CN107198944B - 基于风箱烟尘余热利用的烧结烟气自催化脱硝工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于烧结风箱烟尘余热利用的烟气自催化脱硝工艺，解决了现有脱硝工艺投资大，运行成本高，脱硝效率也较低的问题。技术方案包括烧结烟尘在高压风机的抽力作用下依次穿过烧结料层、底料、烧结机台车底部的篦子进入台车下方的风箱，再经主烟道进入后续烟尘处理系统，沿台车行进方向将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，来自所述机尾段和烟气快速升温段区域的烧结烟尘在风箱内与喷入的液氨、以及液氨在高温下汽化形成的氨气混合，在烧结烟尘富含的铁系氧化物催化作用下发生脱硝还原反应，然后再进入主烟道。本发明工艺流程简单、不外购催化剂、占地面积小、设备投资和运行成本低。

Description

基于风箱烟尘余热利用的烧结烟气自催化脱硝工艺

技术领域

本发明涉及环保领域的烟气脱硝工艺，具体的说是一种基于风箱烟尘余热利用的烧结烟气自催化脱硝工艺

背景技术

烧结工序是现代钢铁生产的最重要的工艺单元之一，烧结工序能耗约占钢铁生产工艺总能耗的10％左右，是仅次于炼铁工序的第二大能耗工序，其中烧结烟尘的显热约占烧结总能耗的10％～12％。传统的烧结厂冷却机组存在着余热利用率低、漏风量大等固有缺陷，难以克服。另外，烧结过程中NOx排放量约占钢铁厂NOx排放总量的45～48％左右，因其是酸雨和光化学烟雾的前体物而受到广泛关注。

随着烧结工艺节能技术的发展和环保要求的提高，烧结余热利用和烧结烟气脱硝等已成为降低烧结能耗和满足环保要求的重中之重。钢铁产业发达的国家，如日本、美国和德国，烧结烟气均进行了脱硫脱硝处理。国内烧结烟气脱硫在“十二五”已基本完成，但脱硝技术的工程应用刚刚起步。活性炭(焦)吸附和选择性催化还原(S-SCR)两种技术是目前可以工程应用并且有实际业绩的烧结烟气脱硝技术。

活性炭(焦)吸附SO₂，并用NH₃还原NOx，可以实现同时脱硫脱硝脱二噁英功能。在日本新日铁住金、JFE、韩国浦项及中国太钢等企业的烧结机烟气净化工程中均有应用案例，但其投资大，运行成本高，同时脱硝效率也较低(40％左右)，难以大规模推广。

选择性催化还原法(Selective Catalytic Reduction,SCR)具有较高的脱硝效率，已广泛应用于火电厂燃煤烟气NOx的脱除，在烧结烟气治理中也有工程应用。与电厂烟气脱硫脱硝不同的是，脱硝系统串联在脱硫系统后面。SCR技术一次性投资成本高(其中催化剂成本占投资总成本的30－40％)，同时现有的SCR烟气脱硝技术温度窗口一般在350－450℃下进行，对烧结烟气进行脱硝时，需要消耗大量热能给脱硫后烟气加热，额外增加了SCR脱硝的运行成本。低温脱硝催化剂多半为贵金属，其成本更高，而且易发生氧抑制和硫中毒。因此，开发来源广泛，价格低廉的脱硝催化剂成为当务之急。

Yao等发现γ-Fe₂O₃对NH₃-SCR脱硝有较强的活性，在250℃下达到95％的最佳脱硝效率。王芳等也证明了铁矿石对烟气中低浓度NOx的催化还原特性。基于此，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多氧化物具有的脱硝催化作用，且温度在300℃以上，实现烧结烟尘的高温(脱硝温度窗口)余热充分利用并同步脱硝的目的，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

本发明的目的是为了解决上述技术问题,结合烧结矿中富含铁系氧化物的特点提供一种工艺流程简单、不外购催化剂、脱硝率高、可控性好、占地面积小、设备投资和运行成本低的烧结烟气自催化脱硝工艺。

技术方案包括烧结烟尘在高压风机的抽力作用下依次穿过烧结料层、底料、烧结机台车底部的篦子进入台车下方的风箱，再经主烟道进入后续烟尘处理系统，沿台车行进方向将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，来自所述机尾段和烟气快速升温段区域的烧结烟尘在风箱内与喷入的液氨、以及液氨在高温下汽化形成的氨气混合，在烧结烟尘中颗粒物富含的铁系氧化物催化作用下发生脱硝还原反应，然后再进入主烟道。

所述主烟道由高温烟气主烟道和低温烟气主烟道组成，所述烧结机机尾段和烟气快速升温段区域下方风箱内的烧结烟尘脱硝反应后进入高温烟气主烟道，所述烧结机点火段及机头段区域下方风箱内的烧结烟尘直接进入低温烟气主烟道。

