一種爐內脫硝的方法及裝置與流程
2024-04-03 14:11:05
本發明涉及一種水煤漿脫硝的方法與設備，尤其是一種爐內脫硝的水煤漿製漿及燃燒系統集成處理方法與設備，屬於水煤漿燃燒技術領域。
背景技術：
水煤漿是70年代興起的一種低汙染、高效率、可管道輸送的代油煤基流體燃料。是由65%左右的煤、34%左右的水和1%左右的化學添加劑，經過一定的工藝流程加工而成，其灰分及含硫量低，燃燒時火焰中心溫度較低，燃燒效率高，煙塵、SO2及NOX排放量都低於燃油和燃煤。目前水煤漿技術已被列為我國能源發展重點推廣技術，也是煤炭工業潔淨煤技術優先發展重點技術之一。
水煤漿在鍋爐的燃燒過程中還是會產生大量的NOX等汙染氣體,如果不加以處理直接排放，則會轉化為PM2.5，嚴重汙染環境，因此必須對水煤漿的加以脫硝處理。
幹法脫硝技術是目前工業研究、應用的主流和發展方向。幹法脫硝是指在氣相中利用還原劑或高能電子束、微波等手段，將NOx還原成對環境無毒害作用的N2或轉化為硝酸鹽再回收利用。幹法脫硝技術包括選擇性催化還原法（SCR）、非選擇性催化還原法（SCNR）、SCR-SNCR混合脫硝法等。
幹法脫硝技術包括選擇性催化還原法（SCR）工藝是目前商業應用最為廣泛的煙氣脫硝技術，由美國Eegelhard公司開發。該方法是利用NH3為還原劑，將NOx還原成N2。NH3有選擇性，它只和NO發生反應，而不與煙氣中的氧進行反應，NH3與NO的最佳反應溫度範圍為900~1000℃，採用催化劑後，可將溫度控制在300~400℃，適合於鍋爐省煤器和空氣預熱器間的煙氣範圍，需加催化劑。
非選擇性催化還原法（SCNR）脫硝工藝是將含有 NHx基的還原劑（如氨氣、氨水或者尿素等）噴入爐膛溫度為 900～1100 ℃的區域，還原劑通過安裝在屏式過熱器區域的噴槍噴入，該還原劑迅速熱分解成 NH3和其它副產物，隨後 NH3與煙氣中的NOx進行 SNCR 反應而生成 N2和 H2O。SNCR 是當前NOx治理中廣泛採用且具有前途的爐內脫硝技術 之一。
SNCR-SCR 混合脫硝工藝發揮了 SNCR 工藝投資省、SCR 工藝脫硝效率高的優勢，將 SNCR 工藝的還原劑噴入爐膛技術與 SCR 工藝利用逃逸氨進行催化反應結合起來，進一步脫除 NOx。混合脫硝工藝以尿素作為吸收劑，是爐內一種特殊的 SNCR工藝與一種簡潔的後端 SCR 脫硝反應器有效結合。
但是上述技術中，煙氣還原脫除NOx雖然效果明顯，但是設備投資和運行費用大，目前還不能廣泛推廣和使用。低NOx燃燒器可以使NOx排放量降低60%，但同時可能造成燃燒效率下降、爐膛結渣和高溫腐蝕。低過量空氣係數雖然對燃料型NOx和熱力型NOx有影響，但過量空氣係數太低會增加化學和機械不完全熱損失；過量空氣係數過大又會帶來還原不利的結果；空氣分級技術存在燃燒效率低和富燃區的結渣以及腐蝕問題；濃淡偏差和煙氣再循環獲得的NOx降低效率不高。爐內噴入氨水、尿素還原劑的SNCR技術，設備投資大，10噸/小時水煤漿鍋爐，設備投資報價110萬元，幾乎佔鍋爐裝備總投資的三分之一強。脫硝型水煤漿，沒有相應的燃燒裝備及其調控技術配套，爐內脫硝還原反應不能達到理想狀態，脫硫效率、燃燒效率與燃盡率難以保證。因此仍有待進一步加以改進。
