CN102997697B - 基于烧结烟气净化的烧结矿余热利用工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于烧结烟气净化的烧结矿余热利用工艺，解决了烧结矿余热利用率低、烧结烟气净化运行成本和投资成本高以及氨法脱硫过程中存在的氨逃逸等问题。技术方案包括将烧结机引出的经过除尘和氨法脱硫后得到的50-60℃脱硫烟气，所述脱硫烟气与烧结机引出的800-900℃的烧结矿在烧结矿冷却设备中直接换热，对换热后升温至380℃以上的脱硫烟气进行检测，若氮氧化物含量低于排放标准则直接作为净化烟气排出，若高于排放标准则进行SCR法脱硝后得净化烟气排出，在烧结矿冷却设备中换热降温后的烧结矿送入下一工序。本发明具有工艺简单、设备投资和运行成本低、烧结矿余热利用率高、彻底解决氨逃逸问题，烧结烟气净化效果好。

Description

基于烧结烟气净化的烧结矿余热利用工艺

技术领域

本发明涉及一种烧结矿余热综合利用与烧结烟气污染物协同控制的方法，具体的说是一种基于烧结烟气净化的烧结矿余热利用工艺。

背景技术

钢铁产业是我国国民经济的支柱产业，也是关系国计民生的基础性行业，但钢铁产业又属于高能耗、高污染行业，2010年全国重点钢铁企业吨钢SO₂排放量为1.95kg。烧结烟气是仅次于电厂烟气的SOx和NOx的主要来源。为了加强SO₂减排，目前，国内许多钢厂实施了烧结烟气脱硫。

国外烧结烟气脱硫脱硝技术起步较早，经过几十年的发展，脱硫技术种类很多，且相对成熟。但脱硝技术相对较少，特别是成熟的技术更少。

烧结烟气脱硫技术种类繁多，可适用于不同的体系。在诸多工艺中，氨法脱硫工艺具有明显优势，脱硫效率高，脱硫剂用量小，无废渣废水，无二次污染，脱硫后副产品硫酸铵用途广，是一项可实现循环经济的“绿色”脱硫工艺。从实际运行效果来看，其脱硫效率达95%，运行成本较低。该工艺主要是采用含氨的吸收液作为吸收剂，在吸收塔内，烧结烟气通过填料格栅均布与自上而下吸收液直接接触发生化学吸收反应。吸收液由各喷淋层多个喷嘴喷出，从烟气中吸收SO_X、NO_X以及其它酸性物质。脱硫后的烟气依次经过除雾器除去雾滴，再经塔顶湿烟囱排入大气。

在烧结烟气的脱硝方面，日本和欧洲普遍采用SCR技术，氮氧化物去除率达60-80%；我国台湾省中钢公司在上世纪90年代投入使用的3座SCR法装置，脱硝效率大于80%。目前在大陆的烧结行业还没有采用脱硝的先例，但按照国家脱硝导则的要求和国内烧结烟气脱硝技术研究的深入，进行烧结烟气脱硝是必要和可行的。

采用氨法脱硫工艺存在“氨逃逸”的问题，导致氨利用率低，外排的烟气对周边环境带来新的污染，并腐蚀周边构筑物。另一方面，烧结烟气经氨法脱硫后，烟气温度为50～60℃，若采用当前应用广、经济可靠SCR技术进行脱硝，则需要对烟气加热，而目前烟气SCR脱硝的最佳期温度窗口为380-420℃。在对脱硫后烟气进行加热时，不仅需要外加热源，更重要的是需要庞大的换热设备。如台湾中钢烧结烟气SCR脱硝工艺中，其烟气就是采用加热炉进行加热到预定温度后进脱硝系统。有的是采用蒸汽作为热源，通过换热设备对烧结烟气进行加热。这不仅增加了脱硝固定资产投资，还增加了新的NOx产生源，运行成本也较高。

另一方面，在烧结生产过程中，热烧结矿带出的显热未能得到充分的回收利用。烧结生产中大约有一半的热能由烧结烟气和冷却废气带走，其中冷却机排出的废气显热占热能的30%左右。为了回收余热，宝钢于1991年建立了我国第一座大型现代化的烧结余热回收装置，装机容量约5lOOkw。1998年首钢烧结厂4号机的余热回收装置开始投产，全年可产蒸汽3-4万吨；马钢和安钢分别于2005年和2008年运行了烧结环冷机余热发电系统，武钢烧结余热发电也在2009年实现了并网。但是烧结余热发电还存在以下问题：

