CN109971913B - 一种近零排放的钢产烟气余热回收系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种近零排放的钢产烟气余热回收系统，根据转炉炼钢生产过程中不同吹炼阶段所产烟气CO的浓度不同区分对待，由带有烟气成分自动检测器的切换阀将钢产烟气导入到不同的处理系统：将吹炼中段产生的高含CO(40‑70％)的烟气通入中段烟气处理系统进行处理，即主要通过对流换热、余热锅炉余利用换等方式将烟气温度降低，将热量回收，降温后的烟气经除尘除杂系统处理后存储到煤气柜中；将吹炼前末段产生的低含CO(10‑40％)的烟气通入前末段烟气处理系统进行处理，即主要在燃烧室将烟气中可燃气(主要是CO)进行充分燃烧使烟气温度升高，将烟气的化学潜热转变成物理显热，然后再利用对流换热器、余热锅炉等方式吸收物理显热，产生热水的热蒸汽供用户使用或发电。

Description

一种近零排放的钢产烟气余热回收系统
技术领域
本发明属于钢铁冶金生产领域，特别涉及一种近零排放的钢产烟气余热回收系统。
背景技术
钢铁工业生产用总能约有70％会转换为二次能源(包括副产煤气)，但我们尚有30％左右的二次能源没有得到充分回收利用。目前，我们产品显热回收率为50.4％，烟气显热回收率在14.92％。我国目前多数企业平均煤气回收率低、消耗量大且放散严重。
其中，副产煤气是指，转炉炼钢生产过程中，铁水中的碳与吹入的氧化性气氛生成一氧化碳和二氧化碳气体，被称为转炉烟气，烟气温度高达1600℃。整个吹炼过程分为三个阶段，分别是吹炼前段、吹炼中段和吹炼末段。其中吹炼前段和吹炼末段产生的烟气中CO浓度(体积分数)为10-40％之间，而吹炼中段产生的烟气中CO浓度为40-70％。可见，吹炼前末段的烟气和中段烟气中CO含量有很大差别。然而，现有的余热回收系统的基本流程都是：将转炉的烟气导出后，先经过汽化冷却烟道急速降温至800℃，再通入对流换热器经气-液换热后回收余热(回收显热)，然后经余热锅炉继续回收烟气余热并使烟气降温至200℃左右，最后经除尘和除杂等工序，将温度降至70℃及以下的CO存储至煤气柜中，而其余成分或煤气柜储存不完的CO就被放散。目前，1个300t的转炉，吹炼产生的前后段烟气的年放散量达4.6亿Nm3，其中CO的体积浓度为20～30％；吹炼中段产生的年产煤气140亿Nm3，CO浓度约60％，但其中有约10％的煤气因煤气柜容量不足、下游供给需求波动等原因也作放散处理，造成极大的资源浪费。
而吹炼前后段烟气含CO浓度低，热值低，对其进行与吹炼中段相同的煤气回收处理，经济效益也较低。此外，由于前后段放散烟气中仍具有大量的物理热，在非常低的显热回收率现状下，因烟气物理热及化学潜热未被充分利用其价值而使钢铁企业每年因此遭受重大经济损失，同时放散也不符合节能减排和低碳绿色冶金的发展要求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有转炉烟气回收率低、放散率高、显热及潜热回收率低等问题，发明人经过对放散炉气的价值进行详细计算和评估，提出了一种近零排放的钢产烟气余热回收系统，通过区别化的处理方式处理吹炼前末段和吹炼中段的钢产烟气，可实现对转炉炼钢生产过程中各个阶段产生的高温烟气近乎完全地回收处理，从而显著提高煤气的回收量、降低碳氧化物的排放量、提高回收经济效益、减少因烟气放散带来的经济损失。
本发明的钢产烟气余热回收系统具有安全性高，维修简单，改造及维护成本低，操作简单等优点。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种近零排放的钢产烟气余热回收系统，其包括：
主烟道(A)，在所述主烟道(A)上切换阀(B)，所述切换阀(B)带有烟气成分自动检测器(10)；
所述主烟道(A)通过所述切换阀(B)连接前末段烟气处理系统(01)和中段烟气处理系统(02)；
