CN109364711A - 一种用于水泥窑尾气超净处理的烟气系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于水泥窑尾气超净处理的烟气系统，包括氧化脱硝反应器、CFB吸收塔、布袋除尘器、工艺水系统、吸收剂制备与供应系统、脱硫灰循环与输送系统以及烟囱；所述工艺水系统包括工艺水箱、水泵、脱硫喷枪与消化喷枪；所述吸收剂制备系统包括生石灰仓、干式消化器、旋风分离器、缓冲仓、消石灰仓；脱硫灰循环与输送系统包括空气斜槽与仓泵。本发明采用干式耦合脱硫脱硝技术，能有效脱除烟气中的氮氧化物、硫氧化物，达到国家对烟气污染物超低排放的法规要求，并且无废水、二次污染产生，同时副产物可资源化利用。

Description

一种用于水泥窑尾气超净处理的烟气系统
技术领域
本发明涉及一种用于水泥窑尾气超净处理的烟气系统，适用于水泥行业烟气超低排放处理。
背景技术
在当前火电行业大气污染防治达到一定高度的情况下，钢铁、冶金、建材等非电行业也迅速拉开了提标改造的序幕。针对非电行业的大气污染防治，国家环保部和各地方省市政府发布了一系列更加严格的污染物排放标准和配套政策，2017年6月，环保部以发布修改单(征求意见稿)的形式，对《钢铁烧结、球团工业大气污染物排放标准》等20项国家污染物排放标准进行修改(包含水泥工业大气污染排放标准)。截止目前，已经有多个省份提出了水泥行业深度脱硝要求，水泥炉窑烟气污染物治理也即将进入超低排放时代。
传统的水泥炉窑窑尾烟气NOX治理通常采用SNCR(选择性非催化还原)脱硝，但是其反应受温度窗制约，严格要求反应温度在850～950℃，且SNCR脱硝效率只有50％，根本无法满足超低排放要求。另外在燃煤电厂中广泛应用的SCR(选择性催化还原技术)脱硝，虽然脱硝效率高，但由于水泥炉窑烟气粉尘中含有极高的CaO，容易导致脱硝催化剂中毒堵塞失效，因而也无法推广应用。此外，本身CaO利用烟气中的水分就可以预先脱除了大部分的SO2，因此SO2含量很低。面对日益严格的排放要求，仅靠烟气本身的吸收无法达到排放限值，故研发一种能够实现同时脱硫脱硝且不相互干扰抑，或者相互耦合与促进的超净处理装置具有重大意义。
实用新型专利CN206474002U公开了一种用于新型干法水泥炉窑窑尾的烟气净化系统，该实用新型在氧化脱硝反应器后设置了洗涤塔，可同时吸收氧化脱硝反应器生成的高价态氮氧化物和烟气中的SO2，采用的洗涤浆液为NaOH或者CaCO3，该烟气净化系统能够达到较高的脱除效率，但是该系统需要多台浆液循环泵，存在废水的处理问题，并且其烟气对烟道、烟囱有腐蚀，而且需要通过烟气再热器脱除烟囱白色烟羽，其副产物需要干化，工艺较复杂。
发明专利CN103566725B公开了一种循环流化床半干法联合脱硫脱硝脱汞装置及方法，主要包括臭氧发生器、稀释风机、混合缓冲罐、臭氧分布器以及循环流化床(CFB)反应塔，产生的臭氧经混合缓冲罐混合均匀后，通过臭氧分布器喷入烟道:氧化后的烟气送入循环流化床反应塔，烟气中的NOx、S02和S03在反应塔中与Ca基吸收剂在雾化水的作用进行反应，实现SOx和NOx的同时脱除。该发明实现了联合脱硫脱硝性能，但该工艺中脱硫灰的分离与循环是通过旋风分离器来实现的，而旋风分离器的分离能力受风量限制，此外脱硫灰会对分离器入口和内壁造成严重磨损，另外，该工艺中进料口设置于文丘里扩张段，影响文丘里对烟气的加速作用以及塔内流场分布。
