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CN109351150B - 一种炭热还原过程中能量梯级利用的装置及方法 - Google Patents

一种炭热还原过程中能量梯级利用的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种炭热还原过程中能量梯级利用装置及方法，包括高温烟气预处理系统、炭热还原系统、硫磺回收系统和乏气处理系统，所述高温烟气预处理系统用于将高温烟气降温时所放出的热量加热预处理后的烟气与循环乏气的混合气，提高进入炭热还原系统的反应物温度，所述炭热还原系统用于采用碳材料和加热后的混合气进行炭热还原反应，并对还原气进行气固预分离，所述硫磺回收系统用于对预分离后的还原气进行降温、精过滤和冷凝处理，以回收还原气中的硫磺，所述乏气处理系统用于对回收完硫磺后的乏气进行水蒸气过滤处理，处理后的乏气一部分净化排出，一部分作为循环乏气采用还原气降温时所放出的热量进行加热后使用。

Description

一种炭热还原过程中能量梯级利用的装置及方法
技术领域
本公开属于系统节能优化领域，具体涉及一种炭热还原过程中能量梯级利用的装置及方法。
背景技术
随着我国环保形势的日益严峻，电厂、金属冶炼厂、化工厂等排放的含硫烟气成为了当前烟气治理工作的重点。目前，含硫烟气脱除技术主要有石灰石-石膏湿法脱硫、半干法脱硫以及活性焦干法脱硫技术，由于活性焦干法脱硫技术具有脱硫效率高、副产物少、不消耗水资源、可同时脱除多种污染物、可回收利用硫资源等优点，逐渐成为了主流烟气脱硫技术。
但是，目前我国活性焦干法脱硫及资源化利用技术主要是利用烟气中的SO2制备硫酸，由于硫酸储存、运输困难，其价值、利用率较低，甚至在某些不需要硫酸的地区，烟气脱硫制备的硫酸难以处理，形成了二次污染。同时，我国又是硫磺资源短缺的国家，硫磺产量远低于消耗量，过度依赖进口，如果能够将烟气中的SO2直接制备硫磺，其产品价值和资源化利用率将极大的提高，因此，炭热还原SO2制备硫磺技术逐渐受到了人们的重视。
多数含硫烟气中会有水蒸气的存在，水蒸气的存在会导致炭热还原SO2过程中产生H2S副产物，因此，我们必须对含硫烟气进行预处理脱除烟气中的水蒸气。目前，比较成熟的水蒸气脱除技术为极冷降温技术，该技术虽然能将烟气中的水蒸气脱除，但是需要将高温烟气降到很低的温度，同时，炭热还原SO2技术又需要在高温下进行，脱除水蒸气后的烟气需要再次加热，这样就造成了能量的大量浪费。另外，炭热还原SO2制备硫磺系统，需要对还原后的还原气体进行降温来回收硫磺，回收完硫磺的乏汽含有COS和H2S等少量副产物，再将这部分乏汽返回至炭热还原塔来抑制副产物的形成，也是将气体先降温后升温的过程，同样造成了能量的浪费，使得运行成本大大提高，经济性较差。
若能发明一种炭热还原过程中能量梯级利用的装置及方法，将过程中的能量梯级利用回收，不仅优化了工艺，减少了炭热还原反应中有害副产物的形成，同时提高了系统的经济性，节省了运行成本，为炭热还原SO2技术的工业应用奠定了基础。
发明内容
为了解决现有技术的不足，在炭热还原SO2机理实验数据的基础上，本公开提供了一种炭热还原SO2制备硫磺过程中能量梯级利用的装置及方法，利用换热器等设备，在最低外界物质输入和能量输入的情况下，实现SO2向硫磺的转化。
作为一种或多种实施方式，本公开的技术方案如下：
一种炭热还原过程中能量梯级利用装置，包括高温烟气预处理系统、炭热还原系统、硫磺回收系统和乏气处理系统，
所述高温烟气预处理系统，被配置为通过对高温烟气进行降温、除尘以及水蒸气脱除处理得到低温烟气，并采用高温烟气降温时所放出的热量对低温烟气与循环乏气混合气进行加热，将加热后的气体送入炭热还原系统；
