工业炉烟气蓄热脱硝装置和脱硝方法与流程

本发明属于气脱硝节能环保领域，具体而言，本发明涉及工业炉烟气蓄热脱硝装置和脱硝方法。

背景技术：

随着我国经济的飞速发展，天然气、石油和煤等化石燃料等能源得到更加广泛的应用，使得环境问题日益严峻，因此引起了一系列环境问题，如酸雨、臭氧层破坏、温室效应等，使得我们的生存环境愈加严峻。我国以煤炭为主的能源结构决定了我国的氮氧化物和硫氧化物排放量一直处于居高不下的状况，大量污染性气体的排放，使得环境问题日益严峻，不仅严重影响我国人民的生产生活，而且不利于我国经济的可持续发展。因此，环境问题得到了国家越来越多的关注。

人类活动排放的NO_X90％以上来自燃料燃烧过程。各种工业炉窑、民用炉灶、机动车及其他内燃机中的燃料高温燃烧时，燃料中的含氮物质氧化生成NO_X，参与燃烧的空气中的N₂和O₂也会生成NO_X。从能源结构来看，我国的一次能源和发电能源构成中，煤占据了绝对的主导地位。并且我国80％以上的煤是直接燃烧的，特别是用于电站、工业锅炉及民用锅炉中。因此，相当长的时期内，烟气中的NO_X排放是导致我国大气NO_X污染的一个主要因素，如何减少固定源排放的NO_X是大气环境治理的一个重要课题。

烟气脱硝属于燃烧后处理技术，许多发达国家的排烟系统都需安装烟气脱硝装置。烟气脱硝方法较多，但目前得到大量工业应用的只有选择性催化还原法和选择性非催化还原法，其他方法目前均处于实验研究阶段或中试阶段。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出工业炉烟气蓄热脱硝装置，该工业炉烟气蓄热脱硝装置将蓄热燃烧系统与烟气脱硝系统集成于一体，由此在回收烟气余热的同时实现了对烟气的脱硝处理，该蓄工业炉烟气蓄热脱硝装置具有蓄热和脱硝双重功能。

根据本发明的一个方面，本发明提出了工业炉烟气蓄热脱硝装置，包括：

第一蓄热部，所述第一蓄热部内设置有高温蓄热体，所述第一蓄热部的上部具有第一开口；

第二蓄热部，所述第二蓄热部内由下至上依次为喷氨区和脱硝蓄热区，所述喷氨区内设置有还原剂喷嘴，所述脱硝蓄热区内设置有脱硝蓄热体，所述第二蓄热部的上部具有第二开口，所述第二蓄热部底端与所述第一蓄热部的底端相连通。

通过采用本发明上述实施例的工业炉烟气蓄热脱硝装置，高温烟气首先由第一开口进入第一蓄热部内，经过高温蓄热体进行蓄热后进入第二蓄热部内，烟气在第二蓄热部内依次经过还原剂喷嘴、脱硝蓄热体，首先与还原剂喷嘴喷入的还原剂进行混合，再经过脱硝蓄热体蓄热同时发生脱硝反应，最后由第二开口排出。

本发明工业炉烟气蓄热脱硝装置采用集蓄热和脱硝功能一体化的新型脱硝蓄热体，其表面光滑、耐磨，脱硝蓄热体使用寿命长，能适应较高温度600℃左右烟气进入所述脱硝蓄热体，烟气无需深度除尘即可进行脱硝反应，稳定性好，起活温度低，在180℃有较好的脱硝效率，脱硝效率高，减少了目前行业领域内常用脱硝蓄热体使用量，脱硝成本低。其次，燃烧产生的高温烟气经过高温蓄热体回收降温至300℃～700℃后进入蓄热脱硝区，取消低温蓄热体，采用脱硝蓄热体，烟气进一步蓄热降温的同时完成脱硝反应，脱除氮氧化物后对外排放，高效节能、环保，系统紧凑。另外，烟气进入脱硝蓄热体，在脱硝蓄热体内完成进一步降温和充分混合，直至脱硝催化反应完成，取消了常规脱硝系统需设置喷氨格栅之类的装置。

另外，根据本发明上述实施例的工业炉烟气蓄热脱硝装置还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述脱硝蓄热区内设置有多个脱硝蓄热体，所述脱销蓄热区包括中心区和外围区，所述中心区内布置的脱硝蓄热体密度大于所述外围区内布置的脱硝蓄热体密度。

