CN107840337B - 一种利用高炉煤气和液氧制备干冰的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用高炉煤气和液氧制备干冰的系统及方法，该系统包括燃烧设备、第一间接式换热器和干冰制造机。燃烧设备能够燃烧其所接收的高炉煤气而产生烟气，第一间接式换热器的冷源进口与液氧源相连，而其冷源出口用于排出氧气或气液混合物，且第一间接式换热器的热源进口与燃烧设备的排烟口相连，而其热源出口与干冰制造机相连。其中，液氧源输出的液氧与烟气能在第一间接式换热器中换热，使得烟气能在液氧气化的过程中进行降温，从而使烟气中的二氧化碳在降温后被干冰制造机转化成干冰。本发明既能够回收利用高炉煤气燃烧后产生的烟气中的二氧化碳，得到副产品干冰，又能够使得液氧的冷能得到合理的利用。

Description

一种利用高炉煤气和液氧制备干冰的系统及方法

技术领域

本发明属于钢铁冶炼能源回收利用领域，具体涉及一种利用高炉煤气和液氧制备干冰的系统及方法。

背景技术

高炉煤气是炼铁过程中的重要副产物，高炉煤气作为燃料被燃烧后的产生的烟气经冷却和净化后都会被直接排放，燃烧后的烟气中含有大量的二氧化碳会加重引起全球变暖的温室效应，因此如何降低其的排放是人们亟需解决的一大问题。

发明人竭尽心力地发现，液氧也是钢铁冶金过程中不可或缺的原料，主要应用于高炉的富氧燃烧和炼钢吹氧等工序，但其在使用前需要通过水浴、电加热等方式强制进行气化，其中液氧的冷能也没有得到合理的利用，因此若能利用液氧的冷能来回收高炉煤气燃烧后所产生的二氧化碳的话，那么便可大幅度降低钢铁冶金过程中的能源浪费，大大提高钢铁生产的经济效益。

发明内容

基于上述问题，本发明的目的是提供一种利用高炉煤气和液氧制备干冰的系统及方法，既能够回收利用高炉煤气燃烧后产生的烟气中的二氧化碳，得到副产品干冰，又能够使得液氧的冷能得到合理的利用。

本发明的第一方面提供一种利用高炉煤气和液氧制备干冰的系统，其包括燃烧设备、第一间接式换热器和干冰制造机，其中所述燃烧设备能够燃烧其所接收的高炉煤气而产生烟气，所述第一间接式换热器的冷源进口与液氧源相连，而其冷源出口用于排出氧气或气液混合物，且所述第一间接式换热器的热源进口与所述燃烧设备的排烟口相连，而其热源出口与所述干冰制造机相连；其中，所述液氧源输出的液氧与所述烟气能在所述第一间接式换热器中换热，使得所述烟气能在所述液氧气化的过程中进行降温，从而使所述烟气中的二氧化碳在降温后被所述干冰制造机转化成干冰。

优选地，还包括第二间接式换热器，所述第二间接式换热器的冷源进口与所述第一间接式换热器的冷源出口相连，所述第二间接式换热器的冷源出口与所述燃烧设备相连，以为其提供作为助燃剂的氧气；所述第二间接式换热器的热源进口与所述第一间接式换热器的热源进口一同与所述燃烧设备的排烟口相连，所述第二间接式换热器的热源出口与所述干冰制造机相连。

优选地，还包括用于对烟气进行降温的水冷式换热器，所述水冷式换热器的冷源进口用于接收冷却水，其冷源出口与用户取暖设备相连，所述水冷式换热器的热源进口与所述燃烧设备的排烟口相连，其热源出口与所述第一和第二间接式换热器的热源进口均相连。

优选地，所述第一间接式换热器和第二间接式换热器的热源进口处分别设有第一截止阀和第二截止阀，所述第二间接式换热器的冷源进口处设有第三截止阀。

优选地，进入所述第一间接式换热器的热源进口烟气与进入所述第二间接式换热器的热源进口的烟气的流量比为2:1～4:1。

优选地，在所述第二间接式换热器的冷源出口处设有第一调节阀和第四截止阀，所述第二间接式换热器的冷源出口通过第六截止阀和第二调节阀与所述燃烧设备相连。

优选地，还包括用于储存高炉煤气的缓冲罐，所述缓冲罐的出口通过第七截止阀和第三调节阀与所述燃烧设备相连；所述液氧源是液氧罐，所述液氧罐的出口依次通过第八截止阀和第四调节阀与所述第一间接式换热器的冷源进口相连。

