CN1083887C - 将还原剂喷入高炉的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及将还原剂喷入高炉中的方法，其中，按以下步骤将还原剂在气动输送流中输往高炉：a)将输送流分成若干支流；b)经过加热单元转入各支流；c)在加热装置内加热各支流中的还原剂。用于实施本发明方法的装置例如包括用于将还原剂气动地输往高炉的输送管线，及用平行连接在输送管内连成一体的若干热交换管，所述连接涉及流动技术，以致使该气动的输送流分成若干支流。本发明的装置还包括将传递热能给各支流的加热装置。

Description

将还原剂喷入高炉的方法及装置

本发明涉及在生产生铁时将还原剂，尤其是粉煤喷入高炉的方法和装置。

为节约在高炉中生产液态金属时所用的高质量的还原剂，如焦炭，可用粉煤部分取代这些还原剂。在制造厂中粉煤得自原煤。原煤经破碎、干燥，然后暂时储存在煤仓中。为引入高炉，将该暂时贮存的粉煤松动，加压然后用载气经输送管线气动地喷入高炉中。喷射一般使用几支喷枪进行，它们终止于高炉的风口处，从而喷射同时在高炉的多处发生。

为通过喷入粉煤达到最大可能的节约还原剂成本，被喷入的粉煤必须在风口的空气管道中尽可能完全地转化，从而仅剩下所需的焦炭在涡流区中进行气化。术语“完全转化”在本文中意指全部碳原子与氧结合，从而形成CO和/或CO₂。若在该区内的转化不完全，尤其是以高速喷射时的情况，则转化的残余物聚集在高炉中，这会导致炉况不稳。

在涡流区中粉煤转化失控的重要原因首先在于实际反应空间尺寸小，其次在于风口中介质的高速度及热风的流动特性。因此为在短时期内达到煤的颗粒在喷枪出口处完全转化，从该枪喷出的粉煤流必须与热风混合，单个粉煤颗粒必须加热到点火温度。释放出来的高温分解的气体必须与有效的氧混合，点火，而热分解结束后的固态残余物则必须参与和仍游离的或已结合的氧的氧化反应。

为改善喷射区中的粉煤转化的反应条件，并从而加速该转化的反应动力学，已推荐多种措施，如提高热风中的氧浓度、借助同轴枪或双管枪同时喷氧以局部提高氧浓度，或通过加大喷枪出口的截面以使该枪端处的粉煤出口脉冲减至最小。这些措施中的一些已被应用，而另一些仅在实验或优化期中，虽然这些措施使反应条件达到一些改进，加速了粉煤的转化，但这些措施已被证明仍不适用。

因此，本发明的目的在于提供一种高炉中喷入煤的方法和装置，它们使粉煤转化反应动力学大大加速，从而使后者在喷射后立即开始，而基本上在进入涡流区的入口处就结束。

按本发明方法，还原剂，如粉煤，是以气动流供往高炉，输送流被分成几个支流，它们被引导经过加热装置，各支流中的还原剂在加热装置中被热源加热。接着最好是将各支流再合并成一条公共输送流，以便在该输送流按比例分配到分布在该高炉周围的单个喷枪之前使温度状况均匀化。

通过在加热装置内加热粉煤可将热以受控的方式供给粉煤，从而使其温度设定于一个有利于在高炉中利用粉煤转化的数值。因此，为达到其点火温度，以这种方式预热过的粉煤在喷入该高炉之后只需从热风中吸取很少的热，而其在高炉中的转化明显地比“冷”喷煤粉开始要快得多，从而使短的有效反应时间可完全用于这种转化。

此外，由于热风向粉煤传热较少而使反应空间的冷却降低，结果，保证在整个反应空间中的温度保持到足以使粉煤转化为CO的过程中所形成的CO₂还原。因此，由于存在的氧原子基本上与更多的碳原子结合，所以进一步提高了粉煤的转化。另一方面，较高的CO比例对于高炉运行具有很有利的作用，因其在实际的金属回收中起还原剂的作用。

按优选的实施方案，还原剂分阶段加热，即多次重复将输送流再分为若干支流，引导各支流经过加热装置并使各支流中的还原剂在加热装置中进行加热，在两个连续的阶段间的各个支流合并成一股共同的输送流，以使温度状况均匀。

