CN107198962B - 一种偶合利用烧结烟尘余热的烧结烟尘自催化脱硝系统 - Google Patents

一种偶合利用烧结烟尘余热的烧结烟尘自催化脱硝系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种偶合利用烧结烟尘余热的烧结烟尘自催化脱硝系统，解决了现有脱硝系统投资大，运行成本高，脱硝效率也较低的问题。技术方案包括烧结机，所述烧结机的台车下方设有风箱，风箱底部的出口连通主烟道，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，所述主烟道依次经脱硝烟气换热器壳程或管程、烟气加热器与流化床脱硝反应器连接；所述机尾段至烟气快速升温段区域下方的风箱及烟气加热器的烟气出口管道内均装有液氨喷嘴。本发明系统简单、不外购催化剂实现有效脱硝、烧结过程余热回收率高、节能降耗、占地面积小、设备投资和运行成本低。

Description

一种偶合利用烧结烟尘余热的烧结烟尘自催化脱硝系统
技术领域
本发明涉及环保领域的烟气脱硝工艺，具体的说是一种偶合利用烧结烟尘余热的烧结烟尘自催化脱硝系统。
背景技术
烧结烟气是各种粉状含铁原料、燃料和熔剂在点火熔化、高温烧结成型过程中所产生的含有多种污染成分的气体。烧结烟气具有烟气量大 (4000－6000m3/吨烧结矿)、温度变化大(120－200℃)、CO浓度高(0.5 －2.0％)、SO2浓度变化大(1000－3000mg/Nm3)、NOx浓度低(300－500 mg/Nm3)、含湿量大(7－12％)和含氧量高(15－18％)等特点。与电厂烟气相比具有许多自身的特点，其烟气成分更复杂，变化波动更大，处理更困难。“十二五”期间，国内的烧结厂基本都实施了烧结烟气的脱硫工程。
相比烧结烟气脱硫技术，国内外对烧结烟气脱硝技术的研究相对较晚，德国、美国、日本、以色列等国在烟气脱硫、脱硝技术研发的基础上，已成功开发出了几种烟气同时脱硫脱硝技术，如活性炭吸收同步脱硫脱硝工艺、CuO同时脱硫脱硝工艺、电子束法、络合吸收法等。在国内较成熟的烧结烟气脱硝技术主要为活性炭/焦吸附法和选择性催化还原(NH3-SCR) 法。SCR技术是指在催化剂存在下，向烟气中喷入NH3，使其选择性地与 NOx反应生成N2，而不与O2发生非选择性氧化，从而达到降低NOx还原温度、提高NOx脱除效率的目的。NH3-SCR技术的核心是SCR催化剂体系； SCR催化剂不同，其还原NOx的最佳温度区间不同。目前工业上用于SCR 脱硝的催化剂(V2O5-WO3(MoO3)/TiO2)在350－400℃温度窗口内具有优异的 NOx净化效率，但是存在催化剂成本较高、容易硫化失活等问题。
同时针对烧结烟气，进行SCR催化还原脱硝，均存在烟气加温过程，需要补充额外热能，额外增加了SCR脱硝的运行成本。
罗立新等在研究烟气中低浓度的氮氧化物在富氧条件下NO转化为NO2规律的基拙上,通过对铁系金属氧化物混合物催化活性的测试,初步确定了铁系氧化物对NO氧化反应具有催化作用，该催化剂中主要成分是铁和锰，组成比例为10:1，最佳温度280℃。在此基础上，利用铁矿石代替铁氧化物制作催化剂,也取得了较好的催化效果。这种替代不仅可以降低催化剂成本,而且这些作为催化剂使用的矿石在用过之后处理也会较为容易、方便。这一研究成果对低成本脱硝催化剂的开发指出了一条新的渠道。因为烧结矿富含铁多氧化物，其烟尘中的颗粒物也含有大量铁系多氧化物，具有脱硝催化作用。同时烧结系统的风箱及主烟道区域烧结烟气温度在200℃左右，综合考虑烧结烟尘的特点，充分利用烧结烟尘的余热和烟尘富含铁系多氧化物的特性，在主烟道区域进行脱硝，既节省了脱硝设备的投资，还节省脱硝催化剂。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题，针对现有烧结烟气脱硝系统复杂、工艺路线长、投资大、运行成本高、废弃催化剂处理难等问题，提供一种系统简单、不外购催化剂实现有效脱硝、余热回收率高、节能降耗、占地面积小、设备投资和运行成本低的偶合利用烧结烟尘余热的烧结烟尘自催化脱硝系统。
