本发明涉及燃煤耦合生物质技术领域，尤其涉及一种燃煤耦合生物质气化的烟气净化系统及方法。
背景技术：
2016年，中国与其他国家一道签订了《巴黎气候变化协定》，我国承诺到2020年，我国单位gdp二氧化碳要比2005年下降60％-65％，非化石能源占一次能源消费比重达到20％左右。我国开始快速步入低碳能源时代。
生物质具有碳中性属性，以生物质作为能源载体可大幅降低我国碳排放强度。目前生物质主要采用直燃的利用方式，即将生物质收集后送入锅炉燃烧发电，但生物质直燃电厂存在投资成本高，燃料成本高，系统复杂，运行维护费用大等问题，特别是生物质中含量较高的碱金属易引发锅炉受热面沉积与腐蚀问题，导致锅炉热效率降低，维护成本高。
生物质碳化程度低，挥发分含量高，将生物质先进行气化形成合成气，再将合成气送入锅炉内与燃煤混烧，既可充分利用生物质中的有效成分，又可避免生物质中含量较高的碱金属造成锅炉受热面沉积与腐蚀，提高锅炉效率，系统简单，具有广泛的应用前景。
燃煤与生物质合成气燃烧产生的烟气中污染物种类复杂，不仅有so2、so3、nox、粉尘、hg、hcl、hf、汞等燃煤烟气中常见的污染物，而且含有生物质气化和燃烧过程产生的残余轻质焦油、二噁英等有毒物质，需要对这些多种污染物进行协同高效净化处理。目前尚未有大规模推广应用于燃煤耦合生物质气化的烟气多污染物净化技术。
以生物质直燃电厂为例，其烟气净化主要参照燃煤电厂，燃煤电厂的超低排放多采用湿法技术路线，是以石灰石/石膏湿法脱硫为核心的烟气净化技术路线，对于多污染物的脱除只是简单地通过多种工艺的叠加实现，比如采用scr/sncr脱除nox、采用石灰石/石膏湿法脱硫脱除so2、采用静电除尘器/电袋除尘器/布袋除尘器脱除烟尘、采用活性炭喷射技术脱除重金属汞、采用湿式电除尘器脱除so3、采用烟气换热器消除白烟、采用零排放处理系统处理废水排放问题，这种叠加式的技术路线系统流程长、工艺复杂、投资和运行成本高，且对于焦油、二噁英无法去除。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种燃煤耦合生物质气化的烟气净化系统及方法，可同时脱除nox、so2、烟尘、so3、汞、hcl、hf、焦油、二噁英等多种污染物，可用于生物质气化与燃煤的耦合燃烧技术的烟气净化。
本发明提供了一种燃煤耦合生物质气化的烟气净化系统，包括：
依次连接的生物质气化炉、高温除尘器、余热回收装置、锅炉、脱硝装置、前置除尘器、循环流化床干法脱硫吸收塔、后置除尘器、引风机、烟囱；
气化灰仓，所述气化灰仓的进料口与所述高温除尘器的排灰口连接，用于收集高温除尘器中捕集分离的生物质气化灰；
预混装置，所述预混装置的第一进料口与所述气化灰仓出口连接，第二进料口与生石灰仓连接，用于生物质气化灰与生石灰的混合；
消化器，所述消化器的进灰口与预混装置的出灰口连接，用于消化形成吸收剂；
吸收剂仓，所述吸收剂仓的进灰口与所述消化器的出灰口连接，出灰口与循环流化床干法脱硫吸收塔的进灰口连接，用于存储并将吸收剂输送至循环流化床干法脱硫吸收塔，与烟气混合进行烟气吸收。
本发明提供了以循环流化床干法脱硫为核心的干法技术路线，可同时脱除nox、so2、烟尘、so3、汞、hcl、hf、焦油、二噁英等多种污染物，可用于生物质气化与燃煤的耦合燃烧技术的烟气净化。
