CN108159876B - 一种烧结烟气的处理装置、方法和用途 - Google Patents

一种烧结烟气的处理装置、方法和用途 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种烧结烟气的处理装置、方法和用途，所述装置包括蓄热式SCR脱硝系统；所述蓄热式SCR脱硝系统之前设有脱硫系统；所述蓄热式SCR脱硝系统的主体为蓄热式反应器，所述蓄热式反应器的壳体中自上而下依次设有催化剂层和蓄热体层，将壳体内部自上而下分为轴向通气的SCR反应室、换热室和换气室，所述换气室由互相隔离的进气室和出气室构成；所述进气室连接有还原剂供给装置。本发明将蓄热反应器和脱硝装置集成为一体式蓄热式SCR脱硝系统，蓄热效率可高达90％以上，实现了烟气的低能耗再热，装置可实现长期稳定低能耗运行，对烧结烟气具有较强的适用性；且装置相较于现有技术更为紧凑，节约占地面积。

Description

一种烧结烟气的处理装置、方法和用途
技术领域
本发明涉及污染物控制技术领域，尤其涉及一种烧结烟气的处理装置、方法和用途。
背景技术
氮氧化物(NOx)是灰霾大气污染的关键前体物之一。近年来，随着化石能源消耗量的逐渐增加，各行业的大气污染物排放标准的日益严厉，烟气脱硝治理技术需求迫切。钢铁行业在我国国民经济和社会发展中占据主要地位，但在钢铁生产过程中，污染物排放总量较大。我国钢铁行业NOx排放量仅次于电站锅炉和水泥窑炉，居行业第三位。而在钢铁行业NOx排放中，50％以上来自于烧结工序。
烧结烟气具有流量大、烟气温度低(120～180℃)、NOx浓度波动大(180～600mg/m3)的特点。2017年5月份环保部发布的《关于京津冀及周边地区执行大气污染物特别排放限值的公告(征求意见稿)》中明确提出，“2+26城”包括钢铁烧结在内的多个行业新建及现有企业执行大气污染物特别排放限值，而标准执行由京津冀向全国推广的趋势已迫在眉睫。2017年6月环保部发布了《钢铁烧结、球团工业大气污染物排放标准》修改单(征求意见稿)，将NOx特别排放限值从300mg/m3提到了100mg/m3。如此以来，大量的烧结机NOx排放超标。因此，必须开发合适的技术对烧结烟气中的NOx排放进行高效治理。
目前烧结烟气脱硝技术主要包括氧化脱硝技术、活性炭技术和选择性催化还原(SCR)技术。氧化脱硝技术是在烟气中进入脱硫塔之前，喷入臭氧或其它种类的氧化剂，将烟气中的NO氧化成NO2或N2O5等高价氮氧化物，在脱硫塔内实现同步脱硫脱硝。但NO2的吸收效果一般，为了实现硫硝高效协同吸收，尤其是入口NOx浓度较高时，一般需要提高臭氧量将NO2进一步氧化生成N2O5，如此以来又会提高运行费用和臭氧逸出风险。活性炭技术尽管能实现硫硝一体化控制，但现有烧结烟气活性炭工程案例显示，脱硝效率一般较低，很难满足100mg/m3的特殊排放限值。SCR脱硝技术是在烟气中喷入还原剂，在催化剂存在条件下将NOx还原为N2，脱硝效率可达85％以上。现有中高温SCR技术运行温度一般在280～300℃，低温SCR技术运行温度一般在180～250℃，两种脱硝技术均需对烧结烟气进行烟气再热，使得现有SCR技术运行成本较高。
CN103463976A公开了一种烧结、球团烟气SCR脱硝脱二恶英装置，主要包括将待处理烟气进行一次升温的热交换装置、二次升温的加热装置、对烟气进行SCR脱硝脱二恶英处理的反应装置、设置在热交换装置和SCR反应装置之间的氨-空气提供装置，其中SCR反应装置的排烟口与热交换装置的热介质入口相连。但常规的气气换热器的换热效率通常低于70％，使得二次升温的加热装置运行能耗较大，成本较高。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种烧结烟气低温脱硝装置及方法，所述烧结烟气的脱硝装置及方法脱硝效率高且能耗小。
