示意图；

图2是本发明循环流化床锅炉多污染物协同脱除燃烧装置具体实施例2的结构示意图。

图中标示的含义为：1-主燃室；2-第一旋风分离器；3-返料器；4-第一给煤机；5-第二给煤机；6-热解室；7-半焦活化室；8-第二旋风分离器；9-过热器；10-省煤器；11-空气预热器；12-活性焦脱硫脱汞反应塔；a-一级氧化脱硫区；b-半焦再燃一级脱硝区；b＇-热解气再燃一级脱硝区；c-热解气再燃二级脱硝区；c＇-半焦再燃二级脱硝区；d-燃尽区；e-活性焦二级脱硫与脱汞区；pa-一次热风；ta-燃尽风；pg-热解气；eg-烟气；sw-过热蒸汽；asc-活性焦；dsc-再燃半焦；cc-石灰石。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步具体说明。

实施例1

如图1所示，一种循环流化床锅炉多污染物协同脱除的燃烧装置，包括：锅炉和尾部烟道；锅炉与尾部烟道相连通；还包括第二给煤机、热解室、半焦活化室、第二旋风分离器和活性焦脱硫脱汞反应塔；

锅炉包括：主燃室1、第一旋风分离器2和返料器3；主燃室1自下而上设有一级氧化脱硫区a与半焦再燃一级脱硝区b，一级氧化脱硫区a后墙与返料器3的下料口相连通，前墙与第一给煤机4的出料口相连通，底部与布风板上的风帽小孔相连通，布风板风帽底部进风口与风室相连通；半焦再燃一级脱硝区b下部前墙与半焦再燃喷口dsc相连通，上部与第一旋风分离器2进口相连通；第一旋风分离器2上部气相出口与热解气再燃二级脱硝区c下部进口相连通；热解气再燃二级脱硝区c设置有热解气喷口；热解气再燃二级脱硝区c上部出口与燃尽区d进口相连通，在燃尽区d顶部布置有燃尽风ta喷口；其中燃尽风ta喷口布置在第一旋风分离器2出口垂直或水平烟道上；返料器3上部进料口与第一旋风分离器2下部的固相出口相连通，返料器3下部出料口上部与石灰石cc喷口相连通；石灰石cc喷口布置在主燃室底部一级氧化脱硫区a侧壁。

其中，热解气pg喷口还可以布置在主燃室中下部，且位于半焦再燃dsc喷口下部。

尾部烟道包括自上而下布置的过热器9和/或再热器，省煤器10，空气预热器11，空气预热器11热风出口管道分别与锅炉底部一次风管道及主燃室1下部炉膛半焦再燃dsc喷口相连通；活性焦脱硫脱汞反应塔12前墙进口与尾部烟道除尘器出口烟道相连通，后墙出口与进口烟道相连通，底部与炉膛半焦再燃dsc喷口相连通。

其中，第二旋风分离器8顶部气相出口通过管道分别与热解气再燃二级脱硝区c侧壁热解气pg喷口、热解室6进料流化风室与返料流化风室进风管相连通，第二旋风分离器8底部固相出口通过阀门与半焦活化室7顶部的进料口相连通；半焦活化室7底部通过管道与活性焦脱硫脱汞反应塔12顶部进料口相连通，半焦活化室7侧壁通过管道与过热器出口相连通。

基于以上循环流化床锅炉多污染物协同脱除的燃烧装置，本实施例还涉及一种循环流化床锅炉多污染物协同脱除的燃烧方法，包括如下步骤：

步骤一、将一级燃料和一次风加入主燃室1底部的一级氧化脱硫区a进行燃烧，将石灰石cc通过返料器3返料管加入主燃室1底部，与主燃室1底部燃烧过程中产生的so2进行一级脱硫反应，主燃室1燃烧产物通过第一旋风分离器2，从下部固相出口排出的部分高温循环灰进入热解室6；反应机理如下：

caco3→cao+co2(1)

cao+so2→caso3(2)

2caso3+o2→2caso4(3)

上述一级燃料从主燃室1下部给入，二级燃料从热解室6顶部给入；燃料燃烧用风分为一次风pa、燃尽风ta与返料风，一次风pa从主燃室1底部给入，燃尽风ta从第一旋风分离器2出口燃尽区d给入，返料风从返料器3底部给入。

步骤二、将二级燃料加入至热解室6内，低温热解生成热解产物(热解半焦、焦油、热解气)，热解产物通过第二旋风分离器8进行气固分离，分离后得到的细焦粉固相产物与从热解室6底部排出的粗焦粉一起进入半焦活化室7，在半焦活化室7内通过从过热器9过来的过热蒸汽sw进行活化反应产生活性焦asc，活性焦asc进入活性焦脱硫脱汞反应塔12进行脱汞与二级脱硫，实现so2与hg的联合脱除；反应机理如下：

so2(gas)+ac→so2(ad)(4)

o2(gas)+ac→o(ad)(5)

h2o(gas)+ac→h2o(ad)(6)

so2(ad)+o(ad)→so3(ad)(7)

so3(ad)+h2o(ad)→h2so4(ad)(8)

h2so4(ad)+nh2o(ad)→h2so4.nh2o(ad)(9)

