從鼓風爐設備內的氣體中回收能量的製作方法

2023-06-12 00:20:11

專利名稱：從鼓風爐設備內的氣體中回收能量的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及鼓風爐設備(blast furnace plant，鼓風爐工廠設備)內的氣體處理，且更具體地，涉及在膨脹渦輪機內從爐頂氣中回收能量。
背景技術：
如所公知的，氣體在鼓風爐(BF)操作中扮演著重要角色。首先，氣體主流是在鼓風爐的爐腹區與爐膛區之間的過渡處被吹動並將與爐料(鐵礦石、焦炭、熔劑等)作用的氣流(或「鼓風」)。在鼓風氣流到達鼓風爐風口之前，其在通過再生爐(regenerative stove) (也就是考珀式爐(Cowper))時被預熱，再生爐通常是通過燃燒鼓風爐廢氣被加熱的。在考珀式爐上遊吸入的環境空氣形成「冷鼓風(cold blast)」，而考珀式爐下遊的被預熱的鼓風被稱為「熱鼓風」。鼓風爐中的其他主要氣流是在爐頂離開鼓風爐的氣體，也就是「爐頂氣」或「鼓風爐氣體」，該氣體是鼓風爐的副產物，是在鐵礦石被焦炭和/或其他燃料還原為金屬鐵時產生的。鼓風爐爐頂氣通常用作煉鋼廠或考珀式爐中的燃料，但其也可在鍋爐或發電廠中燃燒。它也可以在燃燒之前與天然氣或焦爐煤氣結合，或者提供具有更高熱值的氣體或油的火焰柱(flame support)從而維持燃燒。如還公知的，幾十年來，鼓風爐都利用內部過壓來操作，藉助適當選擇爐子尺寸， 這允許顯著提高材料和能量的轉化，且因此提高生鐵的產量。當然，內部過壓下的操作也意味著顯著增加了與設備和操作相關的附加成本。更具體地，其要求在冷鼓風壓縮機(或鼓風機)中產生具有適當供給壓力水平的壓縮空氣從而形成冷鼓風。過壓下的操作還常見的情況是離開爐頂氣的氣體處於顯著高於大氣壓的壓力。然而，爐頂氣仍含有可燃燒的成分，主要是一氧化碳和較低含量的氫氣，並可用作低熱值燃燒氣體，用於產生熱能或者機械能和電能。離開鼓風爐的爐頂氣還攜帶相當量的固體物質，主要是灰塵形式的物質。在爐頂氣的任何後續使用之前，都要求除去這些固體材料。傳統上這是在鼓風爐設備的氣體淨化分廠中完成的，該廠通常包括第一乾燥分離設備(具有重力分離器(除塵器)和/或軸流旋風器(axial cyclone)和後續溼式精細淨化設備(溼式分離器)。由於溼式淨化，爐頂氣溫度下降約100°C，並飽和有水蒸氣，且包括額外的液體水滴。長期以來就已知，在淨化後，除了利用爐頂氣的熱能，還在膨脹渦輪機中回收加壓鼓風爐爐頂氣的氣動能量(pneumatic energy)。在渦輪機中，爐頂氣膨脹至接近大氣壓，同時產生機械功。渦輪機轉子可接合到例如發電機、冷鼓風壓縮機、或任何其他負載。如現在還已知的，通過在淨化且因此冷卻的爐頂氣進入渦輪機之前對其加熱，可提高這種膨脹渦輪機(也稱為頂壓回收渦輪機(Top pressureRecovery Turbine)-TRT)的效率。為此，人們提出通過燃燒膨脹的爐頂氣而預熱渦輪機上遊的淨化爐頂氣。可替換地， JP 62074009提出通過熱交換器從爐渣粒化過程中提取熱量並將該熱量傳遞到TRT上遊的冷卻淨化的爐頂氣。
