CN104540928A - 操作带有炉顶煤气再循环和火焰管式加热器的高炉的方法和系统 - Google Patents

操作带有炉顶煤气再循环和火焰管式加热器的高炉的方法和系统 Download PDF

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Abstract

使用了一种高炉系统，其中通过将经提质的炉顶煤气从高炉再循环回其炉筒段(该经提质的炉顶煤气在再循环之前在管式加热器中被加热)来降低加焦量。从高炉的上部取出包括CO、CO2和H2的炉顶煤气；冷却并除去粉尘、水和CO2以提高其还原能力，并在再循环之前将其加热到850℃以上的温度，由此限定了在高炉正常操作期间使用的第一气流路径。特别地，用于在高炉操作中断的期间选择性地使炉顶煤气持续地经由所述加热器和冷却器循环的第二气流路径使得能够有时间以避免对管式加热器造成热冲击损伤的方式进行所述加热器的逐渐的受控冷却。

Description

操作带有炉顶煤气再循环和火焰管式加热器的高炉的方法和系统
技术领域
本发明涉及钢铁工业领域，更具体而言涉及包括如下的高炉操作：经提质的炉顶煤气经由直焰（direct fired）气体加热器再循环以提高高炉的效率和生产能力，同时在高炉系统启动其操作时或者在炉顶煤气到高炉的再循环不得不中断时保护所述加热器免受热冲击。
背景技术
在生产生铁的高炉中，铁矿石与焦炭和熔剂一同经由高炉上部装填。热的空气鼓风流（air blast）经由高炉底部的鼓风口注入，从而通过焦炭中的碳燃烧产生热，使装填的物料（装料）熔化。焦炭的受控燃烧还产生氢气和一氧化碳，它们将高炉内的铁氧化物化学还原。定期将液态铁和熔渣从炉中取出。燃烧气体向上流经高炉并还原铁氧化物，并且作为载有粉尘的热气体流离开高炉。热被回收用以预热空气鼓风流，且该炉顶煤气一旦冷却则通常在钢铁厂的其它部分中用作燃料。
在高炉装料中需要冶金焦炭，因为该材料(通过煤在炼焦炉中的热解产生，例如在无氧存在的情况下间接加热)提供了所谓的“死铁（dead man）”区上方的高炉装料的结构支撑，在该“死铁”区金属铁开始熔化并掉落到高炉底部，在此收集熔融铁和熔渣。
焦炭还通过其与含氧气体(通常为经预热的空气)的燃烧提供用于熔化铁装料的热，主要由CO和CO2以及一些H2和水组成的燃烧气体向上流经高炉的炉筒(shaft)部分并将铁氧化物还原为方铁体（wustite，FeO）。
在现有技术中发现了若干目的在于减少加焦量（coke rate）的在高炉中再循环炉顶煤气的推荐方案，它们涉及将炉顶煤气再循环到高炉并以此方式将焦炭消耗降低到最小。如果炉顶煤气在直焰管式加热器中加热，那么由高级合金制成以耐受将炉顶煤气的温度提升到850℃以上、优选900℃至1100℃所必需的高温的加热器管路在启动期和关闭期期间需遵循特别制定的温度设置（temperature profile），以避免对管路的热冲击，而这需要所述气体在这样的启动和关闭期间经由所述加热器管路的连续流动。
申请人已发现数篇专利和专利申请涉及炉顶煤气再循环到高炉以减少焦炭消耗，它们教导了再循环气体要加热到适于铁氧化物的直接还原的温度，例如：美国专利3,784,370；4,844,737；4,917,727；4,363,654；5,234,490号；美国专利申请2010/0212457 A1号；英国专利GB1,218,912号；以及日本专利公开JP55113814号。
以上专利或专利申请中没有一篇教导或启示了提供如下的备选路径（alternative path）：该路径包括用于来自气体加热器的热气体流出物的冷却装置，用以保护所述气体加热器的组件免于因不可预知的高炉操作中断而受到热冲击。在现有技术中并未预想到对用于以经提质的炉顶煤气再循环改善高炉的操作和可用性的加热器的这一实际问题的解决方案。
发明目的
本发明的一个目的是提供用于通过提质和再循环炉顶煤气来改善高炉操作的方法和设备。