优选的，所述循环流化床干法脱硫吸收塔中设置有雾化喷枪。
优选的，所述后置除尘器的出料口连接有返料装置，用于将后置除尘器收集的烟尘回收至循环流化床干法脱硫吸收塔。
优选的，所述吸收剂为生物质气化灰与生石灰混合后消化制备形成，生物质气化灰与生石灰的质量比为1：(1～5)。
优选的，所述高温除尘器为旋风除尘器、高温电除尘器、高温陶瓷过滤除尘器中的一种。
优选的，所述前置除尘器为旋风除尘器、电除尘器、电袋复合除尘器、布袋除尘器中的一种或多种的组合。
优选的，所述后置除尘器为电除尘器、电袋复合除尘器、布袋除尘器中的一种或多种的组合。
本发明提供了一种燃煤耦合生物质气化的烟气净化方法，包括以下步骤：
a)生物质在生物质气化炉中进行气化，产生合成气；
b)合成气进入高温除尘器去除飞灰颗粒，再进入余热回收装置，回收余热，然后进入锅炉与燃煤燃烧，产生烟气；
c)所述烟气进入脱硝装置进行脱硝，然后进入前置除尘装置，脱除大颗粒飞灰；
d)步骤c)中脱除大颗粒飞灰后的烟气进入循环流化床干法脱硫吸收塔，烟气中的污染物被循环流化床干法脱硫吸收塔中的吸收剂脱除；所述污染物至少包括酸性气体，汞、焦油和二噁英中的一种或多种；
e)循环流化床干法脱硫吸收塔出来的烟气进入后置除尘器，脱除在循环流化床干法脱硫吸收塔中形成的颗粒物质，得到净化后的烟气；
f)步骤b)中脱除的飞灰颗粒与生石灰在预混装置中混合，然后进入消化器中消化形成吸收剂，储存于吸收剂仓中，再进入循环流化床干法脱硫吸收塔中作为吸收剂。
与现有技术相比，本发明采用生物质气化灰与生石灰混合消化，作为循环流化床干法脱硫工艺的吸收剂，充分利用生物质气化灰中高含量的碱金属和碱土金属、高比表面积和高碳含量，将生物质气化灰与生石灰充分混合后消化，大幅提高了吸收剂的比表面积和吸附活性，获得了90％～99％的汞脱除率和99％的轻质焦油脱除率，实现了汞排放小于3μg/nm3、二噁英排放＜0.1ng-teq/nm3，不仅实现了生物质气化灰的就地资源化利用，而且在大幅降低脱硫ca/s的前提下实现了烟气so2的超低排放，提高了汞和二噁英的吸附效率，减少干法脱硫的吸收剂耗量和成本，实现了燃煤与生物质气化耦合系统的多污染物高效协同净化，具有显著的经济效益和环境效益，进一步促进了燃煤与生物质气化耦合技术的工业化应用。
附图说明
图1为本发明提供的燃煤耦合生物质气化的烟气净化系统结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种燃煤耦合生物质气化的烟气净化系统，包括：
依次连接的生物质气化炉、高温除尘器、余热回收装置、锅炉、脱硝装置、前置除尘器、循环流化床干法脱硫吸收塔、后置除尘器、引风机、烟囱；
气化灰仓，所述气化灰仓的进料口与所述高温除尘器的排灰口连接，用于收集高温除尘器中捕集分离的生物质气化灰；
预混装置，所述预混装置的第一进料口与所述气化灰仓出口连接，第二进料口与生石灰仓连接，用于生物质气化灰与生石灰的混合；
消化器，所述消化器的进料口与预混装置的出口连接，用于消化形成吸收剂；
吸收剂仓，所述吸收剂仓的进料口与所述消化器的出口连接，出料口与循环流化床干法脱硫吸收塔的进料口连接，用于存储并将吸收剂输送至循环流化床干法脱硫吸收塔，与烟气混合进行烟气吸收。