FR2663685描述了一種用於從鼓風爐氣體中回收能量的工藝。鼓風爐氣體經過精細和/或粗糙的灰塵過濾，然後進入與動力發生器接合的(壓力回收)渦輪機，並且進一步進入氣體管線以便進一步利用。在膨脹渦輪機(1 之前，如果需要的話，通過壓縮機分流一定比例的氣體(3-15%，優選5%)，並且在燃燒室中該氣體可能與高發熱燃料(如天然氣和焦爐煤氣)濃縮物燃燒。然後燃燒氣體在氣體渦輪機中膨脹。氣體渦輪機可以被接合至其自身的發電機或者經由離合器接合至膨脹渦輪機發電器。淨化的鼓風爐氣體的未分流部分在注入回收渦輪機之前，優選地通過與氣體渦輪機中的膨脹燃燒氣體熱交換，其溫度升高。冷鼓風氣流的一部分可以在空氣渦輪機中燃燒。發明目的本發明目的是提供另一種利用TRT從鼓風爐設備內的爐頂氣中回收能量的改進的方式。通過權利要求1所述的方法和權利要求6所述的鼓風爐設備實現該目的。

發明內容
本發明提出了管理鼓風爐設備中的氣流的優化方式，該方式允許以提高的效率操作TRT。根據本發明的方法，從冷鼓風預熱器(cold blastpre-heaterM即考珀式爐等) 上遊的壓縮冷鼓風氣流中提取熱量，並將該熱量(至少部分地)傳遞到膨脹渦輪機上遊的冷卻淨化的爐頂氣。從冷中提取熱量優選地是在其於冷鼓風主管中朝著預加熱器行進時進行，而不會消耗此冷鼓風用於加熱淨化的爐頂氣的目的。這樣做，在再生爐之前可降低冷鼓風溫度，且同時可提高冷卻淨化的爐頂氣的溫度，提高了考珀式爐和TRT兩者的效率。實際上，已知的是在TRT之前提高爐頂氣的溫度提高了 TRT的效率並避免了結冰的風險，同時在考珀式爐之前降低冷鼓風的溫度提高了該預熱步驟的效率。更特別地，冷鼓風的較低溫度增加了考珀式爐的熱容量。應該理解，現有技術的鼓風爐設備中，預熱被淨化爐頂氣所需要的能量是通過燃燒提供的或者從外部媒介(如爐渣粒化)中提取的，且冷鼓風消除的熱量被浪費，本發明的優點在於實現了冷鼓風與淨化的爐頂氣的熱交換，對改善考珀式爐和渦輪機兩者的性能是合適的。本發明一個特別顯著的方面在於獲得了冷鼓風與冷卻淨化的爐頂氣之間的一種 「自調節」熱交換。實際上，鼓風爐上遊的鼓風氣流條件影響鼓風爐下遊的爐頂氣氣流條件 (反之亦然)，且表現為使這兩種氣流處於熱交換關係自動地補償一側或另一側的變化。可以注意到，該工藝比FR 2663685中描述的工藝簡單得多，因為在瞬間工藝中， 除了熱量減少之外，冷鼓風氣流不受影響，並且特別是不會部分地分出而與爐頂氣在氣體渦輪機中燃燒。實際上，本方法提出了一種在TRT之前預加熱淨化的爐頂氣的更加簡單和有效的方式，其有益於整個廠的經濟。本發明還涉及一鼓風爐設備，其包括鼓風爐，連接到鼓風系統(blast air system)，該鼓風系統具有至少一個冷鼓風壓縮機和至少一個鼓風預熱器，其中，在冷鼓風壓縮機(一個或多個)中形成的壓縮冷鼓風在鼓風預熱器(一個或多個)中被加熱，以便向鼓風爐提供熱鼓風；
爐頂氣淨化單元，接收從鼓風爐釋放的爐頂氣；膨脹渦輪機，具有接合到負載的輸出軸，該膨脹渦輪機設置在爐頂氣淨化單元的下遊；預熱單元，位於爐頂氣淨化單元與膨脹渦輪機之間，以便加熱被淨化的爐頂氣氣流；以及從壓縮冷鼓風中提取熱量並將其至少部分地傳遞給預熱單元中的淨化的爐頂氣的裝置。本方法和鼓風爐設備的優選實施例在各從屬權利要求中說明。應該指出，任何適當的技術可用來從壓縮冷鼓風中提取熱量並將其至少部分地傳遞給淨化的爐頂氣。在這方面，人們可使用任何適當類型的結合熱交換流體迴路的熱交換器。一種可能類型的熱交換系統是所謂的「熱管(heat pipe) 」(直的或環形的)，其中蒸發器部件設置在冷鼓風一側而冷凝器部件設置在淨化的爐頂氣一側。