为改进对支流中的还原剂的传热，优选使该支流绕其流动方向旋转。支流中的旋转运动及有关的湍流产生了原料在该支流中的再分布，从而使后者充分混合。此外，支流中单个颗粒的速度及其在热交换器中的换热路径长度也增加。因此，在热交换器中对还原剂的传热可明显提高。因而最好使全部支流以此方式旋转。

最后可将冷的还原剂供往共同的输送流，以便在还原剂注入高炉之前控制其注入温度。

本发明的用于将还原剂喷入高炉的装置包括用于将还原剂气动地输往高炉的输送管线，在该输送管线中多个热交换器管以平行连接成为一体，从而使该气动输流被分成多个支流及将热能传送给各支流的加热装置。用这装置，在贮存罐和高炉上的喷枪间的还原剂的输送期间可将热以受控的方式输向还原剂。

加热发生于输送管线内，即它可在粉煤喷入高炉之前立即进行。因此粉煤在加热后立即通往用户，从而使加热的燃料在临时贮期间不会发生安全问题。此外，损失于周围环境的热很少，尤其是由于减小了辐射表面。

将气动输送流再分成若干支流产生了以小尺寸布局的所需的有效的传热表面，即以其将热传给还原剂的表面或传给各支流的表面。此外，由于过大的输送压力而形成的湍流及较高的气体密度在固体/输送气体混合物中建立起高的传热系数。

因此，单股支流可在很短时间内和短距离中吸收大量的热，从而可将热交换器管的长度保持得相当短。因此整台装置以其紧凑的设计为特征，这一点，比如，在现有工厂的改造时是非常重要的。

在一优选的实施方案中，该加热装置包括加热室(它可容纳热载体)和布置在加热室内的，或至少局部穿过加热室而延伸的热交换器管。热载体，比如，可包括来自炉子的热气体。然后发生热气体和固体/输送气体混合物之间的直接传热。由于该热气体是高温，所以可保持其与该固体/输送气体混合物间的大的平均温度梯度，产生热交换。此外，由于热气体中的(有时的)高温，因为辐射，将大量热加到热气体一侧的对流传热，从而得到极高的热流密度。

该炉最好用废气，如高炉煤气。因此避免了不利的高燃烧温度，在正常运行时，在进入燃烧室之前必须将热气体预冷却。在运行期间，加热室后经常存在的高废气温度，由于热气体对固体/输送气体混合物有高的平均温度梯度，如果不进一步利用废气中的残热，也不构成明显的热损失。

若热交换器管未向输送气体/固体混合物暴露，如当热气体方面开始工作时，通过在该炉后与冷空气的混合，可使热气体降到较低的温度；于是防止热交换器管过热。若该装置以气体对固体/输送气体混合物的高平均温度梯度运行，而且打算使废气在不经过进一步利用残热而在离开热交换器后直接排入周围环境中，则可按相同的方式通过与冷空气混合而将废气冷至可容许的排放温度。

或者，该热载体可包括液体或冷凝介质。与气态热载体相比，液体热载体具有较高的比热容Cp，从而在这些情况下单位体积可带走和发出大量的热。冷凝介质，即在放热时经受相变的介质，其特征是在恒定的温度下发出高热。因此，最好选择其冷凝温度与所需的还原剂喷射温度相重合的介质。因此还原剂的过热，如热交换器管堵塞造成的过热可在很大程度上得以排除。

热交换器管基本上垂直地布置是有益的，并通过支流从其底部向上而横向通过。因此，可以避免固体因该管的局部过热而沉积，在各种情况下使管截面面临均匀的气流，因而优化自管壁向固体/输送气体混合物的传热。

在该装置的一较佳实施方案中，引起支流经其各个热交换管而绕其流动方向旋转的旋流器是按1个或多个设置，但最好设在全部热交换器管中。支流的旋转改善了各支流的完全混合，从而改善了向支流的传热。此外，支流中单个颗粒的速度以及其在热交换器中的交换途径长度也增加。

