晨晰环保——烧结烟气一氧化碳治理协同余热综合利用解决方案

Part 1 研发背景

近年来，随着我国大气污染防治工作的不断深入，常规大气污染物都得到了有效治理，环境质量得以改善。与此同时，一些非常规污染物的排放（如：CO、氨逃逸、VOCs等）也逐渐引起关注。其中一氧化碳（CO）因其具有：极易与血液中运载氧的血红蛋白相结合，在极低浓度时能使人或动物遭到缺氧性伤害，轻者眩晕、头疼，重者脑细胞受到永久性损伤，甚至窒息死亡等危害，因此成为重点关注的对象。

2018年唐山市印发《关于对烧结机机头一氧化碳超限值排放的钢铁企业实施限产的通知》，要求全市钢铁企业烧结机机头一氧化碳排放浓度不超过6000mg/m³;2021年1月，唐山市发布“〔2021〕11号 ”文件，提出要进一步降低烧结烟气中的一氧化碳排放量。不难看出，在“减污降碳”的大背景下，伴随着大气治理走向深入，钢铁企业有效控制CO的排放对持续改善大气环境质量至关重要。

钢铁行业是CO的主要来源之一，所排放的CO主要来自以下三个方面：一是烧结机、高炉热风炉、轧钢加热炉、石灰窑、自备电厂燃烧过程中，煤、焦炭、高炉煤气、转炉煤气不完全燃烧产生的CO；二是高炉上料均压放散、高炉休风放散、轧钢加热炉反吹煤气灯生产作业过程中所排放的CO；三是高炉煤气、转炉煤气在没有下游煤气用户的情况下，煤气排放的CO。

当前，钢铁企业烧结烟气中CO的末端治理技术主要有：直接燃烧法、深冷分离法、溶液吸收法、吸附法和氧化法等。除氧化法外上述技术存在：起燃温度高，难以被直接燃烧，不能有效分离CO和N₂，处理成本高，能耗高等问题。与此同时，因烧结烟气中氮氧化物（NOx）的治理普遍采用的是SCR技术，为保证脱硝效率，SCR装置需升温，会消耗大量的能源物质的同时伴有大量的CO₂排放产生。钢铁企业目前亟需一种能对烧结烟气中CO进行高效治理，同时还能为SCR脱硝装置供热、减少能源物质耗费的技术。为更好的解决上述技术存在的问题，北京晨晰环保工程有限公司联合中科院过程所研发了烧结烟气一氧化碳治理协同余热综合利用技术，在满足CO高效治理需求的同时，又能利用其治理过程中产生的热量应用在其他烟气治理中需要升温的环节，是一种真正实现了减污降碳的治理技术。

Part 2 技术介绍

烧结烟气一氧化碳治理协同余热综合利用技术是由晨晰环保研发的用于烧结烟气CO治理的设备，该设备的核心技术为CO催化剂，它是一种烟气深度净化催化能源材料。该系列催化剂由过渡金属（贵金属）组成，为多元金属氧化物体系，具有催化效率高、净化性能强、操作温区宽、使用寿命长、应用场景广泛、使用安全，操作⽅便、成本低廉等优点。该技术方案适用于烧结、焦炉、锅炉等多种烟气处理场景，在对烧结烟气中CO进行高效治理的同时，还可实现为后端SCR脱硝装置供热，在很大程度上可以降低SCR脱硝时的煤气消耗，可在保证SCR脱硝效率的同时减少氨水用量，满足氨逃逸指标的达标排放。同时大量减少企业的碳排放与治污成本，真正实现了高效治污，协同治污，低碳治污的绿色发展理念。

图1 CO碳催化式加热器工艺流程图

2.1工作原理

CO废气的有效处置方法之一便是将其氧化为CO₂，CO氧化过程中会同时释放大量热能，晨晰环保利用独有的催化技术将CO在中低温条件下实现氧化，同时将反应过程中的放热直接用于烟气升温进而取代采用引入外部热源达到满足SCR脱硝所需热量。

催化氧化原理：

CO(g)+1/2O₂(g)→CO₂(g)，△rHm=-283.0kJ·mol^-1，△rSm=-86.5J·mol^-1·K^-1

图2 CO催化氧化原理

理论上该反应在温度不太高时（＜~300℃）热力学上是自发的，但由于CO分子的相对不活泼性，在没有催化剂或者引燃的条件下该反应不能发生（动力学障碍）。因此，寻找合适的催化剂成了解决该问题的关键。

针对上述问题，晨晰环保自主研发了贵金属和非贵金属两个系列CO催化剂，能够降低CO自发氧化所需的活化能，使CO在催化剂表面及内部自发进行气-固相催化反应。整个反应过程经历吸附、解离、反应、去吸附四个步骤，最终完成在中低温（80-280℃）环境下CO转变为CO₂的氧化过程，同时释放出大量热能。由Au、Pt、Pd等贵金属制作的催化剂具有高催化活性和稳定性，能在低温下可实现CO高效转化；而Cu、Co、Mn等过渡金属氧化物由于独特的结构和性质，具有良好的选择性与耐久性，适合中低温环境下的CO高效转化，是很有应用前景的CO氧化催化剂。这些催化剂价格低且储量丰富，被视作贵金属催化剂的有效替代品。

