高炉渣余热回收利用及烟气CO2吸脱附耦合系统及方法与流程

本发明涉及高炉渣余热回收系统及方法，具体涉及高炉渣余热回收利用及烟气CO₂吸脱附耦合系统及方法。

背景技术：

钢铁生产过程的高炉炼铁工序中形成了大量蕴含高品位热量的高炉渣。同时高炉炼铁工序中CO₂的排放量占钢铁生产总流程中CO₂排放量的60％左右。

高炉渣是在高炉冶炼过程中，由矿石中的脉石、燃料中的灰分和熔剂中的非挥发组分形成的副产物，高炉熔渣主要成分是CaO、SiO₂、A1₂O₃、Fe₂O₃、MgO、TiO₂等，2014年我国生铁产量约7.12×10⁸t，按每生产1t生铁产生0.3t高炉渣计算，2014年高炉渣产量约为2.136×10⁸t。高炉渣的出炉温度大约l500℃，1t高炉渣所含有的热量可折合成约64kg标准煤，全年产生的高炉渣中的热量相当于1.367×10⁷t标准煤。同时，由于生铁冶炼过程中需消耗大量的焦炭、煤等碳源，碳源中的碳最终以CO₂的形式排放到大气中，高炉中生产1t生铁的CO₂排放量约为1.9t，因此减少钢铁生产过程中的CO₂排放也迫在眉睫。如前所述，钢铁冶炼过程中若能有效利用高炉渣中高品质的显热，同时减少CO₂的排放，不仅可带来可观的经济效益，还能减少温室气体的排放，减小环保压力。

传统的高炉渣处理方法是采用水淬工艺实现高炉渣的物料利用。所得到的水淬高炉渣被用作硅酸盐水泥生产的添加剂，生产普通硅酸盐水泥。然而水淬法存在诸多不足：高炉渣的显热无法回收利用，而且造成水资源的大量浪费；对大气、水和土壤也会产生严重的污染。为了克服水淬工艺的缺点，研究者们提出了干式粒化结合余热回收的高炉渣处理工艺，用以回收高炉渣中的热量，可得到高玻璃体含量的渣粒，且节能环保，并得到了国内外学者的普遍关注。同时，利用可再生固体吸附剂的CO₂吸附技术作为CO₂减排的关键技术之一，因其所需装置结构紧凑、吸附剂可循环利用，近年来得到快速发展。

专利号为CN101864504A的一项专利公开了一种回收利用高炉渣显热提高热风炉风温的方法：用风淬法处理高炉渣，得到的高温的空气加压后通入热风炉内，作为热风炉助燃空气来提高热风炉的风温。但是该方法所用的风淬法处理高炉渣需要大量的高压空气，电能消耗巨大。专利号为CN103757163A的一项专利公开了一种高炉渣粒化及热量多级回收装置：提供了一种高炉渣的粒化和热量的多级回收方法。但是该种方法利用物理法得到的热空气的热品质不高，利用价值较低。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供高炉渣余热回收利用及烟气CO₂吸脱附耦合系统及方法。

根据本发明的第一个技术方案，高炉渣余热回收利用及烟气CO₂吸脱附耦合方法，其包括如下步骤：

步骤1、对高炉渣进行破碎、粒化，得到高炉渣颗粒；将高炉渣颗粒与流化风进行换热，得到第一高温气体；

步骤2、将换热后的高炉渣颗粒排入下一级炉渣冷却装置，利用流化风对高炉渣颗粒进行第二次冷却，得到第二高温气体；

步骤3、在高温吸附装置中放置高温吸附剂，将待处理烟气排入高温吸附装置，利用第二高温气体对高温吸附装置提供热能，高温吸附剂吸附待处理废气中的CO₂后，干净烟气经过换热后排出；吸附有CO₂ 的高温吸附剂输出到高温解吸附装置；第二高温气体换热后得到的第四高温气体为低温吸附装置提供热能；

步骤4、利用第一高温空气对高温解吸附装置提供解吸附所需热能，吸附有CO₂的高温吸附剂在高温解吸附装置中解除CO₂吸附，产生的富CO₂气体换热后排出；解除了CO₂吸附的高温吸附剂返回高温吸附装置循环利用；第一高温气体换热后得到的第三高温气体为低温解吸附装置提供解吸附所需热能；

