CN103380216A

CN103380216A - 用于加热高炉的热风炉的装置和方法

Info

Publication number: CN103380216A
Application number: CN2012800098367A
Authority: CN
Inventors: A·M·卡梅隆; A·P·理查德森
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2011-02-22
Filing date: 2012-02-21
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2032-02-21
Also published as: PL2492358T3; EP2492358B1; BR112013020601B1; JP2014505798A; US20120214116A1; RU2013142928A; EP2492358A1; RU2586194C2; KR20140012661A; US9863013B2; CN103380216B; KR101879895B1; AU2012220827A1; AU2012220827B2; WO2012115928A1; JP6016815B2; BR112013020601A2

Abstract

一种加热高炉热风炉的方法，其包括在热风炉中的燃烧腔室内燃烧燃料，从燃烧腔室提供燃烧气体以加热热风炉中的耐火材料，将燃烧过的废气再循环到燃烧腔室内，用氧气富集燃烧腔室，所富集的氧气量足以在燃烧腔室内保持燃烧，而不损坏热风炉内的耐火材料。

Description

用于加热高炉的热风炉的装置和方法

技术领域

本发明涉及用来加热与高炉一起使用的高炉热风炉的方法。

背景技术

供应到高炉的燃烧空气通常要用热风炉进行预热，热风炉包括用燃烧器进行加热的耐火材料。当材料足够热时，燃烧空气在被注入到高炉之前先通过热风炉而进行预热。通常，数个热风炉并联地和循环地运行，这样，至少一个热风炉在运行，以用于加热燃烧空气，同时，还有至少一个热风炉的耐火材料在被加热。

传统上，离开高炉的炉顶煤气具有大约110-120℃的温度，并含有大约各为20-25％的CO和CO₂。一般地，还会存在3-5％的H₂和一些H₂O，但炉顶煤气的其它主要成分是N₂（通常为45-57％）。该炉顶煤气构成了低级的燃料，其具有相对较低的热值，通常用作热风炉的燃料。

炉顶煤气通常使用热风炉中的空气-燃料燃烧器进行燃烧。为了确保高炉所需的必要高温鼓风空气，众所周知，可用高热值的气体来富化炉顶煤气，例如，焦炉煤气或天然气。此类附加燃料的燃烧导致工厂较大量的二氧化碳总体排放，因此是不希望的。

还已经知道，可用氧来富化用于炉身燃烧器（stack burner）中的燃烧空气。通常，为减小或消除对附加高卡路里燃料的需求，需要达到的富化水平是要使最后氧化剂的氧含量在燃烧空气中达到约28-30％。

如此的方法在某些情形中会造成峰值的火焰温度，该温度高到足以损坏热风炉的耐火材料。

高炉本身是经多年发展的高效逆流反应器。它正接近热力效率的极限。此外，高炉和其诸如热风炉的附属设备在一体化的钢铁企业中是最大的能量消耗器。而且，炼铁中消耗的能量是确定一体化炼钢过程的碳消耗量以及二氧化碳排放的主要因素。因此，需要提高高炉热风炉的热效率。

除了上述高峰值温度的问题之外，过低的火焰温度或热输入率将会导致长加热循环，这是不理想的。换句话说，火焰温度需要适中。

发明内容

本发明的实施例解决上述的问题，并能够获得将在下文中描述的其它优点。

因此，本发明实施例涉及用于加热高炉热风炉的方法，该加热是通过在保持可见的稳定火焰的燃烧区域内，燃烧为9MJ/Nm³或不到的低热值（LHV）燃料，该区域布置在热风炉中的燃烧腔室内，并使燃烧气体流过热风炉中的耐火材料并由此加热该耐火材料，其特征在于，燃料与包含至少85％氧的氧化剂燃烧；以及，使燃烧气体再循环到燃烧区域内，以稀释其中的燃料和氧化剂的混合物，使火焰不足以损坏耐火材料。

附图说明

下面将参照本发明示范的实施例并参照附图，来详细描述本发明，附图中：

图1是传统炼铁厂中高炉和三个热风炉的简化示意图；

图2是示出带有外部燃烧腔室的现代型高炉的传统热风炉的剖视图，；

图3是根据本发明实施例的带有附加喷枪的热风炉的剖视图；

图4是根据本发明实施例的带有氧-燃料燃烧器的热风炉的详细剖视图；

图5是根据本发明实施例的带有燃烧气体再循环的热风炉的剖视图；

图6是根据本发明实施例的带有注射喷枪的热风炉的详细剖视图；

图7是，示出以下两种情况下的燃烧器热风炉的燃烧腔室内燃烧的轴向温度曲线的曲线图：（a）传统地用空气支持燃烧而无烟气再循环的运行，以及（b）根据本发明实施例的运行；