其中，所述切换阀(B)根据烟气成分自动检测器(10)实时监测通入该主烟道(A)的烟气中CO的浓度值来决定导通方向，从而实现主烟道(A)与前末段烟气处理系统(01)的导通或主烟道(A)与中段烟气处理系统(02)的导通；
所述前末段烟气处理系统(01)包括依次连接的燃烧室(5)、第一对流换热器(71)、第一余热锅炉(81)、变压吸附分离系统(12)、储气柜；从主烟道(A)通入前末段烟气处理系统(01)的烟气，在燃烧室(5)内燃烧以释放烟气中可燃气体的化学潜热，使烟气温度升高变成高温烟气；高温烟气进入第一对流换热器(71)，在第一对流换热器(71)内进行换热，通过换热回收高温烟气的一部分热能，接着通入第一余热锅炉(81)对锅炉内的水加热以再次回收部分热能，将烟气变为低温烟气；低温烟气进入变压吸附分离系统(12)，由变压吸附分离系统(12)将二氧化碳和氮气进行变压吸附分离，再由储气柜分别储存；
所述中段烟气处理系统(02)包括对第二对流换热器(72)、第二余热锅炉(82)、蒸汽发电机组(15)、除尘除杂系统和煤气柜9；从主烟道(A)通入中段烟气处理系统(02)的高温烟气进入第二对流换热器(72)在第二对流换热器(72)内进行换热，通过换热回收高温烟气的一部分热能，接着通入第二余热锅炉(82)对锅炉内的水加热以再次回收部分热能；从第二余热锅炉(82)出来的烟气变为低温烟气，低温烟气经所述除尘除杂系统进行除尘和除杂处理，将低温烟气存储至煤气柜9中；其中第二对流换热器(72)和第二余热锅炉(82)产生的水蒸汽通入蒸汽发电机组(15)进行蒸汽发电。
根据本发明一个较佳实施例，其中，还包括烟罩(2)和高温旋风除尘器(3)，高温旋风除尘器(3)的上部连接所述主烟道(A)；所述烟罩(2)罩设于转炉(1)的上部，将转炉(1)上部的烟气通过烟罩(2)收集并导入到高温旋风除尘器(3)，由高温旋风除尘器(3)将烟气中的烟尘降低后，送入主烟道(A)中，并由烟气成分自动检测器(10)进行烟气组分检测。
具体地，当烟气成分自动检测器(10)检测到所述主烟道(A)中烟气的CO体积百分浓度超过40％时，此时切换阀(B)将所述主烟道(A)与中段烟气处理系统(02)导通；当烟气成分自动检测器(10)检测到所述主烟道(A)中烟气的CO体积百分浓度不超过40％时，切换阀(B)将所述主烟道(A)与前末段烟气处理系统(01)导通。
根据本发明一个较佳实施例，其中，所述前末段烟气处理系统(01)还包括废钢预热槽(6)，其位于主烟道(A)与燃烧室(5)之间，使从主烟道(A)进入前末段烟气处理系统(01)的高温烟气首先通过换热对废钢预热槽(6)中的废钢进行预加热。
根据本发明一个较佳实施例，其中，所述前末段烟气处理系统(01)中，第一对流换热器(71)中包括烟气-气换热过程，对空气进行预热，且将预热后的空气通过管道回通至所述燃烧室(5)。借此，使参与燃烧室(5)中烟气燃烧反应的空气具有一定初始温度，以提高烟气的燃烧效率。
根据本发明一个较佳实施例，其中，所述前末段烟气处理系统(01)中，第一对流换热器(71)中包括烟气-水换热过程，并将加热后的水或水蒸汽通过管道通入第一余热锅炉(81)内。
根据本发明一个较佳实施例，其中，所述前末段烟气处理系统(01)中，第一余热锅炉(81)还与第一蒸汽储蓄塔(41)串联连接，第一蒸汽储蓄塔(41)起到对第一余热锅炉(81)内的蒸汽进行补充和储存的作用。
根据本发明一个较佳实施例，其中，所述前末段烟气处理系统(01)中，在第一余热锅炉(81)与变压吸附分离系统(12)之间还设有除尘除杂系统，对从第一余热锅炉(81)出来的烟气进行除尘除杂的净化处理。
根据本发明一个较佳实施例，其中，所述前末段烟气处理系统(01)中，所述第一余热锅炉(81)或第一蒸汽储蓄塔(41)连接有蒸汽发电机组，利用蒸汽发电机组进行蒸汽发电。
根据本发明一个较佳实施例，其中，所述前末段烟气处理系统(01)中，所述储气柜包括二氧化碳储气柜(13)和氮气储气柜(14)；由变压吸附分离系统(12)分离得到的二氧化碳气体和氮气，经压缩机(11)压缩后，储存到二氧化碳储气柜(13)和氮气储气柜(14)中，制得压缩二氧化碳和压缩氮气产品。