优选地，所述液氧罐的出口与所述第八截止阀之间设有输送泵，所述液氧罐的出口与所述输送泵之间还设有第九截止阀。

优选地，所述第一间接式换热器和所述第二间接式换热器的热源进口的处均设有干燥器。

根据本发明的利用高炉煤气和液氧制备干冰的系统，首先将高炉煤气回收利用，在燃烧设备中作为燃料进行燃烧，燃烧后的高炉煤气产生了富含二氧化碳的烟气，再对烟气中的二氧化碳和烟气的余热进行回收。具体地，烟气在第一间接式换热器中与液氧进行换热，利用烟气的余热来气化液氧，相较于通过水浴、电加热等方式来气化液氧的方式，在减少了能量消耗的同时，又有利于烟气中二氧化碳的进一步回收利用。被降温后的烟气被送入干冰制造机中作为制造干冰的原料，使得高炉煤气燃烧后的烟气中的二氧化碳被充分回收，有利于环境的保护。同时，干冰作为附加值更高的产品，能够为钢铁企业的生产创造更高的效益。另外，本发明的利用高炉煤气和液氧制备干冰的系统结构简单，生产方便，便于广泛地推广应用。

本发明的第二方面提供一种利用高炉煤气和液氧制备干冰的方法，其包括以下步骤：

步骤1、将高炉煤气的压力调节到5～10kPa，并送入燃烧设备中作为燃料，将氧气输送到所述燃烧设备中作为助燃剂，使得高炉煤气燃烧并产生温度范围在300～350℃的烟气，其中，送入所述燃烧设备的高炉煤气与氧气的流量比为1:8～1:10；

步骤2、将燃烧后产生的烟气送入水冷式换热器的热源进口，而将温度为20～35℃且压力大于0.2MPa的冷却水送入所述水冷式换热器的冷源进口，冷却水与烟气换热在所述水冷式换热器内进行换热，使得其热源出口处的所述烟气的温度降低至90～150℃，而其冷源出口处的所述冷却水的温度升高至60～80℃；

步骤3、将在水冷式换热器中被降温后的烟气按照2:1～4:1的比例分别送入第一间接式换热器和第二间接式换热器的热源进口，而将液氧的压力调节到大于0.1MPa后，送入第一间接式换热器的冷源进口；其中，液氧与烟气在所述第一间接式换热器中换热，使得烟气被降温而液氧被部分或全部气化为氧气，所述第二间接式换热器的冷源进口接收所述第一间接式换热器的冷源出口排出氧气或气液混合物，烟气与氧气或气液混合物在所述第二间接式换热器中换热，使得烟气被降温至-60℃以下，液氧完全气化为氧气，氧气的温度进一步升高，且氧气的压力维持在0.4MPa以下；

步骤4、将液氧气化后生成的部分或全部氧气的压力调节到5～10kPa后送入所述燃烧设备中作为助燃剂，同时将被降温后的烟气被送入干冰制造机中，使所述烟气中的二氧化碳被制造为干冰。

根据本发明的利用高炉煤气和液氧制备干冰的方法，既能够回收利用高炉煤气燃烧后产生的烟气中的二氧化碳，得到副产品干冰，又能够使得液氧的冷能得到合理的利用，在有利于环境的保护的同时，又能够为钢铁企业的生产创造更高的效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为根据本发明实施例的利用高炉煤气和液氧制备干冰的系统的结构示意图。

附图标记说明：1、燃烧设备；2、第一间接式换热器；3、干冰制造机；4、第二间接式换热器；5、水冷式换热器；6、缓冲罐；7、液氧罐；8、输送泵；9、干燥器；11、第一截止阀；12、第二截止阀；13、第三截止阀；14、第四截止阀；15、第五截止阀；16、第六截止阀；17、第七截止阀；18、第八截止阀；19、第九截止阀；21、第一调节阀；22、第二调节阀；23、第三调节阀；24、第四调节阀。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