現在將通過實例參考附圖來描述本發明，附圖中圖1是具有氣體能量回收系統的本鼓風爐設備的第一實施例的示意圖；圖2是具有氣體能量回收系統的本鼓風爐設備的替換實施例的示意圖。
具體實施例方式在圖1中示意性示出本鼓風爐設備的第一實施例(僅示出空氣處理/調節設備)。 參考標號10表示鼓風爐，熱鼓風從鼓風系統輸入至該鼓風爐中，該鼓風系統包括鼓風機 12 (或壓縮機)和包括一組三個再生爐14的預熱器單元，這在本領域中是常見的。鼓風機 12壓縮空氣並形成冷鼓風流，該冷鼓風流流經冷鼓風主管16到達再生爐14。該冷鼓風流在再生爐14中被加熱到900°C到1300°C之間的溫度並流經熱鼓風主管18到達風口(未示出)，在風口處熱鼓風被注入鼓風爐10中。鼓風爐10釋放的爐頂氣至少部分地被引導到爐頂氣回收渦輪機20，以便從中回收氣動能量。參考標號22表示將爐頂氣運送到氣體淨化分廠M的廢氣管。爐頂氣淨化分廠M可以包括與一與溼式分離器洲順次連接的乾式分離器26。可以在分廠M中採用任何適當類型的淨化技術。被淨化的爐頂氣氣流通過管30經由預熱單元32供應至渦輪機20，以便加熱由於單元M中的淨化工藝已被冷卻下來的淨化的爐頂氣氣流。在渦輪機20中，淨化的爐頂氣膨脹到較低的壓力和溫度並將機械功提供至接合到渦輪機輸出軸的負載34(這裡示為發電機)。然後，渦輪機20下遊的膨脹爐頂氣經由出口管31可返回到淨化氣體網絡(clean gasnetwork)或傳輸到使用者/消費者設施，如電站。應該理解，本鼓風爐設備包括從壓縮冷鼓風中提取熱量並將其至少部分傳遞給預熱單元32中的淨化的爐頂氣的裝置。這有利地通過安裝在傳輸壓縮冷空氣到再生爐14的冷鼓風主管16上的熱交換器35實現。在熱交換器35中，冷鼓風與以36表示的熱交換迴路的熱交換流體形成熱交換關係(然而不混合)。熱交換迴路優選包括將熱交換流體從熱交換器35輸送到預熱單元32的泵送系統(未示出)，提取的熱量在預熱單元中至少部分被傳遞至淨化的爐頂氣。從冷鼓風提取熱量從而將其傳遞到淨化的爐頂氣提供了一種非常有利的方式在淨化的爐頂氣在TRT系統中膨脹之前預熱該淨化的爐頂氣。這也提高了再生爐14和渦輪機20兩者的效率。與冷鼓風熱量被浪費並且預熱淨化的爐頂氣需要燃燒器等所已知的方法相比，獲得了「自調節」效果。實際上，鼓風爐上遊和下遊的氣流條件被關聯，下面是說明如何操作的實例。實例爐頂氣壓力(TGP)越高，熱鼓風壓力(HBP)越高HBP = TGP+dP，其中dP是在渦輪機20之前的鼓風管線(blast line)、鼓風爐(BF)和氣體淨化廠M中的壓力損耗(根據 BF特性，dP大約是範圍在1. 0-2. 5bar之間的常數)。而且，TGP越高，在TRT20中的膨脹期間，爐頂氣溫度(TGT)下降就越多。在TRT20之前預熱淨化的爐頂氣是有意義的。如果淨化的爐頂氣沒有預熱，則在 TRT20之後的TGT將較低，導致TRT結冰的風險且發電機34中產生的電能減少。然而，如果在TRT20之後的TGT太高，也產生問題，諸如渦輪機20過熱或TRT下遊的潔淨氣體網絡中的密封材料過度受熱。然而，通過在TRT之前利用從冷鼓風中回收的熱量預熱爐頂氣，可實現有利的預熱方案，該方案提供自動、適當的加熱。如果鼓風爐10中的爐頂氣壓力增加，則鼓風機12 必須補償該壓力增加，且冷鼓風壓力增加，同時冷鼓風溫度相應地升高。同時，渦輪機20處的壓力差增加。