CN109675431A - 一种净化烟气中co耦合抑制白雾的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种净化烟气中CO耦合抑制白雾的方法及装置，将烟气引入涂覆CO催化剂的陶瓷蜂窝状载体，利用烟气中充足的O2，将低浓度的CO催化氧化生成CO2，达到净化CO的目的，催化氧化反应放热加热烟气至110℃以上排空，满足抑制白雾对温度的要求；装置包括CO浓度传感器、温度传感器、CO催化氧化层、氧化反应塔、脱硫烟气罐、填料层Ⅰ、填料层Ⅱ、烟囱、电磁阀Ⅱ；本发明热利用率高，节能减排效果显著，可高效净化烧结烟气中CO，同时可避免烟气湿法脱硫后白雾的产生，对缓解当前因白雾导致雾霾等环境问题具有重要的意义，工艺简单，投资少，运行费用低。
Description
技术领域
本发明属于环境保护及能源利用领域，涉及一种净化烟气中CO耦合抑制白雾的方法及装置，钢铁行业烧结烟气中CO通过催化氧化自热升温提升烟气温度，利用少量高炉烟气补充烧结烟气脱硫后烟气中的CO，热量充分利用，抑制白雾，高效净化烟气中CO，以达到节能减排的目的。
背景技术
钢铁行业在运行过程中会产生大量含SO2的烧结烟气。根据2015年中华人民共和国生态环境部发布的环境统计年报中，钢铁行业共产生二氧化硫136.8万吨，占黑色金属冶炼及压延加工业排放量的78.8%。目前，湿法脱硫方法仍是技术最成熟的SO2控制技术，也是采用的主要的脱硫方法。但湿法脱硫后烧结烟气含水量高、温度低都会促使在烟囱口处形成白雾，这是因为空气饱和水含量会随着温度和压力而变化，当烟气中的含水量大于大气中的含水量时，就出现白雾现象。白雾现象视觉效果差，会给企业形象带来严重负面影响，烟气白雾还是降低烟气扩散，形成雾霾的重要原因之一。并且，凝结的液态水与净化烟气中残存的SO2还会生成亚硫酸液滴，在氧气的作用下，形成腐蚀性更强的硫酸液滴。湿法脱硫前的含湿量一般为2%-5%，湿法脱硫后湿度约增加到10%，要完全抑制白雾，必须将脱硫后的烧结烟气温度提升至100-130°C。此外，烟气从烟囱排出与大气接触后，还应考虑有大约5-15°C不等的温降。烟气再加热技术是现阶段抑制白雾的常规方法，但烟气再加热成本较高，一般企业无法承受。此外，钢铁行业烧结烟气含约0.6%~1.2%的CO，CO为剧毒气体，易造成环境污染。
我国出现湿烟气的现象很普遍，抑制白雾的技术研究进展也十分缓慢，目前抑制“白雾”的技术方法主要有加热和冷凝两种方式，但均投资大，能耗高，并需要额外增加换热器等方式。专利（CN 108211748 A）提出，通过除雾器和高分子吸水颗粒减少烟气中水含量，并在烟囱顶部设置烟囱换热器升高排烟温度；专利（CN 108194939 A）通过在脱硫塔后添加冷凝换热器，脱硫后烟气经过冷凝换热，使烟气含湿量降低：（CN 108273370 A）中发明了一种利用除湿升温器结合烟气脱白的湿式烟气脱硫装置及方法，但需要不断加入除湿剂；专利（CN 107703875 A）通过引入烧结机余热，利用热交换原理对管道烟气升温并蒸发部分水蒸气。
发明内容
本发明采用CO净化耦合抑制白雾的方法，利用烟气中低浓度的CO和高浓度的O2在催化剂的作用下，充分催化氧化自热升温，加热烟气，抑制白雾现象，同时，为防止钢铁烧结烟气中CO无法提供所需热量，引入少量的高炉废气，补充烧结烟气中的CO。
本发明提供一种净化烟气中CO耦合抑制白雾的方法，将烟气引入涂覆CO催化剂的陶瓷蜂窝状载体，利用烟气中充足的O2，将低浓度的CO催化氧化生成CO2，达到净化CO的目的，催化氧化反应放热加热烟气至110℃以上排空，满足抑制白雾对温度的要求，热量可以被充分利用，消除烟气中的白雾，并同步净化烧结烟气中CO，以达到节能减排的目的。