1）余热发电系统中，冷却400度以下烧结矿的空气没有进入余热锅炉，也就是说这部分热量没有得到有效的利用；

2）热源的连续性难以保证。烧结矿所携带的物理显热是主要热源，但是只有当烟气回收段有连续不断的烧结矿通过时，烧结余热才能成为一种连续的热源，才能保证烧结余热回收的有效进行。若烧结矿物流中断，则整个余热回收系统的热源也就中断了。但是，在烧结生产中由于设备运行的不稳定性，短时间的停机很难避免，烧结矿物流的中断是经常出现的情况，所以烧结余热热源的连续性难以保证；

3）由烧结矿显热转化为蒸汽显热，再转化为汽轮机机械能，最后转化为电能，在这些能源转化过程中存在损失，一般来说烧结矿显热转化为电能效率大约45～50%。

4）烧结矿进入下一工序通常利用皮带进行转运，烧结矿降温后的温度若仍高于150℃则会烧坏皮带，影响正常的转运操作，因此烧结矿的降温温度也应进行考虑。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种工艺极为简单、既能解决烟气氨法脱硫过程中“氨逃逸”问题，又能很好解决烧结矿的余热回收及热源的连续性难以保证的问题，同时大幅降低设备投资、节能降耗的基于烧结烟气净化的烧结矿余热利用工艺。

技术方案包括将烧结机引出的经过除尘和氨法脱硫后得到的50-60℃脱硫烟气，所述脱硫烟气与烧结机引出的800-900℃的烧结矿在烧结矿冷却设备中直接换热，对换热后升温至380℃以上的脱硫烟气进行检测，若氮氧化物含量低于排放标准则直接作为净化烟气排出，若高于排放标准则进行SCR法脱硝后得净化烟气排出，在烧结矿冷却设备中换热降温后的烧结矿送入下一工序。

所述脱硫烟气与净化烟气经过换热器间接换热预升温至190-230℃后，作为烧结矿的冷却介质进入烧结矿冷却设备与烧结矿直接换热升温至380℃以上，换热升温后的脱硫烟气进行或不进行SCR法脱硝，得到净化烟气，所述净化烟气再在所述换热器中与脱硫烟气进一步换热降温至100-120℃后排出。

所述脱硫烟气分为两股，第1股脱硫烟气送入烧结矿冷却设备与烧结矿直接换热，第2股脱硫烟气与净化烟气经过换热器间接换热升温至190-230℃，再与从烧结矿冷却设备出来的、经烧结矿加热的第1股脱硫烟气混合后使混合烟气温度达到380℃以上再进行或不进行SCR法脱硝，得到净化烟气，所述净化烟气再在所述换热器中与脱硫烟气进一步换热降温至100-120℃后排出；所述烧结矿在烧结矿冷却设备中换热至150℃以下送入下一工序。

所述第1股烟气占脱硫后总烟气量的体积百分比65-85%。

所述烧结矿冷却设备为环型冷却机或者是塔式冷却设备。

所述烧结矿冷却设备为环型冷却机，所述环型冷却机由高温段和低温段组成，烧结矿由环型冷却机的高温段进入、低温段送出，第1股脱硫烟气先送入环型冷却机的低温段与位于低温段的烧结矿进行一次换热升温，然后再送入高温段与位于高温段烧结矿进行二次换热升温，再与热换器出来的第2股脱硫烟气混合至混合烟气温度达到380℃以上，再进行或不进行SCR法脱硝得到净化烟气。

本发明工艺中烟气脱硫采用氨法脱硫工艺，脱硝采用SCR法脱硝工艺，彻底解决了目前氨法脱硫系统氨逃逸的问题，有效提高氨的利用率；对于脱硫后烟气温度低（仅为50-60℃），而采用SCR法脱硝前烟气温度必需达到380℃以上以满足催化反应条件而导致两个处理工艺中烟气温度“不匹配”的问题，发明人考虑利用烧结机输出的高温烧结矿对脱硫后的烟气进行直接加热，而不需要外加热源，以及外加热源带来的庞大的加热设备。同时也解决了烧结矿余热利用时所需要的庞大的烧结矿余热回收装置。由于烧结机同时产生烟气及烧结矿，烧结矿作为热源提供的间断性与烟气脱硫脱硝的工艺可完全同步，即当烧结机排出烟气需要进行脱硫脱硝处理时，必然烧结机也会同步输出高温的烧结矿用于和烟气进行换热，因为不用考虑热源提供的连续性，彻底解决了过去使用烧结矿余热回收系统热源的连续性难以保证的问题，省去了庞大的烧结矿余热回收装置，并且由于直接换热，换热效率可高达92%以上。

