CN108579369B - 一种焦炉烟气多污染物协同治理系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种焦炉烟气多污染物协同治理系统及方法，按烟气流动方向依次包括热风炉、CO催化氧化与SCR脱硝耦合的多功能催化反应器、CO2解吸装置、湿法脱硫吸收塔、CO2吸收塔、冷却器和烟囱，湿法脱硫吸收塔与CO2吸收塔相接的第四管路上设有烟气换热器，且冷却器与烟囱相接的第六管路也经过烟气换热器，冷却器的冷凝水出口和烟气换热器的冷凝水出口分别通过工艺水管与湿法脱硫吸收塔的进液口相连通。本发明从综合有效去除烟气多污染物角度出发，针对钢铁行业焦炉烟气的特点发明设计了一套多污染物协同控制排放的工艺路线，将SCR脱硝，湿法脱硫，CO氧化，CO2捕集，以及湿烟气脱白等技术有机结合，同时兼顾能源有效利用。

Description

一种焦炉烟气多污染物协同治理系统及方法
技术领域
本发明涉及一种焦炉烟气处理技术，尤其涉及一种焦炉烟气多污染物协同治理系统及方法，属于烟气环保净化领域。
背景技术
随着现代工业生产的不断发展，带来了客观的经济增长，同时也造成了环境的严重破坏问题，特别是大气污染问题近年来受到政府和广大人民的关注，目前针对重污染行业的污染物治理问题成为相关行业研究的重点。冶金行业常常涉及到大量的高温燃烧过程，在含硫燃料燃烧过程中会产生大量的SO2，高温燃烧环境还会产生了大量的氮氧化物(NOx)，同时燃料燃烧势必会产生大量的CO2气体排放。
对于不同的污染物，目前通过下列技术手段进行治理控制：
选择性催化还原法脱硝技术(英文名称为Selective Catalytic Reduction，缩写为SCR)，是目前国际上应用最为广泛的烟气脱硝技术，在日本、欧洲、美国等国家地区的大多数电厂中基本都应用此技术，它没有副产物，不形成二次污染，装置结构简单，并且具有脱除效率高(可达90％以上)，具有运行可靠，便于维护等优点。SCR技术原理为：在催化剂作用下，向一定温度的烟气中喷入氨，将NOX还原成N2和H2O。烟气脱硫技术在我国发展最早，技术也最为成熟，目前在运行的大多设备都是采用湿法脱硫的工艺路线。
对于CO2排放问题，近年来全球变暖已成为全世界最关注的环保问题，造成全球变暖的主要原因是大量的温室气体产生，而温室气体的主要组成部分就是二氧化碳(CO2)。节能减排降低碳排放已经是全世界关注的焦点。目前比较成熟的CO2捕集技术是燃烧后CO2捕集技术，而针对常压，CO2浓度较低的烟气，醇胺工艺是比较合理可行的技术路线，适合冶金行业采用。
上述这些针对不同污染气体的控制技术在实际应用中还存在着一些实际问题，以钢铁行业烟气为对象来看，目前的SCR催化剂主要针对的脱硝工况是中低温条件下(220℃～420℃)的NOx脱出，然而实际冶金生产过程中产生的需要脱硝的烟气温度都相对较低，比如烧结烟气一般在120℃左右，焦化烟气在200℃左右，此时的烟气温度往往较所需要的脱硝反应温度更低，需要使用加热设备对烟气进行加热后再送入SCR反应器中，烟气再热过程需要消耗燃气对烟气进行加热。
一般钢铁行业都会选择使用高炉煤气或者高炉煤气与焦炉煤气的混合气燃烧对烟气进行预热，但使用加热炉会产生一定的运行费用，此外由于国内相当多的钢铁行业脱硫脱硝项目都属于后改造项目，由于场地限制往往造成热风炉体积较小，燃烧加热区域较短，煤气燃烧并不充分，因此会造成相当含量的未燃烧CO气体进入烟气中，一方面当这些CO自身含量过高时会造成烟气排放不达标问题，另一方面，CO的存在还会对烟气成分测量装置造成影响，形成干扰信号，使得烟气中其它污染物排放不达标。如果能够将CO转化成CO2对于后面的CO2捕集也会更为有利，一定程度上降低运行费用。而大量湿法脱硫后产生的饱和湿烟气不仅会带来视觉上的污染，还会增加颗粒物，NOx，SO2等污染物的落地浓度。
在一篇中国实用新型专利(专利号为：201720378256.5)中公开了一种节能型二氧化碳捕集提纯系统，系统设置有第一级流化床捕集塔、第二级流化床捕集塔和二氧化碳解吸塔，经第一级流化床捕集塔和第二级流化床捕集塔捕集处理后的物料进入二氧化碳解吸塔进行解吸，两个捕集塔共用一个二氧化碳解吸塔，有效减少了设备冗余；同时系统还设置有物料循环输送装置，实现了物料在第一级流化床捕集塔、第二级流化床捕集塔和二氧化碳解吸塔间的循环输送，提高了二氧化碳的捕集效率。此外，所述系统还设置有反应热回收装置，可有效收集二氧化碳捕集提纯系统的余热，实现了捕集热源的再利用。但其对于烟气余热的使用并没有考虑脱硫脱硝等工艺过程，而且此技术的重点是在对于二氧化碳的有效捕集过程，并未涉及其它烟气污染物的协同控制问题。
在另一篇中国发明专利申请(公布号为：CN106039960A)中公开了一种梯级利用烟气余热的二氧化碳捕集液化工艺，该工艺基于化学吸收过程、吸收式制冷过程和压缩冷凝过程，通过梯级利用烟气余热，首先作为吸收剂再生的热源，再作为吸收式制冷的热源，同时二次利用吸收剂再生过程消耗的热量，将再生塔顶二氧化碳携带的低温热作为吸收式制冷的热源，从而有效减少二氧化碳捕集液化的成本，有利于二氧化碳资源化和碳减排政策的执行。本发明的有益效果：避免了吸收剂再生过程的蒸汽消耗，减少了液化过程的压缩功消耗，每吨二氧化碳可节省蒸汽1.5吨，电能20kWh；通过优化设计制冷和液化工艺，将二氧化碳的液化温度提高到5℃以上，避免发生冻堵和形成水合物，简化了脱水工艺流程。虽然其涉及了一种脱硫脱硝后烟气中二氧化硫的捕集技术，但是所提出的脱硫脱硝后烟气温度需求过高，并不能适用于所有工业烟气，特别当采用湿法脱硫后烟气的温度很可能无法满足于该工艺要求，此外技术方案重点在于二氧化碳的液化分离，也不涉及到烟气多污染物协同控制问题。
