CN219929983U - 一种节能节水型高炉煤气净化系统 - Google Patents

一种节能节水型高炉煤气净化系统 Download PDF

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吕刚
吕文豪
冷健
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Abstract

本实用新型公开了一种节能节水型高炉煤气净化系统。本实用新型利用脱氯除尘塔、催化转化塔、脱硫塔对高炉煤气进行净化纯利，具体通过水洗、降温冷凝的方式除去氯化物和尘，并通过催化转化、脱硫后实现了高炉煤气高效净化；洗涤喷淋废液通过净化处理后，净水回用至循环冷却水系统；循环冷却水用于煤气降温，采用热泵回收循环水的余热并用于煤气再热，降低了系统蒸汽耗量和蒸发水耗。

Description

一种节能节水型高炉煤气净化系统
技术领域
本实用新型属于高炉煤气净化技术领域，具体涉及一种节能节水型高炉煤气净化系统及方法。
背景技术
高炉煤气作为钢铁行业主要的二次利用能源之一，高炉煤气中除了包含CO、CO2、N2、H2等主要组分外，还含有微量的硫化物(H2S、COS、CS2)、氯化物(HCl、NH4Cl)、粉尘等。
随着钢铁行业超低排放的要求，需要对高炉煤气进行源头精脱硫处理，现有高炉煤气精脱硫工艺一般采用水解转化先将有机硫转化为硫化氢，再采用吸附或反应脱除硫化氢。干法精脱硫技术因其适用性强，操作简单，脱硫效率高等特点在工业中广泛使用，但是高炉煤气干法脱硫温度一般低于煤气温度，在冷却过程中可能携带液态水，液态水不仅腐蚀管道，同样会引起催化剂堵塞、中毒、失活。
此外由于高炉煤气水解反应温度窗口与脱硫反应温度窗口不同，需要对煤气进行升温、降温，造成大量的能量损失。
实用新型内容
针对现有技术的缺陷或不足，本实用新型提供了一种节能节水型高炉煤气净化系统。
为此，本实用新型提供的节能节水型高炉煤气净化系统包括脱氯除尘塔、催化转化塔和脱硫塔；
所述脱氯除尘塔包括塔体，塔体底部设有高炉煤气入口和喷淋废液出口；塔体顶部设有第一煤气出口；塔体内由底部至顶部依次设有多级冷凝器，所述塔体内设有喷淋装置；其中最早与高炉煤气接触的冷凝器为预冷器；
所述催化转化塔底部设有第一煤气进口，顶部设有含H2S煤气出口；所述脱硫塔底部设有含H2S煤气入口，顶部设有净化煤气出口；
所述第一煤气出口通过加热装置与第一煤气进口连接；所述含H2S煤气出口通过第一冷却装置与含H2S煤气入口连接；
所述喷淋废液出口连接有净化装置，该净化装置与第一冷却装置连接；所述第一冷却装置与预冷器连接，所述预冷器中的冷却介质与加热装置内的待加热煤气发生热交换后进入第二冷却装置，第二冷却装置与第一冷却装置连接。
可选的方案是，所述脱氯除尘塔内设有多级喷淋装置，且多级喷淋装置与多级冷凝器间隔设置。
可选的方案是，脱氯除尘塔内与高炉煤气入口最近的喷淋装置与喷淋废液出口连接。
可选的方案是，所述预冷器通过换热装置与第二冷却装置连接，所述换热装置通过热泵机组与加热装置连接。
可选的方案是，所述脱氯除尘塔内设有两级冷凝器，预冷器后的冷凝器连接有冷冻水机组。
可选的方案是，所述净化装置采用电解气浮装置。
可选的方案是，所述高炉煤气进口连接有TRT机组。
可选的方案是，所述系统包括两套并联的脱氯除尘塔。
