用於從高爐氣中分離氮氣的氧氣濃縮器的使用的製作方法

2023-05-11 09:20:16 1

專利名稱：用於從高爐氣中分離氮氣的氧氣濃縮器的使用的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種使用在鑄造高爐氣中可獲得的餘熱和機械能的方法，更具體地涉 及用於處理包含殘餘量的未燃碳氫燃料的高溫高爐排氣以形成用於燃氣渦輪發動機的清 潔的補充燃燒氣體和工作流體的工藝。
背景技術：
眾所周知，將鐵礦石還原成商品級鐵和鋼的高爐操作遭受顯著的低熱效率。典型 的高爐僅僅使用供應到冶煉廠以製造粗鐵的總熱能的大約66%，其中需要非常大量的空氣 以燃燒焦炭供給。還已知的是，高爐排氣流經常包含在鐵礦石還原工藝中必須釋放的、處理 的或保持未使用的可使用量的未燃碳氫化合物。以前保存高爐操作期間及其之後產生的熱能的努力主要集中在減少執行初始鑄 造操作所必需的燃料量，諸如減少用於加熱鐵礦石的焦炭氣、天然氣或加熱油的量。基於可 通過增加燃料氣體供給的輸入溫度改進任何冶金工藝的經濟性的理論，其它方法已企圖使 來自高爐排氣的熱量再循環以支持鐵礦石的初始提煉。近年來，提出有限數量的技術以通過在下遊操作中更好地利用高爐排氣的熱量和 潛在功來改善鑄造操作的熱效率，包括驅動發電設備的旋轉件的氣流。然而，這些已知的工 藝遭受顯著的低熱效率，以及由於在排氣中存在固體顆粒而引起的操作問題。此外，對於較 小尺寸的鑄造爐，相關的燃氣渦輪發動機的發電容量在經濟性上可能是不合理的。購買並安裝所需的發電設備的初始投資可能是非常昂貴的，這使得收回下遊工藝 中的投資的時間令人無法接受地長。許多稱為「聯合」的工廠也沒有足夠的空間來容納從 排出的高爐氣中發電所必需的相對複雜和昂貴的設備，這主要因為需要容納在鑄造操作 開始時以環境空氣的形式引入到高爐中的大量的氮氣。來自普通高爐的標稱排氣流包括 45-50%體積比的氮氣。因此，迄今為止，處理高爐排氣的大多數傳統工廠不能夠完全重新捕獲排氣在其 離開高爐時的燃燒值或潛在功。典型地，氣體在1. 5和2. 0巴計量之間的壓力下在具有較 高的可感熱容量(氣體溫度典型地在150°C和200°C之間)的情況下產生於爐子。排氣還 包含氮氣和氣態形式的未燃碳氫燃料的殘餘量。已嘗試回收殘餘燃料成分和/或使用從排 出的高爐氣中可獲得的工作力。然而，不變地，這種工藝因在排氣中存在氮氣、二氧化碳和 一氧化碳而遭遇有限的成功，這些排氣中的氮氣、二氧化碳和一氧化碳傾向於降低任何隨 後使用的燃料值，尤其在燃氣渦輪發動機中。因此，假如供給到渦輪發動機的氮氣量可顯著減少，那麼存在提高燃氣渦輪發動 機的結合的燃料供給的總體熱效率的可能。在過去，利用市場上可獲得的「氧氣濃縮器」，分 子篩(molecular sieve)已小規模用於從環境空氣中分離N2。一種稱為「變壓吸附」(「PSA」) 的已知方法基於種的分子特徵和對吸附材料的親合力，成功地用於在壓力下將特定氣體種 從氣體混合物中分離。PSA在環境溫度附近操作，因此不同於導致氣體分離的低溫蒸餾技 術。專用的吸附材料作為分子篩，優選在高壓下吸附目標氣體種。然後，該工藝轉換到低壓以使吸附材料解除吸附。由於多種原因，採用PSA技術的傳統氧氣濃縮器不能大規模地有效地用於處理高 爐排氣或產生到燃氣渦輪發動機的補充供給。例如，傳統的氧氣濃縮器在清除諸如存在於 高爐排氣流中的一氧化碳、二氧化碳或氬氣的高爐燃燒的其它副產物時不是有效的。來自鑄造高爐的排氣造成使未經處理的氣體對於下遊燃氣渦輪發動機中的使用 不可接受的另一個重要問題。由於在初始高爐操作期間產生和夾帶於排氣中的固體顆粒的 存在，該氣體不能直接供給到燃燒器或產生動力的燃氣渦輪發動機的任何級中。燃氣渦輪 發動機的製造商通常要求大約5mg/Nm3的最大進口顆粒負荷。因此，在任何高爐氣能夠合格 地在燃氣渦輪發動機中使用之前，它必須經過清潔以將該氣體從其初始的「骯髒」狀態(典 型地8. 10g/Nm3)轉換到燃氣渦輪進口所需的標準。