在再一篇中国发明专利申请(公布号为：CN105964117A)中公开了一种焦炉烟气一体化脱硫脱硝的工艺方法，该方法中焦炉烟气从烟筒底部引出送入除尘器除去烟气中的灰尘；从除尘器出来的烟气进入换热器和经后续洗涤塔脱硫脱硝后的烟气换热冷却降温；从换热器出来的烟气通过混合器加入氧化剂；从混合器出来的烟气进入洗涤塔内通过喷淋碱液进行脱硫脱硝；脱硫脱硝用的碱液由洗涤塔底部经循环泵抽出送回洗涤塔上部循环洗涤；由洗涤塔出来的烟气回至所述换热器升温后送回烟筒中排放。该工艺方法可以同时脱出烟气中的SO2、NOX使其满足现行的国家标准，实现节能减排；该工艺方法不需要烟气升温耗能，不产生氨逃逸，不产生有害废渣、不需单独设置提盐装置、不需分解固定铵。然而，该工艺方法使用氧化吸收法路线进行脱硫脱硝过程，氧化路线需要使用到氧化剂，目前氧化能力足够的氧化剂主要是臭氧和双氧水，设备投资费用较高，操作费用也较高，此外対烟气温度也有较高要求，烟气温度不能过高，经过洗涤吸收塔后的烟气湿度高，即使经过升温处理，也可能在排放时产生白烟，此技术也未涉及碳氧化物的捕集工艺。
发明内容
针对焦炉烟气中多污染物处理问题，本发明的一个目的是提供一种焦炉烟气多污染物协同治理系统，以实现多污染物的协同控制与净化，解决实际生产中遇到的再热烟气中CO含量过高、温室气体二氧化碳的吸收捕集、排放烟气脱白的问题，同时兼顾能源有效利用。
本发明的另一目的是提供一种采用上述焦炉烟气多污染物协同治理系统的工艺方法。
为达到上述目的，本发明提出了一种焦炉烟气多污染物协同治理系统，所述焦炉烟气多污染物协同治理系统按烟气流动方向依次包括热风炉、CO催化氧化与SCR脱硝耦合的多功能催化反应器、CO2解吸装置、湿法脱硫吸收塔、CO2吸收塔、冷却器和烟囱，所述热风炉、CO催化氧化与SCR脱硝耦合的多功能催化反应器、CO2解吸装置、湿法脱硫吸收塔、CO2吸收塔、冷却器和烟囱分别通过第一管路、第二管路、第三管路、第四管路、第五管路和第六管路依次串接；
所述CO2解吸装置包括CO2解吸塔和设置在所述CO2解吸塔底部的储存有CO2吸收剂的再沸器，在所述CO催化氧化与SCR脱硝耦合的多功能催化反应器和所述CO2解吸装置的再沸器之间连接有将高温烟气导入所述再沸器的所述第二管路；所述再沸器与所述CO2吸收塔设有用于输送CO2吸收剂的管路；
所述湿法脱硫吸收塔与所述CO2吸收塔相接的所述第四管路上设有烟气换热器，且所述冷却器与所述烟囱相接的第六管路也经过所述烟气换热器，所述第四管路与所述第六管路在所述烟气换热器内相交，所述第四管路中的烟气与所述第六管路中的烟气在所述烟气换热器内通过各自的管路进行热交换；所述冷却器的冷凝水出口和所述烟气换热器的冷凝水出口分别通过工艺水管与所述湿法脱硫吸收塔的进液口相连通。
如上所述的焦炉烟气多污染物协同治理系统，其中，所述CO催化氧化与SCR脱硝耦合的多功能催化反应器按烟气的流动方向，其依次包括烟气总入口、反应器主体及烟气总出口；
所述反应器主体内部包括至少一个反应单元，每个所述反应单元包括串联设置的放置CO氧化反应催化剂的第一反应仓和放置SCR反应催化剂的第二反应仓，所述第一反应仓具有能与所述烟气总入口连通的烟气进口，所述第二反应仓具有与所述烟气总出口连通的烟气出口，所述第一反应仓与所述第二反应仓并排布置并以第一导热板分隔开，且所述第一反应仓与所述第二反应仓彼此相连通形成允许烟气通过的第一烟气反应通道。
如上所述的焦炉烟气多污染物协同治理系统，其中，所述第二反应仓通过设置在其中下部的横板和纵板分割为顺次连通的第一SCR反应区、第二SCR反应区及第三SCR反应区，所述纵板为第二导热板，所述第一SCR反应区与所述第三SCR反应区并排布置并以所述第二导热板分隔开，所述第二SCR反应区位于所述第一SCR反应区与所述第三SCR反应区的上方，所述第一SCR反应区通过导流弯管与所述第一反应仓的底部相连通，所述第二SCR反应区的底部分别与所述第一SCR反应区与所述第三SCR反应区相连通，所述第二SCR反应区的顶端朝向所述烟气总入口方向开放；
在所述第一反应仓的烟气进口设有能摆动的第一活动挡板门，所述第一反应仓的烟气进口和所述第二SCR反应区的顶端通过所述第一活动挡板门的往复摆动而交替启闭；所述导流弯管内设有能摆动的第二活动挡板门，所述导流弯管通过所述第二活动挡板门的往复摆动而启闭；
当所述第一活动挡板门关闭所述第一反应仓的烟气进口并开启所述第二SCR反应区的顶端，且所述第二活动挡板门关闭所述导流弯管时，所述烟气总入口、所述第二SCR反应区、所述第三SCR反应区和所述烟气总出口依次连通形成允许烟气通过的第二烟气反应通道。
如上所述的焦炉烟气多污染物协同治理系统，其中，所述第一活动挡板门的两端分别为第一连接端和第一摆动端，所述第一连接端能转动的与所述第一导热板上端相接，所述第一摆动端能封盖于所述第二SCR反应区的顶端或封盖于所述第一反应仓的烟气入口上；所述第二活动挡板门两端分别为第二连接端和第二摆动端，所述第二连接端与所述导流弯管内壁能转动的相连接，所述第二摆动端能搭接在所述第二导热板下端或封堵于所述导流弯管上。