发明专利申请CN103990375A公开了一种半干法烧结烟气一体化净化方法，可对烧结烟气进行高效脱硫、脱硝、脱二恶英及重金属，在半干法脱硫系统吸收反应塔前的烟气管道上，接入氧化剂发生与分配装置，均匀喷入的氧化剂与烟气中的NO充分反应，将烟气中的NO氧化为N02后，再进入吸收反应塔与吸收剂进行反应，脱除脱硫、脱硝、脱除二恶英和重金属。该发明可实现烧结烟气脱硫脱硝脱二恶英脱重金属一体化净化目的，但该工艺是利用消石灰乳作为吸收剂，系统易结垢和堵塞，而且需要专门设备进行吸收剂的制备，因而投资费用偏大，吸收剂利用率不高，并且脱硫效率仍达不到理想范围。
发明内容
本发明为解决反应不充分、脱硝效率低、排放限值日益严格的问题，提供一种用于水泥窑尾气超净处理的烟气系统，该系统采用干式耦合脱硫脱硝技术，能够有效提高脱硝效率，降低SO2的排放浓度，同时其脱硫灰还可以资源化利用，创造一定的经济价值。
本发明的技术方案如下：
一种用于水泥窑尾气超净处理的烟气系统，包括依次连接的氧化脱硝反应器、CFB吸收塔、布袋除尘器和烟囱，以及工艺水系统、吸收剂制备与供应系统；其中：所述CFB吸收塔具有自下而上布置的文丘里段、锥段和直筒段，并配置进气口、进料口、出气口和返料口；所述工艺水系统包括工艺水箱、第一水泵、第二水泵、脱硫喷枪和消化喷枪；所述吸收剂制备与供应系统包括生石灰仓、干式消化器、旋风分离器、缓冲仓与消石灰仓；所述氧化脱硝反应器通过烟道与所述CFB吸收塔的进气口连接，所述CFB吸收塔的出气口通过烟道与所述布袋除尘器的进气口连接，所述布袋除尘器的出气口通过烟道与所述烟囱连接；所述工艺水箱的第一水出口通过第一水泵和脱硫喷枪与所述CFB吸收塔连接，所述工艺水箱的第二水出口通过第二水泵和消化喷枪与所述干式消化器连接；所述干式消化器的进料口与生石灰仓的出料口相连，所述旋风分离器的入口与干式消化器的出料口相连，所述旋风分离器的出口与缓冲仓的入口相连，所述缓冲仓的两个出口分别与消石灰仓的入口和干式消化器的返料口相连，所述消石灰仓的出口与CFB吸收塔的进料口相连。
作为一种优选方案，所述脱硫喷枪垂直于CFB吸收塔的锥段塔壁安装。
作为一种优选方案，所述CFB吸收塔的进料口设置于文丘里段下方，将吸收剂与烟气一起进入文丘里段加速后进入直筒段。
作为一种优选方案，所述干式消化器采用流化床工艺。
作为一种优选方案，所述生石灰仓为窑尾布袋除尘器连接的灰库。
作为一种优选方案，所述布袋除尘器直接采用窑尾布袋除尘器。
作为一种优选方案，该烟气系统还包括脱硫灰循环与输送系统，所述脱硫灰循环与输送系统包括空气斜槽与所述仓泵；所述空气斜槽的一端与所述布袋除尘器灰斗连接，另一端与所述CFB吸收塔的返料口连接；所述仓泵的入口与所述布袋除尘器的灰斗连接，所述仓泵的出口与所述贮灰库的入口连接。
作为一种优选方案，该烟气系统还包括布置在水泥窑窑尾处的低氮燃烧器。
作为一种优选方案，所述氧化脱硝反应器的氧化剂包括但不限于臭氧、H2O2、NaClO、NaClO2及KMnO4。