本发明提供了一种适用于燃煤耦合生物质气化的烟气净化系统，采用生物质气化产生的飞灰(简称“生物质气化灰”)和生石灰混合消化制备吸收剂，生物质气化灰含有高含量的碱金属和碱土金属，如氧化钾、氧化钠和氧化钙，还含有大量无定型sio2和碳纳米微型结构，形成了极大的比表面积和丰富的微孔形态，比表面积极大，碳含量较高，不仅具有很强的脱硫能力，而且具有很强的吸附能力。本发明采用生物质气化灰和生石灰混合消化制备吸收剂，混合消化过程中，气化灰中高含量的碱金属和碱土金属发生剧烈的反应，激发生石灰的表面孔隙结构和活性位。制备的吸附剂比普通消石灰具有更大的比表面积、更好的活性和更强的吸附能力，在保持高脱硫效率的同时，可大幅减少循环流化床干法脱硫所需的生石灰耗量，降低运行成本，并有助于提高对多污染物的吸附脱除效率。解决了目前循环流化床干法脱硫存在的因吸收剂品质不佳和价格高导致的吸收剂耗量偏高的问题，同时提高了对烟气中汞、焦油及二噁英等污染物的吸附脱除能力，实现了燃煤与生物质气化耦合的发电系统的烟气多污染物高效协同净化。
本发明提供的燃煤耦合生物质气化的烟气净化系统包括生物质气化炉，生物质在气化炉内发生热解气化生成合成气。
所述生物质气化炉可以为本领域技术人员熟知的生物质气化炉，优选为固定床或循环流化床气化炉的一种；更优选为循环流化床气化炉。
所述生物质气化炉出口温度优选为700～750℃。
还包括与生物质气化炉相连的高温除尘器，用于捕集合成气中携带的飞灰颗粒。
优选的，所述高温除尘器为旋风除尘器、高温电除尘器、高温陶瓷过滤器的一种。
所述高温除尘器出口的生物质气化灰含量不大于5g/nm3。
气体从高温除尘器出来后，进入余热回收装置，回收气体余热。
所述余热回收装置出口温度优选为350～400℃。
余热回收装置出口的中低温气体在加压风机的作用下送入锅炉炉膛，与燃煤在高温下共同燃烧。
本发明对所述锅炉并无特殊限定，可以为用于燃煤燃烧的一般锅炉，优选为煤粉炉或循环流化床锅炉的一种。更优选为循环流化床锅炉。
锅炉燃烧后产生的烟气首先进入脱硝装置进行脱硝。
所述脱硝装置优选为sncr或scr的一种。
当锅炉为煤粉炉时，所述脱硝装置优选为scr。
当锅炉为循环流化床锅炉时，所述脱硝装置优选为sncr。
所述脱硝装置出口nox浓度不大于50mg/nm3。
脱硝后的气体随后经前置除尘器脱除大颗粒飞灰。
所述前置除尘器优选为旋风除尘器、电除尘器、电袋复合除尘器、布袋除尘器中的一种或多种组合。
所述前置除尘器出口烟尘浓度不大于5g/nm3。
本发明优选的，所述前置除尘器的出料口连接有粉煤灰库，优选通过粉煤灰气力输送装置连接前置除尘器和粉煤灰库。
所述前置除尘器收集的烟尘通过粉煤灰气力输送装置输送至粉煤灰库储存。
由前置除尘器出来的脱除大颗粒飞灰后的气体，进入循环流化床干法脱硫吸收塔。
循环流化床干法脱硫吸收塔中存有高密度、剧烈湍动的吸收剂和物料颗粒床层，工艺水由雾化喷枪喷入吸收塔内后，附着于吸收剂和物料颗粒表面形成液膜，烟气中的so2、so3、hcl、hf、nox等酸性气体被液膜捕集、与吸收剂发生离子反应脱除，汞、二噁英、少量轻质焦油等物质被吸收剂的多孔结构吸附捕集。
所述循环流化床干法脱硫吸收塔入口烟气温度优选为120～150℃。
出口烟气温度优选为水露点以上10～15℃，在本发明的某些具体实施例中，出口烟气温度具体为70～95℃。
出口so2浓度优选不大于35mg/nm3。