所述烟气中CO的体积百分比浓度≥1%，烟气为钢铁烧结脱硫烟气或钢铁烧结脱硫烟气和高炉烟气的混合烟气。
所述CO催化剂的活性组成以及质量百分比含量为CuO20%-25%、MnO225%-35%、CeO220%-25%、Co3O420%-25%。
本发明还提供所述净化烟气中CO耦合抑制白雾的装置，包括CO浓度传感器3、温度传感器4、CO催化氧化层5、氧化反应塔7、脱硫烟气罐9、填料层Ⅰ10、填料层Ⅱ11、烟囱12、电磁阀Ⅱ15，脱硫烟气罐9通过输气管道13与氧化反应塔7底部烟气入口连接，输气管道13上设置CO浓度传感器3，氧化反应塔7底部烟气入口设有电磁阀Ⅱ15，氧化反应塔7内从上往下依次设置填料层Ⅰ10、CO催化氧化层5、填料层Ⅱ11，氧化反应塔7顶部烟气出口处设有温度传感器4，氧化反应塔7顶部烟气出口与烟囱12连接。
所述装置还包括抽气泵1、高炉烟气罐6、电磁阀Ⅰ8，输气管道13上还连接高炉烟气管道14，高炉烟气管道14连接高炉烟气罐6，高炉烟气管道上设有抽气泵1、电磁阀Ⅰ8。
所述装置还包括控制器2，抽气泵1、CO浓度传感器3、温度传感器4、电磁阀Ⅰ8分别与控制器2连接，控制器2为常规PLC控制器，能实现数据的接收并进行反馈即可。
所述填料层Ⅰ10、填料层Ⅱ11装填有直径为3cm的球型填料，填料为湍流球或石英砂颗粒。
采用本发明的装置进行净化烟气中CO耦合抑制白雾的方法，具体步骤如下：
将脱硫烟气罐9中的钢铁烧结脱硫烟气引入氧化反应塔7底部，当CO浓度传感器3检测到钢铁烧结脱硫烟气中CO体积百分比浓度为1%以上时，CO浓度传感器3将检测数据反馈给控制器1，开启电磁阀Ⅱ15，钢铁烧结脱硫烟气正常进入氧化反应塔7，穿过填料层Ⅱ11，在氧化反应塔7内CO在CO催化氧化层5被催化氧化后，穿过填料层Ⅰ10，到达氧化反应塔7顶部出口，温度传感器4检测到烟气温度为110℃以上，烟气被导入烟囱12排放，且烟囱12出口未见到白雾现象；
当CO浓度传感器3检测到钢铁烧结脱硫烟气中CO体积百分比浓度小于1%，CO浓度传感器3将数据反馈给控制器2，控制器2启动抽气泵1，打开电磁阀Ⅰ8，将高炉烟气罐6中的高炉烟气泵入高炉烟气管道14，进入输气管道13，CO浓度传感器3检测到混合烟气中CO体积百分比浓度为1%以上时，CO浓度传感器3将检测数据反馈给控制器1，开启电磁阀Ⅱ15，混合烟气进入氧化反应塔7，穿过填料层Ⅱ11，在氧化反应塔7内CO在CO催化氧化层5被催化氧化后，穿过填料层Ⅰ10，到达氧化反应塔7顶部出口，温度传感器4检测到烟气温度超过110℃，烟气被导入烟囱12排放，且烟囱12出口未见到白雾现象。
本发明的原理：
烧结烟气的热量计算方法（公式（1）、（2）、（3））计算出不同烟气温升所需要烟气中CO的浓度：
（1）
其中，Q：烟气的热量，KJ；Cp：烧结烟气定压比热容，KJ/(Kg*K)；V：烟气体积，m3；ρ：烟气密度，Kg/m3；ΔT：烟气温度，K；
（2）
其中Q：烟气的热量，KJ；V：烟气体积，m3；X%：烟气中CO浓度；ΔH：CO的燃烧热，KJ/mol；
2CO+O2=2CO2+H2O ΔH=566KJ/mol （3）
公式（1）和公式（2）烟气的热量相等，将两个公式的右边形成等式，得到X与ΔT的关系，将公式（3）和已知参数带入，得出当X=0.6时ΔT=58.5°C；X=0.7时ΔT=68.3°C；X=0.8时ΔT=78°C；X=1.13时，ΔT=110°C。
