CN107081063A - 烧结烟气循环的烧结过程脱硝系统 - Google Patents

烧结烟气循环的烧结过程脱硝系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种烧结烟气循环的烧结过程脱硝系统，技术方案包括烧结机，所述烧结机的台车下方设有风箱，与风箱底部出口连通的烟气管道，沿台车行进方向烧结机依次分为点火段、机头段、烟气快速升温段和机尾段4个区域，所述机尾段至烟气快速升温段区域下方的风箱内均装有液氨喷嘴；所述烟气管道包括主烟道和循环烟气主烟道，所述机尾段和烟气快速升温段下方的风箱出口连通主烟道；所述机头段下方的风箱出口经循环烟气主烟道连通烧结机台车上方的循环烟气罩。本发明系统简单、不外购催化剂实现有效脱硝、可控性好、对环境友好、脱硝投资省、运行成本低，并能有效脱除外排烧结烟气中的NOx。

Description

烧结烟气循环的烧结过程脱硝系统
技术领域
本发明涉及环保领域的烟气脱硝系统，具体的说是一种烧结烟气循环的烧结过程脱硝系统。
背景技术
为了减排烧结过程烟气污染物总量，烧结烟气循环已作为一项重要的减排方案早已受到业界关注。如佐藤羲政等早在上世纪80年代就开展了烧结烟气循环的研究，将烧结烟气部分循环再次进入烧结机，可明显减少了废气的排放量,可实现减排25-50％,具有重大的环境和社会效益。
随着环保要求的日益严格，烧结烟气循环再次成为当前研究的热点。范振宇等研究了烟气循环过程的温度、氧气体积分数、压力等指标对烧结过程的影响，得出循环烟气温度、氧浓度及压力平衡等是整个循环工艺成败的关键。采用烧结烟气循环技术，理论上循环烟气的比例最高可达到50％，但综合各方面的影响来看，比较适宜的比例为30％左右。
目前普遍推行的烧结烟气循环技术方案为：
(1)采用头尾风箱烟气循环的模式；
(2)采用尾部风箱烟气循环的模式；
(3)采用中部风箱烟气循环的模式。
宁钢与沙钢工程中应用的是头尾风箱烟气循环方式。
2013年5月，宁钢烧结烟气循环系统的顺利投运，开创了国内大型烧结机应用烟气循环技术的先河，可实现烧结烟气减排30％以上，烧结矿煤耗(全焦)减少2.56kg/t(矿)，每年取得节能效益达869万元。继宁钢烧结之后，烟气循环技术在国内得到了工业化推广应用。
但目前开展的烟气循环并未针对烟气的性质进行分区、分质循环，节能及减排效果不明显，以至于国内还未全面推广应用。
通过对烧结机不同区域的烟气进行跟踪分析，烧结机不同区域其烟气物性及组成区别较大，如图1-1、图1－2、图2-1、图2-2所示，在烟气快速升温段前期，如9、10号风箱以前(风箱编号按两侧连续编号，数字大的对应机头，小的对应机尾)，烟气温度低，NOx浓度高；快速升温段后(9、10号风箱以后)，烟气温度高，NOx浓度低。
另一方面，Busca等以活性炭纤维为载体，研究了附着氧化铁催化剂后，具有明显的脱硝效果；Larrubia等研究了γ-Fe2O3和α-Fe2O3的SCR脱硝反应活性,Kureti等研究了以ZrO2为载体的Fe2O3催化剂的SCR脱硝特性，研究表明，γ-Fe2O3和α-Fe2O3均有催化脱硝作用。针对此，本技术利用烧结矿中铁系氧化物多组分协同催化作用，在烧结机中部的烟气快速升温段，向风箱内的喷入氨气，利用烟气中的粉尘富含铁系氧化物多组分具有的脱硝催化作用，且温度在300℃以上，实现了烧结粉尘及烟气的高温(脱硝温度窗口)余热充分利用并同步脱硝的目的。同时，将快速升温段前期的烟气循环引到烧结机快速升温段后段，再次进入烧结过程，既节省了脱硝设备的投资，还省去了外购脱硝催化剂。