本发明的另一个目的是提供用于通过如下方式来改善高炉操作的方法和设备：提供包括气体冷却装置的热气体备选回路使得即使在BF设备操作的其余部分终止时也能够应用正常的加热器启动和关闭操作。
本发明的另一个目的是提供用于通过如下方式来改善高炉设备的可用性的方法和设备：提供气体回路和冷却装置使得能够实现独立的操作工序。
本发明的其它目的对于本领域技术人员来说将是显而易见的，或者将在本申请说明书中指出。
发明内容
本发明的目的大体上通过提供在高炉中生产铁的方法来实现，其中通过再循环经提质的炉顶煤气来降低加焦量，该炉顶煤气在再循环到高炉之前在管式加热器中加热，并且其中所述管式加热器受到保护免于遭受可能因不可预知的高炉系统操作中断而导致的损伤，且其中从高炉的上部取出包括CO、CO2和H2的炉顶煤气流，从中去除粉尘和水，并从经冷却的炉顶煤气流中去除CO2以提高其还原能力，并且在高炉系统的正常操作期间在将该炉顶煤气流经由第一气流路径再循环到高炉之前将其加热到850℃以上的温度，优选900℃至1100℃。提供用于炉顶煤气经由所述加热器循环的第二气流路径，使得在高炉系统操作中断的情况下使炉顶煤气继续经由所述第二气流路径循环，从而避免可能由所述高炉系统的所述操作中断引起的突发性热变化对所述管式加热器造成损伤。
本发明的目的还通过提供在高炉中生产熔融铁的高炉系统来实现，其中铁矿石、冶金焦炭和熔剂在高炉上部装填，熔融铁和熔渣从高炉下部取出，所述系统包括与所述出口装置相连的用于清洁炉顶煤气流的粉尘的装置；用于清洗和冷却所述炉顶煤气流并从中去除水的第一冷却装置；用于提高经冷却的炉顶煤气流的压力使得能够将所述炉顶煤气再循环到高炉的泵装置；用于从所述经冷却的炉顶煤气流的至少一部分中去除CO2以形成CO2贫化的还原性气流的装置；用于将所述CO2贫化的还原性气流加热到850℃以上的温度的管式气体加热器；和连接所述高炉系统的各组件的第一管道装置，所述第一管道装置限定了经由所述气体加热器的第一气体循环气体路径，以在所述高炉系统的正常操作期间将所述热的还原性气流再循环到所述高炉；所述高炉系统的特征在于还包括：用于冷却来自所述加热器的热的气体流出物的第二冷却装置；连接所述第二冷却装置与所述气体加热器和所述泵装置的第二管道装置，其限定了经由所述气体加热器的第二气体循环路径；用于选择性地将来自所述加热器的气体流出物流转向到所述第二冷却装置并流经所述第二气体路径的第一阀装置；和用于在来自所述反应器的气体流出物流经所述第二气体路径时阻断气体流出物从所述加热器到所述高炉的流动的第二阀装置；从而在高炉系统的操作中断的情况下，将经由所述加热器循环的气体转向为经由所述第二气体路径以防止所述高炉系统操作中断引起的突发性热变化对所述加热器造成损伤。
本发明的目的在其较宽方面还通过提供在高炉中生产熔融铁的方法来实现，其中铁矿石、冶金焦炭和熔剂在高炉上部装填，熔融铁和熔渣从高炉下部取出，所述高炉在其下部具有多个鼓风口，含氧气体通过所述鼓风口引入以通过所述焦炭在所述高炉内的燃烧来产生热和还原性气体，所述方法还包括在正常操作期间通过如下步骤形成第一气体循环路径：从所述高炉取出热的炉顶煤气流；在第一冷却装置中冷却和清洗热的炉顶煤气流中的粉尘；通过泵装置提高所得的经冷却的炉顶煤气流的压力使得能够将所述炉顶煤气流再循环回高炉；从所述经冷却的炉顶煤气流的至少一部分中去除CO2以形成CO2贫化的还原性气流；在管式气体加热器将所述CO2贫化的还原性气流加热到850℃以上的温度；通过将所得的现在已热（now-hot）的CO2贫化的还原性气流回注到所述高炉的上部中来完成所述第一气体循环路径；所述方法的特征还在于在高炉操作中断的期间，该中断随之导致来自该高炉的正常炉顶煤气流中断，保护所述加热器，该保护通过借助如下步骤形成第二气体循环路径以在受控的加热器冷却期间确保经由所述加热器的CO2贫化的还原性气体的连续气流来实现：将来自所述加热器的热的气体流出物流转向为离开所述高炉并通过冷却装置；使所得的经冷却的气体流出物流经所述泵装置以加压和保持经由所述第二气体路径的气流；以及通过将经冷却和加压的气体流出物再循环回所述加热器中来完成所述第二气体循环路径。
附图说明