如上所述的焦炉烟气多污染物协同治理系统，其中，所述反应单元并排布设有两个以上，每个所述反应单元的第一活动挡板门能与相邻的反应单元的第一活动挡板相互搭接并封盖于对应的所述第二SCR反应区的顶端或封盖于所述第一反应仓的烟气入口上。
如上所述的焦炉烟气多污染物协同治理系统，其中，所述第一摆动端和所述第二摆动端上均安装有柔性密封条。
如上所述的焦炉烟气多污染物协同治理系统，其中，所述柔性密封条为全不锈钢柔性密封条、氟醚橡胶柔性密封条、柔性密封条氟橡胶或聚四氟乙烯柔性密封条。
如上所述的焦炉烟气多污染物协同治理系统，其中，在所述烟气总入口处安装有导流板和/或整理格栅。
本发明还提供了一种焦炉烟气多污染物协同治理方法，采用如上所述的焦炉烟气多污染物协同治理系统，所述焦炉烟气多污染物协同治理方法具有如下步骤：
首先，将焦炉烟气引入到所述热风炉中，进入所述热风炉前的烟气温度为190℃，经过再加热后烟气温度达到220℃～320℃，此时烟气中CO含量为3000～6500ppm，NOx为300～800mg/Nm3，SO2为15～250mg/Nm3；
再通过所述第一管路将热烟气引入所述CO催化氧化与SCR脱硝耦合的多功能催化反应器，在所述CO催化氧化与SCR脱硝耦合的多功能催化反应器内先将烟气中的CO转化成CO2，此时烟气中CO含量降至100ppm以下，同时由于反应放热，烟气温度也会升高15℃～25℃，之后再对烟气进行脱硝反应，脱硝后的高温热烟气温度为220℃～320℃，并引出所述CO催化氧化与SCR脱硝耦合的多功能催化反应器；
进一步的，通过所述第二管路将高温热烟气引入所述CO2解吸塔底部的再沸器，利用高温烟气对CO2吸收剂进行加热解吸，以再生CO2吸收剂，而解吸出的CO2经由CO2解吸塔引出至其它后续工艺设备；解吸再生的CO2吸收剂经由所述用于输送CO2吸收剂的管路输送回CO2吸收塔重复使用；
进一步的，经过再沸器热量交换的烟气温度降到80℃～140℃，通过所述第三管路将烟气进一步引入到湿法脱硫吸收塔脱硫处理，经过脱硫后烟气中SO2含量降至30mg/Nm3以下，烟气温度进一步下降到75℃～120℃，且此时烟气为高温湿度饱和烟气；
进一步的，通过所述第四管路将高温湿度饱和烟气引入所述烟气换热器，该高温湿度饱和烟气作为热源与来自所述冷却器的烟气进行热量交换，该烟气温度降低至50℃～75℃，并析出冷凝水，此后烟气再通过所述第四管路导入CO2吸收塔。
进一步的，烟气经CO2吸收塔吸收CO2脱出后的净烟气为温度50℃～65℃的饱和湿烟气，在将该饱和湿烟气通过第五管路引入冷却器并析出冷凝水，冷却后的烟气温度降至30℃～50℃，得到低温湿烟气并作为冷源引入所述烟气换热器，该低温湿烟气与所述第四管路内的高温湿度饱和烟气进行热量交换，该低温湿烟气的温度升至45℃～65℃，此时烟气湿度不再饱和，通过所述第六管路引入所述烟囱并排放至大气环境中。
如上所述的焦炉烟气多污染物协同治理方法，其中，将烟气在所述烟气换热器和所述冷却器中析出的冷凝水收集，并经冷凝水输水管输送至湿法脱硫吸收塔中与脱硫浆液混合利用。
本发明相比于现有技术的有益效果在于：
1、本发明将脱硫脱硝脱碳以及烟气脱白合理整合，达到多种污染物协同治理的目的，工艺路线简单可行。
2、本发明采用对烟气余热的多级利用，达到能够有效降低脱碳工艺的操作费用，完成烟气脱白，同时工艺过程中冷凝水可重新利用于脱硫塔中，节约了资源，降低运行成本。
3、本发明的多功能催化反应器引入CO氧化反应区，可将为充分燃烧的CO转化成CO2，提高CO2浓度，利于后续脱碳工艺，此外此反应器将CO反应与SCR脱硝反应串联，可以利用CO氧化放出的热量对烟气加热，有利于SCR反应进行，同时采用两种反应区间隔设置的优势是可以利用导热板将CO氧化反应放出的热量传递到SCR反应区，提高能量利用率，一定程度上降低烟气再加热的操作成本；
附图说明
在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。
图1为本发明焦炉烟气多污染物协同治理系统的结构示意图；
图2为本发明的CO催化氧化与SCR脱硝耦合的多功能催化反应器的；
图3为图2的多功能催化反应器内部俯视图；
图4为图2的多功能催化反应器当CO催化氧化区被短路时的内部透视图。
附图标记说明：
1-热风炉；2-CO催化氧化与SCR脱硝耦合的多功能催化反应器；3-CO2解吸装置；31-CO2解吸塔；32-再沸器；33-循环管路；34-CO2吸收剂输送管路；4-湿法脱硫吸收塔；5-CO2吸收塔；6-冷却器；7-烟囱；8-烟气换热器；11-第一管路；12-第二管路；13-第三管路；14-第四管路；15-第五管路；16-第六管路；17-工艺水管；
21-烟气总入口；22-反应器主体；23-烟气总出口；24-反应单元；25-第一反应仓；26-第二反应仓；261-第一SCR反应区；262-第二SCR反应区；263-第三SCR反应区；27-第一导热板；28-第二导热板；29-导流弯管；210-柔性密封条；211-第一活动挡板门；2111-第一连接端；2112-第一摆动端；212-第二活动挡板门；2121-第二连接端；2122第二摆动端；213-导流板；214-整理格栅。