发明内容
本发明目的是为了解决上述技术问题，针对烧结机不同区域产生的烟气污染物浓度不同以及不同区域的烧结矿或烧结混合料层内不同的反应特性，提供一种系统简单、不外购催化剂实现有效脱硝、可控性好、对环境友好、设备投资省、运行成本低，并能有效减排NOx的烧结烟气循环的烧结过程脱硝系统。
本发明系统包括烧结机，所述烧结机的台车下方设有风箱，风箱底部的出口连通烟道管道，沿台车行进方向烧结机依次分为点火段、机头段、烟气快速升温段和机尾段4个区域；所述机尾段至烟气快速升温段区域下方的风箱内均装有液氨喷嘴；所述烟气管道包括主烟道和循环烟气主烟道，所述机尾段和烟气快速升温段下方的风箱出口连通主烟道；所述机头段下方的风箱出口经循环烟气主烟道连通烧结机台车上方的循环烟气罩。
所述循环烟气罩安装在烧结机正上方，覆盖烧结机机尾段和烟气快速升温段。
所述烧结机机尾段和烟气快速升温段区域风箱侧壁上沿周向安装至少一层液氨喷嘴。
所述机尾段和烟气快速升温段下方的风箱侧壁上的液氨喷嘴喷出口倾斜向上，使液氨喷向台车底部篦子上，使液氨喷出方向与烟气流动方向相反，或两方向的夹角大于90度。
所述主烟道经循环烟气换热器的管程或壳程连接静电/布袋除尘器。
所述烟气管道还包括有机头点火段烟道，所述点火段下方的风箱经机头点火段烟道连接静电/布袋除尘器。
所述循环烟气主烟道经循环烟气除尘器、循环烟气换热器的壳程或管程连接循环烟气罩。
发明人分析发现，烧结机不同区域产生的烧结烟气温度及烟气中污染物浓度均不同，机尾段烧结烟气温度＞200℃，NOx浓度＜100mg/Nm3；烟气快速升温段烧结烟气温度80－200℃，NOx浓度＞100mg/Nm3；机头段烧结烟气温度＜80℃，NOx浓度300mg/Nm3以上；点火段烧结烟气温度＜80℃，NOx浓度＜100mg/Nm3，如果直接不经区别将所有烧结烟气都送入烟气管道内混合，存在以下不足：1)混合后主烟道内的烟尘温度下降，影响较高温度的烧结烟气在主烟道行进中进一步还原脱硝反应；2)较高温度的烧结烟气余热未能回收利用，余热浪费；3)不利于烟气的循环。据此将所述烟气管道分为主烟道、循环烟气主烟道和机头点火段烟道，来自机尾段和烟气快速升温段的烧结烟气温度较高，因此可在下方的风箱中与液氨混合，创造出满足脱硝反应的温度、原料和催化剂条件，这部分烟气不混入其它低温烟气直接送入主烟道，在后续主烟道内还可进一步发生脱硝反应；来自所述机头段的烧结烟气温度低而NOx浓度高，这部分烟气脱硝处理时，需加热升温到脱硝温度窗口，能耗高，还需外购脱硝催化剂，处理成本大，将这部分烟气经对应的风箱收集后单独通过循环烟气主烟道引出，发明人巧妙地送入烧结机台车上方的循环烟气罩内，在高压风机的抽力作用下再次进入烧结料层，参与烧结过程并还原脱硝后穿过台车篦子再次进入风箱内；通过将循环烟气罩安装在烧结机正上方，覆盖烧结机机尾段和烟气快速升温段，使这部分烟气回送到产生的烟气温度最高的烧结机机尾段和烟气快速升温段区域，这样的技术效果主要为：①机头段高NOx浓度的烟气循环进入机尾段及烟气快速升温段，在穿过烧结料层时，该