通過國內專利檢索尚未發現有與本發明相同技術方案的專利文獻報導，與本發明最為接近的相關專利，主要有如下幾個：
1、專利申請號為CN201110405258.6，專利名稱為「水煤漿懸浮流化脫硫、脫硝燃燒工藝」的發明專利公開了一種水煤漿燃料脫硫、脫硝工藝，包括以下步驟：水煤漿的預處理，向水煤漿中加入脫硝劑；平鋪床料媒體於布風板上，床料媒體包括石英砂，其厚度為300-500mm；將步驟一所述水煤漿注入播灑器，同時還向播灑器中注入液態的脫硫劑，水煤漿和脫硫劑在播灑器中混合後，由播灑器均勻播灑到燃燒室；來自高壓風機的一次風在點火啟動時，由點火器加熱成熱煙氣；所述熱煙氣將床料加熱到400-500℃，並通過布風板將床料媒體和步驟三所述水煤漿播灑形成的顆粒團向上吹起，形成流化狀態；播灑到床料媒體上的水煤漿的顆粒團在流化狀態床料媒體的加熱下迅速析出水分，從而著火燃燒，其燃燒溫度達到900-1000℃，此發明對水煤漿進行預處理，加入脫硝劑，實現良好的脫硝效果，脫硝率高達60%，在水煤漿播灑的同時，加入液態的脫硫劑，實現良好的脫硫效果，脫硫率高達70%。
2、專利申請號為CN201210534303.2，專利名稱為「水煤漿懸浮流化高效脫硫脫硝除塵複合工藝」的發明專利公開了一種水煤漿懸浮流化高效脫硫脫硝除塵複合工藝，包括以下步驟：步驟1，預處理，在燃料煤磨煤洗選過程中加入脫硫劑，將處理過的燃料煤製成水煤漿，在製漿過程中加入脫硝劑並攪拌均勻；步驟2，燃燒，將處理過的水煤漿通過供漿裝置輸送至鍋爐的燃燒室，並播撒進行燃燒，燃燒室內的溫度控制在900-1000℃；步驟3，煙氣處理，將燃燒產生的煙氣送入高能電極脫硫除塵設備，該高能電極脫硫除塵設備內設有高壓靜電電源和電源電極，從而形成能夠積聚煙氣中微小顆粒和電離氧分子的電暈磁場，此方案是在水煤漿製作、懸浮流化燃燒、尾氣處理等過程綜合處理煙塵、SO2和NOx等汙染物。
3、專利申請號為CN201210387330.1，專利名稱為「燃水煤漿液態排渣旋風爐分級配風及再燃低NOx的方法」的發明專利公開了一種低NOx燃燒技術，提供一種燃水煤漿液態排渣旋風爐分級配風及再燃低NOx的方法。是在圓柱狀的爐體的頂端設燃燒器，燃燒器的主體具有中空的預燃區；在預燃區上方設水煤漿入口和一次風入口，燃燒器壁上設二次風噴口；爐體內的爐膛從上至下分為主燃區、再燃區和燃盡區，在主燃區設上切向二次風噴口和下切向二次風噴口，再燃區設再燃燃料噴口，燃盡區設燃盡風噴口；燃燒形成的煙氣自爐膛底部側面的煙氣出口排出，燃燒產生的液態渣自爐膛底部的出渣口排出。本發明通過選用液態排渣旋風爐，以及在燃燒過程中運行分級配風及再燃技術，降低60%的NOx排放；各配風噴口的設置，使水煤漿的燃燒能以最簡單和最經濟的方式進行。
以上專利雖提出了水煤漿燃燒時脫硝的一些方法，但依然存在設備投資和運行費用大，燃燒效率下降、爐膛結渣和高溫腐蝕等問題；且沒有相應的燃燒裝備及其調控技術配套，爐內脫硝還原反應不能達到理想狀態，脫硫效率、燃燒效率與燃盡率難以保證，目前還不能廣泛推廣和使用。
技術實現要素：
本發明的一個目的是針對當前水煤漿脫硝處理中所存在的問題，提供一種爐內SNCR脫硝的方法，該方法可以實現水煤漿的高效低成本脫硝。
