CN103890197A - 操作鼓风炉设备中的回热加热器的方法 - Google Patents

Abstract

在鼓风炉设备（10）中，至少三个回热加热器（14.1，14.2，14.3）循环地操作处于透风期和燃烧期：当回热加热器处于燃烧期操作时，产生热烟气并使得热烟气流过回热加热器，以加热储热元件（46）；并且当回热加热器处于透风期操作时，将处理气体（32），即炉顶气体（16）的CO富集的部分吹过回热加热器，使得处理气体从储热元件吸收热量。在回热加热器从透风期到燃烧期操作的转换过程中，利用在已流过至少一个回热加热器后收集的烟气净化回热加热器使之不含有处理气体。

Description

操作鼓风炉设备中的回热加热器的方法

技术领域

本发明大体上涉及操作鼓风炉设备的回热加热器（regenerativeheater）的方法，特别地涉及操作鼓风炉设备的热风炉的方法。

背景技术

所熟知的是利用由一组回热加热器（典型地为三个热风炉（通常称为“内燃式热风炉”））中的一个加热的一股周围的空气来操作鼓风炉。每个热风炉通过在加热阶段（“燃烧期”或“停风”阶段）与吹风阶段（“透风期”阶段）之间进行切换而循环地操作。因此，热风炉具有内部储热元件（通常为格砖）并具有用于产生热烟气以加热格砖的相关的燃烧器。燃烧器可为内部的或外部的。为了在加热阶段过程中允许热气通过，热风炉具有加热进气口和烟气出口。加热进气口和烟气出口允许加热气体从燃烧器流动通过炉和炉的储热元件（格砖），并通过烟气出口到烟气堆或烟囱。利用内燃烧器，通过在炉内燃烧产生加热气体。对于高压鼓风的加热，传统的热风炉进一步具有连接到冷风总管道的冷风入口和连接到鼓风炉的热风总管道的热风出口。在吹风阶段过程中，从冷风入口吹进的空气穿过该空气在里面被储热元件加热的回热加热器，并且然后经由热风出口供给到鼓风炉中。回热加热器用于将鼓风加热到1100℃到约1250℃的范围内的温度。

近年来，鼓风中的炉顶气体（top gas）的再利用受到越来越多的关注，这是由于其使得二氧化碳的排放显著地减少。相应的设施回收鼓风炉炉顶气体，并且通常在传统的炉顶气体净化后，在将炉顶气体注入回到鼓风炉之前使炉顶气体经受再循环过程。该再循环过程包括CO₂分离以用于从该过程中回收CO₂。为此目的，气体分离单元将炉顶气体分离成CO₂（二氧化碳）富集的废气并分离成CO（一氧化碳）富集的高热值处理气体。对于合适的气体分离单元，已经建议使用变压吸附（PSA）或真空变压吸附（VPSA）单元或者，可替换地，CO₂洗涤器单元。废气可通过低温单元供给以分离出纯净的CO₂或废气可经受任何其他进一步的处理，从而理想地实现CO₂的捕获和存储。然而，其他气体流，即CO富集的处理气体作为还原气体被供给回鼓风炉中，从而实现完全低的CO₂的生产。

可在回热加热器中进行对CO富集的处理气体的所需的加热。然而，用CO富集的处理气体（即还原气体）来替代作为冷风的周围的空气具有相当大的影响。特别地，特殊措施和预防对于加热与吹风循环之间的转换顺序是必要的，反之亦然。

其中，在加热阶段过程中供给到回热加热器的气体通常是氧化的，并且因此易于与在吹风循环过程中提供的高热处理气体剧烈地反应。为了避免在转换到吹风阶段的过程中任何危险的数量的氧化气体存在于回热加热器中，PUAL WURTH在PCT申请WO2010/133476中提出了一种以确保在回热加热器中消耗任何氧气的方式来操作燃烧器的方法。为了从吹风阶段转换到加热阶段，WO2010/133476提出了通过燃烧器的烟气将剩余的含有一氧化碳的处理气体推出回热燃烧器。

然而，WO2010/133476没有提到与从吹风阶段到加热阶段的转换相关的特定措施。鉴于在吹风阶段过程中回热加热器中的压力（透风期压力）通常高于加热阶段过程中的压力（燃烧期压力）这一事实，可能需要在燃烧器可被点燃之前采取特定的措施。

