焦炉烟道气脱硫脱硝及余热回收利用一体化技术

整体制造成本等不足之处。 中钢热能研究院通过调研国内大型钢铁企业
的焦炉烟道气余热回收的发展情况，针对以上轴 向热管换热器的优缺点，在保证轴向热管换热器 技术优点的前提下，解决轴向热管换热器的固有 缺陷，研发设计了径向热管换热器。
中钢热能研究人员首次从理论上提出采用偏 心径向热管换热器回收焦炉烟道气的余热，并通 过工程实践进行验证。采用偏心径向热管换热器 回收焦炉烟道气的余热，科学地设计径向热管偏 心度，增加了热管工质的填充量，达到合理的工 质状态，再次提高热管换热器的热效率，降低总 体工程成本，大幅提高生产效率，使节能效率达 到国际先进水平。径向热管换热器已经申请专利 2 项。
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ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY
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焦炉烟道气脱硫脱硝及余热回收利用一体化技术
李鹏元 李宝东 杨 懿 方会斌 陈 巍 谢国威
( 中钢集团鞍山热能研究院有限公司)
摘 要 焦炉烟道气主要污染成分有 SO2 、NOx 等。SO2 和 NOx 不仅危害人类身体健康，而且 还严重地污染环境。国家出台了更为严格的炼焦化学工业污染物排放标准。技术人员研究开 发了新型的脱硝催化剂、镁法烟气脱硫工艺和径向热管式余热锅炉等专有的核心技术，并且 集成创新地提出了焦炉烟道气脱硫、脱硝及余热回收利用的解决方案。该方案能从根本上解 决目前国内焦炉烟道气排放污染环境和余热未回收利用的问题，不仅具有显著的经济效益， 还有巨大的社会效益。 关键词 焦炉烟道气 脱硝催化剂 镁法脱硫 径向热管
图 1 工艺流程图
2. 2 关键技术 2. 2. 1 脱硝反应器
目前常用的脱硝方法主要有选择性非催化还 原法( SNCR) 、氧 化 吸 收 法、选 择 性 催 化 还 原 法 ( SCR) 等。选择性催化还原法( SCR) 是目前尾气 脱硝最为成熟，且脱硝效率最高的一种方法。
选择性催化还原法 ( SCR) 脱除 NOx 的原 理为: 在尾气中加入一定量的氨气，以氨为还原 剂，在催化剂表面上将 NOx 还原为 N2 ，其反应 方程式: NOx + NH3 + O2 →N2 + H2 O。
Abstract The main pollution components of coke oven flue gas are SO2 ，NOx etc． SO2 and NOx are not only harmful to human health，but also seriously pollute the environment． The stricter“standard for discharge of pollutants from coking chemical industry”was introduced． The proprietary core technologies were researched，such as new denitration catalyst，Magnesium FGD process and radial heat pipe waste heat boiler． Then the integrated scheme of SO2 and NOx removal technology and heat recovery from coke oven flue gas were put forward． The above schemes can solve the problems of polluting the environment and waste heat without recovery，which have not only significant ecBaidu Nhomakorabeanomic benefits，but also huge social benefits． Keywords coke oven flue gas denitration catalyst magnesium desulfurization radial heat pipe