根据本发明一个较佳实施例，其中，所述中段烟气处理系统(02)中，第二余热锅炉(82)还与第二蒸汽储蓄塔(42)串联连接，第二蒸汽储蓄塔(42)起到对第二余热锅炉(82)内蒸汽进行补充和储存的作用。
根据本发明一个较佳实施例，其中，所述中段烟气处理系统(02)中，第二对流换热器(72)中包括烟气-水换热过程，并将加热后的水或水蒸汽通过管道通入第二余热锅炉(82)内。
根据本发明一个较佳实施例，其中，所述中段烟气处理系统(02)中，第二对流换热器(72)中包括烟气-气换热过程，对空气进行预热，且将预热后的空气通过管道引入到所述前末段烟气处理系统(01)的所述燃烧室(5)内。
根据本发明一个较佳实施例，其中，所述第一、第二对流换热器(71)、(72)均连接有冷水塔，通过冷水塔向第一、第二对流换热器(71)、(72)的盘管内通入冷水，以吸收烟气的物理显热。
根据本发明一个较佳实施例，由蒸汽发电机组发电后产生的冷水可以返回至第一、第二对流换热器(71)(72)以热交换吸收烟气的物理显热，或者通入冷水冲淋塔对烟气进行除尘除杂处理。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
发明人根据转炉炼钢生产过程中不同吹炼阶段所产生的烟气中CO的浓度不同，经过具体测算，设计了本发明的一种近零排放的钢产烟气余热回收系统。本发明系统区分对待不同吹炼阶段所产烟气，自动检测CO的浓度并根据检测结果切换烟气的通入方向：
(1)对于吹炼中段产生的高含CO(40-70％)的烟气，切换阀将高温烟气通入中段烟气处理系统进行处理，在这个系统中主要是通过对流换热、余热锅炉余利用换等方式将烟气温度降低，将热量回收，并将由此产生的水蒸汽用于发电，降温后的烟气经除尘除杂系统处理后，将纯化的CO烟气存储到煤气柜中，以供市政和用户使用。
(2)对于吹炼前末段产生的低含CO(10-40％)的烟气，切换阀将高温烟气通入前末段烟气处理系统进行处理，在这个系统中主要是通过将烟气中可燃气，特别是CO通入燃烧室进行充分燃烧使烟气温度升高，借此将烟气的化学潜热转变成物理显热，然后再利用对流换热器、余热锅炉等方式吸收物理显热，用于产生锅炉热水供用户使用，或者产生水蒸汽供蒸汽发电机组进行发电。
此外，在前末段烟气处理系统中，燃烧后的烟气中二氧化碳和氮气占到98％以上，通过设置变压吸附分离系统，将二氧化碳气体和氮气分离，制得压缩二氧化碳气体和氮气产品，进行商品化处理。
本发明对吹炼中段产生含高浓度CO的烟气主要进行余热回收降温和CO回收储存，因此可以提高煤气回收处理的经济效益，对前后段低含CO的烟气主要采用充分燃烧将化学潜热转变成物理显热的方式进行回收利用，使低浓度含CO不会被直接放散而造成资源损失。因此，本发明是一种使钢产烟气物理热及化学潜热尽可能被充分利用的技术方案。
附图说明
图1为本发明设计的一种近零排放的钢产烟气余热回收系统组成图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
实施例1
如图1左侧部分所示，为前末段烟气处理系统01，用于处理转炉1的吹炼前末段产生的烟。
转炉1与转炉烟罩2相连，烟罩2下部超过转炉1的上部，通过抽风提供负压，使得转炉1烟气完全被引入至转炉烟罩2上部的烟道中，然后进入高温旋风除尘器3中，将高温烟气中的烟尘从30～100g/Nm3降低至5～10g/Nm3，净化后的烟气从高温旋风除尘器3的上部，进入主烟道A，在主烟道A上设有烟气成分自动检测器10(属于切换阀B的一部分)，由烟气成分自动检测器10对主烟道A中的CO浓度进行检测。当烟气成分自动检测器10检测到烟气中CO的浓度小于40％(如30％)时，切换阀B将烟气导入左侧部分的前末段烟气处理系统01。高温烟气通入废钢预热槽6中进行第一次物理显热换热过程，将废钢料预热至800℃～900℃，换热后的烟气温度降低至300～600℃，再通入至燃烧室5中，在燃烧室5中与引入空气混合燃烧，将CO转化成CO2并释放热量，使得烟气温度提升至800～1200℃。