供热升温原理：

Q=C*m*Δt

（空气密度：ρ=1.29kg/m³，空气比热容：C=1006J/kg.℃，CO燃烧热：283KJ/mol）

由于CO氧化过程为放热过程，根据动力热力学相关参数进行计算，1mol CO完全氧化成CO₂所释放能量为283KJ，1m³空气升温1℃需要吸收热能12.9KJ，因此根据公式Q=CmΔt理论计算可得出，1mol CO完全氧化释放的热能可使1m³空气升温约218℃。

图3CO催化剂中低温条件下催化效率（空速10000h^-1，水蒸气10%）

2.2 工艺指标

CO催化剂^Ⓡ主要用于含CO的废气处理，处理废气CO最高浓度值为小于2*10⁴mg/Nm³，参考以上数据，以某烧结机为例，催化剂运行指标数据表如下：

2.3 工艺经济性

（1）以CO废气处理量最大可达1000000Nm³/h，处理废气CO浓度值为8000mg/Nm³，在安装CO治理装置后，1小时可产生的CO质量为：

CO质量/h=烟气量/h*CO浓度/h

代入数值100*10⁴*8000*10^-3*10^-3kg=8000kg

（2）由于CO氧化过程为放热过程，根据动力热力学相关参数进行计算可得出，1mol CO完全氧化成CO₂所释放能量为283KJ，安装CO治理装置后，1小时所产生的CO经过氧化还原后释放的热量为：8000*10³/28*283KJ=8.086*10⁷KJ

8000h/年产生的热量：8000*8.086*10⁷KJ = 6.469*10¹¹KJ

（3）工况8000h/年产生的CO通过氧化还原释放的热量可折算的标准煤为：

使用1度电的排放系数如下：

标准煤热值：7000千卡/kg 1千卡=4.185KJ 既：2.93*10⁴KJ/kg

1t标准煤产生的热量为：2.93*10⁷KJ/t

6.469*10¹¹/2.93*10⁷=2.208万吨标准煤

（4）工况8000h/年，可减排的CO₂、SO₂、NOx为：

1、标准煤对应的污染物减排量为：CO₂=2492kg、SO₂=75kg、NOx=37.5kg

2、208万吨标准煤对应的污染物减排量为：CO₂=5.502万吨 、SO₂=1521吨、NOx=760.5吨

通过上述计算可得出：钢企在烧结工序采用了晨晰环保的一氧化碳治理装置之后，可节约2.208万吨标准煤/年，减排CO₂为5.502万吨/年、SO₂为1521吨/年、NOx为760.5吨/年。

Part 3 产品优势

①节能减排：因其优异的催化活性，CO浓度高达9000ppm的条件下，在烟温可达范围内， CO脱除效率为＞99%，净化深度为出口烟气＜30ppm。CO脱除同时能收集热能，为SCR设备供热，轻松助力企业实现CO深度脱除。

②操作温区广：CO催化剂由多种过渡金属组成和稀土金属组成，具有较广的温度操作区间，在80℃至280℃温区内对CO的脱除效率均能够达到99%以上。

③使用寿命周期长：CO催化剂由于采用特殊的组分配方，相较于传统CO氧化催化剂具有更好的水蒸气适应性，在10%-20%的水分范围内，无明显水中毒现象，具有更长的使用寿命。

④成本低廉：CO催化剂全部由过渡金属氧化物制备而成，相较于传统负载Au或者Pt为活性组分的CO氧化催化剂，材料成本更加低廉。

⑤应用灵活，安装简单：CO催化剂工艺装置可安装在脱硫脱硝工艺后端，不需要更改主体设备，可以用于烧结等烟气中CO的脱除。同时晨晰CO催化剂可与传统固定床和活动床工艺进行结合，安装、运行简单。

⑥无毒无害，绿色环保：CO催化剂，采用过渡金属氧化物作为活性组分，破损催化剂不属于危险废弃物，可进行二次回收与利用。

Part 4 公司介绍

北京晨晰环保工程有限公司（简称晨晰环保）创立于2015年，注册资本10800万元，是一家深耕环保领域的国家级高新技术企业和“专精特新”企业，是集技术研发、产品开发、项目咨询与服务、工程设计、工程采购、设备和产品制造、工程承包与管理、调试运行、项目运维服务于一体的综合性科技公司。旗下5家公司、2家生产厂，10条产品生产流水线，5万平米设备加工基地。

晨晰环保秉持“求实、创新、协同、分享”的核心价值观，牢记“打造一个绿色环保 、晨晖明晰的世界！”的神圣使命，努力践行着“晨晰做环保 业主无烦恼”的商业理念，为业主着想，为祖国的碧水蓝天着想，将永远是晨晰环保的前进动力！

晨晰环保致力于为工业企业提供全流程，全方位的减污降碳与节能环保解决方案。通过自主研发的技术、设备与新型环保材料为工业企业提供烟气脱硝、脱硫、煤气精脱硫、除尘、VOCs处理、余热回收、节能降碳以及工业废水零排、土壤修复等领域的专业治理服务与投资运营。

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