在本发明的一些实施例中，所述中心区的脱硝蓄热体成多排多列分布。

在本发明的一些实施例中，所述中心区为矩形区域，所述外围区为矩形框状，所述外围区围绕所述中心区设置。

在本发明的一些实施例中，所述外围区的脱硝蓄热体分成多圈，且多圈所述脱硝蓄热体从内向外依次嵌套设置。

在本发明的一些实施例中，每一圈的多个脱硝蓄热体在周向上间隔开布置。

在本发明的一些实施例中，任意一圈的脱硝蓄热体与相邻的一圈脱硝蓄热体在所述周向上交错布置。

在本发明的一些实施例中，所述还原剂喷包括多个，所述还原剂喷嘴为雾化喷嘴。

在本发明的一些实施例中，所述雾化喷嘴为氨水雾化喷嘴或者尿素雾化喷嘴。

根据本发明的第二方面，本发明还提出了一种利用前面实施例的工业炉烟气蓄热脱硝装置处理工业炉烟气的方法，包括：

使工业炉烟气进入第一蓄热部内通过高温蓄热体进行第一降温，以便得到低温烟气；

使低温烟气进入第二蓄热部内与还原剂喷嘴喷入的还原剂混合，以便得到混合烟气；

使所述混合烟气通过脱硝蓄热体进行第二降温并催化所述低温混合烟气发生还原反应，以便得到脱硝后烟气排出。

在本发明的一些实施例中，所述脱硝蓄热体包括陶瓷蜂窝蓄热体和负载所述陶瓷蜂窝蓄热体上的脱销催化剂，所述脱销催化剂包括钨锆复合氧化物和贵金属Pt，

其中，所述钨锆复合氧化物的负载量为5-30重量％，贵金属Pt的负载量为0.01-2.0重量％。

其中，所述陶瓷蜂窝蓄热体由无机粉料和添加剂制成，所述无机粉料包含20-30重量％的焦宝石、3-8重量％的刚玉、1-5重量％的氧化铝、8-12重量％的高岭土、15-20重量％的长石、10-20重量％的石英和10-15重量％的堇青石，

所述钨锆复合氧化物中钨与锆的摩尔比为(0.5～5):1。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的工业炉烟气蓄热脱硝装置的结构示意图。

图2是根据本发明一个实施例的工业炉烟气蓄热脱硝装置的结构示意图。

图3是根据本发明一个实施例的工业炉烟气蓄热脱硝装置中脱硝蓄热区的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

根据本发明的一个方面，本发明提出了工业炉烟气蓄热脱硝装置，如图1所示，本发明实施例的工业炉烟气蓄热脱硝装置包括：第一蓄热部10和第二蓄热部20，其中，第一蓄热部10内设置有高温蓄热体11，所述第一蓄热部20的上部具有第一开口12；第二蓄热部20内由下至上依次为喷氨区和脱硝蓄热区，所述喷氨区内设置有还原剂喷嘴21，所述脱硝蓄热区内设置有脱硝蓄热体22，所述第二蓄热部20的上部具有第二开口23，所述第二蓄热部20底端与所述第一蓄热部10的底端相连通。

通过采用本发明上述实施例的工业炉烟气蓄热脱硝装置，高温烟气首先由第一开口12进入第一蓄热部10内，经过高温蓄热体11进行蓄热后进入第二蓄热部20内，烟气在第二蓄热部20内依次经过还原剂喷嘴21、脱硝蓄热体22，首先与还原剂喷嘴21喷入的还原剂进行混合，再经过脱硝蓄热体22蓄热同时发生脱硝反应，最后由第二开口24排出。

本发明工业炉烟气蓄热脱硝装置采用集蓄热和脱硝功能一体化的新型脱硝蓄热体，其表面光滑、耐磨，脱硝蓄热体使用寿命长，能适应较高温度600℃左右烟气进入所述脱硝蓄热体，烟气无需深度除尘即可进行脱硝反应，稳定性好，起活温度低，在180℃有较好的脱硝效率，脱硝效率高，减少了目前行业领域内常用脱硝蓄热体使用量，脱硝成本低。其次，燃烧产生的高温烟气经过高温蓄热体回收降温至300℃～700℃后进入蓄热脱硝区，取消低温蓄热体，采用脱硝蓄热体，烟气进一步蓄热降温的同时完成脱硝反应，脱除氮氧化物后对外排放，高效节能、环保，系统紧凑。另外，烟气进入脱硝蓄热体，在脱硝蓄热体内完成进一步降温和充分混合，直至脱硝催化反应完成，取消了常规脱硝系统需设置喷氨格栅之类的装置。