燃烧后的烟气成分中二氧化碳与氮气之和达98％以上。高温烟气通入第一对流换热器71中进行第二次烟气-气和烟气-液的显热交换，将空气预热至200～300℃后用管道通入燃烧室5中，以提高燃烧室5中烟气的燃烧效率；同时将预加热的水或水蒸汽(主要指水)通入第一余热锅炉81的锅体内。从第一对流换热器71出来的烟气温度被降至600～800℃，接着继续被通入第一余热锅炉81对锅炉内的水进行第三次物理热交换，使第一余热锅炉81内产生大量热水或热蒸汽，而热水可提供用户使用(如供暖)等，热蒸汽可以用与蒸汽发电。从第一余热锅炉81出来的烟气变成温度为100～200℃的低温烟气。低温烟气经过除尘除杂系统进行除尘和除杂后，通入变压吸附分离系统12中，分别将二氧化碳和氮气进行变压吸附分离，经过气体压缩机11压缩处理后，分别储存至二氧化碳储存柜13和氮气储存柜14中，继而制得压缩二氧化碳、压缩氮气产品。至此，烟气在整个过程中近零放散，烟气物理显热与化学热得到近充分的换热利用。第一蒸气储蓄塔41对第一余热锅炉81内蒸汽补充和储存的部分，当第一余热锅炉81锅体内的蒸汽不足时可及时予以补充，反之当第一余热锅炉81的锅内蒸气过量时，则用以储存，第一蒸气储蓄塔41与第一余热锅炉81串联连接。
实施例2
如图1右侧部分所示，为中段烟气处理系统02，用于处理转炉1的吹炼中段产生的烟气。
转炉1与转炉烟罩2相连，烟罩2下部超过转炉1的上部，通过抽风提供负压，使得转炉1烟气完全被引入至转炉烟罩2上部的烟道中，然后进入高温旋风除尘器3中，将高温烟气中的烟尘从30～100g/Nm3降低至5～10g/Nm3，净化后的烟气从高温旋风除尘器3的上部，进入主烟道A，在主烟道A上设有烟气成分自动检测器10(属于切换阀B的一部分)，由烟气成分自动检测器10对主烟道A中的CO浓度进行检测。当烟气成分自动检测器10检测到烟气中CO的浓度大于40％(如60％)时，切换阀B将烟气导入右侧部分的中段烟气处理系统02。高温烟气被直接通入第二对流换热器72中进行第一次物理显热换热，显热换热包括烟气-气热交换和烟气-液(主要指水)热交换，预热的空气预热至200～300℃，被预热的空气继而通入(左侧的)燃烧室5中供放散烟气充分燃烧，烟气-液热交换被预热的热水则送入第二余热锅炉82中。经第二对流换热器72换热后，烟气温度由1400～1600℃降低至800～1200℃，烟气接着被继续通入第二余热锅炉82进行第二次物理显热换热，第二余热锅炉82产生的热蒸气经蒸气发电机组15进行发电，或者第二余热锅炉82的热蒸汽暂存在第二蒸汽储蓄塔42内供使用。经蒸气发电机组15发电后，高温蒸汽变成冷却水，冷却水既可以回通到第二对流换热器72(热交换吸收烟气显热)，也可以通入冷水冲淋塔中对烟气进行冲洗除杂。从第二余热锅炉82出来的烟气温度降低至100～200℃，再经过布袋除尘和除杂纯化等工序(如用蒸气发电机组15产生的冷凝水冲淋除杂)，将纯化的CO存储至煤气柜9中，供市政和用户使用。第二蒸气储蓄塔42与第二余热锅炉82串联，当第二余热锅炉82锅体内的蒸汽不足时可及时予以补充，反之当第二余热锅炉82的热蒸汽过量时，则用以储存。至此，烟气在整个生产过程中近零放散，烟气的物理热也充分进行了回收利用。

Claims (9)

1.一种近零排放的钢产烟气余热回收系统，其特征在于，其包括：
主烟道(A)，在所述主烟道(A)上切换阀(B)，所述切换阀(B)带有烟气成分自动检测器(10)；
所述主烟道(A)通过所述切换阀(B)连接前末段烟气处理系统(01)和中段烟气处理系统(02)；
其中，所述切换阀(B)根据烟气成分自动检测器(10)实时监测通入该主烟道(A)的烟气中CO的浓度值来决定导通方向，从而实现主烟道(A)与前末段烟气处理系统(01)的导通或主烟道(A)与中段烟气处理系统(02)的导通；
