CN101963455B - 采用生物质气的冶金钢铁加热炉系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用生物质气的冶金钢铁加热炉系统，其包括冶金钢铁加热炉加热炉、生物质气化反应系统及生物质可燃气管道输送系统。在加热炉中设有燃烧装置和燃气管道，其中，所述加热炉的燃气管道与一生物质气化反应系统直接连接，该生物质气化反应系统包括生物质原料供给装置、生物质流化床气化反应器、气化介质供给装置、以及设置于该生物质流化床气化反应器之外的两级以上的分离装置，所述的两级以上的分离装置至少包括第一分离装置和第二分离装置。本发明直接利用生物质气化反应系统现场制备可燃的生物质气代替传统的化石能源作为燃料供加热炉使用，并可实现多台气化反应系统并联供气给加热炉，不仅可以节省运输成本，而且对环境的污染少。

Description

采用生物质气的冶金钢铁加热炉系统

技术领域

本发明涉及一种冶金加热炉系统，更具体地讲，本发明涉及一种采用生物质气的冶金钢铁加热炉系统。

背景技术

在冶金工业中，加热炉习惯上是指把金属加热到轧制成锻造温度的工业炉，包括有连续加热炉和室式加热炉等。金属热处理用的加热炉另称为热处理炉。初轧前加热钢锭或使钢锭内部温度均匀的炉子称为均热炉。广义而言，加热炉也包括均热炉和热处理炉。

连续加热炉包括推钢式炉、步进式炉、转底式炉、分室式炉等连续加热炉，但习惯上常指推钢式炉。连续加热炉多数用于轧制前加热金属料坯，少数用于锻造和热处理。主要特点是：料坯在炉内依轧制的节奏连续运动，炉气在炉内也连续流动；一般情况，在炉料的断面尺寸、品种和产量不变的情况下，炉子各部分的温度和炉中金属料的温度基本上不随时间变化而仅沿炉子长度变化。

按炉温分布，炉膛沿长度方向分为预热段、加热段和均热段；进料端炉温较低为预热段，其作用在于利用炉气热量，以提高炉子的热效率。加热段为主要供热段，炉气温度较高，以利于实现快速加热。均热段位于出料端，炉气温度与金属料温度差别很小，保证出炉料坯的断面温度均匀。用于加热小断面料坯的炉子只有预热段和加热段。习惯上还按炉内安装烧嘴的供热带划分炉段，依供热带的数目把炉子称为一段式、二段式，以至五段式、六段式等。50～60年代，由于轧机能力加大，而推钢式炉的长度受到推钢长度的限制不能太长，所以开始在进料端增加供热带，取消不供热的预热段，以提高单位炉底面积的生产率。连续加热炉通常使用气体燃料、重油或粉煤，有的烧块煤。

最近几年是我国钢铁产业大发展时期，大型钢铁企业因产品结构调整，新建或改建项目大部分是热带、中厚板及冷轧、镀锌、彩涂等。地方中小型和民营钢铁企业多是建设和生产棒线材、窄中宽带及型钢等产品。

中小型钢铁厂，“滚雪球”式发展，由小到中，进一步发展到年产几百万吨钢铁产品的大型企业。这些企业多数不建焦炉，在轧钢加热炉的燃料选择遇到问题。小产量的加热炉还可以烧煤或煤粉，但因劳动条件极差又严重污染环境，受到限制。新建轧钢生产线动辄就是年产几十万吨，甚至百万吨，追求大卷重，高成材率；加热炉小时产量上百吨，加热的坯料长度最短6m，一般是9m，12m，最长的达16m；加热质量要求高，钢坯温差控制在30℃。因此，加热炉再烧煤，在技术上是完全不可行的。烧热脏煤气因工艺布置困难，也受到限制；可以选择烧重油，但运行成本高。而这些企业所建的小、中高炉产生的多余煤气，如果不利用而被迫放散，既污染环境，又浪费能源。此外，煤、煤粉或重油等燃料需各种运输过程从异地运送到生产现场供加热炉使用，由于煤、煤粉或重油等属于易燃易爆物品，容易发生事故，要求严格，造成运输成本高。