本发明所述烧结烟气，是指钢铁生产的烧结工序中产生的烟气。低温SCR脱硝技术是在较低温度下，在催化剂的作用下，利用氨气或其它还原剂在催化剂表面将NOx还原为N2，实现烟气脱硝，其温度段为180～250℃。
第一方面，本发明提供一种烧结烟气的处理装置，包括蓄热式SCR脱硝系统；所述蓄热式SCR脱硝系统之前设有脱硫系统；
所述蓄热式SCR脱硝系统的主体为蓄热式反应器，所述蓄热式反应器的壳体中自上而下依次设有催化剂层和蓄热体层，将壳体内部自上而下分为轴向通气的SCR反应室、换热室和换气室，所述换气室由互相隔离的进气室和出气室构成；所述进气室连接有还原剂供给装置。
烧结烟气和还原剂经过蓄热式反应器的进气室，经蓄热体层进行一级加热后，进入换热室中进行二级加热，至达到SCR反应所需温度后，催化剂层催化作用下发生SCR脱硝反应，反应后的烟气经所述蓄热体层换热降温后进入出气室，得到净化烟气。
烧结烟气的温度为120～180℃，必须进行烟气再热才能达到低温SCR所需要的温度，目前多采用一级气气换热加热和二级燃烧器加热联用的方式进行烟气再热，而常规的气气换热的换热效率通常低于70％，使得二级燃烧器加热运行能耗较大，成本较高。本发明将蓄热反应器和脱硝装置集成为一体式蓄热式SCR脱硝系统，蓄热效率可高达90％以上，实现了烟气的低能耗再热，所述烧结烟气低温脱硝装置可实现长期稳定低能耗运行，对烧结烟气具有较强的适用性；且装置相较于现有技术更为紧凑，节约占地面积。
原始烧结烟气中SO2浓度在1000mg/m3左右，在未脱硫的情况下直接进行低温SCR，催化剂表面会很快生成大量硫铵盐覆盖活性位点，从而造成催化剂失活。本发明所述装置通过脱硫系统实现烟气脱硫，脱硫后烟气再进行脱硝可以避免催化剂表面硫铵盐沉积引起的催化剂失活。本发明对脱硫系统的具体形式不做限定，根据需要进行选择，例如，所述脱硫系统可以包括脱硫塔、吸收剂仓、泵、输送管道、喷水设备和PLC控制系统。所述脱硫系统可为石灰石石膏法、双碱法、氨法、钠碱法等湿法脱硫系统，以及循环流化床法、密相干塔法、旋转喷雾干燥法(SDA)等半干法脱硫系统中的任意一种。
优选地，所述蓄热式反应器中的燃烧器位于所述换热室的器壁上，相较于把燃烧器安装在SCR反应室中的设计，不仅能充分发挥催化剂层上部的催化活性，还能充分利用催化剂下部的催化活性，脱硝效率更高，进一步满足日渐严格的烧结烟气NOx排放标准，此外还可进一步抵抗催化剂失活，对烧结烟气具有较强的适用性。
优选地，所述燃烧器为感温燃烧器。感温燃烧器指的是可以根据反应温度调节燃气量和燃烧热值的燃烧器，感温器安装换热室或者SCR反应室，燃烧器接受感温器的温度信号，对反应气体进行灵活的补热，增加反应稳定性和催化剂稳定性且进一步降低换热能耗。
优选地，所述进气室的进气口还设有喷氨格栅。
优选地，所述蓄热式反应器内还设有旋转轴，所述旋转轴上固定有两个活动框架，用于分别放置所述催化剂层和所述蓄热体层。旋转轴旋转过程中，气体首先通过进气室，依次通过高温蓄热体进行换热加热，然后再通过燃烧器进行二级加热，达到SCR所需反应温度，而后进入催化剂层，到达反应室，然后随气流方向再次通过催化剂层，随后经过低温蓄热体，低温蓄热体经过加热后变成高温蓄热体，而降温后的烟气经过出气室排出。
优选地，所述旋转轴连接有动力装置。
所述脱硫系统之前还设有第一除尘器。
优选地，所述脱硫系统为半干法脱硫系统时，所述脱硫系统和所述蓄热式SCR脱硝系统之间设有第二除尘器。
优选地，所述第二除尘器包括袋式除尘器。
优选地，所述蓄热体层中的蓄热体包括蜂窝状蓄热体，蜂窝结构有利于增加换热效率。
优选地，所述蓄热体的材质选自堇青石、莫来石、刚玉、钛酸铝、氧化锆或氮化硅中的任意一种或至少两种的组合。其中，典型但非限制性的组合为：堇青石和莫来石的组合，莫来石和刚玉的组合，钛酸铝和氧化锆的组合，莫来石和氮化硅的组合，堇青石、莫来石和刚玉的组合。