本实用新型采用喷淋吸收、相变冷凝、除雾分离的方式，脱除煤气中的氯化物、尘和水，以保证精脱硫系统的高效、稳定运行，脱氯后的洗涤液经过净化处理后可回用至循环冷却水系统；并且采用深度降温的方式，有效去除了煤气中携带的水，防止了水导致的催化剂失活、脱硫效果变差等问题；后续回收煤气中的余热，降低系统的能耗和蒸发水耗。
本实用新型系统与TRT机组后端，可适应不同温度煤气的脱硫、脱氯一体净化。本实用新型尤其适用于具有一定含水率的高炉煤气，优选的含水率大于等于30g/m3的高炉煤气。
附图说明
图1为本实用新型实施例中节能节水型高炉煤气净化系统的示意图；
图2为本实用新型实施例提供的电解气浮装置结构示意图。
具体实施方式
除非有特殊说明，本文中的术语根据相关领域普通技术人员的认识理解。
本文所述上方、下方、底部、顶部、侧部等方向或方位与说明书附图中的相应方向或方位一致，需要说明的是，说明书附图中所指的方向或方位为本实用新型的一种具体示例，本领域技术人员在本文所公开内容基础上所做的同等旋转、调换均在本实用新型的保护范围之内。
参考图1所示，本实用新型的净化系统包括脱氯除尘塔2、催化转化塔4和脱硫塔6；其中：脱氯除尘塔2塔体的底部设有高炉煤气入口和喷淋废液出口；塔体顶部设有第一煤气出口；塔体内由底部至顶部依次设有多级冷凝器，图1所示为两级，最早与高炉煤气接触的冷凝器为预冷器23，另一台冷凝器24外接冷却介质供应装置，图1所示为冷冻水机组27；塔体内还设有一级或多级喷淋装置；图1所示设有三级喷淋装置(22,26)；且图1所示系统中，三级喷淋装置和两级冷凝器交替设置；并且在图1所示系统中最后一级喷淋装置上方还设有除雾装置25；
催化转化塔4底部设有第一煤气进口，顶部设有含H2S煤气出口；所述脱硫塔6底部设有含H2S煤气入口，顶部设有净化煤气出口；
第一煤气出口通过加热装置3与第一煤气进口连接；含H2S煤气出口通过第一冷却装置5与含H2S煤气入口连接；
同时，喷淋废液出口连接有净化装置9，该净化装置与第一冷却装置5连接；第一冷却装置与预冷器23连接，预冷器中的冷却介质与加热装置3内的待加热煤气发生热交换后进入第二冷却装置(如凉水冷却塔)10，第二冷却装置10与第一冷却装置5连接。
有些方案中，脱氯除尘塔可设置一台，或采用两台并联，互为备用，在一台塔检修时可以系统连续运行。
工作时，原始高炉煤气(或经过高炉煤气余压透平发电装置1回收煤气的余压后，此时煤气温度约40-80℃，压力约20kPa)，煤气首先进入脱氯除尘塔2，在脱氯除尘塔2中与煤气与常温喷淋液逆流接触，煤气中的尘、氯化氢等被洗涤吸收，同时塔内设置的预冷器23和冷凝器24(7-12℃的冷冻水作为冷却介质)将煤气温度降至10-60℃，此时由于相变成核的作用，促进了煤气中细颗粒物团聚、凝并，并被塔顶除雾器25捕获；最后降温、除尘、脱氯后的煤气进入加热装置3复热至60～120℃后进入催化转化塔4；
脱氯除尘塔塔2内预冷器23采用循环水冷却，降温冷凝器24采用冷冻水冷却，塔底设置洗涤液排出口，定时将洗涤液排出，具体工艺中应控制洗涤液中的氯离子浓度小于1％。
在催化转化塔4中，煤气中的有机硫在催化剂的作用下转化为H2S，随后煤气经过脱硫前第一冷却装置5降温至30～70℃后进入脱硫塔6，在脱硫塔6中H2S被脱硫剂吸附或反应，洁净煤气送往下游用户；
脱氯除尘塔2中产生的喷淋废液，送至净化装置如电解气浮装置9被净化，净化后水送入第一冷却装置5中作为冷却介质使用，之后继续送入预冷器使用；回收高温煤气的热量后与加热装置内的待加热煤气发生热交换，释放热量后送入第二冷却装置10冷却后循环使用或与新净化后的喷淋废液一起循环使用。
