CN108302953B - 一种工业高温固体散料余热回收系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工业高温固体散料余热回收系统和方法。通过化学储热方式回收钢铁冶炼中高温固体散料余热，固体散料与气体相互接触，可将气体加热至700℃以上，固体散料内金属物质又可以作为甲烷重整反应的催化剂，因此可完成高温甲烷重整反应；甲烷重整反应的产物对高炉的冶炼起促进作用，提高冶炼效率同时产生更多的矿渣，为催化重整提供催化条件；一氧化碳或氢气在全氧高炉中燃烧后的烟气通过分离得到的二氧化碳可作为甲烷重整反应的原料，实现了整个工艺物质的循环利用。本发明将工业过程高温散热回收利用、生成产物直接在线利用、烟气二氧化碳再利用三者结合到一起，是节能减排的一个具有潜力的工艺路线，符合国家节能减排重点发展战略。
Description
技术领域
本发明属于钢铁冶金行业高温固体散料余热回收研究领域，特别涉及一种工业高温固体散料余热回收系统和方法。
背景技术
我国钢铁生产企业中，大部分高品质余能资源已实现回收利用，近年来形成了高炉余压发电、干熄焦发电和高温空气燃烧等一批成熟技术。然而，仍存在数量可观的难于回收利用的余能资源未实现品位对口梯级利用，如铁/钢渣(高温熔融流体)、烧结/球团矿(高温固体散料)、转炉煤气(间歇性高温气体)、各种炉窑烟气等，其中余热综合利用率仅为10～30％左右，热量回收率则远远低于先进发达国家工业水平。若从总能系统集成出发，实现工业过程热能的高效回收和梯级利用，将会产生相当的经济和环境效益。因此，开发工业高温余能资源利用技术及相应系统工艺设计，不仅是工业余能回收和利用技术创新前沿，也是钢铁行业节能减排的迫切需求。
目前，我国钢铁工业节能减排存在三大技术瓶颈：1)炼铁工序能耗高、二氧化碳排放量大；2)散料降温冷却过程开放式余能资源难于回收利用；3)能源配置技术落后、集成度低。其中烧结工艺余热回收普遍存在着传热率低、漏风、腐蚀和堵灰等缺陷，运行维护复杂。因此，如何设计高温固体散料热量回收及储存，提高传热率及储热量，提高能源一次利用率是首要问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种工业高温固体散料余热回收系统。
本发明另一目的在于提供上述工业高温固体散料余热回收的方法。
本发明的目的通过下述方案实现：
一种工业高温固体散料余热回收系统，其包括1-烧结系统；2-天然气储罐；3-直接接触式换热/化学反应热量回收系统；4-二氧化碳分离/循环系统；5-空气分离系统；6-全氧高炉。
其中，3-直接接触式换热/化学反应热量回收系统上部设置有气体出口和固料进口，底部设置有气体进口，气体进口通过管道分别与2-天然气储罐和4-原料气体分离/循环系统相连；固料进口通过管道与1-烧结系统相连；气体出口通过管道与6-全氧高炉相连；
6-全氧高炉设置有气体进口和气体出口，其中6-全氧高炉的气体进口通过管道分别与3-直接接触式换热/化学反应热量回收系统的气体出口、5-空气分离系统相连；6-全氧高炉的气体出口通过管道与4-二氧化碳分离/循环系统相连；
4-二氧化碳分离/循环系统设置有气体进口和气体出口I、气体出口II，气体进口通过管道与6-全氧高炉的出口相连，气体出口I通过管道与3-直接接触式换热/化学反应热量回收系统的气体进口相连，气体出口II通过管道与6-全氧高炉的气体进口相连。
所述的1-烧结装置为简单的高温加热装置，是冶炼行业基本装置。铁矿石为了充分反应尽可能多地炼出钢铁，入厂后要进行粉碎筛选，矿粉不容易装炉冶炼，因此需要烧结成块状、球状。烧结后的固体散料的温度为700℃～1200℃。本发明主要就是利用烧结过程的高温热量和铁矿石来进行甲烷重整反应，实现热能利用，同时制备一氧化碳和氢气的合成气。