图1显示了根据本发明实施例的利用高炉煤气和液氧制备干冰的系统的结构示意图。如图1所示，该系统包括燃烧设备1、第一间接式换热器2和干冰制造机3。其中，燃烧设备1能够燃烧其所接收的高炉煤气而产生烟气，第一间接式换热器2的冷源进口与液氧源相连，而其冷源出口用于排出氧气或气液混合物，且第一间接式换热器2的热源进口与燃烧设备1的排烟口相连，而其热源出口与干冰制造机3相连。其中，液氧源输出的液氧与烟气能在第一间接式换热器2中换热，使得烟气能在液氧气化的过程中进行降温，从而使烟气中的二氧化碳能够在降温后被干冰制造机3转化成干冰。上述燃烧设备1是需要将高炉煤气作为燃料进行燃烧的设备的统称，具体可以是发电机、加热炉和燃气机等。所谓的间接式换热器是指在换热过程中，液氧和烟气始终不直接接触的换热器。

根据本发明的利用高炉煤气和液氧制备干冰的系统，首先将高炉煤气回收利用，在燃烧设备1中作为燃料进行燃烧，燃烧后的高炉煤气产生了富含二氧化碳的烟气，再对烟气中的二氧化碳和烟气的余热进行回收。具体地，烟气在第一间接式换热器2中与液氧进行换热，利用烟气的余热来气化液氧，相较于通过水浴、电加热等方式来气化液氧的方式，在减少了能量消耗的同时，又有利于烟气中二氧化碳的进一步回收利用。被降温后的烟气被送入干冰制造机3中作为制造干冰的原料，使得高炉煤气燃烧后的烟气中的二氧化碳被充分回收，减少二氧化碳的排放，有利于环境的保护。同时，制备的干冰作为附加值更高的产品，能够为钢铁企业的生产创造更高的效益。

在本实施例中，为了更好地利用液氧的冷能，该利用高炉煤气和液氧制备干冰的系统还包括第二间接式换热器4，第二间接式换热器4的冷源进口与第一间接式换热器2的冷源出口相连，第二间接式换热器4的冷源出口与燃烧设备1相连，以为其提供作为助燃剂的氧气；第二间接式换热器4的热源进口与第一间接式换热器2的热源进口一同与燃烧设备1的排烟口相连，第二间接式换热器4的热源出口与干冰制造机3相连。高炉煤气经燃烧设备1燃烧后产生的烟气分为两部分，一部分烟气进入第一间接式换热器2中与液氧换热，液态氧气化形成低温氧气，但是其中可能还携带有少量还未气化的液氧；另一部分烟气进入第二间接式换热器4中与低温氧气及剩余的少量液氧进行换热。将第二间接式换热设备输出的氧气送入燃烧设备1中，能够使得高炉煤气与氧气在燃烧设备1中进行富氧燃烧，在提高高炉煤气的燃烧效率的同时，又能够尽可能避免由于利用空气助燃而带入大量氮气的问题，从而能够显著地减少烟气量，降低排烟过程中的热量损失，又使得燃烧后产生的烟气中的二氧化碳的浓度更高。

该利用高炉煤气和液氧制备干冰的系统还包括用于对烟气进行降温的水冷式换热器5，水冷式换热器5的热源进口与燃烧设备1的排烟口相连，其热源出口与第一间接式换热器2和第二间接式换热器4的热源进口均相连，水冷式换热器5的冷源进口用于接收冷却水，其冷源出口与用户取暖设备相连。高炉煤气燃烧过程中产生烟气的温度很高，将该高温的烟气先经过水冷式换热器5降温后再与液氧进行换热，水冷式换热器5可以将高温烟气由大约300℃降低至90℃～150℃，而冷却水将所回收的烟气的热量用于采暖供热，在降低烟气的温度、回收烟气的余热的同时，又实现了烟气热量的梯级回收，提高了烟气能量的利用效率。优选地，第一间接式换热器2和第二间接式换热器4的热源进口的处均设有干燥器9。能够在将烟气送入间接式换热设备之前先进行干燥，避免与液氧换热后热源通道出现结冰等情况。

第一间接式换热器2和第二间接式换热器4的热源进口处分别设有第一截止阀11和第二截止阀12。发明人综合考虑了烟气和液氧的温度、两个间接式换热器的换热效率等诸多因素，在多次试验和计算后得出，通过第一截止阀11和第二截止阀12的调节，需使得进入第一间接式换热器2的热源进口的烟气和进入第二间接式换热器4的热源进口的烟气的流量的比例大约为2:1～4:1，此时烟气与液氧、低温氧气或者气液混合物进行换热的效率较高。第二间接式换热器4的冷源进口处设有第三截止阀13，可以根据具体进入第一间接式换热设备与第二间接式换热设备的热源进口的烟气的流量来控制从第一间接式换热器2流入第二间间接式换热器的氧气及未被气化的部分液氧的流量，从而进一步提高烟气与液氧、低温氧气或者气液混合物的换热效率。

