烟气脱硝工艺以及烟气脱硝装置的制作方法

本发明涉及化工技术领域，具体地，涉及一种氮氧化物等的减排方法及装置，尤其涉及一种烟气脱硝工艺以及烟气脱硝装置。

背景技术：

大多数工业烟气中含有氮氧化物。研究表明，钢铁厂中各种设备放出的nox总量在固定发生源中占第二位。其中，烧结生产过程nox排放量约占钢铁厂nox排放总量的一半左右。因此，对烧结烟气nox排放量的严格控制，可有效降低钢厂的nox的排放量。

烧结烟气的脱硫问题越来越被重视，目前烧结机普遍增设了烟气脱硫设施。对于已经建好烧结烟气脱硫项目的钢厂，当钢厂烧结机采用湿法烟气脱硫工艺时，目前主流的烧结烟气脱硝工艺路线为：将烧结烟气升温(一般升温至320～450℃)，接着采用选择性催化还原(scr)工艺对烟气进行脱硝，脱硝后的烟气通过换热降温后，进行湿法烟气脱硫；或，将烟气脱硝工艺置于脱硫工艺之后，烧结烟气先经过脱硫后，通过加热装置升温(一般升温至320～450℃)，接着采用scr工艺对烟气进行脱硝，然后用换热装置进行降温处理，净化后烟气经烟囱排出。

烧结烟气脱硝获得成功应用的工程案例特别少。目前主流的烧结烟气脱硝技术为将scr脱硝工艺运用于烧结烟气。该工艺的主要困难一方面在于烧结烟气温度偏低(通常在150℃左右，低温烧结工艺的烧结烟气温度更低，约80℃)，达不到scr催化剂的活性温度窗口。为适应脱硝所需温度，均需先对烟气进行加热升温。通常每生产1吨烧结矿产生约3000立方米烧结烟气，加热这些烧结烟气所需热量相当于燃烧约50千克煤炭。50千克燃煤所排放的nox将完全抵消烧结烟气脱硝的减排效果。另一方面，烧结烟气排烟量波动、烟温低、湿度大、污染物浓度低且不稳定等多种特殊因素的影响，增加了对加热烟气温度控制的难度，一旦脱离scr技术需要的反应温度窗口，将面临scr催化剂失效的问题。第三，scr的一次性投资高，催化剂占整个scr脱硝装置的投资比例达到30％～40％。最后，烧结烟气中含有大量的挥发性有机化合物(voc)，甚至有二噁英等多种有害物质，普通的脱硝工艺无法同时消除上述有害物质。

