CN111006207A - 一种生物质流化床直燃系统及其脱硝方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物质流化床燃烧领域，并具体公开了一种生物质流化床直燃系统及其脱硝方法，其包括生物质流化床锅炉、旋风分离器、返料反应器、余热锅炉、烟气净化装置和配风装置，生物质流化床锅炉下端设置有第一给料器和排渣管，侧上方设置有脱硝装置；旋风分离器设置在生物质流化床锅炉上端，并与返料反应器相连；返料反应器上端设置有排气管，下端设置有返料管，排气管和返料管均与生物质流化床锅炉连通，返料反应器上还设置有第二给料器；余热锅炉一端与旋风分离器相连，另一端与烟气净化装置相连；配风装置用于给生物质流化床锅炉送风。本发明针对传统生物质燃烧锅炉内脱硝效率低的问题进行了优化，脱硝效率高，同时降低运行了成本。

Description

一种生物质流化床直燃系统及其脱硝方法

技术领域

本发明属于生物质流化床燃烧领域，更具体地，涉及一种生物质流化床直燃系统及其脱硝方法。

背景技术

近年来，生物质能源因其储量丰富、低污染和可再生等特点，逐渐成为研究和利用的热点。生物质直燃发电技术具有燃料适应性好、生产规模大、转化效率高、污染排放少等显著优点，是国内外大规模利用生物质能源的主要途径。尤其是在生物质燃料品质波动大，含水率高时，其他生物质能转化利用技术难以实施的情况下，直接燃烧利用具有较大优势。

目前列入国家能源局生物质示范项目目录的项目，均要求实现超净排放。生物质原料灰份、硫份含量低，较为容易实现尘、硫的超净排放，而很难达标的环节在氮氧化物的处理上。脱硝环节最主流的两种技术是选择性催化还原(SCR)和非选择性催化还原(SNCR)，一般而言选择性催化还原(SCR)效率更高，但因其成本较高，同时在生物质锅炉上采用SCR易造成催化剂中毒甚至失效，还原剂会造成尾部受热面腐蚀以及堵塞等问题无法达到其经济性效益。而采用非选择性催化还原脱硝(SNCR)虽然相对成本低，但对温度窗口要求严格，炉温波动会造成脱硝效率低，无法达到氮氧化物超净排放要求(要求氮氧化物含量小于50mg/Nm³)。

因此，从经济和环保的角度来看，研发低成本高效率的SNCR炉内脱硝系统是生物质燃烧烟气净化技术的发展方向。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种生物质流化床直燃系统及其脱硝方法，其目的在于，将返料反应器和烟气循环系统集成到传统生物质流化床炉内脱硝装置中，提高脱硝反应区温度，从而提高脱硝效率，降低氮氧化物排放量，同时实现烟气循环利用。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提出了一种生物质流化床直燃系统，包括生物质流化床锅炉、旋风分离器、返料反应器、余热锅炉、烟气净化装置和配风装置，其中：

所述生物质流化床锅炉下端设置有第一给料器和排渣管，侧上方设置有脱硝装置；所述旋风分离器设置在所述生物质流化床锅炉上端，并与所述返料反应器相连；所述返料反应器上端设置有排气管，下端设置有返料管，该排气管和返料管均与所述生物质流化床锅炉连通，所述返料反应器上还设置有第二给料器；所述余热锅炉一端与所述旋风分离器相连，另一端与所述烟气净化装置相连；

所述配风装置包括第一风机、一次风管道、第二风机、二次风管道和燃尽风管道，其中，所述第一风机通过所述一次风管道给所述生物质流化床锅炉送风，所述一次风管道出口位于所述生物质流化床锅炉下端；所述第二风机分别通过所述二次风管道和燃尽风管道给所述生物质流化床锅炉送风，所述二次风管道出口位于所述生物质流化床锅炉侧面，所述燃尽风管道出口位置高于所述排气管出口，且低于所述脱硝装置出口。

作为进一步优选的，所述配风装置还包括循环引风机，其与所述烟气净化装置相连。

作为进一步优选的，所述脱硝装置为SNCR脱硝装置，其包括相互连接的尿素储罐、输送泵和双流体喷枪，所述双流体喷枪位于所述生物质流化床锅炉内部。

作为进一步优选的，所述烟气净化装置包括相互连接的脱硫塔和除尘器。

作为进一步优选的，所述燃尽风管道出口高于排气管出口10mm～20mm，且低于所述双流体喷枪口600mm～800mm。

作为进一步优选的，所述返料反应器为底面向下倾斜15°～30°的方体压力容器。

按照本发明的另一方面，提出了一种生物质流化床直燃系统脱硝方法，具体包括如下步骤：

S1部分生物质原料从第一给料器进入生物质流化床锅炉，并在一次风管道送入的一次风和二次风管道送入的二次风作用下燃烧，得到灰渣、烟气和未燃尽的生物质颗粒，其中灰渣通过排渣管排出；