具体实施方式
结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。
在本发明所涉及的主要技术术语的含义如下：
SCR:英文全称selective catalytic reduction，选择性催化还原，指利用催化剂和还原剂对NOx烟气进行还原净化的技术。SCR反应催化剂是现有催化剂，工作温度为250℃到400℃，该种催化剂可以是钒钛系催化剂，重要活性组分为五氧化二钒和氧化钛。
SCR是指选择性催化还原(selective catalytic reduction)，利用催化剂和还原剂对NOx烟气进行还原净化的技术。
CO催化氧化是指通过使用催化剂对有毒气体CO在较低温度下与氧气发生催化氧化反应生成无毒的CO2的过程。CO氧化反应催化剂是现有的催化剂，可以是金属氧化物型催化剂，由单种金属或多种金属的氧化物组成。
CO2醇胺法捕集中使用碱性醇胺作为吸收剂(包括胺类、pH调节剂、助剂和水)，在吸收塔中与酸性气体CO2反应形成化合物，使其从气相中分离出来，随富液离开吸收塔。在再生塔中对富液进行加热，CO2与醇胺形成的化合物发生分解释放出CO2并实现醇胺再生。
湿法脱硫：烟气通过吸收喷淋塔与脱硫浆液进行反应后脱出烟气成分中SO2的过程。
烟气脱白：烟囱排出的饱和湿烟气与温度较低的环境空气接触时，在烟气降温过程中，烟气中所含水蒸气过饱和凝结，凝结水滴对光线产生折射、散射，从而使烟羽呈现出白色或者灰色，称其为“湿烟羽”(俗称“大白烟”)，烟气脱白是指通过改变烟气温度或者含水量，以消除视觉污染，同时可进一步降低灰尘含量、并实现节水。
如图1所示，为本发明焦炉烟气多污染物协同治理系统的结构示意图。本发明焦炉烟气多污染物协同治理系统按烟气流动方向依次包括热风炉1、CO催化氧化与SCR脱硝耦合的多功能催化反应器2、CO2解吸装置3、湿法脱硫吸收塔4、CO2吸收塔5、冷却器6和烟囱7，其中热风炉1、CO催化氧化与SCR脱硝耦合的多功能催化反应器2、CO2解吸装置3、湿法脱硫吸收塔4、CO2吸收塔5、冷却器6和烟囱7分别通过第一管路11、第二管路12、第三管路13、第四管路14、第五管路15和第六管路16依次串接，即热风炉1与CO催化氧化与SCR脱硝耦合的多功能催化反应器2通过第一管路11相连通、CO催化氧化与SCR脱硝耦合的多功能催化反应器2与CO2解吸装置3通过第二管路12相连通、CO2解吸装置3与湿法脱硫吸收塔4通过第三管路13相连通、湿法脱硫吸收塔4与CO2吸收塔5通过第四管路14相连通、CO2吸收塔5与冷却器6通过第五管路15相连通、冷却器6与烟囱7通过第六管路16相连通，使得焦炉烟气能够顺序在上述管路及设备形成的通路中流动。
在本发明的实施例中，CO催化氧化与SCR脱硝耦合的多功能催化反应器2用于对烟气中的CO催化氧化及脱硝处理，其具体结构和功能将在下文中详细描述。
在本发明的实施例中，CO2解吸装置3包括用于CO2吸收剂解吸还原的CO2解吸塔31和设置在CO2解吸塔31底部的储存有未解吸的CO2吸收剂的再沸器32，由CO催化氧化与SCR脱硝耦合的多功能催化反应器2导出的高温烟气(烟气温度为220℃～320℃)通过第二管路12导入CO2解吸装置的再沸器32，此时高温烟气作为热源对再沸器32内未解吸的CO2吸收剂进行加热，加热后的未解吸的CO2吸收剂通过CO2解吸装置3内的循环管路33输送至CO2解吸塔31进行解吸(CO2解吸塔31的结构和解吸原理为已有技术，在此不再详细描述)并将解吸后的CO2吸收剂输送回再沸器32，再经由设置在再沸器32与CO2吸收塔5之间的CO2吸收剂输送管路34将解吸后的CO2吸收剂送至CO2吸收塔5，以作为CO2吸收塔5内CO2吸收剂使用，从而实现CO2吸收剂的重复利用。
在本发明的实施例中，湿法脱硫吸收塔4用于对烟气脱硫处理，湿法脱硫吸收塔4的结构和脱硫原理为已有技术，在此不再详细描述。
在本发明的实施例中，湿法脱硫吸收塔4与CO2吸收塔5相接的第四管路14上设有烟气换热器8，且冷却器6与烟囱7相接的第六管路16也经过烟气换热器8，在烟气换热器8内第四管路14与第六管路16相交，第四管路14中的饱和湿高温烟气(烟气温度为70℃～120℃)与第六管路16中的低温湿烟气(烟气温度为30℃～50℃)在烟气换热器8内进行热交换，使得第四管路14中的高温烟气在烟气换热器8的出口温度降至50℃～75℃，以适应CO2吸收塔的工况条件；而第六管路16中的低温湿烟气在烟气换热器8的出口温度升高至45℃～65℃，在烟气换热的过程中，由于温度的变化，饱和湿高温烟气和低温湿烟气均析出冷凝水，降低了烟气中水汽的含量，达到烟气脱白的功效。
在本发明的实施例中，对于析出的冷凝水采用回收利用的方式处理，具体地讲，在设置冷却器6上的冷凝水出口和设置在烟气换热器8上的冷凝水出口分别通过工艺水管17与湿法脱硫吸收塔4的进液口相连通，从而将冷凝水引入湿法脱硫吸收塔4并与脱硫浆液相混合，实现冷凝水的回收利用。
如图2所示，本发明以下实施例选用的CO催化氧化与SCR脱硝耦合的多功能催化反应器的内部透视图。图2所示的状态适用于需要使用CO氧化反应区的工况(上游工艺烟气温度无法达到SCR反应所需温度时，热风炉需要工作)。图2的内部俯视图如图3所示。图4为图2的多功能催化反应器当CO催化氧化区被短路时的内部透视图，图4所示的状态适用于不需要使用CO氧化反应区的工况(上游工艺烟气温度已达到SCR反应所需温度时，热风炉不需要工作)。