作为一种优选方案，所述CFB吸收塔的吸收剂包括但不限于消石灰、生石灰及电石渣。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用氧化法进行烟气脱硝，该方法通过在CFB吸收塔入口烟道喷入强氧化剂臭氧，将不易吸收的NO氧化为容易被碱液吸收的NO3和N2O5等，其后在吸收塔内将NOx和SO2除去。相比于SCR/SNCR烟气脱硝技术，氧化法的优势在于无氨逃逸，且氧化法没有SCR催化剂反应温度窗的要求，占地面积小，操作简单，还可以与脱硫装置相结合，实现烟气中SO2和NOx的一体化脱除，同时减少设备投资及烟气净化系统整体的运行费用，在水泥行业脱硝上具有良好的应用前景。
(2)本发明采用循环流化床半干法脱硫，在循环流化床内，吸收剂颗粒的表面在碰撞过程中得到不断的更新，也大大提高了吸收剂的利用率。该技术具有技术成熟、系统可靠、工艺流程简单、耗水量少、占地面积小、一次性投资费用低、脱硫产物呈干态，无废水排放，无二次污染产生等优点。
(3)相比于SCR/SNCR烟气脱硝+半干法脱硫技术，采用氧化法+半干法脱硫技术，氧化脱硝与半干法脱硫之间能够形成耦合作用，该技术应用中SO2会促进NOx的去除，NOx也会促进SO2的脱除，两者相互促进，并改善了脱硫产物层致密的结构，增大了吸收剂与气体的接触面积，同时也提高了脱硫脱硝的效率；而采用臭氧作为氧化剂也不影响其他污染物控制技术。不仅能够提高SO2和NOx的脱除效率，同时还可通过臭氧的强氧化性作用将脱硫副产物亚硫酸钙转化成硫酸钙，而硫酸钙具有一定的经济价值，可进行加气砌块、预拌砂浆、矿渣微粉等资源化利用。
(4)本发明利用布袋除尘器相对旋风分离器不仅能实现除尘和脱硫灰的分离循环，而且不存在磨损问题，同时处理烟气量也不会受限制；且布袋除尘器可直接利用原有的窑尾布袋除尘器，尤其适用于水泥窑烟气治理改造项目，可以很好地利用原有装置及副产物，从而减少投资费用。
(5)将CFB吸收塔的进料口设置于文丘里段下方，吸收剂与烟气一起进入文丘加速后进入直筒段，使流场分布更均匀。
(6)还可对水泥窑进行低氮燃烧改造，提前降低窑尾烟气中NOX的初始浓度，从而降低整体的运营成本。
(7)本发明属于半干法技术，整个过程吸收剂和脱硫产物均呈干态，避免了SNCR和SCR中吸收剂为浆液存在腐蚀、结垢堵塞、废水处理的问题。
附图说明
图1为实施例中公开的用于水泥窑尾气超净处理的烟气系统的示意图1；
图2为实施例中公开的用于水泥窑尾气超净处理的烟气系统的示意图2；
图3为水泥窑尾除尘灰再利用制备脱硫吸收剂示意图；
附图标记说明：
1-氧化脱硝反应器；2-CFB吸收塔；3-布袋除尘器；4-烟囱；5-空气斜槽；6-生石灰仓；7-干式消化器；8-旋风分离器；9-缓冲仓；10-中间仓；11-消石灰仓；12-工艺水箱；13-水泵；14-脱硫喷枪；15-消化喷枪；16-仓泵；17-贮灰库；18-低氮燃烧器；19-窑尾布袋除尘器；20-原有灰库。
具体实施方式
现结合附图对本发明的优选实施例作进一步说明，应当理解，附图为简化的示意图，以示意的方式说明本专利的基本结构，因此其仅显示与本发明专利有关的构成。
如图1所示，实施例中公开一种用于水泥窑尾气超净处理的烟气系统，包括氧化脱硝反应器1、CFB吸收塔2、布袋除尘器3、烟囱4、工艺水系统、吸收剂制备与供应系统、以及脱硫灰循环与输送系统。氧化脱硝反应器1的入口与窑尾布袋除尘器19(即设置在水泥窑出口处的原有布袋除尘器)的出口相连，氧化脱硝反应器1的出口与CFB吸收塔2的进气口通过烟道相连，CFB吸收塔2的出气口通过烟道与布袋除尘器3的进气口相连，布袋除尘器3的出气口通过烟道与烟囱4相连。