技术问题

考虑到以上所述，本发明的目的是提供一种用于操作回热加热器的改进的方法，特别地关于从吹风阶段到加热阶段的转换。通过根据权利要求1的方法来实现该目的。

发明内容

根据本发明的操作回热加热器的方法可用于鼓风炉设备中，该鼓风炉设备包括鼓风炉、气体分离单元（例如，变压吸附（PSA）装置和/或真空变压吸附装置（VPSA））以及至少三个回热加热器，该气体分离单元构造用于将来自鼓风炉的炉顶气体分离成CO富集的所谓的处理气体流（以下还称为CO富集的处理气体）和CO贫乏的所谓的废气流（以下还称为CO贫乏的尾气），每个回热加热器都具有内部储热元件、冷风入口以及热风出口，该冷风入口用于接收来自气体分离单元的处理气体，热风出口用于将处理气体供给到鼓风炉中。回热加热器在透风期和燃烧期循环地操作：

○当操作处于燃烧期的回热加热器时，通过燃烧器产生热烟气并且使得热烟气流过回热加热器，以加热该储热元件；以及

○当操作处于透风期的回热加热器时，将处理气体吹过回热加热器，以便处理气体从储热元件吸收热量。

在回热加热器从透风期到燃烧期操作的转换过程中，使用在已流过至少一个回热加热器后收集的烟气净化回热加热器使之不含有处理气体。

优选地，回热加热器的循环操作彼此之间存在相位差，使得每次至少一个回热加热器处于透风期操作，而至少一个其他回热加热器处于燃烧期操作。然后，正在进行转换的回热加热器的净化优选地利用来自在转换的同时在燃烧期操作的至少一个其他回热加热器来实现。用于净化的烟气可直接地从处于燃烧期操作的至少一个其他回热加热器供给到正在进行转换的回热加热器。

可替换地或者另外，正在进行转换的回热加热器的净化利用先前存储在气体储存器中的烟气来实现，例如在CCS（CO₂捕获和存储）单元中的烟气。

通常，在透风期操作的回热加热器处于透风期压力（通常在5到7巴（绝对值）的范围内）下，而在燃烧期操作的回热加热器处于低于透风期压力的燃烧期压力（通常在0.9到1.3巴（绝对值）的范围内）下。因此，优选地，在回热加热器从透风期到燃烧期操作的转换过程中，从正在进行转换的回热加热器释放残余的处理气体，以在利用烟气净化之前对回热加热器进行减压。

根据本发明的优选实施例，处理气体的这种释放至少部分地引入到设置用于将炉顶气体从鼓风炉引导到气体分离单元的炉顶气体回收装置中。该炉顶气体回收装置可包括炉顶气体管道（例如，炉顶气体下管道），并包括布置在鼓风炉下游和气体分离单元上游的气体净化装置（例如其中，湿除尘器在干燥除尘器之后）。由于在气体分离单元上游的炉顶气体压力通常包括在3到5巴（绝对值）的范围内，所以在减压进入炉顶气体回收装置后，可能有必要进一步对回热加热器进行减压。该进一步减压可通过将处理气体释放到设置用于存储尾气的储气器中来实现。储气器优选地保持在略高于大气压力的压力（如在1至1.5巴（绝对值）的范围内，优选地在1.1巴）下。

除了首先减压到炉顶气体回收装置中并且然后减压到尾气储气器中，可替换地，可完全地进行减压到尾气储气器中。在4个炉的设备的情况下，还可通过将残留处理气体释放到第4个炉中来实现减压。

优选地，在减压后通过烟气（强制地）排出正在进行转换的回热加热器中剩余的处理气体并将该处理气体燃烧掉，或通过烟气（强制地）将该处理气体排出到尾气储气器中。有利地，为了避免储存在尾气储气器内的气体的CO浓度降到低于特定水平，至多在排出的处理气体（该处理气体不断地被烟气污染）中的CO浓度达到尾气中CO浓度的预定比例（该比例必须基于相关设备参数而确定）时，将处理气体传递到储气器中。优选地，燃烧掉不被传递到储气器的任何被排出的处理气体。