發明內容
根據本發明的從高爐排氣流中分離氮氣的工藝包括基本步驟(1)移除在高爐排 氣流(通常包含大約45-50%氮氣、氧氣、殘餘碳氫燃料化合物以及碳顆粒)中夾帶的固 體顆粒，以形成基本上無顆粒的氣流；(2)傳送無顆粒的氣流通過包含能夠從該氣流中的 空氣中吸附氮氣的吸附材料的至少一個分離器床；(3)吸附存在於氣流中的基本上所有的 氮氣，作為位於至少一個分離器床中的固體上的間隙(interstitial)氮氣；(4)將離開分 離器的任何未被吸附的碳氫燃料和氧氣成分作為補充燃料供給到燃氣渦輪發動機中；以及 (5)從分離器床上移除吸附的氮氣。


圖1是本發明的示例性實施例的工藝流程圖，其示出用於在將氣流引入到燃氣渦 輪發動機中之前移除存在於高爐氣流中的基本上所有的游離氮氣的設備的要件和關鍵工 藝流程。
具體實施例方式如上所述，高爐排氣的主要組成氣體包括氮氣、二氧化碳、一氧化碳、氧氣、少量惰 性化合物(例如，氬)以及殘餘的未燃碳氫燃料成分。本發明的分離器/濃縮器系統移除 大部分的游離氮氣，從而增加可獲得的氧氣和氣態碳氫化合物的量。在本發明的示例性實 施例中，移除夾帶的固體顆粒的步驟將顆粒濃度從大約8. lg/Nm3降低到大約5mg/Nm3的水 平。優選地，用於實施該工藝的吸附材料包括包含沸石、活性碳、矽膠或礬土的珠子的分子 篩。根據本發明的方法還設想使用並行操作的多個分離器床，也就是說，至少一個分離器床 吸附氮氣，而其它床操作成移除已吸附的氮氣。重要地，本發明以改善下遊燃氣渦輪發動機的總體效率方式首先處理然後再利用 高爐排氣。大多數高爐氣的N2含量在乾燥基礎上典型地在45%到50%體積比之間。儘管 排氣包括可用量的氧氣和碳氫燃料，但是存在於高爐氣中的氮氣的量顯著地降低該氣體的 熱值。氣流中的氮氣和燃燒副產物的量還使得使用傳統的氣體淨化方法隔離任何剩餘的碳 氫燃料變得困難和昂貴。因此，在一個示例性實施例中，相比於傳統的氧氣「濃縮器」，本發明更大規模地使
5用分子篩床，以便選擇性地移除氮氣和潛在地移除諸如CO和CO2的其它氣體，從而在增加 排氣的內在熱值和潛在工作力的同時顯著增加氧氣的百分比。在過去，傳統的氧氣濃縮器 用於製造高純氧氣(典型地在50-95%之間的範圍內，取決於到濃縮器的輸入)，但是並未 在高爐氣流的典型流動狀態下。現在已經發現，控制用於高爐氣流的分子篩特性和在如下 所述的工藝流狀態下移除氮氣顯著改善下遊燃氣渦輪的總體熱效率。一旦移除諸如氮氣的 氣體，可應用諸如胺或膜分離單元的氣體捕獲技術以進一步提高氣體熱值。此外，通過回收 高爐氣中的熱能和工作能，鑄造將更加能量有效和從環保角度來看更加「綠色」。分離器床(在此稱為「氮氣移除床」)以與稱為「變壓吸附」或「PSA」的氧氣濃縮 器相同的總體原理操作。這裡，PSA方法依賴於在並行操作的不同吸附劑分離器床上的壓 力轉換，以便減少供給到床上的氣體混合物中的一種特定成分(氮氣)的量。在大多數變 壓吸附工藝中，壓力下的氣體在增加的壓力下傾向於被吸引到固體表面(「被吸附」)。當 壓力降低時，氣體可被釋放，或者從系統中「解除吸附」並移除。