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高温气化分级燃烧技术(HTGC)及其应用

一、高温气化分级燃烧技术(HTGC)

生物质(煤)的高温气化分级燃烧技术(HTGC)

高温气化燃烧是利用气化室产生的高温将燃料气化成高温可燃气体,可燃气体在高温富氧条件下充分燃烧;分级燃烧是在气化室出火口外的高温区设置还原室,利用生物质在高温下产生的还原气体,将烟气中的氮氧化物还原成氮气的技术。

燃料燃烧温度达到华氏900K(482℃)时开始生成氮氧化物,温度越高,生成的氮氧化物浓度越高。氮氧化物中95%以上为一氧化氮,一氧化氮在没有催化剂的情况下,最佳还原温度为950~1100℃之间,可以与之反应的还原物质有一氧化碳、活性炭、氢气、甲烷、煤气、氨水、尿素等。燃料分级燃烧技术是用还原性气体在高温下将一氧化氮还原成无害气体氮气。

不降低燃烧室的温度,在烟气的出口处增加脱硝装置,脱硝原料采用木炭及木材等生物质。向木炭等还原剂上喷水,产生的还原性气体在高温下与NO反应将其还原成无害气体。

二、HTGC的技术特点与发展历程

1、技术特点

HTGC的高温气化燃烧注重的是燃料在燃烧前将其高温气化成可燃气体,不同以往的燃烧理论注重的是燃料气化后燃烧过程的控制。HTGC认为燃料在燃烧前的高温气化是燃料充分燃烧的要点。燃烧中产生的副产品NOX,是利用高温烟气在未降温前用锯末等生物质和水在高温下产生的以CO为主的还原气体将其还原成N2

2、技术发展历程

2002年开始研究煤的无烟燃烧,那时的标准是只要不冒烟就行了。开始是研究煤制气,由于发生炉体积大、煤焦油等原因不宜推广。后来开始课题转向研究分段燃烧,由于气化的速度小于燃烧的速度,锅炉出力上不去,性能不稳定,后来又开始研究连续半气化燃烧。

国家出台的2014锅炉大气污染物排放标准,对NOX又提出了严格的要求。由于高温气化燃烧出口温度在1000~1100℃之间,因此采用燃料分级燃烧技术,很快就把氮氧化物污染的问题解决了。

三、HTGC的市场应用

1、漳州康之味食品工业有限公司
  • 高温气化燃烧技术在燃煤锅炉上的应用
  • 高温气化燃烧技术在燃煤锅炉上的应用

如图所示为漳州九龙开发区,康之味公司的6吨蒸汽锅炉,现已运行6年多,监测各项指标如下,燃料为低硫烟煤,所用除尘器为麻石喷淋脱硫除尘器。关于热效率,原来康之味生产一瓶饮料平均蒸汽费用0.20元,改造后平均每瓶饮料蒸汽费用0.11元。

采样日期 采样点位 检测项目 浓度检测结果 mg/m3
2014.7.21 废气处理进口 第一次 二氧化硫 29
烟尘 237
第二次 二氧化硫 29
烟尘 224
第三次 二氧化硫 23
烟尘 206
废气处理排放口 第一次 二氧化硫 3
烟尘 26.3
黑度(级) 0
第二次 二氧化硫 2
烟尘 21.5
黑度(级) 0
第三次 二氧化硫 3
烟尘 30.0
黑度(级) 0
2014.7.22 废气处理进口 第一次 二氧化硫 23
烟尘 235
第二次 二氧化硫 24
烟尘 179
第三次 二氧化硫 21
烟尘 213
废气处理排放口 第一次 二氧化硫 3
烟尘 24.3
黑度(级) 0
第二次 二氧化硫 3
烟尘 19.7
黑度(级) 0
第三次 二氧化硫 <1
烟尘 26.3
黑度(级) 0

报告编号:GZH14071801101,漳州市芗城区环境监测站

2、济南新峨嵋实业有限公司

HTGC在生物质锅炉上的应用

如图所示为济南新峨嵋公司10吨燃煤锅炉改造成HTGC生物质锅炉,当地环保部门委托山东唯真测试分析有限公司做了两次检测(报告如下),第一次检测合格,又进行了第二次检测合格,随后当地环保局又做了抽检,抽检合格。

2015年11月26日第一次检测结果如下:

检测点位 检测项目 实测排放浓度mg/m3 折算排放浓度mg/m3 标干烟气流量m3/h 排放速率kg/h 检出限mg/m3
废气出口 烟尘 12 14 11912 0.137 -----
SO2 103.0 128.7 11912 1.23 2.86
NOX 108.7 135.8 11912 1.29 1.34

2015年12月14、15日第二次检测结果如下:

有组织废气——锅炉排气筒出口烟尘监测结果表
监测日期 监测次数 烟尘监测结果
标态排气量 m3/h 实测浓度 mg/m3 排放浓度 mg/m3 排放速率 kg/h
12月14日 1 11040 6 8 0.052
2 11030 5 7 0.051
3 11151 9 14 0.105
12月15日 1 11830 8 12 0.095
2 11829 7 10 0.083
3 11912 9 14 0.107
最大值 11912 9 14 0.107
执行标准值 GB13271-2014 30

监测期间,生物质锅炉排气筒出口二氧化硫、氮氧化物和烟尘排放浓度最大值分别为8.47mg/m3,161.0mg/m3,14mg/m3。均符合《锅炉大气污染物排放标准》(GB13271-2014)。废气监测结果判定见下表:

监测项目 锅炉废气排气筒出口
二氧化硫 氮氧化物 烟尘
排尘浓度最大值mg/m3 8.47 161.0 14
执行标准名称 GB13271-2014 《锅炉大气污染物排放标准》 (GB13271-2014)表2特别地区排放限值。
排放浓度执行标准值mg/m3 200 200 30
判定结果 达标 达标 达标
  • HTGC在生物质锅炉上的应用
  • HTGC在生物质锅炉上的应用
3.关于高效脱硝和节能20%以上的实测数据