技术实现要素：

本发明的目的在于至少部分地克服现有技术的缺陷，提供一种新的烟气脱硝工艺和烟气脱硝装置。

本发明的目的还在于提供一种烟气脱硝工艺和烟气脱硝装置，其能够减小脱硝过程中所带来的额外污染物排放。

本发明的目的还在于提供一种烟气脱硝工艺和烟气脱硝装置，其对烟气参数波动的适应性强。

本发明的目的还在于提供一种工艺简单、成本降低的烟气脱硝工艺和烟气脱硝装置。

本发明的目的还在于提供一种烟气脱硝工艺和烟气脱硝装置，可同时解决烟气中含有的大量voc、甚至二噁英等多种有害物质的排放的问题。

为达到上述目的或目的之一，本发明的技术解决方案如下：

一种烟气脱硝工艺，用于对烟气进行脱硝处理，所述烟气脱硝工艺包括：

将燃料、烟气及气化剂通入还原反应器进行反应，生成含有可燃物的还原性烟气；以及

将生成的还原性烟气和氧化剂通入补燃反应器，使得还原性烟气和氧化剂在补燃反应器内发生氧化反应，燃烧可燃物，生成待排烟气。

根据本发明的一个优选实施例，还原反应器中的过量氧气系数小于1。

根据本发明的一个优选实施例，所述过量氧气系数为0.7-0.9。

根据本发明的一个优选实施例，向所述补燃反应器内通入的氧化剂的量使得总过量氧气系数达到1.1～1.4。

根据本发明的一个优选实施例，所述烟气脱硝工艺还包括：使待排烟气通过换热装置，回收余热。

根据本发明的一个优选实施例，所述燃料包括固体燃料、气体燃料和液体燃料中的至少一种。

根据本发明的一个优选实施例，所述气化剂包括空气、富氧空气或纯氧，或者前述三者之一与水蒸汽的组合。

根据本发明的一个优选实施例，所述还原性烟气含有的可燃物包括固定碳。

根据本发明的一个优选实施例，所述还原反应器内的反应温度为800～1000℃。

根据本发明的一个优选实施例，所述氧化剂为纯氧、富氧空气或空气。

根据本发明的另一个方面，提供了一种烟气脱硝装置，用于对烟气进行脱硝处理，所述烟气脱硝装置包括相互连通的还原反应器和补燃反应器，

所述还原反应器上设置有燃料入口、气化剂入口、烟气入口和还原性烟气出口，所述还原反应器被配置为使通入的燃料、气化剂和烟气发生反应并生成含有可燃物的还原性烟气，并且还原性烟气通过还原性烟气出口排出，

所述补燃反应器上设置有还原性烟气入口、氧化剂入口和待排烟气出口，所述补燃反应器被配置为使通入的还原性烟气与氧化剂发生燃烧反应，生成待排烟气，并将待排烟气从待排烟气出口排出，并且

所述补燃反应器的还原性烟气入口与还原反应器的还原性烟气出口相连通。

根据本发明的一个优选实施例，所述还原反应器被构造为循环流化床反应器。

根据本发明的一个优选实施例，所述还原反应器上还设置有排渣口。

根据本发明的一个优选实施例，所述补燃反应器上还设置有灰渣出口。

根据本发明的一个优选实施例，所述烟气脱硝装置还包括换热装置，所述换热装置被配置为从补燃反应器排出的待排烟气中回收余热。

本发明的烟气脱硝工艺和烟气脱硝装置适用于烧结烟气及其他烟气的脱硝。根据本发明的烟气脱硝工艺和烟气脱硝装置，解决了在scr脱硝工艺中烟气(特别是烧结烟气)加热过程中由于燃料消耗所额外增加的nox的排放问题，并且本发明的烟气脱硝工艺和烟气脱硝装置对烧结烟气排烟量、烟温、湿度、污染物浓度等多种烟气参数波动的适应性强。进一步地，本发明的烟气脱硝工艺和烟气脱硝装置不使用催化剂，因此系统简单，可显著降低投资及运行成本。此外，本发明的烟气脱硝工艺和烟气脱硝装置可同时解决烧结烟气中含有的大量voc、甚至二噁英等多种有害物质的排放的问题。

附图说明

图1为根据本发明的烟气脱硝工艺的示意图；

图2为根据本发明的实施例一的烟气脱硝装置的示意图；以及

图3为根据本发明的实施例二的烟气脱硝装置的示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的示例性的实施例，其中相同或相似的标号表示相同或相似的元件。另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。

根据本发明的总体构思，提供了一种烟气脱硝工艺，用于对烟气进行脱硝处理，所述烟气脱硝工艺包括：将燃料、烟气及气化剂通入还原反应器进行反应，生成含有可燃物的还原性烟气；以及将生成的还原性烟气和氧化剂通入补燃反应器，使得还原性烟气和氧化剂在补燃反应器内发生氧化反应，燃烧可燃物，生成待排烟气。

