CN107923711B - 具有自供能地观察碳吹入的高炉 - Google Patents

Abstract

高炉（1）具有井形的炉壁（2），炉壁包围过程室（3），在过程室中铁矿（4）被熔炼成铁（5）。炉壁（2）在其周边上具有开口（8），经由开口向过程室（3）输送热风（9）。炉壁（2）被环形管道（10）围绕，在环形管道中引导热风（9）。分支管道（11）从环形管道（10）离开，分支管道在炉壁（2）的开口（8）处终止。分支管道（11）由钢管（12）制成，钢管在内部以耐火材料（13）加衬。喷枪（16）在开口（8）的区域中终止，借助于喷枪向热风（9）添加煤粉（17），煤粉在过程室（3）内部燃烧。配设给分支管道（11）的传感器装置（19）具有探测装置（19），借助于探测装置观察煤粉（17）的燃烧。传感器装置还具有与探测装置（19）在数据技术上连接的传输装置（20），借助于传输装置可无线地发送关于所观察到的燃烧的数据。所述传感器装置（18）还具有热电转换器（21），其热耦接到分支管道（11）上并且其从分支管道（11）和高炉（1）周围环境之间的温度差中产生电能，借助于该电能向传感器装置（18）供给电能。分支管道（11）的钢管（12）在分区中具有留空部（26）。在那里布置热电转换器（21）。

Description

具有自供能地观察碳吹入的高炉

技术领域

本发明从高炉出发。

背景技术

从WO 2009/141 419 A1已知一种高炉，

-其中，该高炉具有井形的炉壁，该炉壁包围过程室，在该过程室中铁矿被熔炼成铁，

-其中，该炉壁在其周边上具有开口，经由这些开口向过程室输送热风，

-其中，该炉壁被环形管道围绕，在环形管道中引导热风，

-其中，分支管道从环形管道离开，这些分支管道在炉壁的开口处终止，

-其中，至少分支管道由钢管制成，钢管在内部以耐火材料加衬，

-其中，喷枪在开口的区域中终止，借助于喷枪向热风添加煤粉，从而使煤粉在过程室内燃烧，

-其中，分支管道配设有用于观察煤粉燃烧的传感器装置。

从CN 202 881 302 U已知一种用于吹气高炉的传感器装置，

-其中，该传感器装置具有探测装置，借助于探测装置可观察吹入到过程室中的煤粉的燃烧，

-其中，该传感器装置具有与探测装置在数据技术上连接的传输装置，借助于该传输装置可无线地发送出关于借助于探测装置观察到的燃烧的数据，

-其中，该传感器装置具有热电转换器，其热耦接到炉壁上并且其从炉壁和高炉周围环境之间的温度差中产生电能，借助于该电能向传感器装置供给电能。

在现代高炉中，尤其将煤粉作为还原剂吹入到高炉的过程室中。在英文中这被称作PCI（=pulverized coal injection煤粉喷射）。该吹入通常经由特殊的喷嘴来进行，在这些喷嘴中热风与碳混合并且向过程室输送。借助于PCI方法实现了优化高炉的功率需求并且显著降低了成本。

为了使该方法按规定地发挥功能，必须保证吹入的煤粉在风口的喷嘴尖部处最佳地燃烧。如果这无法保证，则煤粉被带入到高炉过程中，其由于缺乏氧气而无法再起反应。此外，这些粉尘也会堵塞高炉内部的空气通道，这因此会导致生产力的下降。

为了保证煤粉在风口的喷嘴尖部处按规定地燃烧，在WO 2009/141 419 A1中监控燃烧过程。该监控可以借助于压力传感器、借助于光强传感器或经由借助于摄像机观察火焰形成来进行。

相应的监控装置必须一方面被供给电能。另一方面由监控装置探测到的数据必须被传输到用于高炉的过程控制器处或另外的装置处。在经由供给管道的能量供给和经由数据线缆的数据传输的情况下，这两个过程（即能量供给和数据传输）由于在高炉运行时的恶劣条件而易受干扰。因此在CN 202 881 302 U中建议，实施所谓的能量收集，也就是说，设置热电转换器，其耦接到两个不同的热的周围环境上并且基于温度差产生电能。这种热电转换器是普遍公知的。例如可以采用帕尔帖元件作为这种转换器。此外，在CN 202 881 302U中进行探测到的图像的无线传输。