式中，(gas)为气相，(ad)为吸附态，ac为活性焦表面的活性位。

步骤三、在步骤二中从脱硫脱汞反应塔12底部出来的失活半焦，通过尾部烟道空气预热器11出来的热风对失活半焦进行预热，通过对失活半焦预热以提高失活半焦燃烧的稳定性与燃尽率，再经过一次热风输送进入主燃室1中下部半焦再燃一级脱硝区b与主燃室1底部一级氧化脱硫区a产生的nox进行第一级脱硝还原，将大部分nox还原成氮气；反应机理如下：

no+c()→c(o)+c(n)(10)

c(n)+no→n2+c(o)(11)

式中，c()、c(n)与c(o)分别代表碳活性位、表面碳氮组分和表面碳氧组分。

步骤四、步骤二中第二旋风分离器8分离后的气相还原产物(热解气pg、焦油、细焦粉)，一部分进入热解室6底部为热解室提供流化风；另一部分进入主燃室1出口将烟气中的nox进行第二级脱硝还原，将步骤三中未还原的nox还原成氮气；主要反应机理如下：

h2+no→hno+h(12)

hno+no→n2o+oh(13)

n2o+h→n2+oh(14)

2co+2no→co2+n2(15)

ch4+3o→ch+3oh(16)

ch+no→hcn(17)

hcn+oh→nh2(18)

nh2+no→n2(19)

步骤五、步骤四中第二级脱硝还原未燃尽残炭颗粒与co气体在再燃风作用下进行充分燃尽。

其中，主燃室1一级氧化脱硫区a的过量空气系数为1.10～1.15，反应温度为850～900℃；半焦再燃一级脱硝区b的过量空气系数为0.9～1.0，反应温度为950～1000℃；热解气再燃二级脱硝区c的过量空气系数为1.0～1.08，反应温度为1000～1100℃；燃尽区d的过量空气系数为1.1～1.15，反应温度为900～950℃；热解室的反应温度为550～650℃；活性焦二级脱硫与脱汞区e的反应温度为120～160℃；第一旋风分离器2出口再燃量(热量比)占总输入热量的8～15％。

一级燃料与二级燃料可以是同一种燃料，也可以是不同燃料，燃料可以是烟煤，褐煤、无烟煤、生物质及其它碳基燃料。

实施例2

如图2所示，一种循环流化床锅炉多污染物协同脱除的燃烧装置，包括：锅炉和尾部烟道；锅炉与尾部烟道相连通；还包括第二给煤机、热解室、半焦活化室、第二旋风分离器和活性焦脱硫脱汞反应塔；

锅炉包括：主燃室1、第一旋风分离器2和返料器3；主燃室1自下而上设有一级氧化脱硫区a、热解气再燃一级脱硝区b＇、半焦再燃二级脱硝区c＇，一级氧化脱硫区a后墙与返料器3的返料口相连通，前墙与第一给煤机4的出料口相连通，底部设有布风板及风室；热解气再燃一级脱硝区b＇前墙设有热解气pg喷口，半焦再燃二级脱硝区c＇前墙设有再燃半焦dsc喷口，热解气pg喷口与再燃半焦dsc喷口均设置在主燃室前墙，且再燃半焦dsc喷口设置在热解气喷口的正上方，二级脱硝区上部与第一旋风分离器2进口相连通；第一旋风分离器2进口与二级脱硝区上部出口相连通，第一旋风分离器上部气相出口与燃尽区d进口相连通，在燃尽区d侧壁设燃尽风喷口，第一旋风分离器下部固相出口与返料器立管进口相连通；返料器下部出料口上部与石灰石cc喷口相连通；

热解室6顶部与第二给煤机5出料口相连通，热解室6前墙上部侧壁与返料器3进料立管的侧壁相连通，热解室6后墙上部侧壁与第二旋风分离器8进口相连通，热解室6后墙下部侧壁与半焦活化室7的侧壁进料口相连通，热解室6底部设有进料流化风室与返料流化风室，热解室6顶部中间位置内侧设有一隔板，通过隔板将热解室分为进料室与出料室，进料室与出料室通过隔板下部的通道相连通。第二旋风分离器8，其顶部气相出口通过管道分别与热解气再燃一级脱硝区前墙热解气pg喷口、热解室进料流化风室与返料流化风室进风管相连通，第二旋风分离器底部固相出口通过阀门与半焦活化室顶部的进料口相连通。

半焦活化室7底部通过管道与活性焦脱硫脱汞反应塔顶部进料口相连通，半焦活化室侧壁通过管道与过热器出口相连通。尾部烟道受热面，包括自上而下布置的过热器9和/或再热器，省煤器10，空气预热器11，空气预热器11热风出口管道分别与炉膛底部一次风管道及主燃室前墙半焦再燃dsc喷口相连通。

活性焦脱硫脱汞反应塔12前墙进口与尾部烟道除尘器出口烟道相连通，活性焦脱硫脱汞反应塔12后墙出口与烟囱进口烟道相连通，活性焦脱硫脱汞反应塔12底部与炉膛半焦再燃dsc喷口相连通。

需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

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