CN109210956B - 一种工业炉烟气余热梯级冷凝利用及脱硫脱硝一体化系统 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种工业炉烟气余热梯级冷凝利用及脱硫脱硝一体化系统，与工业炉对应设置，所述工业炉的上端部设置为对流换热段，包括化肥溶解罐、输送泵、溶液罐、计量分配装置、热解器、稀释风机、稀释风机加热器、烟气脱硝换热器、增压风机、空气风机、多股冷媒换热器、冷凝换热器、中和反应池、碱液池、烟气加热器以及烟囱。本发明具有如下优点：烟气余热回收大，实现了烟气余热利用及脱硫脱硝反应的有机结合，减少空间和场地占用，减少燃料消耗，提高工业铝的综合热效率，达到烟尘颗粒物零排放且消除烟囱“白烟”现象，达到节能及减排，消除视觉污染的目的，节能减排节水节蒸汽四效合一，应用范围广。

Description

一种工业炉烟气余热梯级冷凝利用及脱硫脱硝一体化系统

技术领域

本发明涉及一种工业炉烟气余热梯级冷凝利用及脱硫脱硝一体化系统。

背景技术

现应用的脱硫和脱硝为两个独立的系统。且各自要求的反应温度不一样。

常规脱硝系统一般采用SCR脱硝系统，反应的温度区间在250~590℃。脱硫反应温度在50~60℃。

常规的脱硫系统，进入脱硫塔的烟气温度一般在120℃~150℃ 左右，而脱硫反应需要温度在50~60℃，因此需要把烟气用大量宝贵的水进行冷却，造成烟气最终排出至烟囱时，含水量很大。如果不进行烟气的再加热，会产生“湿烟囱”现象，对烟囱造成腐蚀破坏，造成安全隐患，影响安全生产；而烟气中携带的脱硫剂与烟气中SOx反应生成的产物会在烟囱出口附近冷凝落下形成“泥雨”，同样造成对环境的污染。造成视觉污染的烟囱“白烟”现象就是因为从脱硫后的烟气中携带大量的水蒸气及水形成的。

常规脱硝系统一般采用SCR脱硝系统。反应区间温度在250~590℃。是目前最有效的脱硝方法，脱硝效率可达95%已上。

现在应用的脱硫及SCR脱硝系统，为独立的系统，占地面积大，对现场空间要求高、一次投资大，操作运行费用高，易形成二次污染，而且是纯粹为环保排放达标而增设的系统，并未考虑烟气余热的综合利用。

石油炼制、石油化工、化学、化纤、冶金钢铁、玻璃陶瓷建材等行业中广泛使用的工业炉，均设置有余热回收系统，一般采用空气预热器把从工业炉来的温度在300℃~450℃的烟气与常温燃烧用空气换热，降低排烟温度，提高燃烧空气温度，来回收烟气余热。

一般排烟温度在120~200℃，热效率约为85～92%。烟气中仍然有大量物理显热没有得到有效利用。

与此同时，由于燃料燃烧产生的烟气中含有大量水蒸气（含量10~20%），其汽化潜热（约占燃料低热值的10%）随烟气排出，造成很大能量浪费。

而且低热效率下，烟气排放量大，污染物排放量大，污染物排放浓度高，环境污染严重。

制约降低排烟温度、提高热效率的一个重要因素就是设备和管线的烟气露点腐蚀问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种烟气余热回收大，实现了烟气余热利用及脱硫脱硝反应的有机结合，减少空间和场地占用，减少燃料消耗，提高工业铝的综合热效率，达到烟尘颗粒物零排放且消除烟囱“白烟”现象，达到节能及减排，消除视觉污染的目的，节能减排节水节蒸汽四效合一，应用范围广的工业炉烟气余热梯级冷凝利用及脱硫脱硝一体化系统。

