CN111664717A - 一种智能型催化脱硝脱co及余热利用一体化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能型催化脱硝脱CO及余热利用一体化装置。包括反应系统、智能控制系统、喷氨及烟气扰流系统以及烟气流线矫正系统；所述反应系统包括内置式直燃炉5、脱CO催化剂层6、第一级SCR脱硝催化剂层7、第二级SCR脱硝催化剂层8；所述智能控制系统包括智能控制装置15、在线CO浓度监测装置11、1号在线温度监测装置12、2号在线温度监测装置13、3号在线温度监测装置14、补燃调节模块10；所述喷氨及烟气扰流系统包括喷氨格栅1、强制烟气扰流器2；所述烟气流线矫正系统包括导流叶片3、整流格栅4。本发明在传统处理设备上升级改造，利用一氧化碳催化燃烧释放的热量加热烟气，回收的能源减少了煤气耗量，实现CO脱除的同时满足脱硝的温度反应区间和NOx的高效去除。

Description

一种智能型催化脱硝脱CO及余热利用一体化装置

技术领域

本发明属于钢铁冶金行业烧结烟气污染防治技术领域，具体涉及一种智能型催化脱硝脱CO及余热利用一体化装置。

背景技术

烧结烟气是钢铁行业排放大户，我国生态环境部于2019年4月正式发布了环大气〔2019〕35号文《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》，文中提出到2025年底前，明确要求烧结机机头烟气颗粒物、二氧化硫、氮氧化物排放浓度小时均值分别不高于10、35、50毫克/立方米，烧结烟气排放标准提高。

烧结烟气污染物超低排放改造势在必行，研发一体化、节能型、协同净化多污染物的工艺具有重要意义。

大部分烧结烟气已建设电除尘装置+湿式脱硫装置的治理工艺，在超低排放改造中，由于湿法脱硫排烟温度为45~50℃，必需在湿法脱硫装置末端增加MGGH、GGH、加热炉等多级加热装置，以提高烟温来满足SCR脱硝要求。

这种采用串联多个单一设备实现升温的工艺，存在设备占地大、造价高、难实施、运行能耗高的问题。

SCR脱硝前置加热器煤气耗量大，SCR脱硝提升温度一般需要消耗大量的煤气通过燃气直燃炉进行加热，燃料消耗巨大。

又因全厂煤气有限，额外增加的消耗量将打破厂区供给平衡，对厂区生产和经济造成严重影响。

烧结烟气中残余的CO燃烧放热能源可利用。

每燃烧1摩尔一氧化碳能产生283千焦热量,烧结机烟气中一氧化碳含量在6000~35000mg/Nm³之间，低温催化一氧化碳产生的热量能使烟气温度提升至少50℃以上。

有效的利用一氧化碳反应产生的废热加热烟气，减少直燃炉的煤气耗量，可降低工艺能耗，是未来烧结烟气治理控制的趋势。

烧结烟气波动大、难适应。烧结机一氧化碳产生量受台车料层厚度、配料中燃料种类及配比、点火燃料种类等条件影响，烟气中的CO浓度波动较大，且波动频繁。

因此，前置一氧化碳催化反应释放热量加热烟气，当SCR入口烟气温度低于设计值时，需要增加一种加热补偿措施和智能调节措施，保证脱硝正常运行。

已公开专利中，在烧结烟气治理工艺中串联增加CO催化反应设备，会导致占地面积大无法实施。也未考虑烧结烟气负荷波动，当烟气中CO浓度低时，CO催化反应设备无法满足脱硝需求温度，这些工艺都无法在实际工程实施中应用。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种智能型催化脱硝脱CO及余热利用一体化装置，该装置结合烧结烟气独有特性，在现存治理装置上升级改造，充分利用烧结烟气中CO催化反应释放的热量，开发出的具有可靠性高、占地小、节能的新工艺。

本发明的技术解决方案是：一种智能型催化脱硝脱CO及余热利用一体化装置，包括反应系统、智能控制系统、喷氨及烟气扰流系统以及烟气流线矫正系统；

所述反应系统包括内置式直燃炉、脱CO催化剂层、第一级SCR脱硝催化剂层、第二级SCR脱硝催化剂层；

所述智能控制系统包括智能控制装置、在线CO浓度监测装置、1号在线温度监测装置、2号在线温度监测装置、3号在线温度监测装置、补燃调节模块；所述智能控制装置由工作站组成；烧结烟气波动大时，智能控制装置将在线CO浓度监测装置监测值、1号在线温度监测装置监测值作为输入信号并存储，分析烟气负荷CO浓度值与温度值的变动波动曲线，计算出下一秒烟气CO浓度与温度瞬时值，智能模拟出烧结烟气CO浓度值与温度值的波动曲线，再将计算值与监测值进行对比分析，用于精确控制补燃调节模块的调节动作；