所述的3-直接接触式换热/化学反应热量回收系统为换热器和重整反应器，固体散料运动方向是由上向下，气流运动方向为从下向上，两者通过直接接触方式进行换热，将固体散料的热量直接用来加热甲烷和二氧化碳，提高换热效率。加热后的甲烷和二氧化碳的温度达到了700℃以上，烧结后的固体散料中含有氧化钙，三氧化二铝，三氧化二铁，氧化镁等，其可以作为甲烷重整反应的天然催化剂，甲烷和二氧化碳在固体散料的催化作用发生催化重整反应，此时的3-直接接触式换热/化学反应热量回收系统又变成一个重整反应器。重整反应产生的一氧化碳和氢气，可以直接通入到烧结系统中作为还原性气体来源，其可对高炉的冶炼起到促进作用，提高冶炼效率，同时能产生更多的矿渣，为催化重整过程提供催化条件。
所述的4-二氧化碳分离/循环系统为利用现有技术中已有的深冷法进行尾气分离的气体分离装置，通过加压液化高炉尾气，根据气体之间沸点的不同，对混合气体进行分离从而得到二氧化碳的。高炉炉顶尾气通过二氧化碳分离/循环系统分离后得到的二氧化碳作为重整反应的原料通入到直接接触式换热/化学反应热量回收系统中，实现了整个工艺流程的循环利用。
所述的5-空气分离系统由空气压缩系统、杂质净化和换热系统、制冷系统和液化精馏4个主要系统组成。是通过将空气液化、精馏、最终分离成为氧气、氮气和其他有用气体的气体分离设备。
一种利用上述的工业高温固体散料余热回收系统进行预热回收的方法，其主要包括以下步骤：
(a)将2-天然气储罐中的甲烷和4-二氧化碳分离/循环系统分离出来的二氧化碳通过3-直接接触式换热/化学反应热量回收系统的气体进口通入到3-直接接触式换热/化学反应热量回收系统中，同时将1-烧结系统里的固体散料通过3-直接接触式换热/化学反应热量回收系统的固料进口加入到3-直接接触式换热/化学反应热量回收系统中，与从气体进口通入的混合气体进行换热并发生高温甲烷重整反应；
(b)将步骤(a)中得到的气体混合物通过3-直接接触式换热/化学反应热量回收系统的气体出口通入到6-全氧高炉中，与5-空气分离系统分离出来的氧气发生燃烧反应；
(c)将6-全氧高炉内产生的气体通入到4-二氧化碳分离/循环系统中进行气体分离，分离出的二氧化碳通入到3-直接接触式换热/化学反应热量回收系统中作为原料，余下的气体继续通入到6-全氧高炉中进行进一步燃烧。
本发明的机理为：
本发明首次提出通过化学储热方式回收钢铁冶炼中存在的大量高温固体散料余热，固体散料与气体相互接触，可将反应气体的温度加热至700℃以上，而固体散料内金属物质又可以作为甲烷重整反应的催化剂，因此可完成高温甲烷重整反应，将固体散料显热转化为化学热进行储存，提高能量的品位；甲烷重整反应的产物可作为还原性气体和可燃性气体继续使用，对高炉的冶炼起到促进作用，提高冶炼效率，同时能产生更多的矿渣，为催化重整过程提供催化条件，其中一氧化碳或氢气在全氧高炉中燃烧后的烟气，通过分离得到的二氧化碳可作为甲烷重整反应中的原料，实现了整个工艺物质的循环利用。本发明将工业过程高温散热回收利用，生成产物直接在线利用，烟气二氧化碳再利用三者在一个生成工业中结合到一起，是节能减排的一个具有潜力的工艺路线。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：
1)本发明首次提出了采用化学储热方式回收钢铁冶炼工艺中存在的大量高温固体散料余热，将固体散料显热转化为化学热进行储存利用。该工艺具有蓄热量大、储热时间长的优点，同时生产合成气作为高炉还原可燃气体。其矿渣中的金属物质作为化学反应的催化剂，简化了反应装置和相关流程，降低了热量回收成本。
