CN109489438A - 一种转炉烟气二氧化碳捕集系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种转炉烟气二氧化碳捕集系统，包括依次连接的烟气预处理装置、烟气燃烧装置及二氧化碳净化回收装置，烟气燃烧装置包括第一燃烧反应器、第二燃烧反应器、空气进气管路和空气排出管路，第一燃烧反应器和第二燃烧反应器内填充有载氧体，烟气预处理装置和空气进气管路通过换向阀一分别与第一燃烧反应器和第二燃烧反应器进气端连接，第一燃烧反应器和第二燃烧反应器出气端通过换向阀二分别连接二氧化碳净化回收装置和空气排出管路。该发明通过化学链燃烧方式将烟气中CO氧化成CO2，提高了烟气中CO2浓度，为转炉烟气二氧化碳的封存和资源化利用提供了基础，而且在对二氧化碳捕集回收的同时，还充分利用了高温烟气的余热和化学能。

Description

一种转炉烟气二氧化碳捕集系统及方法
技术领域
本发明属于钢铁冶金生产技术领域，具体涉及一种转炉烟气二氧化碳捕集系统及方法。
背景技术
世界钢铁工业CO2排放量占全球总排放的5%-6%，而我国钢铁工业占全国总排放的约15%，有效降低钢铁生产CO2排放已成为钢铁工业亟待解决的问题。
CO2一方面是造成温室效应的最重要的气体之一，而另一方面具有较高的民用和工业价值，在多种领域有着广泛的应用，是一种非常宝贵的资源。它不仅广泛应用在石油开采、冶金、焊接、低温冷媒、机械制造、人工降雨、消防、化工、造纸、农业、食品业、医疗卫生等方面，还可以应用于超临界溶剂、激光技术、核工业等尖端高科技领域。
转炉炼钢就是铁水在在氧气射流的作用下，把里面过多的碳、磷、硫等杂质去除的过程。转炉吹氧冶炼期间，铁水中的碳以及使用的含碳熔剂中的碳，大部分被氧化形成含有CO、CO2的转炉煤气被回收。转炉煤气作为燃料通常被用于轧钢加热或燃烧发电，最终燃烧生成CO2以烟气的形式排放。
碳捕集与封存技术是一项具有大规模二氧化碳减排潜力的技术，被国际上广泛认为是应对全球气候变化、控制温室气体排放的最重要技术之一。烟气中CO2的捕集与分离是实现其封存和综合利用等减排措施的基础和前提条件。
然而，由于转炉煤气回收过程混入部分空气以及燃烧过程采用空气进行助燃，转炉煤气燃烧最终的烟气中CO2被大量的N2稀释，使得二氧化碳的捕集变得十分困难。
发明内容
本发明的目的是克服现有转炉煤气回收及燃烧过程中，烟气中CO2易被稀释，浓度低而不易捕集的问题。
为此，本发明提供了一种转炉烟气二氧化碳捕集系统，包括依次连接的烟气预处理装置、烟气燃烧装置及二氧化碳净化回收装置，所述烟气预处理装置的进气端与转炉连接，所述烟气燃烧装置包括第一燃烧反应器、第二燃烧反应器、空气进气管路和空气排出管路，所述第一燃烧反应器和第二燃烧反应器内分别填充有氧化态载氧体和还原态载氧体，所述烟气预处理装置的出气端和空气进气管路通过换向阀一分别与所述第一燃烧反应器和第二燃烧反应器的进气端连接，所述第一燃烧反应器和第二燃烧反应器的出气端通过换向阀二分别连接二氧化碳净化回收装置和空气排出管路。
进一步的，所述烟气预处理装置包括汽化冷却烟道和用于除去转炉烟气中大颗粒灰尘的粗除尘器，所述汽化冷却烟道与转炉连接，所述粗除尘器的出气口与所述换向阀一连接。