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主烟道，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，所述点火段位于烧结机最前端，该区域占1－2个风箱长度；所述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％；所述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个风箱长度；所述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％，所述主烟道依次经脱硝烟气换热器壳程或管程、烟气加热器与流化床脱硝反应器连接；所述机尾段至烟气快速升温段区域下方的风箱及烟气加热器的烟气出口管道内均装有液氨喷嘴。
所述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至少一层喷出口倾斜向上的液氨喷嘴。
所述烟气加热器的烟气出口管道上沿周向安装至少一层液氨喷嘴。
所述流化床脱硝反应器的烟气出口经脱硝烟气除尘器、脱硝烟气换热器的管程或壳程连接余热锅炉。
所述主烟道底部的主烟道粉料斗出料口连通粉尘气力输送管，所述粉尘气力输送管出口经颗粒物料仓连接所述流化床脱硝反应器。
所述余热锅炉和静电/布袋除尘器的烟气出口经气力输送风机连接粉尘气力输送管入口。
所述流化床脱硝反应器固相出口与烧结配料系统连接。
针对背景技术中的问题，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尘含尘浓度也最高(含有大量铁系氧化物)，烧结烟尘在风箱内停留时间也较长，此时向风箱中喷入液氨，利用烟尘中的粉尘富含铁系多氧化物组分具有的脱硝催化作用，且温度在300℃左右，实现了烧结烟尘(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，还可以在后续输送、换热、除尘等过程中继续发生脱硝反应。另外，为了进一步提高脱硝效率，所述烟气加热器的烟气出口管道上沿周向安装至少一层液氨喷嘴，通过液氨喷嘴向管道内喷入液氨与加热后的烧结烟尘混合后进入流化床脱硝反应器内，然后在床内铁系多氧化物催化作用下发生脱硝反应。
风箱内的液氨喷嘴喷出口倾斜向上，其目的有三：(1)使液氨与烧结烟尘逆向接触，提高了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。
烧结烟尘在风箱及主烟道脱硝反应后，温度会下降，为保证后续流化床的脱硝效果，将离开主烟道的烧结烟气送入烟气换热器中与脱硝烟气除尘器除尘后的烟气换热升温，再进入烟气加热器内进一步升温至250－ 390℃，然后送入流化床脱硝反应器中进行脱硝反应；所述流化床脱硝反应器内不使用外购催化剂，而是使用主烟道中沉积下来的颗粒物和随烟气带入的颗粒物作为催化剂，若仍不足还可补入烧结返矿或热返矿，颗粒物和热返矿自身温度高，能够为脱硝提供热能；另一方面固态粉料含有铁系多组分氧化物，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特性，可作为催化剂使用，脱硝效果好。
设置流化床脱硝反应器的作用：一是收集烟尘中的含有铁系氧化物的颗粒物，起到初步烟尘分离的作用；二是烟尘颗粒物富含铁系氧化物的催化脱硝，当烧结烟尘通过流化床时，在此停留时间较长，并在密相颗粒物所含铁系氧化物的催化作用下发生高效还原脱硝反应；三是还可接收补充的烧结返矿，并均匀排出恒定温度的颗粒物和烧结返矿。
烧结烟尘流经主烟道时，烟尘携带的颗粒物会在烟道底部沉积下来，进入主烟道下方设置主烟道粉料斗内，这部分颗粒物经粉尘气力输送管通过气力输送进入颗粒物料仓收集，再送到流化床脱硝反应器内用作烧结烟尘还原脱硝的催化剂，既避免了这部分颗粒物外排污染环境，也充分利用了这部分颗粒所携带的热能，达到节能降耗、对环境友好的目的。所述载气可以为余热锅炉脱硝后的烟气出口或静电/布袋除尘器出口引出的脱硝后的烧结烟气，进一步减少烟气外排、节能降耗。
有益效果：
(1)将主烟道收集的烧结烟尘加热后补入液氨送入流化床脱硝反应器在烧结返矿及烧结烟尘颗粒物富含的铁系多氧化物催化剂的存在下为烧结烟气脱硝，一方面充分利用系统余热，另一方面流化床脱硝反应内填充的催化剂全部自给自足，无需外购，大大降低了脱硝成本，保证脱硝效率。