烟气中充足的O2和低浓度的CO催化氧化所产生的热量加热烟气，提升烧结烟气温度，避免白雾的生成并可同步去除烟气中的CO。目前经过湿法脱硫后钢铁烧结烟气温度为60-70°C，为实现脱硫烟气抑制白雾，需将出口烟气温度控制在110℃以上，在考虑实际工艺的热损失条件下（约为30%），反推烟气加热后的温度为158℃以上，那么减去初始温度得到需要提升的温度为约100℃，根据公式计算当烟气中CO浓度为1%时，一氧化碳催化氧化释放的热量可提升温度约100°C，那么在扣除热损失的情况下（30%)，可将烟气温度控制在110℃以上。
本发明的优点及有益效果：
（1）热利用率高，CO催化氧化自热产生的热量，完全用于加热脱硫烟气，无需其他加热装置。
（2）本发明抑制白雾的同时，可净化烟气中的CO，实现同步处理。
（3）节能减排效果显著，补充少量高炉废气增加烟气CO，利用高炉废气，且无需外加CO补充装置。
（4）操作简易、设备简单、工艺简单，投资少，运行费用低、能源消耗低。
附图说明
图1 为本发明实施例1净化烟气中CO耦合抑制白雾的装置；
图中，1-抽气泵；2-控制器；3-CO浓度传感器；4-温度传感器；5-CO催化氧化层；6-高炉烟气；7-氧化反应塔；8-电磁阀Ⅰ；9-脱硫烟气；10-填料层Ⅰ；11-填料层Ⅱ；12-烟囱；13-输气管道；14-高炉烟气管道；15-电磁阀Ⅱ。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
实施例1
一种净化烟气中CO耦合抑制白雾的装置，如图1所示，包括抽气泵1、控制器2、CO浓度传感器3、温度传感器4、CO催化氧化层5、高炉烟气罐6、氧化反应塔7、电磁阀Ⅰ8、脱硫烟气罐9、填料层Ⅰ10、填料层Ⅱ11、烟囱12、电磁阀Ⅱ15，脱硫烟气罐9通过输气管道13与氧化反应塔7底部烟气入口连接，输气管道13上设置CO浓度传感器3，氧化反应塔7底部烟气入口设有电磁阀Ⅱ15，氧化反应塔7内从上往下依次设置填料层Ⅰ10、CO催化氧化层5、填料层Ⅱ11，氧化反应塔7顶部烟气出口处设有温度传感器4，氧化反应塔7顶部烟气出口与烟囱12连接，输气管道13上还连接高炉烟气管道14，高炉烟气管道14连接高炉烟气罐6，高炉烟气管道14上设有抽气泵1、电磁阀Ⅰ8，抽气泵1、CO浓度传感器3、温度传感器4、电磁阀Ⅰ8分别与控制器2连接，控制器2为常规PLC控制器，能实现数据的接收并进行反馈即可，CO浓度传感器3用于检测烟气管道13中CO的浓度，采用的是深圳科尔诺公司制造的型号为MOT500-CO的CO浓度传感器。
实施例2
一种净化烟气中CO耦合抑制白雾的方法，具体步骤如下：
（1）湿法脱硫烟气流量：1000Nm3/h，烟气组分：CO 1.2%：O2 21%；H2O 13%；N2 63.4%；SO2+NO 1%，烟气初始温度为65℃，将CO催化剂涂覆在陶瓷蜂窝状载体上，将载体装入实施例1的装置的CO催化氧化层5，CO催化剂的活性组成以及质量百分比含量为CuO25%、MnO225%、CeO225%、Co3O425%，填料层Ⅰ10、填料层Ⅱ11装填有直径为3cm的球型填料，填料为湍流球；
（2）将脱硫烟气罐9中的钢铁烧结脱硫烟气引入氧化反应塔7底部，CO浓度传感器3检测到钢铁烧结脱硫烟气中CO体积百分比浓度为1.2%，CO浓度传感器3将检测数据反馈给控制器1，开启电磁阀Ⅱ15，钢铁烧结脱硫烟气正常进入氧化反应塔7，穿过填料层Ⅱ11，在氧化反应塔7内CO在CO催化氧化层5被催化氧化后，穿过填料层Ⅰ10，到达氧化反应塔7顶部出口，温度传感器4检测到烟气温度为127℃，烟气被导入烟囱12排放，且烟囱12出口未见到白雾现象，经检测烟囱12出口烟气中CO残留量小于200ppm，达到排放标准。