优选地，所述催化剂层中的催化剂包括蜂窝状催化剂。
优选地，所述催化剂包括钒基活性炭蜂窝催化剂、钒钨钛蜂窝催化剂或钒钨钛板式催化剂中的任意一种或至少两种的组合。其中，典型但非限制性的组合为：氨水和尿素的组合，氨水和液氨的组合，尿素和液氨的组合，氨水、尿素和液氨的组合。
作为本发明优选的技术方案，所述烧结烟气的处理装置包括依次连接的第一除尘器、脱硫系统、第二除尘器和蓄热式SCR脱硝系统；所述蓄热式SCR脱硝系统的主体为蓄热式反应器，所述蓄热式反应器的壳体中自上而下依次设有催化剂层和蓄热体层，将壳体内部自上而下分为轴向通气的SCR反应室、换热室和换气室，所述换气室由互相隔离的进气室和出气室构成；所述进气室连接有还原剂供给装置；燃烧器位于所述换热室的器壁上；所述蓄热式反应器内还设有旋转轴，所述旋转轴上固定有两个活动框架，用于分别放置所述催化剂层和所述蓄热体层，所述蓄热体层中的蓄热体包括蜂窝状蓄热体；所述催化剂层中的催化剂包括蜂窝状催化剂；所述旋转轴连接有动力装置。
第二方面，本发明提供一种烧结烟气的处理方法，利用如第一方面所述的装置进行。
优选地，所述烧结烟气的处理方法包括如下步骤：烧结烟气和还原剂经过蓄热式反应器的进气室，经蓄热体层进行一级加热后，进入换热室中进行二级加热，至达到SCR反应所需温度后，催化剂层催化作用下发生SCR脱硝反应，反应后的烟气经所述蓄热体层换热降温后进入出气室，得到净化烟气。
优选地，所述还原剂的来源包括氨水、尿素或液氨中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述还原剂折合成NH3后与烟气中NOx的摩尔比为(0.5～1.2):1，例如0.5:1、0.6:1、0.7:1、0.8:1、0.9:1、1.0:1、1.1:1或1.2:1等。
优选地，所述SCR脱硝反应的温度为180～250℃，例如180℃、190℃、200℃、210℃、220℃、230℃、240℃或250℃等。
优选地，所述烧结烟气还经过前处理；所述前处理包括除尘和脱硫。
作为本发明优选的技术方案，所述烧结烟气的处理方法，包括如下步骤：
1)除尘：烧结烟气经过第一除尘器除尘，除去颗粒物；
2)脱硫：除尘后烧结烟气进入脱硫系统，烟气中SO2与碱性吸收剂发生反应后被除去；
3)脱硝：脱硫后烧结烟气和还原剂经过蓄热式反应器的进气室，所述还原剂包括氨水、尿素或液氨中的任意一种或至少两种的组合；所述还原剂折合成NH3后与烟气中NOx的摩尔比为(0.5～1.2):1，经蓄热体层进行一级加热后，进入换热室中经燃烧器进行二级加热，至达到SCR反应所需温度180～250℃后，催化剂层催化作用下在SCR反应室发生SCR脱硝反应，反应后的烟气经所述蓄热体层换热降温后进入出气室，得到净化烟气。
第三方面，本发明提供如第一方面所述的烧结烟气的处理装置的用途，所述烧结烟气的处理装置用于净化含有氮氧化物的工业废气。
优选地，所述含有氮氧化物的工业废气为烧结烟气。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：
1.本发明将蓄热反应器和脱硝装置集成为一体式蓄热式SCR脱硝系统，蓄热效率可高达90％以上，实现了烟气的低能耗再热，反应后烟气热量的高效回收，极大地节省脱硝系统运行能耗。此烧结烟气低温脱硝装置可实现长期稳定低能耗运行，对烧结烟气具有较强的适用性；且装置相较于现有技术更为紧凑，节约占地面积；
2.本发明中进一步将所述蓄热式反应器中的燃烧器设置于所述换热室的器壁上，相较于把燃烧器安装在SCR反应室中的设计，脱硝效率更高，还可进一步抵抗催化剂失活，对烧结烟气具有较强的适用性。
附图说明
图1为本发明实施例1中烧结烟气低温脱硝装置的示意图。
