CN107238297B - 烧结烟气分质定向循环及在线脱硝系统 - Google Patents

烧结烟气分质定向循环及在线脱硝系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种烧结烟气分质定向循环及在线脱硝系统，技术方案包括烧结机，所述烧结机的台车下方设有风箱，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，所述烟气管道包括高温烟气主烟道、循环烟气主烟道和机头点火段烟道；所述机尾段和烟气快速升温段下方的风箱出口分别经流化床反应器连通高温烟气主烟道；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；所述点火段下方的风箱出口连接机头点火段烟道。本发明系统简单、结构紧凑、余热回收率高、脱硝设备投资省、脱硝运行成本低、脱硝催化剂及烟气升温能耗零投入。

Description

烧结烟气分质定向循环及在线脱硝系统
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分质定向循环及在线脱硝系统。
背景技术
烧结烟气是烧结混合料经点火后，随台车运行，在高温烧结成型过程中所产生的含尘废气。由于国内烧结机漏风率高(40％～50％)和固体料循环率高，有相当一部分空气没有通过烧结料层，每生产1吨烧结矿大约产生4000～6000m3烟气。烧结烟气的主要特点是：烟气量大、温度较高、携带粉尘多、CO含量较高、二氧化硫(SO2)浓度较低、含湿量大、含腐蚀性气体、含二恶英类物质等。由于烧结烟气排放源集中、总量较大，因此对局部地区大气质量的影响较大。排放的NOX会引起酸雨、光化学烟雾、臭氧层破坏以及温室效应，对自然环境和人类健康造成极大威胁。
2012年，国家环境保护部颁布了《钢铁烧结、球团工业大气污染物排放标准(GB28662-2012)》，规定烧结烟气NOX的排放标准限值为300mg/m3，这一标准仅依靠调整燃烧参数、改善燃烧条件很难达到目的。目前国内外多采用技术可靠、工艺成熟的选择性催化还原(SCR)技术对烧结烟气进行处理以降低NOX的排放量。许多具有SCR活性的催化剂见诸报道，如强氧化物催化剂、分子筛催化剂以及活性焦等。但存在着以下问题：催化剂昂贵(如V2O5-WO3(MoO3)/TiO2等)，且容易硫化失活；催化剂窗口温度高(一般为320－450℃)，但烧结烟气温度一般为100－200℃，达不到商用催化剂的窗口温度，需要消耗大量燃料加热烧结烟气，进而增加了SCR烧结烟气脱硝成本。
另一方面，烧结过程中烧结机不同区域产生的烟气温度及烟气中污染物浓度有较大的差异，如图1－1及图1-2所示。
在烧结机尾部约烧结机总长度35－45％区域产生的烧结烟气温度较高，最高可达320℃，同时此区域的NOx浓度只有100mg/Nm3左右；在烧结机头部约烧结机总长度50－60％的区域产生的烧结烟气温度较低，低于100℃，同时此区域的NOx浓度较高，最高可达400mg/Nm3以上。为了节省烧结烟气脱硝时升温的能耗，本方案结合烧结机中不同区域烧结烟气的温度特点，进行在线脱硝，可实现脱硝催化剂及烟气升温能耗的零投入。
发明内容
本发明针对现有烧结烟气处理存在的工艺路线长、脱硝处理投资大、成本高等共性问题，结合烧结机中不同区域烧结烟气的温度及污染物浓度不同的特点，提供一种工艺流程简单、不外购脱硝催化剂、烟尘余热回收率高、对环境友好、脱硝设备投资省、脱硝运行成本低的烧结烟气分质定向循环及在线脱硝系统，进行在线脱硝，实现脱硝催化剂及烟气升温能耗的零投入。
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，所述烟气管道包括高温烟气主烟道、循环烟气主烟道和机头点火段烟道；所述机尾段和烟气快速升温段对应的风箱出口分别经流化床反应器连通高温烟气主烟道；所述机头段对应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；所述点火段对应的风箱出口连接机头点火段烟道。
所述机尾段至烟气快速升温段对应的风箱内均装有液氨喷嘴。
所述液氨喷嘴位于所述风箱的上部，沿风箱侧壁周向布置，且喷嘴喷出口倾斜向上。
所述流化床反应器顶部设流化床气流出口，底部设流化床固相出口，所述流化床反应器的流化床气流出口及流化床固相出口均与高温烟气主烟道连通。
所述高温烟气主烟道经烟气换热器换热的管程或壳程与静电/布袋除尘器连接，所述机头点火段烟道也与静电/布袋除尘器连接。
所述循环烟气主烟道经循环烟气除尘器、烟气换热器的壳程或管程与循环烟气罩连接。
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。
针对背景技术中的问题，发明人分析发现，烧结机不同区域产生的烧结烟气温度不同，即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。根据现有的烟气处理工艺路线，即所有烟气均进入主烟道混合后进入除尘器除尘、进入脱硫系统脱硫、再进入脱硝系统脱硝，现有处理系统存在以下几个不足：⑴未能充分利用烧结机不同区域产生的烟气性质不同的特性，对烧结烟气进行有针对性的分质处理，导致现有的烟气处理工艺路线长、投资大、处理成本高；⑵烧结烟尘中余热未有效回收利用；⑶现有烧结烟气处理系统为了降低进布袋/静电除尘器的烟气温度，向烟气中补充冷空气，既增加了高压风机的电力消耗，还增加了烟气处理系统的负荷；⑷混合稀释了高浓度污染物烟气中的污染物浓度，降低了污染物脱除过程的化学反应推动力。据此将所述烟气管道分为高温烟气主烟道、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烧结烟气送入高温烟气主烟道中；来自机头段烧结烟尘经对应的风箱收集后送入循环烟气主烟道中；来自点火段烧结烟尘经对应的风箱收集后进入机头点火段烟道；其中，在机尾段、烟气快速升温段下方风箱中喷入液氨，创造出满足脱硝反应进行的温度、原料和催化剂条件，使这部分烟气在风箱中先进行脱硝反应，然后再经流化床反应器进入高温烟气主烟道；来自点火段烧结烟尘温度较低，NOx浓度也较低，从对应的风箱引出后经机头点火段烟道直接送入后续烟气除尘系统；而来自所述机头段的烧结烟气温度低，NOx浓度高，这部分烟气采用常规SCR脱硝处理时能耗高，将这部分烟气经对应的风箱收集后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，取代部分空气参与烧结过程，并在烧结料层中富含的铁系多氧化物的催化作用下还原脱硝后；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。以上方案具有如下技术效果：①巧妙回收利用了随机尾段和烟气快速升温段区域的烧结烟气带出的颗粒物的余热；②充分利用了颗粒物中富含的铁系多氧化物所具有的催化脱硝活性，以此取代传统的SCR脱硝中的昂贵的催化剂，节省的脱硝设备投资、降低了脱硝运行成本；③将高污染物浓度的机头段区域烧结烟气循环到机尾段及烟气快速升温段，利用烧结矿自身富含铁系多氧化物对SCR脱硝的催化还原特性，同时利用循环烟气中氧气浓度低导致烧结过程的烟气处于还原氛围，实现循环烟气中的NOx的脱除；④烟气的循环减少了烟气的外排量，有效降低了后续烟气处理系统的负荷，可有效降低烟气后续处理成本。通过将不同区域的烟气根据其不同的特点分别处理正是本申请重要的发明点。
进一步的，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脱硝有较强的催化活性，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对应的风箱内烟气温度较高(满足脱硝的温度反应条件)，漏风率低，且在风箱中的烧结烟气的颗粒物浓度也最高(含有大量铁系氧化物)，烧结烟气在风箱内停留时间也较长，此时向风箱中喷入液氨，利用烟气中的粉尘富含铁系多氧化物所具有的脱硝催化作用，且温度在300℃左右，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。在风箱中的烧结烟尘初步脱硝后进入流化床内，在风箱中喷入的未消耗完的液氨随烟尘进入流化床后，在床内密相颗粒物富含的铁系氧化物的催化作用下继续发生脱硝反应。
