CN102325578A - 用于将气态的组成部分分离出来的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于将至少一个气态的组成部分从用于制造液态的生铁、液态的钢预产品或者海绵铁的设备（24）的废气（14）中分离出来的一种方法和一种装置，其中在第一步骤中废气（14）的气流在第一压力下流过至少一个吸附分离器（16），由此将所述气态的组成部分绝大部分从所述废气（14）中分离出来，并且在第二步骤中将所述气态的组成部分在比所述第一压力低的第二压力下绝大部分从所述吸附分离器（16）中除去。本发明的任务是，提供一种方法和一种装置，所述装置免维护、引起较低的投资成本及能源成本并且具有较小的空间位置需求。该任务通过一种方法得到解决，对于该方法来说所述第二压力或者解吸压力通过至少一台喷射泵（7）来产生，在此在比所述第二压力高的第三压力下将驱动气体（28）的气流输送给所述喷射泵。

Description

用于将气态的组成部分分离出来的方法和装置
技术领域
本发明涉及用于将至少一个气态的组成部分从用于制造液态的生铁、液态的钢预产品或者海绵铁的设备的废气中分离出来的一种方法和一种装置。
具体来讲，本发明涉及一种用于将至少一个气态的组成部分从用于制造液态的生铁、液态的钢预产品或者海绵铁的设备的废气中分离出来的方法，其中在第一步骤中废气的气流在第一压力下流过至少一个吸附分离器，由此将所述气态的组成部分绝大部分从所述废气中分离出来，并且在第二步骤中将所述气态的组成部分在比所述第一压力低的第二压力下绝大部分从所述吸附分离器中除去。
用于实施这种方法的装置具有至少一个吸附分离器和至少一个用于产生解吸压力的装置。
背景技术
由AT 41796 A公开了一种用于将二氧化碳从用于制造海绵铁的设备的废气中分离出来的装置，该装置具有吸附分离器和用于产生解吸压力的装置，其中所述用于产生解吸压力的装置构造为压缩机。
用于产生尽可能低的解吸压力的压缩机的使用并不有利，因为所述压缩机并非免维护，引起较高的投资成本和能量成本，具有较高的空间位置需求并且此外引起较高的噪声负荷。
发明内容
本发明的任务是，提供用于将至少一个气态的组成部分从用于制造液态的生铁、液态的钢预产品或者海绵铁的设备的废气中分离出来的一种方法和一种装置，所述装置免维护、引起较低的投资成本及能源成本并且具有较小的空间位置需求。
该任务通过一种方法得到解决，对于该方法来说所述第二压力或者解吸压力通过至少一台喷射泵来产生，在此在比所述第二压力高的第三压力下将驱动气体的气流输送给所述喷射泵。
在将至少一个气态的组成部分比如二氧化碳（CO2）和/或水蒸汽（H2O）从用于制造液态的生铁、液态的钢预产品或者海绵铁的设备的废气中分离出来时，根据现有技术尤其使用变压吸附设备（英语PSA Pressure Swing Adsorption或者VPSA Pressure Swing Adsorption）。所述废气由炉顶气、排出气、过剩气或者所述气体的任意的混合气所组成。来自高炉或者还原井筒的利用过的还原气体称为炉顶气。来自一个或者多个涡流层反应器的利用过的还原气称为排出气（Offgas）。来自熔化气化器的对于调节来说所必需的调节气体称为过剩气。在第一步骤中也就是所谓的吸附阶段，所述废气在第一压力p1也就是所谓的吸附压力下流过至少一个吸附分离器，由此将所述气态的组成部分大部分从所述废气中分离出来。在此将所述第一压力调节得越高，分离的效果就越好。因为包含在所述吸附分离器中的吸附剂的吸收能力受到限制，所以有必要在第二步骤中也就是所谓的解吸阶段中在比所述第一压力低的第二压力p2也就是所谓的解吸压力下将所述气态的组成部分从所述吸附分离器中除去。将所述第二压力调节得越低，将所述气态的组成部分从所述吸附分离器中除去的效果就越好。根据按本发明的方法，所述第二压力通过至少一台喷射泵来产生，其中在比所述第二压力高的第三压力p3下将驱动气体的气流输送给所述喷射泵的驱动气体接头。所述喷射泵的抽吸接头借助于连接管路与所述吸附分离器的解吸接头相连接，在解吸阶段中从一个或者多个吸附分离器中除去的气体称为尾气（Tailgas）。也经常被称为喷射器、喷注器或者文丘里喷嘴的喷射泵为技术人员所熟知（比如参照http://de.wikipedia.org/wiki/Strahlpumpe）。喷射泵的使用相对于用于产生解吸压力的压缩机来说具有以下优点：喷射泵的购置成本及能量成本较低、空间位置需求较小并且免维护。