本發明的另一個目的是提供一種爐內脫硝的水煤漿製漿及燃燒系統集成設備，直接實現水煤漿的高效低成本脫硝。
實現本發明技術的方案是：一種爐內脫硝的方法，採取水煤漿製漿及燃燒系統集成的實現爐內脫硝；在現有水煤漿製漿添加分散劑、穩定劑的工藝基礎上，添加脫硝還原劑，製成含脫硝還原劑的水煤漿燃料；然後將該水煤漿燃料噴入主燃燒室爐膛的水煤漿鍋爐燃燒，且通過系統調節控制爐膛燃燒溫度，穩定在較佳還原反應溫度範圍及控制煙氣含氧量，實現水煤漿的高效低成本爐內SNCR脫硝。
進一步地，所述的水煤漿燃料的成分配比如下：
1）含脫硫脫灰煤58-70%
2）分散劑與穩定劑為0.5-1%
3）脫硝還原劑1-10%
4）水19-40.5%。
進一步地，所述的製成含脫硝還原劑的水煤漿燃料是採用濃度為30-50%尿素溶液和/或高濃度氨氮廢水作為脫硝還原劑，與含脫硫脫灰煤、分散劑、穩定劑和水一起調製成水煤漿燃料。
進一步地，所述高濃度氨氮廢水在整個水煤漿中的佔比為8%-10%；餘量用水，或用通過經濟手段獲得的低濃度氨氮廢水替代。
進一步地，所述分散劑陰離子型或非離子型分散劑；所述穩定劑為無機鹽、高分子有機化合物，兩者按照任意比例混合。
進一步地，所述將該水煤漿燃料噴入主燃燒室爐膛的水煤漿鍋爐燃燒是指設備運行時，啟動副燃燒器，將含脫硝還原劑的水煤漿噴入副燃燒室，連續運行後，啟動主燃燒器，將含脫硝還原劑的水煤漿用配置在主燃燒室的軸向旋流主燃燒器噴入瘦長型主燃燒室爐膛的水煤漿鍋爐燃燒。
進一步地，所述設備運行時，啟動副燃燒器，是指先在副燃燒室放入幹木材5-8kg，點火燃燒，待副燃燒室溫度上升至水煤漿可燃的溫度，啟動副燃燒器；所述連續運行時間是20-30分鐘。
進一步地，所述爐膛燃燒溫度與煙氣含氧量調控技術是採用調整引風機風量、副燃燒室燃料比例、二次風比例來實現；所述較佳還原反應溫度範圍是900℃-1100 ℃。
一種爐內脫硝的裝置，為水煤漿製漿及燃燒系統集成設備，包括水煤漿燃燒鍋爐，水煤漿燃燒鍋爐採用主、副燃燒室設計，分別配置軸向旋流主燃燒器與副燃燒器；主燃燒室尾部設置有擋火牆，下方設置有風門，後上方通過管道連接除塵器，通過與除塵器連接的引風機將燃燒後的菸灰排出；軸向旋流主燃燒器與副燃燒器分別以管道通過螺杆泵與水煤漿罐連接，同時，軸向旋流主燃燒器與副燃燒器在其水煤漿入口處分別通過管道與空壓機連接。
進一步地，所述主燃燒室爐膛採用瘦長型結構形式，可增大高溫煙氣爐膛停留時間，實現高效低成本爐內SNCR脫硝；所述主燃燒室爐膛長寬高尺寸比例關係3-10：1:2-8，該比例大小具體根據鍋爐負荷大小來確定。
進一步地，所述擋火牆的高度為主燃燒器軸線的上下0.5-2.5m範圍之內。
進一步地，所述軸向旋流主燃燒器位於主燃燒室頭部側上方，副燃燒室位於側下方，副燃燒器在副燃燒室側面；所述主、副燃燒器軸線方向互相垂直，副燃燒室是主燃燒室空間的1/3-1/8。
脫硝原理如下：
煤熱解後產生HCN、NH3等氮化合物，氮化合物與氧氣反應生成NO，NOx主要包括95%左右的NO和5%左右的NO2。因此，控制NOx的排放主要是控制NO的排放。在氮化合物的作用下，NO又會被還原為N2，其總包反應式如下：
HCN/NH3 + O2 → NO + ...
NO + HCN/NH3 → N2 + ...