所述液氨由烧结机机尾段和烟气快速升温段区域下方的风箱侧壁上沿周向安装的至少一层液氨喷嘴喷入。

所述液氨喷嘴喷出口倾斜向上，使液氨喷向台车底部篦子，或使液氨喷出方向与烧结烟尘流动方向相反，或两方向的夹角大于90度。

所述烧结机烟气快速升温段区域风箱内还设有温度传感器，通过温度传感器监测风箱内的温度，并将信号传送给控制器，通过设定温度区间，由控制器控制液氨管道上电磁阀和变频液氨泵的开启、关停，所述液氨管道连接对应风箱上的液氨喷嘴。

所述设定温度区间为150－200℃，当风箱内温度≥200℃时，启动变频液氨泵，打开电磁阀，向该风箱内喷入液氨；当风箱内温度≤150℃时，停运变频液氨泵，关闭电磁阀，停止向该风箱内喷液氨。

所述烧结机的机尾段和烟气快速升温段区域的烧结烟尘经过台车下方的风箱、流化床反应器再进入高温烟气主烟道内，烟尘带入的颗粒物在流化床反应器内富集，同时其富含的铁系多氧化物对烧结烟尘中的NOx进行催化脱硝反应。

催化脱硝反应后的脱硝烟气从流化床反应器上部的流化床气流出口排出进入高温烟气主烟道；当流化床反应器的床层阻力≥2600Pa时，开启流化床反应器下部的流化床固相出口阀门10－30秒，排出全部或部分固相。

所述烟气快速升温段为烧结生产过程中进入风箱的烧结烟尘温度从80℃到200℃的区域，该区域位于烧结机中部偏机尾段，占2－4个风箱区域。

针对背景技术提到的问题，发明人作出如下改进：烧结矿中铁系多氧化物对脱硝有协同催化作用，如γ-Fe₂O₃对NH₃-SCR脱硝有较强的活性等，因此可作为脱硝催化剂使用。发明人基于前述认识，研究发现，所述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)，烧结烟尘在风箱内的停留时间也较长，此时向风箱中喷入液氨，利用烟气中的颗粒物富含铁系多组分氧化物具有的脱硝催化作用，且温度在300℃左右，实现了烧结烟尘高温(脱硝温度窗口)余热的充分利用并同步脱硝的目的。并且由于风箱中的烧结烟尘是烟气处理的第一步，在此处喷入液氨，即使不能完全消耗，还可以在后续的输送、换热、除尘等过程中继续发生脱硝反应。

风箱内的液氨喷嘴喷出口倾斜向上，其目的有三：(1)使喷出的液氨与烧结烟尘逆向接触，提高液氨以及液氨汽化成的氨气与烧结烟尘的混合效果；(2)大部分液氨会喷向台车底面的篦子上，而该区域烧结烟尘含尘浓度较高，且该处漏风率低，烟气温度最高，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多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，优选所述液氨喷嘴位于所述风箱的上段，所述液氨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尘均匀混合。

进一步，考虑到各个风箱中烟尘温度可能存在波动，当烟尘温度低于200℃时，会严重影响脱硝反应的进行，在所述烧结机烟气快速升温段区域的风箱内还设有温度传感器以监测箱内的温度，当任一风箱内烟尘温度低于150℃时，则停止向风箱内喷液氨。

另一方面，烧结机不同区域产生的烧结烟尘温度不同，烧结机机尾段及烟气快速升温段区域下方风箱内的烧结烟尘温度高，烧结机点火段及机头段区域下方风箱内的烧结烟尘烟温度低，如果直接不经区别将两股烟尘都送入主烟道内混合，则会使主烟道内的烟尘温度下降，影响烧结烟尘在高温烟气主烟道行进中的还原脱硝反应。据此，发明人又设置了高温烟气主烟道和低温烟气主烟道，将温度较低的烧结烟尘引入低温烟气主烟道中，而将温度较高的烧结烟尘引入高温烟气主烟道中，有利于该股烟尘在铁系氧化物的催化作用下，在主烟道内与氨气继续发生还原脱硝反应。

所述烧结机机尾段及烟气快速升温段区域下方风箱中的烧结烟尘经各自风箱对应的流化床反应器进入高温烟气主烟道。在此，设置流化床反应器的作用主要是富集烟尘中的颗粒物，当烧结烟尘通过流化床反应器时，在颗粒物富含的铁系多氧化物的催化作用下发生高效还原脱硝反应。

有益效果：

(1)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余热，节省了烧结烟气SCR脱硝时升温需补充的外界热源，利用风箱中烟尘含尘量大，含有铁系多氧化物的特点，向风箱内喷入液氨，创造了烧结烟气在线脱硝的条件，节省了脱硝设备投入。

