本发明涉及钢铁冶炼转炉放散煤气技术领域，尤其涉及一种放散煤气经自持催化燃烧后实现二级显热梯级利用的装置。
背景技术：
转炉炼钢通过氧气顶吹铁水脱碳，间歇性地产生1500℃以上温度的煤气，除部分煤气被回收外，30～40％的煤气(一氧化碳浓度<35％且氧气浓度>2％)由于不符合回收条件而被放散，如果能将放散煤气进行安全高效地回收利用，对于钢铁行业节能减排意义重大。
相关技术中，常采用前端燃烧 后端催化的方法对放散煤气进行后处理及余热回收，但是忽视了实际运行时，后端煤气一氧化碳浓度通常低于10％，10％浓度一氧化碳放散煤气自持催化要求煤气入口温度达到150℃以上。然而运行工况下，经过中间段显热利用后的煤气温度通常不足150℃，特别是低温环境实验工况下(冬天)，催化系统入口温度不足100℃，不能满足自持催化对煤气温度的需求。
现有技术中公开一些利用散煤气的方法，如：专利申请号202010367226.0，该发明公开了一种协同热发电的脱硫脱硝烟气综合治理装置及方法，其利用热发电调节进口水温，控制换热器表面温度保证深度催化单元处于最佳反应工况。专利申请号201910651654.3，该发明公开了一种用于氮气、氧气、氩气和氦气的纯化装置及其工艺,其原料气进入催化换热器与从催化氧化器出来的高温气体进行多次热交换，直至冷却至常温。专利申请号201710659608.9，该发明公开了一种有机废气脱附催化燃烧一体机，脱附的有机废气通过催化换热器管外侧升温，用于热交换加热进入催化系统的脱附有机废气。
虽然上述方法公开了一些利用方式，但是这些催化换热器只有一级催化反应余热回收利用，存在一定的能源浪费，同时，也缺少控制系统对装置运行过程形成反馈。
技术实现要素：
本文发明的目的是提供一种放散煤气经自持催化燃烧后可实现二级显热梯级利用的装置。
具体地，本发明提供一种放散煤气自持催化燃烧显热梯级利用装置，包括：
预热装置，包括内部设置有预热管路的预热腔，在预热腔上连接有与烟道连接的煤气入口，和输出预热后放散煤气的煤气出口，及与预热管路两端分别连接的高温进口和高温出口；
催化燃烧装置，包括内部设置有燃烧空间的壳体，和安装在壳体内提高燃烧效果的自催化载体和涂层，壳体的一端与煤气出口连接，另一端与高温进口连接；
显热回收装置，包括内部设置有换热管的换热腔，换热腔的一端与高温出口连接，另一端设置有煤气排出口，换热管的两端分别在壳体上连接有冷却入口和冷却出口；
控制系统，用于监视和控制各装置的工作过程，同时在各装置工作过程中出现异常时进行报警。
本发明能够通过人员操控或自主工作实现放散煤气自持催化燃烧显热梯级利用装置各主要装置的测量、监视、控制及记录。通过控制系统实现智能化，可以满足不同工况放散煤气的处理，提高了设备的适用性范围和工作效率，可以实现放散煤气余热利用和无害化处理的生产需求；
本发明根据放散煤气自持催化燃烧的特殊性质设计梯级热交换装置，可以满足放散煤气余热稳定回收和输出的生产需求，提高余热资源利用效率，降低了可燃物和污染物的排放。
附图说明
图1是本发明一个实施方式的显热梯级利用装置连接状态示意图。
具体实施方式
以下通过具体实施例和附图对本方案的具体结构和实施过程进行详细说明。
如图1所示，在本发明的一个实施方式中，公开一种放散煤气自持催化燃烧显热梯级利用装置，包括预热装置1、催化燃烧装置2、显热回收装置3和控制系统4。
预热装置1包括内部设置有预热管路12的预热腔11，在预热腔11上连接有与烟道连接的煤气入口13，和输出预热后放散煤气的煤气出口14，及与预热管路12两端分别连接的高温进口15和高温出口16；烟道作为转炉炼钢的排烟通道，排出不符合回收条件的放散煤气，预热管路12可采用回绕式排布方式，在预热腔11内平行且间隔的排列，由烟道进入的放散煤气进入预热腔11后由预热管路12外部绕过，再由煤气出口14排出，在该过程中，放散煤气与预热管路12产生热交换；本实施方式中，放散煤气与预热管路12热交换后，温度由低变高。