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气均匀混合。
有益效果：
(1)将烧结机不同区域的烟气性质不同分别引入不同的烟道进行分质处理，充分利用烧结机机尾段及烟气快速升温段区域对应风箱内的烟尘温度高，烟尘含尘量大，富含铁系多氧化物的特性，向风箱内喷入液氨，实现烟气的在线脱硝，节省了SCR脱硝时升温需补充的外界热源和催化剂；
(2)在烧结机机尾段及烟气快速升温段区域下方各风箱出口设置流化床反应器，截留富集了烟尘带入的颗粒物，进一步提高了脱硝效果；
(3)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量的还原气体，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；
(4)机头段引出的循环烟气湿度比空气的湿度大，循环烟气穿过烧结料层时的摩擦力较空气低，减少了气体穿过烧结料层的阻力损失；
(5)通过烟气换热器将机尾段和烟气快速升温段烟气与循环烟气换热，回收了烟气的余热，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；
(6)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；
(7)本发明工艺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排放量减少70％，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65％，具有广阔的市场应用前景。
附图说明
图1-1为10-23号风箱烟气中NOx浓度分析表；
图1-2为24-46号风箱烟气中NOx浓度分析表；
图2为本发明系统示意图。
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－流化床气流出口、8－流化床反应器、9-流化床固相出口、10-高温烟气主烟道、11-循环烟气管道、12-循环烟气风机、13-机头点火段烟道、14-烟气换热器、15-循环烟气除尘器、16－循环烟气主烟道、17-静电/布袋除尘器、18-高压风机。
具体实施方式
参见图2，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2.1行进方向烧结机2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，所述烟气管道包括高温烟气主烟道11、循环烟气主烟道16和机头点火段烟道13。
所述机尾段和烟气快速升温段下方的风箱6出口分别经对应的流化床反应器8连通高温烟气主烟道10，高温烟气主烟道10经烟气换热器14的管程或壳程与静电/布袋除尘器17连接；所述点火段下方的风箱6出口经机头点火段烟道13也与静电/布袋除尘器17连接；
所述流化床反应器8顶部设流化床气流出口7，底部设流化床固相出口9，所述流化床反应器8的流化床气流出口7及流化床固相出口9均与高温烟气主主烟道11连通。
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，所述液氨喷嘴4位于所述风箱6的上部，沿风箱6侧壁周向布置，且喷嘴倾斜向上。
所述机头段下方的风箱6出口经循环烟气主烟道16、循环烟气除尘器15、烟气换热器14的壳程或管程与连通烧结机2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2正上方，覆盖烧结机机尾段和烟气快速升温段。
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。
以某钢厂450m2烧结机产生的烧结烟气处理为例，原混合烟气(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280－330mg/m3，其中，机头段烟气中NOx含量为310－380mg/m3，点火段、机头段、烟气快速升温段的烟气中NOx含量为90－100mg/m3，采用本发明方法的步骤如下：
烧结烟尘在高压风机18的抽力作用下穿过烧结料层3、底料3.1、烧结机1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，点火段位于烧结机最前端，该区域占1－2个风箱6；机头段位于点火段之后的烧结机前半部并延伸至烧结机2中部，该区域占烧结机2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2的后半部，该区域占烧结机2总长度的35－45％，所述烟气管道包括高温烟气主烟道10、循环烟气主烟道16和机头点火段烟道13；机尾段和烟气快速升温段区域的烧结烟尘经过下方的风箱6、与风箱6一一对应的流化床反应器8再进入高温烟气主烟道10内，烧结烟尘带入的颗粒物在流化床反应器8内富集，同时其富含的铁系多氧化物对烟气中的NOx进行催化脱硝反应；来自所述机头段烧结烟尘经对应的风箱6收集后通过循环烟气主烟道16引出，再经循环烟气除尘器15除尘后，进入烟气换热器14与由高温烟气主烟道10引出的脱硝后烟气进行换热，最后经循环烟气风机12通过循环烟气管道11送入烧结机2台车2.1上方的循环烟气罩1内，在高压风机18的抽力作用下再次进入机尾段和烟气快速升温段区域的烧结料层3，参与烧结过程并还原脱硝后穿过台车篦子再次进入风箱6内；来自点火段的烧结烟尘经下方的风箱6收集经机头点火段烟道13送入静电/布袋除尘器17除尘。所述循环烟气罩1安装在烧结机正上方，覆盖烧结机2机尾段和烟气快速升温段。
所述机尾段和烟气快速升温段区域的烧结烟尘在风箱6内与经液氨喷嘴4喷入的液氨5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还原脱硝反应。所述液氨5由烧结机机尾段和烟气快速升温段区域下方的风箱6侧壁上沿周向安装的至少一层液氨喷嘴4喷入。所述液氨喷嘴4喷出口倾斜向上，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。
喷氨操作时，由于液氨喷嘴4喷出口倾斜向上，使喷入的液氨大部分集中在台车2.1的篦子上，在高温下，液氨雾滴汽化并与烧结烟尘混合，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2.1的底部的篦子间隙进入烧结料层3中，在底料3.1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8，烧结烟尘中的颗粒物在流化床反应器8中被富集形成床层，烧结烟尘穿过上述颗粒物床层时，在密相颗粒物富含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8对颗粒物的富集，流化床反应器8内的阻力会增加，当床层阻力≥2600Pa时，开启流化床反应器8下部的流化床固相出口9阀门10－30秒，排出全部或部分固相以保流化床反应器8的正常运行。
经处理后的烧结烟气NOx减排量可达70％。采用上述脱硝工艺全程不使用外购催化剂，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具有的脱硝催化作用，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65％。