S2未燃尽的生物质颗粒经旋风分离器分离后进入返料反应器，同时另一部分生物质原料从第二给料器进入返料反应器，该生物质原料利用未燃尽的生物质颗粒的热量进行气化反应，产生气化气以及焦炭和灰渣，气化气通过排气管进入生物质流化床锅炉的脱硝装置处，并在燃尽风管道输出的燃尽风作用下燃烧，使脱硝装置处温度上升，焦炭和灰渣从返料管进入生物质流化床锅炉底部继续燃烧；

S3所述S1中产生的烟气经过脱硝装置处进行炉内脱硝，然后依次经过旋风分离器、余热锅炉和烟气净化装置，得到净化烟气，完成生物质流化床直燃系统脱硝。

作为进一步优选的，所述S3中的净化烟气一部分排出，另一部分通过循环引风机后，分别由二次风管道和燃尽风管道送入生物质流化床锅炉。

作为进一步优选的，所述S3中净化烟气的15％～20％进入循环引风机，循环引风机中净化烟气的75％～85％通过二次风管道送入生物质流化床锅炉。

作为进一步优选的，系统空气过量系数为1.1～1.4，一次风比例为50％～65％，二次风比例为20％～35％，燃尽风比例为5～15％。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明针对传统生物质燃烧锅炉内脱硝反应温度低且分布不均匀而导致脱硝效率低的问题进行了优化，将返料反应器集成到生物质流化床炉内脱硝装置中，使脱硝反应区温度到达850℃～1000℃，可实现85％以上的脱硝效率，NO_x排放降低至50mg/Nm³以下，满足超低排放要求。

2.本发明对双流化床燃烧系统进行了优化，保留了其高脱销效率优点的同时，减小了炉膛占地面积，提升了燃烧效率；同时将烟气循环系统集成到生物质流化床炉内脱硝装置中，通过循环引风机实现部分净化烟气循环利用，降低了运行成本。

3.本发明对燃尽风管道出口位置进行设置，具体高于排气管出口10mm～20mm，且低于双流体喷枪口600mm～800mm，增加了可燃气的停留时间，使其充分燃烧放热。

4.本发明中的返料反应器未外加辅热装置，其所需热源由锅炉内的床料持续提供，且其内设置有挡板，一方面增加了返料器内生物质的反应时间，另一方面防止气路发生短路现象，提高稳定性。

5.本发明对系统空气过量系数以及一次风、二次风、燃尽风比例进行限定，以保证生物质原料在低NO_x燃烧氛围充分燃烧。

附图说明

图1为本发明实施例生物质流化床直燃系统示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-第一给料器，2-第一风机，3-排渣管，4-生物质流化床锅炉，5-双流体喷枪，6-输送泵，7-尿素储罐，8-一次风管道，9-二次风管道，10-返料管，11-返料反应器，12-第二给料器，13-排气管，14-燃尽风管道，15-旋风分离器，16-余热锅炉，17-脱硫塔，18-除尘器，19-循环引风机，20-第二风机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供的一种生物质流化床直燃系统，如图1所示，包括生物质流化床锅炉4、旋风分离器15、返料反应器11、余热锅炉16、烟气净化装置和配风装置，其中：

所述生物质流化床锅炉4下端设置有第一给料器1和排渣管3，侧上方设置有脱硝装置，该脱硝装置为SNCR脱硝装置，其包括相互连接的尿素储罐7、输送泵6和双流体喷枪5，所述双流体喷枪5位于所述生物质流化床锅炉4内部；

所述旋风分离器15设置在所述生物质流化床锅炉4上端，并与所述返料反应器11相连；

所述返料反应器11上端设置有排气管13，下端设置有返料管10，该排气管13和返料管10均与所述生物质流化床锅炉4连通，所述返料反应器11上还设置有第二给料器12；进一步的，所述返料反应器11为底面向下倾斜15°～30°的方体压力容器，其内设置有挡板；