如图2至图4所示，以下实施例所使用的CO催化氧化与SCR脱硝耦合的多功能催化反应器，按烟气自上游至下游的流动方向，其依次包括烟气总入口21、反应器主体22及烟气总出口23；所述反应器主体22内部包括三个并列设置的重复的反应单元24，反应单元24的数量可根据需要设置一个、两个或更多个，本发明对此不作限制。每个反应单元24(图1中由虚线框框出)串联设置的包括CO催化氧化区即放置CO氧化反应催化剂的第一反应仓25及SCR反应区即放置SCR反应催化剂的第二反应仓26，第一反应仓25上端设有烟气进口，下端设有烟气出口，第二反应仓26上、下端可供烟气进出，第一反应仓25与第二反应仓26并排布置并以第一导热板27隔开，该第一导热板27用于将CO催化氧化区产生的热量传递给SCR反应区，第一反应仓25与第二反应仓26彼此相连通形成允许烟气通过的第一烟气反应通道。在本发明中，CO氧化反应催化剂和放置SCR反应催化剂为已知技术，在此不再详细描述。
如图2所示，第二反应仓6通过设置在其中下部的横板和纵板分割为顺次连通的第一SCR反应区261、第二SCR反应区262及第三SCR反应区263，纵板为第二导热板28，第一SCR反应区261与第三SCR反应区263并排布置并以第二导热板28分隔开，所述第二SCR反应区262位于所述第一SCR反应区261与所述第三SCR反应区263的上方，所述第一SCR反应区261通过导流弯管29与所述第一反应仓25的底部相连通，以将烟气从第一反应仓25导入第一SCR反应区261，导流弯管29由第一反应仓25仓体外侧壁下方延伸回弯并与所述第二导热板28连接形成。所述第二SCR反应区262的底部分别与所述第一SCR反应区261与所述第三SCR反应区263相连通，使得烟气可依次流经第一反应仓25、第一SCR反应区261、第二SCR反应区262及第三SCR反应区263，并由烟气总出口23排出。所述第二SCR反应区262的顶端朝向所述烟气总入口方向开放，使得当第一烟气反应通道封闭时，烟气可由第二SCR反应区262进入，达到使CO催化氧化区短路的作用，具体内容在下文中详细描述。
在第一反应仓25的烟气进口设有能摆动的第一活动挡板门211，第一活动挡板门211的两端分别为第一连接端2111和第一摆动端2112，第一连接端2111与第一导热板27铰接或枢接，使得第一活动挡板门211能够以第一连接端2111为轴往复摆动，第一活动挡板门211处于摆幅两端时恰好封盖于第二SCR反应区262的顶端(包括但不限于与相邻的反应单元的第一活动挡板相互搭接的情况)或封盖于第一反应仓25的烟气入口上(包括但不限于搭接在反应器主体2的内壁上和与相邻的反应单元的第一活动挡板相互搭接的情况)，使得所述第一反应仓27的烟气进口和第二SCR反应区262的顶端进气口通过第一活动挡板门211的往复摆动而交替启闭，以控制烟气进入或不进入第一反应仓25，从而实现第一烟气反应通道和第二烟气反应通道交替导通关闭的效果。如图1所示，在本实施例中，第一活动挡板,211与相邻的反应单元的第一活动挡板相互搭接并封盖于对应的所述第二SCR反应区的顶端。
在导流弯管29内设有能摆动的第二活动挡板门212，所述第二活动挡板门212两端分别为第二连接端2121和第二摆动端2122，所述第二连接端2121与所述导流弯管29内壁能转动的相连接，第二摆动端2122能搭接在第二导热板28下端或封堵于导流弯管29的内壁上，使得所述导流弯管29通过第二活动挡板门212的往复摆动而启闭，以密闭第一反应仓5及控制烟气进入或不进入所述第一SCR反应区261。
在第一活动挡板门211和第二活动挡板门212共同作用下，当所述第一活动挡板门211关闭所述第一反应仓25的烟气进口并开启所述第二SCR反应区262的顶端，且所述第二活动挡板门212关闭所述导流弯管29时，所述烟气总入口1、所述第二SCR反应区262、所述第三SCR反应区263和所述烟气总出口23依次连通形成允许烟气通过的第二烟气反应通道，达到使CO催化氧化区短路的作用。
如图2、图4所示，所述烟气入口21中安装导流板13和整理格栅214，以使烟气能够均匀的进入所述CO催化氧化区(第一反应仓25)中(当需进行CO催化氧化反应时)或进入SCR反应区(第二反应仓26)中(当无需进行CO催化氧化反应时)。
进一步的，在第一活动挡板门211的第一摆动端2112和第二活动挡板门212的第二摆动端2122上均安装有柔性密封条210。采用该方式，可减少烟气在不同反应区之间的泄漏。所述柔性密封条为现有产品，在一些实施方式中，所述柔性密封条210为全不锈钢柔性密封条、氟醚橡胶柔性密封条、柔性密封条氟橡胶或聚四氟乙烯柔性密封条。优选聚四氟乙烯柔性密封条。
进一步的，第一导热板27和第二导热板28为低碳钢导热板、低合金钢导热板或金属镀搪瓷导热板。优选金属镀搪瓷导热板。
本发明多功能催化反应器在使用时：
图2所示的状态适用于需要使用CO催化氧化区的工况的以下示例1、示例2(上游工艺烟气温度无法达到SCR反应所需温度时，热风炉需要工作)，在反应器主体22内安装在所述第一导热板27上的第一活动挡板门211两两相互搭接，以使烟气首先进入所述CO催化氧化区，而不首先进入所述SCR反应区，安装在所述导流弯管29末端的第二活动挡板门212搭接在所述第二导热板28的底端，以使进入CO反应区反应后的烟气进入所述第一SCR反应区261，然后依次经过第二SCR反应区262、第三SCR反应区263，从第三SCR反应区263排出的烟气汇合后从所述烟气总出口23排出。