Claims (6)

1.一种烧结烟气分质定向循环及在线脱硝系统，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，所述烟气管道包括高温烟气主烟道、循环烟气主烟道和机头点火段烟道；所述机尾段和烟气快速升温段对应的风箱出口分别经流化床反应器连通高温烟气主烟道；所述机头段对应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；所述点火段对应的风箱出口连接机头点火段烟道，所述机尾段至烟气快速升温段对应的风箱内均装有液氨喷嘴。
2.如权利要求1所述的烧结烟气分质定向循环及在线脱硝系统，其特征在于，所述液氨喷嘴位于所述风箱的上部，沿风箱侧壁周向布置，且喷嘴喷出口倾斜向上。
3.如权利要求1或2所述的烧结烟气分质定向循环及在线脱硝系统，其特征在于，所述流化床反应器顶部设流化床气流出口，底部设流化床固相出口，所述流化床反应器的流化床气流出口及流化床固相出口均与高温烟气主烟道连通。
4.如权利要求1或2所述的烧结烟气分质定向循环及在线脱硝系统，其特征在于，所述高温烟气主烟道经烟气换热器的管程或壳程与静电/布袋除尘器连接，所述机头点火段烟道也与静电/布袋除尘器连接。
5.如权利要求1所述的烧结烟气分质定向循环及在线脱硝系统，其特征在于，所述循环烟气主烟道经循环烟气除尘器、烟气换热器的壳程或管程与循环烟气罩连接。
6.如权利要求1或5所述的烧结烟气分质定向循环及在线脱硝系统，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。
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