(2)所述机尾段至烟气快速升温段区域下方的风箱及烟气加热器的烟气出口管道内均装有液氨喷嘴，这两处烟气温度高，补入液氨有利于充分利用烟尘中颗粒物富含的铁系多氧化物的催化活性及脱硝反应的时空，提高脱硝效率。
(3)采用脱硝的烟气作为气力输送的气源，将主烟道内沉积下的颗粒物送入流化床脱硝反应器内，既利用了颗粒物富含铁系多氧化物的催化脱硝活性，还减少了该颗粒物的收集时的扬尘，同时还可对气力输送气体进一步脱硝，提高了脱硝效率。
(4)从流化床脱硝反应器排出的热返矿及颗粒物温度较高，且温度均匀，配入烧结料中，可提高入烧结机的烧结混合料的温度，降低烧结能耗，有效回收热返矿。
(5)从流化床脱硝反应器及脱硝烟气除尘器排出的返矿及颗粒物碱金属组分低，回配入烧结原料中，有效控制了烧结烟尘中颗粒物回收利用时的碱金属的循环富集。
(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，节能降耗、减化工艺流程和设备、占地面积小、设备投资和运行成本低，脱硝效率可达60％，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为本发明系统图。
其中，1－烧结机、1.1－台车、2－烧结料层、2.1-底料、3-液氨、 4-液氨喷嘴、5－风箱、6-风箱出口管、7－主烟道、8－脱硝烟气换热器、9－颗粒物料仓、10－烟气加热器、11－粉尘气力输送管、12－主烟道粉料斗、、13－粉尘气力输送风机、14－高压风机、15－静电/布袋除尘器、 16-余热锅炉、17－脱硝烟气除尘器、18－流化床脱硝反应器、18.1－流化床固相出口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明系统作进一步解释说明：
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7，沿台车行进方向烧结机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，所述点火段位于烧结机1最前端，该区域占1－ 2个风箱长度；所述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％；所述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个风箱长度；所述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％％，所述主烟道7依次经脱硝烟气换热器8壳程或管程、烟气加热器10与流化床脱硝反应器18 连接；所述烧结机机尾段和烟气快速升温段区域下方的风箱5侧壁上沿周向安装至少一层液氨喷嘴3；所述烟气加热器10的烟气出口管道上沿周向也安装至少一层液氨喷嘴3；所述流化床脱硝反应器18的烟气出口经脱硝烟气除尘器17、烟气换热器8的管程或壳程、余热锅炉16连接静电 /布袋除尘器15。所述余热锅炉16和静电/布袋除尘器15的烟气出口经粉尘气力输送风机13连接粉尘气力输送管11入口。
所述主烟道7底部设主烟道粉尘斗12，所述主烟道粉尘斗12底部连通粉尘气力输送管11，所述粉尘气力输送管11出口经颗粒物料仓9连接所述流化床脱硝反应器18，所述流化床固相出口管18.1连接烧结配料系统(图中未示出)。
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。
工艺过程：
以某钢厂450m2烧结机产生的烧结烟气处理为例，烧结烟气中NOx含量为264mg/m3，采用本发明方法的步骤如下：烧结烟尘在高压风机14 的抽力作用下穿过烧结料层2、底料2.1、烧结机台车1底部篦子、台车 1下方的风箱5进入主烟道7；沿烧结机台车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，所述点火段位于烧结机最前端，该区域占1－2个风箱；所述机头段位于点火段之后的烧结机前半部并延伸至烧结机1中部，该区域占烧结机1总长度的35－ 45％；所述烟气快速升温段位于烧结机1中部偏机尾方向，该区域占2－4 个风箱；所述机尾段位于烧结机1的后半部，该区域占烧结机总长度的 