图1是显示本发明的一个优选实施方式的示意性工艺流程图。
具体实施方式
参见图1，附图标记10一般地指代高炉，如本领域中已知地，它具有在其下部的炉缸（crucible）段12和位于炉缸段上方的鼓风段14、以及在其上部的炉筒段16，其中在炉缸段12处收集熔融铁和熔渣，在鼓风段14处引入含氧气体以进行焦炭的燃烧，并且其中在炉筒段16处装填呈烧结物、丸粒或团块及它们的混合物形式的铁矿石颗粒以及焦炭、石灰石和其它熔剂18，并且随后使铁氧化物还原为方铁体，并最终还原为金属铁。定期从高炉10的底部区12取出熔融铁19和熔渣21。
来自工业纯的供应源26的氧气(而非空气)被进料到混合器件24，在这里进料来自供应源28的温度缓和剂(temperature moderating agent)用以防止火焰温度达到过高水平，并因此防止损伤鼓风口27中的鼓风嘴。温度缓和剂可为，例如，蒸汽、二氧化碳、油、粉煤、焦炭粉或者其它将会与氧发生吸热反应并将温度降低到约2,000℃至2,600℃的水平的碳氢化合物。并且，来自管道30的炉顶煤气的一部分在处理之后可再循环到鼓风口，用以缓和氧与焦炭的高燃烧温度。氧鼓风流（oxygen blast）26与缓和剂28一起进料到集流管（header）23并随后经由进料管道25进料到鼓风口27。
取决于装填到高炉的材料的特性，炉顶煤气的组成可在大范围内变化。以干基计算的典型组成为25% CO、12% CO2、5% H2和56% N2以及痕量的其它气体。来自高炉10顶部的炉顶煤气流出物经由管道30离开并进料到除尘器件32，在这里分离来自所述装料和煤烟或其它固体材料的粉尘34。
在本发明的一个任选的优选实施方式中，所得的经清洁的气体经由管道36流到变换反应器38，在这里调整经清洁和经冷却的气体的组成以提高氢气含量，从而得到1.5-4的H2/CO比，优选2-3 (以体积百分比测量)。经由管道42供给蒸汽40作为变换反应的反应物。CO与H2O根据以下反应进行反应形成H2：
CO + H2O → H2 + CO2
进行上述反应的温度为约300℃以上。炉顶煤气流可在进料到变换反应器38之前通过本领域中称为热交换器的装置(未示出)加热。经变换的气体随后经由管道46和阀104通到冷却水注入器件110，在这里所述气体的温度通过与水112接触而降低，并随后通到第一冷却器/洗涤器48 (使用冷却水50)，在这里冷凝所述气体中的水分并将合并的水作为水流52取出。在所图示的优选实施方式中，器件110和冷却器/洗涤器48还可一起视为充当第一冷却器装置。
经脱水的气体随后流经管道49，自此一小部分经清洁和脱水的气体54经由具有压力控制阀56 (用于再循环回路的压力控制和用于保持再循环回路中的N2浓度低于13 vol%)的管道从再循环回路中排放掉。大部分气流流经管道58以再循环到高炉10。所排放的气体54可有利地在用于气体加热器70的燃烧器88中用作燃料，并且任选地根据需要还可补充以其它燃料，如焦炉煤气或天然气86。
经清洁和脱水的还原性流出物气体随后经由管道58输送到压缩机60，在其中它的压力通过该泵装置60提升到适于在其最终再循环到高炉10之前经受进一步处理的水平。为提升再循环的还原性气体的还原能力，使经加压的流出物气体经由管道62流到CO2分离装置64，在这里去除CO2 66，留下主要由CO和H2组成的还原性气体。
从再循环的经冷却的气流中去除CO2可通过使用胺溶液或碳酸盐溶液吸收或者通过在变压吸附(PSA)或真空变压吸附(VPSA)装置中物理吸附来进行。
使CO2贫化的气体经由管道68通到加热器70，在这里将它的温度提升到800℃以上。使所得的热的还原性气体经由管道71通到集流管72，并将该再循环的还原性气体经由外周管道74和喷嘴76引入到高炉的炉筒段分16中。来自供应源78的氧气可添加到所述热的还原性气体中，以将该还原性气体的温度进一步提高到1000℃至1100℃。在加热器70的燃烧器88中使用合适的燃料86，例如天然气或焦炉煤气。