1 焦炉烟道气的污染特性
焦化厂是专门从事冶金焦炭生产及冶炼焦化 产品加工、回收的专业工厂。焦炉烟道气以焦炉 煤气燃烧后产生的废气为主，主要成分有 SO2 、 NOx 等。
在我国二氧化硫和氮氧化物是大气中主要污 染物，是衡量大气是否遭到污染的重要标志。我
收稿日期: 2015 － 06 － 25 李鹏元( 1983 － ) ，工程师; 114044 辽宁省鞍山市。
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科研人 员 在 某 焦 化 厂 做 了 烟 气 脱 硝 工 业 试 验。连续监测蝶阀出口处烟气中各物质浓度，其 中 NOx 、 NO、 SO2 、 O2 和 NO2 分 别 为 1100、 720、450、190 和 10 mg / m3 左 右。每 隔 15min 焦炉烟气组成发生周期性波动，该周期性波动是 由焦炉操作制度产生的。
图 2 是脱硝实验运行期间反应器出入口氮氧 化物浓度及脱硝效率，可以看出，在实验运行期 间，烟气中氮氧化物浓度在 800 ～ 1200mg / m3 之 间波动，经脱硝处理后，氮氧化物浓度可降低至 20mg / m3 以下，脱硝效率高达 98% 以上。
时间 /h
图 2 新型催化剂脱硝效率
截至目前，实验还在正常运行当中，已经累 计运行了近 1200h，综合实验结果，焦炉烟气脱 硝中试得到了以下结论:
2 一体化解决技术
针对客户的要求和焦炉现有煤气处理工序， 中钢热能研究人员研究开发并且集成了焦炉烟道 气脱硫脱硝及余热回收利用的一体化技术。 2. 1 方案描述
焦炉烟气处理流程 ( 如图 1 所示) : 焦炉→
焦炉烟道气→脱硝反应器→热管式烟气换热器→ 增压风机→脱硫塔→塔顶烟囱排放。
首先将焦炉地下烟道气在进入原有闸板阀前 引出地面，管路上设电动调节阀，烟气经管道引 出后进入脱硝反应器。烟气脱硝后进入烟气余热 回收装置，其主要功能是将烟道气显热进行回收 产生 0. 6MPa 饱和蒸汽。热烟气经余热回收装置 降温后经增压风机增压进入湿式脱硫塔单元。脱 硫后烟气经塔顶烟囱排放。脱硝装置前设旁通管 路，通过小的备用风机及柴油发电机将烟气送入 地下烟道，其作用是在脱硫、脱硝系统出现故障 或停电时，短时紧急启动将高温烟气送入地下烟 道，提升烟道及烟囱温度，待烟囱抽力足够时关 闭备用风机并打开地下烟道闸板。
( 4) 催化剂采用模块化设计，最大限度地规 避了未来工程化放大问题，利于实现工程放大。 2. 2. 2 偏心型径向热管换热器
目前焦炉烟道气的余热回收装置一般采用常 规的轴向重力热管技术，虽然常规的轴向热管具 有高效的超导体性能，极高换热效率，优良的等 温、恒温性，优良的单向热传递特性，良好的环 境适应性，避免了露点腐蚀等优点，但同时也存 在着换热器设备结构复杂，整体设备庞大，容易 爆管，减少换热面积，损坏的不可逆性，较高的
国的一些城镇，大气中 SO2 和 NOx 的危害较为 普遍，而且非常严重。
2012 年 6 月环境保护部及国家质量监督检 验检疫局联合发布了 GB16171 － 2012 《炼焦化学 工业污染物排放标准》，明确规定了焦化工业的 大气污染物排放标准。新标准要求焦炉烟囱燃烧 尾气中 SO2 浓度小于 50mg / m3 ，氮氧化物浓度小 于 500mg / m3 ，粉尘浓度小于 30mg / m3 。特别地 区要求 SO2 浓度小于 30mg / m3 ，氮氧化物浓度小 于 150mg / m3 ，粉尘浓度小于 15mg / m3 。
湿法脱硫为目前使用范围最广的脱硫方法， 根据脱硫的原料不同可分为石灰石 /石灰法、氨 法、钠碱法、钠钙双碱法、金属氧化物法、碱性 硫酸铝法，其中石灰石 /石灰法、钠碱法、钠钙 双碱法、金属氧化物法比较普遍。