有些方案中，设多级喷淋液时，最早与新进入的高炉煤气接触的喷淋液来自喷淋废液，具体可由洗涤泵21将喷淋废液供给至一级喷淋装置中。
本实用新型所述脱氯除尘在现有技术基础上添加了冷却过程，氯除尘塔内所用的喷淋液为现有技术使用的高炉煤气净化用喷淋液，例如但不限于水或处理后的工业废水，具体用喷淋液吸收煤气中的氯离子，同时脱除煤气中的尘；塔内添加冷却手段，可对煤气进行降温并将煤气中的携带的水冷凝析出。相应的脱氯除尘塔是在现有脱硫除尘塔内的合理部位安装合理数量的冷凝器。具体方案中的多级冷凝器可采用相同或不同结构，具体通过控制冷却介质的温度实现目标冷却温度；结构方面可选用热交换管道结构。如图1所示方案中共两级冷凝器，其中的预冷器的冷却介质来自第一冷却装置使用后的冷却介质，第二级的冷却介质采用冷冻水，具体可用冷冻水机组27供应。
本实用新型所述有机硫催化降解、脱硫等涉及的反应原理和反应条件均为本领域常规技术，各反应过程所涉及的原料物一方面为被处理煤气中含有的物质，另一方面为外加物，例如但不限于如催化转化塔内所用催化剂可选自铝基、钛基和贵金属催化剂及多种的混合物，更具体例如Al2O3基、TiO2基的一种或其混合物，并浸渍一定量碱金属、碱土金属以或过渡金属等；脱硫塔内的脱硫剂可选自氧化铁、氧化锌、氧化锰、活性炭和分子筛等的一种或多种的混合物。相应的实现上述反应所用的设备即催化转化塔和脱硫塔为相应领域技术人员公知设备。具体方案中，本实用新型所述的催化转化塔内温度为60～120℃，优选70～90℃；脱硫塔内温度为30～70℃，优选40～50℃；
为了实现节能节水的效果，在上述方案基础上，本实用新型在通过控制脱氯除尘塔煤气出口处的温度、进入催化塔内煤气的温度和进入脱硫塔内煤气的温度的同时，回收净化脱氯除尘塔内的喷淋废液(该废液中含有煤气中的冷凝水)，将净化后的废液作为控制上述煤气温度的冷却介质对能源进行回收；并且因喷淋废液中含有高炉煤气中的冷凝水，从而节约了整个工艺的用水。
进一步的方案中，为更好实现水源节约的目的，可以针对一定含水量的高炉煤气实施本实用新型，例如高炉煤气中的含水率大于等于30g/m3。还有些优选方案中，可以通过扣控制喷淋废液中的氯离子含量提高整个系统的工作效率，例如喷淋废液中的氯离子含量可以控制在氯离子质量百分比浓度＜1％。还有些方案中为了提高冷却和喷淋吸附效果，在脱氯除尘塔内，喷淋装置与冷凝装置间隔设置或交替设置。如图1所示方案的脱氯喷淋塔中，从底部至顶部依次设有一级喷淋装置、预冷器、二级喷淋装置、冷凝器和三级喷淋装置。进一步在塔顶还设有除雾装置。
本实用新型所述净化目的是脱氯、除铵、除渣和除油(例如煤焦油等)可采用电解气浮法进行净化，电解气浮净化原理为本领域已知技术，例如，在直流电的作用下，喷淋废液中的氯离子在阳极反应生成氯气逸出：2Cl-(aq)-2e-＝Cl2(g)，在阴极阳离子发生还原反应：O2(g)+4H+(aq)+4e-＝2H2O、4NH4 +(aq)+4e-+O2(g)＝4NH3(g)+2H2O；同时电解产生的絮凝、共沉、电化学氧化、电化学还原等作用下，溶液中的氯离子、尘、油等污染物被脱除，净化后的水回用至循环冷却水系统。相应的装置可选用电解气浮装置。电解气浮装置采用市售的电解气浮装置，如持正环境的电解气浮设备CZ010(处理量10m3/h)；或本实用新型提供的设备，如参见图2所示，包括壳体，该壳体内沿流体流动方向依次设有入流室91、电解反应室92、排渣室93和净水室94，壳体顶部设有集气室；入流室91、电解反应室92、排渣室93和净水室94位于集气室下方；电解反应室92内设有电极(921、922)；集气室内设有刮渣机；所述五个功能室用隔板隔开；