催化燃烧装置2包括内部设置有燃烧空间的壳体21，和安装在壳体21内提高燃烧效果的自催化载体22和涂层23，壳体21的一端与煤气出口14连接，另一端与高温进口15连接。在预热装置1内升温的放散煤气进入壳体21内后，进行一氧化碳自持催化燃烧化学反应，使放散煤气中的一氧化碳进行催化燃烧为二氧化碳，减少一氧化碳排放，同时吸收反应释放的化学热，温度达到300℃以上后通过高温进口15进入预热管路12，对预热腔11内的低温放散煤气进行热交换。
载体22一般为蜂窝状陶瓷材料，或者金属(不锈钢、三氧化二铝等)材料。载体22形状可以为球形、圆柱体形、多棱体形和网状隔板等。载体22体积根据计算的催化剂数量和比表面积共同决定。具体的涂层23(催化剂层)可由pt(铂)、pd(钯)、rh(铑)中的一种金属制作而成，也可以采用复合高效cu-ce-zr催化剂。根据催化剂的种类不同，可以实现一氧化碳、碳氢化合物，以及氮氧化物、硫氧化物等污染物的处理，即氧化-还原反应。其中，一氧化碳被氧化成二氧化碳，碳氢化合物被氧化成水和二氧化碳，氮氧化物被还原成氮气和氧气。
载体体积根据计算的催化剂数量和比表面积共同决定。考虑到催化反应效率，载体长度、等效直径，载体内部流道结构、孔隙度等特性参数，以及载体内流体流速、停留时间等需要进行合理控制，其中载体内流体流速通常控制在0-3m/s，停留时间通常控制在2s以上。其中，一氧化碳被氧化成二氧化碳，碳氢化合物被氧化成水和二氧化碳，氮氧化物被还原成氮气和氧气。涂层厚度一般为0.1～1mm。自持燃烧装置涂层载体和催化剂涂层混合制作，或者将催化剂添加配合料制作成具有一定强度和形状结构的一体化物体，作为催化单元使用，在一定程度上解决了载体和涂层的贴合问题，减少了涂层工序。
显热回收装置3包括内部设置有换热管32的换热腔31，换热腔31的一端与高温出口16连接，另一端设置有煤气排出口33，换热管32的两端分别在壳体上连接有连接冷却介质的冷却入口34和冷却出口35。本实施方式中的冷却介质采用的是常温水，也可以采用空气，换热管32采用单根或多根管的结构，在换热腔31内绕行或间隔排布，以最大限度的提高与换热腔31内的放散煤气的接触面积；由催化燃烧装置2加热后的放散煤气在预热管路12内，与预热腔11中的低温放散煤气实现一次热交换，降温后的放散煤气再进入换热腔31中，与换热管32内流动的水进行热交换，最终温度降低到预定范围后排出换热腔31，直接进入大气，而加热后的水在由冷却出口35排出后可进入再利用设备进行循环利用。
控制系统4用于监视和控制前述各装置的工作过程，同时在各装置工作过程中出现异常时进行报警。控制系统具体可收集流程中放散煤气组分、浓度、温度、压力、流量、电耗等信息，同时对功率、温度、压力、流量等参数进行控制调节，提高装置运行的可靠性、智能化水平和安保性能，控制系统可通过无线操控、远传监控，也可自主工作或人工操作。
本装置的工作过程如下：放散煤气通过烟道进入预热腔，此时放散煤气的温度一般为20～150℃，与预热管路内放散煤气进行换热，此时，预热管路内的放散煤气温度一般在300～500℃，通过换热后将预热腔内的20～150℃放散煤气升温至150～200℃后输出至催化燃烧装置；150～200℃的放散煤气进入自持催化燃烧装置后，进行一氧化碳自持催化燃烧化学反应，吸收反应释放的化学热后，温度达到300℃～500℃的放散煤气通过预热腔的高温入口进入预热管路中，与预热腔中的放散煤气进行热交换，至此完成一级显热回收利用。
经过热交换后，预热管路内的放散煤气温度降至110～150℃，由高温出口进入换热腔内与换热管内5～40℃的冷却水再次进行热交换，考虑到换热效率，冷却水流速通常控制在0.1～4m/s，空气流速通常控制在3～15m/s。热交换后的放散煤气温度降低至50～100℃内后，直接由煤气排出口排入大气，换热后的冷却水则升温至60～100℃，最后由冷却出口排出，进入再循环利用设备，至此完成二级显热回收利用。利用的方式可以是生产热水、锅炉供给饱和水、甚至低压蒸汽，供给厂房生产、生活用水和蒸汽。而使用空气作为冷却介质时，则可以生产热风，供给厂房生产用热风，降低生产过程中的燃料消耗。