同时，烟气中的pm2.5亚微米级细颗粒在吸收塔内发生凝并形成大颗粒，进入后置除尘器后，被捕集脱除。
所述后置除尘器优选为电除尘器、电袋复合除尘器、布袋除尘器中的一种或多种的组合。
所述后置除尘器出口烟尘浓度优选不大于10mg/nm3。
本发明优选的，所述后置除尘器的出料口连接有返料装置和脱硫灰库，优选通过脱硫灰气力输送装置连接后置除尘器和脱硫灰库。
所述后置除尘器收集的烟尘大部分通过返料装置送回循环流化床干法脱硫吸收塔，其余通过脱硫灰气力输送装置输送至脱硫灰库储存。
通过循环流化床干法脱硫吸收塔和后置除尘器的共同作用，烟气中多种污染物被协同高效脱除，并达到超低排放标准。净化后的烟气在引风机作用下，排出烟囱。
上述循环流化床干法脱硫吸收塔中的吸收剂为生物质气化灰和生石灰混合消化后的物质。其制备装置包括气化灰仓、生石灰仓、预混装置、消化器和吸收剂仓。
所述气化灰仓的进料口与所述高温除尘器的排灰口连接，用于收集高温除尘器中捕集分离的生物质气化灰。
所述预混装置的第一进料口与所述气化灰仓出口连接，第二进料口与生石灰仓连接，用于生物质气化灰与生石灰的混合。
所述预混装置优选为流化床式、回转式、搅拌式中的一种或多种的组合。
所述生物质气化灰与生石灰的质量比优选为1:(1～5)。
消化器，所述消化器的进灰口与预混装置的出灰口连接，用于消化形成吸收剂。
所述消化器优选为三级干式消化器。
吸收剂仓，所述吸收剂仓的进灰口与所述消化器的出灰口连接，出灰口与循环流化床干法脱硫吸收塔的进灰口连接，用于存储并将吸收剂输送至循环流化床干法脱硫吸收塔，与烟气混合进行烟气吸收。
高温除尘器捕集下来的生物质气化灰通过气力输送装置送至气化灰仓，生石灰由罐车输送至生石灰仓，生物质气化灰和生石灰通过仓底下料控制装置在预混装置中混合后输送至多级干式消化器，消化生成高活性吸收剂。制备好的吸收剂利用气力输送至吸收剂仓，最后通过给料装置输送入吸收塔实现污染物脱除。本发明可以通过调节气化灰和生石灰的下料量控制气化灰与生石灰的混合比例。根据吸收塔入口污染物浓度控制吸收剂给料量。
在本发明的某些具体实施例中，所述燃煤耦合生物质气化的烟气净化系统结构示意图如图1所示。
图中，1生物质气化炉，2高温除尘器，3余热回收装置，4锅炉，5脱硝装置，6前置除尘器，7循环流化床干法脱硫吸收塔，8后置除尘器，9预混装置，10消化器，f1加压风机，f2引风机，s1生物质气化灰气力输送装置，s2粉煤灰气力输送装置，s3吸收剂气力输送装置，s4脱硫灰气力输送装置，b11气化灰仓，b12生石灰仓，b2粉煤灰库，b3吸收剂仓，b4脱硫灰库。
上述燃煤耦合生物质气化的烟气净化系统，应用于生物质气化与燃煤锅炉耦合工艺，根据烟气的产生、净化和排放流程，依次布置有：生物质气化炉1、高温除尘器2、余热回收装置3、加压风机f1、锅炉4、脱硝装置5、前置除尘器6、循环流化床干法脱硫吸收塔7、后置除尘器8、引风机f2和烟囱。循环流化床干法脱硫吸收塔7的吸收剂由高温除尘器2捕集分离的生物质气化灰和生石灰共同制备而成，主要设备包括气化灰仓b11、生石灰仓b12、预混装置9、消化器10、吸收剂气力输送装置s3、吸收剂仓b3及一些调节和给料装置。