图中标记示意为：1-电除尘器；2-脱硫系统；3-袋式除尘器；4-蓄热式SCR脱硝系统；5-烟囱；41-催化剂层；42-感温燃烧器；43-蓄热体层；45-旋转轴。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。但下述的实施例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
实施例1
一种烧结烟气低温脱硝装置，如图1所示，包括依次连接的电除尘器1、脱硫系统2、袋式除尘器3、蓄热式SCR脱硝系统4、和烟囱5。
蓄热式SCR脱硝系统4的主体为一蓄热式反应器，蓄热式反应器的壳体中自上而下依次设有催化剂层41和蓄热体层43，将壳体内部自上而下分为轴向通气的SCR反应室、换热室和换气室，换气室由互相隔离的进气室和出气室构成；进气室连接有还原剂供给装置；感温燃烧器42位于换热室的器壁上；进气室的进气口还设有喷氨格栅。蓄热式反应器内还设有旋转轴45，轴上固定有两个活动框架，用于分别放置催化剂层41和蓄热体层43，旋转轴连接有动力装置。
实施例2
利用实施例1中装置对132m2烧结机的烧结烟气进行净化，烟气量为70万m3/h，初始烟气温度为120℃，NOx浓度为180mg/m3，脱硫系统2采用石灰石石膏法脱硫系统，蓄热体为蜂窝堇青石，催化剂采用钒基活性炭蜂窝式催化剂，方法如下：
1)除尘：烧结烟气经过电除尘器1除尘，除去颗粒物；
2)脱硫：除尘后烧结烟气进入脱硫系统2，烟气中SO2与碱性吸收剂发生反应后被除去；
3)脱硝：脱硫后烧结烟气和NH3经过蓄热式反应器的进气室；NH3与烟气中NOx的摩尔比为0.8:1，经蓄热体层43进行一级加热后，进入换热室中经感温燃烧器42进行二级加热，至达到SCR反应所需温度180℃后，催化剂层催化作用下在SCR反应室发生SCR脱硝反应，反应后的烟气经蓄热体层换热降温后进入出气室，得到净化烟气进入烟囱5，然后排出。其中NH3来源于液氨。
所得净化烟气的NOx浓度为80mg/m3。
实施例3
利用实施例1中装置对265m2烧结机的烧结烟气进行净化，烟气量为150万m3/h，初始烟气温度为160℃，NOx浓度为300mg/m3，脱硫系统采用密相干塔法脱硫系统，蓄热体为莫来石-刚玉，催化剂采用钒钨钛蜂窝式催化剂，方法与实施例2类似，不同的是脱硝反应温度为250℃，NH3来源于氨水，NH3与烟气中NOx的摩尔比为1.0:1。
所得净化烟气的NOx浓度为45mg/m3。
实施例4
与实施例2的区别仅在于：脱硫系统采用双碱法脱硫系统，催化剂采用钒钨钛板式催化剂。所得净化烟气的NOx浓度为75mg/m3。
实施例5
与实施例3的区别仅在于：脱硫系统采用循环流化床法脱硫系统，催化剂采用钒钨钛蜂窝式和钒钨钛板式组合催化剂。所得净化烟气的NOx浓度为50mg/m3。
实施例6
与实施例3的区别仅在于：脱硫系统采用旋转喷雾干燥法脱硫系统，NH3与烟气中NOx的摩尔比为1.2:1。所得净化烟气的NOx浓度为45mg/m3。
对比例1
与实施例3的区别仅在于：装置中蓄热式SCR脱硝系统4与脱硫系统2调换位置。处理后NOx浓度为270mg/m3。
对比例2
与实施例3的区别仅在于：装置中省去脱硫系统和袋式除尘器。处理后NOx浓度为280mg/m3。
可见，充分发挥本发明蓄热式SCR脱硝系统的低能耗再热和高效脱硝优势需要将脱硫系统设置在所述蓄热式SCR脱硝系统之前，两者相互配合，脱硫后烟气再进行脱硝可以避免催化剂表面硫铵盐沉积引起的催化剂失活，实现高效脱硝。
实施例7
与实施例3的区别仅在于：感温燃烧器位于SCR反应室的器壁上。所得净化烟气的NOx浓度为60mg/m3。