步骤5、在低温吸附装置中放置低温吸附剂，将待处理烟气排入低温吸附装置中，低温吸附剂吸附待处理废气中的CO₂后，干净烟气经过换热后排出；吸附有CO₂的低温吸附剂输出到低温解吸附装置；第四高温气体换热后的到低温气体排放装置处排放；

步骤6、吸附有CO₂的低温吸附剂在低温解吸附装置中解除CO₂吸附，产生的富CO₂气体换热后排出；解除了CO₂吸附的低温吸附剂返回低温吸附装置循环利用；第三高温气体换热后得到第五高温气体。

根据本发明所述的高炉渣余热回收利用及烟气CO₂吸脱附耦合方法的优选方案，该方法还包括：

步骤7、将供热风炉燃气燃烧装置的空气与低温吸附装置排出的干净烟气送入第一空气预热器，干净烟气与空气换热，换热后的空气再送入第二空气预热器；换热后的干净烟气通过干净烟器排放装置排出；

步骤8、将高温吸附装置排出的干净烟气送入第二空气预热器，与步骤7输出的空气换热，换热后的空气排出；换热后的干净烟气通过干净烟器排放装置排出。

根据本发明所述的高炉渣余热回收利用及烟气CO₂吸脱附耦合方法的优选方案，该方法还包括：

步骤9、将供热风炉燃气燃烧装置的燃气通过一级燃气预热器与第五高温空气换热、换热后的燃气再通过二级燃气预热器和三级燃气预热器与低温解吸附装置排出的富CO₂气体、高温解吸附装置排出的富CO₂气体换热，再输入热风炉燃气燃烧装置。

根据本发明的第二个技术方案，一种高炉渣余热回收利用及烟气CO₂吸脱附耦合系统，包括高炉渣干式粒化处理系统、高温吸附装置、高温解吸附装置、低温吸附装置和低温解吸附装置；高炉渣干式粒化处理系统包括粒化单元、一级炉渣冷却装置和二级炉渣冷却装置；

粒化单元用于通过粒化器对高炉渣进行破碎、粒化，得到高炉渣颗粒排入一级炉渣冷却装置；

一级炉渣冷却装置底部输入流化风，一级炉渣冷却装置的顶部出风口与高温解吸附装置的进风口连接；一级炉渣冷却装置下部出渣口与二级炉渣冷却装置的进渣口连接；高炉渣颗粒与流化风进行换热，得到第一高温空气，输出到高温解吸附装置，为高温解吸附装置提供解吸附所需热能，换热后的高炉渣颗粒输出到二级炉渣冷却装置中；

二级炉渣冷却装置的底部输入流化风，二级炉渣冷却装置的顶部出风口与高温吸附装置的进风口连接；流化风对高炉渣颗粒进行第二次冷却，得到第二高温空气，输出到高温吸附装置，为高温吸附装置提供热能；换热后的高炉渣颗粒输出到外部冷却渣处理单元；

其特点是:高温吸附装置的吸附剂出口连接高温解吸附装置的吸附剂进口，高温吸附装置的吸附剂进口连接高温解吸附装置的吸附剂出口；高温解吸附装置的出风口连接低温解吸附装置的进风口；高温吸附装置的出风口连接低温吸附装置的进风口；高温吸附装置和高温解吸附装置均设置有出气口；

低温吸附装置的吸附剂出口连接低温解吸附装置的吸附剂进口，低温吸附装置的吸附剂进口连接低温解吸附装置的吸附剂出口；低温吸附装置和低温解吸附装置均设置有出气口和出风口。

本发明通过设置两级炉渣冷却装置对高、低温炉渣进行分级换热，利用物理和化学方法对热量进行分级利用。一级炉渣冷却装置出来的高温热空气用来加热高温解吸附装置，提供高温解吸附所需热能；高温解吸附装置出来的热空气用来加热吸低温解吸附装置，提供吸低温解吸附装置所需热量，再将热量梯级利用之后的空气最后经预热供热风炉燃气换热器换热后排出。由二级炉渣冷却装置出来的相对温度较低的热空气用来加热高温吸附装置，使其高效的完成CO₂的吸附，经过高温吸附装置的热空气，再用来加热低温吸附装置，使其高效完成CO₂吸附，最后较低温空气用以初步预热供热风炉燃气。由高、低温解吸附装置出来的富CO₂气体由于其较高的温度，被用来预热初步预热后的预热供热风炉燃气，之后由引风机输送至外部CO₂后续利用装置进行后续利用。