区域烧结料层富含有铁系多氧化物，同时循环烟气中氧气浓度偏低(低于空气中的氧气浓度)，烧结过程形成的烟气含有一定的还原气体，循环烟气穿过烧结料层时，在铁系多氧化物的催化作用下对NOx进行了脱除；②机头段引出的循环烟气的湿度比空气的湿度大，循环烟气穿过烧结料层时的阻力较空气低，减少了气体穿过烧结料层的阻力损失；③通过换热器将机尾段和烟气快速升温段的烟气与循环烟气换热，回收了烟气的余热，降低了进后续静电/布袋除尘器的烟气温度，节省了原烟气处理系统中进入除尘器前需对烧结烟气降温所采用的补充室温所增加的能耗；④烧结烟气的部分循环减少了烟气的外排量，降低了后续烟气净化系统的负荷；⑤向机尾段和烟气快速升温段区域对应的风箱内喷入液氨，充分利用该区域烟气脱硝温度窗口，在烟气中颗粒物富含铁系多氧化物的催化作用下进一步脱硝，节省脱硝的设备投资及脱硝催化剂的投入；⑥点火段烧结烟气温度较低，若直接混入主烟道的烟气中会降低主烟道中烟气温度，不利于创造有利的脱硝环境，因此考虑将这部分烧结烟气经下方的风箱收集后经机头点火段烟道再和主烟道中的烧结烟气混合后一起送入静电/布袋除尘器除尘。通过将不同区域的烟气根据其特点不同，进行烟气分质处理正是本申请重要的发明点。
机尾段至烟气快速升温段区域下方的风箱内烟气温度较高(满足脱硝的温度反应条件)，且在风箱中的烧结烟气含尘浓度也最高(含有大量铁系氧化物)，烧结烟气在风箱被收集时停留时间也较长，此时向风箱中喷入液氨，利用烟气中的粉尘富含铁系氧化物多组分具有的脱硝催化作用，且温度在300℃左右，实现了烧结粉尘及烟气的(脱硝温度窗口)余热充分利用并同步脱硝的目的。并且由于风箱中的烧结烟气是烟气处理的第一步，在此处喷入液氨，即使不能完全消耗，还可以在后续主烟道输送、后续除尘等过程中同步发生脱硝反应。
进一步的，风箱内的氨水喷嘴喷口出倾斜向上，其目的有三：(1)使液氨以及其汽化形成的氨气与烧结烟气逆向接触，提高了氨气与烧结烟气的混合效果；(2)大部分液氨会喷向台车底面的篦子上，而该区域烧结烟气中含尘浓度高，且温度正好在SCR脱硝温度窗口，脱硝效果最佳；(3)小部分液氨会穿过篦子间隙进入台车底部的烧结矿底料中，直接在底料所含的铁系氧化物的催化作用下与烟尘中的NOx发生催化还原脱硝反应，进一步提高了脱硝效果。因此，优选所述氨水喷嘴位于所述风箱的上段，所述氨水喷嘴可以设一层或多层，每层均布多个，以保证氨液与烧结烟气均匀混合。
有益效果：
(1)将烧结机不同区域的烟气分别引入到不同的烟道进行不同处理，充分利用了烧结机机尾段及烟气快速升温段区域下方对应风箱内的烟尘温度高，烟尘含尘量大，富含铁系多氧化物，向风箱内喷入液氨，实现烟气的在线脱硝，节省了SCR脱硝时升温室需补充的外界热源和催化剂；
(2)机头段高NOx浓度的烟气循环进入机尾段及烟气快速升温段，在穿过烧结料层时，该区域烧结料层富含有铁系多氧化物，同时循环烟气中氧气浓度偏低(低于空气中的氧气浓度)，含有一定的还原气体，循环烟气穿过烧结料层时，在铁系多氧化物的催化作用下对NOx进行了脱除；
(3)机头段引出的循环烟气的湿度比空气的湿度大，循环烟气穿过烧结料层时的阻力较空气低，减少了气体穿过烧结料层的阻力损失；
(4)通过换热器将机尾段和烟气快速升温段的烟气与循环烟气换热，回收了较高温度的烟气余热，降低了后续静电/布袋除尘器的烟气温度，节省了原系统采用补充空气对烧结烟气降温所增加的动力消耗；
