磷酸铁锂烧结含氢废气焚烧余热回收系统及方法与流程

本发明属于工业废气处理及能源回收，涉及一种对磷酸铁锂正极材料生产过程中产生的含氢废气进行安全焚烧处理，并对其焚烧热量进行多模式分级回收的系统及方法，具体是磷酸铁锂烧结含氢废气焚烧余热回收系统及方法。

背景技术：

1、磷酸铁锂（lifepo4）正极材料的主流生产工艺为高温固相法，以磷酸铁、碳酸锂和碳源（如葡萄糖、蔗糖、聚乙二醇等）为原料，在氮气保护气氛下于650-750℃进行高温烧结。在此过程中，碳源发生热分解和碳化反应，释放出含有氢气（h2）、一氧化碳（co）、二氧化碳（co2）、甲烷（ch4）及少量挥发性有机物（vocs）的工艺废气。

2、该含氢废气具有以下特征：

3、1、氢气浓度高：碳源热解产生的氢气在废气中的体积浓度可达10%-40%，远超氢气的爆炸下限（4%），属于高度易燃易爆气体；

4、2、热值波动较大：受批次配料差异、烧结温度曲线变化及碳源种类影响，废气中可燃组分浓度存在周期性或非周期性波动，热值波动范围可达30%-50%；

5、3、连续排放：烧结炉为24小时连续运行设备，废气排放持续稳定，年排放时间可达8000小时以上；

6、4、夹杂微量杂质：废气中可能携带微量粉尘（磷酸铁锂微粒）、焦油状有机物及水分。

7、目前，行业内对该类废气的处理方式主要有以下三种：

8、（1）直接排空燃烧（火炬系统）

9、将含氢废气直接引至火炬燃烧后排放。该方法虽然简单，但存在明显缺陷：一是高空火炬存在回火爆炸风险，二是燃烧热能完全浪费，三是燃烧不充分时可能产生黑烟和co超标排放。

10、（2）常规热力焚烧炉（to）

11、采用热力焚烧炉对废气进行销毁处理，焚烧产生的高温烟气经急冷或简单换热后排放。该方法仅解决了废气销毁问题，未对大量焚烧热量进行有效回收，热能利用率极低（通常低于20%），造成巨大能源浪费。

12、（3）催化氧化法

13、利用贵金属或非贵金属催化剂在较低温度下将废气氧化。但磷酸铁锂废气中的微量粉尘和焦油易导致催化剂中毒失活，更换成本高昂，系统可靠性差。

14、更为关键的是，现有技术中尚未出现能够根据磷酸铁锂生产企业的实际用能需求，灵活选择余热回收模式的集成系统。不同规模、不同地域、不同工艺配置、不同季节的磷酸铁锂工厂，对能源形式的需求各不相同：有的缺电，有的缺蒸汽，有的需要热风用于干燥工序；另外，各工厂对不同能源需求的比例也各不相同。如果一套余热回收系统只能产出单一能源形式，就会限制其在不同工厂的适用性，甚至造成二次能源浪费；如果对不同能源需求的比例无法调节，也会降低能源的利用率。

15、因此，亟需开发一种能灵活选择余热回收模式（发电、产蒸汽、产热水、产热风），且能够根据用户需求进行模式切换或组合的高效集成系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能灵活选择余热回收模式且能够根据用户需求进行模式切换或组合的磷酸铁锂烧结含氢废气焚烧余热回收系统及方法。

2、磷酸铁锂烧结含氢废气焚烧余热回收系统，其特殊之处在于：包括余热回收模式选择单元和智能控制单元；

3、所述余热回收模式选择单元包括烟气分配阀以及余热回收子系统，所述余热回收子系统包括余热发电子系统、余热产蒸汽子系统、余热产热水子系统、余热产热风子系统中的至少一种，每一套余热回收子系统的烟气接入管路均对应配置有烟气分配阀；

4、所述智能控制单元与各烟气分配阀电连接，根据预先内置的余热利用优先级策略，自动调节各烟气分配阀的开度。

5、优选的，所述智能控制单元还实时监测当前优先级余热回收子系统回路的用能需求，当该回路用能需求下降、产生富余烟气热量时，智能控制单元自动调控烟气分配阀，将多余烟气切换输送至次一级优先级对应的余热回收子系统。