根据本发明所述的钢铁厂高炉渣余热回收利用及烟气CO₂吸脱附耦合系统的优选方案，该系统还设置有第一空气预热器和第二空气预热器。第一空气预热器和第二空气预热器均分别设置有进气口、出气口、进风口和出风口。

低温吸附装置的出气口连接第一空气预热器进气口；高温吸附装置的出气口连接第二空气预热器的进气口；

第一空气预热器的出风口连接第二空气预热器的进风口；第二空气预热器的出风口连接至热风炉燃气燃烧装置；第一空气预热器和第二空气预热器的出气口连接干净烟器排放装置；

需预热的空气通过鼓风机送入第一空气预热器进风口。

为了充分利用低温吸附装置和高温吸附装置出来的气体中的热量，将气体分别在第一空气预热器和第二空气预热器与冷空气进行热交换，冷空气依次经过然后第一空气预热器和第二空气预热器，最终被送入热风炉燃气燃烧装置中，以充分回收热量；经过空气预热器的烟气由引风机输送至干净烟气排放装置。

根据本发明所述的钢铁厂高炉渣余热回收利用及烟气CO₂吸脱附耦合系统的优选方案，该系统还设置有一级燃气预热器、二级燃气预热器和三级燃气预热器；

一级燃气预热器设有燃气进口，接收提供给热风炉燃气燃烧装置的燃气；一级燃气预热器的燃气出口与二级燃气预热器的燃气进口相连接；一级燃气预热器热空气进口与低温解吸附装置的出气口相连接；

二级燃气预热器的燃气进口与一级燃气预热器的燃气出口相连接，二级燃气预热器的燃气出口与三级燃气预热器的燃气进口相连接；二级燃气预热器的富CO₂气体进口与低温解吸附装置的出气口相连接；二级燃气预热器的富CO₂气体出口通过第二风机与外部CO₂后续利用单元连接；

三级燃气预热器的燃气进口与二级燃气预热器的燃气出口相连接，三级燃气预热器的燃气出口与热风炉燃气燃烧装置相连接；三级燃气预热器的富CO₂气体进口与高温解吸附装置的出气口相连接；三级燃气预热器的富CO₂气体出口通过第一风机与外部CO₂后续利用单元连接。

本发明所述的高炉渣余热回收利用及烟气CO₂吸脱附耦合系统及方法的有益效果是：本发明通过利用高温吸附--解吸附装置与低温吸附--解吸附装置所需热量不同，合理配置两级炉渣冷却装置，分段回收高炉渣高、低品质的余热，分别为高温吸附--解吸附装置和低温吸附--解吸附装置提供能量；使回收的高炉渣热量得到了梯级高效利用，降低了余热利用过程中的有效能损失；同时，还利用烟气中的热量提高进入供热风炉助燃空气温度，利用梯级加热方式对供热风炉燃气进行充分预热；本发明将高炉渣余热回收与CO₂吸附/解吸附系统相耦合，在合理利用高炉渣余热的同时，降低了温室气体的排放，具有良好的经济效益和环保效益。

附图说明

图1是本发明所述高炉渣余热回收利用及烟气CO₂吸脱附耦合系统结构示意图。

图2为本发明高炉渣干式粒化处理系统示意图。

具体实施方式

参见图1和图2，一种高炉渣余热回收利用及烟气CO₂吸脱附耦合系统，包括：高炉渣干式粒化处理系统、高温吸附装置B₁、高温解吸附装置A₁、低温吸附装置B₂、低温解吸附装置A₂、第一空气预热器C₁、第二空气预热器C₂、一级燃气预热器R₁、二级燃气预热器R₂、三级燃气预热器R₃和热风炉燃气燃烧装置H；第一空气预热器C₁和第二空气预热器C₂均分别设置有进气口、出气口、进风口和出风口；