其中，氧化脱硝反应器1的氧化剂可采用臭氧、H2O2、NaClO、NaClO2及KMnO4等。
其中，CFB吸收塔2的吸收剂可采用消石灰、生石灰及电石渣等钙剂。流场分布是影响循环流化床建床以及脱硫效率的一个重要因素，本发明将CFB吸收塔的进料口设置于文丘里的下方，使吸收剂与烟气一起进入文丘加速后进入塔的直筒段，流场分布更均匀。
其中，布袋除尘器3，即半干法脱硫附属布袋除尘器，可新建或直接利用原有窑尾布袋除尘器19(如图2所示，将原本布置在窑尾的布袋除尘器移动该系统相应位置)，或者采用电除尘器。实施例中，半干法脱硫附属布袋除尘器可采用旋转喷吹清灰，相比航喷清灰，其空间利用率更高，滤袋的使用寿命更长，脉冲阀的数量更少、故障点少、使用寿命更长。布袋除尘器3产生的脱硫灰的主要成分为硫酸钙、亚硫酸钙、硝酸钙和亚硝酸钙等。脱硫灰部分可用于CFB吸收塔2建立床层，部分外排利用。这也说明本技术方案尤其适用于水泥窑烟气治理改造项目，可以很好地利用原有装置及副产物，从而减少投资费用。
其中，工艺水系统包括工艺水箱12、水泵13、脱硫喷枪14与消化喷枪15，两台水泵13的入口与工艺水箱12相连，出口分别与脱硫喷枪14及消化喷枪15相连，脱硫喷枪14与CFB吸收塔3相连，消化喷枪15与干式消化器7相连。优选的，脱硫喷枪14垂直于CFB吸收塔2的锥段塔壁安装，相较于与水平面平行设置，这种垂直设置方式使得喷出去的水覆盖的范围更大，与CFB吸收塔2内的吸收剂颗粒接触更全面，反应更充分.进一步的，可采用直喷式高压回流喷枪，雾化效果较好。
其中，吸收剂制备与供应系统包括生石灰仓6、干式消化器7、旋风分离器8、缓冲仓9、中间仓10与消石灰仓11，干式消化器7的生石灰进料口与生石灰仓6的出料口相连，旋风分离器8的入口与干式消化器7的出料口相连，旋风分离器8的出口与缓冲仓9的入口相连，缓冲仓9的两个出口分别与中间仓10的入口和干式消化器7的返料口相连，中间仓10的出口与消石灰仓11的入口相连，消石灰仓11的出口与CFB吸收塔2的进料口相连。优选的，干式消化器7采用流化床工艺，优选空塔结构，相较于行业内常用的采用双轴搅拌加水消化原理的三级消化器，其结构更简单，建设投资和运行成本均低，且经实际工程应用证明其制备的消石灰品质也较高，在半干法脱硫工程中应用效果较好。当然，这里中间仓7也可以省去，将缓冲仓9与消石灰仓11直接连接，因为，中间仓7作为消化系统本身的吸收剂贮存仓，其作用也可直接由消石灰仓11替代。
其中，脱硫灰循环与输送系统包括空气斜槽5与仓泵16，空气斜槽5的入口与布袋除尘器3的灰斗相连，空气斜槽5的出口与CFB吸收塔2的返料口相连，仓泵16的入口与布袋除尘器3的灰斗相连，仓泵16的出口与贮灰库17的入口相连。
由此可见，本发明在窑尾布袋除尘器19之后设置了氧化脱硝反应器1，通过臭氧、H2O2、NaClO等氧化剂将烟气中难溶于水的NO氧化成氧化成高价态的NO2、N2O3、N2O5等氮氧化物，且易溶于水生成HNO2和HNO3，从而可与后期的SO2同时被吸收，实现同时脱硫脱硝的目的。主要反应如下：