(2)通过对进入风箱的烧结烟尘温度变化进行分析，将温度较高的烧结烟尘和温度较低的烧结烟尘分别送入高温烟气主烟道和低温烟气主烟道，实现了在高温烟气主烟道中烧结烟气的在线脱硝。

(3)利用烧结烟尘中富含铁系多氧化物具有催化还原脱硝的特性作为脱硝催化剂，节省了烧结烟尘SCR脱硝所需的催化剂，大大降低了脱硝成本；利用流化床反应器富集烧结烟尘的颗粒物，提高流化床反应器中的催化剂浓度，提高了脱硝效率。

(4)本发明工艺在不外购催化剂的前提下达到有效脱硝的目的，充分利用系统余热，节能降耗、简化工艺流程和设备、占地面积小、设备投资和运成本低，脱硝效率可达15％以上，与传统SCR脱硝工艺相比，在达标排放的基础上降低脱硝成本80％，脱硝设备投资可降低90％以上，具有广阔的市场应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例1工艺流程图。

图2为本发明实施例2工艺流程图。

图3为本发明实施例3工艺流程图。

其中，1－烧结机、1.1－1台车、2－烧结料层、2.1-底料、3－液氨喷嘴、4－氨水、5－风箱、6－流化床气流出口、7－流化床反应器、8-流化床固相出口、9-高温烟气主烟道、10-低温烟气主烟道。

具体实施方式

参见图1，包括烧结机1，所述烧结机1的台车1.1下方设有风箱5，风箱5底部的出口连通主烟道，沿台车1.1行进方向烧结机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，所述机尾段至烟气快速升温段区域下方的风箱5内均装有液氨喷嘴3。所述液氨喷嘴3位于所述风箱5的上部，沿风箱5侧壁周向布置，且液氨喷嘴3喷出口倾斜向上。所述主烟道由高温烟气主烟道9和低温烟气主烟道10组成。所述机尾段及烟气快速升温段区域下方的风箱5出口通过各自对应的流化床反应器7连接高温烟气主烟道4，所述点火段及机头段区域下方的风箱5出口与低温烟气主烟道10相连接

所述流化床反应器7顶部设流化床气流出口6，底部设流化床固相出口8，所述流化床反应器的气流出口6及流化床固相出口8均与高温烟气主烟道连通。

所述烧结机的各段区域定义如下：

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。

以国内某钢厂450m²烧结机产生的烧结烟尘处理为例，烧结烟气中NOx含量260－320mg/m³，采用本发明方法的步骤如下：

沿台车1.1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，在高压风机的抽力作用下，烧结烟尘依次穿过烧结料层2、底料2.1、台车1.1底部的篦子进入台车1.1下方的风箱5内，其中所述烟气快速升温段和机尾段下方的风箱5内的烧结烟尘经流化床反应器7进入高温烟气主烟道9，所述点火段和机头段下方的风箱5内的烧结烟尘进入低温烟气主烟道10。

其中，所述烟气快速升温段下方的风箱5内均设有温度传感器(图中未标出)和液氨喷嘴3。参见图2，本发明实施例中，液氨喷嘴3位于所述风箱5的上段，布置有两层，每层有多个液氨喷嘴3，通过温度传感器监测风箱5内的温度，并将信号传送给控制器，设定温度区间为150－200℃，当任一风箱5内的烟尘温度在200℃以上时，启动变频液氨泵，打开对应风箱液氨管路的电磁阀，向该风箱5内喷入液氨，来自所述烟气快速升温段区域的烧结烟尘在风箱5内与喷入的液氨、以及液氨在高温下汽化形成的氨气混合，在烧结烟尘富含的铁系氧化物催化作用下发生脱硝还原反应，然后再进入流化床反应器7。

当风箱内温度≤150℃时，停运变频液氨泵，关闭电磁阀，停止向该风箱内喷液氨。

所述机尾段下方的风箱5上段也设有两层氨水喷嘴3每层有多个液氨喷嘴3，烧结烟尘与喷入的液氨、以及液氨在高温下汽化形成的氨气混合，在烧结烟尘富含的铁系氧化物催化作用下发生脱硝还原反应，然后再进入流化床反应器7。

喷氨操作时，由于液氨喷嘴3喷出口倾斜向上，喷入的液氨大部分集中在台车1.1篦子上，在高温下，液氨雾滴汽化成氨气与烧结烟尘混合，并在铁系氧化物的催化作用下发生还原脱硝反应；同时部分液氨通过台车1.1底部的篦子间隙进入烧结料层2中，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。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。