所述烟气净化装置包括相连的脱硫塔17和除尘器18，所述余热锅炉16一端与所述旋风分离器15相连，另一端与所述脱硫塔17相连；

所述配风装置包括第一风机2、一次风管道8、第二风机20、二次风管道9、燃尽风管道14和循环引风机19，其中，所述第一风机2通过所述一次风管道8给所述生物质流化床锅炉4送风，所述一次风管道8出口位于所述生物质流化床锅炉4下端；所述第二风机20分别通过所述二次风管道9和燃尽风管道14给所述生物质流化床锅炉4送风，所述二次风管道9出口位于所述生物质流化床锅炉4侧面；所述循环引风机19与所述烟气净化装置相连，且其上连接有烟气循环装置，循环引风机19用于接收所述烟气净化装置排出的净化烟气并传输给烟气循环装置，再从烟气循环装置中抽取部分净化烟气，并分别通过所述二次风管道9和燃尽风管道14送入所述生物质流化床锅炉4，即二次风管道9输出的二次风和燃尽风管道14中输出的燃尽风均为第二风机20送风和净化烟气的混合风；

进一步的，所述燃尽风管道14出口高于排气管13出口10mm～20mm，且低于所述双流体喷枪5口600mm～800mm。

采用上述生物质流化床直燃系统进行脱硝，包括如下步骤：

S1部分生物质原料从第一给料器1进入生物质流化床锅炉4，并在一次风管道8送入的一次风和二次风管道9送入的二次风作用下燃烧，得到灰渣、烟气和未燃尽的生物质颗粒，其中灰渣通过排渣管3排出；

S2未燃尽的生物质颗粒经旋风分离器15分离后进入返料反应器11，同时另一部分生物质原料从第二给料器12进入返料反应器11，在氧气浓度0～5％、1～5KPa的微正压工况下，该生物质原料利用未燃尽的生物质颗粒的热量进行气化反应，产生气化气以及焦炭和灰渣，其中，气化气在正压力作用下通过排气管13进入生物质流化床锅炉4的脱硝装置处，并在燃尽风管道14输出的燃尽风及炉内空气作用下剧烈燃烧，使脱硝装置处温度上升，而焦炭和灰渣从返料管10进入生物质流化床锅炉4底部继续燃烧；

S3所述S1中产生的烟气经过脱硝装置处进行炉内脱硝，然后从生物质流化床锅炉4上部进入旋风分离器15，然后经余热锅炉16回收烟气的热量并产生过热蒸汽，再由烟气净化装置得到净化烟气，完成生物质流化床直燃系统脱硝。

进一步的，该净化烟气中的一部分排向大气，15％～20％通过循环引风机19进入烟气循环装置，抽取烟气循环装置末端出口的净化烟气，其中75％～85％通过二次风管道9送入生物质流化床锅炉4，其余由燃尽风管道14送入生物质流化床锅炉4。

进一步的，工作时，系统空气过量系数为1.1～1.4，所述一次风比例为50％～65％，二次风比例为20％～35％，燃尽风比例为5～15％。

以下为具体实施例：

生物质流化床锅炉4底部床料静高1.2m，取20～40目生物质(秸秆、木片)作为原料一部分从第一给料器1进入生物质流化床锅炉4，在第一风机2的送风下流化和燃烧，燃烧过程中所得灰渣从排渣管3排出，未燃尽的生物质颗粒以及床料仍携带大量热量，经旋风分离器15分离后进入返料反应器11。

另一部分生物质原料从第二给料器12进入返料反应器11中，在氧气浓度0～5％、1～5KPa的微正压工况下，利用上述生物质热颗粒的热量进行气化反应，反应所得气化气(H₂、C_xH_y、CO等)在正压力作用下从排气口13进入锅炉脱硝反应区，在燃尽风和炉内空气的供氧条件下剧烈燃烧，使脱硝反应区温度提升150～200℃，所得焦炭和灰渣从返料管10进入生物质流化床锅炉4底部继续燃烧。

生物质原料燃烧过程中产生的烟气先经过SNCR脱硝装置完成炉内脱硝，后从锅炉上部进入旋风分离器15，最后进入余热锅炉16和烟气净化装置，得到净化的烟气一部分排向大气，还有一部分通过循环引风机19进入烟气循环装置，其中再循环烟气抽取于烟气净化系统的末端出口，抽取率为16％～18％，再循环烟气作为二次风送入比例为82％，氨氮比为0.6～0.8。

SNCR脱硝装置以尿素(含氮量≥46.5)为还原剂(浓度10％～15％)，包括尿素储罐7和双流体喷枪5，双流体喷枪5雾化压力不低于0.3MPa，尽可能保持在0.4～0.6MPa，尿素喷雾进入流化床锅炉后与烟气进行脱硝还原反应，停留时间保持在0.4～0.6秒；在无补燃的工况下，还原反应区温度在650℃～800℃之间，脱硝效率在48％～60％，而本实施例中，由于从返料反应器11中出来的可燃气补燃作用，还原反应区温度可达850℃～1000℃，锅炉正常运行时空气过量系数为1.1～1.4，一次风过量空气系数控制在0.75～0.85，脱硝最佳效率能达到86.5％。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种生物质流化床直燃系统，其特征在于，包括生物质流化床锅炉(4)、旋风分离器(15)、返料反应器(11)、余热锅炉(16)、烟气净化装置和配风装置，其中：