其中，入流室的侧壁上设有进水口，入流室与电解反应室间的隔板上分布有第一通孔，用于待处理水从入流室进入电解反应室，且第一通孔靠近壳体的底部设置，新进入的废水可与电极充分接触；电解反应室与集气室之间的隔板区域设有第二通孔，絮凝物渣料和气体通过第二通孔进入集气室；排渣室与集气室之间的隔板区域设有进渣口，进入集气室内的絮凝物等渣料经刮渣机通过进闸口排入排渣室，后经排渣室底部的排渣口排出；且电解反应室与净水室之间由管道联通，所述管道穿过排渣室设置，净化后的水从电解反应室经管道进入净水室，后经净水室底部的排水口输出。
工作时，待处理液通过入流室91进入电解反应室92，阳极采用钛电极，氯离子在阳极反应生成氯分子并逸出，阴极采用耗氧电极，氢离子、铵根离子在阴极电解并与氧气反应成氨气和水；絮凝物或/和油(油是指煤焦油)分附着在气泡上，并上浮至液面被刮渣机95除去进入排渣室93后经排渣口排出；气体经过排气盖板96上的排气口排出；净化后水送入第一冷却装置5中作为冷却介质使用，之后继续送入预冷器使用。
进一步的方案中，图2所示电解气浮装置还包括双效循环泵97；双效循环泵与壳体底部区域相通，双效循环泵97抽取处理后的部分底液回流，同时抽取部分压缩空气，提高装置处理效率。
进一步的方案中，通过热泵机组7和换热装置8(如板式换热器)实现预冷器输出的介质与加热装置3的热交换，预冷器通过换热装置8与第二冷却装置相连，热泵机组7的吸热端(蒸发器)与换热装置8相连，用于吸收冷却水的热量，热泵机组7的热端(冷凝器)通过热媒水与加热装置3相连，用于降温后的煤气复热；从而回收循环冷却水中热量，用于煤气再热，降低系统能耗同时节省冷却塔蒸发水耗。循环冷却水在脱氯除尘塔和脱硫前冷却器降低煤气温度，同时循环水温度升高。具体方案中，热泵机组7可采用吸收式热泵或蒸汽压缩式热泵。具体工艺中换热装置中的进出口温差可控制在5℃左右，第二冷却装置10进出口的温差控制在5℃左右。
进一步的方案中，参见图1所示，系统还包括冷却水池11和冷却水泵12，净化或经冷却后的循环水储存在冷却水池11中，经冷却水泵12供给给第一冷却装置5和后续换热环节使用。
本实施方式的上述描述和附图代表了本实用新型的优选方案，在实际运行时可根据烟气参数、建设场地情况等进行调整。
实施例1：
该实施例采用图1所示系统对表1所示经TRT机组后的高炉煤气进行净化处理；该实施例煤气成分检测方法依据：GB-T 12208-2008。
高炉煤气经TRT机组后，进入上述高炉煤气净化系统，煤气中含Cl、尘、H2S、COS等污染物，高炉煤气的参数见表1。
表1
高炉煤气进入脱氯除尘塔(使用的初始喷淋液为水)，经三级喷淋液喷淋、预冷器和冷凝器降温，预冷器采用循环冷却水将煤气从80℃降至约42℃，在冷凝器中采用冷冻水将煤气从42℃降至约30℃，冷冻水采用水冷压缩式冷冻水机组制得，冷冻水温度为7～12℃；
脱氯除尘塔处理后，出口氯离子含量为3mg/Nm3，脱除率达95.38％，出口尘含量降至3mg/Nm3，各换热器参数如表2所示。
表2
脱氯除尘后的煤气经过加热装置3加热至80℃，随后进入催化转化塔4(塔内催化剂为：催化剂为T908型COS水解铝基催化剂(西北化工设计院)；塔内温度控制范围是：75-100℃)，反应后的煤气再经第一冷却装置冷却至50℃进入脱硫塔6；第一冷却装置采用循环冷却水给煤气冷却；