下面以烧结烟气为例说明本发明的技术原理。

烧结烟气中的氮氧化物(nox)主要以一氧化氮(no)的形式存在，其含量占到烧结烟气nox含量的90％以上。本发明将烧结烟气通入还原反应器中，一方面，通入还原反应器的燃料与气化剂以及烧结烟气中所含的少量氧气(烧结烟气含氧量15％～18％)在缺氧条件下发生反应，生成co2和co；与此同时，被烧结烟气带入还原反应器的no被还原反应器中的co和碳还原，从而实现no的脱除。主要反应如下：

c+o2→co2+co

no+co→co2+n2

no+c→co2+n2

还原反应器中生成的还原性烟气进入补燃反应器后，还原性烟气中的可燃物和氧化剂在补燃反应器内发生氧化反应，可燃物完全燃烧，生成高温烟气。烟气中含有大量的voc、甚至二噁英等多种有害物质，在高温下被全部分解成无害物质。

如果通入还原反应器的燃料为含氮的燃料，如煤，在本发明的还原反应器中反应温度优选在800～1000℃内，在还原性气氛下，煤的整个缺氧燃烧过程中，其挥发分n元素经历一系列均相、异相反应，最终的产物为氮分子。主要反应如下：

c+o2→co2+co

fuel-n→nh3，hcn...

nh3，hcn+o2→no

fuel-n+o2→no

no+co→co2+n2

no+c→co2+n2

被烧结烟气带入还原反应器的no被还原反应器中燃料反应生成的co和碳还原，从而实现烧结烟气中no的脱除。

还原反应器中生成的含可燃物的还原性烟气进入补燃反应器后，可燃物与氧化剂在补燃反应器内发生氧化反应，可燃物完全燃烧，生成高温烟气。烟气中含有大量的voc、甚至二噁英等多种有害物质，在高温下被全部分解成无害物质。

本发明的烟气脱硝工艺不采用scr脱硝工艺，解决了在scr脱硝工艺中烟气(特别是烧结烟气)加热过程中由于燃料消耗所额外增加的nox的排放问题，并且本发明的烟气脱硝工艺对烧结烟气排烟量、烟温、湿度、污染物浓度等多种烟气参数波动的适应性强。进一步地，本发明的烟气脱硝工艺不使用催化剂，因此系统简单，可显著降低投资及运行成本。此外，本发明的烟气脱硝工艺可同时解决烧结烟气中含有的大量voc、甚至二噁英等多种有害物质的排放的问题。

图1为根据本发明的一个实施例的烟气脱硝工艺的示意图，如图1所示，本发明的烟气脱硝工艺包括步骤：

(1)将燃料b、烧结烟气c及气化剂a通入还原反应器1进行反应，生成含有可燃物的还原性烟气d；

(2)将还原性烟气d和氧化剂e通入补燃反应器2，使得还原性烟气和氧化剂e在补燃反应器2内发生氧化反应，可燃物完全燃烧，生成高温烟气f。

其中，燃料b可以为煤或其它固体燃料，也可以为气体燃料或液体燃料，或者它们的混合。还原性烟气d含有的可燃物包括固定碳。气化剂a可以是以下成分或成分的组合：空气、空气+水蒸汽、富氧空气、富氧空气+水蒸汽、纯氧、纯氧+水蒸汽等。氧化剂e为纯氧、富氧空气或空气。

优选地，还原反应器1内反应温度为800～1000℃，该温度范围保证还原反应进行的同时，增加燃料的碳转化率。还原反应器1中的过量氧气系数小于1，优选地，过量氧气系数为0.7～0.9。进一步地，向补燃反应器2内通入的氧化剂e的量使得系统的总过量氧气系数达到1.1～1.4。