已經發現改進的PSA工藝有利地用於分離高爐排氣中的氮氣，這是因為氮氣傾向 於吸引到床材料的固體表面，達到與比其它組分(尤其是氧氣)不同的程度。本發明的示 例性實施例使用至少兩個並行操作的床。當一個床達到其吸附氮氣的容量的極限時，該床 可以通過降低壓力並釋放所吸附的氮氣而再生。然後該床準備開始生產氮氣耗盡但氧氣和 殘餘碳氫燃料成分更高的排氣的另一個周期。因為PSA工藝優先吸附氮氣超過吸附氧氣， 所以與吸附劑接觸的增壓空氣包含顯著更高的氧氣的體積百分比。富含氧氣的氣流可連續 地從吸附區排出(例如，作為燃氣渦輪燃燒器的補充供給)，同時吸附的氮氣在降低壓力狀 態下可被清除。儘管存在諸如一氧化碳和惰性化合物的其它組分，但是已經發現不同類型的PSA 床材料，包括沸石或甲醚珠子，從排氣流中有效地移除氮氣。此外，通過使用本文描述的並 行操作的多個變壓吸附床，穿過該床的氮氣可以以縱列的方式有效地移除，從而顯著增加 剩餘在排氣中的殘餘氧氣和未燃碳氫化合物成分的量。圖1中描述的工藝示出並行操作的兩個分離器(濃縮器)中的每一個，其中，各 分離器包括用於經受處理的高爐排氣的主進口和出口氣體控制閥、以及包含氮氣吸附劑媒 介(典型地以珠子的形式)的分子篩床。在第一分子篩床的填充周期期間，第一進口和出 口閥開啟，第二進口和出口閥關閉，以允許排氣供給中的氮氣吸附在第一分離器中。當吸附 工藝繼續時，離開第一分離器的游離氮氣(即不能被吸附的氮氣)的量將隨著時間逐漸增 加，直到該量達到閾值濃度水平，在該水平上，到第一分離器的供給必須切換到並行操作的 分罔器。在第二分子篩床的填充周期期間，第一輸入和輸出閥關閉，第二輸入和輸出閥開 啟，以允許氣流通過分離器進入到燃氣渦輪。在各個相應的分子篩床的填充周期完成之後， 用於該特定分離器的出口閥可開啟，以允許位於吸附珠子上的間隙氮氣從分離器中移除， 而第二分離器仍在填充。用於實施圖1所示的本發明的PSA系統的吸附劑典型地包括因為其大的表面面積 而被選擇的多孔材料。典型的吸附劑包括活性碳、矽膠、礬土和沸石珠子。儘管吸附在表面 上的氣體典型地由單一氣體層構成，但是該珠子能夠吸附佔其非常大部分重量的氮氣。因 此，沸石和活性碳(「碳分子篩」)具有篩子特徵，其能夠基於尺寸排除氣體分子並限制吸附較大分子的能力。在這種情況下，床優先吸附游離氮氣並允許氧氣和殘餘碳氫化合物從分 離器連續地排出。具體地參考圖1，傳統的高爐構造包括爐子本身10，其在尺寸方面設置為接收作 為還原鐵礦石以生產鐵水16的主要燃燒反應物的鐵礦石供給13、焦炭11、石灰石12和環 境空氣14。當爐子在穩態狀態下操作時，產生的廢渣15從高爐中連續地移除。離開高爐的 氣流包括在高爐操作期間產生的相當大部分的氮氣、未使用的氧氣、氬氣和殘餘量的未燃 碳氫化合物，所有這些氣體結合成在17處離開爐子的排氣流。在氣流可用於任何下遊渦輪 操作之前必須從系統中移除的硬顆粒成分通過如圖所示在標記為「氣體淨化」的步驟18中 移除，並可包括例如靜電式除塵器。產生的清潔的、即無顆粒的、高爐排氣流19穿過如圖所示的並行操作的氮氣分離 器(「濃縮器」)22和23，以便提供作為到燃氣渦輪發動機31的供給的高爐排氣的連續使 用。在一個操作序列中，分離器22和23各包括主要的進口和出口線路20，21，26和27，其 分別具有相應的氣體控制閥24，25，28和29，用於控制經受使用依次操作的並行分離器處 理的高爐排氣。各分離器包括包含氮氣吸附劑媒介(典型地以珠子的形式)的分子篩。在 第一分子分離器床的填充周期期間，第一進口和出口閥24和28開啟，第二進口和出口閥25 和29關閉，以允許排氣供給中的氮氣在第一分離器中被吸附。