图8是类似于图7的曲线图，但示出同样两种燃烧情形的轴向速度曲线；

图9是类似于图7的曲线图，但示出同样两种燃烧情形的轴向一氧化碳浓度曲线；

图10是根据另一实施例的带有燃烧气体再循环的热风炉的剖视图。

具体实施方式

图1示出炼铁厂中高炉120和三个热风炉100的基本布置。高炉120的运行产生高炉炉顶煤气或“炉顶煤气”，使用燃料供应控制装置110将炉顶煤气馈送到各个热风炉100，用作燃料，以加热所述热风炉100。炉顶煤气与呈空气形式的氧化剂一起燃烧，由空气供应控制装置130供应空气。

各个热风炉100包括呈陶瓷砖块等形式的耐火材料，其首先被加热，然后用来加热要馈送到高炉内的鼓风空气。

当在耐火材料加热模式（“燃烧（on gas）”模式）中运行时，炉顶煤气与氧化剂在热风炉100内燃烧，将燃烧气体馈送到烟气处理装置150，其可能包括传统的碳捕获步骤。

当在鼓风空气加热模式（“送风（on blast）”模式）中运行时，空气沿相对方向被引导通过耐火材料，然后，送到高炉120。

热风炉100循环地运行，这样，任何时刻至少一个热风炉运行在送风模式，其余热风炉运行在燃烧模式。

图2是通过现代型的传统热风炉100的剖视图。热风炉100包括外燃烧腔室101、耐火材料102和穹顶103，当在燃烧模式中运行时，关键的是穹顶103内的温度不变得过高，因为有损坏热风炉100的风险。应该理解到，还有带内燃烧腔室的热风炉，本发明同样适用于此种热风炉的运行。

当在燃烧模式中运行时，炉顶煤气和空气被馈送到燃烧腔室101的燃烧区域内，其中，通过空气燃烧器108发生燃烧。燃烧器108包括燃料入口105和空气入口104。热燃烧气体然后向上流过燃烧腔室101，经过穹顶103并向下通过耐火材料102，由此加热耐火材料。当通过端口106流出时，燃烧气体的温度通常约为200-350℃。

当耐火材料达到预定温度时，运行切换到送风运行。然后，空气经端口106被引入，通过穹顶103和燃烧腔室101而流经热的耐火材料102，并通过出口端口107流出。此时，鼓风空气的温度通常为1100-1200℃。

在本发明的情形中，如上所述，较佳地是用高炉炉顶煤气来加热热风炉。此外，还较佳地是使用来自高炉的炉顶煤气，从热风炉向高炉提供鼓风空气。这允许热风炉靠近高炉来布置，既节约能量又使工厂总的排放降低。

然而，应该理解到，本发明同样可有利地应用于用其它低级燃料进行加热的热风炉。举例来说，针对高炉炉顶煤气和转炉废气，它们典型的化学组成（百分比值）和低的热值（LHV）分别列在表I和表II中。

表1

	N₂	O₂	H₂	CO	CO₂	CH₄	C_mH_n	H₂O
									炉顶煤气	52.5	0.55	2.3	23.5	20	-	-	1.15
废气	17.2	0.1	2.5	64.5	15.6	-	-	0.1

表2

	LHV（MJ/Nm³）	LHV（MJ/kg）
			炉顶煤气	3.2	2.4
废气	6.3	8.4

根据本发明，用LHV值不高于9MJ/Nm³的气体燃料来加热热风炉，使用如此低级燃料将从本发明可能的成本利益上得到最大的益处。燃料可包括添加一定的其它较高级别的燃料，只要混合物的LHV值等于或小于9MJ/Nm³就可。然而，为了使成本和排放量减到最小，较佳地是在燃烧之前不添加高级别燃料。

根据本发明，如此的低级别燃料是用来通过燃烧来加热热风炉，不是用空气或略富含氧的空气，而是与包括至少85％重量百分比的氧的氧化剂，较佳地至少为95％重量百分比的氧的氧化剂，其中，氧化剂最好是工业用纯氧，其基本上具有100％的氧含量。

这将会增加燃料的效率，因为存在于空气中的氮配重不需要被加热。此外，通过减小燃烧产物中氮的配重，可达到必要的火焰温度，无需用高卡路里的燃料来补充低级别的燃料气。减少对能量的需求将有利于提高功率的产生，和/或导致减少对进口气体的需求，因此改进了燃料管理。