NO+O3→NO2+O2，
NO2+O3→NO3+O2，
NO3+NO2→N2O5。
需要说明的是，本发明中所述的氧化脱硝反应器1其实是一个总体概括的说法，其包括臭氧发生器和布气装置，臭氧发生器与CFB吸收塔2的入口烟道连通，布气装置布置在CFB吸收塔入口烟道内。臭氧发生器产生臭氧，然后通过CFB吸收塔入口烟道上的布气系统将臭氧喷入烟道中与烟气混合，实现臭氧和NOx的氧化反应即可。
氧化脱硝反应器1的后端设置CFB吸收塔2，CFB吸收塔2的锥段设置的脱硫喷枪14向CFB吸收塔2内喷水，烟气中高价态的氮氧化物和SO2被水吸收，生成HNO2、HNO3、H2SO3、H2SO4，上述物质再被CFB吸收塔2内的吸收剂(主要采用消石灰)一并吸收，生成Ca(NO3)2、Ca(NO2)2、CaSO4及CaSO3等物质，起到同时脱硫脱硝的作用。
需要说明的是，在该技术应用中，SO2的去除与NOx的脱除两者还相互促进，机理如下：
2NO2+CaSO3→Ca(NO2)2+CaSO4
亚硫酸钙的存在，增加了一条脱硝途径，促进了脱硝效率提高，NO2消耗掉部分脱硫产物，促进脱硫反应正向进行。由于硝酸盐本身并不能促进SO2脱除，通过上述反应，改善了脱硫产物层致密的结构，增大了吸收剂与气体的接触面积，同时也提高了脱硫脱硝的效率。
进一步地，烟气经过CFB吸收塔2后进入布袋除尘器3，分离烟气中的颗粒物，经过布袋除尘器3分离后的净烟气经烟囱4排出，脱除下来的脱硫灰一部分通过空气斜槽5返回CFB吸收塔2，用于吸收塔内循环流化床层的建立，另一部分通过仓泵16输送至贮灰库17，待回收利用。
该烟气处理系统中采用的吸收剂为消石灰，消石灰通过生石灰来制备，生石灰贮存于生石灰仓6，生石灰仓6与干式消化器7相连，消石灰的制备通过消化喷枪15向干式消化器7内喷水将生石灰消化生成消石灰，生成的消石灰依次经过旋风分离器8、缓冲仓9、中间仓10，最终贮存于消石灰仓11。
该烟气处理系统中的工艺水是通过水泵13将工艺水箱12中的水分别打入脱硫喷枪14和消化喷枪15，以满足污染物脱除和消石灰制备的需要。布袋除尘器3脱除下来的脱硫灰一部分进入空气斜槽5，经过空气斜槽5送入CFB吸收塔2参与循环流化床层的建立，同时物料经过不断循环，吸收剂颗粒的表面在碰撞过程中得到不断的更新，也大大提高了吸收剂的利用率；另一部分脱硫灰通过仓泵16输送至贮灰库17待后续利用，其主要利用途径有加气砌块、预拌砂浆、矿粉微渣等。
本发明还提供另一种优选方案，即在烟气进入本系统之前先进行低氮燃烧改造以降低窑尾烟气中NOX的初始浓度以降低运营成本。具体可在水泥窑的窑尾处增加一个低氮燃烧器18，从而降低NOx的浓度，从而使本系统入口烟气中NOx的浓度相比没有低氮燃烧改造之前会低，那么臭氧氧化所需要消耗的臭氧就会减少，使整体运营成本进一步降低。该系统可对水泥窑进行低氮燃烧改造降低窑尾烟气中NOX的初始浓度以降低运营成本。
此外，由于窑尾布袋除尘器19收集的灰尘中CaO含量极高，故一方面可用于水泥生产原料的预热，另一方面还可用于CFB吸收塔2中吸收剂的制备(结合图3所示)。