比如，旋流器可包括在热交换器管内沿轴向延伸的一个或多个螺旋形金属板。各金属板的螺距可按热交换器中的还原剂所需的交换途径长度而选择。

在本发明的一优选实施方案中，热交换器管彼此隔开一定距离而组装，以构成热交换器组，后者在其入口侧有一分配器，以便将供入的输送流均匀地按比例分配给各热交换管，而在其出口侧有一收集器，以便使各支流合并在一起以形成出口流。各分配器和收集器最好是相同结构，从而使各热交换器组的设置方向不成为重要。因此，将热交换器管组合起来以形成易于组装的、标准化的单元，并使组合的热交换器组，在必要时也易于更换。

在具有大截面的输送管线的情况下，将输送流分成若干支流可以在几个阶段进行。比如，借助预分配器将输送流按比例分配到数个热交换器组。因此该装置包括若干热交换器组，后者最好以彼此间隔一定距离组装，而构成热交换器群，后者在其入口侧有一预分配器，以便将输入的输送流按比例分配给单个热交换器组，而在其出口侧有一辅助的收集器，以便将各支流合并在一起以形成共同的出口流。预分配器和第二收集器最好有相同结构，而且，例如是US-A-4,702,182中所述类型的粒流分配器。

在本发明的一个优选实施方案中，若干热交换器组或群串联连接。按此方式，可达到紧凑的布局。可在每台热交换器后将固体/输送气体混合物支流合在一起，而且使可能出现于单根管子或管组中的任何不同的温度升高得以平衡。单根管子或单个管组的故障不会明显影响整台设备的工作能力和交换能力。在装有热交换器组的工厂中，只要关闭阀门，就可使单个组中止作业以便维修和停工。

可按如下方式有利地在加热室内设置导流叶片，使热载体有效地流向热交换器管。例如，导流叶片可以是使热气流有选择地转向各热交换器组的挡板。

最好为每个输送管线设置一支路管线，该支路管线当沿输送流的方向看时终止于热交换器管后的输送管中。这使得输送在热交换器有故障的情况下，或如果不进行加热时也平稳地连续进行。热交换器和支路管线间的切换可逐渐而平稳地进行，因为通过采用固态物流控制阀已将管线阻塞的风险减至最小。

若几股固体固体/输送气体混合物借助于来自炉子供出的总的热气体而平行地加热，则使用固体物流控制阀可在各固体/输送气体混合物中建立起不同的加热温度。

下面借助附图描述本发明的实施方案。

图1表明用于将还原剂喷入高炉的本发明装置的第一实施方案的示意性结构；

图2是本发明装置的第二实施方案的示意性结构；

图3是热交换器组的实施方案(局部剖面)；

图4是包含若干热交换器组的加热室，该热交换器组相互连接构成热交换器群；

图5是取自图4剖面的部分剖示图；

图6是其内装有旋流器的热交换器管的剖面图。

本发明用于将还原剂喷入高炉的装置的第一实施方案示于图1。它包括一压力罐10，还原剂在喷射之前被输往其中；及若干输送管线12，通过它，还原剂借助于输送气体气动地输往高炉上的喷枪(未示)中。

将输送流分成若干支流的数个热交换器管14以平行布置在每条输送管线12中以构成一个整体。最好将热交换器管14组合成热交换器组16，其中热交换器管14以彼此间隔一段距离而装在其中，在热交换器组16的入口侧有一分配器18，它用于将进入的输送流均匀地按比例分配到各热交换器管14，而在其出口侧有一用于将各支流合并在一起以形成一出口流的收集器20。

在加热室22中设有热交换器组16，其中通过炉子24产生围绕热交换器组16流动的热气体。热气体中的热向热交换器管14中的各支流发射，从而将在其中流动的还原剂加热。或者，该热载体还可包括液体或冷凝介质。

在上述实施方案中，数个热交换器组串联连接。以此方式可实现特别紧凑的布置。使还原剂/输送气体混合物的支流在各热交换器组合合并在一起，从而在各管中出现的不同的温度升高得以平衡。各管的故障不会明显影响整台设备的工作能力及热交换能力。

在每种情况下，热交换器组16大致垂直地设置是有利的，并且通过支流从底部向上而横向通过。因此，避免了因管子局部过热而引起的沉积，在每种情况下管道截面向一均匀流暴露，因而从管壁向还原剂/输送气体混合物的传热得以优化。