所述喷氨及烟气扰流系统包括喷氨格栅、强制烟气扰流器；

所述烟气流线矫正系统包括导流叶片、整流格栅；

所述烟气流线矫正系统设置在烟气入口处，所述烟气流线矫正系统与所述喷氨及烟气扰流系统通过烟道连接；所述喷氨及烟气扰流系统设置在反应系统的前端。

根据本发明实施例，所述内置式直燃炉由支管、喷嘴构成，与整流格栅间距不小于0.5m，与脱CO催化剂层间距不小于2m；所述喷嘴喷出的气体流速不低于15m/s,烟温不低于600℃，能够在1秒内加热烟气，实现短距离、直接加热催化剂的效果。

根据本发明实施例，所述脱CO催化剂层，与内置式直燃炉间距不小于2m，与第一级SCR催化剂层间距不小于1.5m，优选采用金属氧化物系列催化剂，CO脱除效率95%以上，反应释放的热量能使烟气温度加热上升至少50℃。

根据本发明实施例，所述第二级SCR脱硝催化剂层上面设置备用催化剂层，与第二级SCR催化剂层间距不小于1.5m，优先采用锰基或钒基催化剂，脱硝效率不低于85%。

根据本发明实施例，所述补燃调节模块由智能模块、电动阀组构成；所述补燃调节模块设置在反应系统附近，与内置式直燃炉和智能控制装置相连接，所述补燃调节模块接收智能控制装置的CO浓度和温度信号，计算出电动阀组的开度；当接收信号CO浓度低、烟气温度低于130℃时，电动阀组开启，补充加大煤气燃烧量，此时煤气使用率为100%，加大内置式直燃炉的烟气量，以提高烟气温度。当接收信号CO浓度低、烟气温度低于180℃时，电动阀组开启，补充加大煤气燃烧量，此时煤气使用率为10%~100%加，大内置式直燃炉的烟气量，以提高烟气温度；当接收信号CO浓度低、烟气温度高于200℃时，电动阀组启动，补充减少煤气燃烧量，此时加热系统煤气消耗率为0~5%，减少内置式直燃炉的烟气量，以提高烟气温度；当接收信号CO浓度低、温度高于220℃时，电动阀组启动关闭；此方法可以节省煤气消耗，以节约能源。

根据本发明实施例，所述在线CO浓度监测装置和在线温度监测装置设置在CO催化剂层入口，与智能控制装置相连接；所述在线温度监测装置设置在第一级SCR脱硝催化剂层、第二级SCR脱硝催化剂层入口，与智能控制装置相连接；所述在线温度监测装置设置在第一级SCR脱硝催化剂层、第二级SCR脱硝催化剂层出口，与智能控制装置相连接。

根据本发明实施例，所述喷氨格栅，设置在反应系统入口烟道上，与催化剂层烟道间距不低于5m，由母管和喷嘴构成，喷嘴喷出的气体流速不低于15m/s，烟道面积与喷嘴数的比值不大于0.2m²/个喷嘴；能够使氨浓度100%的分布在烟道截面上。

根据本发明实施例，所述强制烟气扰流器，设置于喷氨格栅下游，间距不小于1m；由正方形叶片组成，单个叶片的长、宽不小于500mm，叶片旋转角度α在10°~80°之间，叶片的投影总面积不大于60%，能够将烟气与氨浓度、CO浓度100%的充分混合。

根据本发明实施例，所述导流叶片，设置在反应系统入口弯头处，由长方形的叶片组成，叶片长度或弧长不低于500mm；用于矫正弯头处烟气偏流，使烟气均匀的进入到下一个单元，均匀度不低于15%。

根据本发明实施例，所述整流格栅，设置在反应系统弯头出口截面处，在内置式直燃炉上游，间距至少0.5m；由长方形的叶片组成，成网状交错布置，叶片高度不低于300mm，叶片间距不大于300mm，用于矫正、强制均匀烟气偏流流线使烟气垂直、均匀的入射进入催化剂层，满足催化剂的速度场分布离散系数小于15%，入射角偏差小于5°的要求，保证烟气在催化剂的通过停留时间，实现最佳的催化效率，同时能降低高速烟气、粉尘对催化剂的冲刷、磨损。