一般地说，使用具有如此高含氧量的氧化剂会导致峰值温度过高，足以损坏热风炉的穹顶和耐火材料。

然而，可在热风炉燃烧气体再循环到燃烧区域内的条件下使用该类型的氧化剂，热风炉燃烧气体再循环到燃烧区域内要达到这样的程度：其中的燃料和氧化剂混合物充分地稀释，以在燃烧区域内燃烧而形成稳定可见的火焰，火焰温度不会损坏穹顶和耐火材料。

这里的所谓“燃烧气体再循环到燃烧区域内”是指位于燃烧区域之外的燃烧气体再循环回到燃烧区域内。如此的燃烧气体原来可位于燃烧腔室自身之内，但在其中主要发生燃烧的区域（“燃烧区域”）所占据的燃烧腔室部分之外。因此，在该情形中，燃烧气体实际上是在燃烧腔室内再循环。替代地，如此的燃烧气体可从燃烧腔室的外面再循环回到燃烧区域。

正如下文中将会详细描述的，通过如下方式来实现对反应剂的稀释：使用高速喷射的氧化剂在燃烧腔室内形成强湍流，其中氧化剂的高速喷射可能使用分级的燃烧方案来实现；和/或将烟气从热风炉再循环回到燃烧区域。

根据本发明，能够达到足够低的峰值火焰温度，以不会损坏热风炉的耐火材料。

此外，当使用富氧的氧化剂来燃烧诸如高炉炉顶煤气那样的低级别燃料时，燃烧气体的CO₂含量变得比使用空气或略富氧的空气作为氧化剂时高得多。由于当处理的气体含有较大比例的二氧化碳时，传统的碳捕捉技术趋于使每单位捕捉的CO₂变得相当便宜，所以，这在使用此种碳捕捉步骤来处理热风炉燃烧气体时便导致很大的成本节约。

图3示出本发明的较佳实施例。热风炉300类似于图2中所示的传统的热风炉200，该热风炉300包括燃烧腔室301、耐火材料302、穹顶303、入口304、另一入口305以及类似于端口206、207的端口306、307，所述入口304在以传统方式用空气燃烧来运行热风炉时用于燃烧空气，而另一入口305用于诸如炉顶煤气的低级别燃料。不是用空气来燃烧低级别的燃料，而是将一个或若干个喷枪310、311、312插入燃烧腔室内，并用来将以上定义的富氧的氧化剂供应到燃烧区域内。氧化剂可通过现场氧生产来提供，或使用外部提供的氧化剂。

在这里描述的所有实施例中，每单位时间的总氧化剂量与所供应的低级别燃料量相平衡，以形成计量上所要求的燃烧条件。

较佳地是，每个喷枪310、311、312以高速将氧化剂供应到燃烧区域，该速度较佳地至少为200m/s，更佳地至少为声速。如此高速的喷射导致燃烧腔室内很强的湍流，这又将燃烧气体带入燃烧区域内，由此，稀释火焰而使其扩散开，令峰值温度不会损坏热风炉的耐火材料。

根据一个较佳实施例，将喷枪310布置成其孔口紧邻燃料入口305的孔口。根据另一较佳实施例，喷枪311布置在离燃料入口305的孔口一段距离处的位置。根据燃烧腔室301的几何形状，这两种结构之一、或它们的组合可提供燃烧气体进入燃烧区域的最佳再循环。相对于另一喷枪或喷枪310、311布置在更加下游处的补充喷枪312可用来提供分级的燃烧过程，由此，总的火焰量可做得甚至更大。自然，一个以上的所述类型310、311、312的各个喷枪可彼此互补地布置。倘若氧化剂紧邻燃料入口305进行喷射，则最好在进一步下游处进行喷射以形成分级的燃烧过程。

图4是另一优选实施例的概略图，其中，高炉热风炉400包括燃烧腔室401、耐火材料402和端口406。

低级别燃料通过供应导管411、供应装置412和入口413供应。氧化剂通过供应导管414、供应装置415和包括孔口416的喷枪供应。该喷枪布置成使其孔口416邻近于燃料入口413布置。较佳地，喷枪与燃料入口413同轴地延伸，如图6所示。通过如此的邻近布置，特别是在同轴时，且当氧化剂以上述高速喷射时，借助于在高速氧化剂部分的喷射作用，燃料有效地被带入到燃烧区域内。其结果是，在燃烧腔室401内达到燃烧产物很重的再循环，尤其是，将燃烧气体再循环到燃烧区域内，膨胀火焰的前锋。当如此高速的喷枪邻近燃料入口413布置时，最好同时使用第二氧化剂喷枪，在燃料入口413下游处、在燃烧腔室401中的另一部位处提供总供应的氧的一部分，形成低级别燃料的分级燃烧，由此，促进达到扩散的火焰，且该火焰没有高到足以使热风炉耐火材料损坏的峰值温度。