但防止了結冰風險等，因為鼓風爐下遊的壓力增加表示鼓風爐10上遊的冷鼓風的壓力和溫度增加，且因此更多的熱量可從冷鼓風經由熱交換迴路36傳遞到淨化的爐頂氣。類似地，當減小TGP (如停止鼓風爐)時，渦輪機20之前的TGT降低，因為HBP也與HBT —起降低，且需要較少的熱量來預熱TRT之前的爐頂氣。這是有利的，因為從壓力也降低的冷鼓風可獲得較少的熱量。為了示例的目的，我們已經報告了圖1中鼓風爐10的氣體處理迴路的不同位置處的溫度和壓力。這些值已經計算。如看到的那樣，鼓風機將215°C和5. Ibarg的壓縮空氣送入冷鼓風主管16。在經過熱交換器35的給熱側之後，冷鼓風處於105°C和^arg。在淨化後，爐頂氣的溫度降到45°C，處於2. 3bargo然後爐頂氣氣流經預熱器32 的給熱迴路，這裡其溫度提升到103°C，處於2. 2 barg。然後，預熱的爐頂氣氣流入渦輪機 20並在25°C和網絡壓力下離開渦輪機。從冷鼓風到爐頂氣的熱量傳遞是通過熱交換迴路36實現的，該熱交換迴路與熱交換器35的吸熱側和預熱單元32的給熱側(heat-giving side)流體連通。可以注意到在該實例中，離開熱交換器35的熱交換流體的溫度為170°C ；在預熱單元32之後，熱交換流體將大部分熱量提供給爐頂氣並具有75°C的溫度。如從該實例中看到的那樣，通過提高其效率，該操作方案足以在避免結冰風險和過熱的水平上預熱TRT之前的爐頂氣。換句話說，自調節效果不僅允許加熱TRT之前的爐頂氣，而且在鼓風爐設備內提供可靠適當的TRT系統操作，也可用於TRT下遊的使用者。如圖1所示，雖然在傳統操作條件下從冷鼓風提取的熱量可能是充足的，但人們可能希望能夠向渦輪機20上遊的淨化爐頂氣提供額外的熱量。在圖2中示出這樣做的兩種可替換或互補方式，其中相同的參考標號表示鼓風爐設備的相同部件。首先，可通過以40表示的燃燒器等提供額外的熱量，該燃燒器安裝在熱交換迴路中，且位於從熱交換器35到預熱單元32的熱交換流體的液流上。此外，預熱器42可安裝在淨化氣體管30上，在預熱單元與渦輪機20之間。任何適當類型的技術可用於額外的加熱器40和42，如與熱交換器接合的燃燒器。還要指出，上面的描述是為了說明的目的。這裡的術語熱交換器包括任何適當類型的裝置，其中氣流/空氣流可與另一氣體或流體渦輪機形成熱交換關係，而不用彼此混合。任何與鼓風爐中的使用相兼容的技術都可使用。具體地，可使用熱管將熱量從冷鼓風傳遞給淨化的爐頂氣，這裡冷凝器部分可設置在預熱單元32中，且蒸發器部分設置在冷鼓風一側。而且對於膨脹渦輪機20、氣體淨化分廠M、再生爐14或熱交換流體迴路36，不再需要進一步的說明，因為這是本領域技術人員已知的設備類型及用途。
權利要求
1.一種用於從具有爐頂氣回收渦輪機系統的鼓風爐設備內的鼓風爐爐頂氣中回收能量的工藝，其中，所述鼓風爐設備包括與至少一個鼓風預熱器(14)關聯的至少一個冷鼓風壓縮機(12)，並且其中，由所述鼓風爐(10)釋放的加壓爐頂氣氣流經過爐頂氣淨化單元 (24)並被輸入到接合於負載(34)的膨脹渦輪機(20)，其特徵在於，從加壓冷鼓風中提取熱量並且將提取的熱量至少部分傳遞給所述膨脹渦輪機上遊的被淨化的爐頂氣。
2.根據權利要求1所述的工藝，其特徵在於，在所述爐頂氣淨化單元04)與所述膨脹渦輪機00)之間的預熱單元(32)，所述預熱單元(3 包括熱交換器，所述熱交換器具有所述被淨化的爐頂氣經過的吸熱側和供應有熱交換流體的給熱側，從所述壓縮冷鼓風中提取的熱量已經被傳遞給所述熱交換流體。