本发明将智能控制、喷氨系统、烟气扰流及矫正系统、直燃炉、脱CO、脱硝单元有机结合形成一体化装置，烟气经过喷氨及烟气扰流、烟气矫正系统后能使烟气与氨、CO浓度充分混合，进入反应系统内的流程达到最优。能在实现CO脱除的同时利用CO催化燃烧反应余热，短距离、直接加热脱硝催化剂，能够减少热损失，来实现脱硝反应温度和NOx的高效去除。同时，一体化装置占地面积小，仅增加设备高度，适合现有烧结烟气超低改造需求。

喷氨格栅在烟道截面上均匀的喷入氨气，与烟气混合后在烟气扰流器的作用下强制混合，能够使烟气中的氨浓度场、CO浓度场的分布离散分布系数小于5%，均匀催化剂截面处的浓度梯度，以使催化剂性能表现最佳，能实现催化剂的90%以上的脱除效率。

智能控制装置能记录、存储、分析输入信号数据，模拟形成烧结烟气波动曲线，根据计算结果调动补燃模块的操作动作。

本发明的有益技术效果如下。

（1）开发的一种智能型催化脱硝脱CO及余热利用一体化装置，克服了烧结烟气负荷波动大、排烟温度低、处理工艺流程长的难点，在传统处理设备上升级改造，利用一氧化碳催化燃烧释放的热量加热烟气，回收的能源减少了煤气耗量，实现CO脱除的同时满足脱硝的温度反应区间和NOx的高效去除。

（2）开发的一种智能型催化脱硝脱CO及余热利用一体化装置，将脱硝、脱CO以及内置式直燃炉进行有机的结合形成一体化反应装置，不需要单独设置冗长的反应单元，使整个工艺系统布置紧凑、合理，降低了工程成本，具有占地面积小、处理功能齐全、易实施的特点。

（3）开发的一种智能型催化脱硝脱CO及余热利用一体化装置，根据烧结烟气负荷波动情况，将烟气温度、CO浓度参数进行存储、分析，计算模拟出烟气负荷波动曲线，来精确调节加热系统的电动阀门开度，以保证SCR催化剂反应温度。

（4）开发的一种智能型催化脱硝脱CO及余热利用一体化装置，在一个反应装置中进行多种污染物深度处理，装置排放出口能实现NOx≤40mg/Nm3以及一氧化碳95%以上转化。

附图说明

图1是一种智能型催化脱硝脱CO及余热利用一体化装置图。

图2是喷氨格栅结构图。

图3是强制烟气扰流器结构图。

图4是内置式直燃炉结构图。

图5是CO温升与内置式直燃炉煤气使用率的关系曲线。

图中：1—喷氨格栅；2—强制烟气扰流器；3—导流叶片；4—整流格栅；5—内置式直燃炉；6—脱CO催化剂层；7—第一级脱硝催化剂层；8—第二级脱硝催化剂层；9—备用催化剂层；10—补燃调节模块；11—在线CO浓度监测装置；12—1号在线温度监测装置；13—2号在线温度监测装置；14—3号在线温度监测装置；15—智能控制装置；16—母管；17—喷嘴；18—正方形叶片；19—支管；20—炉内喷嘴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，一种智能型催化脱硝脱CO及余热利用一体化装置，所述装置入口烟道处依次设置有喷氨格栅1、强制烟气扰流器2、导流叶片3、整流格栅4。

所述装置内依次设置有内置式直燃炉5、脱CO催化剂层6、第一级脱硝催化剂层7和第二级脱硝催化剂层8、备用催化剂层9。

所述装置内设置有智能控制系统，包括智能控制装置15、在线CO浓度监测装置11、1号在线温度监测装置12、2号在线温度监测装置13、3号在线温度监测装置14、补燃调节模块10。

所述喷氨格栅1，设置在反应系统入口烟道上，与催化剂层烟道间距不低于5m，由母管16和喷嘴17构成，喷嘴喷出的气体流速不低于15m/s，烟道面积与喷嘴数的比值不大于0.2m²/个喷嘴。