当出现紧急情况，如检测到CO体积百分比浓度≥1%时，温度传感器4检测到的温度达不到110℃时，说明装置内部出现故障，此时紧急关闭电磁阀Ⅱ15，检查装置内部以及CO催化剂的活性。
实施例3
一种净化烟气中CO耦合抑制白雾的方法，具体步骤如下：
（1）湿法脱硫烟气流量：1000Nm3/h，烟气组分：CO 0.6%：O2 21%；H2O 13%；N2 63.4%；SO2+NO 1%，烟气初始温度为60℃；高炉烟气流量：35Nm3/h，高炉烟气组分：CO 20%；N2+CO2 80%，烟气初始温度为60℃；将CO催化剂涂覆在陶瓷蜂窝状载体上，将载体装入实施例1的装置的CO催化氧化层5，CO催化剂的活性组成以及质量百分比含量为CuO20%、MnO235%、CeO225%、Co3O420%，填料层Ⅰ10、填料层Ⅱ11装填有直径为4cm的球型填料，填料为石英砂颗粒；
（2）将脱硫烟气罐9中的钢铁烧结脱硫烟气引入氧化反应塔7底部，CO浓度传感器3检测到钢铁烧结脱硫烟气中CO体积百分比浓度小于1%，CO浓度传感器3将数据反馈给控制器2，控制器2启动抽气泵1，打开电磁阀Ⅰ8，将高炉烟气罐6中的高炉烟气泵入高炉烟气管道14，进入输气管道13，CO浓度传感器3检测到混合烟气中CO体积百分比浓度为1.25%，CO浓度传感器3将检测数据反馈给控制器1，开启电磁阀Ⅱ15，混合烟气进入氧化反应塔7，穿过填料层Ⅱ11，在氧化反应塔7内CO在CO催化氧化层5被催化氧化后，穿过填料层Ⅰ10，到达氧化反应塔7顶部出口，温度传感器4检测到烟气温度为127℃，烟气被导入烟囱12排放，且烟囱12出口未见到白雾现象，经检测烟囱12出口烟气中CO残留量小于200ppm，达到排放标准。
当出现紧急情况，如检测到CO体积百分比浓度≥1%时，温度传感器4检测到的温度达不到110℃时，说明装置内部出现故障，此时紧急关闭电磁阀Ⅱ15，检查装置内部以及CO催化剂的活性。
实施例4
一种净化烟气中CO耦合抑制白雾的方法，具体步骤如下：
（1）湿法脱硫烟气流量：1000Nm3/h，烟气组分：CO 1%：O2 21%；H2O 13%；N2 63.4%；SO2+NO 1%，烟气初始温度为60℃，将CO催化剂涂覆在陶瓷蜂窝状载体上，将载体装入实施例1的装置的CO催化氧化层5，CO催化剂的活性组成以及质量百分比含量为CuO23%、MnO232%、CeO222%、Co3O423%，填料层Ⅰ10、填料层Ⅱ11装填有直径为5cm的球型填料，填料为石英砂颗粒；
（2）将脱硫烟气罐9中的钢铁烧结脱硫烟气引入氧化反应塔7底部，CO浓度传感器3检测到钢铁烧结脱硫烟气中CO体积百分比浓度为1%，CO浓度传感器3将检测数据反馈给控制器1，开启电磁阀Ⅱ15，钢铁烧结脱硫烟气正常进入氧化反应塔7，穿过填料层Ⅱ11，在氧化反应塔7内CO在CO催化氧化层5被催化氧化后，穿过填料层Ⅰ10，到达氧化反应塔7顶部出口，温度传感器4检测到烟气温度为110℃，烟气被导入烟囱12排放，且烟囱12出口未见到白雾现象，经检测烟囱12出口烟气中CO残留量小于200ppm，达到排放标准。
当出现紧急情况，如检测到CO体积百分比浓度≥1%时，温度传感器4检测到的温度达不到110℃时，说明装置内部出现故障，此时紧急关闭电磁阀Ⅱ15，检查装置内部以及CO催化剂的活性。
实施例5
一种净化烟气中CO耦合抑制白雾的方法，具体步骤如下：
