一种清洁燃料掺烧与深度调峰下双级活性炭多污染物控制系统及方法

本发明涉及工业烟气治理，具体是一种清洁燃料掺烧与深度调峰下双级活性炭多污染物控制系统及方法。

背景技术：

1、煤炭作为我国能源体系的支柱，在中长期内仍将发挥保障能源安全和电力稳定供应的基础作用。随着新型电力系统建设的推进，燃煤发电技术正加速向深度低碳化与灵活化转型。其中，燃煤锅炉大比例掺烧生物质、绿氨等清洁燃料，是降低化石碳排放和推动火电低碳转型的重要技术路径。与常规燃煤烟气相比，清洁燃料大比例掺烧后烟气污染物组成更加复杂，氮氧化物、逃逸氨、碱金属、氯化氢、vocs等污染物浓度显著上升。同时，燃煤机组灵活性运行要求其具备深度调峰能力，在调峰工况下，锅炉负荷频繁变化，烟气温度、流量以及污染物浓度呈现宽范围波动特征，严重制约了烟气污染物的超低排放及氨逃逸的控制。

2、当前针对燃煤锅炉的烟气污染物控制系统通常由脱硝单元、除尘单元及湿法脱硫单元组成，可在设计负荷和稳定工况下实现氮氧化物、颗粒物和二氧化硫等常规污染物的高效脱除。然而在大比例掺烧及深度调峰运行条件下，传统污染物控制系统适配性不足，动态调控能力有限，其中脱硝单元受影响尤为突出。现有脱硝系统多采用以钒钨钛基催化剂为核心的氨选择性催化还原（nh3-scr）技术，工作温度窗口通常为300~400℃。当机组进入低负荷运行状态时，烟气温度可降低至280℃以下，使得常规scr催化剂活性下降，氮氧化物脱除效率降低；若通过增加喷氨量维持脱硝效率，又容易造成氨逃逸升高，并进一步诱发后续设备腐蚀、堵塞及二次污染问题。

3、此外，清洁燃料掺烧引入或强化的氯化氢、碱金属、vocs等非常规污染物，难以依靠传统“脱硝-除尘-脱硫”污染物控制流程实现高效协同脱除。例如秸秆类生物质通常含有较高的氯元素及钾、钠等碱金属元素，燃烧过程中易生成hcl、kcl、nacl及碱金属气溶胶等腐蚀性或黏附性组分，不仅会影响下游设备安全稳定运行，还可能加剧催化剂中毒、烟道积灰和受热面腐蚀。传统湿法脱硫系统主要面向so2脱除，除尘系统主要面向颗粒物捕集，难以对逃逸氨、hcl、碱金属及vocs等多种非常规污染物进行快速响应和协同控制。

4、活性炭材料具有发达的孔隙结构、较大的比表面积以及可调控的表面官能团，兼具低温nh3-scr催化活性和多污染物吸附能力，为解决深度调峰工况下低温脱硝效率下降及清洁燃料掺烧工况下非常规污染物协同脱除问题提供了新的技术思路。因此，亟需基于活性炭的合理应用，开发一种能够适应清洁燃料大比例掺烧和深度调峰工况的烟气多污染物协同控制方案，使其既能够在低温条件下强化nh3-scr脱硝反应，又能够对脱硝后烟气中的逃逸氨、氯化氢、碱金属及vocs等非常规污染物进行动态吸附脱除，从而提高现有燃煤锅炉烟气污染物控制系统的宽温区适应性、动态调控能力和多污染物协同净化能力。

技术实现思路

1、针对现有污染物控制系统在大比例掺烧清洁燃料及深度调峰工况下存在的脱硝效率下降、氨逃逸升高以及非常规污染物协同控制能力不足等问题，本发明提供一种清洁燃料掺烧与深度调峰下双级活性炭多污染物控制系统及方法，其通过分级活性炭喷射与联动调控，能够实现宽温区脱硝强化与多污染物协同脱除，提升系统对复杂工况的适配能力。

2、为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

3、一种清洁燃料掺烧与深度调峰下双级活性炭多污染物控制系统，包括脱硝塔、喷氨格栅、钒钨钛基催化剂层、布袋除尘器、脱硫塔和烟囱，所述喷氨格栅设置于脱硝塔入口处并与外部氨气供给管路连通，所述钒钨钛基催化剂层采用多层结构布局并沿轴向间隔设置于脱硝塔内部，还包括温度反馈控制器、活性炭一级储仓、活性炭一级喷射器、多孔均布板、吸附烟道、活性炭二级储仓、活性炭二级喷射器、扰流板、多污染物监测单元、双级活性炭联动喷射控制器、活性炭分离器以及活性炭再生装置；

4、所述温度反馈控制器设置于脱硝塔入口前的烟道处实时监测烟气温度并反馈信号；所述多孔均布板设置于钒钨钛基催化剂层的间隔区域内，所述活性炭一级储仓通过输送管路与活性炭一级喷射器连接，所述活性炭一级喷射器设置于脱硝塔侧部并与脱硝塔内部的多孔均布板连通；

5、所述脱硝塔的出口与吸附烟道的入口连通，所述活性炭二级储仓通过输送管路与活性炭二级喷射器连接，所述活性炭二级喷射器设置于吸附烟道上并与吸附烟道内部连通，所述扰流板设置于吸附烟道内部且位于活性炭二级喷射器的邻近区域；

6、所述吸附烟道的出口与活性炭分离器的入口连通，所述活性炭分离器的固体出口与活性炭再生装置连接，所述活性炭再生装置的出口通过回用管路与活性炭二级储仓连接，活性炭分离器的烟气出口与布袋除尘器的入口连通，所述布袋除尘器的出口与脱硫塔的入口连通，所述脱硫塔的出口与烟囱连通；

