一种利用煤矸石与生物质混燃的循环流化床燃烧脱硫方法与流程

本发明涉及燃煤发电脱硫技术领域，特别涉及一种利用煤矸石与生物质混燃的循环流化床燃烧脱硫方法。

背景技术：

我国约70%发电量来自于火电机组；循环流化床锅炉具有燃料适应性好、燃烧强度大、污染物排放低、灰渣综合利用性能好、负荷调节灵活等优点，在我国火力发电中得到了广泛的应用；目前，我国煤矸石电厂基本上都采用循环流化床锅炉，如图1所示，是现有一种循环流化床锅炉的结构示意图，包括炉膛1、进料斗2、一次风机3、二次风机4、旋风分离器5、返料器6；其工作原理为：将煤矸石粉碎料通过进料斗2送入炉膛1下部的密相区，锅炉燃烧所需空气分别由一次风机3和二次风机4提供，其中一次风机3送出的一次风从炉膛1底部送入，主要供炉膛1下部的密相区分布的燃料燃烧，也有部分上升至上方的稀相区；二次风机4送出的二次风从炉膛1中部侧壁上的喷口喷入，供炉膛1上部稀相区分布的燃料燃烧；新入炉的煤矸石在炉膛1内与流化状态下的循环物料掺混燃烧，床内浓度到达一定值后，炉膛1烟气进入旋风分离器5，绝大部分物料被分离出来经返料器6返回炉膛1继续燃烧，比较洁净的烟气从旋风分离器5上部排出。

现有技术中，循环流化床燃烧过程中通常添加石灰石（或其它脱硫剂）进行脱硫，即把经过粉碎的石灰石随燃料送入流化床密相区，能显著降低烟气中so2的排放，该方法中脱硫剂消耗量较大；本发明提出一种利用含金属氧化物的生物质替代石灰石与煤矸石混燃减少so2排放的方案。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种利用煤矸石与生物质混燃的循环流化床燃烧脱硫方法，该方法利用煤矸石与生物质混燃发电，并利用生物质中含有的金属氧化物替代石灰石进行脱硫。

本发明采用的技术方案如下：一种利用煤矸石与生物质混燃的循环流化床燃烧脱硫方法，包括如下步骤：

步骤一：将煤矸石粉碎成不同粒径大小的颗粒，颗粒大小在5mm以下，其中，以质量百分比计，粒径小于0.5mm的颗粒占25%-35%，粒径在0.5mm-1mm的颗粒占25%-35%，粒径在1mm以上、5mm以下的颗粒占30%-50%；这样做的目的在于，大约有50%-70%新加入的煤矸石颗粒能够进入炉膛稀相区，并沿稀相区高度方向较为均匀地分布；

将含有金属氧化物的生物质粉碎成不同粒径大小的颗粒，颗粒大小在8mm以下，其中，以质量百分比计，粒径小于1mm的颗粒占30%-40%，粒径在1mm-2mm的颗粒占30%-40%，粒径在2mm以上、8mm以下的颗粒占20%-40%；这样做的目的在于，大约有60%-80%的新加入的生物质颗粒能够进入炉膛稀相区，并沿稀相区高度方向较为均匀地分布；

将上述准备好的煤矸石颗粒和生物质颗粒用混料机混合均匀备用；煤矸石与生物质的质量比为1:0.2-2；

煤矸石颗粒和生物质颗粒沿稀相区高度方向较为均匀地混合分布，有充足的空间进行燃烧反应，且产生的so2也主要分布在稀相区，能够充分利用稀相区分布的生物质进行脱硫反应，脱硫效率较高。

步骤一中，含有金属氧化物的生物质优选采用农业秸秆，先将秸秆晾晒至含水率为1%-10%，其含有金属氧化物的量约为每千克秸秆含有10g-100g金属氧化物，主要有al2o3、cao、mgo、na2o、k2o等。

步骤二，将步骤一制备的混合料用给煤机送入循环流化床锅炉的炉膛内燃烧，循环流化床锅炉的参数设置如下：

在锅炉点火后，加入混合料燃烧，锅炉经过一段时间后锅炉工况稳定，稳定工况下温度基本恒定，温度优选范围在850-950℃之间；稳定工况下，混合料的给料量为akg/h，

锅炉内混合料能够按步骤一中要求分布以及充分反应，除了物料颗粒粒径要求外，还需要一次风、二次风配合；一次风、二次风调控方案如下：

锅炉的总空气量为bnm³/h，

b=α×a×v⁰

式中v⁰—理论气体量，nm³/kg；

car—燃料中碳元素的含量，%；

har—燃料中氢元素的含量，%；

sar—燃料中硫元素的含量，%；

oar—燃料中氧元素的含量，%。

一次风量b1=（20%-40%）α1×a×v⁰

二次风量b2=b-b1

α为炉膛总过量空气系数，α1为密相区的过量空气系数，计算总空气量时α的取值范围是1.15~1.2，计算一次风量时α1的取值是0.8。

一次风量对应新加入的煤矸石和生物质分别有50%-30%和40%-20%停留在炉膛密相区，煤矸石、生物质的质量比为1:0.2-2，则新加入的燃料大约有23%-48%停留在炉膛密相区，完全燃烧所需空气量为总空气量的23%-48%，考虑循环流化床内空气分级低nox燃烧技术要求，密相区需贫氧燃烧，过量空气系数取0.8，最终确定一次风量占总空气量的20%-40%，过量空气系数控制在0.8左右；