6、优选的，所述磷酸铁锂烧结含氢废气焚烧余热回收系统还包括依次连通的废气收集单元、安全阻火单元、热力焚烧单元，所述热力焚烧单元与所述余热回收模式选择单元连接，所述智能控制单元分别与废气收集单元、安全阻火单元、热力焚烧单元电连接。

7、优选的，所述智能控制单元还内置热值自适应燃烧控制逻辑，实时采集废气中氢气、一氧化碳、氧气浓度信号并计算废气瞬时热值，将废气瞬时热值和热力焚烧单元的炉膛炉温反馈信号一并参与耦合运算，当废气瞬时热值高于目标值时，输出控制信号自动增大热力焚烧单元的助燃进风量，稀释降温，并结合炉温反馈完成闭环修正；当瞬时热值低于目标值时，输出控制信号自动减小热力焚烧单元的进风量，或启动补燃系统补热，同时接入炉温反馈信号构成闭环控制；当废气瞬时热值等于预设目标热值时，输出维持当前运行参数，并依托炉温反馈信号构成闭环控制。

8、优选的，当出现以下异常之一时，所述智能控制单元触发紧急联锁动作：

9、废气中h2浓度超过设定上限或低于设定下限；

10、废气中o2浓度异常升高；

11、热力焚烧单元的炉膛温度偏离安全区间；

12、热力焚烧单元的燃烧器火焰熄灭；

13、安全阻火单元中任一阻火装置失效报警；

14、紧急联锁动作包括自动关闭快关切断阀、打开氮气吹扫阀、停止助燃风机、转为最小风量、声光报警中的至少一种。

15、优选的，所述安全阻火单元包括单路或者并联的两路安全阻火子单元，单路安全阻火子单元由湿式水封阻火器、干式波纹板阻火器、防爆型爆破片装置、快关切断阀中的至少一种串联构成。

16、优选的，所述热力焚烧单元配置富氢燃烧器，所述富氢燃烧器包括燃烧器壳体、燃料供给组件、分级配风组件、点火稳焰组件、火焰检测组件以及水冷防护组件；

17、所述燃料供给组件包括燃料进口与燃料喷嘴，所述燃料进口连通燃料喷嘴；

18、所述分级配风组件包括空气进口、二级空气喷嘴以及旋流器，所述空气进口分别连通旋流器与二级空气喷嘴，旋流器套设于燃料喷嘴外周，所述二级空气喷嘴用于向第二燃烧区域补入二级助燃空气；

19、所述点火稳焰组件包括点火棒与稳焰盘，所述点火棒沿轴向穿设于燃烧器壳体内部；所述稳焰盘固设于旋流器顶端；

20、所述火焰检测组件包括火焰检测器，所述火焰检测器安装于燃烧器壳体下部并用于实时采集火焰信号，外接智能控制单元实现熄火联锁断气控制；

21、所述水冷防护组件为包覆于燃烧器壳体外侧的水冷保护套。

22、优选的，所述余热回收模式选择单元还与烟气净化排放单元连接。

23、优选的，所述废气收集单元包括与至少一台磷酸铁锂烧结炉的排气口密封连接的废气汇总管道。

24、优选的，当存在两套或者两套以上余热回收子系统时，各套余热回收子系统之间并联。进一步的，当有余热发电子系统时，余热发电子系统的废气通路的出口与其余余热回收子系统废气通路入口分别联通，当有余热产蒸汽子系统时，余热产蒸汽子系统的废气通路的出口与其余余热回收子系统的废气通路入口分别联通，当有余热产热水子系统时，余热产热水子系统废气通路的出口与其余余热回收子系统的废气通路入口分别联通，当有余热产热风子系统时，余热产热风子系统废气通路的出口与其余余热回收子系统的废气通路入口分别联通。