一旦在第一分離器中達到閾值吸附水平，控制閥24和28關閉，分離器23中的閥 25和29開啟以允許連續的氮氣移除工藝。然後，在各個分離器中的吸附的氮氣能夠通過降 低各個完全填充的分離器中的壓力而從系統中移除(排出)，如上所述。圖1還示出從分離 器22和23中產生的基本上無氮氣和無顆粒的產物流如何能夠直接供給到示出為具有傳統 的輸入和排氣流33和32的燃氣渦輪發動機31的燃燒室30中。如上所述，通過使用改進的PSA工藝，本發明利用在不同的氮氣吸收床中的交替 壓力序列的重複周期。最終結果是隨著時間進行的連續的和更有效的濃縮器操作，以及比 小型的傳統氧氣濃縮器更大規模地處理高爐排氣的能力。因此，諸如圖1所示的多床系統 用於提高濃縮器效率和增加到下遊燃氣渦輪發動機的總體氣體產量。圖1還示出在氣體穿過並行濃縮器之前處理高爐氣排出所必需的除塵構件(大體 示出為「氣體淨化」階段18，其可包括例如靜電式除塵器)的使用。用於本發明的顆粒提取 系統可包括初步和精細塵粒的淨化階段。例如，初步淨化階段可包括直接連接到高爐爐喉 的豎直的壓力容器，由此爐氣從主排氣管豎直進入壓力容器。在進入壓力容器時的橫截面 的增加導致氣體速度的降低。在該氣流在壓力容器頂部離開捕塵器之前，最粗糙的顆粒從 氣體流中豎直下降。然後，分離的顆粒收集到集塵鬥中並在壓力容器的底部移除。預清潔 的高爐氣從捕塵器傳送到精細清潔階段，其通常包括移除剩餘的最小的夾帶顆粒的至少一 個氣體洗滌器或靜電式除塵器(例如，圖1中的淨化階段18)。高爐氣還可在離開捕塵器之後和在傳送到精細清潔階段之前穿過旋風分離器 (未示出)。旋風分離器通常包括並行連接的一個或更多個分離器。高爐氣高速切向地供 給以便顆粒通過離心力甩到旋風分離器的外壁並從外壁向下滑入到集塵鬥中。儘管結合目前被視為最實用和優選的實施例來描述本發明，但是應理解的是，本 發明不局限於所公開的實施例，而正相反，本發明意圖覆蓋包括在所附權利要求的精神和 範圍內的各種變更和等價布置。
權利要求
一種從包含空氣和未燃碳氫化合物的高爐排氣流(17)中移除氮氣以形成燃氣渦輪發動機(31)的補充供給的方法，其包括步驟移除在所述高爐排氣流(17)中夾帶的固體顆粒以形成基本上無顆粒的氣流(19)；傳送所述基本上無顆粒的氣流(19)通過分離器床(22)，其包括能夠從所述無顆粒的氣流(19)中的空氣中吸附氮氣的吸附材料；吸附在所述無顆粒的氣流(19)中的基本上所有的氮氣，作為在所述分離器床(22)內的固體上的間隙氮氣；將在所述基本上無顆粒的氣流(19)中的未吸附的碳氫燃料和氧氣成分供給到所述燃氣渦輪發動機(31)；以及從所述分離器床(22)排出氮氣。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述移除夾帶的固體顆粒的步驟將顆粒 從大約8. lg/Nm3降低到大約5mg/Nm3的水平。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述從所述高爐排氣流(17)中移除氮氣 的步驟作為連續工藝實施。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述吸附材料形成包含沸石、活性碳、矽 膠或礬土的珠子的分子篩。
5.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，存在於所述高爐排氣流(17)中的氮氣的 量是大約45%到50%體積比。