35－45％，所述烧结烟尘出主烟道7再依次经脱硝烟气换热器8的管程或壳程、烟气加热器进10升温到250－390℃后进入流化床脱硝反应器18；所述烧结机1机尾段和烟气快速升温段区域下方的风箱5侧壁上沿周向安装至少一层液氨喷嘴4，通过液氨喷嘴4喷入的液氨3进入风箱5内汽化成氨气并与烧结烟尘混合，在烧结烟尘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，优选所述风箱5内的液氨喷嘴4倾斜向上或液氨喷出方向与烟气流动方向的夹角大于90度，使液氨喷嘴4喷出的液氨3直接喷射到台车篦子及篦子间隙的底料中；所述烟气加热器10的烟气出口管道上沿周向安装至少一层液氨喷嘴4，通过液氨喷嘴4向管道内喷入液氨与烧结烟尘混合后进入流化床脱硝反应器18内，在床内颗粒物富含的铁系多氧化物催化作用下进一步发生脱硝反应。
所述从流化床脱硝反应器10引出的脱硝烟气经脱硝烟气除尘器17 除尘后进入脱硝烟气换热器8壳程或管程与主烟道7引入的烧结烟尘间接换热，再进入余热锅16炉进一步回收余热后送入静电/布袋除尘器除尘 15。
所述烧结烟尘携带出的颗粒物在主烟道7沉积下来，并进入主烟道粉料斗12内，所述主烟道粉料斗内12的颗粒物通过气力输送经粉尘气力输送管11送入颗粒物料仓收集9，再输送到流化床脱硝反应器18内用作烧结烟尘还原脱硝的催化剂；根据需要，定期向所述流化床脱硝反应器18 内补充烧结返矿或热烧结返矿，以提高脱硝效率，所述脱硝烟气换热器8 管道中沉积的粉尘也可送入流化床脱硝反应器18内，控制所述流化床脱硝反应器18的床层阻力控制在2600－3000Pa之间，所述流化床脱硝反应器10内的烧结返矿及颗粒物通过所述流化床固相出口管18.1均匀排出，所述流化床固相出口管18.1排出的烧结返矿及颗粒物配入烧结混合料中；所述气力输送的载气为来自余热锅炉16或静电/布袋除尘器15的脱硝烟气。
经处理后的烧结烟气中NOx含量可降到130mg/m3以下，脱硝率可达 60％。
采用上述脱硝工艺全程不使用外购催化剂，减少脱硝设备投资，简化了脱硝工艺，充分利用了工艺过程中的余热，节能降耗效果明显，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％。

Claims (6)

1.一种偶合利用烧结烟尘余热的烧结烟尘自催化脱硝系统，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主烟道，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，所述点火段位于烧结机最前端，该区域占1－2个风箱长度；所述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％；所述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个风箱长度；所述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％，其特征在于，所述主烟道依次经脱硝烟气换热器壳程或管程、烟气加热器与流化床脱硝反应器连接；所述机尾段至烟气快速升温段区域下方的风箱及烟气加热器的烟气出口管道内均装有液氨喷嘴；所述主烟道底部设主烟道粉料斗，所述粉料斗底部连通粉尘气力输送管，所述粉尘气力输送管出口经颗粒物料仓连接所述流化床脱硝反应器。
2.如权利要求1所述的偶合利用烧结烟尘余热的烧结烟尘自催化脱硝系统，其特征在于，所述烧结机机尾段和烟气快速升温段区域下方的风箱侧壁上沿周向安装至少一层喷出口倾斜向上的液氨喷嘴。
3.如权利要求1所述的偶合利用烧结烟尘余热的烧结烟尘自催化脱硝系统，其特征在于，所述烟气加热器的烟气出口管道上沿周向安装至少一层液氨喷嘴。
4.如权利要求1所述的偶合利用烧结烟尘余热的烧结烟尘自催化脱硝系统，其特征在于，所述流化床脱硝反应器的烟气出口经脱硝烟气除尘器、脱硝烟气换热器的管程或壳程连接余热锅炉。
5.如权利要求4所述的偶合利用烧结烟尘余热的烧结烟尘自催化脱硝系统，其特征在于，所述余热锅炉和静电/布袋除尘器的烟气出口经粉尘气力输送风机连接粉尘气力输送管入口。
6.如权利要求1所述的偶合利用烧结烟尘余热的烧结烟尘自催化脱硝系统，其特征在于，所述流化床脱硝反应器固相出口与烧结配料系统连接。
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