所述生物质流化床锅炉(4)下端设置有第一给料器(1)和排渣管(3)，侧上方设置有脱硝装置；所述旋风分离器(15)设置在所述生物质流化床锅炉(4)上端，并与所述返料反应器(11)相连；所述返料反应器(11)上端设置有排气管(13)，下端设置有返料管(10)，该排气管(13)和返料管(10)均与所述生物质流化床锅炉(4)连通，所述返料反应器(11)上还设置有第二给料器(12)；所述余热锅炉(16)一端与所述旋风分离器(15)相连，另一端与所述烟气净化装置相连；

所述配风装置包括第一风机(2)、一次风管道(8)、第二风机(20)、二次风管道(9)和燃尽风管道(14)，其中，所述第一风机(2)通过所述一次风管道(8)给所述生物质流化床锅炉(4)送风，所述一次风管道(8)出口位于所述生物质流化床锅炉(4)下端；所述第二风机(20)分别通过所述二次风管道(9)和燃尽风管道(14)给所述生物质流化床锅炉(4)送风，所述二次风管道(9)出口位于所述生物质流化床锅炉(4)侧面，所述燃尽风管道(14)出口位置高于所述排气管(13)出口，且低于所述脱硝装置出口。

2.如权利要求1所述的生物质流化床直燃系统，其特征在于，所述配风装置还包括循环引风机(19)，其与所述烟气净化装置相连。

3.如权利要求1所述的生物质流化床直燃系统，其特征在于，所述脱硝装置为SNCR脱硝装置，其包括相互连接的尿素储罐(7)、输送泵(6)和双流体喷枪(5)，所述双流体喷枪(5)位于所述生物质流化床锅炉(4)内部。

4.如权利要求1所述的生物质流化床直燃系统，其特征在于，所述烟气净化装置包括相互连接的脱硫塔(17)和除尘器(18)。

5.如权利要求3所述的生物质流化床直燃系统，其特征在于，所述燃尽风管道(14)出口高于排气管(13)出口10mm～20mm，且低于所述双流体喷枪(5)口600mm～800mm。

6.如权利要求1-5任一项所述的生物质流化床直燃系统，其特征在于，所述返料反应器(11)为底面向下倾斜15°～30°的方体压力容器。

7.一种如权利要求1-6任一项所述的生物质流化床直燃系统的脱硝方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1部分生物质原料从第一给料器(1)进入生物质流化床锅炉(4)，并在一次风管道(8)送入的一次风和二次风管道(9)送入的二次风作用下燃烧，得到灰渣、烟气和未燃尽的生物质颗粒，其中灰渣通过排渣管(3)排出；

S2未燃尽的生物质颗粒经旋风分离器(15)分离后进入返料反应器(11)，同时另一部分生物质原料从第二给料器(12)进入返料反应器(11)，该生物质原料利用未燃尽的生物质颗粒的热量进行气化反应，产生气化气以及焦炭和灰渣，气化气通过排气管(13)进入生物质流化床锅炉(4)的脱硝装置处，并在燃尽风管道(14)输出的燃尽风作用下燃烧，使脱硝装置处温度上升，焦炭和灰渣从返料管(10)进入生物质流化床锅炉(4)底部继续燃烧；

S3所述S1中产生的烟气经过脱硝装置处进行炉内脱硝，然后依次经过旋风分离器(15)、余热锅炉(16)和烟气净化装置，得到净化烟气，完成生物质流化床直燃系统脱硝。

8.如权利要求7所述的生物质流化床直燃系统的脱硝方法，其特征在于，所述S3中的净化烟气一部分排出，另一部分通过循环引风机(19)后，分别由二次风管道(9)和燃尽风管道(14)送入生物质流化床锅炉(4)。

9.如权利要求8所述的生物质流化床直燃系统的脱硝方法，其特征在于，所述S3中净化烟气的15％～20％进入循环引风机(19)，循环引风机(19)中净化烟气的75％～85％通过二次风管道(9)送入生物质流化床锅炉(4)。

10.如权利要求7所述的生物质流化床直燃系统的脱硝方法，其特征在于，系统脱硝时，空气过量系数为1.1～1.4，一次风比例为50％～65％，二次风比例为20％～35％，燃尽风比例为5～15％。

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