同时，发明人还意外的发现：脱硫烟气与烧结矿直接接触换热时，在有氨源的情况下，较高温度的烧结矿还具有对脱硫烟气中的氮氧化物有一定的脱除作用，从而达到降低脱硝催化剂的用量甚至不使用脱硝催化剂的目的。研究表明，γ-Fe₂O₃ 属于亚稳相，在300 ℃左右就有向更为稳定的α-Fe₂O₃ 相转化的趋势，α-Fe₂O₃ 生成时，铁氧体的比表面积减少，因而影响到微粒的特性。在250 ℃左右，以γ-Fe₂O₃为主要催化剂的脱硝反应达到了最大的脱除效率91%，且随着温度的升高，脱除效率逐渐下降，在330 ℃左右只有30%的脱除效率。可见，随着温度的升高γ-Fe₂O₃转变为α-Fe₂O₃ 影响了氮氧化物的脱除效率。可见在烟气加热过程中，受烧结矿中Fe元素催化作用下，“氨逃逸”带出的氨可与烟气中NOx反应生成氮气，从而可对脱硫烟气中的硝具有一定的脱除作用。实际应用中，技术人员可对与烧结矿换热后的脱硫烟气进行检测，若经换热后烟气中氮氧化物含量低于国家排放标准（如降至300mg/m³以下），则无需进行后续的SCR脱硝工艺就可形成净化烟气直接排出或进入换热器中进行换热。若氮氧化物含量等于或高于排放标准（如等于或高于300mg/m³）则进行SCR法脱硝。但相较于未与烧结矿直接换热而进行SCR法脱硝的烧结烟气而言，采用本发明方法，由于与烧结矿直接换热已经具有了一定的脱硝效果，因此能够有效降低后续SCR法脱硝中催化剂的用量，同时彻底解决了氨逃逸带来的问题，节省投资，大幅降低脱硝运行成本。

进一步的，考虑到由烧结机输出的烧结矿温度较高（可达800-900℃），与预升温后的脱硫烟气换热后，温度难以降至150℃以下，而若换热后烧结矿温度仍高于150℃，则会烧坏皮带，影响皮带转运的正常运行，并且余热也没有得充分的回收，因此发明人考虑将经脱硫后的50-60℃低温脱硫烟气部分（第1股脱硫烟气）不经换热器预升温，而是直接与高温的烧结矿进行换热，使其降温至150℃以下，其余部分烟气（第2股脱硫烟气）则经换热器与SCR法脱硝后烟气间接换热升温（升温至190-230℃），再将两股烟气混合后进行SCR法脱硝，通过合理的控制两股脱硫烟气的掺混比例，可使进行SCR法脱硝前的混合烟气达到380℃以上，满足进行SCR法操作的工艺条件，保证脱硝的正常进行，同时也满足了烧结矿转运的要求，烧结矿的余热也得到充分回收利用，一举多得，经精密计算的热平衡结果来看，本发明工艺是完全可行。

本发明中对脱硫后的烧结烟气是否进行SCR法脱硝是看经过与烧结矿换热后烟气中的氮氧化物含量而决定的，若氮氧化物含量不满足国家排放标准则进行SCR法脱硝进一步脱除烟气中的氮氧化物，或氮氧化物含量满足排放标准则无需进行进一步SCR法脱硝直接排放或经二次降温后排放即可。

有益效果：

（1）本发明工艺特别适合烧结烟气氨法脱硫工艺及SCR法脱硝工艺间的配合，工艺流程极为简单，易于操作，不需对现有烧结矿冷却系统主体工艺设备进行大的改造。

（2）在满足余热利用的要求前提下，节省了脱硫后烟气升温所需要的外用热源及相关的大型设备，也节省了烧结矿的余热回收装置，大幅降低了设备投资和运行成本，具有显著的经济效益。