高炉渣干式粒化处理系统如图2，包括粒化单元3、一级炉渣冷却装置4和二级炉渣冷却装置7；

粒化单元3中设置有供渣漏斗1和粒化器2，该粒化器2位于供渣漏斗1的下方，由转轴带动旋转；所述粒化单元3的下方设置一级炉渣冷却装置4；粒化单元3用于通过粒化器2对高炉渣进行破碎、粒化，高炉渣颗粒落入一级炉渣冷却装置4；

一级炉渣冷却装置4底部设置有进风口、第一流化床和出渣管，该出渣管与所述二级炉渣冷却装置7相连通；二级炉渣冷却装置7包括二级余热回收单元5和三级余热回收单元6；二级余热回收单元5的上部与三级余热回收单元6的上部相通；顶部设置的出风口与高温吸附装置B₁的进风口连接；所述二级余热回收单元5的底部设置有进风口、喷动床，所述三级余热回收单元的底部设置有进风口、第二流化床。

粒化单元3的顶部出风口与高温解吸附装置A₁的进风口连接；一级炉渣冷却装置4下部出渣口与二级炉渣冷却装置7的进渣口连接；空气通过风机14从底部进风口进入一级炉渣冷却装置4，高炉渣颗粒与流化风进行换热，得到第一高温空气，通过顶部出风口输出到高温解吸附装置A₁，为高温解吸附装置A₁提供解吸附所需热能，换热后的高炉渣颗粒输出到二级炉渣冷却装置7中；空气通过风机8从底部进风口进入二级炉渣冷却装置7，对高炉渣颗粒进行第二次冷却，得到第二高温空气，输出到高温吸附装置B₁，为高温吸附装置B₁提供热能；换热后的高炉渣颗粒输出到外部冷却渣处理单元E。

在高温吸附装置B₁中加入高温吸附剂；并将高温吸附装置B₁的吸附剂出口连接高温解吸附装置A₁的吸附剂进口，高温吸附装置B₁的吸附剂进口连接高温解吸附装置A₁的吸附剂出口；高温解吸附装置A₁的出风口连接低温解吸附装置A₂的进风口；高温吸附装置B₁的出风口连接低温吸附装置B₂的进风口；高温解吸附装置A₁和低温解吸附装置A₂的出气口分别通过管路连接到三级燃气预热器R₃和二级燃气预热器R₂的富CO₂气体进口，三级燃气预热器R₃和二级燃气预热器R₂的富CO₂气体出口均连接至外部CO₂后续利用单元D；高温吸附装置B₁的出气口连接第二空气预热器C₂的进气口；

在高温吸附装置B₁中，第二高温空气对高温吸附装置B₁提供热能后，从高温吸附装置B₁的出风口进入低温吸附装置B₂的进风口，再为低温吸附装置B₂提供热能；高温吸附剂吸附待处理废气中的CO₂后，干净烟气通过出气口排出到第二空气预热器C₂，在第二空气预热器C₂中与第一空气预热器C₁输出的空气换热；吸附有CO₂的高温吸附剂输出到高温解吸附装置A₁。从高温解吸附装置A₁的出风口进入低温解吸附装置A₂的进风口，再为低温解吸附装置A₂提供热能；

在高温解吸附装置A₁中，第一高温空气对在高温解吸附装置A₁提供解吸附所需热能后，从高温解吸附装置A₁的出风口进入低温解吸附装置A₂的进风口，再为低温解吸附装置A₂提供热能；吸附有CO₂的高温吸附剂在高温解吸附装置A₁中解除CO₂吸附，产生的富CO₂气体在三级燃气预热器R₃处与燃气换热后排出到外部CO₂后续利用单元D；解除了CO₂吸附的高温吸附剂返回高温吸附装置B₁循环利用。

在低温吸附装置B₂中设置有低温吸附剂；并将低温吸附装置B₂的吸附剂出口连接低温解吸附装置A₂的吸附剂进口，低温吸附装置B₂的吸附剂进口连接低温解吸附装置A₂的吸附剂出口；低温解吸附装置A₂和低温吸附装置B₂的出风口分别连接一级燃气预热器R₁和以及低温气体排放装置P的进风口，随后排出；低温吸附装置B₂的出气口连接第一空气预热器C₁进气口。

