CN109945665A - 一种低co浓度烟气催化燃烧及再生显热回收方法及系统 - Google Patents

一种低co浓度烟气催化燃烧及再生显热回收方法及系统 Download PDF

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潘利生
魏小林
李冰
史维秀
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康润宁
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Abstract

本发明公开了一种低CO浓度烟气催化燃烧及再生显热回收方法及系统，包括冷凝器和用于转化炼钢转炉烟气低浓度CO的显热再生器，在显热再生器内部设置有环路热管蒸发段管路，在冷凝器内部设置环路热管冷凝段管路，环路热管蒸发段管路和环路热管冷凝段管路相接形成闭合回路，冷凝器连接有用于回收冷凝器内部的水经过热交换后形成的热水或蒸汽的存储罐。本发明针对炼钢转炉低CO浓度烟气处理时高耗能、不环保的问题，通过炼钢转炉低CO浓度烟气在显热再生器内的催化燃烧，并配合冷凝器，实现了在消除炼钢转炉低CO浓度烟气中CO成分的同时，高效回收CO转化为CO2时由化学能转化来的再生显热能。

Description

一种低CO浓度烟气催化燃烧及再生显热回收方法及系统
技术领域
本发明实施例涉及冶金工业余热回收利用技术领域，具体涉及一种低CO浓度烟气催化燃烧及再生显热回收方法及系统。
背景技术
冶金工业是国民经济的重要产业，为其他行业(如：建筑、机械、汽车制造等)提供基本原料，在国民经济发展中发挥着重要的和基础性的作用。作为钢铁生产的五大主要工序之一，在转炉炼钢过程中，会间断性产生含有大量有毒性气体CO的转炉烟气，并且烟气流量和CO含量随时间波动性变化。当CO浓度较高时，会被收集到煤气柜，回收了转炉烟气中CO的化学能，当CO浓度较低时，一般采取混入天然气燃烧的方式消除CO，从而防止低CO浓度的转炉烟气放散对周围环境造成污染，甚至危害人体健康。
将放散烟气中的CO转化为CO2显得尤为重要，但采用不可再生能源--天然气将放散烟气引燃转化为CO2的方式，将消耗大量天然气，且CO的化学能无法回收利用，造成能源的浪费，同时由于增加了天然气消耗，CO2排放也大幅增加，不利于节能环保。在消除炼钢转炉低CO浓度烟气中CO成分的同时，高效回收CO转化为CO2时由化学能转化来的再生显热能，具有重要的社会效益和经济效益。
发明内容
为此，本发明实施例提供一种实现在消除炼钢转炉低CO浓度烟气中CO成分的同时，高效回收CO转化为CO2时由化学能转化来的再生显热能的低CO浓度烟气催化燃烧及再生显热回收方法及系统。
为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：
一种低CO浓度烟气催化燃烧及再生显热回收方法，包括如下步骤：
步骤100、转炉低CO浓度烟气进入显热再生器内部的烟气流道，在烟气流道壁面上Cu基催化剂的作用下，CO发生自持燃烧转化为CO2并释放显热；
步骤200、释放的显热以导热的形式进入所述显热再生器内部的环路热管蒸发段管路；
步骤300、显热将所述环路热管蒸发段管路内的低温液态工质加热蒸发形成饱和气态工质；
步骤400、饱和气态工质进入冷凝器内部的环路热管冷凝段管路，且饱和气态工质与所述环路热管冷凝段管路外的水发生热交换，饱和气态工质被冷凝为液态后，再流回所述环路热管蒸发段管路内；
步骤500、所述冷凝器内环路热管外的水经过热交换后形成热水或蒸汽，存储至存储罐冷凝器。
进一步地，当烟气量较大时，饱和气态工质被冷凝为液态后先经过工质循环泵再回流至环路热管蒸发段管路内。
进一步地，多个包括显热再生器和冷凝器在内的环路热管可以并联使用，共同加热所述冷凝器内环路热管冷凝段管路外的水。
进一步地，所述存储罐还连接一用于向所述存储罐输入冷水的水泵，所述存储罐内的一部分热水或蒸汽直接输送至用户，另一部分热水或蒸汽与经所述水泵输入的冷水混合后再次流入冷凝器吸热。
进一步地，所述工质为丙酮、酒精、水、氢氟烃或碳氢化合物。
进一步地，所述Cu基催化剂涂在颗粒状高比热蓄热体上再置于烟气流道壁面，所述蓄热体为金属、莫来石、刚玉、粘土质或烧结SiC材质。
进一步地，所述Cu基催化剂采用蜂窝陶瓷作为催化剂载体。