本发明的一个方面涉及构造并布置成用于实施该方法的鼓风炉设备。

附图的简要说明

从以下参照附图对限制性实施例的详细描述中，本发明的进一步的细节和优点将变得明显，在附图中：

图1为构造成用于实施根据本发明的优选实施例的方法的鼓风炉设备的方框图。

具体实施方式

图1示出了构造成用于实施根据本发明的优选实施例的方法的鼓风炉设备10的方框图。

鼓风炉设备10包括鼓风炉12和多个且至少三个回热加热器14.1、14.2以及14.3。此外，鼓风炉设备配备有炉顶气体再循环装置，该炉顶气体再循环装置从鼓风炉12的顶部回收炉顶气体16，并在将被回收的炉顶气体注入回鼓风炉之前使部分该炉顶气体通过再循环处理。该炉顶气体再循环装置包括炉顶气体回收装置18，该炉顶气体回收装置在鼓风炉12的顶部收集炉顶气体16并使炉顶气体经受初始净化以移除例如尘粒。在图1中所示的实例中，炉顶气体回收装置18包括上升道20、下管道22、干燥除尘器24以及气体洗涤器26（包括例如喷淋洗涤器和电沉淀分离器）。在气体洗涤器的下游，被清洁的炉顶气体在气体分离单元28（例如PSA设备）中经受CO₂移除。CO₂移除单元产生两个气体流：CO₂富集的尾气30（该尾气仍包含约10至15%体积的CO）以及CO富集的处理气体32。CO₂富集的尾气30可另外地供给通过低温单元（未示出）以从CO₂富集的尾气中分离出纯CO₂。纯CO₂可随后被泵吸入到地下进行储存。CO富集的处理气体32被加热并作为还原气体被供给回鼓风炉12中。

在回热加热器14.1、14.2以及14.3中进行对CO富集的处理气体的加热。回热加热器14.1、14.2、14.3中的每个都包括第一室34（“燃烧室”）和第二室36（“储热室”）。回热加热器14.1、14.2、14.3循环地操作在透风期（吹风阶段）和燃烧期（加热阶段）。

在加热阶段过程中，燃气和氧化气体分别经由气体入口40和42供给到燃烧器38中。燃气和氧化气体被点燃，并且它们的燃烧产生热烟气，该热烟气通过第一室34上升到顶盖（dome）44。顶盖44使热烟气偏离并将热烟气供给到包括储热元件（通常为格砖46的形式）的第二室36中。储热元件限定多个小通道，热烟气向下穿过该多个小通道以便通过第二室36下部中的烟气出口48离开回热加热器14.1、14.2或14.3。最后烟气可经由烟囱82处理。然而，更优选地，烟气被干燥并存储在地下CO₂储存器84中。

在随后的吹风阶段过程中，处理气体32通过第二室36下部中的冷风入口50被吹入到第二室36中。随着处理气体穿过储热元件之间的通道，热量从格砖46传递到处理气体。在第二室36的顶部处，热处理气体经由顶盖44被供给到第一室34中。热处理气体向下流过第一室，并且然后通过连接到热风线路54的热风出口52离开回热加热器14.1、14.2或14.3。热风线路54将热处理气体供给到鼓风炉12中。

气体分离单元28连接到特别地包括尾气储气器56的尾气网。尾气30的一部分用于为回热加热器14.1、14.2以及14.3的燃烧器38供给燃料。为此，（低热）尾气经由管道31引导并与高热气体58（例如焦炉气体）混合。然后混合物被供给到燃烧器38，在燃烧器中该混合物用作可燃物。燃烧器38可被供给以空气以燃烧尾气和高热气体的混合物。图1示出了更优选的解决方案，根据该解决方案，来自回热加热器14.1、14.2、14.3的烟气与纯氧60混合以形成氧化气体。氧化气体优选地具有约80%体积的CO₂（以及残留的氮）和约20%体积的O₂的组合物。这种氧化气体混合物的优点是可使用利用空气工作的燃烧器。应该注意的是，在使用适当的燃烧器的情况下，可燃气体的混合物还可以在纯氧中燃烧。

回热加热器14.1、14.2、14.3的循环操作彼此之间有相位差，以便在鼓风炉设备10的正常操作过程中的任何时候，回热加热器14.1、14.2、14.3中的一个操作在透风期而另外两个操作在燃烧期。加热与吹风之间的转换以及反之吹风与加热之间的转换是同步的，以便当透风期的回热加热器改变成燃烧期操作时，燃烧期的回热加热器中的一个进行吹风操作。