热风炉400可以是常规炼铁厂的一部分，并可根据本发明进行而以传统的运行模式运行，其中，空气用来支持高炉气体的燃烧，其中，用炼焦炉气或天然气来补充高炉气体，且其中，没有燃烧产物在热风炉400内再循环。

根据较佳实施例，对于现有的传统空气燃烧器，其在过去用来加热现有的热风炉400，该燃烧器在初始步骤中被包括上述燃料入口413和氧化剂喷枪的氧-燃料燃烧器410替代。这里的“氧-燃料”燃烧器是指用燃料和氧化剂驱动的燃烧器，其中，氧化剂包括很大部分的氧，较佳地至少为85％氧，更佳地至少为95％氧。

根据替代的较佳实施例，上述现有的空气燃烧器在初始步骤中用上述一个或若干个高速喷枪补充，而将空气供应终止。

如上所述，如此的高速喷射在燃烧腔室301、401内产生强的湍流，导致足够低的峰值火焰温度，不会使热风炉的耐火材料受到损坏。

然而，当使用富氧的氧化剂时，燃烧气体的质量流量将比使用空气作为氧化剂时更低。这导致向耐火材料的对流传热较小，因此加热循环时间更长。因此，当转换现有的热风炉用于富氧氧化剂的运行时，如以下结合图5和6所述的，烟气从热风炉再循环回到燃烧区域内。

因此，图5是根据另一较佳实施例的热风炉500的概略图，热风炉包括燃烧腔室501、耐火材料（有时称作“蓄热装置”）502以及穹顶503。

在气体运行过程中，燃烧气体经端口506离开热风炉500。然而，部分燃烧气体通过再循环装置511再循环回到燃烧腔室501内的燃烧区域。反馈装置511可包括诸如风扇那样的推进装置，以将再循环的燃烧气体馈送到燃烧腔室501。

再循环装置511还布置成使再循环燃烧气体与如上所述的成分的富氧氧化剂混合，该富氧氧化剂通过供应导管512提供。该混合可使用传统的扩散器来产生。然后，通过入口513将再循环的燃烧气体和氧化剂的混合物供应到燃烧腔室501。通过供应导管514、供应装置515和入口516，提供诸如来自高炉的炉顶煤气那样的低级别燃料。在燃烧区域内，燃料因此与氧化剂一起燃烧，氧化剂存在于在燃烧气体已经通过热风炉500后的再循环到燃烧区域内的燃烧气体中。这样，燃烧腔室501内的火焰得到稀释。

使用如此的烟气再循环，能够达到高对流传热率，其足以能保持应用根据本发明的方法的现有热风炉的加热循环时间。这通过再循环足够量的燃烧气体来达到，以维持通过热风炉500的每单位时间的气体质量流或热能流，所维持的质量流或热能流的水平至少与以下情况下的质量流或热能流的水平相等：使用低氧的氧化剂而没有再循环，在转换到根据本发明的操作之前，在现有热风炉运行时所用的每单位时间的质量流或热能流。

如上所述，根据本发明的方法用氧-燃料燃烧替代了经卡路里富化的低卡路里值燃料气体，其中，通过再循环烟气来稀释火焰，例如，通过使用喷射氧化剂的喷枪对燃烧空间进行高脉动的混合。消除了对成本高的高卡路里值增强器的燃料气体的需求，热风炉只由高炉气体来供应燃料。对于一体化的炼钢，热风炉通常占据总能量需求的大约10％，提供给热风炉能量中的大约18％损失在烟气中。再循环烟气可减小该能量损失，并降低必须从烟气燃烧中供应到热风炉的能量。因此，根据本发明的方法组合了用这些氧-燃料燃烧来回收余热的某些益处。

现考虑一个假设的实例，高炉的工作容量为1500m³，其运行的产量约为2.2t/m³/d。如此的高炉每小时生产出大约138吨热金属，基于典型的鼓风体积，高炉预计可消耗138,000Nm³/h的热鼓风。为了达到1200℃的热鼓风温度，需要将热风炉燃烧器火焰温度提高大约150℃以上，需要大约230GJ/h来将空气加热到该温度。对于大约80％效率的热风炉而言，这意味着输入到热风炉的能量大约是290GJ/h，或者，当假定两个热风炉同时处于“燃烧”模式时，每个热风炉中输入145GJ/h。对于正常的热风炉运行工况来说，较佳地是输入到热风炉内能量的大约18％脱离烟气。业已估计到，对于所考虑的工况来说，这会导致烟气温度约为250℃。