在能够将蓄热反应器和脱硝装置集成为一体式蓄热式SCR脱硝系统的假设前提下，为了节约热能，本领域普通的技术人员通常会将感温燃烧器位于SCR反应室中，这样能直接在反应区为反应气体补热，实际上，对照实施例3与实施例7可知，本发明通过将感温燃烧器的位置设计在换热室的器壁上，相较于把燃烧器安装在SCR反应室中的设计，取得了意料不到的技术效果：不仅能充分发挥催化剂层上部的催化活性，还能充分利用催化剂下部的催化活性，脱硝效率更高，进一步满足日渐严格的烧结烟气NOx排放标准，此外还可进一步抵抗催化剂失活，对烧结烟气具有较强的适用性。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (18)

1.一种烧结烟气的处理装置，其特征在于，包括蓄热式SCR脱硝系统；所述蓄热式SCR脱硝系统之前设有脱硫系统；
所述蓄热式SCR脱硝系统的主体为蓄热式反应器，所述蓄热式反应器的壳体中自上而下依次设有催化剂层和蓄热体层，将壳体内部自上而下分为轴向通气的SCR反应室、换热室和换气室，所述换气室由互相隔离的进气室和出气室构成；所述进气室连接有还原剂供给装置；
所述蓄热式反应器中的燃烧器位于所述换热室的器壁上；
所述蓄热式反应器内还设有旋转轴，所述旋转轴上固定有两个活动框架，用于分别放置所述催化剂层和所述蓄热体层。
2.如权利要求1所述的烧结烟气的处理装置，其特征在于，所述燃烧器为感温燃烧器。
3.如权利要求1或2所述的烧结烟气的处理装置，其特征在于，所述进气室的进气口还设有喷氨格栅。
4.如权利要求1所述的烧结烟气的处理装置，其特征在于，所述旋转轴连接有动力装置。
5.如权利要求1或2所述的烧结烟气的处理装置，其特征在于，所述脱硫系统之前还设有第一除尘器。
6.如权利要求5所述的烧结烟气的处理装置，其特征在于，所述脱硫系统为半干法脱硫系统时，所述脱硫系统和所述蓄热式SCR脱硝系统之间设有第二除尘器。
7.如权利要求6所述的烧结烟气的处理装置，其特征在于，所述第二除尘器包括袋式除尘器。
8.如权利要求1或2所述的烧结烟气的处理装置，其特征在于，所述蓄热体层中的蓄热体包括蜂窝状蓄热体。
9.如权利要求1或2所述的烧结烟气的处理装置，其特征在于，所述蓄热体层中的蓄热体的材质选自堇青石、莫来石、刚玉、钛酸铝、氧化锆或氮化硅中的任意一种或至少两种的组合。
10.如权利要求1或2所述的烧结烟气的处理装置，其特征在于，所述催化剂层中的催化剂包括蜂窝状催化剂。
11.如权利要求10所述的烧结烟气的处理装置，其特征在于，所述催化剂选自钒基活性炭蜂窝催化剂、钒钨钛蜂窝催化剂或钒钨钛板式催化剂中的任意一种或至少两种的组合。
12.一种烧结烟气的处理方法，其特征在于，利用如权利要求1～11任一项所述的装置进行。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，包括如下步骤：
烧结烟气和还原剂经过蓄热式反应器的进气室，经蓄热体层进行一级加热后，进入换热室中进行二级加热，至达到SCR反应所需温度后，催化剂层在催化作用下发生SCR脱硝反应，反应后的烟气经蓄热体层换热降温后进入出气室，得到净化烟气；
所述还原剂折合成NH3后与烟气中NOx的摩尔比为(1.0～1.2):1。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述还原剂选自氨水、尿素或液氨中的任意一种或至少两种的组合。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，所述SCR脱硝反应的温度为180～250℃。
16.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，所述烧结烟气还经过前处理；所述前处理包括除尘和脱硫。
17.如权利要求1～11任一项所述的烧结烟气的处理装置的用途，其特征在于，所述烧结烟气的处理装置用于净化含有氮氧化物的工业废气。
18.如权利要求17所述的用途，其特征在于，所述含有氮氧化物的工业废气为烧结烟气。
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