进一步的，所述烟气预处理装置的进气端与转炉之间设置有炉口密封保护件，所述炉口密封保护件设置在转炉的炉口处。
进一步的，所述二氧化碳净化回收装置包括依次连接的高温余热锅炉、气体净化机构、压缩机和二氧化碳储罐。
进一步的，所述气体净化机构为陶瓷纤维过滤器，所述陶瓷纤维过滤器包括集尘器、陶瓷纤维管以及用于对陶瓷纤维管的滤面进行反吹的反吹组件，所述陶瓷纤维管安装到集尘器的孔板上，所述陶瓷纤维管为耐高温的陶瓷纤维制成的一端封闭的管道；转炉烟气在陶瓷纤维过滤器内从下至上流动。
进一步的，所述空气排出管路上依次连接有低温余热锅炉、引风机和烟囱。
进一步的，所述氧化态载氧体和还原态载氧体均为Ni基、Cu基、Fe基、Co基、Mn基载氧体中一种或两种的混合物。
另外，本发明还提供了采用上述转炉烟气二氧化碳捕集系统进行二氧化碳捕集的方法，包括如下步骤：
1)将转炉冶炼产生的高温烟气输送入烟气预处理装置中进行冷却降温和净化预处理，烟气预处理装置将预处理后的烟气排出；
2)将烟气预处理装置排出的烟气通过换向阀一输送至第一燃烧反应器中，烟气与第一燃烧反应器中氧化态载氧体发生氧化反应生成主要成分为二氧化碳的烟气，且氧化态载氧体被还原成还原态载氧体；与此同时，空气通过换向阀一输送至第二燃烧反应器，空气与第二燃烧反应器中的还原态载氧体发生氧化再生反应生成高温贫氧空气，且还原态载氧体被氧化成氧化态载氧体；
3)将第一燃烧反应器排出的主要成分为二氧化碳的烟气通过换向阀二输送至二氧化碳净化回收装置进行净化回收，第二燃烧反应器排出的高温贫氧空气通过换向阀二由空气排出管路排出；
4)分别检测第一燃烧反应器内反应产物中一氧化碳浓度和第二燃烧反应器内反应产物中氧气浓度，若一氧化碳浓度和氧气浓度均分别达到其设定值时，则同时切换换向阀一和换向阀二，使烟气预处理装置排出的烟气进入第二燃烧反应器，空气进入第一燃烧反应器。
进一步的，所述步骤1)高温烟气输送入烟气预处理装置过程中，向转炉的炉口周围喷吹二氧化碳抑制空气混入高温烟气中。
进一步的，将所述步骤3)中第二燃烧反应器排出的高温贫氧空气通过低温余热锅炉进行余热回收。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)本发明提供的这种转炉烟气二氧化碳捕集系统通过化学链燃烧方式将转炉烟气中CO氧化成CO2，提高了烟气中CO2浓度，实现转炉烟气二氧化碳捕集回收，为转炉烟气二氧化碳的封存和资源化利用提供了基础，同时避免了转炉烟气回收过程中喷水冷却的耗水和余热损失，以及转炉烟气排放不达标的问题。
(2)本发明提供的这种转炉烟气二氧化碳捕集系统在对转炉烟气二氧化碳捕集回收的同时，还充分利用了高温转炉烟气余热和化学能，同时还对烟气燃烧装置中反应产生的热量进行余热回收利用，降低了烟气的余热损失，提高烟气热效率。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明转炉烟气二氧化碳捕集系统的结构示意图。
附图标记说明：1、转炉；2、炉口密封保护件；3、汽化冷却烟道；4、粗除尘器；5、换向阀一；6、第一燃烧反应器；7、第二燃烧反应器；8、换向阀二；9、高温余热锅炉；10、气体净化机构；11、压缩机；12、二氧化碳储罐；13、低温余热锅炉；14、引风机；15、烟囱。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
