解耦循環流化床燃燒系統及其脫硫與脫硝方法
2023-06-21 08:14:11 2
專利名稱：解耦循環流化床燃燒系統及其脫硫與脫硝方法
技術領域：
本發明是關於流化床固體燃料燃燒和設備技術，特別是關於循環流化床燃燒系統(CFBC)中氧化脫硫與還原脫硝的方法。
循環流化床燃燒被認為是實現潔淨燃煤的最佳方式，已被廣泛應用於煤、生物質及廢棄物的燃燒，由於循環床可以實現低溫燃燒，並具有良好的傳熱傳質和混合性能，所以在脫硫脫硝和燃燒效率方面都頗具優勢，得到世界各國的廣泛重視，發展前景廣闊，然而目前的循環流化床燃燒存在以下幾方面的問題1.脫硫和脫硝同時同地進行，然而，很多條件對這兩過程的影響是相反的，因而無法分別使兩過程達到最佳，只能兩者適當兼顧，嚴重影響脫硫和脫硝效果。
2.煤和脫硫劑都供到床內氧氣濃度和溫度最高的區域，迅速升溫，乾餾和燃燒同時進行，抑制了對脫硝有利的還原物質的生成，增加了氮氧化物的排放。
3.儘管低溫燃燒降低了NO和SO2的排放，但卻增加了N2O的排放。
為同時降低NOx和SO2的排放，很多學者做了一些針對性的工作，比如分級燃燒，即氧氣並不一次供入床內，而是在床高某一位置設置二次風入口，甚至三次風入口，這樣可以在循環床下部造成缺氧狀況，有利於降低NOx排放[①Khan，W.U.Z. and Gibbs，S.M. (1991) Proc. of the 11th Int.Conf. onFBC，Montreal，p. 1503；②Volk，M. et al. (1989)，Proc. ofthe 10th Int. Conf. on FBC，San Francisco，p. 995；③Nack，H. et al.(1980)，Proc. of the 6th Int. Conf. on FBC，Atlanta，p. 979]，然而，這種設計對脫硫是不利的。另一方面是所謂的內循環流化床，通過內構件和供風方式使某一區域缺氧，另一區域富氧，以此降低NOx的排放[④Hirota，T. et al. (1990)，Proc. of the 3rd Int. Conf. on CFB，Nagoya，p. 491]。最有意義的是Lin等人提出在煤進入流化床燃燒前，先在另一流化床中氣化，氣化生成的半焦進入流化床中燃燒，而氣化生成的氣態物質送入燃燒流化床中促進脫硝過程並燃盡。對於循環床，他們則提出將煤、脫硫劑和高溫灰在另一流化床中混合併氣化[⑤Lin，Weigang (1994)，Ph. D. thesis，Delft University of Technology，p. 195]。並在循環床中仍用分級供風的方式。然而，這些思想仍然不能解決脫硫和脫硝矛盾(脫硫劑和煤同時加入)以及乾餾和燃燒徹底分離(煤加熱時有空氣存在)的問題，實現起來也比較困難。比如分級燃燒只能降低NOx的排放，但由於無法使煤在隔絕空氣的條件下乾餾，又無法使脫硫過程中有充足的氧氣供應，所以脫硫和脫硝都無法達到最佳條件。Lin等人的思想儘管能促進還原性氣體的形成，對脫硝有利，但是由於氣化時仍有氧氣供應，無法使煤隔絕空氣乾餾，並且脫硫劑和煤同時同地加入，無法造成適合於脫硫和脫硝的脫硫劑、燃料和空氣最佳配置。