在CN 202 881 302 U中热电转换器在风口附近焊接到炉壁上。这种设计在实际运行中被证明是麻烦和容易出错的。

发明内容

本发明的任务在于，在高炉中在维持传感器装置的自供给运行的情况下保证传感器装置的可靠的且高效的能量供给。

该任务通过根据本发明的高炉解决。

根据本发明如此地设计高炉，

-该高炉具有井形的炉壁，该炉壁包围过程室，在该过程室中铁矿被熔炼成铁，

-炉壁在其周边上具有开口，经由这些开口向过程室输送热风，

-炉壁被环形管道围绕，在该环形管道中引导热风，

-分支管道从环形管道离开，这些分支管道在炉壁的开口处终止，

-至少分支管道由钢管制成，钢管在内部以耐火材料加衬，

-喷枪在开口的区域中终止，借助于喷枪向热风添加煤粉，从而使煤粉在过程室内部燃烧，

-分支管道配设有用于观察煤粉燃烧的传感器装置，

-传感器装置分别具有探测装置，借助于探测装置能观察向热风添加的煤粉的燃烧，

-传感器装置分别具有与相应的探测装置在数据技术上连接的传输装置，借助于该传输装置可无线地发送关于借助于相应的探测装置观察到的燃烧的数据，

-传感器装置分别具有热电转换器，其热耦接到相应的分支管道上并且其从相应的分支管道和高炉周围环境之间的温度差中产生电能，借助于该电能向相应的传感器装置供给电能，并且

-相应的分支管道的钢管在分区中具有留空部并且热电转换器布置在该留空部的区域中。

由于热电转换器布置在相应的分支管道的钢管上，保证了能量供给的紧凑的、防干扰的设计。由于钢管具有留空部的情况，以高的（但非临界的（温度差）运行热电转换器。热电转换器可以因此提供（在几瓦特范围中的）相对多的电能。

耐火材料在所述留空部的区域中具有凹陷，从而使耐火材料在热电转换器和在相应的分支管道中引导的热风之间的区域中所产生的剩余厚度小于耐火材料在其余区域中所具有的正常厚度。由此能够再进一步提高温度差。剩余厚度可以尤其处于正常厚度的50%和80%之间。

在热电转换器的相应设计中可行的是，热电转换器直接接触耐火材料，钢管在内部以耐火材料加衬。这不仅适用于当耐火材料在留空部的区域中不具有凹陷（即仅相应的分支管道的钢管具有留空部）的情况，也适用于当耐火材料在留空部的区域中具有凹陷的情况。在两种情况下可行的是，热电转换器具有由金属-尤其钢-制成的包套。但在耐火材料具有凹陷的情况下，在留空部的区域中布置中间元件，其与钢管气密连接。在该情况下热电转换器接触中间元件。

为了建立与钢管的气密连接，中间元件可以尤其与钢管焊接。

中间元件通常由合适的金属制成。该金属可以尤其是钢。

通常分支管道分别具有第一区段和邻接到相应的第一区段上的第二区段。第一区段邻接到环形管道上并且关于环形管道向径向内部并且向下延伸。第二区段水平延伸并且在炉壁的相应的开口处终止。优选地相应的热电转换器布置在相应的分支管道的第一区段中。该设计方案一方面被证明是紧凑的且另一方面被证明是可特别简单地实现的。

探测装置常常构造成摄像机，其-在某些情况下在射线转向之后-具有相应的光学轴线，其中，相应的光学轴线在相应的第二区段内部平行于相应的第二区段的伸长延伸。

可行的是，所述探测仅仅借助于摄像机进行。

替选于此可行的是，在摄像机前面布置光学装置，借助于该光学装置能够将经由相应的喷枪向热风添加的煤粉的燃烧图像至少暂时地替选地或附加于向摄像机输送而向目镜输送。光学装置可以例如构造成可翻折的镜子。在该情况下图像根据镜子位态的不同替选于向摄像机的输送而向目镜输送。