这些工况已经用来针对3个运行模式建立假设的热和质量平衡，它们是“空气-燃料”（即，没有烟气再循环的传统运行）；“富氧”（即，如同“空气-燃料”，但空气富含氧）；以及“烟气再循环”（即，根据本发明方法）。为了确保恒定的火焰温度和恒定的燃烧产物的质量流，进行了计算，从而维持对流传热的工况。在每个情形中，对火焰定量已经作了调整，以确保烟气中1％的过量氧。表3中比较了这些结果。

表3

可以看到，对于所考虑的工况，对供应到热风炉的空气的氧含量富化降低但并不消除所用的炼焦炉气量。增加高炉气体流，以确保热输入维持在145GJ/h。由于从系统中消除了某些氮气，所以，烟气的CO₂含量有裕度地增加。

引入烟气再循环，使得不再需要对燃料气体进行卡路里富集。这是因为高炉气体流的另一合适的增加，并组合了对烟气中所含显热的回收，该高炉气体流中合适的增加足以能达到要求的火焰温度。应该理解到，有了烟气的再循环，氧化剂不是空气，而是含有至少85％氧或基本上纯氧（按体积计）的气体混合物。（表3中所示的计算结果是基于后者）。由于从再循环的烟气中回收能量，从燃烧中输入的能量减少约4％。

空气不再需要，通过利用工业氧来维持燃烧。重要的是，可见烟气的CO₂含量已从最初的23％增加到41％。对于单个热风炉来说，这相当于每小时50吨的CO₂产量，而对于在“燃烧”模式中的两个热风炉来说，则相当于每小时100吨。每小时75吨的CO₂产量可供碳的捕获和没收，而其余的再循环。

对于所考虑的假设情形，可合理地假设，每小时产出的138吨热金属可转换为150吨板坯或其它金属产品，这说明在炼钢过程中添加碎料的可能性。

应用工业基准数字可以估计出，全部集约化的钢厂每小时可产出大约280吨CO₂。因此，对于所考虑的实例，将烟气再循环到热风炉（假定为考伯式热风炉）可造成工厂范围CO₂大约27％的排放可供碳的捕获。

尽管诸如表1中详述的那些简单的热和质量平衡可用来说明根据本发明方法所获得的主要优点，但它们没有完全地反映出其益处。尤其是，它们没有考虑到从空气-燃料切换到氧-燃料燃烧所产生的改进的传热条件。为此目的，可采用动态的模型，该模型考虑作为耐火材料蓄热装置中的成分、温度和质量流函数的总传热系数的变化。对于热高炉热风炉的许多模型研究显示，所发生的传热可用总体的或“集中”的传热系数精确地代表，该传热系数组合了对流和辐射的效应。于是，对于气体处理循环：

α＝α_c＋α_r

其中，α_c＝对流传热系数，

以及

α_r＝辐射传热系数

对流传热系数涉及质量流量，并可根据齐德-泰特（Sieder-Tate）或豪森（Hausen）方程计算。辐射传热系数从斯蒂芬-波尔茨曼（Stefan-Boltzmann）定律导出，其可表达为以下形式：

h_{r} = 1.713 \times 10^{- 8} [\frac{ϵ_{g} . {T_{g}}^{4} - α_{g} . {T_{B}}^{4}}{T_{g} - T_{B}}]

其中；

ε_g＝作为成分和温度函数的气体排放率，可从灰气模型（grey gas model）或霍特尔（Hottel）图表中导出。

α_g＝气体的吸收率

T_g＝气体温度。

T_B＝局部蓄热装置的平均温度。

已经使用一局部模型来作出更为详细的益处评价，该模型包括此种原理并考虑到对蓄热装置（耐火材料）的传热和蓄热装置内的传热。用作比较的基准是取自一组现代考伯式（Cowper）热风炉的运行数据，该热风炉产生1250℃的工业基准热鼓风温度。结果显示在表4中。

表4

稍加详细地比较这些情形是很有意思的：

传统运行显示，热风炉使用显著水平的天然气的富集来产生1248℃的高温鼓风。

所有三个实例（“氧情形”1、2和3）都是依据本发明人。在“氧情形”1中，模型的运行保持与传统运行相同的鼓风温度、鼓风体积和炉身（stack）温度。该情形产生可与稳态热平衡相比拟的结果，因为尽管对（耐火材料）蓄热砖块的辐射传热得到提高，但由于强迫模型保持恒定的炉身温度，所以其益处是虚假的。事实上，由于再循环烟气中所含有的CO₂的热容量高于它所替代的氮的热容量，所以，总的影响是，需要略微多些的能量来保持穹顶（和鼓风）恒定的温度。然而，用较便宜的燃料源来代替昂贵的天然气，足以补偿较高能量输入和氧消耗的成本。值得指出的是，用模型计算出的总传热系数表明，比靠近蓄热装置顶部的空气燃料燃烧增加13.5％，但甚至在朝向蓄热装置底部的较低温度处，总传热系数也增加约8.5％。