對於N2O的控制，有人提出採用爐後煤氣燃燒(gas afterburnig)和N2O的固體催化分解[⑥Jan Remmert Pels(1995)，Ph. D. thesis，DelftUniversity of Technology，p. 270]，例如為了消除N2O，有專利報導在產生等離子體的兩電極間放置沸石催化劑，N2O可有效地分解成N2和O2；用ArF雷射束輻射來分解N2O，可減少90％(從50到5ppm)；用UV燈結合光化學催化使N2O分解成N2和O2，還有人設想採用輻射引發分解技術(radiation-initiated techniques)來除去廢氣中的NOx/N2O/SOx，但是這些技術費用過高，難於發展和應用。
李等人為解決小型燃煤設備中NOx和煙塵排放問題，發明了一種使煤在隔絕空氣的條件下逐漸升溫乾餾，然後在底部供氧燃燒的技術，而乾餾產物中的含還原物質的揮發分則與半焦燃燒產生的NOx反應，達到抑制NOx目的[⑦李靜海等，中國專利申請號-95102081.1]。這一技術經實驗證明可有效地降低NOx的排放，並已有產品出售。這種通過從頂部加煤使乾餾和燃燒分離的方法，增加固體物料循環的新工藝後，可以進一步推廣應用於循環流化床。
本發明的目的在於提供一種解耦循環流化床煤燃燒裝置及其同時脫硫與脫硝的方法。其中通過將煤加入乾餾區，而將脫硫劑加入半焦燃燒區，使煤隔絕空氣在低脫硫劑濃度下，逐漸升溫乾餾，產生儘可能多的還原性物質，引入燃燒區上部脫硝，而保證半焦燃燒區內有充足的氧氣和高的脫硫劑濃度，達到解決脫硫和脫硝矛盾、分別對這兩過程進行優化的目的。
本發明提供了一種氧化脫硫與還原脫硝的「解耦循環流化床煤燃燒系統」(CFBC)。
本發明還提供了一種「解耦循環流化床煤燃燒系統」的氧化脫硫與還原脫硝的新構思及具體工藝方法。
本發明解耦循環流化床煤燃燒系統及其脫硫脫硝工藝方法的主要發明點如下1.過程解耦通過將煤的乾餾和半焦燃燒解耦，促使煤中的一部分氮元素以還原性氣體析出，這些還原氣體與半焦燃燒形成的氮氧化物反應，達到脫硝的目的。
2.異處供料通過將煤和脫硫劑分別加入乾餾區和燃燒區，實現了氧化氣氛和高脫硫劑濃度下脫硫，而還原氣氛和低脫硫劑濃度下脫硝的最佳操作。另外，煤加入乾餾區，升溫速度慢，乾餾產物在燃燒區中部燃燒，使溫度升高，有利於降低N2O的排放。
3.分區脫硫和脫硝通過異處供料和過程解耦，使脫硫和脫硝在異處進行，使這兩個矛盾的過程可以分別調整到各自的有利條件，實現了最佳的燃料、脫硫劑、溫度水平和空氣配置。
本發明的基本構思是煤中含有C，H，N，S等多種元素和灰分，在煤加熱過程中，可產生一部分氣態物質，主要包括NH3，H2，CH4，HCN，H2S，NOx等，如加熱過程中有氧氣存在，則析出的還原性氣體減少。煤中的S和N除在揮發物中析出外，還有一部分在半焦燃燒過程中形成SO2和NOx。脫硫主要靠加脫硫劑(如CaO)，充足的空氣過剩係數、良好的脫硫劑活性及高的脫硫劑濃度對降低燃燒過程中形成的SO2有利。但溫度對脫硫的影響則表現為有一最佳值(一般800℃-900℃時脫硫效果較好，最佳為850℃)。脫硝可以通過其與還原性物質的反應來實現，但目前大多是靠調整燃燒工況來控制NOx的排放，一般來說，氧氣濃度越低越有利於還原性氣體的產生，有利於控制NOx的形成，燃燒溫度越低則NOx排放越少，脫硫劑的存在對NOx的排放有不良影響，因此脫硫和脫硝是矛盾的。本發明是將脫硫和脫硝兩種過程分開進行，分別對兩過程達到優化控制。
