CN112546861A - 轧钢加热炉预热段与尾部烟道的联合脱硝系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了轧钢加热炉预热段与尾部烟道的联合脱硝系统，包括加热炉、推钢机、喷射装置、高温空预器、SCR反应器、低温空预器、SCR混合器、SNCR混合器、排风烟机、空气压缩机、稀释风机、还原剂储存装置；还原剂储存装置通过第二还原剂管路经SCR混合器与SCR反应器连接；空气压缩机通过空气管路经SNCR混合器与喷射装置连接；稀释风机通过稀释管路与SCR混合器与SCR反应器连接；高温空预器的进口与出口之间设有控温旁路烟道。加热炉的预热段设置的SNCR一级脱硝与在尾部烟道设置SCR二级脱硝相结合的联合脱硝工艺，通过SCR调节阀及SNCR调节阀控制还原剂用量，大大减少催化剂用量，能够有效解决在加热炉换辊期间NOx排放超标问题，降低系统的投资与运行费用。
Description
技术领域
本发明属于烟气脱硝技术领域，尤其是涉及一种轧钢加热炉预热段与尾部烟道的联合脱硝系统及方法。
背景技术
氮氧化物(NOx)作为一种大气的主要污染物一般包括一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、三氧化二氮(N2O3)、五氧化二氮(N2O5)等，当中造成大气污染的主要是NO和NO2。近年来随着能源消耗的上升，其排放量也在逐年增大，由其带来的环境问题也日益凸显，随着国家环保政策对大气污染物越来越严格的限制排放，针对氮氧化物的减排也逐渐落实到法规政策上，对各行业生产中产生的氮氧化物进行严格控制。
轧钢加热炉为工业窑炉，其主要作用是通过燃料燃烧产生的热量来加热钢坯，在燃烧过程中产生雾霾的形核剂NOx，针对轧钢加热炉NOx治理，目前，轧钢加热炉烟气脱硝均采用中温或低温SCR脱硝，但是上述脱硝技术存在如下问题：
(1)轧钢生产波动性大，烟气量波动大，在烟气量发生波动时，氨气喷射量难以准确控制，氨逃逸指标经常超标；
(2)轧钢加热炉换辊过程中，烟道温度降低至中低温脱硝催化剂的工作温度以下，使得催化剂失效而导致加热炉换辊期间的NOx排放超标；
(3)轧钢加热炉烟气脱硝系统的投资及运行费用高，导致轧钢生产企业的生产成本增高。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、生产成本低、严格控制氨逃逸数量、降低催化剂用量、脱硝效果好的轧钢加热炉预热段与尾部烟道的联合脱硝系统。
本发明的技术方案如下：
一种轧钢加热炉预热段与尾部烟道的联合脱硝系统，包括加热炉、推钢机、喷射装置、高温空预器、SCR反应器、低温空预器、SCR混合器、SNCR混合器、排风烟机、空气压缩机、稀释风机、还原剂储存装置；
所述推钢机与加热炉的进料端连接以用于推送钢坯进入加热炉的炉膛内，所述喷射装置设置在加热炉的预热段尾部；
所述加热炉的进料端炉顶通过烟气管路依次与高温空预器、SCR反应器及低温空预器及排风烟机连接以用于向外排放烟气；
所述还原剂储存装置通过第一还原剂管路经SNCR混合器与喷射装置连接，所述还原剂储存装置通过第二还原剂管路经SCR混合器与SCR反应器连接；
所述空气压缩机通过空气管路经SNCR混合器与喷射装置连接；
所述稀释风机通过稀释管路与SCR混合器与SCR反应器连接；
所述高温空预器的进口与出口之间设有控温旁路烟道，且在该控温旁路烟道上设有旁路烟道闸板阀以用于调节所述控温旁路烟道的烟气流量分配比例。