化石和矿物能源的危机使得人们更加重视可再生能源的利用。而生物质能就是一种可再生、可储存与替代、储量巨大、碳平衡的绿色能源。生物质能的本质是由植物的光合作用固定于地球上的太阳能。据统计，植物每年贮存的能量约相当于世界主要燃料消耗量的10倍，而作为能源的利用量还不到其总量的1％。生物质能源原料分布广、储量大、成本低、应用范围广，理论上说，取之不尽，用之不竭。它还是唯一可以转化为清洁燃料的可再生能源，其有害物质(硫和氮等)含量仅为中质烟煤的1/10，同时其能源利用可实现温室气体CO₂零排放。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种采用生物质气的冶金钢铁加热炉系统，直接利用生物质原料现场制备可燃的生物质气作为燃料供加热炉使用，不仅可以节省运输成本，而且对环境的污染少。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种采用生物质气的冶金钢铁加热炉系统，其包括加热炉，在加热炉中设有燃烧装置和燃气管道，其中，加热炉的燃气管道与一生物质气化反应系统直接连接，该生物质气化反应系统包括用于制备生物质燃气的生物质流化床气化反应器；为该生物质流化床气化反应器提供反应原料的生物质原料供给系统；设置于该生物质流化床气化反应器之外、并对该生物质流化床气化反应器之反应产物进行分离的两级以上的分离装置，该两级以上的分离装置至少包括第一分离装置和第二分离装置；以及为流化床气化反应器提供气化介质的气化介质供给系统。

优选地，在上述冶金钢铁加热炉系统中，生物质流化床气化反应器包括设置于其中部区域的第一进料口和第二进料口、设置于其底部的气化介质入口和废弃物出口、以及设置于其上部区域的物料出口；其中，生物质流化床气化反应器的第一进料口与生物质原料供给装置相接合，生物质流化床气化反应器的气化介质入口与气化介质供给装置相接合；第一分离装置包括设置于其上部区域的物料入口、设置于其中部区域的物料出口以及设置于其底部的循环出口；其中，第一分离装置的物料入口与生物质流化床气化反应器的物料出口相接合，第一分离装置的循环出口通过第一输送装置与生物质流化床气化反应器的第二进料口相接合；以及第二分离装置包括设置于其顶部的燃气出口、设置于其上部区域的物料入口、设置于其底部的循环出口；其中，第二分离装置的物料入口与第一分离装置的物料出口相接合，第二分离装置的循环出口通过第二输送装置和第一输送装置与生物质流化床气化反应器的第二进料口相接合。在本发明的生物质气化反应系统中，生物质原料如颗粒状的生物质原料在生物质流化床气化反应器与气化介质发生反应，生物质的聚合物如纤维素等发生热解、氧化、还原、重整等复杂的系列反应，得到CO、H₂和CH₄等燃气，其中，热解伴生的焦油进一步热裂化或催化裂化成为小分子碳氢化合物。气化介质供给装置可以包括风送装置，如鼓风机，风送装置通过管道连接于生物质流化床气化反应器底部的气化介质入口，将气化介质从生物质流化床气化反应器的底部吹入。

进一步地，燃烧装置包括设置在加热炉的炉墙中的蓄热室和燃烧器，蓄热室内设有多个蓄热体处理孔，多个蓄热体处理孔之间设有烧嘴孔，蓄热体处理孔与烧嘴孔在径向连通，在蓄热体处理孔内放置陶瓷蓄热体，在烧嘴孔内放置燃烧器。在首次点燃生物质气时，由燃烧器点火引燃生物质气，从烧嘴孔向炉内加热，同时蓄热体处理孔内的陶瓷蓄热体也吸收燃烧的热量保持高温状态。当生产流程的原因需短暂停止燃烧加热时，燃气管道停止向燃烧装置输送生物质气，当再次启动燃烧加热而输送生物质气时，燃烧器不需重新点火，陶瓷蓄热体的表面温度足够高而引燃生物质气。陶瓷蓄热体的存在延长了燃烧器的使用寿命，提高了点火效率。