(5)烧结烟气的部分循环再次进入烧结料层，减少了烟气的外排量，降低了后续烟气净化系统的负荷；
(6)本发明系统在不外添催化剂的前提下达到有效脱硝的目的，充分利用系统余热，NOx减排量70％，与传统SCR脱硝工艺相比，降低脱硝成本70％，脱硝设备投资可降低40％，具有广阔的市场应用前景。
附图说明
图1－1：10-23号风箱烟气中NOx浓度分析表；
图1－2：24-46号风箱烟气中NOx浓度分析表；
图2－1：10-23号风箱烟气中烟气温度分析表；
图2－2：24-46号风箱烟气中烟气温度分析表；
图3为本发明系统图。
其中，1－循环烟气罩、2－烧结机、2.1－1台车、3－烧结料层、3.1-底料、4－液氨喷嘴、5－液氨、6－风箱、7－主烟道、8－循环烟气管道、9-循环烟气风机、10-机头点火段烟道、11-循环烟气换热器、12-循环烟气除尘器、13－循环烟气主烟道、14-静电/布袋除尘器、15-高压风机。
具体实施方式
参见图1，本发明系统包括烧结机2，所述烧结机2的台车2.1下方设有风箱6，风箱6底部的出口连通烟道管道，沿台车行进方向烧结机依次分为点火段、机头段、烟气快速升温段和机尾段4个区域，所述机尾段至烟气快速升温段区域下方的风箱6内均装有液氨喷嘴4；所述烟气管道包括主烟道7、循环烟气主烟道13和机头点火段烟道10，所述机尾段和烟气快速升温段下方的风箱6出口连通主烟道13，主烟道13的出口经循环烟气换热器11的管程或壳程连接静电/布袋除尘器14；所述机头段下方的风箱6出口经循环烟气主烟道13经循环烟气除尘器12、循环烟气换热器11的壳程或管程、循环烟气管道8连通烧结机台车2.1上方的循环烟气罩1，所述循环烟气罩1安装在烧结机1正上方，覆盖烧结机机尾段和烟气快速升温段。所述烧结机2的机尾段和烟气快速升温段区域下方风箱6侧壁上沿周向安装至少一层液氨喷嘴4，优选液氨喷嘴4喷出口倾斜向上，使液氨5喷向台车2.1底部篦子上，使液氨喷出方向与烟气流动方向相反，或两方向的夹角大于90度。
以某钢厂烧结机产生的烧结烟气处理为例，混合烟气(含点火段、机头段、烟气快速升温段和机尾段4个区域)的NOx含量为264mg/m3，烟气温度120－200℃，，采用本发明方法的步骤如下：
烧结烟气在高压风机的抽力作用下穿过烧结料层3、底料3.1、烧结机台车2.1底部篦子、台车2.1下方的风箱6进入烟气管道，沿台车2.1行进方向将烧结机1依次分为点火段、机头段、烟气快速升温段和机尾段4个区域，点火段位于烧结机最前端，该区域占1－2个风箱；机头段位于点火段之后的烧结机前半部并延伸至烧结机中部，该区域占烧结机总长度的35－45％；烟气快速升温段位于烧结机中部偏机尾方向，该区域占2－4个风箱；机尾段位于烧结机的后半部，该区域占烧结机总长度的35－45％；机尾段烧结烟气温度＞200℃，NOx浓度＜100mg/Nm3；烟气快速升温段烧结烟气温度80－200℃，NOx浓度＞100mg/Nm3；机头段烧结烟气温度＜80℃，NOx浓度300mg/Nm3以上；点火段烧结烟气温度＜80℃，NOx浓度＜100mg/Nm3，，所述烟气管道包括主烟道7、循环烟气主烟道13和机头点火段烟道10，来自所述机尾段和烟气快速升温段区域的烧结烟气在风箱5内与经液氨喷嘴4喷入的液氨、以及液氨在