有利地，高温烟气f从补燃反应器2排出后，进入换热装置3进行余热回收，节省能源。

在本发明中，还原反应器中的过量氧气系数小于1，这里，过量氧气系数＝(气化剂中氧气体积(标准状态下)+烧结烟气中氧气体积(标准状态下)+1/2烧结烟气中no体积(标准状态下))/燃料完全燃烧所需理论氧气体积(标准状态下)，优选地，过量氧气系数在0.7～0.9之间，这意味着燃料70～90％的燃烧份额在还原反应器的还原性气氛下完成，无氮氧化物排放，特别是易转化为no的挥发分n在还原气氛下都转化成了氮气n2；然后向补燃反应器中通入充足的氧化剂，使系统的总过量氧气系数达到1.1～1.4，保证在补燃反应器中内完成10-30％的燃烧份额，主要是no转化率不高的焦炭燃烧。这里，系统的总过量氧气系数＝(气化剂中氧气体积(标准状态下)+氧化剂中氧气体积(标准状态下)+烧结烟气中氧气体积(标准状态下)+1/2烧结烟气中no体积(标准状态下))/燃料完全燃烧所需理论氧气体积(标准状态下)。虽然补燃反应器内为氧化性气氛，但由于只有10-30％燃烧份额的焦炭燃烧在补燃反应器完成，这部分焦炭燃烧产生的no数量极少，所以总体来说，该工艺中，除实现了烧结烟气中no的脱除外，脱除过程中所消耗的燃料中仅10-30％的燃烧份额中的焦炭燃烧产生了少量的氮氧化物，从而解决了烧结烟气加热过程中由于燃料消耗所额外增加的nox的排放。

相应地，本发明提供了一种烟气脱硝装置，用于对烟气进行脱硝处理，所述烟气脱硝装置包括相互连通的还原反应器1和补燃反应器2，所述还原反应器1上设置有燃料入口、气化剂入口、烟气入口和还原性烟气出口，燃料入口用于向还原反应器1内通入燃料b，气化剂入口用于向还原反应器1内通入气化剂a，烟气入口用于向还原反应器1内通入烟气，例如烧结烟气c，还原性烟气出口用于从还原反应器1中排出还原性烟气d，所述还原反应器1被配置为使通入的燃料b、气化剂a和烟气发生反应并生成含有可燃物的还原性烟气d，并且还原性烟气d通过还原性烟气出口排出，所述补燃反应器2上设置有还原性烟气入口、氧化剂入口和待排烟气出口，还原性烟气入口用于向补燃反应器2内通入还原性烟气d，氧化剂入口用于向补燃反应器2内通入氧化剂e，待排烟气出口用于从补燃反应器2中排出高温烟气f，所述补燃反应器2被配置为使通入的还原性烟气d与氧化剂e发生燃烧反应，生成待排烟气，并将待排烟气从待排烟气出口排出，并且所述补燃反应器2的还原性烟气入口与还原反应器1的还原性烟气出口相连通。

本发明的烟气脱硝装置不采用scr脱硝工艺，解决了在scr脱硝工艺中烟气(特别是烧结烟气)加热过程中由于燃料消耗所额外增加的nox的排放问题，并且本发明的烟气脱硝装置对烧结烟气排烟量、烟温、湿度、污染物浓度等多种烟气参数波动的适应性强。进一步地，本发明的烟气脱硝装置不使用催化剂，因此系统简单，可显著降低投资及运行成本。此外，本发明的烟气脱硝装置可同时解决烧结烟气中含有的大量voc、甚至二噁英等多种有害物质的排放的问题。

本发明的还原反应器优选为循环流化床反应器，循环流化床反应器具有负荷调节范围大且负荷调节快等方面的优点，这使得本发明的烟气脱硝装置对烧结烟气的多种烟气参数波动具有更强的适应性。循环流化床用于煤炭等燃料的气化是常见的，然而现有技术并没有将循环流化床应用于烟气处理的先例，现有技术对循环流化床的应用局限于向其中通入燃料和气化剂，而本发明的设计人创新性地提出，在向循环流化床内通入燃料和气化剂的同时，将待处理的烧结烟气也通入其中，使烧结烟气中的no参与反应，一般技术人员沿袭技术发展脉络不能想到向循环流化床中通入待处理烟气对其进行还原，进而不会想到在循环流化床上设置烟气入口。这是本发明的创新之一。