本发明能够通过人员操控或自主工作实现放散煤气自持催化燃烧显热梯级利用装置各主要装置的测量、监视、控制及记录。通过控制系统实现智能化，可以满足不同工况放散煤气的处理，提高了设备的适用性范围和工作效率，可以实现放散煤气余热利用和无害化处理的生产需求；
本实施方式根据放散煤气自持催化燃烧的特殊性质设计梯级热交换装置，可以满足放散煤气余热稳定回收和输出的生产需求，提高余热资源利用效率，降低了可燃物和污染物的排放。
本实施方式的装置可以在工厂完成制造、组装、调试，运输至现场完成定位、引入放散煤气和冷却介质、连接电路即可使用，不需要停产施工和改造已有设备，现场安装调试时间、工程工期短，投资成本相对较低，有利于促进中小企业使用放散煤气处理设施，有望产生较大的社会和环境效益。
通过控制系统可以提高装置运行的安全性能，保证装置正常且持续工作。
在本发明的一个实施方式中，烟道内为-50～-30pa的微负压状态。在各管路上采用保温材料进行包裹，以减少环境热量损失，放散煤气浓度范围为一氧化碳浓度<35％且氧气浓度>2％，放散煤气的产生通常发生在转炉炼钢吹炼过程的0～3.3％以及85.1～100％这个时间区间。
在预热装置和显热回收装置的外部可设置：保温层，保护层以及防水层。保温层的作用是给装置保温、隔热；保护层的作用是保护装置以及外面包裹的保温层；防水层的作用是防止水等液态物质进入，腐蚀或污染装置以及外面包裹的保温层。
保温层通常由导热系数较小的防辐射材料组成，如：防辐射、隔热保温涂料，发泡聚苯板、挤塑聚苯板、喷涂聚氨酯、聚苯颗粒等有机类保温材料，以及中空玻化微珠、膨胀珍珠岩、闭孔珍珠岩、岩棉等无机类保温材料等。可以有效减少环境热量损失。保护层通常为石棉纤维和水泥混合物制成的具有一定强度的石棉水泥壳，有较好的支撑和保护内部结构的作用。防水层通常采用油毛毡、铁皮或者刷油玻璃布制成。室内装置可选择性布置防水层。
本实施方式中的各部件之间一般采用法兰连接，以方便设备的拆卸、更换、测试和检修。为减少管道散热损失，各部件之间连接的管道在合理范围内尽量选择小尺寸的短管道。
为控制换热管内的冷却水，可在冷却入口处安装水泵，具体的水泵可采用变频水泵。同时为控制放散煤气的流速，可在预热装置和显热回收装置处安装控制内部放散煤气流动速度的风机，具体的风机可采用变频风机，一般设置在装置出口之后。
具体的预热管路可采用蓄热式、间壁式、流体连接间接式等多种形式。蓄热式预热装置适用于间歇式放散煤气的预热，有利于维持一定时间、空间范围内的冷/热负载的稳定和平衡。可采用不锈钢、铸铁、铝等材料制作。流道的形状可以为圆形、方形等形状。流道的结构可以为管束叉排、顺排，蛇形或屏式等。管道数量、管间距、水力直径根据计算的换热系数、换热面积共同决定。
预热腔、换热腔及壳体可采用不锈钢、铸铁、铝等材料制作，优选采用不锈钢材料制作，这样可以防止氧化脱落造成的载体堵塞。
换热管通常采用间壁式热交换器，可采用夹套式、沉浸式蛇管、板式、管壳式、以及双管板等多种结构。可采用不锈钢、铸铁、铝等材料制作。流道的形状可以为圆形、方形等形状。流道的结构可以为管束叉排、顺排，蛇形或屏式等。管道数量、管间距、水力直径根据计算的换热系数、换热面积共同决定。考虑到放散煤气的特性，厚度通常采用1～6mm。当筒体的公称直径大于400mm，可采用卷制，以400mm为基数，以50mm或者100mm为进级档。当筒体的公称直径小于或者等于400mm，可采用管材。
壳体冷侧流体的进出口(接头)通常设置在封头，两端各一处，位置通常设计在中心处，也可以根据设备的连接方式设置在朝上或者朝下的位置。每处接头的数量可以设置为1个或者若干接口，可以通过三通或者四通等方式实现，方便连接多台转炉放散煤气出口，可以降低投资成本，设备占地等。接头尺寸可根据管道尺寸，合理设计为0～1000mm。考虑到换热效率，流体流速通常控制在3～15m/s；如果是管壳式换热器，管侧流体流速通常控制在3～30m/s。