25、基于上述系统的磷酸铁锂烧结含氢废气焚烧余热回收方法，包括以下步骤：

26、s1：收集磷酸铁锂烧结炉排出的含氢废气；

27、s2：对含氢废气进行阻火安全处理；

28、s3：在热力焚烧单元中对废气进行高温焚烧；

29、s4：通过智能控制单元根据用户设定的余热利用优先级策略，自动选择或切换余热回收模式；

30、s5：对换热后的烟气进行scr脱硝处理后达标排放。

31、与现有技术相比，本发明具有以下突出的有益效果：

32、1.余热回收模式灵活多样，全覆盖用户需求：

33、本发明设置余热发电、余热产蒸汽、余热产热水、余热产热风四类余热回收子系统，各余热回收子系统均匹配烟气分配阀，可根据企业现场实际用能需求（有无并网许可、有无蒸汽管网、有无热风需求）进行单一模式独立投运或多种模式组合投运，能够同时适配厂区用电、工艺用汽、设备供暖、物料干燥等多元化用能场景，突破了现有技术只能单一发电或单一产蒸汽的局限，大幅拓宽了设备的适用范围与项目适配性。四个余热回收子系统采用模块化设计，可根据项目需求灵活选配、分期建设、后期升级，降低了用户的初始投资门槛。

34、2.基于余热利用优先级策略的智能梯级余热调度机制，实现了烟气余热的最大化梯级利用：

35、本发明预先设定余热利用优先级逻辑，优先保障高需求、高收益的余热回收回路满负荷运行；当高优先级子系统用能需求下降、换热负荷饱和产生富余烟气热量时，控制系统可自动调节各支路烟气分配阀开度，将富余烟气自动分流至次一级余热回收回路进行二次利用，有效解决了传统余热系统负荷匹配僵化、余热富余浪费的问题，显著提升了焚烧烟气的整体能源回收利用率。

36、3.热值自适应燃烧控制，针对性解决磷酸铁锂烧结含氢废气热值波动剧烈、炉温易震荡、余热输出参数不稳定的行业痛点：

37、本发明具备热值自适应前馈+pid闭环耦合调控能力，系统实时在线检测废气中氢气、一氧化碳、氧气关键组分，实时计算废气瞬时热值并作为前馈调控信号，结合炉膛温度闭环反馈信号进行耦合运算，根据废气热值动态自适应调节助燃风量与辅助补燃工况：热值偏高时自动增大风量稀释降温，热值偏低时自动减小风量或启动补热稳燃，全程将炉膛温度稳定在合理焚烧区间，有效规避炉温大幅波动问题，保证了下游余热回收品质的稳定，解决了产汽压力波动、发电功率脉动等工程难题。

38、4.安全性高：

39、采用多级阻火冗余防护体系，系统安全冗余与运维便捷性大幅提升。安全阻火单元采用单路多器件串联多级防护结构或双路子单元并联一用一备冗余结构，集成湿式水封阻火、干式波纹板淬熄阻火、爆破片超压泄放、紧急快关切断多重安全屏障，多层级阻断火焰逆向传播、抵御管路异常超压；同时并联冗余结构可实现单路离线检修、不停机作业，有效解决了传统阻火结构防护单一、故障率高、检修需停机的弊端，显著提升系统连续运行时长与设备运行可靠性。

40、此外，针对含氢废气浓度异常、管路氧含量异常、炉膛温度超区间、燃烧器熄火、阻火装置失效等各类高危异常工况，均可快速触发联锁保护动作，通过自动切断废气供给、开启氮气惰性吹扫、风机保护性冷却以及声光报警等联动措施，全方位阻断回火、爆燃、超压等安全风险，彻底适配高浓度含氢废气焚烧的高危工况，安全等级达到sil3级，保障整套系统长期连续安全运行。

41、5.经济性显著：

42、以年产5万吨磷酸铁锂产线为例，含氢废气量约4000nm³/h，采用余热发电主方案，净发电功率可达3.0-3.5mw。按年运行8000小时、电价0.6元/度计算，年发电收益可达1500-1700万元，3-4年可收回全套设备投资，之后进入纯收益期。

43、6.排放环保达标：

44、集成低nox燃烧器和scr脱硝，nox排放浓度可控制在50mg/nm³以下，co排放浓度可控制在100mg/nm³以下，满足最严格的环保排放标准。