替选于可翻折的镜子，光学装置可以例如是半透明的镜子或所谓的分束器方块。在该情况下图像替选于向摄像机的输送而向目镜输送。半透明的镜子或分束器方块在该情况下不必机械地运动；此外，操作者可以经由目镜观察高炉内部中的燃烧，而不会影响借助于摄像机的监控。典型地摄像机的和目镜的光学轴线以90°错开（参见例如图3）。

无线传输的方式可以根据需要来确定。尤其可行的是，传输装置基于GSM-、UMTS-、LTE-、或ISM-标准。

可行的是，借助于相应的探测装置探测到的数据就像它们那样被输送给传输装置。但优选地在相应的探测装置和相应的传输装置之间分别布置分析装置，该分析装置对由相应的探测装置探测到的数据在输送给传输装置之前进行分析。由此可以尤其减少、常常甚至明显减少数据收集量。

附图说明

上述的本发明的特性、特征和优点以及实现它们的方式和方法更清楚且明显易懂地将与下面的结合附图的实施例的描述相关联地更加详细地进行阐述。在此在示意图中示出：

图1 示出了穿过高炉的纵截面，

图2 示出了沿着穿过图1的高炉的线II-II的截面，

图3 示出了图3以及连通的细节以及

图4 示出了具有热电转换器的分支管道。

具体实施方式

图1示出了在设计上传统地构建的高炉1。该高炉1根据图1具有井形的炉壁2。炉壁2包围过程室3。在过程室3中铁矿4被熔炼成铁5。过程室3的装料以常见的方式从上方以铁矿4、焦炭6以及添加物质7例如石灰来进行。

炉壁2根据图1和2在其周边具有开口8。开口8的数量常常处在平均两位数字的范围中，例如在30和50之间。经由开口8向过程室3输送热风9。热风9通常是空气。替选地可以是富氧的空气。

炉壁2由环形管道10围绕。在环形管道10中引导热风9。分支管道11从环形管道10离开。分支管道11在炉壁2的开口8处终止。针对每个开口8通常存在自身的分支管道11。

结合图3和4，下面详细阐述单个的分支管道11的构造。相应的陈述通常适用于所有的分支管道11。

根据图4，分支管道11由钢管12制成，钢管在内部以耐火材料13加衬。此外，分支管道11具有第一区段14。第一区段14邻接到环形管道10上。第一区段关于环形管道10向径向内部（也延伸到炉壁2上）并且向下延伸。分支管道11还具有第二区段15。第二区段15邻接到第一区段14上。第二区段（至少基本上）水平地延伸。第二区段15在炉壁2的相应的开口8处终止。

在相应的开口8的区域中还终止相应的喷枪16。借助于喷枪16向热风9添加煤粉17。煤粉17由热风9吹入到过程室3中。煤粉17在那里燃烧。在燃烧期间燃烧过的煤粉17将位于过程室3中的氧化铁还原成铁。

为了观察煤粉17的燃烧，分支管道11配设有传感器装置18。传感器装置18具有至少一个探测装置19、至少一个传输装置20和至少一个热电转换器21。

借助于探测装置19观察向热风9添加的煤粉17的燃烧。

传输装置20（直接地或经由分析装置22）在数据技术上与探测装置19连接。借助于传输装置20发送关于借助于探测装置19观察到的煤粉17的燃烧的数据。该发送是无线地进行的。为此目的，传输装置20可以基于GSM-、UMTS-、LTE-、或ISM-标准。传输可以例如进行到高炉1的过程控制器23上或到计算单元24上。