3.根據權利要求2所述的工藝，其特徵在於，在所述至少一個冷鼓風壓縮機(1 與所述至少一個鼓風預熱器(14)之間的冷鼓風熱交換器(35)，所述冷鼓風熱交換器(3 具有所述壓縮冷鼓風經過的吸熱側和所述熱交換流體循環通過其中的給熱側。
4.根據權利要求2或3所述的工藝，其特徵在於，將熱量增加給流向所述渦輪機上遊的所述預熱單元的熱交換流體。
5.根據前述權利要求中任一項所述的工藝，其特徵在於，將熱量進一步增加給所述渦輪機上遊的被淨化的爐頂氣氣流。
6.一種鼓風爐設備，包括鼓風爐(10)，連接至具有至少一個冷鼓風壓縮機(1 和至少一個鼓風預熱器(14)的鼓風系統，其中，在所述至少一個冷鼓風壓縮機(1 中形成的壓縮冷鼓風在所述至少一個鼓風預熱器(14)中被加熱，以便向所述鼓風爐(10)提供熱鼓風；爐頂氣淨化單元(M)，接收從所述鼓風爐(10)中釋放的爐頂氣；膨脹渦輪機(20)，具有接合至負載(34)的輸出軸，所述膨脹渦輪機00)位於所述爐頂氣淨化單元04)的下遊；預熱單元(32)，位於所述爐頂氣淨化單元(34)與所述膨脹渦輪機OO)之間以便加熱被淨化的爐頂氣氣流；其特徵在於，從所述壓縮冷鼓風中提取熱量並將其至少部分地傳遞給所述預熱單元 (32)中的所述被淨化的爐頂氣的裝置。
7.根據權利要求6所述的鼓風爐設備，其特徵在於，所述預熱單元(32)包括具有吸熱側和給熱側的熱交換器，所述被淨化的爐頂氣在所述吸熱側流向所述渦輪機，所述給熱側被構造成接收來自所述冷鼓風的熱量。
8.根據權利要求7所述的鼓風爐設備，其特徵在於，在所述鼓風系統中的所述至少一個鼓風預熱器(14)的上遊安裝熱交換器(35)，並且所述熱交換器具有供應有所述壓縮冷鼓風的給熱側和連接至熱交換流體迴路的吸熱側；並且所述熱交換流體迴路(36)連接至所述預熱單元(3 中的所述熱交換器的所述給熱側。
9.根據權利要求6所述的鼓風爐設備，其特徵在於，多個熱管，所述熱管被布置成使其冷凝器部分在所述預熱單元(3 處與所述被淨化的爐頂氣熱交換，並且使其蒸發器部分與所述冷鼓風熱交換。
10.根據權利要求6、7、8或9所述的鼓風爐設備，其特徵在於，在所述預熱單元(32)與所述膨脹渦輪機00)之間的淨化的爐頂氣氣流中的另一預熱單元02)。
11.根據權利要求8或10所述的鼓風爐設備，其特徵在於，位於所述熱交換流體迴路 (36)中的加熱器單元(40)，以便向流到所述預熱單元(3 的流體提供額外的熱量。
全文摘要
本發明提供一種用於從具有爐頂氣回收渦輪機系統的鼓風爐設備內的鼓風爐爐頂氣中回收能量的工藝，其中該鼓風爐設備包括與至少一個鼓風預熱器(14)關聯的至少一個冷鼓風壓縮機(12)，且其中由鼓風爐(10)釋放的加壓爐頂氣氣流經過爐頂氣淨化單元(24)並被輸入到接合於負載(34)的膨脹渦輪機(20)。根據該工藝，從加壓冷鼓風中提取熱量並將提取的熱量至少部分被傳遞給膨脹渦輪機上遊的被淨化的爐頂氣。
文檔編號C21B7/22GK102575899SQ201080047332
公開日2012年7月11日 申請日期2010年10月18日 優先權日2009年10月19日
發明者克裡斯蒂亞諾·卡斯塔尼奧拉, 卡諾·克羅薩, 法比奧·法比奧拉, 米凱爾·蘇沃羅夫 申請人:保爾伍斯股份有限公司