7、所述多污染物监测单元分别与脱硝塔入口烟道、脱硝塔出口烟道及吸附烟道出口烟道连通；所述双级活性炭联动喷射控制器分别与温度反馈控制器、活性炭一级喷射器、活性炭二级喷射器及多污染物监测单元进行信号连接，根据烟气温度与污染物浓度动态调节两级活性炭的喷射量。

8、进一步的，所述活性炭一级喷射器喷射的一级活性炭为粉末状或颗粒状，粒径为10~100μm，比表面积为1000~1700m2/g，孔隙结构为微孔；一级活性炭表面含有含氮官能团，氮元素含量为1~8at.%，所述含氮官能团包括吡啶氮、吡咯氮、石墨氮中的一种或多种；一级活性炭与钒钨钛基催化剂层的质量比为1:100~10:100。

9、进一步的，所述活性炭二级喷射器喷射的二级活性炭为粉末状，粒径为10~100μm，比表面积为500~1000m2/g，总孔容为0.3~1.0cm3/g；二级活性炭为分级孔结构，包括微孔、中孔和大孔，其中中孔和大孔孔容占总孔容的20%~60%；二级活性炭表面含有含氧官能团和/或含氮官能团，氧元素含量为5~10at.%，氮元素含量为2~10at.%。

10、进一步的，所述活性炭分离器为旋风分离器、惯性分离器、陶瓷过滤分离器或其组合，对活性炭的分离效率为80%~99%；所述活性炭再生装置采用热再生方式，再生温度为150~300℃，再生气氛为氮气、水蒸气或其混合气，再生时间为10~120min。

11、进一步的，所述双级活性炭联动喷射控制器的控制逻辑为：当脱硝塔入口烟气温度低于300℃时，启动活性炭一级喷射器；当脱硝塔出口nh3浓度高于3~5ppm、hcl浓度高于10ppm或vocs浓度高于20mg/nm3时，启动活性炭二级喷射器；当污染物浓度低于设定值时，降低对应活性炭的喷射量。

12、一种清洁燃料掺烧与深度调峰下双级活性炭多污染物控制方法，包括以下步骤：

13、s1、工况实时监测：燃煤锅炉产生的烟气进入脱硝塔前，通过温度反馈控制器实时监测烟气温度并反馈至双级活性炭联动喷射控制器；同时通过多污染物监测单元对脱硝塔入口烟道、脱硝塔出口烟道及吸附烟道出口烟道中的nox、nh3、hcl、vocs浓度以及烟气流量进行在线监测，并将监测信号传输至双级活性炭联动喷射控制器，判断当前系统的运行工况；

14、s2、分级脱硝反应：当检测到脱硝塔入口烟气温度处于300~400℃时，通过喷氨格栅向进入脱硝塔的烟气中喷入nh3还原剂，烟气中的nox与nh3在钒钨钛基催化剂层表面发生选择性催化还原反应，实现额定工况下的nox脱除；当检测到烟气温度低于300℃时，双级活性炭联动喷射控制器启动活性炭一级喷射器，一级活性炭经多孔均布板均布整流后均匀附着于钒钨钛基催化剂层表面，形成活性炭-钒钨钛基催化剂复合脱硝体系，强化低温工况下的nox脱除；

15、s3、二级协同吸附：当检测到脱硝塔出口的nh3、hcl或vocs浓度升高，或非常规污染物脱除需求增加时，双级活性炭联动喷射控制器启动活性炭二级喷射器，将二级活性炭喷入吸附烟道内，二级活性炭在扰流板的作用下与烟气充分湍流混合，对脱硝后烟气中的逃逸氨、hcl、碱金属及vocs进行吸附捕集；

16、s4、烟气净化与排放：经吸附烟道处理后的烟气进入活性炭分离器完成气固分离，分离后的烟气先进入布袋除尘器脱除残余颗粒物，再进入脱硫塔脱除so2，最终经烟囱排放；

17、s5、活性炭再生回用：由活性炭分离器分离得到的富集污染物的活性炭送入活性炭再生装置进行热再生处理，再生后性能达标的活性炭返回活性炭二级储仓循环利用。

18、进一步的，所述步骤s2中，喷氨格栅控制nh3与nox的摩尔比为0.8~1.2，一级活性炭与钒钨钛基催化剂层的质量比为1:100~10:100。

19、进一步的，所述步骤s5中，当再生活性炭的比表面积保持率低于70%，或污染物吸附容量低于新鲜活性炭的60%时，将该部分活性炭排出系统并补充新鲜活性炭。

20、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

21、1、宽温区脱硝适配：通过在脱硝塔内设置一级活性炭喷射单元，低温工况下活性炭与钒钨钛基催化剂形成复合脱硝体系，弥补常规催化剂低温活性不足的缺陷，提升深度调峰低负荷工况下的脱硝效率，同时降低过量喷氨引发的氨逃逸风险；

22、2、多污染物协同脱除：通过脱硝塔后设置二级活性炭喷射单元，可同步吸附脱除清洁燃料大比例掺烧带来的逃逸氨、氯化氢、碱金属及vocs等非常规污染物，弥补传统“脱硝-除尘-脱硫”工艺流程的治理短板；

23、3、动态精准调控：基于烟气温度与多污染物在线监测数据，通过双级活性炭联动喷射控制器动态调节两级活性炭的喷射量，可适配烟气参数宽范围波动的调峰工况，在保障达标排放的前提下减少活性炭消耗量；

24、4、活性炭循环利用：配套活性炭分离与热再生单元，二级吸附后的活性炭可经再生后循环回用，降低系统运行的物料消耗成本；

25、5、系统改造兼容性强：可在现有常规燃煤烟气治理流程基础上进行加装改造，适用于在役燃煤机组的低碳化与灵活化升级。