在低温吸附装置B₂中，低温吸附剂吸附待处理废气中的CO₂后，干净烟气通过出气口排出到第一空气预热器C₁，在第一空气预热器C₁与空气换热；吸附有CO₂的低温吸附剂输出到低温解吸附装置A₂。

在低温解吸附装置A₂中，吸附有CO₂的低温吸附剂解除CO₂吸附，产生的富CO₂气体从出气口排出到二级燃气预热器R₂换热后再排到外部装置D；解除了CO₂吸附的低温吸附剂返回低温吸附装置B₂循环利用；换热后的空气在一级燃气预热器R₁处用以以加热供热风炉燃气。

第一空气预热器C₁的出气口通过引风机12连接干净烟器排放装置G；第一空气预热器C₁的出风口连接第二空气预热器C₂的进风口；空气通过鼓风机11送入第一空气预热器C₁进风口；高温吸附装置B₁的出气口连接第二空气预热器C₂的进气口；第二空气预热器C₂的出气口通过引风机13连接干净烟器排放装置G。

一级燃气预热器设有燃气进口，接收供热风炉燃气燃烧装置H的燃气；一级燃气预热器的燃气出口与二级燃气预热器的燃气进口相连接；一级燃气预热器热空气进口与低温解吸附装置的出气口相连接；

二级燃气预热器的燃气进口与一级燃气预热器的燃气出口相连接，二级燃气预热器的燃气出口与三级燃气预热器的燃气进口相连接；二级燃气预热器的富CO₂气体进口与低温解吸附装置的出气口相连接；二级燃气预热器的富CO₂气体出口通过风机10与外部CO₂后续利用单元D连接；

三级燃气预热器的燃气进口与二级燃气预热器的燃气出口相连接，三级燃气预热器的燃气出口与热风炉燃气燃烧装置H相连接；三级燃气预热器的富CO₂气体进口与高温解吸附装置的出气口相连接；三级燃气预热器的富CO₂气体出口通过风机9与外部CO₂后续利用单元D连接。

高炉渣余热回收利用及烟气CO₂吸脱附耦合方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、对高炉渣进行破碎、粒化，得到高炉渣颗粒；将高炉渣颗粒与流化风进行换热，得到第一高温空气；

步骤2、将换热后的高炉渣颗粒排入下一级炉渣冷却装置，利用流化风对高炉渣颗粒进行第二次冷却，得到第二高温空气；

步骤3、在高温吸附装置B₁中放置高温吸附剂，高温吸附剂可以采用介孔硅基镁铝氧化物CO₂吸附剂；将待处理烟气排入高温吸附装置B₁，利用第二高温空气对高温吸附装置B₁提供热能，高温吸附剂吸附待处理废气中的CO₂后，干净烟气经过换热后排出到第二空气预热器C₂；吸附有CO₂的高温吸附剂输出到高温解吸附装置A₁，换热后得到第四高温空气为低温吸附装置B₂提供热能；

步骤4、利用第一高温空气对高温解吸附装置A₁提供解吸附所需热能，吸附有CO₂的高温吸附剂在高温解吸附装置A₁中解除CO₂吸附，产生的富CO₂气体经过三级燃气预热器R₃换热后排出到外部CO₂后续利用单元D；解除了CO₂吸附的高温吸附剂返回高温吸附装置B₁循环利用；换热后得到第三高温空气为低温解吸附装置A₂提供解吸附所需热能；

步骤5、在低温吸附装置B₂中放置低温吸附剂，低温吸附剂可以采用镁基掺杂碳酸钾CO₂吸附剂；将待处理烟气排入低温吸附装置B₂中，低温吸附剂吸附待处理废气中的CO₂后，干净烟气经过换热后排出到第一空气预热器C₁；吸附有CO₂的低温吸附剂输出到低温解吸附装置A₂；第四高温空气换热后到低温气体排放装置P处排放；

步骤6、吸附有CO₂的低温吸附剂在低温解吸附装置A₂中解除CO₂吸附，产生的富CO₂气体与二级燃气预热器R₂换热后排到外部CO₂后续利用单元D；解除了CO₂吸附的低温吸附剂返回低温吸附装置B₂循环利用；第三高温空气换热后得到第五高温空气继续与一级燃气预热器R₁换热；