（1）湿法脱硫烟气流量：14000Nm3/h，烟气组分：CO 0.8%：O2 21%；H2O 13%；N2 63.4%；SO2+NO 1%，烟气初始温度为65℃；高炉烟气流量：340Nm3/h，高炉烟气组分：CO 20%；N2+CO280%，烟气初始温度为65℃；将CO催化剂涂覆在陶瓷蜂窝状载体上，将载体装入实施例1的装置的CO催化氧化层5，CO催化剂的活性组成以及质量百分比含量为CuO20%、MnO230%、CeO225%、Co3O425%，填料层Ⅰ10、填料层Ⅱ11装填有直径为3cm的球型填料，填料为湍流球；
（2）将脱硫烟气罐9中的钢铁烧结脱硫烟气引入氧化反应塔7底部， CO浓度传感器3检测到钢铁烧结脱硫烟气中CO体积百分比浓度小于1%，CO浓度传感器3将数据反馈给控制器2，控制器2启动抽气泵1，打开电磁阀Ⅰ8，将高炉烟气罐6中的高炉烟气泵入高炉烟气管道14，进入输气管道13，CO浓度传感器3检测到混合烟气中CO体积百分比浓度为1.256%，CO浓度传感器3将检测数据反馈给控制器1，开启电磁阀Ⅱ15，混合烟气进入氧化反应塔7，穿过填料层Ⅱ11，在氧化反应塔7内CO在CO催化氧化层5被催化氧化后，穿过填料层Ⅰ10，到达氧化反应塔7顶部出口，温度传感器4检测到烟气温度为122℃，烟气被导入烟囱12排放，且烟囱12出口未见到白雾现象，经检测烟囱12出口烟气中CO残留量小于200ppm，达到排放标准。
当出现紧急情况，如检测到CO体积百分比浓度≥1%时，温度传感器4检测到的温度达不到110℃时，说明装置内部出现故障，此时紧急关闭电磁阀Ⅱ15，检查装置内部以及CO催化剂的活性。
Claims (7)
1.一种净化烟气中CO耦合抑制白雾的方法，其特征在于，将烟气引入涂覆CO催化剂的陶瓷蜂窝状载体，低浓度的CO催化氧化生成CO2，催化氧化反应放热加热烟气至110℃以上排空。
2.根据权利要求1所述净化烟气中CO耦合抑制白雾的方法，其特征在于，所述烟气中CO的体积百分比浓度≥1%，烟气为钢铁烧结脱硫烟气或钢铁烧结脱硫烟气和高炉烟气的混合烟气。
3.根据权利要求1所述净化烟气中CO耦合抑制白雾的方法，其特征在于，所述CO催化剂的活性组成以及质量百分比含量为CuO20%-25%、MnO225%-35%、CeO220%-25%、Co3O420%-25%。
4.权利要求1所述净化烟气中CO耦合抑制白雾的装置，其特征在于，包括CO浓度传感器（3）、温度传感器（4）、CO催化氧化层（5）、氧化反应塔（7）、脱硫烟气罐（9）、填料层Ⅰ（10）、填料层Ⅱ（11）、烟囱（12）、电磁阀Ⅱ（15），脱硫烟气罐（9）通过输气管道（13）与氧化反应塔（7）底部烟气入口连接，输气管道（13）上设置CO浓度传感器（3），氧化反应塔（7）底部烟气入口设有电磁阀Ⅱ（15），氧化反应塔（7）内从上往下依次设置填料层Ⅰ（10）、CO催化氧化层（5）、填料层Ⅱ（11），氧化反应塔（7）顶部烟气出口处设有温度传感器（4），氧化反应塔（7）顶部烟气出口与烟囱（12）连接。
5.根据权利要求4所述净化烟气中CO耦合抑制白雾的装置，其特征在于，还包括抽气泵（1）、高炉烟气罐（6）、电磁阀Ⅰ（8），输气管道（13）上还连接高炉烟气管道（14），高炉烟气管道（14）连接高炉烟气罐（6），高炉烟气管道上设有抽气泵（1）、电磁阀Ⅰ（8）。
6.根据权利要求4所述净化烟气中CO耦合抑制白雾的装置，其特征在于，还包括控制器（2），抽气泵（1）、CO浓度传感器（3）、温度传感器（4）、电磁阀Ⅰ（8）分别与控制器（2）连接。
7.根据权利要求4所述净化烟气中CO耦合抑制白雾的装置，其特征在于，所述填料层Ⅰ（10）、填料层Ⅱ（11）装填有直径为3-5cm的球型填料，填料为湍流球或石英砂颗粒。
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