进一步地，燃烧装置分别设置在加热炉顶部以及侧面的炉墙上，燃气管道包括燃气总管与燃气分管，燃气总管的进气口设置在加热炉顶部上方，燃烧装置通过燃气分管与燃气总管连接相通。设置在加热炉顶部的燃烧装置成水平直线排列，设置在加热炉两侧炉墙上的燃烧装置成垂直直线排列并对称分布，燃气总管呈倒U型，跨立在加热炉外，燃气总管的进气口居中设置，各燃气分管与燃气总管垂直连接。燃气总管通过燃气分管将生物质气输送到分布在加热炉顶部和侧面的燃烧装置中，因为生物质气自上而下的输送方式使得生物质气可均匀分配到燃烧装置中，同时燃烧装置自上而下的排列方式保证了加热炉内温度的均匀一致，有利于提高产品的加热成功率。

进一步地，在各蓄热体处理孔之间设置隔板，在每一蓄热体处理孔外设有封闭孔口的盖板。设置的隔板和盖板降低了陶瓷蓄热体的热量损失，减慢了陶瓷蓄热体的温度下降速度。

进一步地，蓄热室为方形，蓄热体处理孔为四个，分别紧靠蓄热室的四个角设置，烧嘴孔设置在蓄热室中间，在蓄热室的框架上设有紧固扣，每两块盖板由一根横穿过紧固扣的压杆压紧。四个独立的蓄热体处理孔进一步保证生物质气的点燃成功率，并且在某一个或几个失效的同时不影响点火的正常进行；此外，设置的压杆结构在压紧盖板确保密封效果，在需要维修清理蓄热体时可松开紧固扣轻松卸除压杆，打开盖板进行维修。

进一步地，生物质气化反应系统包括热交换装置，其中，来自第二分离装置燃气出口的燃气和来自气化介质供给装置的气化介质流经该热交换装置，并发生热交换，气化介质被预热，燃气被冷却；之后，被预热的气化介质则经由生物质流化床气化反应器的气化介质入口，送入生物质流化床气化反应器，被冷却的燃气则送至加热炉的燃气管道。这种设计一方面可以使离开反应系统的产物如燃气降温，以便其进一步被利用；另一方面，可以利用高温燃气预热气化介质，使得进入生物质流化床气化反应器的气化介质达到一定温度，便于生物质流化床气化反应器中的反应平稳进行，充分回收产物所携带的热量。

进一步地，生物质原料供给装置包括炉前储料装置和炉前送料装置；其中，炉前储料装置包括缓冲仓和工作仓，缓冲仓和所述工作仓分别包括进料口和出料口，工作仓的进料口与所述缓冲仓的出料口接合；炉前送料装置将来自工作仓出料口的原料送入生物质流化床气化反应器的第一进料口；缓冲仓和工作仓的底部出料口处均设有旋转阀。

进一步地，生物质气化反应系统包括料仓及送料装置，料仓包括顶部进料口和底部出料口；送料装置包括水平输送带和大倾角输送带，水平输送带位于料仓的底部出料口下方，大倾角输送带的起始端与水平输送带末端相接合，大倾角输送带的末端位于缓冲仓的顶部进料口上方。生物质颗粒状原料从料仓顶部的进料口进入料仓，从料仓底部的出料口落到水平输送带上，再由水平输送带转至大倾角输送带，由大倾角输送带最终完成向缓冲仓加料。

由于生物质流化床气化反应器会产生一些固体废弃物，若不及时排除会影响气化反应的正常进行。因而，本发明的生物质反应系统还可以包括排渣装置，该排渣装置可以为一螺旋输送装置，而且该螺旋输送装置的出料端高于其进料端，以防止反应气体经由该排渣装置外泄。由于本发明的气化系统是一微正压系统，这种倾斜设计可以很好地起到锁气作用。进一步地，可以在生物质流化床气化反应器底部的废弃物出口处和排渣装置的出料端均设有阀门，如旋转阀、球阀、滚筒阀等，而且这些旋转阀起到一种锁气装置的作用，例如，当排渣装置向外排渣时，则排渣装置出料端的旋转阀处于打开状态，而生物质流化床气化反应器底部的废弃物出口的旋转阀处于闭合状态；而当流化床气化反应向排渣装置排渣时，则排渣装置出料端的旋转阀处于关闭状态，而生物质流化床气化反应器底部的废弃物出口的旋转阀处于打开状态。