根据本发明的实施例，脱硝蓄热区内设置有多个脱硝蓄热体，所述脱销蓄热区包括中心区和外围区，所述中心区内布置的脱硝蓄热体密度大于所述外围区内布置的脱硝蓄热体密度。发明人发现，通过将多个脱硝蓄热体按照上述方式在脱销蓄热区进行布置，在还原剂用量同等条件，脱硝效率最优。

根据本发明的实施例，如图3所述，所述中心区的脱硝蓄热体成多排多列分布。所述中心区为矩形区域，所述外围区为矩形框状，所述外围区围绕所述中心区设置，所述外围区的脱硝蓄热体分成多圈，且多圈所述脱硝蓄热体从内向外依次嵌套设置。每一圈的多个脱硝蓄热体在周向上间隔开布置。由此，发明人发现，采用上述布置方式，脱硝蓄热体分布更加规律，由此可以使得烟气发生均匀的脱硝反应。同时采用上述特殊的脱硝蓄热体布置方式，保证了氮氧化物脱除率的同时降低了脱硝成本。

发明人发现，通过中心区的烟气量大于外围区，由此将中心区的脱硝蓄热体呈紧密的多排多列分布，外围区围绕所述中心区设置，其布置密度低于中心区，由此可以使得通过中心区的大量烟气与外围区的少量烟气均能够达到同等的脱硝力度，进而提高脱硝效率和脱硝效果。

根据本发明的具体实施例，脱硝蓄热区内的脱硝蓄热体22主要采用带脱硝功能的脱硝蓄热体221和普通蓄热体222按照图3方式布置，即脱硝区中心位置全部安装带脱硝功能的脱硝蓄热体；外围部分带脱硝功能的脱硝蓄热体与普通蓄热体间隔安装其中，脱硝蓄热体表面镀有金属离子。

根据本发明的具体实施例，如图3所示，脱硝区内的脱硝蓄热体的布置截面以9×9块为例，中心区5×5全都布置脱硝功能的蓄热体，外围的四行、四列均间隔布置。通过工程实验验证，本发明采用的布置方式，在还原剂用量同等条件，脱硝效率优于其他布置方式。

根据本发明的实施例，任意一圈的脱硝蓄热体与相邻的一圈脱硝蓄热体在所述周向上交错布置。由此可以使得烟气得到均匀地脱硝处理。

根据本发明的具体实施例，还原剂喷嘴包括多个，还原剂喷嘴为雾化喷嘴。由此采用气泡雾化技术，使用高压压缩空气作为雾化介质，使还原剂喷出的瞬间雾化为小雾滴，雾滴颗粒可达到40μm以下，能够很好的与烟气混合均匀。

根据本发明的具体实施例，雾化喷嘴为氨水雾化喷嘴或者尿素雾化喷嘴。由此向烟气中喷入氨水或尿素作为还原剂。可以有效地还原烟气中的氧化物或者金属碱性化合物。根据本发明的具体实施例，当雾化喷嘴为尿素雾化喷嘴时，即采用尿素作为还原剂，需要将还原剂喷最设置在第一蓄热部内且位于高温蓄热体下游。尿素溶液需蒸汽作为雾化及输运介质。由此将原剂喷最设置在第一蓄热部内且位于高温蓄热体下游，可以借助高温气体显热对尿素溶液加热雾化，雾化喷嘴需采用耐高温材料，且喷嘴喷孔角度，孔径等参数影响雾化效果。

工业炉为气体燃料燃烧直接加热方式，炉内原料为经煤基直接还原转底炉处理低品位铁矿石粉料与碳、粘结剂等压合而成的金属化球团，工业炉运行温度为1600℃。气体燃料通过设置在炉体侧墙的喷口喷入炉内燃烧，炉内物料受热熔融并进行渣铁分离，将渣中的铁或其他金属元素控制在2％以下。物料内的残碳与金属化球团进一步反应后生成CO，保证了工业炉内部还原性气氛，与气体燃料燃烧产生的烟气一起流经蓄热装置进行烟气余热回收和氮氧化物脱除处理后排出炉外。