有利地，所述还原反应器上还设置有排渣口，用于排出还原性反应器中的底渣，所述补燃反应器上还设置有灰渣出口，用于排出补燃反应器中的灰渣。

进一步地，所述烟气脱硝装置还包括换热装置，所述换热装置被配置为从补燃反应器排出的待排烟气中回收余热。

实施例一

图2为实施例一的烟气脱硝装置的示意图，如图2所示，所述烟气脱硝装置包括依次相连的还原反应器1和补燃反应器2，在所述还原反应器1上设置有燃料入口、气化剂入口、烧结烟气入口、还原性烟气出口，所述还原反应器1被配置为对通入还原反应器1的燃料b和气化剂a、烧结烟气c进行缺氧反应并生成含有可燃物的还原性烟气，并将生成的还原性烟气通过还原性烟气出口排出；在所述补燃反应器2上设置有还原性烟气入口、氧化剂入口和高温烟气出口，所述补燃反应器2上的还原性烟气入口与还原反应器1的还原性烟气出口相连通，所述补燃反应器2被配置为使通过还原性烟气入口通入的还原性烟气d中的可燃物与通过氧化剂入口通入的氧化剂e发生完全燃烧反应，生成高温烟气f，并将高温烟气f从高温烟气出口排出。从高温烟气出口排出的高温烟气f进入换热装置3进行余热回收。

如图2所示，在本实施例中，所述还原反应器1为循环流化床反应器，所述还原反应器1包括依次相连的炉膛10、分离器11和返料器12，燃料入口、气化剂入口、烟气入口或烧结烟气入口设置在炉膛10上，还原性烟气出口设置在分离器11上；炉膛10上还设置有排渣口，用于排出反应生成的较大颗粒的底渣h。其中，炉膛10上还设有烟气出口和返料口，烟气出口与分离器的入口相通，分离器的气体出口作为还原性烟气出口，分离器的固体出口与返料器12的入口相通，返料器12的出口与炉膛10上的返料口相通。分离器11为旋风分离器，以保证还原性烟气中携带的飞灰量小。

在还原反应器1为循环流化床反应器的情况下，烟气脱硝工艺中的步骤“将燃料、烟气及气化剂通入还原反应器进行反应，生成含有可燃物的还原性烟气”具体包括：

a)将燃料、烟气及气化剂分别通入炉膛10进行反应；

b)将反应生成的产物通入分离器11，利用分离器11将产物分为固体物料和还原性烟气；

c)将固体物料通入返料器12，并通过返料器12返回炉膛10。

受限于现有技术中循环流化床的应用，一般技术人员不会想到将在炉膛上设置烟气入口向炉膛内通入烟气，使烟气中的no参与反应，本发明的设计人创新性地作出了上述设计，这是本发明的创新点之一。

补燃反应器2上设置有氧化剂入口，通过氧化剂入口和还原性烟气入口之间的配合布置，改善氧化剂e与含可燃物的还原性烟气d在补燃反应器2内的掺混，保证还原性烟气d中可燃物的完全燃烧。补燃反应器2上设置有灰渣出口，还原性烟气d中的可燃物完全燃烧后，不含可燃物的灰渣k从补燃反应器2的灰渣出口排出。

所述烧结烟气脱硝装置还包括换热装置3，补燃反应器2排出的高温烟气f进入换热装置3进行余热回收。

根据一个实施例，燃料b由燃料入口加入循环流化床反应器的炉膛10中，气化剂a由气化剂入口进入炉膛10，烧结烟气c由烧结烟气入口进入炉膛10，其中，气化剂a与烧结烟气c与燃料b的给入量关系为：(气化剂a与烧结烟气c中的总氧气体积(标准状态下)+1/2烧结烟气c中no体积(标准状态下))/燃料b完全燃烧所需理论氧气体积(标准状态下)＝0.75。燃料b、气化剂a、烧结烟气c中的氧气及no在炉膛10内，在950℃缺氧条件下，通过如下反应完成烧结烟气中no的脱除：

c+o2→co2+co

fuel-n→nh3，hcn...