在“氧情形”2中，通过使炉身气体温度再平衡到较低的温度，就已经考虑到提高的传热条件。可以看到，由于更多的热保持在蓄热装置内，所以，炉身温度下落约25℃。净效果是，可减少气体循环时间，同时保持相同的鼓风温度。3个热风炉运行的总能量输入有裕度地减小，但鼓风温度和体积甚至保持在较低的炉身气体体积。这是一个重要的特征，其可在堵塞热风炉的条件下进行开发。

在“氧情形”3中，通过增加点火频率，直到原始的堆叠气体温度得到开发，其增加点火频率，直到原始的堆叠气体温度已经恢复为止。显然，点火频率可增加几乎10％。这足以增加鼓风温度约13℃，足以使高炉内焦炭有很大的节约。

除了动态热平衡之外，还使用了计算流体动力学（CFD）模型，来开发对于完全热风炉循环过程中发生的温度、速度和浓度的时间上和空间上变化的详细理解。某些相关的CFD结果显示在图7至9中。这些结果显示，根据本发明方法可对传统的高炉的热风炉运行所达到那些结果执行如此类似的火焰曲线，传统高炉用空气作为氧化剂，烟气不作再循环。因此可以推断，根据本发明的方法可以稳态的可见火焰运行，不产生有可能损坏热风炉耐火材料或蓄热装置的峰值火焰温度。

现参照图5，根据较佳的实施例，可再循环足够的燃烧气体，以基本上保持或增加通过耐火材料的单位时间气体质量流。

根据另一替代的较佳实施例，可再循环足够的燃烧气体，以基本上保持或增加通过耐火材料的热能产出。这考虑到燃烧气体中各种惰性成分的不同热容量。在此情形中，还为较佳地是，可再循环足够的燃烧气体，以使火焰温度基本上得到保持或降低。

还如表3中所示，从热风炉500中排出的烟气中的CO₂含量与传统运行模式的23％相比要高得多，为41％。对于传统碳捕获技术来说，每单位重量所捕获的CO₂的成本显著降低，因为CO₂浓度从低水平增加到大约50-60％的水平。浓度增大超过该限值将会产生较小的收益。其结果，当根据本发明使用富氧的氧化剂时，处理热风炉烟气的碳捕获步骤每单位重量所捕获CO₂的成本可显著地降低。

根据较佳的实施例，过去用来加热现存热风炉500的现有的传统空气燃烧器在初始步骤中被燃料入口516和用于再循环燃烧气体513的入口替代，然后，燃料与上述富氧的氧化剂一起燃烧。为此目的，较佳地是，通过与再循环的燃烧气体进行预混合来提供氧化剂。替代地，此种预混合最好与一个或若干个如上所述的喷枪组合起来。

图6是本发明另一较佳实施例的概略图，示出高炉热风炉600，其具有燃烧腔室601、耐火材料602、端口606、用于再循环的燃烧气体的导管610、再循环装置611、燃料供应导管616、燃料供应装置617以及燃料入口618。

通过氧化剂供应导管613和氧化剂供应装置614将氧化剂供应到氧化剂喷枪，喷枪布置成其孔口615邻近于供应再循环燃烧气体的孔口612布置，再循环的燃烧气体从再循环装置611提供。较佳地是，氧化剂喷枪与再循环燃烧气体入口612同轴地延伸。在类似于结合图4所描述的同轴喷枪孔口416的功能的方式中，如此邻近的布置、尤其是它们同轴时，借助于高速氧化剂部分上的喷射作用，有效地将再循环燃烧气体输入到燃烧区域内，在燃烧腔室601内形成更多的燃烧气体再循环。同时，在再循环装置611内无需单独的推进装置，因为再循环燃烧气体将由孔口615处的喷射作用推进。