具有提高的H2/CO比和高还原能力(以H2＋CO/CO2＋H2O之比测量数值为2以上)的经提质的再循环炉顶煤气在加热器70的盘管路80中加热到800℃以上的温度，用以在炉筒段16中还原铁氧化物。蒸汽82和空气/氧气84的混合物可定期注入加热器70的管路80中用于脱焦（decoking），例如消除可能积聚在管路80中的碳沉积物，这取决于炉顶煤气的组成。
管式加热器通常具有一系列由特种合金制成的加热管路80以耐受高的壁温，并且要求特殊且精细的启动和关闭工序以避免对所述管路80的热冲击，如果发生突发性热变化所述管路80可能会受到损伤。因突发性热变化引起的损伤在管壁的外部产生裂缝，这可归因于管壁在内外表面上具有的不同温度和合金疲劳（alloy fatigue）。
关闭气体加热器的正常工序是以规划好的（programmed）冷却速率(例如，约30℃/小时)从约900℃的正常工作温度开始对所述高炉进行冷却。这种逐渐冷却是在保持气体经由所述管路的正常流动的同时进行的。
当加热器出口处的气体温度为约600℃至700℃时，逐渐减小到燃烧器88的燃料气体流率，并随后使管路80缓慢冷却下来。采用这种方式，所述管路的可用寿命长于管路遭受到因通过所述管路的气流的意外中断而导致的热疲劳（thermal fatigue）的情形。
为避免对加热器管路的损伤，通过关闭阀116将来自加热器70的炉顶煤气流流出物转向到管道90，到管道90并随后转向到水注入器件118，在这里热的炉顶煤气通过与经由管道122来自供应源120的水接触而被急冷。经急冷的炉顶煤气经由管道91流到第二冷却器/洗涤器92，在这里炉顶煤气通过与来自供应源94的水直接接触而被清洗和冷却下来，所述水经由管道96离开。冷却和清洁的炉顶煤气流经管道98及阀100和108并进料到压缩机60，由此即使在高炉10的操作中断的期间仍保持经由加热器70的管路80的炉顶煤气流。
在本发明的另一个实施方式中，冷却器/洗涤器92可被省略，替代地通过如下方式在冷却器/洗涤器48中清洗和冷却来自管道90/98的经急冷的炉顶煤气：关闭阀108，并使经急冷的炉顶煤气经由管道102 (以虚线示出以表明是本发明的任选实施方式)流到清洗器/洗涤器48，随后通过开启阀59和关闭阀104使来自冷却器/洗涤器48的经冷却和清洁的炉顶煤气流出物经由管道58流动。
优选地还有，如果在CO2去除装置处存在操作问题，那么可通过如下方式进一步保护所述加热器：使用管道124和隔离阀126和阀128提供对CO2去除装置的旁通（by-pass）。
进一步优选的实施方式包括同时具有第一和第二冷却器92和48的选项。例如，在一个不含变换器的实施方式中，炉顶煤气将在100-120℃左右从除尘器件32中出来，因此第一冷却器48将设计为低冷却能力，而如果包含变换器，则炉顶煤气将为约300℃，此时所述第一冷却器48将设计为较高的冷却能力，在任何情况下，第二冷却器92将设计用于冷却温度高得多的炉顶煤气，因为炉顶煤气将以约850-1000℃离开所述加热器，因此第二冷却器92比第一冷却器更重要。
本发明可用于炉顶煤气被再循环且所述再循环的炉顶煤气在直焰管式加热器中被加热的新建炉或已有炉。
当然应理解在本说明书中为了说明的目的仅描述了本发明的一些优选实施方式，本发明的范围不受所描述的这些实施方式的限制，而仅受所附权利要求的范围的限制。

Claims (11)

1.用于在高炉中生产熔融铁的高炉系统，其中铁矿石、冶金焦炭和熔剂在高炉上部装填到高炉中，熔融铁和熔渣从高炉下部取出，所述高炉在其下部具有多个鼓风口用于引入含氧气体，用以通过所述焦炭在所述高炉内的燃烧来产生热和还原性气体；
所述高炉系统具有：
第一冷却装置，用于清洗和冷却所述炉顶煤气流并从中去除粉尘和水，该装置连接为接收来自所述高炉上部的热的炉顶煤气流；
泵装置，用于提高所得的经冷却的炉顶煤气流的压力，使得能够将所述炉顶煤气再循环到所述高炉中；
用于从所述经冷却的炉顶煤气流的至少一部分中去除CO2以形成CO2贫化的还原性气流的装置；
管式气体加热器，用于将所述CO2贫化的还原性气流加热到850℃以上的温度；和