本发明的技术方案是，一种工业炉烟气余热梯级冷凝利用及脱硫脱硝一体化系统，与工业炉对应设置，所述工业炉的上端部设置为对流换热段，包括化肥溶解罐、输送泵、溶液罐、计量分配装置、热解器、稀释风机、稀释风机加热器、烟气脱硝换热器、增压风机、空气风机、多股冷媒换热器、冷凝换热器、中和反应池、碱液池、烟气加热器以及烟囱，所述化肥溶解罐、输送泵、溶液罐、计量分配装置和热解器依次对应设置，并且所述计量分配装置通过氨喷嘴与热解器对应设置，所述热解器通过氨喷嘴与工业炉的炉口对应设置，所述工业炉和热解器均经氨喷嘴并通过备用催化剂层与烟气脱硝换热器的烟气通道入口对应设置，所述烟气脱硝换热器的烟气通道出口通过增压风机与多股冷媒换热器烟气通道入口对应设置，所述多股冷媒换热器的烟气通道出口与冷凝换热器的烟气通道入口对应设置，所述冷凝换热器的烟气通道出口既与中和反应池对应设置，还通过除雾器经烟气加热器的冷流体通道与烟囱对应设置，所述多股冷媒体换热器的冷流体通道出口与烟气脱硝换热器的冷流体通道入口对应设置，所述烟气脱硝换热器的冷流体通道出口既与工业炉的尾部烟道的氨喷嘴对应设置，还通过稀释风机经稀释风机加热器的冷流体通道与热解器对应设置。

在本发明一个较佳实施例中，所述热解器还与烟气脱硝换热器的烟气通道入口对应设置。

在本发明一个较佳实施例中，所述热解器还通过氨喷嘴与烟气脱硝换热器的烟气通道入口对应设置。

在本发明一个较佳实施例中，所述多股冷媒换热器的冷流体通道入口还对应设置有空气风机。

在本发明一个较佳实施例中，所述烟气脱硝换热器的冷流体通道入口和冷流体通道出口还通过烟气温度补偿管线对应设置。

在本发明一个较佳实施例中，所述碱液池通过带泵的输液管线经碱喷嘴与冷凝换热器的烟气通道入口对应设置。

在本发明一个较佳实施例中，所述工业炉的颈部连通稀释风机加热器的烟气通道并与备用催化剂层对应设置。

在本发明一个较佳实施例中，所述增压风机还与烟气加热器的烟气通道入口对应设置，此时，烟气加热器的烟气通道出口还与多股冷媒换热器的烟气通道出口对应设置。

本发明所述为一种工业炉烟气余热梯级冷凝利用及脱硫脱硝一体化系统，本发明具有如下优点：

1、本系统实现了烟气余热的梯级冷凝利用，最大限度地回收了烟气余热；

2、本系统实现了烟气余热利用及脱硫脱硝反应的有机结合；

3、系统设置在工业炉尾部烟气出口处，随时可从系统中切出，不影响工业炉本体系统的正常生产运行；

4、可在线施工，特别适用于现工业炉系统改造；

5、在装有脱硝催化剂的空气预热器中，换热和脱硝反应同时进行，实现了换热脱硝一体化，减少空间和场地占用。且催化剂更换方便，不影响正常生产；

6、回收120~200℃的低温烟气中的显热及大部分水蒸气潜热，减少燃料消耗，烟气冷凝水经过初步处理后，可作为锅炉系统原水使用，减少水资源消耗，提高工业炉的综合热效率；

7、通过采用特殊材料及结构，解决露点腐蚀及酸碱腐蚀问题。保证系统设备及部件使用寿命；

8、实现了烟气余热梯级冷凝利用及脱硫脱硝一体化，同时达到烟尘颗粒物零排放，且消除烟囱“白烟”现象；

9、脱硝效率≥90%；NOx排放浓度可达10~20mg/m³及以下；

10、脱硫效率≥90%；

11、烟尘颗粒物排放基本为零；

12无需额外增设脱硫塔；也无需消耗为满足脱硫反应温度而需要的冷却烟气用水，节约用水；减少脱硫反应所用碱液消耗；

13、通过烟气冷凝器，烟气进一步降温（降温至30~60℃ ），烟气中水蒸气大部分被冷凝，减少烟气中水蒸气含量，冷凝液可以溶解吸收大部分SOx，并吸附烟气中的烟尘颗粒物；烟气得到净化，必要时，也可以在烟气冷凝器中设置脱硫碱液喷嘴系统，以达到更好的脱硫效率，使烟气得到更好的净化；