图6所示的实施例有利地与附加的氧化剂喷枪组合，在位于离孔口615一定距离处的燃烧区域中的某个位置提供附加的氧化剂，由此，在燃烧区域内实现分级燃烧。

参照图10，图中显示例如用于高炉的热风炉的另一实施例。热风炉总的用附图标记700显示，包括燃烧腔室701、耐火材料702、穹顶703、氧入口流704，以及用于低级别燃料的燃料入口流705，低级别燃料例如是通过一次或主燃烧器709引入到燃烧腔室701内的炉顶煤气或高炉煤气。在点火循环过程中形成用于加热耐火材料702的燃烧产物从燃烧腔室701被引导通过耐火材料，以便如箭头720所示地排放。从端口706排放出的废燃烧产物722可通过管线724作为再循环的烟气返回到氧入口流704内并与氧入口流704混合。已从端口706排出的再循环燃烧产物可借助于诸如风扇那样的推进装置726移动通过管线722，以将再循环燃烧产物馈送回到主燃烧器709。通过管线724再循环的燃烧产物722与氧入口流704相混合，并形成混合的氧化剂流729以便引入到主燃烧器709内。

图10还示出端口707，其一端与燃烧腔室701连通，另一端与高炉（未示出）连通。如此的结构提供“鼓风循环”，其中，通过热风炉的流动反向，使得用箭头727所示靠近端口706或通过端口706而被引入到热风炉内的空气流过耐火材料702并变热，此后，流过燃烧腔室701，然后，通过排放端口707流向高炉，如箭头727所示。

一个或多个其它的氧化剂流728、730可通过多个喷枪711、712供应到燃烧腔室701。喷枪711、712与燃烧腔室701连通，以将附加的氧化剂供应到燃烧腔室。

至少一个氧-燃料燃烧器740安装在主燃烧器709下游，与燃烧腔室701相连通。氧-燃料燃烧器740燃烧供应到燃烧器的燃料742和氧化剂744，以向燃烧腔室701提供进一步的燃烧能力。氧-燃料燃烧器740的功能可起作先导火焰，用于点火或燃烧由主燃烧器709引入到燃烧腔室701内的其余的燃料气体。

除了主燃烧器709再设置至少一个单独的氧-燃料燃烧器740，可克服用再循环烟气和氧的混合物来运行主燃烧器可能出现的潜在的问题。在上述的表3中，再循环烟气和氧的混合物将会得到近似为30％O₂的氧浓度，其根据方程6220÷（6220＋14490）来确定。然而，对于卡路里值低的高炉气体来说，为了以可接受的火焰温度运行，可需要氧体积浓度高达50％的氧化剂。在现有的供应管线或在主燃烧器709内，如此高浓度的氧不能安全地利用。为了克服该问题，将较少的氧供应到主燃烧器709，将燃烧腔室701内完全燃烧需要的附加的氧提供给点燃到燃烧腔室701内的氧-燃料燃烧器740，并还可能提供到氧化剂喷枪711、712。对氧的这一提供将主燃烧器709内的氧浓度减低到材料兼容性可接受的水平。在如此系统内，应将氧浓度限制到低于25-28％，在此情形中，通过至少一个氧-燃料燃烧器740并可供选择地借助于氧化剂喷枪711、712，供应其余的氧气。有可能地是，必须通过氧-燃料燃烧器740和/或喷枪711、712提供所需总氧气中的很大比例的氧。例如，在需要氧体积浓度为44.6％的情形中，必须将52％的氧递送到氧-燃料燃烧器740或喷枪711、712，以将混合的氧化剂流729中的氧浓度减小到28％O₂。

氧-燃料燃烧器740可定向成其作为先导火焰运行。在针对该运行模式的如此定向中，氧-燃料燃烧器740设置和定向成令所得的氧-燃料火焰相交于从主燃烧器709中发出的主流动，以促进从氧-燃料燃烧器740流出的流动和燃烧腔室701内主热风炉燃烧器709的混合和反应。

如上所述，还进一步较佳地是，热风炉300、400、500、600、700连接到各自的碳捕获步骤350、450、550、650、750，它们本身可以是在燃烧气体释放到环境中之前从热风炉排放的燃烧气体中传统的、独立的二氧化碳含量。

当高炉的热风炉寿命接近其预期的使用寿命时，较佳地，对热风炉应用这里所述的诸实施例中的一个实施例，或它们中若干个实施例的组合。

这样，热风炉的可用寿命可以延长，以低的火焰温度运行热风炉，在鼓风空气、更佳的燃料经济性和低排放方面维持生产率。

因此，根据本发明的方法和装置将允许高炉的热风炉仅在诸如高炉炉顶煤气的低级别燃料上运行，无需较高卡路里值的燃料富集，且没有温度引发的热风炉损坏的风险，同时，生产出更适于碳捕获的烟气。此外，允许延长热风炉的使用寿命。

如果采用燃烧气体充分的再循环，则在现有热风炉中也可达到相同的鼓风空气量和质量，该热风炉是根据上述转换成用富氧氧化剂进行运行，该热风炉设置有结合图5、6或10描述的燃烧气体再循环结构。以上描述了较佳的实施例。然而，技术人员显然会明白到，对于所述的实施例可以作出各种修改，而不会脱离本发明。