新加入的燃料有23%-48%的进入密相区，剩余的77%-52%燃料完全燃烧所需空气量为总空气量的77%-52%；考虑由密相区进入稀相区的未燃尽燃料燃烧所需的空气，稀相区二次风量实际占比有所提升，占总空气量的80%-60%；炉内总体过量空气系数控制在1.15-1.2之间，以保证燃烧效率。

本发明方法主要原理说明如下：

（1）煤矸石和生物质的混合料首先进入炉膛下部的密相区被一次风流化并燃烧，较大的颗粒在密相区燃烧，而较小的颗粒（包括原混合料中的小颗粒及燃烧中产生的小颗粒）穿过密相区上升至炉膛上部稀相区燃烧，燃烧后的颗粒物被烟气带出炉膛进入旋风分离器，经分离装置分离，颗粒物由返料器机构送回炉膛密相区继续反应；

在燃烧过程中，煤矸石、生物质中的硫及燃烧产生的so2与生物质中的金属氧化物发生反应，生成金属化合物，将部分硫固留在燃烧产生的灰渣中；

（2）由于生物质的密度较小，在稀相区中存在大量的生物质颗粒，在密相区生成的so2气体进入稀相区，与生物质中的金属氧化物继续反应，进一步减少了so2的排放；

（3）由返料装置送回的飞灰中的金属氧化物在密相区和稀相区进一步与硫发生反应生成金属化合物。

总述，生物质含有较多的金属氧化物，而煤矸石硫含量较多，通过生物质与煤矸石混烧，生物质中的金属氧化物与硫反应生成金属化合物，能够将燃料中的部分硫固留在灰渣中，可以减少so2排放量。

本发明的有益效果在于：本方法深入研究了煤矸石中硫与生物质中金属氧化物的之间的关系，利用循环流化床锅炉，通过控制煤矸石与生物质的颗粒大小，煤矸石与生物质用量比例，以及煤矸石与生物质混合料的用量与循环流化床锅炉一次风、二次风的用量关系，实现了较好的脱硫效果。

附图说明

图1为现有一种循环流化床锅炉的结构示意图。

图2为本发明试验中煤矸石和葵花秸秆的工业分析值与元素分析值。

图3为本发明试验中煤矸石和葵花秸秆的灰分中氧化物值。

图4为本发明试验中煤矸石单独燃烧及煤矸石与葵花秸秆（4:1，葵花秸秆占20%）混烧so2生成情况排放曲线对比图。

图5为本发明试验中生物质含量对so2排放的影响的实验数据图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合具体的试验对本发明作进一步的详细介绍，以下所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制。

大型循环流化床锅炉数据很难采集，所以本发明在实验室规模的小型流化床上进行试验，受试验装置尺寸限制采用较小粒径的物料颗粒。

试验选取材料为内蒙古地区煤矸石及葵花秸秆，煤矸石粒径在0.6mm以下，质量百分比不少于40%的颗粒处于密相区，密度为2800kg/m³；葵花秸秆粒径在1.9mm以下，质量百分比不少于60%的颗粒处于稀相区，密度为500kg/m³；

煤矸石和葵花秸秆的工业分析值与元素分析值如图表2所示，灰分中氧化物值如图表3所示；

试验过程中所用设备为小型流化床燃烧系统及烟气测量系统，炉膛底部布风板距离炉膛顶部高度为2.5m，炉膛内径为0.05m；试验过程中炉膛保持恒温900℃，给料量为2.8g/min（0.168kg/h），燃烧时间2h，环境温度为20℃；

当一次风量和二次风量分别为为1.5m³/h和3m³/h时，对比在流化床中煤矸石单独燃烧及煤矸石与葵花秸秆（4:1，葵花秸秆占20%）混烧so2生成情况，如图4所示；

煤矸石与葵花秸秆混合燃烧过程中so2的实际排放量平均为79ppm，经过转化为3.56×10^-4m³/h；煤矸石单独燃烧过程中so2的实际排放量平均为165ppm，经过转化为7.43×10^-4m³/h；由于单位时间内给料量恒定，煤矸石与葵花秸秆混合燃烧时，葵花秸秆所占比例为20%，因此比较上述两组对比试验时，对煤矸石单独燃烧过程中so2的实际排放量乘以80%进行折算，得到其值为132ppm，经过转化为5.94×10^-4m³/h；对比可知，燃烧条件相同的情况下，煤矸石与葵花秸秆混合燃烧过程中so2的实际排放量小于煤矸石单独燃烧过程中so2的实际排放量，减少40%。

在上述相同条件下，增加生物质含量进行试验，验证生物质含量对so2排放的影响；得到的数据结构如图5所示，经换算后，在生物质含量为10%、20%、30%、40%时，so2排放量分别比煤矸石单独燃烧时减少35%、40%、43%、50%。