所述的生物质气化炉1出口连接至高温除尘器2的进气口，高温除尘器2的出气口连接至余热回收装置3的进气口，余热回收装置的出气口连接至加压风机f1的进气侧，锅炉4的燃气进气口连接来自加压风机f1的生物质气化合成气。合成气和燃煤在锅炉内燃烧后的烟气从锅炉4的烟气出口排出，进入脱硝装置5，脱硝装置5的烟气出口连接至前置除尘器6的进气口，前置除尘器6的排灰口与粉煤灰气力输送装置s2的进灰口相连接，粉煤灰气力输送装置s2的出灰口连接至粉煤灰库b2。前置除尘器6的出气口与循环流化床干法脱硫塔7的烟气入口相连接，循环流化床干法脱硫塔7的烟气出口连接至后置除尘器8的进气口。后置除尘器8的排灰口同时连接循环流化床干法脱硫塔7的循环灰进口和脱硫灰气力输送装置s4的进灰口。脱硫灰气力输送装置s4的出灰口连接至脱硫灰库b4。后置除尘器8的出气口依次连接引风机f2和烟囱，将净化后烟气排出烟囱。
高温除尘器2排灰口与生物质气化灰气力输送装置s1的进灰口相连接，生物质气化灰气力输送装置s1的出灰口连接至气化灰仓b11。生石灰仓b12的进灰口连接有厂内制备或外购的生石灰。气化灰仓b11和生石灰仓b12的排灰口分别先与仓底下料控制装置连接，再与预混装置9的进灰口连接。预混装置9的出灰口与消化器10的进灰口相连接。吸收剂气力输送装置s3的进灰口连接来自消化器10的吸收剂，吸收剂气力输送装置s3的出灰口与吸收剂仓b3相连接。最终，吸收剂由吸收剂仓b3的排灰口给入循环流化床干法脱硫吸收塔7。
其工作原理是：
生物质在生物质气化炉1中在气化剂的作用下发生气化，气化温度为700-750℃。气化产生的合成气首先经高温除尘器2除尘后，进入余热回收装置3。余热回收后合成气温度降至350-400℃，在这一温度下，合成气中的焦油不会发生冷凝。随后，合成气在加压风机f1作用下送入锅炉4内与燃煤共同燃烧。燃烧产生的烟气首先经脱硝装置5脱除nox后，进入前置除尘器6脱除绝大部分烟尘。除尘后的烟气依次通过循环流化床干法脱硫吸收塔7和后置除尘器8，烟气温度从120-150℃降低至70-95℃，烟气中so2、nox、烟尘、so3、hf、hcl、汞、二噁英、轻质焦油等多种污染物被高效协同脱除。净化后的烟气在引风机f2作用下排出烟囱。
在高温除尘器2中分离下来的生物质气化灰在生物质气化灰气力输送装置s1作用下输送至气化灰仓b11，生石灰送至生石灰仓b12。通过调节气化灰仓和生石灰仓的仓底下料控制装置，控制气化灰和生石灰的下料量，进而控制气化灰和生石灰的给料比例。一定比例的气化灰和生石灰在预混装置9中均匀混合，紧接着排入消化器10中。经过三级干式消化后，气化灰和生石灰中的碱金属和碱土金属氧化物，主要是cao、na2o、k2o，反应生成ca(oh)2、naoh、koh。气化灰活化过程同时激发生石灰表面的活性位和微孔结构，最终消化形成高活性、高比表面积、高吸附能力的吸收剂。制备好的吸收剂在吸收剂气力输送装置s3作用下输送至吸收剂仓b3储存，并根据循环流化床干法脱硫吸收塔7的进口污染物浓度，调节吸收剂给料速度准确控制吸收剂的给料量，实现对污染物的高效协同脱除。
本发明还提供了一种燃煤耦合生物质气化的烟气净化方法，包括以下步骤：
a)生物质在生物质气化炉中进行气化，产生合成气；
b)合成气进入高温除尘器去除飞灰颗粒，再进入余热回收装置，回收余热，然后进入锅炉与燃煤燃烧，产生烟气；
c)所述烟气进入脱硝装置进行脱硝，然后进入前置除尘装置，脱除大颗粒飞灰；
d)步骤c)中脱除大颗粒飞灰后的烟气进入循环流化床干法脱硫吸收塔，烟气中的污染物被循环流化床干法脱硫吸收塔中的吸收剂脱除；所述污染物至少包括酸性气体，汞、焦油和二噁英中的一种或多种；