壳体热侧流体的进出口(接头)通常设置在筒体或者封头，两端各一处。封头位置通常设计在中心处，也可以根据设备的连接方式设置在朝上或者朝下的位置；筒体位置通常设计在两端靠近封头的位置，以便实现管束长度，增加换热面积，提高换热效率。每处接头的数量可以设置为1个或者若干接口，可以通过三通或者四通等方式实现，方便并联多台放散煤气预热装置或者自持燃烧装置，可以根据实际使用情况及需求设计。接头尺寸可根据管道尺寸，合理设计为0～400mm，需要充分考虑管道所占的空间和散热损失进行设计。考虑到换热效率，流体流速通常控制在3～15m/s。
如热交换装置冷侧流道为单程或者多程，则可采用顺流(并流)、逆流、交叉流设置。板片厚度通常设计为0.1～1mm。可根据实际需求增加肋片/翅片等，以强化换热。可采用不锈钢、碳钢、铸铁、铝等材质制作，通常与壳体为同一材质，使用氩弧焊、气焊、埋弧焊、手工焊、mig/mag焊接、tig焊接等工艺制作。
如热交换装置冷侧流道由1根蛇形管或者多根细管束由一定规律排列组合而成，可采用壳体通常采用不锈钢、碳钢、铸铁、铝等材质制作，使用氩弧焊、气焊、埋弧焊、手工焊、mig/mag焊接、tig焊接等工艺制作。
如冷侧流道的结构为管束叉排、顺排，蛇形或屏式等。通常管束采用中心对称分布，管径可以选择dn14、dn16、dn19、dn25、dn30、dn32或者dn35，对应换热管中心距可以选择19mm、22mm、25mm、32mm、38mm、40mm或者44mm。
自持燃烧装置的壳体可以实现内部结构的封装、支撑和保护功能。其形状可以为圆形或者方形。采用不锈钢、碳钢、铸铁、铝等材料制作，采用不锈钢材料可以防止氧化脱落造成的载体堵塞；使用氩弧焊、气焊、埋弧焊、手工焊、mig/mag焊接、tig焊接等工艺制作。考虑到放散煤气的特性，厚度通常采用1～6mm。当筒体的公称直径大于400mm，可采用卷制，以400mm为基数，以50mm或者100mm为进级档。当筒体的公称直径小于或者等于400mm，可采用管材。
壳体的进出口(接头)通常设置在底面，两端各一处，位置通常设计在中心处，也可以根据设备的连接方式设置在朝上或者朝下的位置。每处接头的数量可以设置为1个或者若干接口，可以通过三通或者四通等方式实现，方便连接并联多台放散煤气预热装置或者放散煤气显热回收装置，可以根据实际使用情况及需求设计。接头尺寸可根据管道尺寸，合理设计为0～1000mm。当烟道足够大，也可以选择性使用壳体，或者将烟道本身作为壳体。
控制系统通过实时监视换热管内介质的温度和流量数据，当发现温度超过警戒温度或者流量不正常时，向外界发出警报信号，同时对水泵和风机进行控制，直至温度和流量稳定在一个预定区间范围内。
控制系统具体可以测量、监视、控制并记录进入预热腔、预热管路内放散煤气的组分、浓度、温度、压力、流量等信息。一方面，基于放散煤气预热装置烟道输入的放散煤气信息，通过系统控制软件计算分析，可获得相应的冷却介质理论流量数据，形成对冷却介质动力装置(如水泵、风机等)功率的调控，保障热交换过程的安全高效进行；另一方面，通过对烟道压力的信息反馈，调节烟道动力装置(如风机等)功率的调控，使烟道在放散煤气不同组分、浓度、温度、压力、流量下可以稳定维持在微负压压力条件下。
控制系统能够对催化燃烧装置的工作过程实现测量、监视、控制并记录进入壳体内的放散煤气组分、浓度、温度、压力、流量等信息，保障催化燃烧反应过程的安全高效进行。
控制系统可对显热回收装置的工作过程实现测量、监视、控制，并记录进/出放散煤气的组分、浓度、温度、压力、流量等信息，与热交换的各个环节形成反馈，保障热交换过程的安全高效进行。同时，还可对换热管内涉及的炉气一氧化碳、碳氢化合物，以及污染物(特别是氮和硫等)成分、浓度数据，与催化燃烧装置的处理能力形成反馈。