以一侧工业炉烟气蓄热脱硝装置为例进行说明，所述炉膛内部高温烟气从工业炉侧墙上布置的喷口出来，经所述高温蓄热体后，温度从1500℃左右降低至700℃～800℃后在所述还原剂喷口喷入还原剂的条件下进入所述脱硝蓄热体，完成均匀混合及粉尘的沉降，烟气温度在600℃左右进入脱硝蓄热体，由于采用新型脱硝蓄热体，能适应烟气较高温度进入所述脱硝蓄热体，进一步降低温度至催化剂活性温度区域420℃左右进行脱硝反应，去除氮氧化物后经所述烟气出口经换向阀进入烟气管道，温度低于150℃外排。所述还原剂通过还原剂喷嘴喷出，与经高温蓄热体回收余热后的烟气混合后，一起进入脱硝蓄热体并在该带脱硝催化剂的脱硝蓄热体内完成均匀混合，以及粉尘的沉降，发生还原反应，脱除氮氧化物，脱除效率可达90％以上。采用新型脱硝蓄热体，减少了目前行业领域内常用脱硝蓄热体使用量，降低了脱硝成本，且防堵塞、防腐蚀性能得到较大提高。

根据本发明的具体实施例，在第一蓄热部10的底部，位于高温蓄热体11的下方设置有沉降区，在该区域烟气流速变缓，烟气中的粉尘自然沉降下来，然后进入喷氨区和脱硝蓄热区脱除氮氧化物后外排。根据本发明的具体实施例，沉降区还设有烟气回吹系统，经脱硝处理后的部分烟气返回，定时对沉降区进行吹扫除灰处理，可以适度降低进入脱硝蓄热区的灰尘含量。同时，该烟气中还有的CO对催化脱除氮氧化物反应有利，能够很好地提高脱硝催化剂的反应活性。

根据本发明的第二方面，本发明提出了利用前面实施例的工业炉烟气蓄热脱硝装置处理工业炉烟气的方法。包括：使工业炉烟气进入第一蓄热部内通过高温蓄热体进行第一降温，以便得到低温烟气；使低温烟气进入第二蓄热部内与还原剂喷嘴喷入的还原剂混合，以便得到混合烟气；使所述混合烟气通过脱硝蓄热体进行第二降温并催化所述低温混合烟气发生还原反应，以便得到脱硝后烟气排出。

本发明实施例的处理工业炉烟气的方法采用集蓄热和脱硝功能一体化的新型脱硝蓄热体，其表面光滑、耐磨，脱硝蓄热体使用寿命长，能适应较高温度600℃左右烟气进入所述脱硝蓄热体，烟气无需深度除尘即可进行脱硝反应，稳定性好，起活温度低，在180℃有较好的脱硝效率，脱硝效率高，减少了目前行业领域内常用脱硝蓄热体使用量，脱硝成本低。其次，燃烧产生的高温烟气经过高温蓄热体回收降温至300℃～700℃后进入蓄热脱硝区，取消低温蓄热体，采用脱硝蓄热体，烟气进一步蓄热降温的同时完成脱硝反应，脱除氮氧化物后对外排放，高效节能、环保，系统紧凑。另外，烟气进入脱硝蓄热体，在脱硝蓄热体内完成进一步降温和充分混合，直至脱硝催化反应完成，取消了常规脱硝系统需设置喷氨格栅之类的装置。

根据本发明的具体实施例，脱硝蓄热体包括陶瓷蜂窝蓄热体和负载所述陶瓷蜂窝蓄热体上的脱销催化剂，所述脱销催化剂包括钨锆复合氧化物和贵金属Pt，其中，所述钨锆复合氧化物的负载量为5-30重量％，贵金属Pt的负载量为0.01-2.0重量％。其中，所述陶瓷蜂窝蓄热体由无机粉料和添加剂制成，所述无机粉料包含20-30重量％的焦宝石、3-8重量％的刚玉、1-5重量％的氧化铝、8-12重量％的高岭土、15-20重量％的长石、10-20重量％的石英和10-15重量％的堇青石，所述钨锆复合氧化物中钨与锆的摩尔比为(0.5～5):1。