图4所示的状态适用于不需要使用CO氧化反应区的工况的以下示例3(上游工艺烟气温度可达到SCR反应所需温度时，热风炉不需要工作)，其可由图2所示的状态改变得到，可通过改变设置在所述第一导热板27上的第一活动挡板门211的方向以及导流弯管29末端的第二活动挡板门212方向得到该状态的反应器。
具体而言，在图3中位于反应器内最左侧第一块第一导热板27上的第一活动挡板门211搭接在反应器内壁以密闭最左侧的CO催化氧化区，第二块第一导热板与第三块第一导热板的第一活动挡板门211相互搭接，以开放左侧SCR反应区，同时密闭中间CO催化氧化区，第四块第一导热板与第五块第一导热板的第一活动挡板门211相互搭接，以开放中间及右侧SCR反应区，同时密闭右侧CO催化氧化区；且左侧、中间、右侧反应单元中各自回弯上设置的第二活动挡板门212各自搭接在悬空在所述导流弯管29内的第一导热板27上，以底端封闭所述CO催化氧化区，开放所述SCR区，此时在该反应器内的第一烟气通道封闭，第二烟气通道导通，全部CO催化氧化区短路，烟气无法进入该区，烟气直接进入所述SCR反应区，反应后从该区排出。
示例1
在某工况下，烟气在进入热风炉之前温度～170℃，通过热风炉之后为～230℃，烟气中CO含量为～6500ppm，NOx为～300mg/Nm3,烟气量为～110000Nm3/h。本实施例使用如图1所示状态的多功能催化反应器，该反应器中具有3个重复反应单元。
该状态下的反应器，CO催化氧化区处于工作状态，挡板门的活动端安装聚四氟乙烯柔性密封条，以降低烟气在不同反应区之间的泄漏；
引入烟气通过所述CO催化氧化区，所述CO催化氧化区与所述第三SCR反应区及所述第一SCR反应区之间的第一导热板，所述第一SCR反应区与所述第二SCR反应区之间的第二导热板均选用镀搪瓷碳钢，烟气经过所述CO催化氧化区后烟温上升至245℃左右，烟气继续进入所述SCR反应区，即依次经过第一SCR反应区，第三SCR反应区和第二SCR反应区后，完成脱硝过程，此时烟气中CO含量降至100ppm以下，NOx含量可降至50mg/Nm3以下。
示例2
在另一工况下，烟气在进入热风炉之前温度～170℃，通过热风炉之后为～290℃，烟气中CO含量为～3200ppm，NOx为～300mg/Nm3,烟气量为～110000Nm3/h。本实施例使用如图1所示状态的多功能催化反应器，该反应器中具有3个重复反应单元。
该状态下的反应器，CO催化氧化区处于工作状态，挡板门的活动端安装氟橡胶柔性密封条，以降低烟气在不同反应区之间的泄漏；
引入烟气通过所述CO催化氧化区，所述CO催化氧化区与所述第二SCR反应区及所述第一SCR反应区之间的第一导热板，所述第一SCR反应区与所述第二SCR反应区之间的第二导热板均选用低合金钢，烟气经过所述CO催化氧化区后烟温上升至～245℃，烟气继续进入所述SCR反应区，即依次经过第一SCR反应区，第二SCR反应区和第三SCR反应区后，完成脱硝过程，此时烟气中CO含量降至100ppm以下，NOx含量可降至15mg/Nm3以下。
示例3
在再一某工况下，烟气在进入热风炉之前温度～250℃，已经达到脱硝催化剂工作温度要求，烟气中CO含量为～1000ppm，NOx为～800mg/Nm3,烟气量为～220000Nm3/h。本实施例使用图3所示的状态的多功能催化反应器，该反应器中具有3个重复反应单元。
该状态下的反应器，CO催化氧化区短路状态，挡板门的活动端安装氟醚橡胶密封条，降低烟气在不同催化剂仓之间的泄漏；
引入烟气通过所述SCR反应，所述CO催化氧化区与所述第三SCR反应区及所述第一SCR反应区之间的第一导热板，所述第一SCR反应区与所述第二SCR反应区之间的第二导热板均选用低碳钢，完成脱硝过程，NOx含量可降至150mg/Nm3以下。
本发明考虑到钢铁行业烟气在使用热风炉再加热过程中产生了大量未充分燃烧的CO，同时需要SCR脱硝的技术问题，将CO催化氧化和SCR脱硝反应耦合集成于一个反应器，将CO氧化与SCR脱硝反应通过通过分区串联形式整合到一个反应器中，该设置可根据实际工况的需求对CO氧化反应区和SCR脱硝反应区的相对大小做调整，模块化设计，便于调整实施。此外，采用并排设置CO催化氧化区及SCR脱硝反应区以及通过回弯串联以及使用导热板的方式，可以使CO氧化放出的热量对烟气加热，有利于SCR反应进行，提高能量利用率，降低烟气再加热的操作成本。
本发明的活动挡板门的设计可以将CO氧化反应区短路，这种设置可以适应生产中不同的工况条件，当上游工艺烟气温度达到SCR反应所需温度时，热风炉不再工作，此时则不需要使用CO氧化反应区，通过调整挡板门能够关闭CO反应区，节省CO氧化催化剂使用寿命。
另外，本发明的所述第一SCR反应区或第三SCR反应区替换为VOCs催化氧化区或二噁英催化氧化区。上述VOCs催化氧化区填装VOCs氧化催化剂，该类催化剂为现有催化剂，上述二噁英催化氧化区填装二噁英氧化催化剂，该类催化剂为现有催化剂。由于这类污染物催化反应温度区间与SCR脱硝反应相近，可根据工艺需求安置在SCR过程前后。