此外，煤加熱過程中並不需要氧氣，如果煤升溫乾餾和燃燒同時同地進行，由於有氧氣存在，並在高溫下快速升溫，只能起到抑制還原物質生成而增加NOx和N2O排放的副作用。因此，本發明是將乾餾和燃燒分別進行，實現了最佳的氧氣供應，並促進還原物質的生成，降低NOx和N2O的排放。
下面將結合附圖對本發明內容做進一步描述。
圖1是本發明解耦循環流化床煤燃燒系統及各結構部分的功能構思簡圖。該圖說明本發明CFBC是由燃燒室(區)、乾餾室(區)及氣體/固體分離裝置三部分組成。這樣使乾餾和燃燒分離解耦，使脫硫和脫硝均可優化控制。
圖2是本發明脫硫脫硝機理及基本工藝方法圖示。圖中指出了本發明乾餾區和燃燒區中可能發生的主要化學反應，即在乾餾區所產生的H2S與高溫灰中CaO反應形成CaS而被除去，在燃燒室脫硫區所產生的SO2與供入的脫硫劑(CaO)在氧化氣氛下生成CaSO4被除去；從乾餾室來的還原氣體NH3以及從燃燒室脫硫區產生的NOx和N2O在燃燒室的上部脫硝區反應而脫硝，排出N2、煙氣及少量NOx、N2O和SO2。
圖3是本發明解耦循環流化床煤燃燒系統的一優選實施例及其氧化脫硫和還原脫硝的工藝方法。
圖4是本發明解耦循環流化床煤燃燒系統的另一較佳實施例及其氧化脫硫和還原脫硝的具體工藝方法。
根據上述發明構思，本發明提出了如下一種CFBC及結構特徵、脫硫脫硝的工藝方法，如圖1所示，整個CFBC系統由燃燒室，乾餾室和氣固分離裝置三部分組成。燃燒室上部為脫硝區，下部為脫硫區，兩區的分界可根據煤種、操作條件等調整。新鮮煤供入乾餾區與從氣固分離裝置返回來的高溫灰在無氧氣存在的條件下混合升溫，高溫灰的溫度一般保持在850℃～900℃之間，高溫灰的流率一般是新鮮煤的10～15倍以上，以確保煤溫達到800℃使揮發物大部分可析出，由於煤升溫速度慢，所以有利於抑制N2O的生成。乾餾產生的半焦進入燃燒區與底部供入的空氣相遇燃燒。脫硫劑在燃燒區底部供入以保證脫硫區的脫硫劑濃度最高，由於燃燒區底部脫硫劑濃度最高，活性最好，氧氣濃度也最高，所以滿足脫硫的最佳條件。在燃燒區上部的脫硝區半焦燃燒生成的NOx與來自乾餾區的還原性氣體反應被還原為N2，這裡氧氣濃度很低並且可燃揮發份中含有的H2、CO等也有利於這一反應的進行，可燃揮發份則與剩餘氧氣相遇燃燒，使這一區域溫度升高，有利於N2O的降低。在乾餾區中產生的H2S與高溫灰中的脫硫劑CaO反應生成CaS，煙氣夾帶高溫灰進入氣固分離裝置實現氣固分離。由於乾餾區和燃燒區下部的有效脫硫和乾餾產生的還原氣體在燃燒區上部的脫硝，排出煙氣中NOx、N2O和SO2的含量很低。
實驗證明，此種結構可使乾餾和燃燒分離進行，最大限度地利用煤乾餾過程中生成的還原性物質脫硝，燃燒區內密相段脫硫，稀相段脫硝，兩過程互不影響。使脫硫區過剩空氣係數達到最大，溫度不受脫硝牽制，可調整到脫硫最佳溫度。脫硝區過剩空氣係數可很低，還原性物質濃度很高，脫硫劑濃度降低，溫度可以根據脫硝要求調整。本發明解決了循環床中脫硝和脫硫矛盾的問題，可歸納如下