所述炭热还原系统，被配置为采用碳材料与加热后的气体发生炭热还原反应，得到还原气，并对还原气进行气固预分离，得到初步净化后的还原气；
所述硫磺回收系统，被配置为对初步净化后的还原气进行降温、精过滤和冷凝处理后，回收还原气中的硫磺，并将回收完硫磺后的乏气输送至乏气处理系统；
所述乏气处理系统，被配置为对乏气进行水蒸气过滤处理，并将处理后的乏气部分净化后达标排放，部分作为循环乏气采用还原气降温时所放出的热量进行加热，加热后的循环乏气一路直接进入炭热还原系统进行调温，一路与低温烟气混合加热后送入炭热还原系统参与氧化还原反应。
进一步的，所述高温烟气预处理系统包括换热器、除尘器和冷干换热器，所述换热器用于高温烟气和混合气的热量交换，所述除尘器用于去除降温后的烟气中的固体杂质，所述冷干换热器用于对过滤掉固体杂质的纯净烟气进行急速降温以去除烟气中的水蒸气。
进一步的，所述炭热还原系统包括还原塔、粉焦仓和高温分离器，所述粉焦仓用于提供炭热还原反应所需的碳材料，所述还原塔用于碳材料和加热后的气体进行炭热还原反应，所述高温分离器用于对还原气进行气固预分离，并得到分离后的固体和初步净化后的还原气。
进一步的，所述分离后的固体一部分返回还原塔中循环使用，另一部分失去还原特性的乏焦则排出系统。
进一步的，所述硫磺回收系统包括再热器、精除尘装置和硫磺冷凝器，所述再热器用于初步净化后还原气与循环乏气的热量交换，所述精除尘装置用于对降温后的还原气进行气固分离，以进一步去除还原气中的固体颗粒，所述硫磺冷凝器用于对过滤后的还原气进行降温处理，以回收还原气中的硫磺。
进一步的，所述乏气处理系统包括水蒸气过滤器和尾气净化装置，所述水蒸气过滤器用于过滤掉乏气中由于炭热还原反应所产生的水蒸气，所述尾气进化装置用于对部分乏气进行净化处理，使得乏气达标排放。
一种炭热还原过程中能量梯级利用方法，包括：
对高温烟气进行降温、除尘和水蒸气脱除处理，得到低温烟气，将低温烟气与循环乏气混合后采用高温烟气降温时所放出的热量进行加热，将加热后气体作为反应物用于炭热还原反应；
将炭热还原反应产物进行气固分离得到初步净化后的还原气，对还原气进行降温、精过滤和冷凝处理后，回收还原气中的硫磺，并将回收完硫磺后的乏气进行水蒸气过滤处理，处理后的乏气部分净化后达标排放，部分为循环乏气；
采用还原气降温时所放出的热量对循环乏气进行加热，加热后的循环乏气一路用于炭热还原反应过程中的调温，一路与低温烟气混合加热后用于参与炭热还原反应。
进一步的，所述方法还包括将炭热还原反应产物进行气固分离得到固体产物，所述固体产物部分循环使用，另一部分失去还原特性的乏焦排出。
进一步的，所述高温烟气降温时所放出的热量等于混合气升温时所吸收的热量。
进一步的，所述还原气降温时所放出的热量等于循环乏气升温时所吸收的热量。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
1)本公开提出了一种炭热还原SO2制备硫磺过程中能量梯级利用的装置及方法，针对金属冶炼烟气、化工尾气、烧结机烟气等含有水蒸气的高浓度SO2的气体或经SO2富集后的含有水蒸气的高浓度SO2的电厂燃煤烟气，使其通过换热、精确控制反应条件和合理的结构设计，不仅能够抑制炭热还原反应中副产物的生成，提高了硫磺收率，同时全部回收了系统中的能量，实现了能量的梯级利用，降低了系统运行成本，提高经济效益，具有广阔的市场前景。
2)本公开的流化床炭热还原塔内的碳基还原剂循环倍率高，SO2转化率为90～98％，硫磺产率为85～95％，回收硫磺纯度达到99.7％以上，符合工业硫磺一等品标准。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本公开炭热还原SO2制备硫磺过程中能量梯级利用的装置结构示意图；