14、 烟气冷凝换热和脱硫反应在一台设备内进行，无需分别设置，减少占地面积，节省投资；

15、烟气冷凝换热器内加热的冷媒，可以是锅炉软化水。从锅炉水系统来的软化水在进入热力除氧器前，在烟气冷凝换热器内加热至60~90℃ ，然后送入锅炉热力除氧器进行除氧，减少除氧蒸汽消耗；

16、设置的除雾器，捕捉烟气中水雾滴，减少排放烟气中雾滴状存在的水；

17、烟气升温器把冷烟气升温，使烟气扩散能力升高，降低烟囱附近局部地区污染物浓度（如果烟气中污染物浓度及水蒸气含量很低，可以不设烟气升温器），升温烟气所用热源也可以采用外部热源来加热烟气；

18、能够同时达到烟气余热梯级冷凝利用及脱硫脱硝除尘除雾消白烟的目的，可实现烟气超洁净污染物零排放，保障生产安全的同时，达到节能及减排，消除视觉污染的目的；

19、节能减排节水节蒸汽四效合一；

20、系统简单，占地面积小，一次投资小，操作费用低；

21、可广泛应用于各类中小型锅炉，石油炼制、石油化工、化学、化纤、冶金钢铁、玻璃陶瓷建材等行业中的工业炉系统。

附图说明

图1为本发明一种工业炉烟气余热梯级冷凝利用及脱硫脱硝一体化系统一较佳实施例中的示意图；

图2为本发明一种工业炉烟气余热梯级冷凝利用及脱硫脱硝一体化系统一较佳实施例中的又一示意图；

图3为本发明一种工业炉烟气余热梯级冷凝利用及脱硫脱硝一体化系统一较佳实施例中的再一示意图。

具体实施方式

下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本发明所述为一种工业炉烟气余热梯级冷凝利用及脱硫脱硝一体化系统，如图1所示，与工业炉1对应设置，所述工业炉1的上端部设置为对流换热段2，包括化肥溶解罐3、输送泵4、溶液罐5、计量分配装置6、热解器7、稀释风机8、稀释风机加热器9、烟气脱硝换热器10、增压风机11、空气风机12、多股冷媒换热器13、冷凝换热器14、中和反应池15、碱液池16、烟气加热器17以及烟囱18，所述化肥溶解罐3、输送泵4、溶液罐5、计量分配装置6和热解器7依次对应设置，并且所述计量分配装置6通过氨喷嘴19与热解器7对应设置，所述热解器7通过氨喷嘴6与工业炉1的炉口对应设置，所述工业炉1和热解器7均经氨喷嘴6并通过备用催化剂层20与烟气脱硝换热器10的烟气通道入口对应设置，所述烟气脱硝换热器10的烟气通道出口通过增压风机11与多股冷媒换热器13的烟气通道入口对应设置，所述多股冷媒换热器13的烟气通道出口与冷凝换热器14的烟气通道入口对应设置，所述冷凝换热器14的烟气通道出口既与中和反应池15对应设置，还通过除雾器21经烟气加热器17的冷流体通道与烟囱18对应设置，所述多股冷媒换热器13的冷流体通道入口还对应设置有空气风机12，所述多股冷媒体换热器13的冷流体通道出口与烟气脱硝换热器10的冷流体通道入口对应设置，所述烟气脱硝换热器10的冷流体通道出口既与工业炉1的尾部烟道的氨喷嘴19对应设置，还通过稀释风机8经稀释风机加热器9的冷流体通道与热解器7对应设置，所述烟气脱硝换热器10的冷流体通道入口和冷流体通道出口还通过烟气温度补偿管线22对应设置，所述碱液池16通过带泵23的输液管线24经碱喷嘴25与冷凝换热器14的烟气通道入口对应设置。