2)采用直接接触式换热方式，使得载热气体与固体散料相互接触，提高了二者之间的换热速率和换热效率。
3)采用甲烷/二氧化碳作为反应气进行重整反应，利用该可逆反应过程吸收高温固体散料放出大量的热，用化学储热的方式提高固体散料热量回收能力。
4)该化学储热反应温度为700℃以上，与烧结后高温固体散料温度完全匹配，可实现开放式固体散料高温热量回收及高品位转化利用。
5)直接利用铁矿石中的金属物质作为催化剂，无需额外添加催化剂以及设计相应的催化反应器。
6)热化学反应生成的一氧化碳和氢气，可以直接通入高炉作为还原性气体来源。
7)本发明设备整体结构简单，容易安装，能减少能耗，提高经济效益，实用性强，易于推广使用。
附图说明
图1为实施例1中的工业高温固体散料余热回收系统的示意图，其中1-烧结系统；2-天然气储罐；3-直接接触式换热/化学反应热量回收系统；4-二氧化碳分离/循环系统；5-空气分离系统；6-全氧高炉；
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例中所用试剂如无特殊说明均可从市场常规购得。
实施例1中所述的1-烧结系统中固体物料温度为1450℃，其成分如下表1所式：
表1 1-烧结系统中固体物料的成分
| 化学成分 | 含量 |
| 氧化钙 | 62.7％ |
| 三氧化二铝 | 27.5％ |
| 三氧化二铁 | 0.94％ |
| 氧化镁 | 8.8％ |
实施例1
本发明提供一种工业高温固体散料余热回收系统，具体如图1所示。其包括1-烧结系统；2-天然气储罐；3-直接接触式换热/化学反应热量回收系统；4-二氧化碳分离/循环系统；5-空气分离系统；6-全氧高炉。
其中3-直接接触式换热/化学反应热量回收系统上部设置有气体出口和固料进口，底部设置有气体进口，气体进口通过管道分别与2-天然气储罐和4-二氧化碳分离/循环系统相连；固料进口通过管道与1-烧结系统相连；气体出口通过管道与6-全氧高炉相连；6-全氧高炉设置有气体进口和气体出口，其中6-全氧高炉的气体进口通过管道分别与3-直接接触式换热/化学反应热量回收系统的气体出口、5-空气分离系统相连；6-全氧高炉的气体出口通过管道与4-二氧化碳分离/循环系统相连；
4-二氧化碳分离/循环系统设置有气体进口和气体出口I、气体出口II，气体进口通过管道与6-全氧高炉的出口相连，气体出口I通过管道与3-直接接触式换热/化学反应热量回收系统的气体进口相连，气体出口II通过管道与6-全氧高炉的气体进口相连。
采用上述装置实施工业高温固体散料余热回收的方法，具体实施步骤如下：
(a)将2-天然气储罐中的甲烷和4-二氧化碳分离/循环系统分离出来的二氧化碳通过3-直接接触式换热/化学反应热量回收系统的进气口通入到直接接触式换热/化学反应热量回收系统中，同时将1-烧结系统里的固体散料通过直接接触式换热/化学反应热量回收系统的固料进口加入到3-直接接触式换热/化学反应热量回收系统中，与从气体进口通入的混合气体进行换热，反应气体被固体物料加热到700℃以上，其产生的固体物料中含有Fe成分，其可以作为天然的甲烷/二氧化碳重整反应的催化剂，因此在直接接触式换热/化学反应热量回收系统中发生高温甲烷/二氧化碳重整反应，同时将固体物料冷却到500℃，反应式为：
CH4+CO2＝CO+H2；
(b)将从3-直接接触式换热/化学反应热量回收系统的气体出口出去的混合气体通入到6-全氧高炉中，同时将5-空气分离系统分离出来的氧气通入到6-全氧高炉中，两者发生燃烧反应，生成二氧化碳，反应式为：