本发明提供的烟气处理系统能够适应水泥炉窑烟气，有效去除粉尘、NOx和SO2等主要大气污染物，并且能够满足超低排放要求，粉尘排放浓度≤5mg/Nm3，NOx排放浓度≤35mg/Nm3，SO2排放浓度≤50mg/Nm3。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于水泥窑尾气超净处理的烟气系统，其特征在于，包括依次连接的氧化脱硝反应器、CFB吸收塔、布袋除尘器和烟囱，以及工艺水系统、吸收剂制备与供应系统；其中：
所述CFB吸收塔具有自下而上布置的文丘里段、锥段和直筒段，并配置有进气口、进料口、出气口和返料口；
所述工艺水系统包括工艺水箱、第一水泵、第二水泵、脱硫喷枪和消化喷枪；
所述吸收剂制备与供应系统包括生石灰仓、干式消化器、旋风分离器、缓冲仓与消石灰仓；
所述氧化脱硝反应器通过烟道与所述CFB吸收塔的进气口连接，所述CFB吸收塔的出气口通过烟道与所述布袋除尘器的进气口连接，所述布袋除尘器的出气口通过烟道与所述烟囱连接；
所述工艺水箱的第一水出口通过第一水泵和脱硫喷枪与所述CFB吸收塔连接，所述工艺水箱的第二水出口通过第二水泵和消化喷枪与所述干式消化器连接；
所述干式消化器的进料口与生石灰仓的出料口相连，所述旋风分离器的入口与干式消化器的出料口相连，所述旋风分离器的出口与缓冲仓的入口相连，所述缓冲仓的两个出口分别与消石灰仓的入口和干式消化器的返料口相连，所述消石灰仓的出口与CFB吸收塔的进料口相连。
2.根据权利要求1所述的水泥窑尾气超净处理的烟气系统，其特征在于，所述脱硫喷枪垂直于CFB吸收塔的锥段塔壁安装。
3.根据权利要求1所述的水泥窑尾气超净处理的烟气系统，其特征在于，所述CFB吸收塔的进料口设置于文丘里段下方，将吸收剂与烟气一起进入文丘里段加速后进入直筒段。
4.根据权利要求1所述的水泥窑尾气超净处理的烟气系统，其特征在于，所述干式消化器采用流化床工艺。
5.根据权利要求1所述的水泥窑尾气超净处理的烟气系统，其特征在于，所述生石灰仓为窑尾布袋除尘器连接的灰库。
6.根据权利要求1所述的水泥窑尾气超净处理的烟气系统，其特征在于，所述布袋除尘器直接采用窑尾布袋除尘器。
7.根据权利要求1所述的水泥窑尾气超净处理的烟气系统，其特征在于，还包括脱硫灰循环与输送系统，所述脱硫灰循环与输送系统包括空气斜槽与所述仓泵；所述空气斜槽的一端与所述布袋除尘器灰斗连接，另一端与所述CFB吸收塔的返料口连接；所述仓泵的入口与所述布袋除尘器的灰斗连接，所述仓泵的出口与所述贮灰库的入口连接。
8.根据权利要求1所述的水泥窑尾气超净处理的烟气系统，其特征在于，还包括布置在水泥窑窑尾处的低氮燃烧器。
9.根据权利要求1至8任意一项所述的水泥窑尾气超净处理的烟气系统，其特征在于，所述氧化脱硝反应器的氧化剂包括但不限于臭氧、H2O2、NaClO、NaClO2及KMnO4。
10.根据权利要求1至8任意一项所述的水泥窑尾气超净处理的烟气系统，其特征在于，所述CFB吸收塔的吸收剂包括但不限于消石灰、生石灰及电石渣。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113332839A (zh) * 2021-04-25 2021-09-03 北京建筑材料科学研究总院有限公司 一种水泥窑烟气脱硫脱硝耦合资源化系统及方法

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