实施例一

所述增压风机11还与烟气加热器17的烟气通道入口对应设置，此时，烟气加热器17的烟气通道出口还与多股冷媒换热器13的烟气通道出口对应设置，所述工业炉1的颈部连通稀释风机加热器9的烟气通道并与备用催化剂层20对应设置。

实施例二

如附图2所示，所述热解器7还与烟气脱硝换热器10的烟气通道入口对应设置。

实施例三

如附图3所示，所述热解器7还通过氨喷嘴19与烟气脱硝换热器10的烟气通道入口对应设置。

本系统流程如下：

1.1. 从工业炉本体系统来的300~450℃的烟气，进入烟气脱硝换热器（其换热元件烟气侧涂覆有脱硝催化剂，或者其烟气侧通道内装填有脱硝催化剂，或者其换热元件烟气侧涂覆有脱硝催化剂且其烟气侧通道内装填有脱硝催化剂）与从多股冷媒换热器来的低温热空气换热，烟气温度降至150℃~200℃；

1.2. 同时，固体化肥（尿素）在化肥溶解罐内溶解，经由输送泵送入溶液罐，溶液经计量分配装置进入热解器，再从稀释风加热器来的500~600℃的空气作用下发生热解反应生成含氨热解气，进入设置在烟气脱硝换热器上游烟道中、或者设置在工业炉尾部烟道中、或者设置在工业炉预留管排空间内的氨喷嘴系统、或者为保证氨混合效率几处均设置氨喷嘴系统，在混合分配器的作用下与烟气混合均匀后进入烟气脱硝换热器内设置的催化剂层，在催化剂作用下与NOx发生脱硝反应，生成N₂和H₂O，NOx浓度可降低至10~20mg/m³及以下；

1.3. 温度降至150℃~200℃的低温烟气，通过增压风机增压后进入多股冷媒换热器与其中的冷媒（包括空气）进行换热，烟气温度降至60℃~100℃；

1.4. 60℃~100℃烟气进入冷凝换热器中，与冷媒换热，把烟气温度降至30~60℃，使烟气中大部分水蒸气（60%~80%）冷凝为水，冷凝水溶解吸收烟气中的SOx，并吸附烟气中的烟尘颗粒物；冷凝水通过管线排入中和反应池与池内碱性物质发生中和反应，反应后液体排入污水系统统一处理排放，或输送至后续资源化处理系统进行资源化处理（如送入锅炉水处理系统作为原水使用，节约用水）。必要时，在冷凝换热器中设置脱硫碱液喷嘴系统，以达到更好的脱硫效率；

1.5. 从冷凝换热器出来的30~60℃的净化烟气（脱除了大部分NOx、SOx、H2O、烟尘颗粒物、部分CO₂）通过设置的除雾器，以捕捉烟气中水雾滴，减少烟气中雾滴状存在的水。除雾器设置清洗设施，保持其除雾性能。

1.6. 除雾器出来的30~60℃冷烟气进入烟气加热器与来自工业炉的150~200℃的热烟气进行换热，升温至60~90℃进入烟囱排入大气。热烟气降温至80~100℃进入冷凝换热器入口处，参与换热后续过程。

稀释风可以从烟气脱硝换热器的冷流体通道出口处引出至稀释风加热器；也可以直接从大气中引入稀释风加热器；也可以从多股冷媒换热器中的空气出口处引出至稀释风加热器；多股冷媒换热器中与烟气换热的冷媒，可以是燃料燃烧用空气、低温水、气态燃料、液体燃料或者任何其他需要加热的液体或气体或其中任何两种或多种冷媒组合。