一种有利的实施方式在于，作为用于喷射泵的驱动气体要么使用炉顶气、排出气、过剩气，要么使用由所述气体中的至少两种构成的混合气。因为所述气体典型地具有从0.5到5bar的压力水平并且根据现有技术本来就必须对这种压力进行节流，所以有利地是，将在驱动气体中存在的压力能用于产生解吸压力，由此-与具有压缩机的PSA设备相比-所产生的运行及投资成本明显更低。
在一种实施方式中，作为废气要么使用炉顶气、排出气、过剩气，要么使用由所述气体中的至少两种构成的混合气。有利的是，从所述废气中分离出二氧化碳（CO2）和/或分离出水蒸汽（H2O），由此提高废气的还原潜力和/或提高其燃烧值。对于直接还原设备来说废气的还原潜力的提高意义重大，对于高炉来说废气的还原潜力的提高以及废气的燃烧值的提高同样意义重大。
为了分离出二氧化碳和/或水蒸汽，有利的是，在吸附分离器中使用由沸石、活化的氧化硅、硅胶、活化的氧化铝、活性炭或者由所述材料中的至少两种构成的混合物构成的吸附剂。
如果将处于0.5到5bar的压力下的驱动气体通过环境压力输送给喷射泵，在驱动气体中存在的压力能可以直接用于对所述吸附分离器进行解吸。由此不必使驱动气体的压力水平（p3）匹配到解吸压力（p2）。所述解吸压力的调节要么通过驱动气体的流量，通过喷射泵的面积比，要么通过一台或者多台（比如串联的）喷射泵的构造和布置来进行。
如果将驱动气体输送给多台串联布置的喷射泵，那就可以实现特别低的解吸压力并且由此实现所述吸附分离器的特别彻底的解吸处理并且由此实现有待除去的气体成分（比如CO2和/或H2O）的较低的剩余含量，由此在降低了的第二压力下将所述气态的组成部分从所述吸附分离器中除去。
在另一种变型方案中，可以将驱动气体输送给多台并联布置的喷射泵，由此在降低了的第二压力下将所述气态的组成部分从所述吸附分离器中除去。通过喷射泵的这种布置，可以使用多台较小的喷射泵来取代一台较大的喷射泵。
对于所述变压吸附设备的运行来说，有利的是，在吸附阶段中给所述吸附分离器加载所述第一压力，在第一过渡阶段中以一个或者多个中间压力将所述吸附分离器中的压力从第一压力降低到第二压力或者略高于所述第二压力的压力，在解吸阶段中给所述吸附分离器加载所述第二压力，并且随后在第二过渡阶段中以一个或者多个中间压力将所述吸附分离器中的压力从所述第二压力提高到所述第一压力。由此避免快速的压力交变，这对分离效率产生积极影响，因为较少的由一氧化碳（CO）和氢（H2）构成的气体成分会进入到尾气中并且此外降低了所述吸附分离器的压力负荷以及分配器底部的压力交变负荷以及噪声。
特别有利的是，连续地改变所述吸附分离器中的解吸压力。作为替代方案，也可以不连续地也就是说分阶段地比如通过所述喷射泵的驱动气体供给的调节来改变所述压力。
如果所述第二压力或者解吸压力借助于测量装置来检测并且输送给调节器，可以特别精确地调节所述压力，所述调节器借助于调节规则并且在考虑额定值的情况下求得调节量并且将其输送执行机构，其中如此改变输送给喷射泵的驱动气体的气流，使得所述压力尽可能相当于用于所述解吸压力的额定值。
为了能够尽可能直接地实施所述按本发明的方法从而解决本发明的任务，有利的是，将所述用于产生解吸压力的装置构造为喷射泵，该喷射泵具有处于所述吸附分离器的解吸接头与该喷射泵的抽吸接头之间的连接管路。