在上述技术方案中，加热炉根据炉温水平分为加热段和预热段，在钢坯进入炉膛先经过温度较低的预热段，之后再经过温度较高的加热段，最后由加热炉出料端的出料门出料；所述加热炉的加热段和预热段的后部均匀设有烧嘴，所述烧嘴与煤气管道连接以用于向加热炉内输送燃料并在加热炉内燃烧，由于加热炉的预热段前部不设置烧嘴，本领域技术人员称为空置炉膛，在烧嘴燃料产生的高温烟气经过换热后流经空置炉膛而后在排风烟机的作用下从加热炉进料端的炉顶引出，其中空置炉膛内的烟温在800℃-1100℃。
在上述技术方案中，所述联合脱硝系统还包括控制器和煤气管道，所述煤气管道上设有煤气流量计，所述SCR调节阀、SNCR调节阀、旁路烟道闸板阀、控制阀门和煤气流量计均与控制器电连接，所述烧嘴与煤气管道连接以用于提供燃料。
在上述技术方案中，所述喷射装置采用SNCR雾化喷嘴，所述SNCR雾化喷嘴沿加热炉的轴向上均匀设置，且该SNCR雾化喷嘴均匀分布在加热炉预热段上。
在上述技术方案中，所述喷射装置与高温空预器之间的烟气管路上设有控制阀门。
在上述技术方案中，所述还原剂储存装置通过循环泵分别与第一还原剂管路及第二还原剂管路连接，所述还原剂储存装置内储存的还原剂为20％-40％氨水或20％-40％尿素。
在上述技术方案中，在所述SCR混合器与高温空预器之间的第二还原剂管路上设有SCR调节阀。
在上述技术方案中，在所述还原储存装置与SNCR混合器之间的第一还原剂管路上设有SNCR调节阀。
本发明的另一个目的是提供一种基于轧钢加热炉预热段与尾部烟道联合脱硝系统的脱硝方法，包括以下步骤：
(1)还原剂储存装置内的还原剂溶液通过SNCR调节阀根据NOx的浓度调整还原剂的计量，在空气压缩机及高温的作用下将完全汽化，使氨转化为NH3气体后，并通过第一还原剂管路输送至SNCR混合器内混合备用；
(2)推钢机将钢坯输送至加热炉炉膛内，在烧嘴燃烧燃料对钢坯加热，在加热炉内产生高温烟气，所述喷射装置向烟气喷洒所述步骤(1)中的NH3气体还原剂，使其与烟气充分混合以进行SNCR脱硝；
(3)所述步骤(2)中SNCR脱硝后生成的混合烟气由加热炉往烟气管路方向运动，通过烟气管路经由高温空预器输送至SCR反应器内，所述还原剂储存装置内的还原剂溶液通过SCR调节阀根据NOx的浓度调整还原剂的计量，在所述稀释风机的作用下汽化形成稀释的NH3气体，并将其输送至SCR混合器内，在SCR反应器向所述混合烟气喷洒稀释的NH3气体，使其与烟气充分混合SCR脱硝，在所述SCR反应器中，一次还原反应剩余的NH3气体与新喷入的NH3气体在催化剂作用下与混合烟气中经过SNCR脱硝余下NOx进行二次脱硝，NH3与NOx进行充分的还原反应，生成N2和H2O，生成物通过烟囱向外排入大气中。
在上述技术方案中，在所述步骤(3)中，当加热炉生产率高于60％以上满负荷运行时，关闭所述旁路烟道闸板阀，混合烟气全部输送至高温空预器内，当加热炉生产率低于60％低负荷运行时，调节旁路烟道闸板阀的阀门开度使控温旁路烟道流量减小，一部分混合烟气流经所述高温空预器内，余下的混合烟气流经控温旁路烟道而进入SCR反应器进行反应，生成N2和H2O后入所述低温空预器向空气放热，烟气温度降至150℃-180℃。
本发明具有的优点和积极效果是：
1.加热炉的预热段设置的SNCR一级脱硝与在尾部烟道设置SCR二级脱硝相结合的联合脱硝工艺，通过SCR调节阀及SNCR调节阀控制还原剂用量，大大减少催化剂用量，能够有效解决在加热炉换辊期间NOx排放超标问题，降低系统的投资与运行费用。
2.加热炉炉膛内直接进行SNCR脱硝，反应温度高、作用时间长，脱硝效率高，节省大量的外部脱硝空间。
3.脱硝系统的负荷适应性好，设置了控温旁路烟道，在低负荷下，烟气可以不经过高温空预器降温而直接进入SCR二级脱硝，确保低负荷下具有较高的SCR脱硝效率，从而完全实现NOx、催化剂逃逸达标排放。
4.SNCR法逃逸的脱硝还原剂可以在SNCR催化剂作用下被利用，大幅度降低还原剂逃逸量。