所述前末段烟气处理系统(01)包括依次连接的燃烧室(5)、第一对流换热器(71)、第一余热锅炉(81)、变压吸附分离系统(12)、储气柜；从主烟道(A)通入前末段烟气处理系统(01)的烟气，在燃烧室(5)内燃烧以释放烟气中可燃气体的化学潜热，使烟气温度升高变成高温烟气；高温烟气进入第一对流换热器(71)，在第一对流换热器(71)内进行换热，通过换热回收高温烟气的一部分热能，接着通入第一余热锅炉(81)对锅炉内的水加热以再次回收部分热能，将烟气变为低温烟气；低温烟气进入变压吸附分离系统(12)，由变压吸附分离系统(12)将二氧化碳和氮气进行变压吸附分离，再由储气柜分别储存；
在所述主烟道(A)与燃烧室(5)之间设有废钢预热槽(6)，使从主烟道(A)进入前末段烟气处理系统(01)的高温烟气首先通过换热对废钢预热槽(6)中的废钢进行预加热；
所述中段烟气处理系统(02)包括对第二对流换热器(72)、第二余热锅炉(82)、蒸汽发电机组(15)、除尘除杂系统和煤气柜(9)；从主烟道(A)通入中段烟气处理系统(02)的高温烟气进入第二对流换热器(72)在第二对流换热器(72)内进行换热，通过换热回收高温烟气的一部分热能，接着通入第二余热锅炉(82)对锅炉内的水加热以再次回收部分热能；从第二余热锅炉(82)出来的烟气变为低温烟气，低温烟气经所述除尘除杂系统进行除尘和除杂处理，将低温烟气存储至煤气柜(9)中；其中第二对流换热器(72)和第二余热锅炉(82)产生的水蒸汽通入蒸汽发电机组(15)进行蒸汽发电。
2.根据权利要求1所述的钢产烟气余热回收系统，其特征在于，还包括烟罩(2)和高温旋风除尘器(3)，高温旋风除尘器(3)的上部连接所述主烟道(A)；所述烟罩(2)罩设于转炉(1)的上部，将转炉(1)上部的烟气通过烟罩(2)收集并导入到高温旋风除尘器(3)，由高温旋风除尘器(3)将烟气中的烟尘降低后，送入主烟道(A)中，并由烟气成分自动检测器(10)进行烟气组分检测。
3.根据权利要求1所述的钢产烟气余热回收系统，其特征在于，所述前末段烟气处理系统(01)中，第一对流换热器(71)中包括烟气-气换热过程，对空气进行预热，且将预热后的空气通过管道回通至所述燃烧室(5)。
4.根据权利要求3所述的钢产烟气余热回收系统，其特征在于，所述前末段烟气处理系统(01)中，第一对流换热器(71)中包括烟气-水换热过程，并将加热后的水或水蒸汽通过管道通入第一余热锅炉(81)内。
5.根据权利要求4所述的钢产烟气余热回收系统，其特征在于，所述前末段烟气处理系统(01)中，在第一余热锅炉(81)与变压吸附分离系统(12)之间还设有除尘除杂系统，对从第一余热锅炉(81)出来的烟气进行除尘除杂的净化处理。
6.根据权利要求1所述的钢产烟气余热回收系统，其特征在于，所述前末段烟气处理系统(01)中，所述第一余热锅炉(81)或第一蒸汽储蓄塔(41)连接有蒸汽发电机组，利用蒸汽发电机组进行蒸汽发电。
7.根据权利要求1-6任一项所述的钢产烟气余热回收系统，其特征在于，所述前末段烟气处理系统(01)中，所述储气柜包括二氧化碳储气柜(13)和氮气储气柜(14)；由变压吸附分离系统(12)分离得到的二氧化碳气体和氮气，经压缩机(11)压缩后，储存到二氧化碳储气柜(13)和氮气储气柜(14)中，制得压缩二氧化碳和压缩氮气产品。
8.根据权利要求1所述的钢产烟气余热回收系统，其特征在于，所述中段烟气处理系统(02)中，第二对流换热器(72)中包括烟气-水换热过程，并将加热后的水或水蒸汽通过管道通入第二余热锅炉(82)内；第二对流换热器(72)中包括烟气-气换热过程，对空气进行预热，且将预热后的空气通过管道引入到所述前末段烟气处理系统(01)的所述燃烧室(5)内。
9.根据权利要求1所述的钢产烟气余热回收系统，其特征在于，所述中段烟气处理系统(02)中，所述蒸汽发电机组(15)发电后产生的冷却水返回至第二对流换热器(72)以热交换吸收烟气的物理显热，或者通入冷水冲淋塔对烟气进行除尘除杂处理。
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