热电转换器21热耦接到分支管道11上。热电转换器21为此目的优选地布置在分支管道11的第一区段14中。热电转换器21从相应的分支管道11和高炉1的周围环境之间的温度差中产生电能。热电转换器21向传感器装置18的其余部件、即尤其是探测装置19和传输装置20以及如果存在的话还有分析装置22供给由热电转换器所产生的电能。热电转换器21可以例如构造成帕尔贴元件。热电转换器21还可以配设有能量缓冲器25，例如蓄能器或超级电容器。如有必要，还可以存在充电调节器25’。

为了优化能量获取而设置成，分支管道11的钢管12在分区中具有留空部26。在那里-即在留空部26的区域中-布置热电转换器21。

热电转换器21可以在某些情况下直接（也就是说没有钢管12的参与下）接触耐火材料13，钢管12以该耐火材料在内部加衬。

根据在图4中所示的优选的设计方案，耐火材料13在留空部26的区域中还具有凹陷。耐火材料13在热电转换器21和在相应的分支管道11中引导的热风9之间的区域中所造成的剩余厚度d’小于耐火材料13在其余区域中所具有的正常厚度d。剩余厚度d’可以尤其处于正常厚度d的50%和80%之间。

图4的设计引起了通过热电转换器21的电能产生不是基于周围环境温度TU和钢管12的温度TS之间的差别，而是基于周围环境温度TU和（在那里给出的）耐火材料13的温度TF之间的差别。尤其是耐火材料13的温度TF常常显著地大于钢管12的温度TS。例如温度TF可以处在大约250℃，钢管12的温度可以处在大约70℃。由于周围环境温度TU处在大约25℃，因此耐火材料13和周围环境之间的温度差是钢管12和周围环境之间的温度差的大约五倍之多。此外，由于由热电转换器21产生的电能与温度差成正比，因此热电转换器21可以（在其它方面相同设计下）提供五倍量的电能。

在该设计的框架中（即在耐火材料13中存在凹陷）热电转换器21可以在某些情况下直接接触耐火材料13。但通常在留空部26的区域中布置中间元件26’，该中间元件与钢管12气密连接。热电转换器21在该情况下接触中间元件26’。

中间元件26’与钢管12的气密连接可以例如通过如下方式实现，即中间元件26’与钢管12焊接。替选地，中间元件26’可以螺栓连接到钢管12上，其中，附加地在中间元件26’和钢管12之间布置密封元件，例如O形环。

中间元件26’由机械上足够稳定的、导热比较好的材料制成。通常中间元件26’由钢制成。

根据图3探测装置19构造成摄像机。尤其是摄像机可以构造成热摄像机（=热成像摄像机）。摄像机具有光学轴线27。该光学轴线27在射线转向之后在第二区段15内部平行于第二区段15的伸长延伸。根据图3在摄像机前面还布置光学装置28，根据图3中的示图是镜子。借助于光学装置28可将经由喷枪16向热风9添加的煤粉17的燃烧的图像输送给目镜29。根据光学装置28设计成镜子、半透明镜子或设计成分束器方块的不同，向目镜29的输送替选于或附加于向摄像机的输送来进行。在向摄像机的替选输送的情况下该输送仅暂时地进行。否则如所示那样可以持久地进行。根据图3因此平行于通过传感器装置18的自动化监控也可行的是，人直接观察火焰形成。摄像机的和目镜29的光学轴线在该情况下彼此具有90°的错位。

如果存在分析装置22，则其在数据技术方面布置在探测装置19和传输装置20之间。分析装置22对由探测装置19探测到的数据在输送给传输装置20之前进行分析。例如分析装置22可以获知由摄像机探测到的图像的平均亮度或者例如仅将每第x个图像（x=2、3、4、…20、…、50、…100、…）转交到传输装置20处或者只有当所探测到的图像被分析为临界时、例如由于待观察的火焰熄灭时才将图像转交到传输装置20处。也可以在每几秒之后分别将新的图像转交到传输装置20处。但如果具有所需的带宽，也可以发送视频数据的实时流。当然其它的做法也是可行的。例如分析装置22可以使所探测到的图像在其被转交到传输装置20上之前进行缓冲。也可行的是，分析装置22仅时不时地将视频数据的实时流转交到传输装置20上，例如只有当图像被分析为临界时才针对每几秒进行转交。