步骤7、将供热风炉燃气燃烧装置H的空气K通过鼓风机11送入第一空气预热器C₁，将低温吸附装置B₂排出的干净烟气送入第一空气预热器C₁，干净烟气与空气换热，使空气温度升高，空气K换热后得到空气K1再送入第二空气预热器C₂；换热后的干净烟气通过引风机12和干净烟器排放装置G排出；

步骤8、将高温吸附装置B₁排出的干净烟气送入第二空气预热器C₂，与步骤7输出的空气K1换热，使空气K1温度进一步升高得到空气K2，然后到热风炉燃气燃烧装置H中与预热后的燃气反应；换热后的干净烟气通过引风机13排出到干净烟器排放装置G；

步骤9、将供热风炉燃气燃烧装置H的燃气通过一级燃气预热器R₁与第五高温空气换热、换热后的燃气在通过二级燃气预热器R₂和三级燃气预热器R₃与低温解吸附装置排出的富CO₂气体、高温解吸附装置排出的富CO₂气体换热，再输入热风炉燃气燃烧装置H。

本发明高炉渣余热回收利用及烟气CO₂吸脱附耦合系统及方法的工作过程可分为渣流程、第一热空气流程、第二热空气流程、供热风炉冷空气流程、供热风炉燃气流程、烟气流程、CO₂气体流程、高温吸附剂流程、低温吸附剂流程。下面分别详细说明。

渣流程：高温熔融的高炉渣由供渣漏斗1到达粒化器2完成粒化，粒化后的高炉渣颗粒在粒化腔室3内冷却，然后进入一级炉渣冷却装置4中与流化风进行热交换，之后通过排渣管进入二级炉渣冷却装置7中与流化风进行二次换热，最终冷却渣被排到冷却渣处理单元E中，用作水泥生产的原料。

第一热空气流程：由鼓风机14送入一级炉渣冷却装置4的流化风与高温的高炉渣换热变成高热品质的第一高温空气，由粒化单元顶部出风口送入高温解吸附装置A₁，为其提供所需热量，再由高温解吸附装置A₁的出风口送入低温解吸附装置A₂，为低温解吸附装置A₂提供所需热量，之后再与二级燃气预热装置R₂换热后排出。

第二热空气流程：由鼓风机8送入二级炉渣冷却装置7的流化风与经过二级冷却炉渣装置7内的高炉渣换热变成第二高温空气，由二级炉渣冷却装置7顶部的出风口送入高温吸附装置B₁，为其提供所需热量，换热后再得到第四高温空气再为低温吸附装置B₂提供吸附所需热能，最后的较低温度的热空气经过低温空气排放装置P排放。

供热风炉冷空气流程：冷空气用过高压鼓风机11依次经过第一空气预热器C₁和第二空气预热器C₂利用烟气对空气逐级加热，高效的回收了烟气中的热量。最后到达供热风炉燃气燃烧装置H中。

供热风炉燃气流程：燃气先后经过一级燃气预热器R₁、二级燃气预热器R₂和三级燃气预热器R₃预热后到达供热风炉燃气燃烧装置H中。

烟气流程：烟气经过高温吸附装置B₁、低温吸附装置B₂吸收CO₂后，再分别经过第二空气预热器C₂、第一空气预热器C₁与冷空气换热，干净烟气排放到干净烟气装置G进行排放。

CO₂气体流程：CO₂气体分别从高温解吸附装置A₁和低温解吸附装置A₂中解吸出来，分别与三级燃气预热器R₃、二级燃气预热器R₂换热后由引风机9、10送到CO₂后续利用单元D。

高温吸附剂流程：高温吸附剂在高温吸附装置B₁处吸附烟气中的CO₂后，被输送到高温解吸附装置A₁处进行解吸附，完成解吸附后的吸附剂又返回到高温吸附装置B₁中，如此循环。

低温吸附剂流程：低温吸附剂在低温吸附装置B₂处吸附烟气中的CO₂后，被输送到低温解吸附装置A₂处进行解吸附，完成解吸附后的吸附剂又返回到低温吸附装置B₂中，如此循环。