高温下汽化形成的氨气混合，在烧结烟气富含的铁系多氧化物催化作用下发生脱硝还原反应后进入主烟道7，再经循环烟气换热器11换热降温后送入静电/布袋除尘器14除尘，然后送入下一工序；来自所述机头段的烧结烟气经对应的风箱6收集后通过循环烟气主烟道13送入循环烟气除尘器12除尘，再经循环烟气换热器11与主烟道7的烧结烟气间接换热升温后经循环烟气管道8送入循环烟气罩1，由于循环烟气罩1安装在烧结机2正上方，覆盖烧结机机尾段和烟气快速升温段，因此该部分烧结烟气会对应进入烧结机1的机尾段和烟气快速升温段，在该区域的烧结料层中富含的铁系多氧化物的催化还原脱硝作用下，循环烟气在穿过烧结料层时，其中的NOx被还原；所述点火段的烧结烟气被对应的风箱6收集后直接引出经机头点火段烟道10和主烟道7内的烟气一起进入后续静电/布袋除尘器14内。
所述烧结机机尾段和烟气快速升温段区域下方的风箱6侧壁上沿周向安装至少一层倾斜向上的液氨喷嘴4，通过喷嘴喷入液氨进入风箱并汽化成氨气与烧结烟气混合，在烧结烟气中富含铁系多氧化物的催化作用下与烟气中的NOx发生脱硝反应。倾斜向上的液氨喷嘴4能使使液氨喷向台车底部篦子上，使液氨喷出方向与烧结烟气流动方向相反，或两方向的夹角大于90度。优选喷入的液氨量按烟尘中的NOx∶NH3＝1∶(1.0－1.05)的摩尔比喷入。
经处理后的烧结烟气NOx排放量减少70％。
采用上述脱硝工艺全程不使用催化剂，利用烧结料层及烧结烟气中的颗粒物中含有铁系多氧化物的脱硝催化活性，使氨与NOx反应脱硝，减少脱硝设备投资，充分利用了系统余热，与传统SCR脱硝工艺相比，降低脱硝成本70％，降低脱硝设备投资40％。

Claims (7)

1.一种烧结烟气循环的烧结过程脱硝系统，包括烧结机，所述烧结机的台车下方设有风箱，与风箱底部出口连通的烟气管道，沿台车行进方向烧结机依次分为点火段、机头段、烟气快速升温段和机尾段4个区域，其特征在于，所述机尾段至烟气快速升温段区域下方的风箱内均装有液氨喷嘴；所述烟气管道包括主烟道和循环烟气主烟道，所述机尾段和烟气快速升温段下方的风箱出口连通主烟道；所述机头段下方的风箱出口经循环烟气主烟道连通烧结机台车上方的循环烟气罩。
2.如权利要求1所述的烧结烟气循环的烧结过程脱硝系统，其特征在于，所述循环烟气罩安装在烧结机正上方，覆盖烧结机机尾段和烟气快速升温段。
3.如权利要求1所述的烧结烟气循环的烧结过程脱硝系统，其特征在于，所述烧结机机尾段和烟气快速升温段区域风箱侧壁上沿周向安装至少一层液氨喷嘴。
4.如权利要求3所述的烧结烟气循环的烧结过程脱硝系统，其特征在于，所述机尾段和烟气快速升温段下方的风箱侧壁上的液氨喷嘴喷出口倾斜向上。
5.如权利要求1－4任一项所述的烧结烟气循环的烧结过程脱硝系统，其特征在于，所述主烟道经循环烟气换热器的管程或壳程连接静电/布袋除尘器。
6.如权利要求5所述的烧结烟气循环的烧结过程脱硝系统，其特征在于，所述烟气管道还包括有机头点火段烟道，所述点火段下方的风箱经机头点火段烟道连接静电/布袋除尘器。
7.如权利要求6所述的烧结烟气循环的烧结过程脱硝系统，其特征在于，所述循环烟气主烟道经循环烟气除尘器、循环烟气换热器的壳程或管程连接循环烟气罩。
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