本发明还提供了一种焦炉烟气多污染物协同治理方法，采用如上所述的焦炉烟气多污染物协同治理系统，该所述焦炉烟气多污染物协同治理方法具有如下步骤：
首先，将焦炉烟气引入到所述热风炉1中，进入所述热风炉1前的烟气温度为190℃，经过再加热后烟气温度达到220℃～320℃，此时烟气中CO含量为3000ppm～6500ppm，NOx为300mg/Nm3～800mg/Nm3，SO2为15mg/Nm3～250mg/Nm3；
再通过所述第一管路11将热烟气引入所述CO催化氧化与SCR脱硝耦合的多功能催化反应器2，在所述CO催化氧化与SCR脱硝耦合的多功能催化反应器2内先将烟气中的大部分CO转化成CO2，此时烟气中CO含量降至100ppm以下，同时由于反应放热，烟气温度也会升高15℃～25℃，之后再对烟气进行脱硝反应，脱硝后的高温热烟气温度为220℃～320℃，并引出所述CO催化氧化与SCR脱硝耦合的多功能催化反应器2；
进一步的，通过所述第二管路12将高温热烟气引入所述CO2解吸塔31底部的再沸器32，利用高温烟气对CO2吸收剂进行加热解吸，以再生CO2吸收剂，而解吸出的CO2经由CO2解吸塔31引出至其它后续工艺设备；解吸再生的CO2吸收剂经由所述用于输送CO2吸收剂的管路34输送回CO2吸收塔重复使用；
进一步的，经过再沸器32热量交换的烟气温度降到80℃～140℃，通过所述第三管路13将烟气进一步引入到湿法脱硫吸收塔4脱硫处理，经过脱硫后烟气中SO2含量降至30mg/Nm3以下，烟气温度进一步下降到75℃～120℃，且此时烟气为高温湿度饱和烟气；
进一步的，通过所述第四管路14将高温湿度饱和烟气引入所述烟气换热器8，该高温湿度饱和烟气作为热源与来自所述冷却器6的烟气进行热量交换，该烟气温度降低至50℃～75℃，并析出冷凝水，此后烟气再通过所述第四管路14导入CO2吸收塔。
进一步的，烟气经CO2吸收塔吸收CO2脱出后的净烟气为温度50℃～65℃的饱和湿烟气，在将该饱和湿烟气通过第五管路15引入冷却器6并析出冷凝水，冷却后的烟气温度降至30℃～50℃，得到低温湿烟气并作为冷源引入所述烟气换热器8，该低温湿烟气与所述第四管路14内的高温湿度饱和烟气进行热量交换，该低温湿烟气的温度升至45℃～65℃，此时烟气湿度不再饱和，通过所述第六管路16引入所述烟囱7并排放至大气环境中。
进一步地，所述的经过加热炉后的热烟气温度达到250℃以上，能够满足SCR催化剂的工作温度要求。
进一步地，所述的经过解吸塔再沸器32后的烟气温度在100℃～140℃区间，达到湿法脱硫的要求工况。
进一步地，所述的进入CO2吸收塔的烟气应该在烟气换热器8中与排放的净烟气充分换热，使烟温降到60℃左右，达到CO2吸附剂的理想工作温度。
进一步地，所述的脱碳后净烟气要先经过冷却器降温为～50℃，脱出一定的水，再经过烟气换热器8与脱硫后的高温烟气进行换热，升温到60℃左右经烟囱排放，达到烟气脱白的目的。
进一步地，本发明还提供了脱硫节水技术方案，经过脱硫后烟气经过烟气换热器降温后会产生大量的凝结水，还有CO2捕集后的烟气经过冷却器后也会产生大量的冷凝水，将冷凝水收集后并入工艺水管线直接输送回湿法脱硫吸收塔中循环使用。每小时可节约工艺水1.5～2.5吨。
本发明从综合有效去除烟气多污染物角度出发，针对钢铁行业焦炉烟气的特点发明设计了一套多污染物协同控制排放的工艺路线，将SCR脱硝，湿法脱硫，CO氧化，CO2捕集，以及湿烟气脱白等技术有机结合，还同时兼顾能源有效利用。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种焦炉烟气多污染物协同治理系统，其特征在于，所述焦炉烟气多污染物协同治理系统按烟气流动方向依次包括热风炉、CO催化氧化与SCR脱硝耦合的多功能催化反应器、CO2解吸装置、湿法脱硫吸收塔、CO2吸收塔、冷却器和烟囱，所述热风炉、CO催化氧化与SCR脱硝耦合的多功能催化反应器、CO2解吸装置、湿法脱硫吸收塔、CO2吸收塔、冷却器和烟囱分别通过第一管路、第二管路、第三管路、第四管路、第五管路和第六管路依次串接；
所述CO2解吸装置包括CO2解吸塔和设置在所述CO2解吸塔底部的储存有CO2吸收剂的再沸器，在所述CO催化氧化与SCR脱硝耦合的多功能催化反应器和所述CO2解吸装置的再沸器之间连接有将高温烟气导入所述再沸器的所述第二管路；所述再沸器与所述CO2吸收塔设有用于输送CO2吸收剂的管路；
所述湿法脱硫吸收塔与所述CO2吸收塔相接的所述第四管路上设有烟气换热器，且所述冷却器与所述烟囱相接的第六管路也经过所述烟气换热器，所述第四管路与所述第六管路在所述烟气换热器内相交，所述第四管路中的烟气与所述第六管路中的烟气在所述烟气换热器内通过各自的管路进行热交换；所述冷却器的冷凝水出口和所述烟气换热器的冷凝水出口分别通过工艺水管与所述湿法脱硫吸收塔的进液口相连通。
2.根据权利要求1所述的焦炉烟气多污染物协同治理系统，其特征在于，所述CO催化氧化与SCR脱硝耦合的多功能催化反应器按烟气的流动方向，其依次包括烟气总入口、反应器主体及烟气总出口；