热气体最好在加热室24的燃烧室26中产生并在各热交换器管14间进行横向流动(以箭头28所示)。在热气体已将其大部分热传给不同的支流后，经废气管线30排除冷却的热气体。热气体是有利地通过废气(如高炉气体)和新鲜空气燃烧而产生，该气体是通过供气源32或供新鲜空气源34输入炉24中。因此，在正常运行中，必须在进入加热室22之前预冷热气体的不利的高燃烧温度就可被避免。在运行时，在加热室22后普遍存在的高废气温度，由于对还原剂/输送气体混合物有高的温度梯度，若没有对废气中的残热作进一步利用，也不会构成明显的经济损失。

若热交换器管14还不能接纳还原剂/输送气体混合物，如，当起动热气体侧时，热空气可通过炉后的冷空气供源36而降温，从而防止热交换器管过热。如果该装置以对还原剂/输送气体混合物的热气体的高平均温度梯度运行，并且使废气在离开热交换器后不经过进一步利用其中的残热就直接排入周围环境，则可按相同方式借助于冷空气供应源38，通过混入冷空气而将废气管线30降至可允许的排放温度。

为每条输送管线12设置支线40，该支线在沿输送流的方向看时在热交换器组16后终止于输送管线12中。若热交换器故障或不加热时，这可维持输送。热交换器组16和支线40间的切换可通过采用固体物流控制阀42而逐步地并平稳地进行，从而将堵塞管线的危险减至最小。

通过固体物流控制阀控制还原剂/输送气体混合物的物流经过热交换器组16另外还可用于对输送流的有效的温度控制。如前所述，若数个还原剂/输送气体混合物通过由炉子发出的全部热气体平行加热，则可在各固体/输送气体混合物中，用固体物流控制阀建立起不同的加热温度。

图2展示了本发明装置的另一实施方案。这是一种具有仅一条输送管线12的结构，其中，还原剂/输送气体流在高炉处通过分配器44直接按比例分至不同的喷射管线46，然后经这些管线导向各个喷枪。在这种逻辑上输送管线12具有大截面的装置中，可将输送流以若干阶段再分成几个支流。比如，借助预分配器48将输送流按比例供往若干热交换器组16。因此该装置包括在输送管线12中以平行构形形成一体的几个热交换器组16。各热交换器16最好是相互间隔一段距离组装而构成热交换器群50，热交换器群50在其入口侧有一用于将进入的输送流均匀地按比例分至各热交换器组16的分配器48，而在其出口侧有一辅助的收集器52，以便将各支流合并在一起，以形成共同的出口流。

按此实施方案，最好将数个热交换器群串联连接。将还原剂/输送气体混合物支流在每个热交换器群之后合并在一起，从而使各管组中可能出现的不同的温度升高得以平衡。单个管组的故障不会明显影响整台设备的作业能力及交换容量。此外，只要提供截止阀就可将单个组从作业中取出以便维修或将其关闭。

应指出的是，热交换器组16或热交换器群50相互间的连接及热交换器组与预分配器48间的连接是以使热膨胀可得以补偿的方式设计的。比如，这可按软管连接的方式完成。

图3表明通过热交换器组16截取的剖面。它包括相互间隔一段距离延伸的数个热交换器管14。热交换器管14按围绕热交换器组16的纵轴54以圆形状设置，离热交换器管14的短距离有同轴导管56，它被设置在热交换器管14间的中心。导管56使横向的热气体进入流改变方向，然后引导其经过各热交换器管14，从而产生流经热交换器管14的有效的热气体进入流。此外，至少一个用于固定热交换器管14在其各自位置的组装环58可被安装在导管56上。组装环58在导管56的一半长度上向外伸展并具有使各热交换器管14通过的孔是有利的。

热交换器管14在其各自的端部连接到分配器18和收集器20。分配器18将到达入口法兰60处的输送流均匀地按比例分配到不同的支流中，每个支流被导入一个热交换器管14中。经过热交换器管14后，各支流在收集器20中再合并以形成一共同的输送流，然后再输往连接出口法兰62处的输送管线。