进一步地，所述Cu基催化剂涂在环路热管蒸发段管路和其翅片的外表面上。
在本发明的另一个方面，还提供了一种低CO浓度烟气催化燃烧及再生显热回收系统，包括冷凝器和用于转化炼钢转炉烟气低浓度CO的显热再生器，在所述显热再生器内部设置有环路热管蒸发段管路，在所述冷凝器内部设置环路热管冷凝段管路，所述环路热管蒸发段管路和所述环路热管冷凝段管路相接形成闭合回路，所述冷凝器连接有用于回收其冷凝器内部的水经过热交换后形成的热水或蒸汽的存储罐。
进一步地，还包括工质循环泵和水泵，所述工质循环泵设置在所述环路热管冷凝段管路流向所述环路热管蒸发段管路之间的管路上。
本发明的实施方式具有如下优点：
本发明针对炼钢转炉低CO浓度烟气处理时高耗能、不环保的问题，通过炼钢转炉低CO浓度烟气在显热再生器内的催化燃烧，并配合冷凝器，实现了在消除炼钢转炉低CO浓度烟气中CO成分的同时，高效回收CO转化为CO2时由化学能转化来的再生显热能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
图1为本发明实施方式方法和系统的示意图。；
图2为本发明实施方式中第一种显热再生器结构示意图；
图3为本发明实施方式中第二种显热再生器结构示意图；
图4为本发明实施方式中第三种显热再生器结构示意图。
图中：
1-显热再生器；2-环路热管蒸发段管路；3-工质循环泵；4-冷凝器；5-环路热管冷凝段管路；6-储存罐；7-水泵。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例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他实施例，都属于本发明保护的范围。
由于炼钢转炉内的高温烟气先经过余热回收系统，形成温度显著降低的低CO浓度烟气，为了实现在消除炼钢转炉低CO浓度烟气中CO成分的同时，高效回收CO转化为CO2时由化学能转化来的再生显热能，因此，本发明提供了一种用于炼钢转炉内低CO浓度烟气催化燃烧及再生显热回收方法，如图1所示，具体步骤包括：
步骤100、转炉低CO浓度烟气从显热再生器的一端进入其内部的烟气流道，在烟气流道壁面上Cu基催化剂的作用下，CO发生自持燃烧转化为CO2并释放大量显热。
步骤200、其催化燃烧反应发生在烟气流道壁面，释放的显热以导热的形式进入所述显热再生器内部的环路热管蒸发段管路；另一方面，被显热加热的烟气通过对流换热方式加热烟气流道壁面，然后显热再以导热的形式进入环路热管蒸发段；炉低CO浓度烟气自持燃烧后的含CO2的转炉烟气从所述显热再生器的另一端排出。
步骤300、传入到环路热管蒸发段管路的显热将其内的低温液态工质加热蒸发形成饱和气态工质。
步骤400、饱和气态工质进入冷凝器内部的环路热管冷凝段管路，且饱和气态工质与所述环路热管冷凝段管路外的水发生热交换，饱和气态工质被冷凝为液态后，再流回所述环路热管蒸发段管路内继续蒸发；实现工质的循环利用。
在本实施方式中，工质可选择丙酮、酒精、水、氢氟烃、碳氢化合物等物质。
在本实施方式中，当烟气量较大，环路热管复杂，循环阻力较大时，为保证环路热管中工质的持续稳定流动，需要增加一个工质循环泵来降低工质循环的阻力，工质循环泵设置在所述环路热管冷凝段管路流向所述环路热管蒸发段管路之间的管路上，使得饱和气态工质被冷凝为液态后使其先经过工质循环泵再回流至环路热管蒸发段管路内；反之，烟气量较小时，则可不采用工质循环泵。
在本实施方式中，环路热管蒸发段管路和环路热管冷凝段管路可以是蛇形管路结构分别分布在显热再生器和冷凝器内部，以增大管路的分布面积，提高换热效率。
步骤500、所述冷凝器内环路热管外的水经过热交换后形成热水或蒸汽，存储至存储罐冷凝器，所述存储罐还连接一用于向所述存储罐输入冷水的水泵，所述存储罐内的一部分热水或蒸汽直接输送至用户，另一部分热水或蒸汽与经所述水泵输入的冷水混合后再次流入冷凝器吸热，保证储存罐内的水能持续循环。
由于转炉烟气流量和CO含量随时间的波动性，其低CO浓度烟气所能提供的化学能也随时间大幅波动，并且CO自持催化燃烧需要保持尽量温度的反应温度，因此催化燃烧时，催化床的蓄热性能非常重要。
因此，本发明还提供三种不同显热再生器结构分别如图2至图4所示。
第一种显热再生器结构如图2所示，将所述Cu基催化剂涂在颗粒状高比热蓄热体上再置于烟气流道壁面，所述蓄热体为金属、莫来石、刚玉、粘土质或烧结SiC材质。