与现有技术相比，本发明直接利用生物质气化反应系统现场制备可燃的生物质气作为燃料供加热炉使用，不仅可以节省运输成本，而且对环境的污染少；此外，本发明的生物质气化反应系统设置了多级分离装置，使生物质颗粒能够充分反应，提高了气化效率，节约了能源，产生了更多燃气，提高了燃气发热量；由于生物质颗粒反应充分，减少了焦油和灰尘的产生，避免了焦油和灰尘在生物质流化床气化反应器内形成的安全隐患，同时减少了处理焦油和灰尘带来的环境污染问题。

下面结合附图对本发明作进一步详细说明，但本发明不局限于这些实施例，任何在本发明基本精神上的改进或替代，仍属于本发明权利要求书中所要求保护的范围。

附图说明

图1是本发明钢铁加热炉系统的结构示意图。

图2是本发明之钢铁加热炉系统的燃烧装置结构示意图。

图3是图2的左视图。

图4是本发明的生物质气化反应系统的生物质流化床气化反应器内通风管道排布纵截面示意图。

图5是本发明的生物质气化反应系统的生物质流化床气化反应器内通风管道排布横截面示意图。

具体实施方式

请参阅图1、图2和图3，本实施例的采用生物质气的冶金钢铁加热炉系统包括加热炉71与生物质气化反应系统，在冶金加热炉71中设置多个燃烧装置72、输送生物质气的燃气管道，生物质气化反应系统与燃气管道连接，其中，燃烧装置72分别设置在加热炉顶部以及侧面的炉墙85上，燃气管道包括燃气总管73与燃气分管74，燃气总管73的进气口75居中设置在加热炉顶部上方，燃烧装置72通过燃气分管74与燃气总管73连接相通。设置在加热炉顶部的燃烧装置72成水平直线排列，设置在加热炉两侧炉墙上的燃烧装置72成垂直直线排列并对称分布，燃气总管73呈倒U型，跨立在加热炉71外，各燃气分管74与燃气总管73垂直连接；燃烧装置72包括设置在炉墙中的蓄热室76和燃烧器77，蓄热室76呈方形，内设有四个蓄热体处理孔78，分别紧靠蓄热室76的四个角设置，烧嘴孔79设置在蓄热室76中间，即四个蓄热体处理孔78之间设有烧嘴孔79，蓄热体处理孔78与烧嘴孔79在径向连通，在蓄热体处理孔78内放置陶瓷蓄热体，在烧嘴孔79内放置燃烧器77，燃烧器77通过法兰80与燃气分管74连接；在各蓄热体处理孔78之间设置隔板81，在每一蓄热体处理孔78外设有封闭孔口的盖板82；在蓄热室76的框架上设有紧固扣83，每两块盖板82由一根横穿过紧固扣83的压杆84压紧。与燃气总管连接的生物质气化反应系统包括生物质流化床气化反应器如流化床1、第一分离装置如旋风分离器2、第二分离装置如旋风分离器3、风送装置如鼓风机4、热交换装置5、缓冲仓61、工作仓62、炉前送料装置如螺旋输送机7、料仓8、水平输送带91、大倾角输送带92、废弃物管道101、排渣装置如螺旋输送机102、废弃物存储装置103、放散管道111、点火装置112、水封阀12。其中，料仓8的顶部具有进料口，底部具有出料口；水平输送带91位于料仓8的底部出料口下方，大倾角输送带92的起始端与水平输送带91的末端相接合，大倾角输送带91的末端位于缓冲仓61的顶部进料口上方。缓冲仓61的顶部具有进料口，底部具有出料口；工作仓62的顶部具有进料口，底部具有出料口；缓冲仓61和工作仓62上下排布，工作仓62的顶部进料口位于缓冲仓61的底部出料口的下方；缓冲仓61的底部出料口处设有旋转阀。炉前送料装置如螺旋输送机7的起始端位于工作仓62的底部出料口下方，其终端通入流化床1的第一进料口。流化床1中部具有第一进料口和第二进料口；其底部具有气化介质入口和废弃物出口；其上部具有物料出口。废弃物出口连接废弃物管道101，废弃物管道101出口处置有排渣装置如螺旋输送机102。螺旋输送机102向上倾斜，即其出料端高于其进料端。螺旋输送机102的出料端置有废弃物存储装置103。第一分离装置如旋风分离器2的上部具有物料入口，该物料入口与流化床1的物料出口通过管道相连；其中部具有物料出口；其底部具有循环出口；该循环出口通过管道连接一回收物暂存装置21，回收物暂存装置21的底部出口外具有通向流化床1第二进料口的第一输送装置如螺旋输送机。第二分离装置如旋风分离器3的上部具有物料入口；其顶部具有燃气出口，燃气出口连接燃气总管；其底部具有循环出口；循环出口外具有通向回收物暂存装置21的第二输送装置如螺旋输送机。热交换装置5包括燃气入口、燃气出口及空气入口、空气出口；燃气入口和燃气出口分别连接燃气管道；空气入口和空气出口分别连接空气管道。第二分离装置如旋风分离器3的燃气出口设有水封阀12，水封阀12位于热交换装置5之前。水封阀12上设有一个放散口，该放散口连接放散管道111，放散管道111的出口端设有点火装置112。风送装置如鼓风机4通过空气管道连接于热交换装置5的空气入口，热交换装置5的空气出口连接于流化床1底部的气化介质入口，将空气从流化床1的底部吹入。