在一种有利的实施方式中，所述喷射泵的驱动气体接头与所述用于制造液态的生铁、液态的钢预产品或者海绵铁的设备的、用于炉顶气、排出气、过剩气或者由所述气体中的至少两种构成的混合气的管路相连接。
如果多台喷射泵串联布置，可以实现所述吸附分离器的特别低的解吸压力并且由此可以实现其特别彻底的解吸处理，其中第一喷射泵的抽吸接头与所述吸附分离器的解吸接头相连接，前置的喷射泵的压力接头分别与后置的喷射泵的抽吸接头相连接，并且所有驱动气体接头与所述用于制造液态的生铁、液态的钢预产品或者海绵铁的设备的、用于炉顶气、排出气、过剩气或者由所述气体中的至少两种构成的混合气的管路相连接。
另一种实施变型方案在于，将多台喷射泵并联布置，所有抽吸接头与所述吸附分离器的解吸接头相连接并且所有驱动气体接头与所述用于制造液态的生铁、液态的钢预产品或者海绵铁的设备的、用于炉顶气、排出气、过剩气或者由所述气体中的至少两种构成的混合气的管路相连接。
当然同样可以这样安排，即所述装置具有喷射泵的串联线路和并联线路的组合。在一种可能的实施方式中，将驱动气体输送给多台串联布置的喷射泵，其中所述串联线路的每个成员包括多台并联布置的喷射泵。在这种情况下，将输送给所述串联线路的成员的驱动气体分配到并联布置的喷射泵上。通过由多台喷射泵构成的并联线路来提高总抽吸功率，由此可以使用较小的喷射泵，而不必使其大小与必需的总抽吸功率相匹配（可伸缩性）。通过由多台喷射泵构成的串联线路来降低能够达到的总解吸压力。
为了能够在过渡阶段中特别精确地调节所述吸附分离器中的压力，有利的是，所述装置在所述喷射泵的驱动气体管路中额外地具有用于检测解吸压力的测量装置、调节装置和执行机构。
附图说明
本发明的其它优点和特征从以下对非限制性的实施例所作的说明中获得，其中参照以下附图，附图示出如下：
图1是基于粉矿的具有用于将CO2和H2O分离出来的变压吸附设备的熔化还原设备的示意图；
图2是用于将CO2和H2O分离出来的变压吸附设备的示意图；
图3是具有用于将CO2和H2O分离出来的变压吸附设备的高炉的示意图；
图4是喷射泵的两张示意图；
图5是喷射泵的串联线路的示意图；并且
图6是喷射泵的并联线路的示意图。
具体实施方式
下面通过箭头来表明流动方向。
在图1中示出了用于在粉矿的基础上制造液态的生铁的熔化还原设备。在此必要时用添加剂在由多个预还原反应器3（示出了四个涡流层反应器，也可选可以使用2个或者3个涡流层反应器）构成的级联中对粉矿进行预还原，并且随后将其装载到还原反应器2中。在所述还原反应器2中对所装载的材料进行进一步还原和预热。但是也可以放弃在所述还原反应器2中进行进一步还原，由此省去气体洗涤器4和用于炉顶气13的管路。所述预还原反应器3中的预还原或者还原反应器2中的还原借助于在熔化气化器1中产生的还原气9来进行，所述还原气9在除尘之后导入到所述还原反应器2中并且先后导送穿过单个的预还原反应器3。超过的气体量要么在气体洗涤器4b中进行气体洗涤并且在用压缩机5b进行压缩之后作为冷却气体18与经过净化的废气15相混合，要么又在气体洗涤器4c中进行气体洗涤之后用作过剩气11。为了提高整个过程的能效，可以省去所述用于冷却气体18的管路连同气体洗涤器4b和压缩机5b。排出气10沿其流动方向从最后一个预还原反应器3中排出并且在气体洗涤器4a中得到净化。所述熔化还原设备的废气14由在压力调节器23之前分支出来的排出气10的第一部分量、炉顶气13和过剩气11所组成。所述压力调节器23的任务是，将所述排出气10的压力保持恒定并且调节用于所述压缩机5a及驱动气体的预压力；排出气10的第二部分量则作为驱动气体28输送给喷射泵7。所述废气14借助于压缩机5a来压缩，借助于气体冷却器26来冷却并且在第一压力p1下输送给用于将二氧化碳（CO2）和/或水蒸汽（H2O）分离出来的变压吸附设备6的至少一个吸附分离器。随后使通过CO2和/或H2O的分离来得到净化的废气15与还原气体9相混合，并且将其进一步用在处理过程中；在此不重要的是，是在热气旋风分离器之前还是在其之后来添加所述经过净化的废气15。