所述反应器主体内部包括至少一个反应单元，每个所述反应单元包括串联设置的放置CO氧化反应催化剂的第一反应仓和放置SCR反应催化剂的第二反应仓，所述第一反应仓具有能与所述烟气总入口连通的烟气进口，所述第二反应仓具有与所述烟气总出口连通的烟气出口，所述第一反应仓与所述第二反应仓并排布置并以第一导热板分隔开，且所述第一反应仓与所述第二反应仓彼此相连通形成允许烟气通过的第一烟气反应通道。
3.根据权利要求2所述的焦炉烟气多污染物协同治理系统，其特征在于，所述第二反应仓通过设置在其中下部的横板和纵板分割为顺次连通的第一SCR反应区、第二SCR反应区及第三SCR反应区，所述纵板为第二导热板，所述第一SCR反应区与所述第三SCR反应区并排布置并以所述第二导热板分隔开，所述第二SCR反应区位于所述第一SCR反应区与所述第三SCR反应区的上方，所述第一SCR反应区通过导流弯管与所述第一反应仓的底部相连通，所述第二SCR反应区的底部分别与所述第一SCR反应区与所述第三SCR反应区相连通，所述第二SCR反应区的顶端朝向所述烟气总入口方向开放；
在所述第一反应仓的烟气进口设有能摆动的第一活动挡板门，所述第一反应仓的烟气进口和所述第二SCR反应区的顶端通过所述第一活动挡板门的往复摆动而交替启闭；所述导流弯管内设有能摆动的第二活动挡板门，所述导流弯管通过所述第二活动挡板门的往复摆动而启闭；
当所述第一活动挡板门关闭所述第一反应仓的烟气进口并开启所述第二SCR反应区的顶端，且所述第二活动挡板门关闭所述导流弯管时，所述烟气总入口、所述第二SCR反应区、所述第三SCR反应区和所述烟气总出口依次连通形成允许烟气通过的第二烟气反应通道。
4.根据权利要求3所述的焦炉烟气多污染物协同治理系统，其特征在于，所述第一活动挡板门的两端分别为第一连接端和第一摆动端，所述第一连接端能转动的与所述第一导热板上端相接，所述第一摆动端能封盖于所述第二SCR反应区的顶端或封盖于所述第一反应仓的烟气入口上；所述第二活动挡板门两端分别为第二连接端和第二摆动端，所述第二连接端与所述导流弯管内壁能转动的相连接，所述第二摆动端能搭接在所述第二导热板下端或封堵于所述导流弯管上。
5.根据权利要求4所述的焦炉烟气多污染物协同治理系统，其特征在于，所述反应单元并排布设有两个以上，每个所述反应单元的第一活动挡板门能与相邻的反应单元的第一活动挡板相互搭接并封盖于对应的所述第二SCR反应区的顶端或封盖于所述第一反应仓的烟气入口上。
6.根据权利要求5所述的焦炉烟气多污染物协同治理系统，其特征在于，所述第一摆动端和所述第二摆动端上均安装有柔性密封条。
7.根据权利要求6所述的焦炉烟气多污染物协同治理系统，其特征在于，所述柔性密封条为全不锈钢柔性密封条、氟醚橡胶柔性密封条、柔性密封条氟橡胶或聚四氟乙烯柔性密封条。
8.根据权利要求2至7中任一项所述的焦炉烟气多污染物协同治理系统，其特征在于，在所述烟气总入口处安装有导流板和/或整理格栅。
9.一种焦炉烟气多污染物协同治理方法，采用如权利要求1至8中任一项所述的焦炉烟气多污染物协同治理系统，其特征在于，所述焦炉烟气多污染物协同治理方法具有如下步骤：
首先，将焦炉烟气引入到所述热风炉中，进入所述热风炉前的烟气温度为190℃，经过再加热后烟气温度达到220℃～320℃，此时烟气中CO含量为3000～6500ppm，NOx为300～800mg/Nm3，SO2为15～250mg/Nm3；
再通过所述第一管路将热烟气引入所述CO催化氧化与SCR脱硝耦合的多功能催化反应器，在所述CO催化氧化与SCR脱硝耦合的多功能催化反应器内先将烟气中的CO转化成CO2，此时烟气中CO含量降至100ppm以下，同时由于反应放热，烟气温度也会升高15℃～25℃，之后再对烟气进行脱硝反应，脱硝后的高温热烟气温度为220℃～320℃，并引出所述CO催化氧化与SCR脱硝耦合的多功能催化反应器；
进一步的，通过所述第二管路将高温热烟气引入所述CO2解吸塔底部的再沸器，利用高温烟气对CO2吸收剂进行加热解吸，以再生CO2吸收剂，而解吸出的CO2经由CO2解吸塔引出至其它后续工艺设备；解吸再生的CO2吸收剂经由所述用于输送CO2吸收剂的管路输送回CO2吸收塔重复使用；
进一步的，经过再沸器热量交换的烟气温度降到80℃～140℃，通过所述第三管路将烟气进一步引入到湿法脱硫吸收塔脱硫处理，经过脱硫后烟气中SO2含量降至30mg/Nm3以下，烟气温度进一步下降到75℃～120℃，且此时烟气为高温湿度饱和烟气；
进一步的，通过所述第四管路将高温湿度饱和烟气引入所述烟气换热器，该高温湿度饱和烟气作为热源与来自所述冷却器的烟气进行热量交换，该烟气温度降低至50℃～75℃，并析出冷凝水，此后烟气再通过所述第四管路导入CO2吸收塔；
进一步的，烟气经CO2吸收塔吸收CO2脱出后的净烟气为温度50℃～65℃的饱和湿烟气，在将该饱和湿烟气通过第五管路引入冷却器并析出冷凝水，冷却后的烟气温度降至30℃～50℃，得到低温湿烟气并作为冷源引入所述烟气换热器，该低温湿烟气与所述第四管路内的高温湿度饱和烟气进行热量交换，该低温湿烟气的温度升至45℃～65℃，此时烟气湿度不再饱和，通过所述第六管路引入所述烟囱并排放至大气环境中。
10.根据权利要求9所述的焦炉烟气多污染物协同治理方法，其特征在于，将烟气在所述烟气换热器和所述冷却器中析出的冷凝水收集，并经冷凝水输水管输送至湿法脱硫吸收塔中与脱硫浆液混合利用。
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