未反应完的氨气随烧结烟尘一同进入流化床反应器7，烧结烟尘中的颗粒物在流化床反应器7中被富集形成床层，烧结烟尘穿过上述颗粒物的床层时，在高浓度铁系氧化物的催化作用下氨气与烟气中的NOx继续发生催化还原脱硝反应。随着流化床反应器7对颗粒物的富集，流化床反应器7内的阻力会增加，当床层阻力≥2600Pa时，开启流化床反应器7下部的流化床固相出口8阀门10－30秒，排出全部或部分颗粒物(固相)以保持流化床反应器7的正常运行。

反应后的烧结烟尘由流化床气流出口6进入高温烟气主烟道9，由于高温烟气主烟道9中并未混入点火段和机头段下方风箱5中的低温烟尘，因此能够在高温烟气主烟道9中保持较高温度，在主烟道中，未完全反应的氨气在烧结烟尘富含的铁系氧化物催化作用下继续与烧结烟尘中的NOx进行脱硝反应。

经处理后的烧结烟气中NOx脱除率可达到15％，实现达标排放。

采用上述脱硝工艺全程不使用催化剂，利用烧结烟尘中颗粒物含有的铁系氧化物作为脱硝催化剂，使氨与NOx充分反应脱硝，简化了脱硝设备和相应的脱硝工艺，充分利用了工艺过程中的余热，与传统SCR脱硝工艺相比，在达标排放的基础上降低脱硝成本80％，脱硝设备投资可降低90％以上。

实施例2

参见图2，不设有流化床反应器7，烧结烟尘不经流化床反应器7直接送入高温烟气主烟道9，其余同实施例1。

实施例3

参见图3，不设低温烟气主烟道10和流化床反应器7，风箱5内的烧结烟尘全部直接送入高温烟气主烟道9，其余同实施例1。

Claims (6)

1.一种基于烧结风箱烟尘余热利用的烟气自催化脱硝工艺，包括烧结烟尘在高压风机的抽力作用下依次穿过烧结料层、底料、烧结机台车底部的篦子进入台车下方的风箱，再经主烟道进入后续烟尘处理系统，沿台车行进方向将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，来自所述机尾段和烟气快速升温段区域的烧结烟尘在风箱内与喷入的液氨、以及液氨在高温下汽化形成的氨气混合，在烧结烟尘富含的铁系氧化物催化作用下发生脱硝还原反应，然后再进入主烟道；

所述液氨由烧结机机尾段和烟气快速升温段区域下方的风箱侧壁上沿周向安装的至少一层液氨喷嘴喷入；所述液氨喷嘴喷出口倾斜向上，使液氨喷向台车底部篦子；

所述烧结机的机尾段和烟气快速升温段区域的烧结烟尘经过台车下方的风箱、流化床反应器再进入高温烟气主烟道内，烟尘带入的颗粒物在流化床反应器内富集，同时其富含的铁系多氧化物对烧结烟尘中的NOx进行催化脱硝反应。

2.如权利要求1所述的基于烧结风箱烟尘余热利用的烟气自催化脱硝工艺，其特征在于，所述主烟道由高温烟气主烟道和低温烟气主烟道组成，所述烧结机机尾段和烟气快速升温段区域下方风箱内的烧结烟尘脱硝反应后进入高温烟气主烟道，所述烧结机点火段及机头段区域下方风箱内的烧结烟尘直接进入低温烟气主烟道。

3.如权利要求1或2所述的基于烧结风箱烟尘余热利用的烟气自催化脱硝工艺，其特征在于，所述烧结机烟气快速升温段区域的风箱内还设有温度传感器，通过温度传感器监测风箱内的温度，并将信号传送给控制器，通过设定温度区间，由控制器控制液氨管道上电磁阀和变频液氨泵的开启、关停，所述液氨管道连接对应风箱上的液氨喷嘴。

4.如权利要求3所述的基于烧结风箱烟尘余热利用的烟气自催化脱硝工艺，其特征在于，所述设定温度区间为150－200℃，当风箱内温度≥200℃时，启动变频液氨泵，打开电磁阀，向该风箱内喷入液氨；当风箱内温度≤150℃时，停运变频液氨泵，关闭电磁阀，停止向该风箱内喷液氨。

5.如权利要求1所述的基于烧结风箱烟尘余热利用的烟气自催化脱硝工艺，其特征在于，催化脱硝反应后的脱硝烟气从流化床反应器上部的流化床气流出口排出进入高温烟气主烟道；当流化床反应器的床层阻力≥2600Pa时，开启流化床反应器下部的流化床固相出口阀门10－30秒，排出全部或部分固相。

6.如权利要求1所述的基于烧结风箱烟尘余热利用的烟气自催化脱硝工艺，其特征在于，所述烟气快速升温段为烧结生产过程中进入风箱的烧结烟尘温度从80℃到200℃的区域，该区域位于烧结机中部偏机尾段，占2－4个风箱区域。