在一种未示出的实施方式中，所述经过净化的废气15或其一部分量通过加热装置得到加热。所述驱动气体在第三压力p3下流动通过所述喷射泵7，由此产生第二压力p2或者解吸压力（p2<p3并且p2<p1），其用于将所分离的二氧化碳和/或水蒸汽从所述变压吸附设备6的吸附分离器中除去。为此吸附分离器的解吸接头通过用于尾气的连接管路8与所述喷射泵的抽吸接头相连接。在一种未示出的实施方式中，可以在所述连接管路8与用于输出气体的管路之间在喷射泵7之后的区域中设置具有闭锁机构的管路，比如在起动熔化还原设备时将该管路闭锁，由此在起动时产生所述输出气体12的较低的压力；但是在正常运行中这条管路被闭锁。通过让驱动气体流经所述喷射泵7的方式来产生解吸压力，这种做法具有以下优点：喷射泵免维护，尤其不活动的部件，与压缩机相比空间位置需求小并且购置成本低并且此外无能量成本。另一个优点在于，对于按现有技术的设备来说本来就必须将排出气或者炉顶气或者过剩气的压力节流到环境压力。对于按本发明的方法来说，将废气的压力能用于产生解吸压力并且废气作为输出气体12来供使用。
图2示出了具有两个吸附分离器16a和16b的变压吸附设备6的一种实施方式。输送给所述变压吸附设备6的废气14如在图1中一样由排出气10的一部分量、过剩气11以及炉顶气13所组成。如绘出的一样，阀17a和17b打开并且阀17f关闭，也就是说所述吸附分离器16a处于吸附阶段中并且将CO2和/或H2O从被压缩的废气14中分离出来。如此经过净化的气体15-如在图1中绘出的一样-可以与还原气体相混合或者必要时在加热之后用作还原气体。阀17c和17d关闭并且阀17e打开，也就是说所述吸附分离器16b处于解吸阶段中。解吸压力的产生借助于被驱动气体28（排出气10的支流）从中流过喷射泵7来进行。在流经所述喷射泵7之后，所述排出气10和通过连接管路8提取的尾气作为输出气体供使用。如果所述吸附分离器16a中的吸附剂的吸收能力在很大程度上耗尽并且/或者所述吸附分离器16b已经在很大程度上被解吸，那就关闭所述阀17a、17b、和17e并且打开所述阀17c、17d和17f。所述阀的打开或者关闭可以快速地或者不连续地进行，或者不过也可以缓慢地或者连续地进行。通过所述阀的切换，将所述吸附分离器16a置于解吸阶段中并且将所述吸附分离器16b置于吸附阶段中。在附图中通过点划线来示出用于连接其它的设备部件之间的接口。
图3示出了用于制造生铁的具有变压吸附设备6的高炉24的示意图。生铁在高炉24中在添加含氧的气体（优选>80%O2）并且装载焦炭和矿石的情况下来制造。所述高炉24的废气10的一部分量，所谓的炉顶气13，在压力调节器23之前分支出来并且在借助于压缩机5提高压力之后并且在气体冷却器26中冷却之后在第一压力p1下输送给所述变压吸附设备6。炉顶气13的一部分量作为驱动气体28在第三压力p3下输送给喷射泵7，所述喷射泵7产生第二压力p2或者解吸压力，用于将CO2和/或H2O从所述变压吸附设备6的吸附分离器中除去。在此又适用这一点，即p2<p1并且P2<p3。所述变压吸附设备6从废气中分离出CO2和/或H2O，使得经过净化的废气15具有更高的还原潜力和更高的燃烧值。这种气体在可选的预热之后比如通过风口或者氧气喷嘴输送给还原气炉25和高炉24，或者在软熔带（koh?sive Zone）上方输送到高炉的井筒中。将由驱动气体28、连接管路8中的尾气以及剩余的废气组成的输出气体12中间存放在储气罐27中，从那里将其输送给热利用设备。关于所述变压吸附设备6的细节，请参照图2。通过让驱动气体28流经喷射泵7这种方式来产生解吸压力，这种做法又具有以下优点：喷射泵免维护，尤其不活动的部件，与压缩机相比空间位置需求小并且购置成本低并且此外无能量成本。