實施例圖3是本發明解耦循環流化床燃燒系統一較佳實施例，用以對本發明內容作進一步描述，從該圖可看出，循環床中被煙氣夾帶的高溫灰經旋風除塵器(1)分離後落入料腿(2)中，在鬆動氣(3)(水蒸汽或再循環煙氣)的作用下，經料封(4)進入循環流化床乾餾區(5)的頂部與從料鬥(6)供入的新鮮煤相遇並在重力作用下下降並混合逐漸升溫乾餾，乾餾區(5)內設置擋板(7)來促進新鮮煤和高溫灰的混合併增加停留時間，保證煤可以升溫乾餾，由於升溫速度慢，所以有利於抑制N2O的生成。乾餾產生的H2S被高溫灰中的CaO吸收生成CaS，乾餾產生的半焦和灰落入循環床底部密相燃燒區(11)與經布風板(9)供入的空氣相遇燃燒，並在供入的脫硫劑(12)作用下脫硫，由於這個區域Ca/S高，氧氣濃度高，所以有利於脫硫過程。乾餾區(5)中隔絕空氣，所以在產生的可燃氣體中含有大量還原性物質NH3，這些氣體經位置可調的通道(8)被引入循環床上部稀相燃燒區(13)，可燃物與剩餘氧相遇燃燒，NH3則與下部半焦燃燒形成的NOx反應達到脫硝的目的，由於這裡處在脫硫區和半焦燃燒下遊，所以Ca/S和氧氣濃度都較低，有利於脫硝過程，並且由於揮發份的燃燒，這一區域溫度升高，有利於控制N2O的排放，因此實現了氧化脫硫和還原脫硝的最佳條件，脫硝區的溫度可通過換熱器(14)調整到合適的溫度，燃燒廢氣夾帶高溫灰進入旋風除塵器(1)分離。部分灰和CaSO4從底部排灰口(10)排出。排出旋風除塵器的煙氣中SO2和NOx以及N2O的濃度很低，實現了脫硝和脫硫的最優化。
圖4為另一實施例。循環床中被煙氣夾帶的高溫灰經旋風除塵器(1)分離後落入料腿(2)中，在鬆動氣(3)的作用下經料封(4)並與供料鬥(6)加入的新鮮煤一起落入乾餾流化床(5)中，在少量循環煙氣的流化下新鮮煤被高溫灰加熱乾餾，乾餾產生的H2S被CaO吸收，而半焦則進入燃燒區(11)與經布風板(9)供入的空氣相遇燃燒，並在脫硫劑供入口(12)供入的脫硫劑作用下脫硫，由於這個區域Ca/S高，氧氣濃度高，所以有利於脫硫過程。乾餾區(5)中隔絕空氣，所以在產生的可燃氣體中含有大量還原性物質NH3，這些氣體被引入循環床上部稀相燃燒區(13)，可燃物與剩餘氧相遇燃燒，NH3則與下部半焦燃燒形成的NOx反應達到脫硝的目的，由於這裡處在脫硫區和半焦燃燒下遊，所以Ca/S和氧氣濃度都較低，有利於脫硝過程，揮發份燃燒後這裡溫度升高，有利N2O的分解，煤在乾餾區升溫速度較慢，也有利於降低N2O的排放。因此實現了氧化脫硫和還原脫硝的最佳條件，脫硝區的溫度可通過換熱器(14)調整到合適的溫度，燃燒廢氣夾帶高溫灰進入旋風除塵器(1)分離。部分灰和CaSO4從底部排灰口(10)排出。排出旋風除塵器的煙氣中SO2和NOx以及N2O的濃度很低，實現了脫硝和脫硫的最優化。圖4不同於圖3之處僅在於乾餾區未裝設擋板、增設乾餾區與燃燒區相連接的下部通道(16)以及增設另一進氣口(15)。
權利要求
1.一種解耦循環流化床煤燃燒系統，其特徵在於(1)該系統是由燃燒室(區)、乾餾室(區)及氣體/固體分離裝置三部分組成，燃燒室的上部為稀相段脫硝區，下部為密相段脫硫區，乾餾區產生的乾餾氣體被引入燃燒室上部，而產生的半焦則進入燃燒室下部；(2)分別將煤供入乾餾室和將脫硫劑(CaO)供入燃燒室底部，使煤的乾餾和半焦燃燒解耦，使煤乾餾過程形成的還原氣體NH3與半焦燃燒形成的氮氧化物NOx反應被還原成N2而脫硝，並使半焦在氧化氣氛下燃燒形成的SO2與高濃度脫硫劑CaO於適當溫度下進行反應形成CaSO4而脫硫；(3)供入乾餾區的新鮮煤與來自氣/固分離裝置的高溫灰在無氧條件下混合升溫，升溫速度較慢，有利於降低N2O的排放，高溫灰的溫度一般保持在850-900℃之間，高溫灰的流率一般是新鮮煤的10～15倍以上，以確保煤溫達到800℃左右，使大部分揮發物及所含有的NH3、HCN析出；(4)乾餾室中產生的H2S與高溫灰中脫硫劑CaO反應生成CaS。