冷媒是燃烧用空气时，加热后的冷空气通过空气管线进入工业炉燃烧系统供燃料燃烧之用。

冷媒是燃料时，加热后的燃料通过燃料管线进入工业炉燃烧系统燃烧。

其他冷媒根据流程需要进出多股冷媒换热器。

冷凝换热器中与烟气换热的冷媒，可以是常温或低温软化水、循环冷却水或者其他低温冷流体或其中任何一种或两种及以上冷媒组合。

如为软化水，加热后送至锅炉热力除氧系统进行除氧，减少了除氧用高品质蒸汽用量，达到节能节约蒸汽的目的。

低温冷媒根据流程需要进出多股冷媒换热系统。

系统中“烟气脱硝换热器”为板式换热器，其传热元件烟气侧涂覆有脱硝催化剂和/或其烟气通道内装填脱硝催化剂，能够实现脱硝反应及换热同时进行。其中的催化剂根据设备各部分烟气温度及换热板壁温的区间及梯度，装有相适应的高温、中温及低温催化剂。

系统中“多股冷媒换热器”、“冷凝换热器”及“烟气加热器”中的换热设备为耐酸碱腐蚀的复合（或氟塑料）板式或者复合（或氟塑料）管式换热器或者复合（或氟塑料）板式和复合（或氟塑料）管式的组合。特点是从材料和结构上解决了设备的耐酸碱腐蚀问题，保证了其使用寿命。而且由于采用特殊结构和特殊制造工艺，其泄露率基本为零。保证了换热效率和使用安全性。

烟气脱硝换热器的换热元件可以是平板，也可以是压制成型的波纹板，材质可以是，碳钢、不锈钢、ND钢、考登钢、铝合金、钛合金等。

复合板，可以是平板，也可以是压制成型的波纹板，基材可以是，碳钢、不锈钢、ND钢、考登钢、铝合金、钛合金等。

氟塑料板材质为聚四氟乙烯或改性聚四氟乙烯。

复合管，可以是复合光管，也可以是复合翅片管，基材可以是，碳钢、不锈钢、ND钢、考登钢、铝合金、钛合金等。

氟塑料管为聚四氟乙烯或改性聚四氟乙烯。

本发明所述为一种工业炉烟气余热梯级冷凝利用及脱硫脱硝一体化系统，本发明具有如下优点：

1、本系统实现了烟气余热的梯级冷凝利用，最大限度地回收了烟气余热；

2、本系统实现了烟气余热利用及脱硫脱硝反应的有机结合；

3、系统设置在工业炉尾部烟气出口处，随时可从系统中切出，不影响工业炉本体系统的正常生产运行；

4、可在线施工，特别适用于现工业炉系统改造；

5、在装有脱硝催化剂的空气预热器中，换热和脱硝反应同时进行，实现了换热脱硝一体化，减少空间和场地占用。且催化剂更换方便，不影响正常生产；

6、回收120~200℃的低温烟气中的显热及大部分水蒸气潜热，减少燃料消耗，烟气冷凝水经过初步处理后，可作为锅炉系统原水使用，减少水资源消耗，提高工业炉的综合热效率；

7、通过采用特殊材料及结构，解决露点腐蚀及酸碱腐蚀问题。保证系统设备及部件使用寿命；

8、实现了烟气余热梯级冷凝利用及脱硫脱硝一体化，同时达到烟尘颗粒物零排放，且消除烟囱“白烟”现象；

9、脱硝效率≥90%；NOx排放浓度可达10~20mg/m³及以下；

10、脱硫效率≥90%；

11、烟尘颗粒物排放基本为零；

12无需额外增设脱硫塔；也无需消耗为满足脱硫反应温度而需要的冷却烟气用水，节约用水；减少脱硫反应所用碱液消耗；

13、通过烟气冷凝器，烟气进一步降温（降温至30~60℃ ），烟气中水蒸气大部分被冷凝，减少烟气中水蒸气含量，冷凝液可以溶解吸收大部分SOx，并吸附烟气中的烟尘颗粒物；烟气得到净化，必要时，也可以在烟气冷凝器中设置脱硫碱液喷嘴系统，以达到更好的脱硫效率，使烟气得到更好的净化；

14、 烟气冷凝换热和脱硫反应在一台设备内进行，无需分别设置，减少占地面积，节省投资；

15、烟气冷凝换热器内加热的冷媒，可以是锅炉软化水。从锅炉水系统来的软化水在进入热力除氧器前，在烟气冷凝换热器内加热至60~90℃ ，然后送入锅炉热力除氧器进行除氧，减少除氧蒸汽消耗；