在本实施例中，在第二间接式换热器4的冷源出口处设有第一调节阀21和第四截止阀14，第二间接式换热器4的冷源出口不但通过第六截止阀16和第二调节阀22与燃烧设备1相连，还通过第五截止阀15与外部需氧设备相连。外部需氧设备主要是指钢铁企业的炼铁、炼钢工艺系统中需要使用氧气的设备。液氧经气化后一部分进入炼铁、炼钢工艺系统中，供给炼铁、炼钢工艺系统使用另一部分用于燃烧设备1中作为助燃剂。在第一调节阀21、第四截止阀14、第五截止阀15和第六截止阀16的共同作用下，调节氧气输出的流量，最终使得进入燃烧设备1中进行燃烧的氧气与高炉煤气的流量比为1:8～1:10，这样可以确保高炉煤气燃烧充分。

该利用高炉煤气和液氧制备干冰的系统还包括用于储存高炉煤气的缓冲罐6，缓冲罐6的出口通过第七截止阀17和第三调节阀23与燃烧设备1相连。上述液氧源是液氧罐7，液氧罐7的出口依次通过第八截止阀18和第四调节阀24与第一间接式换热器2的冷源进口相连。高炉中排放出来的高炉煤气由缓冲罐6储存，并调节高炉煤气的压力，再通过第七截止阀17和第三调节阀23进行流量调节后再送入燃烧设备1。同样地，液氧罐7中的液氧通过第八截止阀18和第四调节阀24进行流量调节后再送入第一间接式换热器2中。液氧罐7的出口与第八截止阀18之间设有输送泵8，液氧罐7的出口与输送泵8之间还设有第九截止阀19。液氧经输送泵8增压后，更便于输送，同时可以使得在第一间接式换热器2的冷源进口处的液氧压力达到0.1MPa以上。

本发明还提供了一种利用高炉煤气和液氧制备干冰的方法，其包括以下步骤：

步骤1、将高炉煤气的压力调节到5～10kPa，并送入燃烧设备中作为燃料，将氧气输送到所述燃烧设备中作为助燃剂，使得高炉煤气燃烧并产生温度范围在300～350℃的烟气，其中，送入所述燃烧设备的高炉煤气与氧气的流量比为1:8～1:10；

步骤2、将燃烧后产生的烟气送入水冷式换热器的热源进口，而将温度为20～35℃且压力大于0.2MPa的冷却水送入所述水冷式换热器的冷源进口，冷却水与烟气换热在所述水冷式换热器内进行换热，使得其热源出口处的所述烟气的温度降低至90～150℃，而其冷源出口处的所述冷却水的温度升高至60～80℃；

步骤3、将在水冷式换热器中被降温后的烟气按照2:1～4:1的比例分别送入第一间接式换热器和第二间接式换热器的热源进口，而将液氧的压力调节到大于0.1MPa后，送入第一间接式换热器的冷源进口；其中，液氧与烟气在所述第一间接式换热器中换热，使得烟气被降温而液氧被部分或全部气化为氧气，所述第二间接式换热器的冷源进口接收所述第一间接式换热器的冷源出口排出氧气或气液混合物，烟气与氧气或气液混合物在所述第二间接式换热器中换热，使得烟气被降温至-60℃以下，液氧完全气化为氧气，氧气的温度进一步升高，且氧气的压力维持在0.4MPa以下；

步骤4、将液氧气化后生成的部分或全部氧气的压力调节到5～10kPa后送入所述燃烧设备中作为助燃剂，同时将被降温后的烟气被送入干冰制造机中，使所述烟气中的二氧化碳被制造为干冰。

在上述步骤2中，温度被升高至60～80℃的冷却水可以作为供暖的热水而被送入用户取暖设备中。在步骤4中，将液氧气化后生成的氧气的一部分的压力调节到5～10kPa后送入燃烧设备1中作为助燃剂，将另一部分氧气的压力调节到0.1～0.4MPa后送入炼钢工艺中的需氧设备。另外，送入干冰制造机3中的烟气中的二氧化碳的浓度约为45～50％，而烟气的压力为5～8kPa，由于此时烟气的温度已经在-60℃以下，此时干冰制造机3可以只加压就能够将二氧化碳制造为干冰。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (9)