控制系统实时监视换热管内冷却介质流道的温度、流量数据，当发现温度超过警戒温度或者流量数据为0，马上向外界发出警报信号，在一定时间内(由控制人员进行合理设置，如5秒钟等)主动控制开启冷却介质阀门或者提高水泵或风机功率，增加冷却介质流量，直到冷却介质流道的温度、流量数据长期稳定在一个给定的区间范围内，如冷却水出口流量不高于40℃。
控制系统通过安装在各管道处的防爆装置，实现瞬间超压或爆炸时防(泄)爆阀自动打开瞬间泄压，当系统压力小于安全设定值时阀门自动复位并密封，有效防止管道二次回火爆炸。
控制系统还可对可燃气体和污染物超出预定值时进行报警。将泄漏检测装置安装在各装置周围，用来监测环境中可燃气体和污染物浓度，当环境中可燃气体和污染物浓度高于某一设定值，对可能存在的危险进行预警，避免系统泄漏导致环境中可燃气体和污染物浓度过高对现场工作人员的影响。
此外，控制系统还对装置运行时的各种数据进行记录，如管道压力以及防爆装置启停数据等。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
1.一种放散煤气自持催化燃烧显热梯级利用装置，其特征在于，包括：
预热装置，包括内部设置有预热管路的预热腔，在预热腔上连接有与烟道连接的煤气入口，和输出预热后放散煤气的煤气出口，及与预热管路两端分别连接的高温进口和高温出口；
催化燃烧装置，包括内部设置有燃烧空间的壳体，和安装在壳体内提高燃烧效果的自催化载体和涂层，壳体的一端与煤气出口连接，另一端与高温进口连接；
显热回收装置，包括内部设置有换热管的换热腔，换热腔的一端与高温出口连接，另一端设置有煤气排出口，换热管的两端分别在壳体上连接有冷却入口和冷却出口；
控制系统，用于监视和控制各装置的工作过程，同时在各装置工作过程中出现异常时进行报警。
2.根据权利要求1所述的显热梯级利用装置，其特征在于，
所述烟道内为-50～-30pa的负压状态，放散煤气的浓度范围为：一氧化碳浓度<35％且氧气浓度>2％。
3.根据权利要求1所述的显热梯级利用装置，其特征在于，
所述涂层为助燃催化剂涂层，且所述涂层至少需要将150～200℃的放散煤气升温至300～500℃。
4.根据权利要求3所述的显热梯级利用装置，其特征在于，
所述涂层为pt、pd、rh金属或cu-ce-zr基催化剂。
5.根据权利要求1所述的显热梯级利用装置，其特征在于，
所述换热管内部流通的介质为水，且在冷却入口处安装有水泵。
6.根据权利要求1所述的显热梯级利用装置，其特征在于，
所述预热装置和所述显热回收装置处安装有控制内部放散煤气流动速度的风机；且在外表面依次包覆有保温隔热的保温层、保护作用的防护层以及防止液体浸入的防水层；保温层由防辐射材料制成，保护层为石绵和水泥构成的混合物涂层，防水层由油毛毡、铁皮或刷油玻璃布制成。
7.根据权利要求6所述的显热梯级利用装置，其特征在于，
所述控制系统通过实时监视所述换热管内介质的温度和流量数据，当发现温度超过警戒温度或者流量不正常时，向外界发出警报信号，同时对所述水泵和风机进行控制，直至温度和流量稳定在一个预定区间范围内。
8.根据权利要求7所述的显热梯级利用装置，其特征在于，
在各处管路的连接点处安装有防爆装置，防爆装置在管道出现瞬间超压或爆炸时，自动打开并进行泄压。
9.根据权利要求8所述的显热梯级利用装置，其特征在于，
所述控制系统还包括泄漏报警部件，泄漏报警部件通过对管道各处的可燃气体的浓度监控，提前在浓度超出预定范围时进行预警。
10.根据权利要求9所述的显热梯级利用装置，其特征在于，
所述预热腔将由所述烟道输入的20～150℃的放散煤气升温至150～200℃后输出至所述催化燃烧装置；同时将由所述预热管路内输入的300～500℃的放散煤气降温至110～150℃后输入所述换热管内，最终经所述换热腔内的冷却介质冷却后降温至50～100℃由所述冷却出口排出。
技术总结