后续采用吸收式热泵7和换热装置8从冷却循环水回水中提取热量，并生产90℃的热水，用于加热装置对煤气复热，吸收式热泵采用蒸汽驱动。各换热器参数如下表3所示。
表3
上述表格中无热泵指的是无加热装置3、热泵机组7和换热装置8，采用蒸汽对第一煤气进行加热。
图1中未详细示出蒸汽驱动热泵机组7的具体结构，蒸汽驱动热泵机组包括发生器、蒸发器、冷凝器等，其中发生器输入蒸汽相连，为热泵驱动侧；蒸发器与换热装置8相连，为低温热源端，用于回收循环水中的热量；吸收器和冷凝器与加热装置3相连，为高温热源端，用于煤气加热；上述发生器热负荷、蒸发器热负荷、吸收器热负荷、冷凝器热负荷分别对应特泵系统中的相应部件。
脱硫塔所用脱硫剂为活性炭，塔内温度控制在40-60℃；所得洁净煤气检测后结果如表4所示：
表4
脱氯除尘塔的喷淋废液流量约9m3/h、氯离子含量3400mg/L，送至电解气浮装置，为保证工作效率，将50对电极板并排成一组，沿水流的方向设置两组，每组用PP材料连在一起，处理后氯离子含量小于100mg/L，去除效率大于97％，处理后的净水做为循环冷却水。
相比于无热泵工艺，该实施例系统脱氯除尘塔回收了煤气中的冷凝，并电解处理回用8.53t；采用热泵节省了冷却塔10蒸发水量8.42t；采用热泵回收了循环水热量用于加热，比直接用蒸汽加热节省蒸汽8.92t；提高了系统经济性，回收了煤气中的冷凝水，减少了冷却塔的蒸发水耗，本实施例节水40.86％，节省蒸汽43.35％，具有明显的节能节水效果，参见下表5所示。
表5
项目 单位 数值 备注
节省蒸发水 t/h 8.41
回收冷凝水 t/h 8.53
总节水量 t/h 16.94 节水40.86％
总节省蒸汽 t/h 8.92 节省蒸汽43.35％

Claims (8)

1.一种节能节水型高炉煤气净化系统，其特征在于，包括脱氯除尘塔、催化转化塔和脱硫塔；
所述脱氯除尘塔包括塔体，塔体底部设有高炉煤气入口和喷淋废液出口；塔体顶部设有第一煤气出口；塔体内由底部至顶部依次设有多级冷凝器，所述塔体内设有喷淋装置；其中最早与高炉煤气接触的冷凝器为预冷器；
所述催化转化塔底部设有第一煤气进口，顶部设有含H2S煤气出口；所述脱硫塔底部设有含H2S煤气入口，顶部设有净化煤气出口；
所述第一煤气出口通过加热装置与第一煤气进口连接；所述含H2S煤气出口通过第一冷却装置与含H2S煤气入口连接；
所述喷淋废液出口连接有净化装置，该净化装置与第一冷却装置连接；所述第一冷却装置与预冷器连接，所述预冷器中的冷却介质与加热装置内的待加热煤气发生热交换后进入第二冷却装置，第二冷却装置与第一冷却装置连接。
2.根据权利要求1所述净化系统，其特征在于，所述脱氯除尘塔内设有多级喷淋装置，且多级喷淋装置与多级冷凝器间隔设置。
3.根据权利要求1所述净化系统，其特征在于，脱氯除尘塔内与高炉煤气入口最近的喷淋装置与喷淋废液出口连接。
4.根据权利要求1所述净化系统，其特征在于，所述预冷器通过换热装置与第二冷却装置连接，所述换热装置通过热泵机组与加热装置连接。
5.根据权利要求1所述净化系统，其特征在于，所述脱氯除尘塔内设有两级冷凝器，预冷器后的冷凝器连接有冷冻水机组。
6.根据权利要求1所述净化系统，其特征在于，所述净化装置采用电解气浮装置。
7.根据权利要求1所述净化系统，其特征在于，所述高炉煤气进口连接有TRT机组。
8.根据权利要求1所述净化系统，其特征在于，所述系统包括两套并联的脱氯除尘塔。
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