本發明的有益效果是：
1、此方法和設備可綜合利用高濃度氨氮廢水，實現其資源化利用，同時實現水煤漿燃燒的高效低成本脫硝，是一種先進、實用技術與裝備，具有廣闊的市場應用前景。
2、系統運行時不需要其他輔助設備如去離子水制水設備等，爐膛不產生結焦現象
3、無需增加專門的脫硝工序，可以實現理想的脫硝效果，脫硝率高達60%以上。
附圖說明
圖1為本發明的爐內脫硝的水煤漿製漿及燃燒系統集成方法與設備示意圖；
其中：1、水煤漿罐；2、螺杆泵；3、空壓機；4、軸向旋流主燃燒器；5、副燃燒器；6、副燃燒室；7、主燃燒室；8、風門；9、燃燒室擋火牆；10、除塵器；11、引風機。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明進一步說明。
實施例一：
從附圖1可以看出，本發明涉及了一種爐內脫硝的水煤漿製漿及燃燒系統集成設備，包括水煤漿燃燒鍋爐，水煤漿燃燒鍋爐分為主燃燒室7和副燃燒室6；其中，主燃燒室7頭部的側上方配置有軸向旋流主燃燒器4，側下方為副燃燒室6，副燃燒室6側面配置有副燃燒器5，且軸向旋流主燃燒器4與副燃燒器5在軸線方向互相垂直；軸向旋流主燃燒器4與副燃燒器5分別以管道通過螺杆泵2與水煤漿罐1連接，同時，軸向旋流主燃燒器4與副燃燒器5在其水煤漿入口處分別通過管道與空壓機3連接；主燃燒室7下方有風門8，尾部有擋火牆9，後上方通過管道連接除塵器10，通過與除塵器10連接的引風機11將燃燒後的菸灰排出。
所述主燃燒室7長寬高尺寸比例關係3：1:2；副燃燒室6空間為主燃燒室7的1/3；擋火牆的高度為為主燃燒器軸線的上下0.5-2.5m範圍之內。
原料比例按脫硫脫灰煤58%、分散劑與穩定劑為0.5%、高濃度氨氮廢水10-20%、水30-40%、脫硝還原劑1-5%。
分散劑採用萘磺酸鹽、木質素磺酸鹽、磺化腐值酸鹽任意一種；穩定劑採用聚丙烯醯胺絮凝劑或羧甲基纖維素，兩者按照任意比例混合。
脫硝還原劑為高濃度氨氮廢水，廢水中氨氮含量在500mg/l以上。
具體操作流程如下：
根據傳統工藝製成含脫硝還原劑水煤漿存於水煤漿罐1中；在副燃燒室6放入幹木材5kg，點火燃燒，待副燃燒室6溫度上升至水煤漿可燃的溫度（600-800oC左右），啟動副燃燒器5，將含脫硝還原劑的水煤漿用燃燒器5噴入副燃燒室6，連續運行20分鐘，啟動主燃燒器4，將含脫硝還原劑的水煤漿用軸向旋流燃燒器4霧化噴入瘦長型主燃燒室7爐膛的水煤漿鍋爐燃燒，通過空壓機3和風門8將爐膛燃燒溫度控制在900℃左右，擋火牆9增加高溫煙氣爐內停留反應時間，實現水煤漿的高效低成本爐內SNCR脫硝。
實施例二
實施例二與實施例一的原理是一樣的，只是在結構上有所不同；一種爐內脫硝的水煤漿製漿及燃燒系統集成設備，包括水煤漿燃燒鍋爐，水煤漿燃燒鍋爐分為主燃燒室7和副燃燒室6；其中，主燃燒室7頭部的側上方配置有軸向旋流主燃燒器4，側下方為副燃燒室6，副燃燒室6側面配置有副燃燒器5，且軸向旋流主燃燒器4與副燃燒器5在軸線方向互相垂直；軸向旋流主燃燒器4與副燃燒器5分別以管道通過螺杆泵2與水煤漿罐1連接，同時，軸向旋流主燃燒器4與副燃燒器5在其水煤漿入口處分別通過管道與空壓機3連接；主燃燒室7下方有風門8，尾部有擋火牆9，後上方通過管道連接除塵器10，通過與除塵器10連接的引風機11將燃燒後的菸灰排出。
原料比例按脫硫脫灰煤70%、分散劑與穩定劑為1%、水30-40%、脫硝還原劑10%。
分散劑採用萘磺酸鹽；穩定劑採用聚丙烯醯胺絮凝劑，兩者按照1:1比例混合。
脫硝還原劑為30-50%尿素溶液。
具體操作流程與實施例一一樣。
實施例三