e)循环流化床干法脱硫吸收塔出来的烟气进入后置除尘器，脱除在循环流化床干法脱硫吸收塔中形成的颗粒物质，得到净化后的烟气；
f)步骤b)中脱除的飞灰颗粒与生石灰在预混装置中混合，然后进入消化器中消化形成吸收剂，储存于吸收剂仓中，再进入循环流化床干法脱硫吸收塔中作为吸收剂。
所述步骤b)中，飞灰颗粒的粒径为100μm～1mm。
所述步骤c)中，大颗粒飞灰的粒径为30μm～100μm。
所述循环流化床干法脱硫吸收塔中的ca/s为1.3～1.4。
在本发明的某些具体实施例中，所述酸性气体包括so2、so3、hcl、hf和nox中的任意一种或多种。
本发明得到的净化后的烟气在引风机作用下，可直接排出烟囱。
本发明采用生物质气化灰与生石灰混合消化，作为循环流化床干法脱硫工艺的吸收剂，充分利用生物质气化灰中高含量的碱金属和碱土金属、高比表面积和高碳含量，将生物质气化灰与生石灰充分混合后消化，大幅提高了吸收剂的比表面积和吸附活性，获得了90％～99％的汞脱除率和99％的轻质焦油脱除率，实现了汞排放小于3μg/nm3、二噁英排放＜0.1ng-teq/nm3，不仅实现了生物质气化灰的就地资源化利用，而且在大幅降低脱硫ca/s的前提下实现了烟气so2的超低排放，提高了汞和二噁英的吸附效率，减少干法脱硫的吸收剂耗量和成本，实现了燃煤与生物质气化耦合系统的多污染物高效协同净化，具有显著的经济效益和环境效益，进一步促进了燃煤与生物质气化耦合技术的工业化应用。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的燃煤耦合生物质气化的烟气净化系统及方法进行详细描述。
实施例1
2台220t/h规模的燃煤耦合生物质气化发电厂，生物质种类为稻壳，每台锅炉产生220000nm3/h烟气量(干标)，锅炉原始so2浓度为1500mg/nm3。现厂区周围供应纯度为80％、比表面积为10m2/g的生石灰，单价为400元/吨。
采用本发明所述燃煤耦合生物质气化的烟气净化系统，气化灰与生石灰的混合比例为1:1.5，ca/s为1.4，循环流化床干法脱硫工艺的脱汞效率不低于90％，最高可达到99％，轻质焦油脱除率99％，汞排放＜3μg/nm3，二噁英排放＜0.1ng-teq/nm3。
经计算，每台机组每小时消耗生石灰0.38吨和气化灰0.25吨，按年运行7000小时计算，该发电厂每年吸收剂成本为212.8万元。
比较例1
2台220t/h规模的燃煤耦合生物质气化发电厂，生物质种类为稻壳，每台锅炉产生220000nm3/h烟气量(干标)，锅炉原始so2浓度为1500mg/nm3。采用该生石灰，满足so2超低排放及多污染物协同脱除要求，ca/s达到了1.8，每台机组每小时吸收剂耗量为0.65吨，按年运行7000小时计算，该发电厂每年吸收剂成本达364万元。
最终脱汞效率为68％，轻质焦油脱除率90％，汞排放<10μg/nm3，二噁英排放<0.5ng-teq/nm3。
由上述实施例及比较例可知，采用本发明提供的净化系统后，该电厂每年可节省吸收剂成本达151.2万元，且对于焦油、二噁英等具有较高的脱除率。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。