如图1所示，本实施例提供了一种转炉烟气二氧化碳捕集系统，包括依次连接的烟气预处理装置、烟气燃烧装置及二氧化碳净化回收装置，所述烟气预处理装置的进气端与转炉1连接，转炉1排出的高温烟气先通过烟气预处理装置进行降温和净化预处理，降低烟气余热损失的同时提高烟气中CO和CO2的纯度，有利于提高后续烟气在烟气燃烧装置的反应效率；所述烟气燃烧装置包括第一燃烧反应器6、第二燃烧反应器7、空气进气管路和空气排出管路，所述第一燃烧反应器6和第二燃烧反应器7内分别填充有氧化态载氧体和还原态载氧体，具体的，所述氧化态载氧体和还原态载氧体可以为Ni基、Cu基、Fe基、Co基、Mn基载氧体中一种或两种的混合物。所述烟气预处理装置的出气端和空气进气管路通过换向阀一5分别与所述第一燃烧反应器6和第二燃烧反应器7的进气端连接，所述第一燃烧反应器6和第二燃烧反应器7的出气端通过换向阀二8分别连接二氧化碳净化回收装置和空气排出管路。烟气预处理装置排出的烟气通入到填充氧化态载氧体的燃烧反应器中，发生氧化反应，而使得烟气中CO转换成CO2，空气则通入填充还原态载氧体的燃烧反应器中，使还原态载氧体氧化成氧化态载氧体，用于作氧化烟气的备用燃烧反应器，通过换向阀一5和换向阀二8的控制，使烟气在第一燃烧反应器6和第二燃烧反应器7中切换反应，实现烟气中CO持续反应生成CO2，生成的主要成分为CO2的烟气中CO2浓度高，通过二氧化碳净化回收装置净化回收，实现转炉烟气二氧化碳的捕集。
细化的实施方式，所述烟气预处理装置包括汽化冷却烟道3和用于除去转炉烟气中大颗粒灰尘的粗除尘器4，所述汽化冷却烟道3与转炉1连接，所述粗除尘器4的出气口与所述换向阀一5连接，转炉1产生的高温烟气先进入汽化冷却烟道3进行辐射换热，使烟气冷却降温至800～1000℃，而经汽化冷却烟道3降温后的烟气温度不会损坏粗除尘器4，同时该烟气还具有一定温度，其进入后续燃烧反应器中能迅速反应，提高反应速率。优化的，所述烟气预处理装置的进气端与转炉1之间设置有炉口密封保护件2，所述炉口密封保护件2设置在转炉1的炉口处，通过炉口密封保护件2向转炉1的炉口周围喷吹二氧化碳来抑制空气混入转炉烟气中，从而可获取低氮或无氮的转炉烟气，进一步提高了后续捕集的二氧化碳的纯度。
作为一种优化的实施方式，所述二氧化碳净化回收装置包括依次连接的高温余热锅炉9、气体净化机构10、压缩机11和二氧化碳储罐12，烟气燃烧装置排出主要成分为CO2的烟气，二氧化碳净化回收装置对该烟气回收过程中，先通过高温余热锅炉9回收烟气中的余热，降低烟气中余热损失，提高能源利用效率，之后通过气体净化机构10提纯烟气，对含尘的烟气进行深度净化，进一步提高烟气中CO2的纯度，最后对二氧化碳进行压缩捕集。具体的，所述气体净化机构10为陶瓷纤维过滤器，所述陶瓷纤维过滤器包括集尘器、陶瓷纤维管以及用于对陶瓷纤维管的滤面进行反吹的反吹组件，所述陶瓷纤维管安装到集尘器的孔板上进行固定，所述反吹组件根据陶瓷纤维管上灰尘附着产生的压力变化定期进行反吹，以减少灰尘的附着，提高陶瓷纤维管的过滤效率，该反吹组件为本领域常规技术，其具体结构此处不再赘述。