（3）彻底解决了“氨逃逸”的问题，且实现了烧结矿的余热回收利用，在脱硫烟气与烧结矿直接换热过程中，烧结矿中Fe等元素催化作用下，“氨逃逸”带出的氨可与烟气中NOx反应生成氮气，从而可降低SCR法脱硝中催化剂的用量，甚至无需采用SCR法脱硝也能得满足排放要求的净化烟气，得到的烧结矿满足转运的温度要求，一举多得。

（4）与烧结机运行的同步率高，克服了原烧结矿余热利用系统受烧结机运行稳定性的影响。

附图说明

图1为实施例1的工艺流程图。

图2为实施例2的工艺流程图。

图3为实施例3的工艺流程图。

图4为实施例4的工艺流程图。

其中：

FGD 这flue gas desulfur的英文缩写，即烟气脱硫，本发明中具体为氨法脱硫工艺；

ESP为electrostatic precipitator的英文缩写，即为静电除尘工艺；

SCR为selective catalyst reduction的英文缩写，即为选择性催化还原工艺。

具体实施方式

实施例1（参见图1）：

由烧结机引出烟气及烧结矿，烟气经过电除尘（ESP）及氨法脱硫后得到50-60℃的脱硫烟气，所述脱硫烟气先与SCR法脱硝后烟气经换热器间接换热预升温至190-230℃，再与烧结机引出的800-900℃的烧结矿在烧结矿冷却设备中直接换热，换热后升温至380℃以上的脱硫烟气（经检测氮氧化物含量高于300mg/m³）进行SCR法脱硝后得净化烟气，所述净化烟气在上述换热器中与上述脱硫烟气进一步换热降温至100-120℃后排出，在烧结矿冷却设备中换热降温后的烧结矿送入下一工序。

本实施例中，经检测，净化后的烟气中二氧化硫及氮氧化物浓度满足《钢铁烧结、球团工业大气污染物排放标准》（GB28662-2012）。

实施例2（参见图3）：

其中，本实施例中的烧结矿冷却设备为环型冷却机，所述环型冷却机分5段，见图2，由1段到5段，烧结矿温度逐渐降低，1段和2段和3段为高温段，4-5段为低温段。

由烧结机引出的烟气及烧结矿，烟气进行除尘（ESP法电除尘）及氨法脱硫后得到50-60℃的脱硫烟气，所述脱硫烟气分为两股，第1股脱硫烟气（占脱硫烟气总量的体积百分数65-85%）送入环型冷却机的低温段（4段和5段）与位于低温段的烧结矿进行一次换热升温，然后再送入环型冷却机的高温段（1段-3段）与位于高温段的烧结矿进行二次换热升温至420-460℃；第2股脱硫烟气与净化烟气先在换热器中间接换热升温至190-230℃，再与环型冷却机出来的第1股脱硫烟气混合后使烟气（经检测氮氧化物（NOx）含量高于300mg/m³）温度达到380℃以上再进行SCR法脱硝得到净化烟气，净化烟气再在所述换热器中与脱硫烟气进一步换热降温至100-120℃后排出；所述烧结矿在环型冷却机中换热至150℃以下送入下一工序。

本实施例中，经检测，净化后的烟气中二氧化硫及氮氧化物浓度满足《钢铁烧结、球团工业大气污染物排放标准》（GB28662-2012）。

实施例3（参见图3）：

其中，本实施例中的烧结矿冷却设备为塔式冷却设备（如200910187381.8中公开的“竖式封闭的罐体”）

由烧结机引出烟气及烧结矿，烟气进行除尘（ESP法电除尘）及氨法脱硫后得到50-60℃的脱硫烟气，所述脱硫烟气分为两股，第1股脱硫烟气（占脱硫烟气总量的体积百分数65-85%）送入塔式冷却设备中与烧结矿直接换热至430-470℃；第2股脱硫烟气与净化烟气先在换热器中间接换热升温至190-230℃，再与塔式冷却设备出来的第1股脱硫烟气混合后使烟气（经检测氮氧化物含量高于300mg/m³）温度达到380℃以上再进行SCR法脱硝得到净化烟气，净化烟气再在所述换热器中与脱硫烟气进一步换热降温至100-120℃后排出；所述烧结矿在塔式冷却设备换热至150℃以下送入下一工序。