nh3，hcn+o2→no

fuel-n+o2→no

no+co→co2+n2

no+c→co2+n2

同时，燃料b中75％的燃烧份额在炉膛10的还原性气氛下完成，无氮氧化物排放，特别是易转化为no的挥发分n在还原气氛下都转化成了氮气n2。在炉膛10中生成的还原性烟气携带全部小颗粒灰和固定碳经过分离器11后，其中较大颗粒的灰和固定碳被分离器11分离，经返料器12返回炉膛10，形成主循环回路物料循环；部分大颗粒灰和固定碳从炉膛10下部作为底渣h从排渣口排出；其余较小颗粒灰和固定碳被还原性烟气携带，全部进入补燃反应器2，与通入补燃反应器2的作为氧化剂e的空气发生完全燃烧反应，生成不含可燃物的高温烟气f，其中，气化剂a、烧结烟气c、氧化剂e中的总氧气量与燃料b的比例为：(气化剂a中氧气体积(标准状态下)+氧化剂e中氧气体积(标准状态下)+烧结烟气c中氧气体积(标准状态下)+1/2烧结烟气c中no体积(标准状态下))/燃料b完全燃烧所需理论氧气体积(标准状态下)＝1.1。燃料b在补燃反应器2中内完成小于25％燃烧份额，主要是no转化率不高的焦炭燃烧，虽然补燃反应器2内为氧化性气氛，但由于只有小于25％燃烧份额的焦炭燃烧在补燃反应器2完成，这部分焦炭燃烧产生的no数量极少，从而使得整个工艺过程中，所消耗的燃料中仅小于25％的燃烧份额中的焦炭燃烧产生了少量的氮氧化物，从而解决烧结烟气c加热过程中由于燃料消耗所额外增加的nox的排放。最后，生成的高温烟气f从高温烟气出口排出，进入余热锅炉进行余热回收。

优选地，所述补燃反应器上的氧化剂入口不少于2个。有利地，氧化剂入口围绕补燃反应器2的圆周均匀设置，以利于气体的掺混。

实施例二

图3为实施例二的烧结烟气脱硝装置的示意图。

与实施例一的不同之处在于，所述还原反应器1上还设置有回流烟气入口，与补燃反应器2上的待排烟气出口相连通。从补燃反应器2中排出的部分高温烟气f1通过补燃反应器2的待排烟气出口和还原反应器1的回流烟气入口通入还原反应器1。

高温回流烟气通入还原反应器，可有效降低系统的能耗。一方面，高温回流烟气中含有氧气，进入还原反应器参与反应，从而减少还原反应器中气化剂的通入量；另一方面，高温回流烟气的显热可被还原反应器中的还原反应直接利用，从而减少还原反应器中燃料的给入量。

可选地，从补燃反应器2排出的高温烟气中，部分或全部高温烟气通入还原反应器1。

本发明具有如下有益效果：

1)解决了烧结烟气加热过程中由于燃料消耗所额外增加的nox的排放的问题，nox排放浓度能降低至现有技术nox排放浓度的10％。

2)对烧结烟气排烟量、烟温、湿度、污染物浓度等多种烟气参数波动的适应性强。

3)不使用催化剂，系统简单，可显著降低投资及运行成本。

4)可同时解决烧结烟气中含有的大量voc、二噁英等多种有害物质的排放的问题。

本发明的烧结烟气脱硝工艺和装置不仅可用于烧结烟气，也可用于其他烟气的脱硝。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化。本发明的适用范围由所附权利要求及其等同物限定。

附图标记列表：

1还原反应器

2补燃反应器

3换热装置

10炉膛

11分离器

12返料器

a气化剂

b燃料

c烧结烟气

d还原性烟气

e氧化剂

f高温烟气

h底渣

k灰渣

f1部分高温烟气。