所述陶瓷纤维管为陶瓷纤维制成的具有高孔隙率、高的粉尘去除率和耐高温、抗腐蚀性能的管道，含尘烟气通过陶瓷纤维管壁面的孔隙时产生过滤效果；该陶瓷纤维管一端封闭、一端开口，开口端通常设置有法兰，陶瓷纤维管的内径通常在80～140mm之间，外径在120～180mm之间，开口端法兰的直径通常在165～225mm之间，总长度通常在1500～5000mm之间，集尘器的孔板直径大于陶瓷纤维管本体的外径而小于开口端法兰的外径。为了达到较好的除尘和清灰效果，烟气从陶瓷纤维过滤器的下方流入，上方流出。
另外，为了能充分利用第二燃烧反应器中反应所放出这部分热量，所述空气排出管路上依次连接有低温余热锅炉13、引风机14和烟囱15，通过引风机14将空气排出管路中排出的高温空气引入低温余热锅炉13中余热回收利用，最大化的回收利用烟气燃烧装置中产生的热量，提高该系统的余热利用率，降温后的空气再通过烟囱15排出。
采用上述转炉烟气二氧化碳捕集系统进行二氧化碳捕集的方法，具体过程如下：
(1)将转炉冶炼产生的高温烟气输送入烟气预处理装置中进行冷却降温和净化预处理，优化的，可向转炉1炉口周围喷吹二氧化碳来抑制空气的混入，获得低氮或无氮的转炉烟气，该低氮或无氮的转炉烟气经汽化冷却烟道3冷却降温后进入粗除尘器4除去大颗粒灰尘，然后经该烟气预处理装置预处理后的烟气排出至烟气燃烧装置。
(2)将烟气预处理装置排出的烟气通过换向阀一5输送至第一燃烧反应器6中，烟气与第一燃烧反应器6中氧化态载氧体发生氧化反应生成主要成分为二氧化碳的烟气，且氧化态载氧体被还原成还原态载氧体；与此同时，空气通过换向阀一5输送至第二燃烧反应器7，空气与第二燃烧反应器7中的还原态载氧体发生氧化再生反应生成高温贫氧空气，且还原态载氧体被氧化成氧化态载氧体。
(3)将第一燃烧反应器6排出的主要成分为二氧化碳的烟气通过换向阀二8依次经过高温余热锅炉9进行余热回收、气体净化机构10进行烟气深度净化、压缩机11的压缩后进入二氧化碳储罐12回收利用；而第二燃烧反应器7排出的高温贫氧空气通过换向阀二8由空气排出管路排出，排出的高温贫氧空气可进入低温余热锅炉13回收其余热产生蒸汽，用于工业生产，同时高温贫氧空气被冷却降温至100℃以下，然后经引风机14送入烟囱15排放。
(4)分别检测第一燃烧反应器6内反应产物中一氧化碳浓度和第二燃烧反应器7内反应产物中氧气浓度，其中，一氧化碳浓度和氧气浓度可通过气体成分检测仪进行实时监控检测。若一氧化碳浓度和氧气浓度均分别达到其设定值时，而其中一氧化碳浓度的设定值不大于烟气预处理装置排出的烟气中一氧化碳浓度，氧气浓度的设定值不大于空气中氧气浓度，则同时切换换向阀一5和换向阀二8，使烟气预处理装置排出的烟气进入第二燃烧反应器6，空气进入第一燃烧反应器7，如此重复上述过程，使得持续将转炉烟气中CO转化生成CO2，而实现转炉烟气二氧化碳的持续捕集。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种转炉烟气二氧化碳捕集系统，其特征在于：包括依次连接的烟气预处理装置、烟气燃烧装置及二氧化碳净化回收装置，所述烟气预处理装置的进气端与转炉连接，所述烟气燃烧装置包括第一燃烧反应器、第二燃烧反应器、空气进气管路和空气排出管路，所述第一燃烧反应器和第二燃烧反应器内分别填充有氧化态载氧体和还原态载氧体，所述烟气预处理装置的出气端和空气进气管路通过换向阀一分别与所述第一燃烧反应器和第二燃烧反应器的进气端连接，所述第一燃烧反应器和第二燃烧反应器的出气端通过换向阀二分别连接二氧化碳净化回收装置和空气排出管路。