如有必要，也可以借助于传感器装置18探测其它数据，例如在相应的分支管道11的始端的压力或在分支管道11中的压力降或通过相应的喷枪6向热风9添加的煤粉17的量。这些数据也可以在某些情况下输送给相应的传输装置20并且由其无线地发送出。此外替选地可行的是，借助于过程控制器23来探测此类数据并且传输到计算单元24上。到计算单元24上的传输可以直接由过程控制器23出发来进行。替选地可行的是，过程控制器23将数据首先无线地传输到各涉及的传感器装置18上并且相应的传感器装置18将数据继续传输到计算单元24上。

总而言之，本发明因此涉及下面的主题：

高炉1具有井形的炉壁2，该炉壁包围过程室3，在过程室中铁矿4被熔炼成铁5。炉壁2在其周边具有开口8，经由开口向过程室3输送热风9。炉壁2被环形管道10围绕，在该环形管道中引导热风9。分支管道11从环形管道10离开，分支管道在炉壁2的开口8处终止。至少分支管道11由钢管12制成，钢管在内地以耐火材料13加衬。喷枪16在开口8的区域中终止，借助于喷枪向热风9添加煤粉17，煤粉在过程室3内部燃烧。配设给分支管道11的传感器装置19具有探测装置19，借助于探测装置观察煤粉17的燃烧。传感器装置还具有与探测装置19在数据技术上连接的传输装置20，借助于传输装置可无线地发送关于所观察到的燃烧的数据。传感器装置18还具有热电转换器21，其热耦接到分支管道11上并且其从分支管道11和高炉1周围环境之间的温度差中产生电能，借助于该电能向传感器装置18供给电能。分支管道11的钢管12在分区中具有留空部26。在那里布置热电转换器21。

尤其通过借助于探测装置19探测到的数据的无线传输获得了大量的优点。这样例如可行的是，持久地探测火焰形成并且同样地持久地或替选地非连续地经由传输装置20发送。配属的接收器可以例如是已经提到的计算单元24。在那里所探测到的并且传输的图像可以单个地针对每个传感器装置18或也可以总体上经由高炉1的传感器装置18或者甚至总体上经由多个高炉来分析。由于该分析可以获知例如优化的额定值，这些额定值提供用于过程控制器23的将来的运行。为此目的，在过程控制器23和计算单元24之间可以存在无线的或接线的连接。在此情况下优选地不进行新传输的额定值的直接的和非间接的交接，而是仅进行向操作者的陈述作为待交接的建议。然后操作者可以采纳或拒绝该建议。也可行的是，例如通过人的智力分析在计算单元24一方将所探测到的并且传输的图像在将来的高炉的规划和计划的框架中予以考虑。

尽管本发明详细地通过优选的实施例详细描绘和描述，但本发明不限于所公开的例子并且可以由本领域技术推导出其它变型，不会离开本发明的保护范围。

附图标记列表

1 高炉

2 炉壁

3 过程室

4 铁矿

5 铁

6 焦炭

7 添加物质

8 开口

9 热风

10 环形管道

11 分支管道

12 钢管

13 耐火材料

14 第一区段

15 第二区段

16 喷枪

17 煤粉

18 传感器装置

19 探测装置

20 传输装置

21 热电转换器

22 分析装置

23 过程控制器

24 计算单元

25 能量缓冲器

25’ 充电调节器

26 留空部

26’ 中间元件

27 光学轴线

28 光学装置

29 目镜

d、d’ 厚度

TF、TS、TU 温度。

Claims (12)