1.一种利用高炉煤气和液氧制备干冰的系统，其特征在于，包括燃烧设备、第一间接式换热器和干冰制造机，其中所述燃烧设备能够燃烧其所接收的高炉煤气而产生烟气，所述第一间接式换热器的冷源进口与液氧源相连，而其冷源出口用于排出氧气或气液混合物，且所述第一间接式换热器的热源进口与所述燃烧设备的排烟口相连，而其热源出口与所述干冰制造机相连；其中，所述液氧源输出的液氧与所述烟气能在所述第一间接式换热器中换热，使得所述烟气能在所述液氧气化的过程中进行降温，从而使所述烟气中的二氧化碳能够在降温后被所述干冰制造机转化成干冰；

还包括第二间接式换热器，所述第二间接式换热器的冷源进口与所述第一间接式换热器的冷源出口相连，所述第二间接式换热器的冷源出口与所述燃烧设备相连，以为其提供作为助燃剂的氧气；所述第二间接式换热器的热源进口与所述第一间接式换热器的热源进口一同与所述燃烧设备的排烟口相连，所述第二间接式换热器的热源出口与所述干冰制造机相连。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括用于对烟气进行降温的水冷式换热器，所述水冷式换热器的冷源进口用于接收冷却水，其冷源出口与用户取暖设备相连，所述水冷式换热器的热源进口与所述燃烧设备的排烟口相连，其热源出口与所述第一间接式换热器和所述第二间接式换热器的热源进口均相连。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一间接式换热器和第二间接式换热器的热源进口处分别设有第一截止阀和第二截止阀，所述第二间接式换热器的冷源进口处设有第三截止阀。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，进入所述第一间接式换热器的热源进口烟气与进入所述第二间接式换热器的热源进口的烟气的流量比为2:1～4:1。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述第二间接式换热器的冷源出口处设有第一调节阀和第四截止阀，所述第二间接式换热器的冷源出口通过第六截止阀和第二调节阀与所述燃烧设备相连。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其特征在于，还包括用于储存高炉煤气的缓冲罐，所述缓冲罐的出口通过第七截止阀和第三调节阀与所述燃烧设备相连；所述液氧源是液氧罐，所述液氧罐的出口依次通过第八截止阀和第四调节阀与所述第一间接式换热器的冷源进口相连。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述液氧罐的出口与所述第八截止阀之间设有输送泵，所述液氧罐的出口与所述输送泵之间还设有第九截止阀。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其特征在于，所述第一间接式换热器和所述第二间接式换热器的热源进口的处均设有干燥器。

9.一种根据权利要求1至8中任一项所述的利用高炉煤气和液氧制备干冰的系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将高炉煤气的压力调节到5～10kPa，并送入燃烧设备中作为燃料，将氧气输送到所述燃烧设备中作为助燃剂，使得高炉煤气燃烧并产生温度范围在300～350℃的烟气，其中，送入所述燃烧设备的高炉煤气与氧气的流量比为1:8～1:10；

步骤2、将燃烧后产生的烟气送入水冷式换热器的热源进口，而将温度为20～35℃且压力大于0.2MPa的冷却水送入所述水冷式换热器的冷源进口，冷却水与烟气换热在所述水冷式换热器内进行换热，使得其热源出口处的所述烟气的温度降低至90～150℃，而其冷源出口处的所述冷却水的温度升高至60～80℃；

步骤3、将在水冷式换热器中被降温后的烟气按照2:1～4:1的比例分别送入第一间接式换热器和第二间接式换热器的热源进口，而将液氧的压力调节到大于0.1MPa后，送入第一间接式换热器的冷源进口；其中，液氧与烟气在所述第一间接式换热器中换热，使得烟气被降温而液氧被部分或全部气化为氧气，所述第二间接式换热器的冷源进口接收所述第一间接式换热器的冷源出口排出氧气或气液混合物，烟气与氧气或气液混合物在所述第二间接式换热器中换热，使得烟气被降温至-60℃以下，液氧完全气化为氧气，氧气的温度进一步升高，且氧气的压力维持在0.4MPa以下；

步骤4、将液氧气化后生成的部分或全部氧气的压力调节到5～10kPa后送入所述燃烧设备中作为助燃剂，同时将被降温后的烟气被送入干冰制造机中，使所述烟气中的二氧化碳被制造为干冰。