请参阅图1、图4和图5流化床1的底部置有多个通风管道，通风管道的进风口与流化床1的空气入口相通，通风管道的出风口上罩有斗笠形的风帽，风帽上置有多个小孔。

本实施例的工作过程如下：

生物质颗粒从料仓8经水平输送带91及大倾角输送带92进入缓冲仓61，经缓冲仓61进入工作仓62，然后经螺旋输送机7进入流化床1。鼓风机4向流化床1中送风。在流化床1中生物质颗粒与空气作用生成CO、H2和CH4等燃气和固体废弃物。固体废弃物经废弃物管道101及螺旋输送机102进入废弃物存储装置103。

燃气和未完全反应的生物质颗粒进入旋风分离器2，经分离后燃气和较轻的生物质颗粒进入旋风分离器3，较重的生物质颗粒通过螺旋输送机返回流化床1继续参加反应。

在旋风分离器3内，燃气和较轻的生物质颗粒进一步分离，燃气进入燃气管道，通过热交换装置5加热用于反应的空气，同时燃气被冷却，被冷却的燃气送至燃气总管供加热炉的燃烧装置使用(若有多余的燃气则进入放散管道111，在放散管道111的端部点燃)。

冷却的燃气(生物质气)从燃气总管73的进气口75处分三个流向：直接向下流经炉体顶部的燃气分管74后进入顶部的燃烧装置72；分别经过左右两侧的燃气总管73后向下流动，然后再通过与燃气总管73垂直连接的燃气分管74进入设置在炉体两侧炉墙85上的燃烧装置72。首次点火时，由燃烧器77将空气或其他助燃介质与生物质气混合点燃并将火焰从烧嘴孔79喷射到炉体内部对工件进行加热处理。同时，蓄热体处理孔78内的陶瓷蓄热体吸收火焰的热量，保持蓄热室内的温度达到混合气体的燃点，使下一次进入的气体能自动燃烧，不需再启动燃烧器的点火功能。

Claims (9)

1.一种采用生物质气的冶金钢铁加热炉系统，其包括加热炉，在加热炉中设有燃烧装置和燃气管道，其中，所述加热炉的燃气管道与一生物质气化反应系统直接连接，该生物质气化反应系统包括：

用于制备生物质燃气的生物质流化床气化反应器；

为所述生物质流化床气化反应器提供反应原料的生物质原料供给系统；

设置于所述生物质流化床气化反应器之外、并对所述生物质流化床气化反应器之反应产物进行分离的两级以上的分离装置，该两级以上的分离装置至少包括第一分离装置和第二分离装置；以及

    为所述流化床气化反应器提供气化介质的气化介质供给系统；

    其中，所述燃烧装置包括设置在加热炉的炉墙中的蓄热室和燃烧器，蓄热室内设有多个蓄热体处理孔，所述多个蓄热体处理孔之间设有烧嘴孔，蓄热体处理孔与烧嘴孔在径向连通，在蓄热体处理孔内放置陶瓷蓄热体，在烧嘴孔内放置燃烧器。