图4示出了喷射泵的两张示意图。左边的示意图示出了喷射泵7，其中所述驱动气体接头21和压力接头19处于一条轴线上。所述抽吸接头20相对于驱动气体接头-压力接头这条轴线以直角来布置。在右边的示意图中，所述抽吸接头20和压力接头19处于一条轴线上，所述驱动气体接头21相对于该轴线以直角来布置。对于这两张示意图来说适用这一点，即所述抽吸接头20与所述喷射泵的最窄小的流动横截面的区域处于连接之中，并且在压力p3下向所述驱动气体接头21加载驱动气体，由此在所述抽吸接头20中产生压力p2，对于该压力p2来说，适用p2<p3。
图5示出了两台喷射泵7a和7b的串联线路的示意图。用于尾气的连接管路8将喷射泵7a的抽吸接头20与吸附分离器16的解吸接头22连接起来。所述抽吸泵7a的压力接头与所述抽吸泵7b的抽吸接头相连接，由此可以获得特别低的解吸压力。借助于驱动气体接头21来向这两个喷射泵7a和7b供给驱动气体。
在图6中示出了两台喷射泵7的并联线路的示意图。两条用于尾气的连接管路8分别将所述两台喷射泵7的抽吸接头20与吸附分离器16的解吸接头22连接起来。这两台喷射泵7借助于其驱动气体接头21得到驱动气体的供给，由此将驱动气体28分配到两台较小的抽吸泵上。此外可以通过驱动气体量的改变来较为容易地调节（开环控制或闭环控制）解吸压力。
所述按本发明的方法或者所述按本发明的装置的使用绝不局限于FINEX?设备（图1）或者高炉（图3）；更确切地说，也可以有利地运用在（比如HYL?或者FINMET?类型的）天然气直接还原设备、COREX?设备上，不过也可以有利地运用在直接还原组合设备上。
附图标记列表：
1           熔化气化器
2           还原反应器
3           预还原反应器的级联
4           气体洗涤器
5           压缩机
6           变压吸附设备
7           喷射泵
8           连接管路
9           还原气体
10         排出气
11         过剩气
12         输出气体
13         炉顶气
14         废气
15         经过净化的废气
16         吸附分离器
17         阀
18         冷却气体
19         压力接头
20         抽吸接头
21         驱动气体接头
22         解吸接头
23         压力调节器
24         高炉
25         还原气炉
26         气体冷却器
27         储气罐
28         驱动气体。

Claims (17)

1.用于将至少一个气态的组成部分从用于制造液态的生铁、液态的钢预产品或者海绵铁的设备的废气中分离出来的方法，其中在第一步骤中废气的气流在第一压力下流过至少一个吸附分离器，由此将所述气态的组成部分绝大部分从所述废气中分离出来，并且在第二步骤中将所述气态的组成部分在比所述第一压力低的第二压力下绝大部分从所述吸附分离器中除去，其特征在于，所述第二压力通过至少一台喷射泵来产生，将驱动气体的气流在比所述第二压力高的第三压力下输送给所述喷射泵。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，作为驱动气体要么使用炉顶气、排出气、过剩气，要么使用由所述气体中的至少两种构成的混合气。
3.按前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，作为废气要么使用炉顶气、排出气、过剩气，要么使用由所述气体中的至少两种构成的混合气。
4.按前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，从所述废气中分离出二氧化碳（CO2）和/或分离出水蒸汽（H2O）。