2.按照權利要求1所述的解耦循環流化床煤燃燒系統，其特徵在於在乾餾室頂部設有新鮮煤供料口，在燃燒室底端設有供氣口和底部設有供入空氣的布風板，燃燒室下部脫硫區設有脫硫劑供入口和排灰口，燃燒室的脫硫區和脫硝區都可設有一定面積的不同形式的換熱器，氣體/固體分離裝置的上面設有排氣口，下面設有水蒸汽(或循環煙氣)進入口，下部設有分離物高溫灰落入的料腿，料腿下面為一料封驅使高溫灰進入乾餾區，所說的氣/固分離裝置可以是各種形式的分離器。
3.按照權利要求1或2所述解耦循環流化床燃燒系統，其特徵在於各部分結構連接、功能及操作方法循環床中被煙氣夾帶的高溫灰經氣/固分離裝置分離後落入料腿中，在自下供入的水蒸汽(或循環煙氣)的作用下經料封進入循環流化床乾餾區頂部與這裡供入的新鮮煤相遇並在重力作用下下降，同時混合逐漸升溫乾餾；乾餾區藉助於檔板來促進新鮮煤和高溫灰混合併增加停留時間以利於煤的高溫乾餾，由於升溫速度較慢，有利於抑制N2O的生成，乾餾產生的H2S被CaO吸收，而半焦和灰落入循環床底部密相燃燒區與經分布板供入的空氣相遇燃燒，並在供入的脫硫劑作用下脫硫；乾餾區產生的可燃氣體及含有的大量還原物NH3從循環床中部引入循環床頂部稀相區，可燃物與剩餘氧相遇燃燒，NH3則與下部半焦燃燒形成的NOx反應形成N2而脫硝；揮發份的燃燒使溫度升高，有利N2O的分解，脫硝區的溫度是通過換熱器來調節的。
4.按照權利要求1或2所述的解耦循環流化床煤燃燒系統，其特徵在於優選實施例包括如下部分和部件旋風除塵器1、料腿2、水蒸汽(循環煙氣)入口3、料封4、乾餾區5、新鮮煤供料鬥6、擋板7、通道8、布風板9、排灰口10、下部密相燃燒區11、脫硫劑供入口12、上部稀相燃燒區13、換熱器14，它們的連接關係和作用如下在循環床中被煙氣夾帶的高溫灰經旋風除塵器1分離後落入料腿2，在水蒸汽作用下經料封4進入乾餾區5，乾餾區設置的擋板7可增加新鮮煤和高溫灰的停留時間與混合，乾餾區5產生的半焦和高溫灰落入循環床底部的燃燒區11，與經布風板9供入的空氣相遇燃燒並在脫硫劑作用下脫硫，乾餾區5所產生的可燃氣體和還原物質NH3經通道8進入循環床上部的燃燒區13，再燃燒、反應而脫硝，換熱器14是用於調節脫硝區的溫度使脫硫和脫硝的條件達到優化。
5.按照權利要求4所述的解耦循環流化床煤燃燒系統，其特徵在於另一較佳實施例的煤乾餾區內由於鼓泡床構成而不裝設擋板，增加乾餾區與燃燒區相連接的下部通道16以及增設另一進氣口15。
全文摘要
本發明涉及流化床固體燃料燃燒系統,它將循環床中的煤燃燒分為隔絕空氣乾餾和半焦燃燒兩個步驟,以解決脫硫和脫硝的矛盾。原煤供入乾餾區,脫硫劑加入半焦燃燒區,用分離器返回的含有一定脫硫劑的高溫灰來加熱原煤。原煤乾餾過程中釋放的含硫氣體被脫硫劑捕捉,乾餾產生的半焦進入燃燒區下部脫硫區,半焦燃燒生成的NOx與乾餾產生的還原氣體在燃燒區上部反應而脫硝。該系統設備簡單,脫硫脫硝更加有效,造價較低,易於推廣應用。
文檔編號B01D53/60GK1203117SQ9711256
公開日1998年12月30日 申請日期1997年6月25日 優先權日1997年6月25日
發明者李靜海, 郭慕孫, 白蘊茹, 宋文立, 朱慶山, 姚建中, 楊勵丹, 萬興中 申請人:中國科學院化工冶金研究所