根据本发明的实施例，脱硝蓄热体可以为球状、条状或蜂窝体状等。若脱硝蓄热体为球状，脱硝蓄热体直径可以为3～6mm；若脱硝蓄热体为条状，脱硝蓄热体为圆柱体形状，直径可以为3～6mm，长度可以为10～60mm；若脱硝蓄热体为蜂窝状，可以为长方体、正方体，也可以为圆形、扇形、椭圆形等，尺寸一般可以为150mm×150mm×150mm或250mm×200mm×150mm等，脱硝蓄热体上通孔的截面为正方形，尺寸为10mm×10mm、15mm×15mm或20mm×20mm，或者孔截面为圆形，则孔径为10mm、15mm或20mm。外形、尺寸、孔径可根据具体工况、使用环境等综合因素考虑后确定。蜂窝体状是优选的，这是因为蜂窝状催化剂的比表面积相较其他形状的催化剂大，催化剂与反应介质的接触面更大，催化反应效率更高。当催化剂为蜂窝体状时，催化剂的比表面积在500m²/m³以上，机械强度＞8MPa，氮氧化物的脱除率可达90％以上。

根据本发明的实施例，带脱硝功能的蜂窝状脱硝蓄热体横的截面为方形，尺寸为150mm×150mm×200mm，脱硝蓄热体上通孔选用截面为20mm×20mm的正方形。由于从工业炉出来的高温烟气中含有大量粉尘，但本发明根据适用炉型，创造性地将脱硝蓄热区内的脱硝蓄热体布置方式设计为中心密集，外围稀疏，高温含尘烟气从第一蓄热部内先自然沉降，然后进入脱硝蓄热体，可以沉降烟气中的部分粉尘，避免了高温区蓄热体堵塞。且本发明采用的是以表面镀有金属离子的脱硝蓄热体，其通道内表面光滑、耐磨，具有良好的抗堵、抗腐蚀性能，选用上述尺寸的带脱硝功能的蜂窝状蓄热体及布置方式可达到良好的脱硝效果，脱硝成本低。

工业炉采用蓄热式燃烧方式，通过气体燃料燃烧过程中产生的热量加热炉内物料，参与燃烧的气体燃料和/或空气分别由回收高温烟气余热后的蓄热系统加热，可将气体燃料和/或空气分别预热至1000℃以上，工业炉运行温度1500℃左右。所述烟气主要由燃烧过程中产生的CO₂、氮氧化物以及物料熔化过程中的碳受热生成的CO组成，还伴随有炉内物料反应过程中产生的大量粉尘。所述烟气经过设置在喷嘴处的蓄热系统回收热量后进入脱硝系统，烟气中的氮氧化物在脱硝催化剂的作用下与还原剂反应，或者与烟气中的还原性气体CO反应生成N₂，达到脱除氮氧化物即烟气脱硝的目的。

所述工业炉物料为经煤基直接还原转底炉处理的黑色、有色或非金属球团矿，700℃热装或冷装的金属化球团(DRI)，因此，在物料受热发生还原反应的同时会伴随有大量的粉尘产生。

根据本发明上述实施例的工业炉烟气蓄热脱硝装置和脱硝方法至少具有下列优点之一：

(1)采用新型脱硝蓄热体，表面光滑、耐磨，脱硝蓄热体使用寿命长，能适应较高温度600℃左右烟气进入脱硝蓄热体，烟气无需深度除尘即可进行脱硝反应，稳定性好，起活温度低，在180℃有较好的脱硝效率，脱硝效率高，减少了目前行业领域内常用脱硝蓄热体使用量，脱硝成本低；

(2)燃烧产生的高温烟气经过蓄热回收降温至300℃～700℃后进入蓄热脱硝取，取消低温蓄热体，采用脱硝蓄热体，烟气进一步蓄热降温的同时完成脱硝反应，脱除氮氧化物后对外排放，高效节能、环保，系统紧凑；

(3)烟气进入脱硝蓄热体，在脱硝蓄热体内完成进一步降温和充分混合，直至脱硝催化反应完成，取消了常规脱硝系统需设置喷氨格栅之类的装置；

(4)特殊的脱硝蓄热体布置方式，保证了氮氧化物脱除率的同时降低了脱硝成本。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。