在回热加热器（在以下解释中将假设这是回热加热器14.1）从吹风到加热操作的转换中，首先，热风阀62和冷风阀64关闭。此时，回热加热器14.1内部残留的处理气体仍处于约6巴（绝对值）的透风期压力下。正在进行转换的回热加热器的减压然后可在一个或两个步骤中进行。在一个步骤减压的情况下，处理气体经由管道68从回热加热器14.1中释放到尾气网中，特别地释放到尾气储气器56中，或者，在4个炉的设备的情况下，释放到第四个热风炉（未示出）中。在两个步骤减压的情况下，通过经由减压管道66将处理气体从回热加热器14.1释放到炉顶气体回收装置18中来实现第一减压。炉顶气体回收装置18中的气体压力通常包括在从3到5巴（绝对值）的范围内，例如4.5巴（绝对值）。在压力均衡后，关闭减压管道66。然后经由管道68在尾气网中实现第二减压，特别地在尾气储气器56中实现。尾气网中的气体压力通常为约1.1巴（绝对值），使得回热加热器在第二减压步骤中可被减压到该压力。在压力均衡后，回热加热器仍充满处理气体。

然后使用来自在转换的同时在燃烧期操作的回热加热器（为了进行说明，将假设这是回热加热器14.3）的烟气对正在进行转换的回热加热器14.1进行净化（purge，清除，清洗）。烟气从回热加热器14.3的烟气出口供给到回热加热器14.1的烟气再循环管道70。此时，关闭氧气供应阀72、高热供气阀74以及尾气供应阀76，并且关闭燃烧器38。泵或压缩机78产生必要的压力差以将烟气引入到回热加热器14.1中。随着烟气被引导到回热加热器14.1中，剩余的处理气体经由管道68被排出到尾气网中。越多的处理气体被排出，则处理气体将越会被注入的烟气所污染。在某种程度上，因为尾气的品质将会是极度地劣化的，所以将不再可能将排出的处理气体（该处理气体实际上是处理气体和烟气的混合物）引导到尾气网中。优选地，当排出的处理气体中的CO浓度已下降到尾气网中的标称（nominal）CO浓度的特定体积百分比时，关闭管道68。如果仍需继续进行净化，那么处理气体和烟气的混合物可被供给到火焰部80或到移除任何剩余CO量的气体分离单元（未示出）中。当回热燃烧器14.1中的CO浓度已经下降到用于安全启动燃烧器38的值时，停止净化。

如果由于特殊情况而应当不可能在其他回热加热器的一个中的烟气出口处收集用于的用于净化一回热加热器的（足够的）烟气，那么可使用先前存储在CO₂储存器84中的烟气。为此，打开管道86。

关于从加热到吹风阶段的转换，必须注意的是，当打开冷风阀64并且CO富集的处理气体进入第二室时，在回热加热器中不存在或仅存在非关键量的氧化气体。否则，CO富集的处理气体和氧化气体可能形成能点燃和损坏回热加热器的危险混合物。为了确保在吹风阶段开始时不存在氧化气体，在加热阶段结束时，可采取不同的措施。根据第一选择，通过关闭氧气供应阀72停止第一氧气供应。因此，不再有氧气被供给到系统中。为了消耗任何残留的氧气，燃气混合物继续被供给到燃烧器38中。当所有的氧化气体消失时，燃烧自动停止。现在中断燃气混合物和烟气的供应。可通过打开冷风阀64（由此使回热加热器达到透风期压力）并且然后打开热风阀62而安全地开始吹风阶段。在每个吹风阶段开始时的一短时间过程中，烟气将被供给到鼓风炉12。然而，烟气量不足以影响鼓风炉的操作。根据用于避免在吹风阶段开始时在回热加热器中存在氧化气体的第二选择，以常规方式停止燃烧（即，通过首先阻止燃气混合物到达），这导致在回热加热器中存在残余氧气。然后通过利用来自另一回热加热器的尾气进行另外的净化阶段而从回热加热器移除该氧气。

虽然已经详细描述了特定的实施例，但本领域技术人员将会理解的是，可根据本公开内容的总体教导对这些细节进行各种修改和替代。因此，所公开的特定布置仅是说明性的，并不限制本发明的范围，通过所附权利要求的全部宽度及其任何和所有等价物给定本发明的范围。

特别值得注意的是，回热加热器的燃烧器可被供给有不同的燃气或不同的燃气混合物。然而，如在实例中讨论的，尾气和焦炉气体的混合物是优选的选择，这是因为这两种类型的气体通常可在进行炉顶气体再循环的操作的鼓风炉设备中获得。关于氧化气体，氧化气体在实例中为氧气和再循环烟气的混合物，可替代的解决方案将是利用预燃烧室中的过量氧气燃烧部分尾气，从而获得所需的惰性气体（燃烧过的尾气，基本上为CO₂）和氧气的混合物。