图中：1、换热器，2、除尘器，3、冷干换热器，4、粉焦仓，5、还原塔，6、高温分离器，7、再热器，8、精除尘装置，9、硫磺冷凝器，10、硫磺储罐，11、水蒸气冷凝器，12、尾气净化装置，13、烟囱。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例对本公开做进一步的说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
作为一种或多种实施方式，如图1所示，一种炭热还原过程中能量梯级利用装置，包括换热器1、除尘器2、冷干换热器3、粉焦仓4、还原塔5、高温分离器6、再热器7、精除尘装置8、硫冷凝器9、硫磺储罐10、水蒸气冷凝器11、尾气净化装置12和烟囱13；
在上述装置中，含有水蒸气的高温烟气，根据其来源的不同，温度在400℃到1300℃不定，高温烟气首先进入换热器1，其温度由400℃-1300℃降温至110℃-120℃，降温后的烟气进入除尘器2去除烟气中的固体杂质，过滤掉固体杂质的纯净烟气进入冷干换热器3，通过急速降温技术去除烟气中的水蒸气，冷干换热器3出口烟温进一步降低至10℃-30℃，低温烟气与乏气处理系统过来的循环乏气混合后进入换热器1加热升温，其升温吸热量与高温烟气降温放热量相同，将高温烟气冷却放热量全部回收，升温后的气体根据循环乏气量的不同在350℃-900℃之间不定；
低温烟气与循环乏气混合升温后进入还原塔5，存储在粉焦仓4中的碳材料经给料机精确控制给料量输送至还原塔5，在还原塔5中气固混合发生炭热还原反应生成还原气；还原气首先进入高温分离器6进行气固预分离，分离后的固体一部分返回还原塔5循环使用，另一部分失去还原特性的乏焦排出系统；
高温分离器6分离出的气体进入再热器7，温度由750℃-900℃降温至300℃-450℃；降温后的还原气进入精除尘装置8过滤掉还原气中的细小固体，以提高硫磺纯度；精过滤的还原气进入硫磺冷凝器9回收硫磺，冷凝下来的硫磺存储在硫磺储罐10中；回收完硫磺的乏汽经水蒸气冷凝器11过滤掉还原反应中产生的水蒸气后，一部分送入尾气净化装置12净化达标后通过烟囱13排放，另一部分送入再热器7加热，其加热吸热量与还原气冷却放热量相同，还原气冷却放热量全部回收，加热后的循环乏气一路直接返回还原塔5进行调温，另一路与低温烟气混合加热后送入还原塔5参与反应。
其中，所述高温烟气为含有水蒸气的高浓度SO2的气体，可以为金属冶炼烟气、化工尾气、烧结机烟气以及经SO2富集手段形成的高浓度SO2烟气，其中SO2浓度为3％～30％；
所述碳材料为活性炭、活性焦、活性半焦等具有还原特性的碳材料；
所述循环乏汽为N2、SO2、COS、H2S、CS2、CO、H2和CO2等的混合物；
所述换热器1包括但不限于管壳式换热器、管板式换热器或板式换热器；
所述高温分离器6包括但不限于旋风分离器或轴流式分离器；
所述精除尘装置8包括但不限于陶瓷过滤器或金属滤网过滤器；
所述还原塔5内的床层可以为微流化床、鼓泡床、喷动床以及流化床等多种流化状态；
所述还原塔5内气速4～8m/s，塔内气固接触时间2～12s，反应温度700℃～1000℃，C/S摩尔比10～120；
所述还原气为N2、SO2、COS、H2S、CS2、CO、S、H2和CO2等的混合物。
本公开通过换热、精确控制反应条件和合理的结构设计，不仅能够抑制炭热还原反应中副产物的生成，提高了硫磺收率，同时全部回收了系统中的能量，实现了能量的梯级利用，降低了系统运行成本，提高了经济效益；
本公开流化床炭热还原塔内的碳基还原剂循环倍率高，SO2转化率为90～98％，硫磺产率为85～95％，回收硫磺纯度达到99.7％以上，符合工业硫磺一等品标准。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种炭热还原过程中能量梯级利用装置，其特征在于：包括高温烟气预处理系统、炭热还原系统、硫磺回收系统和乏气处理系统，