6.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括在將所述氣流供給到所 述燃氣渦輪發動機(31)之前傳送所述無顆粒的氣流(19)通過胺或膜分離單元的步驟。
7.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述傳送所述無顆粒的氣流(19)通過 分離器床的步驟還包括傳送所述氣流(19)通過每次一個地並行操作的多個分離器床(22， 23)。
8.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述移除夾帶顆粒的步驟包括首先傳送 所述高爐排氣流(17)通過靜電式除塵器(18)。
9.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述移除夾帶顆粒的步驟包括首先傳送 所述高爐排氣通過旋風分離器。
10.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述分離器床(22，23)中的至少一個操 作以吸附氮氣，而其餘分離器床(22，23)中的至少一個操作以從床中排出吸附氮氣。
11.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述其餘分離器床(22，23)的所述一個 通過降低所述床的操作壓力以釋放氮氣而周期性地再生。
12.一種用於從包含空氣和未燃碳氫化合物的排氣流(17)中移除氮氣以形成燃氣渦 輪發動機(31)的補充供給的系統，其包括靜電式除塵器(18)，其在尺寸方面設置成移除夾帶在所述高爐排氣流(17)中的固體 顆粒以形成基本上無顆粒的氣流(19)；至少一個分離器床(22)，其包括能夠從所述無顆粒的氣流(19)中的空氣中吸附氮氣 的吸附材料；第一氣體傳輸閥(24，28)，其可操作以引導包含氮氣的所述無顆粒的氣流進入並通過 所述分離器床(22)；以及操作以引導所述分離器床(22)下遊的所述無顆粒的氣 流(19)進入到所述燃氣渦輪發動機(31)的燃燒器中。
13.根據權利要求12所述的用於從排氣流(17)中移除氮氣的系統，其特徵在於，所述 吸附材料形成包含沸石、活性碳、矽膠或礬土的珠子的分子篩。
14.根據權利要求12所述的用於從排氣流(17)中移除氮氣的系統，其特徵在於，存在 於所述排氣流(17)中的氮氣的量是大約45%到50%體積比。
15.根據權利要求12所述的用於從排氣流(17)中移除氮氣的系統，其特徵在於，所述 分離器床包括每次一個床地並行操作的多個分離器床(22，23)。
全文摘要
本發明涉及用於從高爐氣中分離氮氣的氧氣濃縮器的使用。一種從包含氧氣、氮氣和未燃碳氫化合物的高爐排氣流(17)中連續地移除氮氣以便形成包含殘餘碳氫燃料的燃氣渦輪發動機(31)的補充供給的方法首先移除在高爐排氣流(19)中夾帶的固體顆粒以產生基本上無顆粒的氣體(19)；傳送無顆粒的氣流(19)通過包含能夠從空氣中吸附氮氣的吸附材料的至少一個分離器床(22)；吸附基本上所有的氮氣，作為分離器床內的固體上的間隙氮氣；將離開分離器的未吸附的碳氫燃料和氧氣成分供給到燃氣渦輪發動機(31)以及從分離器床中移除吸附的氮氣。
文檔編號B01D53/047GK101879397SQ201010176830
公開日2010年11月10日 申請日期2010年5月7日 優先權日2009年5月7日
發明者S·D·德雷珀, S·拉比埃 申請人:通用電氣公司