附图说明
图1是本发明的轧钢加热炉预热段与尾部烟道的联合脱硝系统的结构示意图；
图中：
1、加热炉 2、烧嘴 3、煤气管道
4、煤气流量计 5、喷射装置 6、烟道管路
7、推钢机 8、控制阀门 9、旁路烟道闸板阀
10、高温空预器 11、SCR反应器 12、低温空预器
13、排烟风机 14、烟囱 15、SCR调节阀
16、SCR混合器 17、SNCR调节阀 18、SNCR混合器
19、循环泵 20、还原剂储存装置 21、稀释风机
22、空气压缩机
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明，决不限制本发明的保护范围。
实施例1
如图1所示，本发明的轧钢加热炉预热段与尾部烟道的联合脱硝系统，包括加热炉、推钢机、喷射装置、高温空预器、SCR反应器、低温空预器、SCR混合器、SNCR混合器、排风烟机、空气压缩机、稀释风机、还原剂储存装置；推钢机与加热炉的进料端连接以用于推送钢坯进入加热炉的炉膛内，喷射装置设置在加热炉的预热段尾部；加热炉的进料端炉顶通过烟气管路依次与高温空预器、SCR反应器及低温空预器及排风烟机连接以用于向外排放烟气；还原剂储存装置通过第一还原剂管路经SNCR混合器与喷射装置连接，还原剂储存装置通过第二还原剂管路经SCR混合器与SCR反应器连接；空气压缩机通过空气管路经SNCR混合器与喷射装置连接；稀释风机通过稀释管路与SCR混合器与SCR反应器连接；高温空预器的进口与出口之间设有控温旁路烟道，且在该控温旁路烟道上设有旁路烟道闸板阀以用于调节控温旁路烟道的烟气流量分配比例；联合脱硝系统还包括控制器和煤气管道，煤气管道上设有煤气流量计，SCR调节阀、SNCR调节阀、旁路烟道闸板阀、控制阀门和煤气流量计均与控制器电连接，烧嘴与煤气管道连接以用于提供燃料。
上述加热炉根据炉温水平分为加热段和预热段，在钢坯进入炉膛先经过温度较低的预热段，之后再经过温度较高的加热段，最后由加热炉出料端的出料门出料；加热炉的加热段和预热段的后部均匀设有烧嘴，烧嘴与煤气管道连接以用于向加热炉内输送燃料并在加热炉内燃烧，由于加热炉的预热段前部不设置烧嘴，本领域技术人员称为空置炉膛，在烧嘴燃料产生的高温烟气经过换热后流经空置炉膛而后在排风烟机的作用下从加热炉进料端的炉顶引出，其中空置炉膛内的烟温在800℃-1100℃。
上述喷射装置采用SNCR雾化喷嘴，SNCR雾化喷嘴均匀设置在加热炉预热段的周向上。
进一步地说，喷射装置与高温空预器之间的烟气管路上设有控制阀门；还原剂储存装置通过循环泵分别与第一还原剂管路及第二还原剂管路连接，还原剂储存装置内储存的还原剂为20％氨水。
进一步地说，在SCR混合器与高温空预器之间的第二还原剂管路上设有SCR调节阀；在还原储存装置与SNCR混合器之间的第一还原剂管路上设有SNCR调节阀。
进一步地说，控制器对SCR调节阀、SNCR调节阀、旁路烟道闸板阀、控制阀门和煤气流量计进行控制，煤气流量计向控制器发送反馈信号。
其中，(1)控制SNCR反应的还原剂喷入量以煤气流量计、预热段炉温为参量来控制SNCR调节阀(预热段炉温通过预热段炉顶的测温热电偶测量得出)；
(2)控制SCR反应的还原剂喷入量以煤气流量、空预器出口温度、空预器进口NOx浓度、氨逃逸浓度(通过位于空预器出口的烟气分析仪测量得出)为参量来控制SCR调节阀。
实施例2
在实施例1的基础上，以某钢厂轧钢加热炉为例，小时烟气量为量90000Nm3/h，加装脱硝装置前烟气中NOx浓度350-420mg/Nm3。
上述加热炉在加装了本发明的脱硝系统后，SNCR系统安装于加热炉预热段，烟气进入SCR前首先经过两级高温空气预热器降温，两级高温空气预热器设置旁路烟道，烟气经SCR反应器后经过一级低温空气预热器降温至150℃以下，经引风机排入大气。