16、设置的除雾器，捕捉烟气中水雾滴，减少排放烟气中雾滴状存在的水；

17、烟气升温器把冷烟气升温，使烟气扩散能力升高，降低烟囱附近局部地区污染物浓度（如果烟气中污染物浓度及水蒸气含量很低，可以不设烟气升温器），升温烟气所用热源也可以采用外部热源来加热烟气；

18、能够同时达到烟气余热梯级冷凝利用及脱硫脱硝除尘除雾消白烟的目的，可实现烟气超洁净污染物零排放，保障生产安全的同时，达到节能及减排，消除视觉污染的目的；

19、节能减排节水节蒸汽四效合一；

20、系统简单，占地面积小，一次投资小，操作费用低；

21、可广泛应用于各类中小型锅炉，石油炼制、石油化工、化学、化纤、冶金钢铁、玻璃陶瓷建材等行业中的工业炉系统。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种工业炉烟气余热梯级冷凝利用及脱硫脱硝一体化系统，与工业炉对应设置，所述工业炉的上端部设置为对流换热段，其特征在于：包括化肥溶解罐、输送泵、溶液罐、计量分配装置、热解器、稀释风机、稀释风机加热器、烟气脱硝换热器、增压风机、空气风机、多股冷媒换热器、冷凝换热器、中和反应池、碱液池、烟气加热器以及烟囱，所述化肥溶解罐、输送泵、溶液罐、计量分配装置和热解器依次对应设置，并且所述计量分配装置通过氨喷嘴与热解器对应设置，所述热解器通过氨喷嘴与工业炉的炉口对应设置，所述工业炉和热解器均经氨喷嘴并通过备用催化剂层与烟气脱硝换热器的烟气通道入口对应设置，所述烟气脱硝换热器的烟气通道出口通过增压风机与多股冷媒换热器的烟气通道入口对应设置，所述多股冷媒换热器的烟气通道出口与冷凝换热器的烟气通道入口对应设置，所述冷凝换热器的烟气通道出口既与中和反应池对应设置，还通过除雾器经烟气加热器的冷流体通道与烟囱对应设置，所述多股冷媒换热器的冷流体通道出口与烟气脱硝换热器的冷流体通道入口对应设置，所述烟气脱硝换热器的冷流体通道出口既与工业炉的尾部烟道的氨喷嘴对应设置，还通过稀释风机经稀释风机加热器的冷流体通道与热解器对应设置；

所述烟气脱硝换热器的冷流体通道入口和冷流体通道出口还通过烟气温度补偿管线对应设置，所述碱液池通过带泵的输液管线经碱喷嘴与冷凝换热器的烟气通道入口对应设置，所述工业炉的颈部连通稀释风机加热器的烟气通道并与备用催化剂层对应设置；

烟气脱硝换热器的换热元件烟气侧涂覆有脱硝催化剂且烟气侧通道内装填有脱硝催化剂。

2.根据权利要求1所述的工业炉烟气余热梯级冷凝利用及脱硫脱硝一体化系统，其特征在于：所述热解器还与烟气脱硝换热器的烟气通道入口对应设置。

3.根据权利要求1所述的工业炉烟气余热梯级冷凝利用及脱硫脱硝一体化系统，其特征在于：所述热解器还通过氨喷嘴与烟气脱硝换热器的烟气通道入口对应设置。

4.根据权利要求1所述的工业炉烟气余热梯级冷凝利用及脱硫脱硝一体化系统，其特征在于：所述多股冷媒换热器的冷流体通道入口还对应设置有空气风机。

5.根据权利要求1所述的工业炉烟气余热梯级冷凝利用及脱硫脱硝一体化系统，其特征在于：所述增压风机还与烟气加热器的烟气通道入口对应设置，此时，烟气加热器的烟气通道出口还与多股冷媒换热器的烟气通道出口对应设置。