1.高炉，

-其中，该高炉具有井形的炉壁（2），该炉壁包围过程室（3），在该过程室中铁矿（4）被熔炼成铁（5），

-其中，该炉壁（2）在其周边上具有开口（8），经由所述开口向过程室（3）输送热风（9），

-其中，该炉壁（2）被环形管道（10）围绕，在该环形管道中引导热风（9），

-其中，分支管道（11）从环形管道（10）离开，所述分支管道在炉壁（2）的开口（8）处终止，

-其中，至少分支管道（11）由钢管（12）制成，钢管在内部以耐火材料（13）加衬，

-其中，喷枪（16）在开口（8）的区域中终止，借助于喷枪向热风（9）添加煤粉（17），从而使煤粉（17）在过程室（3）内部燃烧，

-其中，分支管道（11）配设有用于观察煤粉（17）的燃烧的传感器装置（18），

-其中，所述传感器装置（18）分别具有探测装置（19），借助于探测装置能观察向热风（9）添加的煤粉（17）的燃烧，

-其中，所述传感器装置（18）分别具有与相应的探测装置（19）在数据技术上连接的传输装置（20），借助于该传输装置可无线地发送出关于借助于相应的探测装置（19）观察到的燃烧的数据，

-其中，所述传感器装置（18）分别具有热电转换器（21），热电转换器热耦接到相应的分支管道（11）上并且热电转换器从相应的分支管道（11）和高炉周围环境之间的温度差中产生电能，借助于该电能向相应的传感器装置（18）供给电能，并且

-其中，相应的分支管道（11）的钢管（12）在分区中具有留空部（26）并且热电转换器（21）布置在该留空部（26）的区域中，其中，

所述耐火材料（13）在留空部（26）的区域中具有凹陷，从而使所述耐火材料（13）在热电转换器（21）和在相应的分支管道（11）中引导的热风（9）之间的区域中所产生的剩余厚度（d’）小于所述耐火材料（13）在其余区域中所具有的正常厚度（d），其中，在所述留空部（26）的区域中布置中间元件（26’），该中间元件与钢管（12）气密连接并且热电转换器（21）接触该中间元件（26’）。

2.根据权利要求1所述的高炉，

其特征在于，

所述剩余厚度（d’）处在正常厚度（d）的50%和80%之间。

3.根据权利要求1所述的高炉，

其特征在于，

所述中间元件（26’）与钢管（12）焊接。

4.根据权利要求1所述的高炉，

其特征在于，

所述中间元件（26’）螺栓连接在钢管（12）上并且在所述中间元件（26’）和钢管（12）之间布置密封元件。

5.根据权利要求1、3或4所述的高炉，

其特征在于，

所述中间元件（26’）由钢制成。

6.根据权利要求1、2、3或4所述的高炉，

其特征在于，

-所述分支管道（11）分别具有第一区段（14）和邻接到相应的第一区段（14）上的第二区段（15），

-所述第一区段（14）邻接到环形管道（10）上并且关于环形管道（10）向径向内部并且向下延伸并且

-所述第二区段（15）水平延伸并且在炉壁（2）的相应的开口（8）处终止。

7.根据权利要求6所述的高炉，

其特征在于，

相应的热电转换器（21）布置在相应的分支管道（11）的第一区段（14）中。

8.根据权利要求6所述的高炉，

其特征在于，

所述探测装置（19）构造成摄像机，所述摄像机具有相应的光学轴线（27）并且所述相应的光学轴线（27）在某些情况下在射线转向之后在相应的第二区段（15）内部平行于相应的第二区段（15）的伸长延伸。

9.根据权利要求8所述的高炉，

其特征在于，

在所述摄像机前面布置光学装置（28），借助于该光学装置能够将经由相应的喷枪（16）向热风（9）添加的煤粉（17）的燃烧的图像至少暂时地替选地或附加于向摄像机输送而向目镜（29）输送。

10.根据权利要求9所述的高炉，

其特征在于，

所述摄像机（19）的和所述目镜（29）的光学轴线彼此具有90°的错位。

11.根据权利要求1-4中任一项所述的高炉，

其特征在于，

所述传输装置（20）基于GSM-、UMTS-、LTE-、或ISM-标准。

12.根据权利要求1-4中任一项所述的高炉，

其特征在于，

在相应的探测装置（19）和相应的传输装置（20）之间分别布置分析装置（22），该分析装置对由相应的探测装置（19）探测到的数据在输送给传输装置（20）之前进行分析。