5.按前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在吸附分离器中使用由沸石、活化的氧化硅、硅胶、活化的氧化铝、活性炭或者由所述材料中的至少两种构成的混合物构成的吸附剂。
6.按前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将所述处于0.5到5bar的压力下的驱动气体通过环境压力输送给所述喷射泵。
7.按前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将所述驱动气体输送给多台串联布置的喷射泵，由此在降低了的第二压力下将所述气态的组成部分从所述吸附分离器中除去。
8.按前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将所述驱动气体输送给多台并联布置的喷射泵，由此将所述气态的组成部分在降低了的第二压力下从所述吸附分离器中除去。
9.按前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在吸附阶段中给所述吸附分离器加载第一压力，以一个或者多个中间压力将所述吸附分离器中的压力从第一压力降低到第二压力，或者降到略高于所述第二压力的压力，在解吸阶段中给所述吸附分离器加载所述第二压力，并且随后以一个或者多个中间压力将所述吸附分离器中的压力从所述第二压力提高到所述第一压力。
10.按权利要求9所述的方法，其特征在于，连续地或者不连续地改变所述吸附分离器中的压力。
11.按前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，借助于测量装置来检测所述第二压力并且将其输送给调节器，所述调节器借助于调节规则并且在考虑额定值的情况下求得调节量并且将其输送给执行机构，其中如此改变输送给所述喷射泵的驱动气体的气流，使得所述压力尽可能相当于所述额定值。
12.用于将至少一个气态的组成部分从用于制造液态的生铁、液态的钢预产品或者海绵铁的设备（24）的废气（14）中分离出来的装置，其具有至少一个吸附分离器（16）和至少一个用于产生解吸压力的装置，其特征在于，所述用于产生解吸压力的装置构造为喷射泵（7），该喷射泵（7）具有处于所述吸附分离器（16）的解吸接头（22）与该喷射泵（7）的抽吸接头（20）之间的连接管路（8）。
13.按权利要求12所述的装置，其特征在于，所述喷射泵（7）的驱动气体接头（21）与所述用于制造液态的生铁、液态的钢预产品或者海绵铁的设备（24）的、用于炉顶气、排出气、过剩气或者由所述气体中的至少两种构成的混合气的管路相连接。
14.按权利要求12或13所述的装置，其特征在于，多台喷射泵（7）串联布置，前置的喷射泵（7）的压力接头（19）分别与后置的喷射泵（7）的抽吸接头（20）相连接，并且所有驱动气体接头（21）与所述用于制造液态的生铁、液态的钢预产品或者海绵铁的设备（24）的、用于炉顶气、排出气、过剩气或者由所述气体中的至少两种构成的混合气的管路相连接。
15.按权利要求12或13所述的装置，其特征在于，多台喷射泵（7）并联布置，所有抽吸接头（20）与所述吸附分离器（16）的解吸接头（22）相连接，并且所有驱动气体接头（21）与所述用于制造液态的生铁、液态的钢预产品或者海绵铁的设备（24）的、用于炉顶气、排出气、过剩气或者由所述气体中的至少两种构成的混合气的管路相连接。
16.按权利要求14或15所述的装置，其特征在于，该装置具有喷射泵的串联线路及并联线路的组合。
17.按权利要求12到16中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置在所述喷射泵（7）的驱动气体管路中额外地具有用于检测解吸压力的测量装置、调节装置（23）和执行机构（17）。
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