当采用SNCR与SCR两级脱硝工艺时，总脱硝效率95％以上，其中SNCR脱硝效率40％，SNCR脱硝效率55％，脱硝后烟气NOx浓度稳定小于30mg/Nm3，氨逃逸率为0.8-2.1mg/Nm3，稳定小于2.4mg/Nm3的国家标准限值规定。
停用SNCR脱硝，只用一级SCR脱硝装置时，平均脱硝效率降至88％，脱硝后烟气NOx浓度稳定在50mg/Nm3，但由于轧钢加热炉烟气参数波动量较大，氨逃逸数值在1.5-4.3mg/Nm3，60％以上的时间氨逃逸率指标超标。
实施例3
在实施例1的基础上，利用本发明的轧钢加热炉预热段与尾部烟道的联合脱硝系统的脱硝方法，包括以下步骤：
(1)还原剂储存装置内的还原剂溶液通过SNCR调节阀根据NOx的浓度调整还原剂的计量，在空气压缩机及高温的作用下将完全汽化，使氨转化为NH3气体后，并通过第一还原剂管路输送至SNCR混合器内混合备用；
(2)推钢机将钢坯输送至加热炉炉膛内，在烧嘴燃烧燃料对钢坯加热，在加热炉内产生高温烟气，其中，烟温在800℃-1100℃，在喷射装置向烟气喷洒步骤(1)中的NH3气体还原剂，使其与烟气充分混合以进行SNCR脱硝；
(3)步骤(2)中SNCR脱硝后生成的混合烟气由加热炉往烟气管路方向运动，通过烟气管路经由高温空预器输送至SCR反应器内，还原剂储存装置内的还原剂溶液通过SCR调节阀根据NOx的浓度调整还原剂的计量，在稀释风机的作用下汽化形成稀释的NH3气体，并将其输送至SCR混合器内，在SCR反应器向混合烟气喷洒稀释的NH3气体，使其与烟气充分混合SCR脱硝，同时NH3与NOx进行充分的还原反应，生成N2和H2O，生成物通过烟囱向外排入大气中。
进一步地说，在步骤(3)中，在轧钢生产波动及换辊过程中，加热炉炉膛的温度仍然在650℃，烟气量低于60％，SNCR脱硝反应的脱硝效率影响不大，通过设置控温旁路烟道，当加热炉生产率高于60％满负荷运行时，关闭旁路烟道闸板阀，混合烟气全部输送至高温空预器内；当低负荷运行时，调节旁路烟道闸板阀的阀门开度使控温旁路烟道流量减小，一部分混合烟气流经高温空预器内，余下的混合烟气流经控温旁路烟道而进入SCR反应器进行反应，生成N2和H2O后入低温空预器向空气放热，烟气温度降至150℃。
进一步地说，在SCR反应器中，一次还原反应剩余的脱硝还原剂与新喷入的脱硝还原剂在催化剂的作用下与烟气中一次还原剩余的NOx进行还原反应，并且对于两路脱硝还原剂的用量分别由SNCR调节阀和SCR调节阀控制调节，有效控制还原剂喷入量，节省生产成本。
其中，还原剂储存装置内储存的还原剂为40％的尿素。
在加热炉中预热段与加热段的炉膛温度在800℃-1100℃，在无催化剂作用下，NH3或尿素等氨基还原剂可选择性地还原烟气中的NOx，基本上不与烟气中的O2作用。
在本发明中设置的控温旁路烟道为了保证脱硝催化剂要求的反应窗口温度在800℃-1100℃，在根据系统满负荷或低负荷状态下，控制旁路烟道闸板阀来分配控温旁路烟道及烟气管路内的烟气流量，以确保在低负荷下具有较高的SCR脱硝效率。
为了易于说明，实施例中使用了诸如“上”、“下”、“左”、“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。
而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种轧钢加热炉预热段与尾部烟道的联合脱硝系统，其特征在于：包括加热炉、推钢机、喷射装置、高温空预器、SCR反应器、低温空预器、SCR混合器、SNCR混合器、排风烟机、空气压缩机、稀释风机、还原剂储存装置；