2.如权利要求1所述的转炉烟气二氧化碳捕集系统，其特征在于：所述烟气预处理装置包括汽化冷却烟道和用于除去转炉烟气中大颗粒灰尘的粗除尘器，所述汽化冷却烟道与转炉连接，所述粗除尘器的出气口与所述换向阀一连接。
3.如权利要求1所述的转炉烟气二氧化碳捕集系统，其特征在于：所述烟气预处理装置的进气端与转炉之间设置有炉口密封保护件，所述炉口密封保护件设置在转炉的炉口处。
4.如权利要求1所述的转炉烟气二氧化碳捕集系统，其特征在于：所述二氧化碳净化回收装置包括依次连接的高温余热锅炉、气体净化机构、压缩机和二氧化碳储罐。
5.如权利要求4所述的转炉烟气二氧化碳捕集系统，其特征在于：所述气体净化机构为陶瓷纤维过滤器，所述陶瓷纤维过滤器包括集尘器、陶瓷纤维管以及用于对陶瓷纤维管的滤面进行反吹的反吹组件，所述陶瓷纤维管安装到集尘器的孔板上，所述陶瓷纤维管为耐高温的陶瓷纤维制成的一端封闭的管道；转炉烟气在陶瓷纤维过滤器内从下至上流动。
6.如权利要求1所述的转炉烟气二氧化碳捕集系统，其特征在于：所述空气排出管路上依次连接有低温余热锅炉、引风机和烟囱。
7.如权利要求1所述的转炉烟气二氧化碳捕集系统，其特征在于：所述氧化态载氧体和还原态载氧体均为Ni基、Cu基、Fe基、Co基、Mn基载氧体中一种或两种的混合物。
8.采用如权利要求1～7任一项所述的转炉烟气二氧化碳捕集系统进行二氧化碳捕集的方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)将转炉冶炼产生的高温烟气输送入烟气预处理装置中进行冷却降温和净化预处理，烟气预处理装置将预处理后的烟气排出；
2)将烟气预处理装置排出的烟气通过换向阀一输送至第一燃烧反应器中，烟气与第一燃烧反应器中氧化态载氧体发生氧化反应生成主要成分为二氧化碳的烟气，且氧化态载氧体被还原成还原态载氧体；与此同时，空气通过换向阀一输送至第二燃烧反应器，空气与第二燃烧反应器中的还原态载氧体发生氧化再生反应生成高温贫氧空气，且还原态载氧体被氧化成氧化态载氧体；
3)将第一燃烧反应器排出的主要成分为二氧化碳的烟气通过换向阀二输送至二氧化碳净化回收装置进行净化回收，第二燃烧反应器排出的高温贫氧空气通过换向阀二由空气排出管路排出；
4)分别检测第一燃烧反应器内反应产物中一氧化碳浓度和第二燃烧反应器内反应产物中氧气浓度，若一氧化碳浓度和氧气浓度均分别达到其设定值时，则同时切换换向阀一和换向阀二，使烟气预处理装置排出的烟气进入第二燃烧反应器，空气进入第一燃烧反应器。
9.如权利要求8所述的转炉烟气二氧化碳捕集方法，其特征在于：所述步骤1)高温烟气输送入烟气预处理装置过程中，向转炉的炉口周围喷吹二氧化碳抑制空气混入高温烟气中。
10.如权利要求8所述的转炉烟气二氧化碳捕集方法，其特征在于：将所述步骤3)中第二燃烧反应器排出的高温贫氧空气通过低温余热锅炉进行余热回收。
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