第一管道装置，其连接所述高炉系统的前述组件，该装置限定了经由所述气体加热器的第一气体循环路径，以在所述高炉系统的正常操作期间将所述热的还原性气流再循环到所述高炉；
所述高炉系统的特征在于包括：
第二冷却装置，用于冷却从所述加热器转向到该装置的热的气体流出物；
第二管道装置，其连接所述第二冷却装置与所述气体加热器和所述泵装置，该第二管道装置限定了经由所述气体加热器的第二气体循环路径；
第一阀装置，用于选择性地将气体流出物流从所述加热器转向到所述第二冷却装置并流经所述第二气体路径；和
第二阀装置，用于在来自所述反应器的气体流出物流经所述第二气体路径时阻断气体流出物从所述加热器到所述高炉的流动；
其中在所述高炉系统的操作中断的情况下，能够将经由所述加热器循环的气体转向为流经所述第二气体路径并持续流经所述加热器，以防止由所述高炉系统的操作中断引起的突发性热变化对所述加热器造成的损伤。
2.根据权利要求1所述的高炉系统，其特征还在于包括用于调整催化反应器中的所述炉顶煤气的H2/CO体积比的装置。
3.根据权利要求1或2所述的高炉系统，其特征还在于所述CO2去除装置是利用胺溶液的吸收塔。
4.根据权利要求1或2所述的高炉系统，其特征还在于所述CO2去除装置是变压吸附(PSA)或真空变压吸附(VPSA)装置。
5.在高炉中生产熔融铁的方法，其中铁矿石、冶金焦炭和熔剂在高炉上部装填，熔融铁和熔渣从高炉下部取出，所述高炉在其下部具有多个鼓风口，经由它们引入含氧气体用以通过所述焦炭在所述高炉内的燃烧来产生热和还原性气体；
所述方法还包括在正常操作期间通过如下步骤形成第一气体循环路径：
从所述高炉取出热的炉顶煤气流；
在第一冷却装置中冷却和清洗所述热的炉顶煤气流，包括粉尘去除；
通过泵装置提高所得的经冷却的炉顶煤气流的压力，使得能够将所述炉顶煤气流再循环回所述高炉；
从所述经冷却的炉顶煤气流的至少一部分中去除CO2，形成CO2贫化的还原性气流；
在管式气体加热器中将所述CO2贫化的还原性气流加热到850℃以上的温度；
通过将所得的现在已热的CO2贫化的还原性气流回注到所述高炉的上部中来完成所述第一气体循环路径；
所述方法的特征还在于：
在高炉操作中断的期间，该中断随之导致来自该高炉的正常炉顶煤气流中断，保护所述加热器，该保护通过借助如下步骤形成第二气体循环路径以在受控的加热器冷却期间确保经由所述加热器的CO2贫化的还原性气体的连续气流来实现：
将来自所述加热器的热的气体流出物流转向为离开所述高炉并流经冷却装置；
使所得的经冷却的气体流出物流经所述泵装置，以加压并保持经由所述第二气体路径的气流；以及
通过在冷却期间根据需要将经冷却和加压的气体流出物持续地再循环回所述加热器中来完成所述第二气体循环路径。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征还在于第二气体循环路径中的冷却装置与第一气体循环路径中的冷却装置为同一冷却装置。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征还在于第二气体循环路径中的冷却装置是独立的第二冷却装置。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征还在于第二气体循环路径中的冷却装置包括与第一气体循环路径中的冷却装置为同一装置的冷却装置和独立的第二冷却装置两者。
9.根据前述权利要求5-8中任一项所述的方法，其特征还在于使所述经清洁的炉顶煤气流在催化反应器中与蒸汽在300℃以上的温度下反应，以提高所述炉顶煤气中的H2/CO体积比。
10.根据前述权利要求5-9中任一项所述的方法，其特征还在于通过在胺溶液中吸收CO2来从所述经冷却和清洁的炉顶煤气流中去除CO2。
11.根据前述权利要求5-9中任一项所述的方法，其特征还在于通过在变压吸附装置中吸附CO2来从所述经冷却和清洁的炉顶煤气流中去除CO2。
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