所述推钢机与加热炉的进料端连接以用于推送钢坯进入加热炉的炉膛内，所述喷射装置设置在加热炉的预热段尾部；
所述加热炉的进料端炉顶通过烟气管路依次与高温空预器、SCR反应器及低温空预器及排风烟机连接以用于向外排放烟气；
所述还原剂储存装置通过第一还原剂管路经SNCR混合器与喷射装置连接，所述还原剂储存装置通过第二还原剂管路经SCR混合器与SCR反应器连接；
所述空气压缩机通过空气管路经SNCR混合器与喷射装置连接；
所述稀释风机通过稀释管路与SCR混合器与SCR反应器连接；
所述高温空预器的进口与出口之间设有控温旁路烟道，且在该控温旁路烟道上设有旁路烟道闸板阀以用于调节所述控温旁路烟道的烟气流量分配比例。
2.根据权利要求1所述的联合脱硝系统，其特征在于：所述喷射装置均匀设置在加热炉预热段的周向上。
3.根据权利要求2所述的联合脱硝系统，其特征在于：所述加热炉的加热段和预热段的后部均匀设有烧嘴，所述烧嘴与煤气管道连接以用于向加热炉内输送燃料并在加热炉内燃烧。
4.根据权利要求3所述的联合脱硝系统，其特征在于：在所述喷射装置与高温空预器之间的烟气管路上设有控制阀门。
5.根据权利要求4所述的联合脱硝系统，其特征在于：所述还原剂储存装置通过循环泵分别与第一还原剂管路及第二还原剂管路连接，所述还原剂储存装置内储存的还原剂为20％-40％氨水或20％-40％尿素。
6.根据权利要求5所述的联合脱硝系统，其特征在于：在所述SCR混合器与高温空预器之间的第二还原剂管路上设有SCR调节阀。
7.根据权利要求6所述的联合脱硝系统，其特征在于：在所述还原储存装置与SNCR混合器之间的第一还原剂管路上设有SNCR调节阀。
8.根据权利要求7所述的联合脱硝系统，其特征在于：所述联合脱硝系统还包括控制器和煤气管道，所述煤气管道上设有煤气流量计，所述SCR调节阀、SNCR调节阀、旁路烟道闸板阀、控制阀门和煤气流量计均与控制器电连接。
9.一种利用权利要求8所述的联合脱硝系统的脱硝方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)还原剂储存装置内的还原剂溶液通过SNCR调节阀根据NOx的浓度调整还原剂的计量，在空气压缩机及高温的作用下将完全汽化，使氨转化为NH3气体后，并通过第一还原剂管路输送至SNCR混合器内混合备用；
(2)推钢机将钢坯输送至加热炉炉膛内，在烧嘴燃烧燃料对钢坯加热，在加热炉内产生高温烟气，所述喷射装置向烟气喷洒所述步骤(1)中的NH3气体还原剂，使其与烟气充分混合以进行SNCR脱硝；
(3)所述步骤(2)中SNCR脱硝后生成的混合烟气由加热炉往烟气管路方向运动，通过烟气管路经由高温空预器输送至SCR反应器内，所述还原剂储存装置内的还原剂溶液通过SCR调节阀根据NOx的浓度调整还原剂的计量，在所述稀释风机的作用下汽化形成稀释的NH3气体，并将其输送至SCR混合器内，在SCR反应器向所述混合烟气喷洒稀释的NH3气体，使其与烟气充分混合SCR脱硝，同时NH3与NOx进行充分的还原反应，生成N2和H2O，生成物通过烟囱向外排入大气中。
10.根据权利要求9所述的脱硝方法，其特征在于：在所述步骤(3)中，当加热炉生产率高于60％满负荷运行时，关闭所述旁路烟道闸板阀，混合烟气全部输送至高温空预器内，当加热炉生产率低于60％低负荷运行时，调节旁路烟道闸板阀的阀门开度使控温旁路烟道流量减小，一部分混合烟气流经所述高温空预器内，余下的混合烟气流经控温旁路烟道而进入SCR反应器进行反应，生成N2和H2O后入所述低温空预器向空气放热，烟气温度降至150℃-180℃。
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