经检测，净化后的烟气中二氧化硫及氮氧化物浓度满足《钢铁烧结、球团工业大气污染物排放标准》（GB28662-2012）。

实施例4（参见图4）：

由烧结机引出的烟气及烧结矿，烟气进行除尘（ESP法电除尘）及氨法脱硫后得到50-60℃的脱硫烟气，所述脱硫烟气先与净化烟气在换热器中间接换热预升温至190-230℃，再与烧结机引出的800-900℃的烧结矿在烧结矿冷却设备中直接换热，换热后升温至380℃以上的脱硫烟气经检测氮氧化物含量低于300mg/m³，不进行SCR法脱硝，直接作为净化烟气在上述换热器中与上述脱硫烟气进一步换热降温至100-120℃后排出，在烧结矿冷却设备中换热降温后的烧结矿送入下一工序。

本实施例中，经检测，净化后的烟气中二氧化硫及氮氧化物浓度满足《钢铁烧结、球团工业大气污染物排放标准》（GB28662-2012）。

Claims (8)

1.一种基于烧结烟气净化的烧结矿余热利用工艺，包括从烧结机引出的经过除尘和氨法脱硫后得到的50-60℃脱硫烟气，其特征在于，所述脱硫烟气与烧结机引出的800-900℃的烧结矿在烧结矿冷却设备中直接换热，对换热后升温至380℃以上的脱硫烟气进行检测，若氮氧化物含量低于排放标准则直接作为净化烟气排出，若高于排放标准则进行SCR法脱硝后得净化烟气排出，在烧结矿冷却设备中换热降温后的烧结矿送入下一工序。

2.如权利要求1所述的基于烧结烟气净化的烧结矿余热利用工艺，其特征在于，所述烧结矿冷却设备为环型冷却机或者是塔式冷却设备。

3.一种基于烧结烟气净化的烧结矿余热利用工艺，包括从烧结机引出的经过除尘和氨法脱硫后得到的50-60℃脱硫烟气，其特征在于，所述脱硫烟气与净化烟气经过换热器间接换热，使脱硫烟气预升温至190-230℃后，作为烧结矿的冷却介质进入烧结矿冷却设备与烧结矿直接换热升温至380℃以上，换热升温后的脱硫烟气进行或不进行SCR法脱硝，得到净化烟气，所述净化烟气再在所述换热器中与脱硫烟气进一步换热降温至100-120℃后排出。

4.如权利要求3所述的基于烧结烟气净化的烧结矿余热利用工艺，其特征在于，所述烧结矿冷却设备为环型冷却机或者是塔式冷却设备。

5.一种基于烧结烟气净化的烧结矿余热利用工艺，包括从烧结机引出的经过除尘和氨法脱硫后得到的50-60℃脱硫烟气，其特征在于，所述脱硫烟气分为两股，第1股脱硫烟气送入烧结矿冷却设备与烧结矿直接换热，第2股脱硫烟气与净化烟气经过换热器间接换热，使第2股脱硫烟气升温至190-230℃，再与从烧结矿冷却设备出来的、经烧结矿加热的第1股脱硫烟气混合后使混合烟气温度达到380℃以上再进行或不进行SCR法脱硝，得到净化烟气，所述净化烟气再在所述换热器中与脱硫烟气进一步换热降温至100-120℃后排出；所述烧结矿在烧结矿冷却设备中换热至150℃以下送入下一工序。

6.如权利要求5所述的基于烧结烟气净化的烧结矿余热利用工艺，其特征在于，所述第1股脱硫烟气占脱硫后总烟气量的体积百分比65-85％。

7.如权利要求5所述的基于烧结烟气净化的烧结矿余热利用工艺，其特征在于，所述烧结矿冷却设备为环型冷却机或者是塔式冷却设备。

8.如权利要求5所述的基于烧结烟气净化的烧结矿余热利用工艺，其特征在于，所述烧结矿冷却设备为环型冷却机，所述环型冷却机由高温段和低温段组成，烧结矿由环型冷却机的高温段进入、低温段送出，第1股脱硫烟气先送入环型冷却机的低温段与位于低温段的烧结矿进行一次换热升温，然后再送入高温段与位于高温段烧结矿进行二次换热升温，再与换热器出来的第2股脱硫烟气混合至混合烟气温度达到380℃以上，再进行或不进行SCR法脱硝得到净化烟气。