所述强制烟气扰流器2，设置于喷氨格栅1下游，间距不小于1m；由正方形叶片18组成，单个叶片的长、宽不小于500mm，叶片旋转角度α在10°~80°之间，叶片的投影总面积不大于60%。

所述内置式直燃炉5由支管19、炉内喷嘴20构成，与整流格栅4间距不小于0.5m，与脱CO催化剂层6间距不小于2m；所述炉内喷嘴20喷出的气体流速不低于15m/s,烟温不低于600℃。

所述一种智能型催化脱硝脱CO及余热利用一体化装置，经脱硫、除尘后的原烟气由装置入口烟道进入，首先与喷氨格栅1喷出的氨/空混合气接触，再经过强制烟气扰流器2使烟气与氨气充分混合；强制烟气扰流器2由阵列式方形叶片组成，旋转角度为10°~80°；混合后的烟气经导流叶片3、整流格栅4强制均流，此时，进入催化剂层的烟气在反应器截面处，满足速度流场分布离散系数小于15%、浓度流场分布离散系数小于5%。

然后，烟气进入脱CO催化剂层6进行净化，一氧化碳催化燃烧反应释放的热量加热烟气，使烟气温度提升至180℃以上。

其中，如图5所示，当1号在线监测装置12监测到烟气温度低于130℃时，智能控制装置15反馈信号给补燃调节模块10启动，内置式直燃炉5喷出热烟气与原烟气混合，提升烟气温度至180℃，此时煤气使用率为100%。

进一步的，当在线监测装置12监测到烟气温度低于180℃时，智能控制装置15反馈信号给补燃调节模块10启动调节，提升烟气温度至180℃，此时煤气使用率为10%~100%。

进一步的，当在线监测装置12监测到烟气温度高于200℃时，智能控制装置15反馈信号给补燃调节模块10关闭或调整，此时加热系统煤气消耗率为0~5%，用以调整脱硝催化剂入口温度，此方法可以节省煤气消耗，以节约能源。

智能控制装置15，将在线CO浓度监测装置11监测值、1号在线温度监测装置12监测值作为输入信号，用于智能模拟烟气负荷CO浓度与温度的波动曲线，然后计算出下一秒烟气CO浓度与温度瞬时值，再将计算值与监测值进行对比分析，将处理结果反馈给补燃调节模块10，对补燃调节模块10的动作进行精确调节，实现自动分析烟气负荷的智能控制状态，以节省加热系统煤气消耗，降低能耗。然后，烟气经第一级SCR脱硝催化剂层7和第二级SCR脱硝催化剂层8进行脱NOx，净化后的烟气进入备用催化剂层9进行二噁英净化，净化后的烟气由装置出口烟道排出。

此时，烟气排放的参数为烟温T＞180℃，NOx≤40mg/Nm³、以及CO的转化率95%以上。

以上结合附图详细的实施方案描述仅为本发明的优选实施方案，但是，本发明并不限于上述方案中的具体实施细节，任何在本发明的思想和原则内所作的任何修改、替换，均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种智能型催化脱硝脱CO及余热利用一体化装置，其特征在于包括反应系统、智能控制系统、喷氨及烟气扰流系统以及烟气流线矫正系统；

所述反应系统包括内置式直燃炉（5）、脱CO催化剂层（6）、第一级SCR脱硝催化剂层（7）、第二级SCR脱硝催化剂层（8）；

所述智能控制系统包括智能控制装置（15）、在线CO浓度监测装置（11）、1号在线温度监测装置（12）、2号在线温度监测装置（13）、3号在线温度监测装置（14）、补燃调节模块（10）；所述智能控制装置（15）由工作站组成；烧结烟气波动大时，智能控制装置（15）将在线CO浓度监测装置（11）监测值、1号在线温度监测装置（12）监测值作为输入信号并存储，分析烟气负荷CO浓度值与温度值的变动波动曲线，计算出下一秒烟气CO浓度与温度瞬时值，智能模拟出烧结烟气CO浓度值与温度值的波动曲线，再将计算值与监测值进行对比分析，用于精确控制补燃调节模块（10）的调节动作；