图例：

10 鼓风炉设备

12 鼓风炉

14.1、14.2、14.3 回热加热器

16 炉顶气体

18 炉顶气体回收装置

20 上升道

22 下管道

24 干燥除尘器

26 气体洗涤器

28 气体分离单元

30 （CO贫乏的）尾气

31 管道

32 （CO富集的）处理气体

34 第一室

36 第二室

38 外部或内部类型的燃烧器

40 用于氧化气体的气体入口

42 用于燃气的气体入口

44 顶盖

46 格砖

48 烟气出口

50 冷风入口

52 热风出口

54 热风线路

56 尾气储气器

58 高热气体

60 氧气

62 热风阀

64 冷风阀

66 减压管道

68 管道

70 烟气再循环管道

72 氧气供应阀

74 高热供气阀

76 尾气供应阀

78 压缩机

80 火焰部

82 烟囱

84 CO₂储存器

86 管道

Claims (11)

1.一种操作鼓风炉设备（10）中的回热加热器（14.1，14.2，14.3）的方法，特别地操作热风炉，所述设备包括：

鼓风炉（12），

气体分离单元（28），构造成用于将来自所述鼓风炉的炉顶气体分离成CO富集的处理气体（32）流和CO贫乏的尾气（30）流；

至少三个回热加热器（14.1，14.2，14.3），每个所述回热加热器都具有内部储热元件（46）、冷风入口（50）以及热风出口（52），所述冷风入口用于接收来自所述气体分离单元（28）的CO富集的处理气体（32），所述热风出口用于将CO富集的处理气体供给到所述鼓风炉（12）中；

所述方法包括

在透风期和燃烧期循环地操作所述回热加热器（14.1，14.2，14.3），所述循环操作包括

当在燃烧期操作一个所述回热加热器（14.1，14.2，14.3）时，通过燃烧器（38）产生热烟气并且使得所述热烟气流过所述回热加热器，以加热所述储热元件（46）；以及

当在透风期操作一个所述回热加热器（14.1，14.2，14.3）时，将CO富集的处理气体吹过所述回热加热器，以用于所述CO富集的处理气体从所述储热元件（46）吸收热量；

所述方法进一步包括

在一个所述回热加热器（14.1，14.2，14.3）从透风期操作到燃烧期操作的转换过程中，利用在已流过至少一个所述回热加热器（14.1，14.2，14.3）后收集的烟气净化所述回热加热器使之不含有CO富集的处理气体。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述回热加热器（14.1，14.2，14.3）的所述循环操作彼此之间存在相位差，使得每次至少一个所述回热加热器（14.1，14.2，14.3）处于透风期操作，而其他所述回热加热器（14.1，14.2，14.3）中的至少一个回热加热器处于燃烧期操作，并且其中，正在进行所述转换的所述回热加热器的所述净化利用来自在所述转换的同时处于燃烧期操作的另一个所述回热加热器的烟气来实现。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，正在进行所述转换的所述回热加热器的所述净化利用先前存储在气体储存器（84）中的烟气来实现。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，处于透风期操作的一个所述回热加热器（14.1，14.2，14.3）处于透风期压力下，其中，处于燃烧期操作的一个所述回热加热器（14.1，14.2，14.3）处于低于所述透风期压力的燃烧期压力下，并且其中，在一个所述回热加热器从透风期操作到燃烧期操作的转换过程中，从正在进行所述转换的所述回热加热器中释放CO富集的处理气体，以在利用烟气净化之前对所述回热加热器进行减压。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述CO富集的处理气体的所述释放至少部分地实施到设置用于将炉顶气体（16）从所述鼓风炉（12）引导到所述气体分离单元（28）的炉顶气体回收装置（18）中。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，所述CO富集的处理气体的所述释放至少部分地引入到设置用于存储所述CO贫乏的尾气（30）的储气器（56）中。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其中，在所述减压后，利用所述烟气驱逐出正在进行所述转换的所述回热加热器中剩余的CO富集的处理气体并将所述剩余的CO富集的处理气体燃烧掉。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，在所述减压后，利用所述烟气将正在进行所述转换的所述回热加热器中剩余的CO富集的处理气体排出到所述储气器（56）中。

9.根据权利要求6或8所述的方法，其中，至多在排出的所述CO富集的处理气体中的CO浓度达到所述CO贫乏的尾气（30）中的CO浓度的一预定百分比时，将所述CO富集的处理气体传递到所述储气器（56）中。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，将未被传递到所述储气器（56）中的任何被驱逐的CO富集的处理气体燃烧掉。

11.一种鼓风炉设备，构造并布置成用于实施根据权利要求1至10中任一项所述的方法。

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