例如，结合图4至6和10描述的任何一种形成燃烧气体再循环的方法，都可有利地用结合图3所述的一个或若干个各种氧化剂喷枪替代。

此外，结合图6所述的喷射推进的再循环燃烧气体方法可有利地用一定量的富氧氧化剂进行预混合，预混合方式类似于结合图5所描述的方式。

还有，结合图6描述的喷射推进的预混合或非预混合的再循环燃烧气体，可有利地与结合图4描述的喷射推进的低级别燃料相组合。

热量可从未再循环的燃烧气体中回收。添加地或替代地，燃烧气体可经受碳捕获。

根据本发明的方法可适用于卡鲁金（Kalugin）高炉热风炉，其是图中所示热风炉的替代型式。

应该理解到，这里描述的实施例仅是示范性的，本技术领域内技术人员可作出各种变化和修改，而不会脱离本发明的精神和范围。所有如此的变化和修改都要被纳入到如文中所述和所主张的本发明的范围之内。此外，所有披露的实施例不必是替代的，因为本发明的各种实施例可以组合起来而提供要求的结果。

Claims

1.一种加热高炉热风炉的方法，该方法包括在热风炉中的燃烧腔室内燃烧燃料，从燃烧腔室提供燃烧气体以加热热风炉中的耐火材料，将燃烧过的废气再循环到燃烧腔室内，用氧气富化燃烧腔室，所富化的氧气量足以在燃烧腔室内保持燃烧，而不损坏热风炉内的耐火材料。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将燃烧气体提供到耐火材料，以及使燃烧气体从耐火材料再循环到燃烧腔室内。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括将再循环的燃烧气体和所述氧气混合，以提供被引入到燃烧腔室内的再循环氧混合物。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃料包括选自以下的气体物质：高炉煤气、转炉炉顶煤气、焦炉煤气、天然气、丙烷、液化石油气以及它们的混合物。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃料包括富卡路里的高炉炉顶煤气。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，保持燃烧是在低于1400℃的温度下进行。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使燃烧腔室富集有氧气包括：提供燃烧所需的总氧气量和与燃烧腔室连通的至少一个氧-燃料燃烧器之间的平衡。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括定位所述至少一个氧-燃料燃烧器，以点燃从与燃烧腔室连通的热风炉的燃烧器提供到燃烧腔室的流动气体。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括运行所述至少一个氧-燃料燃烧器，其燃料选自以下的气体物质：高炉气体、转炉炉顶煤气、焦炉煤气、天然气、丙烷、液化石油气以及它们的混合物。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括运行所述至少一个氧-燃料燃烧器，其具有含有至少85％氧气的基本上纯的氧气或用再循环烟气气体稀释的基本上纯的氧的混合物中的至少一个。

11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括运行所述至少一个氧-燃料燃烧器，其中的氧气超过通过所述至少一个氧-燃料燃烧器提供的燃料计量的燃烧要求。

12.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括提供与燃烧腔室连通的至少一个氧气喷枪，用以提供包括在燃烧腔室内燃烧所需的其余氧气的氧化剂。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括使在燃烧腔室内、于燃烧腔室的燃烧区域之外的燃烧气体再循环，通过所述至少一个氧气喷枪以高速将氧化剂提供到燃烧腔室，以及将燃烧气体带入燃烧腔室内，以稀释燃烧腔室内的火焰。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，氧化剂的高速至少为200m/s的速度。

15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括通过所述至少一个氧气喷枪将氧气和再循环烟气混合流递送到燃烧腔室。

16.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括将邻近的燃料供应到用氧气富集的燃烧腔室，并将所述燃料带入燃烧气体中。

17.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括再循环足够的燃烧气体部分，以将通过耐火材料的单位时间气体质量流量维持在一定水平上，该质量流量水平至少等于燃烧器没有再循环运行时所用的单位时间气体质量流量。

18.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括再循环燃烧气体，以分别实现如下情形：将燃烧腔室内的火焰温度维持在一定的水平上，该温度水平等于或小于当热风炉的现有燃烧器在没有再循环的情形下运行时的火焰温度和单位时间热能输出；将耐火材料处的热能传递维持在一定的水平上，该热能传递水平等于或大于当热风炉的现有燃烧器在没有再循环的情形下运行时的火焰温度和单位时间热能输出。

19.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括提供用于燃烧腔室的主燃烧器，以对燃烧腔室内的燃料进行燃烧，并运行所述至少一个氧-燃料燃烧器，以在主燃烧器内产生低于40％的氧浓度。