2.如权利要求1所述的采用生物质气的冶金钢铁加热炉系统，其中，

    所述的生物质流化床气化反应器包括设置于其中部区域的第一进料口和第二进料口、设置于其底部的气化介质入口和废弃物出口、以及设置于其上部区域的第一物料出口；其中，所述生物质流化床气化反应器的第一进料口与所述生物质原料供给系统相接合，所述生物质流化床气化反应器的气化介质入口与所述的气化介质供给系统相接合；

    所述的第一分离装置包括设置于其上部区域的第一物料入口、设置于其中部区域的第二物料出口以及设置于其底部的第一循环出口；其中，所述第一分离装置的第一物料入口与所述生物质流化床气化反应器的第一物料出口相接合，所述第一分离装置的第一循环出口通过第一输送装置与所述生物质流化床气化反应器的第二进料口相接合；以及

所述的第二分离装置包括设置于其顶部的燃气出口、设置于其上部区域的第二物料入口、设置于其底部的第二循环出口；其中，所述第二分离装置的第二物料入口与所述第一分离装置的第二物料出口相接合，所述第二分离装置的第二循环出口通过第二输送装置和第一输送装置与所述生物质流化床气化反应器的第二进料口相接合。

3.如权利要求1所述的采用生物质气的冶金钢铁加热炉系统，其中，所述燃烧装置分别设置在加热炉顶部以及侧面的炉墙上，燃气管道包括燃气总管与燃气分管，燃气总管的进气口设置在加热炉顶部上方，燃烧装置通过燃气分管与燃气总管连接相通。

4.如权利要求3所述的采用生物质气的冶金钢铁加热炉系统，其中，所述设置在加热炉顶部的燃烧装置成水平直线排列，所述设置在加热炉侧面炉墙上的燃烧装置成垂直直线排列并对称分布，所述燃气总管呈倒U型，跨立在加热炉外，所述燃气总管的进气口居中设置，所述各燃气分管与燃气总管垂直连接。

5.如权利要求1所述的采用生物质气的冶金钢铁加热炉系统，其中，在所述各蓄热体处理孔之间设置隔板，在每一蓄热体处理孔外设有封闭孔口的盖板。

6.如权利要求5所述的采用生物质气的冶金钢铁加热炉系统，其中，所述蓄热室为方形，所述蓄热体处理孔为四个，分别紧靠蓄热室的四个角设置，所述烧嘴孔设置在蓄热室中间，在所述蓄热室的框架上设有紧固扣，每两块所述盖板由一根横穿过紧固扣的压杆压紧。

7.如权利要求2所述的采用生物质气的冶金钢铁加热炉系统，其中，所述的生物质气化反应系统进一步包括热交换装置，其中，来自所述第二分离装置燃气出口的燃气和来自所述气化介质供给系统的气化介质流经该热交换装置，并发生热交换，气化介质被预热，燃气被冷却；之后，被预热的气化介质则经由所述生物质流化床气化反应器的气化介质入口，送入所述生物质流化床气化反应器，被冷却的燃气则送至所述加热炉的燃气管道。

8.如权利要求2所述的采用生物质气的冶金钢铁加热炉系统，其中，所述的生物质原料供给系统包括炉前储料装置和炉前送料装置；其中，所述炉前储料装置包括缓冲仓和工作仓，所述缓冲仓和所述工作仓分别包括进料口和出料口，所述工作仓的工作仓进料口与所述缓冲仓的缓冲仓出料口接合；所述炉前送料装置将来自所述工作仓出料口的原料送入所述生物质流化床气化反应器的第一进料口；所述缓冲仓和工作仓的底部出料口处均设有旋转阀。

9.如权利要求1所述的采用生物质气的冶金钢铁加热炉系统，其中，所述的生物质气化反应系统进一步包括料仓及送料装置，所述料仓包括顶部进料口和底部出料口；所述送料装置包括水平输送带和大倾角输送带，所述水平输送带位于所述料仓的底部出料口下方，所述大倾角输送带的起始端与所述水平输送带末端相接合，所述大倾角输送带的末端位于所述缓冲仓的顶部进料口上方。

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