关于热效率,从燃料角度,改造前,他们利用链条锅炉烧的是5500大卡的优质颗粒煤,根据他的实际运行情况,平均每小时烧1.3吨左右;改造后利用HTGC生物质锅炉烧4200大卡的成型生物质每小时不足1.3吨。如果烧颗粒煤时热效率按70%计算,那么改造后烧生物质的热效率应该在93%左右。其实HTGC所用的生物质燃料不需要成型,只要能送入气化室就可以。关于分级燃烧:济南新峨嵋脱硝所用的还原剂为锯末和水,只要还原室内有锯末和水,就可以稳定控制NO的排放。脱硝运行成本低,没有副作用。总之,使用本技术可实现节能20%以上。

四、从燃料气化的角度看高温空气燃烧技术(HTAC)

高温空气燃烧技术(HTAC)是属于高温低氧燃烧技术。用高温空气将燃料加热,在燃烧过程中低氧气浓度是为了在燃烧中有一定量的剩余还原性气体,抑制NOX的形成。

HTGC与HTAC的相同点是,HTAC是利用高温空气来给燃料气化;HTGC是利用气化室的高温与燃烧产生的部分高温来给燃料气化。燃烧的原理是一样的,都是注重用高温先气化燃料,只是高温的来源不同。在脱NOX上的不同点是,一个是利用高温低浓度的氧气燃烧时剩余的还原性气体抑制NO生成,一个是在燃烬烟气在流动过程中在高温下补充还原性气体,将生成的NOX还原成N2

五、从燃料气化的角度看层燃(链条炉排)技术

链条炉燃烧一般为预燃、燃烧、燃烬三个阶段。燃料在炉排上一般是煤层段面引燃,烧优质高热值烟煤,炉排转速不快时,可以实现运行中的煤层上面引燃。引燃面上的燃烧属于低温气化燃烧。链条炉燃烧产生的黑烟都是在这里形成的,煤层上部一但形成炭火层,其下部的燃烧就属于高温气化燃烧了。如上所提到烧优质高热值烟煤时,提高了燃烧室的温度,实现煤层从上部引燃,那么这种状态的燃烧也就变成高温气化燃烧了。但是链条炉在启炉阶段由于炉温低,燃料主要是属于低温气化燃烧,另外由于链条炉的炉温不能提的太高,难以解决在炉内脱NOX的问题。

  • 从燃料气化的角度看层燃(链条炉排)技术
  • 从燃料气化的角度看层燃(链条炉排)技术

燃料低温气化会产生大量高分子链有机气体,在燃烧过程中难以完全燃烧。可见的是黑烟,黑烟有粘性会堵塞布袋除尘器,不可见的高分子链有机气体难以用除尘器去除,这些气体与空气中的灰尘结合会产生气溶胶的效果,污染大片天空,形成雾霾。

因此从燃料气化的角度建议链条锅炉要选用优质高热值烟煤,同时适当提高燃烧室的温度,以减少有机气体的污染,同时要解决NOX的污染问题。

六、从燃料气化的角度看振动水冷炉排生物质发电锅炉与往复炉排加链条炉排生物质发电锅炉

在调研四平公主岭130吨振动水冷炉排生物质发电锅炉和江苏泰州75吨往复炉排加链条炉排生物质发电锅炉,发现共同的核心问题,都是燃料的气化温度低,燃烧过程烧不烬,导致外面烟囱黑烟大,过热器磨损严重。当燃料湿度大时,会产生尾燃等情况发生。因此在设计生物质炉时应尽可能提高燃料的气化温度。

七、从燃料气化的角度看循环床垃圾焚烧炉

调研几家垃圾焚烧厂(四平和哈尔滨等),最大的现象是整个厂区内臭气扑鼻,如果从燃料气化的角度看焚烧是有一定的问题的。垃圾的热值很低,平均不到1000大卡,湿度很大,这样的垃圾进炉子后,炉子先成了烘干机,燃料的气化温度很低,很难达到800℃以上高温、烟气停留2秒钟的国际通用标准,会有二恶英的产生。这样的垃圾应该预处理,采用低温烘干水份的办法将热值提高,另外应该在炉里增加燃料气化时间,让气化烟气深度热解、充分燃烧,就不会有二恶英的污染问题了。希望设计垃圾焚烧炉时要通盘考虑。垃圾燃烧的难点是塑料等高分子燃料的燃烧,设计时燃烧段要考虑垃圾高温气化的温度及高温区的长度,以便把塑料一类高分子气体中的C分子加热到具有较高的反应活性,充分燃烧。

八、HTGC技术的现状

HTGC从研发到今天已虽然有10多年的时间稳定运营,仍还有要完善的细节,但现已在燃煤、生物质(颗粒、木块、锯末、烟梗、木糖渣、树皮、稻壳、棉梗、固废等)、工业锅炉、民用锅炉、热载体锅炉及粮食烘干机领域,广泛稳定应用,节能效果尤为明显。锅炉运行吨位到35吨,燃生物质气化炉可生产到130吨,燃煤气化炉可生产到160吨。整套系统已实现自动化,维修率极低。在充分燃烧方面已有很好的表现。燃生物质时加装布袋除尘器及喷淋除尘系统,在环保方面可以满足最新国标2014大气污染物排放标准的重点地区环保要求。在有机固弃物处理和垃圾焚烧方面,已展现出良好的技术前景。

HTGC是个新技术,希望更多的有识之士多支持这一技术的发展,为我国的节能环保事业作出贡献。

  • HTGC技术的现状
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