第二种显热再生器结构如图3所示，Cu基催化剂采用蜂窝陶瓷作为催化剂载体。
第三种显热再生器结构如图4所示，当不考虑蓄热，而尽量减小传热热阻时，可将Cu基催化剂涂在环路热管蒸发段和其翅片的外表面上。
在另一个实施方式种，本发明还提供一种低CO浓度烟气催化燃烧及再生显热回收系统，如图1所示，包括冷凝器4和用于转化炼钢转炉烟气低浓度CO的显热再生器1，在所述显热再生器1内部设置有环路热管蒸发段管路2，在所述冷凝器4内部设置环路热管冷凝段管路5，所述环路热管蒸发段管路2和所述环路热管冷凝段管路5相接形成闭合回路，所述冷凝器4连接有用于回收其其冷凝器内部的水经过热交换后形成的热水或蒸汽的存储罐6；还包括工质循环泵3和水泵7，所述工质循环泵3设置在所述环路热管冷凝段管路5流向所述环路热管蒸发段管路2之间的管路上。
本发明的再生显热回收系统及方法针对炼钢转炉低CO浓度烟气处理时高耗能、不环保的问题，实现在消除炼钢转炉低CO浓度烟气中CO成分的同时，高效回收CO转化为CO2时由化学能转化来的再生显热能具有良好的社会效益和经济效益。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种低CO浓度烟气催化燃烧及再生显热回收方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤100、转炉低CO浓度烟气进入显热再生器内部的烟气流道，在烟气流道壁面上Cu基催化剂的作用下，CO发生自持燃烧转化为CO2并释放显热；
步骤200、释放的显热以导热的形式进入所述显热再生器内部的环路热管蒸发段管路；
步骤300、显热将所述环路热管蒸发段管路内的低温液态工质加热蒸发形成饱和气态工质；
步骤400、饱和气态工质进入冷凝器内部的环路热管冷凝段管路，且饱和气态工质与所述环路热管冷凝段管路外的水发生热交换，饱和气态工质被冷凝为液态后，再流回所述环路热管蒸发段管路内；
步骤500、所述冷凝器内环路热管外的水经过热交换后形成热水或蒸汽，存储至存储罐。
2.根据权利要求1所述的一种低CO浓度烟气催化燃烧及再生显热回收方法，其特征在于，当烟气量较大时，饱和气态工质被冷凝为液态后先经过工质循环泵再回流至环路热管蒸发段管路内。
3.根据权利要求1所述的一种低CO浓度烟气催化燃烧及再生显热回收方法，其特征在于，多个包括显热再生器和冷凝器在内的环路热管可以并联使用，共同加热所述冷凝器内环路热管冷凝段管路外的水。
4.根据权利要求1所述的一种低CO浓度烟气催化燃烧及再生显热回收方法，其特征在于，所述存储罐还连接一用于向所述存储罐输入冷水的水泵，所述存储罐内的一部分热水或蒸汽直接输送至用户，另一部分热水或蒸汽与经所述水泵输入的冷水混合后再次流入冷凝器吸热。
5.根据权利要求1所述的一种低CO浓度烟气催化燃烧及再生显热回收方法，其特征在于，所述工质为丙酮、酒精、水、氢氟烃或碳氢化合物。
6.根据权利要求1所述的一种低CO浓度烟气催化燃烧及再生显热回收方法，其特征在于，所述Cu基催化剂涂在颗粒状高比热蓄热体上再置于烟气流道壁面，所述蓄热体为金属、莫来石、刚玉、粘土质或烧结SiC材质。
7.根据权利要求1所述的一种低CO浓度烟气催化燃烧及再生显热回收方法，其特征在于，所述Cu基催化剂采用蜂窝陶瓷作为催化剂载体。
8.根据权利要求1所述的一种低CO浓度烟气催化燃烧及再生显热回收方法，其特征在于，所述Cu基催化剂涂在环路热管蒸发段管路和其翅片的外表面上。
9.一种低CO浓度烟气催化燃烧及再生显热回收系统，其特征在于，包括冷凝器(4)和用于转化炼钢转炉烟气低浓度CO的显热再生器(1)，在所述显热再生器(1)内部设置有环路热管蒸发段管路(2)，在所述冷凝器(4)内部设置环路热管冷凝段管路(5)，所述环路热管蒸发段管路(2)和所述环路热管冷凝段管路(5)相接形成闭合回路，所述冷凝器(4)连接有用于回收冷凝器内部的水经过热交换后形成的热水或蒸汽的存储罐(6)。
10.根据权利要求9所述的一种低CO浓度烟气催化燃烧及再生显热回收系统，其特征在于，还包括工质循环泵(3)和水泵(7)，所述工质循环泵(3)设置在所述环路热管冷凝段管路(5)流向所述环路热管蒸发段管路(2)之间的管路上。
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