所述喷氨及烟气扰流系统包括喷氨格栅（1）、强制烟气扰流器（2）；

所述烟气流线矫正系统包括导流叶片（3）、整流格栅（4）；

所述烟气流线矫正系统设置在烟气入口处，所述烟气流线矫正系统与所述喷氨及烟气扰流系统通过烟道连接；所述喷氨及烟气扰流系统设置在反应系统的前端。

2.根据权利要求1所述的一种智能型催化脱硝脱CO及余热利用一体化装置，其特征是所述内置式直燃炉（5）由支管（19）、炉内喷嘴（20）构成，与整流格栅（4）间距不小于0.5m，与脱CO催化剂层（6）间距不小于2m；所述喷嘴（20）喷出的气体流速不低于15m/s,烟温不低于600℃。

3.根据权利要求1所述的一种智能型催化脱硝脱CO及余热利用一体化装置，其特征是所述脱CO催化剂层（6），与内置式直燃炉（5）间距不小于2m，与第一级SCR催化剂层（7）间距不小于1.5m。

4.根据权利要求1所述的一种智能型催化脱硝脱CO及余热利用一体化装置，其特征是所述所述第二级SCR脱硝催化剂层（8）上面设置备用催化剂层（9），与第二级SCR催化剂层（8）间距不小于1.5m。

5.根据权利要求1所述的一种智能型催化脱硝脱CO及余热利用一体化装置，其特征是所述补燃调节模块（10）由智能模块、电动阀组构成；所述补燃调节模块（10）设置在反应系统附近，与内置式直燃炉（5）和智能控制装置（15）相连接，所述补燃调节模块（10）接收智能控制装置（15）的CO浓度和温度信号，计算出电动阀组的开度；当接收信号CO浓度低、烟气温度低于130℃时，电动阀组开启，补充加大煤气燃烧量，此时煤气使用率为100%，加大内置式直燃炉的烟气量，以提高烟气温度；当接收信号CO浓度低、烟气温度低于180℃时，电动阀组开启，补充加大煤气燃烧量，此时煤气使用率为10%~100%加，大内置式直燃炉的烟气量，以提高烟气温度；当接收信号CO浓度低、烟气温度高于200℃时，电动阀组启动，补充减少煤气燃烧量，此时加热系统煤气消耗率为0~5%，减少内置式直燃炉的烟气量，以提高烟气温度；当接收信号CO浓度低、温度高于220℃时，电动阀组启动关闭。

6.根据权利要求1所述的一种智能型催化脱硝脱CO及余热利用一体化装置，其特征是所述在线CO浓度监测装置（11）和在线温度监测装置（12）设置在CO催化剂层（6）入口，与智能控制装置（15）相连接；所述在线温度监测装置（13）设置在第一级SCR脱硝催化剂层（7）、第二级SCR脱硝催化剂层（8）入口，与智能控制装置（15）相连接；所述在线温度监测装置（14）设置在第一级SCR脱硝催化剂层（7）、第二级SCR脱硝催化剂层（8）出口，与智能控制装置（15）相连接。

7.根据权利要求1所述的一种智能型催化脱硝脱CO及余热利用一体化装置，其特征是所述喷氨格栅（1），设置在反应系统入口烟道上，与催化剂层烟道间距不低于5m，由母管（16）和喷嘴（17）构成，喷嘴喷出的气体流速不低于15m/s，烟道面积与喷嘴数的比值不大于0.2m²/个喷嘴。

8.根据权利要求1所述的一种智能型催化脱硝脱CO及余热利用一体化装置，其特征是所述强制烟气扰流器（2），设置于喷氨格栅（1）下游，间距不小于1m；由正方形叶片（18）组成，单个叶片的长、宽不小于500mm，叶片旋转角度α在10°~80°之间，叶片的投影总面积不大于60%。

9.根据权利要求1所述的烧结烟气多污染物协同净化及余热利用系统的工艺，其特征是所述导流叶片（3），设置在反应系统入口弯头处，由长方形的叶片组成，叶片长度或弧长不低于500mm；用于矫正弯头处烟气偏流，使烟气均匀的进入到下一个单元，均匀度不低于15%。

10.根据权利要求1所述的烧结烟气多污染物协同净化及余热利用系统的工艺，其特征是所述整流格栅（4），设置在反应系统弯头出口截面处，在内置式直燃炉（5）上游，间距至少0.5m；由长方形的叶片组成，成网状交错布置，叶片高度不低于300mm，叶片间距不大于300mm，用于矫正、强制均匀烟气偏流流线使烟气垂直、均匀的入射进入催化剂层，满足催化剂的速度场分布离散系数小于15%，入射角偏差小于5°的要求。

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