所述高温烟气预处理系统，被配置为通过对高温烟气进行降温、除尘以及水蒸气脱除处理得到低温烟气，并采用高温烟气降温时所放出的热量对低温烟气与循环乏气混合气进行加热，将加热后的气体送入炭热还原系统；
所述炭热还原系统，被配置为采用碳材料与加热后的气体发生炭热还原反应，得到还原气，并对还原气进行气固预分离，得到初步净化后的还原气；
所述硫磺回收系统，被配置为对初步净化后的还原气进行降温、精过滤和冷凝处理后，回收还原气中的硫磺，并将回收完硫磺后的乏气输送至乏气处理系统；
所述乏气处理系统，被配置为对乏气进行水蒸气过滤处理，并将处理后的乏气部分净化后达标排放，部分作为循环乏气采用还原气降温时所放出的热量进行加热，加热后的循环乏气一路直接进入炭热还原系统进行调温，一路与低温烟气混合加热后送入炭热还原系统参与氧化还原反应；
所述高温烟气预处理系统包括换热器、除尘器和冷干换热器，所述换热器用于高温烟气和混合气的热量交换，所述除尘器用于去除降温后的烟气中的固体杂质，所述冷干换热器用于对过滤掉固体杂质的纯净烟气进行急速降温以去除烟气中的水蒸气。
2.如权利要求1所述的一种炭热还原过程中能量梯级利用装置，其特征在于，所述炭热还原系统包括还原塔、粉焦仓和高温分离器，所述粉焦仓用于提供炭热还原反应所需的碳材料，所述还原塔用于碳材料和加热后的气体进行炭热还原反应，所述高温分离器用于对还原气进行气固预分离，并得到分离后的固体和初步净化后的还原气。
3.如权利要求2所述的一种炭热还原过程中能量梯级利用装置，其特征在于，所述分离后的固体一部分返回还原塔中循环使用，另一部分失去还原特性的乏焦则排出系统。
4.如权利要求1所述的一种炭热还原过程中能量梯级利用装置，其特征在于，所述硫磺回收系统包括再热器、精除尘装置和硫磺冷凝器，所述再热器用于初步净化后还原气与循环乏气的热量交换，所述精除尘装置用于对降温后的还原气进行气固分离，以进一步去除还原气中的固体颗粒，所述硫磺冷凝器用于对过滤后的还原气进行降温处理，以回收还原气中的硫磺。
5.如权利要求1所述的一种炭热还原过程中能量梯级利用装置，其特征在于，所述乏气处理系统包括水蒸气过滤器和尾气净化装置，所述水蒸气过滤器用于过滤掉乏气中由于炭热还原反应所产生的水蒸气，所述尾气净 化装置用于对部分乏气进行净化处理，使得乏气达标排放。
6.一种炭热还原过程中能量梯级利用方法，其特征在于，包括：
对高温烟气进行降温、除尘和水蒸气脱除处理，得到低温烟气，将低温烟气与循环乏气混合后采用高温烟气降温时所放出的热量进行加热，将加热后气体作为反应物用于炭热还原反应；
将炭热还原反应产物进行气固分离得到初步净化后的还原气，对还原气进行降温、精过滤和冷凝处理后，回收还原气中的硫磺，并将回收完硫磺后的乏气进行水蒸气过滤处理，处理后的乏气部分净化后达标排放，部分为循环乏气；
采用还原气降温时所放出的热量对循环乏气进行加热，加热后的循环乏气一路用于炭热还原反应过程中的调温，一路与低温烟气混合加热后用于参与炭热还原反应。
7.如权利要求6所述的一种炭热还原过程中能量梯级利用方法，其特征在于，所述方法还包括将炭热还原反应产物进行气固分离得到固体产物，所述固体产物部分循环使用，另一部分失去还原特性的乏焦排出。
8.如权利要求6所述的一种炭热还原过程中能量梯级利用方法，其特征在于，所述高温烟气降温时所放出的热量等于混合气升温时所吸收的热量。
9.如权利要求6所述的一种炭热还原过程中能量梯级利用方法，其特征在于，所述还原气降温时所放出的热量等于循环乏气升温时所吸收的热量。
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