實施例二與實施例一的原理是一樣的，只是在結構上有所不同；一種爐內脫硝的水煤漿製漿及燃燒系統集成設備，包括水煤漿燃燒鍋爐，水煤漿燃燒鍋爐分為主燃燒室7和副燃燒室6；其中，主燃燒室7頭部的側上方配置有軸向旋流主燃燒器4，側下方為副燃燒室6，副燃燒室6側面配置有副燃燒器5，且軸向旋流主燃燒器4與副燃燒器5在軸線方向互相垂直；軸向旋流主燃燒器4與副燃燒器5分別以管道通過螺杆泵2與水煤漿罐1連接，同時，軸向旋流主燃燒器4與副燃燒器5在其水煤漿入口處分別通過管道與空壓機3連接；主燃燒室7下方有風門8，尾部有擋火牆9，後上方通過管道連接除塵器10，通過與除塵器10連接的引風機11將燃燒後的菸灰排出。
原料比例按脫硫脫灰煤65%、分散劑與穩定劑為0.8%、高濃度氨氮廢水10-20%、水30-40%、脫硝還原劑1-5%。
分散劑採用木質素磺酸鹽；穩定劑採用聚羧甲基纖維素，兩者按照任意比例混合。
脫硝還原劑為30-50%尿素溶液和/或高濃度氨氮廢水混合物，按照1:2的比例混合。
具體操作流程與實施例一一樣。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。本發明的保護範圍以權利要求書為準。
通過上述實施例可以看出，本發明還涉及一種爐內脫硝的方法，採取水煤漿製漿及燃燒系統集成的實現爐內脫硝；在現有水煤漿製漿添加分散劑、穩定劑的工藝基礎上，添加脫硝還原劑，製成含脫硝還原劑的水煤漿燃料；然後將該水煤漿燃料噴入主燃燒室爐膛的水煤漿鍋爐燃燒，且通過系統調節控制爐膛燃燒溫度，穩定在較佳還原反應溫度範圍及控制煙氣含氧量，實現水煤漿的高效低成本爐內SNCR脫硝。
進一步地，所述的水煤漿燃料的成分配比如下：
1）含脫硫脫灰煤58-70%
2）分散劑與穩定劑為0.5-1%
3）脫硝還原劑1-10%
4）水19-40.5%。
進一步地，所述的製成含脫硝還原劑的水煤漿燃料是採用濃度為30-50%尿素溶液和/或高濃度氨氮廢水作為脫硝還原劑，與含脫硫脫灰煤、分散劑、穩定劑和水一起調製成水煤漿燃料。
進一步地，所述高濃度氨氮廢水在整個水煤漿中的佔比為8%-10%；餘量用水，或用通過經濟手段獲得的低濃度氨氮廢水替代。
進一步地，所述將該水煤漿燃料噴入主燃燒室爐膛的水煤漿鍋爐燃燒是指設備運行時，啟動副燃燒器，將含脫硝還原劑的水煤漿噴入副燃燒室，連續運行後，啟動主燃燒器，將含脫硝還原劑的水煤漿用配置在主燃燒室的軸向旋流主燃燒器噴入瘦長型主燃燒室爐膛的水煤漿鍋爐燃燒。
進一步地，所述設備運行時，啟動副燃燒器，是指先在副燃燒室放入幹木材5-8kg，點火燃燒，待副燃燒室溫度上升至水煤漿可燃的溫度，啟動副燃燒器；所述連續運行時間是20-30分鐘。
進一步地，所述爐膛燃燒溫度與煙氣含氧量調控技術是採用調整引風機風量、副燃燒室燃料比例、二次風比例來實現；所述較佳還原反應溫度範圍是900℃-1100 ℃。
脫硝原理如下：
煤熱解後產生HCN、NH3等氮化合物，氮化合物與氧氣反應生成NO，NOx主要包括95%左右的NO和5%左右的NO2。因此，控制NOx的排放主要是控制NO的排放。在氮化合物的作用下，NO又會被還原為N2，其總包反應式如下：
HCN/NH3 + O2 → NO + ...
NO + HCN/NH3 → N2 + ...
本發明的有益效果是：
1、此方法和設備可綜合利用高濃度氨氮廢水，實現其資源化利用，同時實現水煤漿燃燒的高效低成本脫硝，是一種先進、實用技術與裝備，具有廣闊的市場應用前景。
2、系統運行時不需要其他輔助設備如去離子水制水設備等，爐膛不產生結焦現象
3、無需增加專門的脫硝工序，可以實現理想的脫硝效果，脫硝率高達60%以上。