CO+O2＝CO2；
H2+O2＝H2O；
(c)将6-全氧高炉中反应得到的气体以及未反应完的气体通过气体出口通入到4-原料气体分离/循环系统中对二氧化碳进行分离，将分离得到的二氧化碳通过3-直接接触式换热/化学反应热量回收系统的气体进口通入到直接接触式换热/化学反应热量回收系统中，作为重整反应的原料，实现了整个工艺碳源的循环；分离剩下的气体再次通入到6-全氧高炉中进行燃烧反应生成二氧化碳。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种工业高温固体散料余热回收系统，其特征在于包括烧结系统（1）；天然气储罐（2）；直接接触式换热/化学反应热量回收系统（3）；二氧化碳分离/循环系统（4）；空气分离系统（5）；全氧高炉（6）；
其中直接接触式换热/化学反应热量回收系统（3）上部设置有气体出口和固料进口，底部设置有气体进口，气体进口通过管道分别与天然气储罐（2）和原料气体分离/循环系统（4）相连；固料进口通过管道与烧结系统（1）相连；气体出口通过管道与全氧高炉（6）相连；
全氧高炉（6）设置有气体进口和气体出口，其中全氧高炉（6）的气体进口通过管道分别与直接接触式换热/化学反应热量回收系统（3）的气体出口、空气分离系统（5）相连；全氧高炉（6）的气体出口通过管道与二氧化碳分离/循环系统（4）相连；
二氧化碳分离/循环系统（4）设置有气体进口和气体出口I、气体出口II，气体进口通过管道与全氧高炉（6）的出口相连，气体出口I通过管道与直接接触式换热/化学反应热量回收系统（3）的气体进口相连，气体出口II通过管道与全氧高炉（6）的气体进口相连；
所述的直接接触式换热/化学反应热量回收系统（3）为换热器和重整反应器，固体散料运动方向是由上向下，气流运动方向为从下向上，两者通过直接接触方式进行换热；
所述的二氧化碳分离/循环系统（4）为利用深冷法进行尾气分离的气体分离装置，通过加压液化高炉尾气，根据气体之间沸点的不同，对混合气体进行分离从而得到二氧化碳的。
2.根据权利要求1所述的工业高温固体散料余热回收系统，其特征在于：
所述的烧结系统（1）为高温加热装置，烧结后的固体散料的温度为700℃~1200℃。
3.根据权利要求1或2所述的工业高温固体散料余热回收系统，其特征在于：
所述的空气分离系统（5）由空气压缩系统、杂质净化和换热系统、制冷系统和液化精馏4个主要系统组成。
4.一种利用权利要求1~3任一项所述的工业高温固体散料余热系统对工业高温固体散料进行余热回收的方法，其特征在于主要包括以下步骤：
（a）将天然气储罐（2）中的甲烷和二氧化碳分离/循环系统（4）分离出来的二氧化碳通过直接接触式换热/化学反应热量回收系统（3）的气体进口通入到直接接触式换热/化学反应热量回收系统（3）中，同时将烧结系统（1）里的固体散料通过直接接触式换热/化学反应热量回收系统（3）的固料进口加入到直接接触式换热/化学反应热量回收系统（3）中，与从气体进口通入的混合气体进行换热并发生高温甲烷重整反应；
（b）将步骤（a）中得到的气体混合物通过直接接触式换热/化学反应热量回收系统（3）的气体出口通入到全氧高炉（6）中，与空气分离系统（5）分离出来的氧气发生燃烧反应；
（c）将全氧高炉（6）内产生的气体通入到二氧化碳分离/循环系统（4）中进行气体分离，分离出的二氧化碳通入到直接接触式换热/化学反应热量回收系统（3）中作为原料，余下的气体继续通入到全氧高炉（6）中进行进一步燃烧。
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