镁法烟气脱硫反应方程式如下: ( 1) 氧化镁浆液制备( 熟化) MgO( 固) + H2 O→Mg( OH) 2 ( 浆液) Mg( OH) 2 ( 浆液) →Mg2 + + 2OH － ( 2) SO2 的吸收( 脱硫) SO2 ( 气) + H2 O→H2 SO3 H2 SO3 →H + + HSO3 － HSO3 － → H + + SO3 2 － Mg2 + + SO3 2 － →MgSO3 SO2 + MgSO3 + H2 O→Mg( HSO3 ) 2 ( 3) 中和再生 Mg( HSO3 ) 2 + Mg( OH) 2 →2MgSO3 + 2H2 O ( 4) 脱硫产物氧化与中和 MgSO3 + 1 /2O2 →MgSO4
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使用该类型催化剂即使在入口 NOx 浓度很 高时 ( 2000 ～ 3000mg / m3 ) ， 也 可 达 到 很 高 的 NOx 脱除精度，反应后尾气中氮氧化物浓度可低 于 150mg / m3 。如排放标准进一步升级，不需对 催化剂和反应装置做任何改动，只需稍微增加氨 投入量，提 供 反 应 所 需 的 氨 量， 即 可 使 尾 气 中 NOx 浓度小于所规定的排放限值。
更为严格的焦化工业大气污染物排放标准和
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日益紧 张 的 能 源 供 给，急 需 技 术 更 为 先 进、 经 济、合理的焦炉烟气处理方法。中钢集团鞍山热 能研究院有限公司联合中科院技术人员集成低温 SCR 烟气脱硝技术、镁法烟气脱硫工艺和径向热 管式余热锅炉等专有的核心技术，提出了焦炉烟 道气脱硫、脱硝及余热回收利用的综合解决方 案。
径向热管换热器技术有效解决了焦炉烟道气 余热回收热管换热器结构复杂，吨蒸汽产量钢材 耗用量大的问题; 克服了轴向热管损坏后换热总 面积的损失不可逆，换热效率大幅降低等问题。 该技术在国内某焦化厂 2 座 65 孔 4. 3m 焦炉上 成功应用，关键设备运行稳定，蒸汽生产能力满 足要求，炉底烟道风压控制良好，无气堵现象。 2. 2. 3 烟气镁法脱硫
脱硝反应中氨源采用液氨或蒸氨工段产生浓 度为 20% 的浓氨水，用管道引入至脱硝反应系 统，经调节阀控制流量后进入混合器中与烟气均 匀混合。在脱硝反应器进、出口分别 设 置 NOx 传感器用 以 实 时 在 线 监 测 进 出 口 的 NOx 浓 度， 并根据反馈信号控制氨的加入量。
在脱硝工艺中最为关键的是脱硝催化剂，中 科院科研人员开发出了新型的脱硝催化剂。该催 化剂选用以陶瓷蜂窝为基体的整体涂层式结构， 由陶瓷蜂窝、金属氧化物涂层、活性组分组成。氧 化物涂层均匀牢固地附着于蜂窝陶瓷外表面，活 性组分分散在氧化物涂层上。该催化剂具有脱硝 率高，可高空速操作、阻力低、选择性好、氨逃逸率 低、温度范围广、热膨胀系数小等诸多优点，是一 种非常适合烟气 NOx 治理的整体催化剂。
Integration technology of SO2 and NOx removal and heat recovery from coke oven flue gas
Li Pengyuan Li Baodong Yang Yi Fang Huibin Chen Wei Xie Guowei ( Sinosteel Anshan Research Institute of Thermo － Energy Co． ，Ltd． )
( 1) 脱硝效率始终稳定在 98% 以上( 能测到 的 NO 含量在几个 10 － 6 ，可以理解为系统误差) ， 接近 100% ，体现了催化剂超高的脱硝效率;
( 2) 实验的操作空速最高为 16000h － 1 左右， 为传统脱硝催化剂的 4 倍左右;
( 3) 催化剂床层阻力降在 300Pa 左右，极 低，能够显著降低风机能耗;