应指出的是，不同的热交换器管14最好有相同的截面和相同的长度，从而使各支流及各支流的流量在各自的热交换器管14中大致相同。以此方式消除了各支流间的温度升高中的主要偏差。

分配器18及收集器20优选是结构相同的装置，以致使热交换器组16相对于一垂直于输送方向的平面是对称的。因此热交换器组16不具有优选的按装方向，而是一种易于组装的标准单元，这使得被堵塞的热交换器组16可迅速更换。

优选的是借助法兰64将热交换器16组装在加热室22中(法兰64装在分配器18和收集器20上)，并以适宜的法兰66用螺栓固定在加热室22的壳壁68上。用于平衡热诱发的材料膨胀的补偿器70至少组装在一侧。

基于图4和5更详述地描述热交换器组16在加热室22中的布置。图4展示了其中装有数个热交换器组16的加热室22，热交换器组16连在一起形成热交换器群50，而图5是一剖面图。

热交换器群50中的各热交换器组16大致是相互平行地设置，然后沿热气体的流动方向相互排成数行。按所述的这类结构，热交换器群50包括6行，每行有4个热交换器组16。热交换器组16是以其法兰64而安装在上或下加热室墙的相应法兰66上。

为清楚起见，在图4中仅标出少数几个，在预分配器48或收集器52与热交换器组16之间的连接管线72。连接管线72最好设计成软管，以便抵消热膨胀。此外，为了在各管中在有相同的压降的情况下载带相同的支流，全部管线最好具有相同的长度。

将热气体流导向各热交换器组16，以便达到有效传热的导板74最好装在加热室22内的每行热交换器组的两侧。为此，导流板74在每一行热交换器组16的两侧以这样一种方式伸展而穿过整个热交换器群50，以将沿热气体流动方向进行的进入流管76在加热室22中的2块导流板74之间被隔开。导流板74最好在热交换器组16的高度处有翅板78，它从后者向外伸展然后垂直向上延伸，从而将每个热交换器组设置在大致圆柱形的收纳空间中，该容纳空间通过一个直的管段按行与相邻的热交换器组16相连。

在热交换器组50的入口和出口处相邻行的相邻导流板74最好按某一角度连在一起，以致使各进入流管道在入口和出口侧加宽，然后接着将流入的热气体导入该进入流管道。因此流过热交换器群的热气流被完全导入各流入管道，在各流入管道中的热气体流速增加，从而优化装在其中的热交换器组16的进入流。

按此方式设计的热交换器群50有利地形成标准部件，按需要可将任选数目的该部件一个接一个地先后连接。在第一个热交换器族的出口处将流过的热气体流直接转入第二个热交换器族的入口。

为进一步改善向各支流传热，优选使各支流绕其流动方向旋转，从而材料的再分布保证了支流的彻底混合。为此，最好在每根热交换器管14中设置一个或多个沿热交换器管的纵轴延伸的旋流器80。如图6所示，比如，旋流器可以是一种螺旋形的金属片，其螺距是按如下方式选择的：使还原剂在热交换器管14中的交换路径长度及其滞留时间对所要求的热吸收进行优化。

参照表

10    压力容器     12    输送管线

14    热交换器管   16    热交换器组

18    分配器       20    收集器

22    加热室       24    炉子

26    燃烧室       28    横向流

30    废气管线     32    供气源

34    新鲜空气源   36、38  冷空气源

40    支路管线     42    物流控制阀

44    分配器       46    喷射管线

48    预分配器     50    热交换器群

52    收集器       54    纵轴

56    导管         58    组装环

60    入口法兰     62    出口法兰

64、66法兰      68    器壁

70    补偿器    72    连接管线

74    导流板    76    进入流管

78    翅板      80    旋流器

Claims (19)

1.将还原剂喷入高炉的方法，以气动输送流将还原剂输往该高炉，其特征在于有以下步骤：

a)将该输送流再分成若干支流，

b)使各支流流过加热装置，

c)在该加热装置内的各支流中加热还原剂。

2.按权利要求1的方法，其特征在于，在还原剂加热后使各支流合并成为一共同输送流，以使温度状况均匀。

3.按权利要求1或2的方法，其特征在于，步骤a)-c)在几个阶段重复，在2个相继的阶段之间使各单个支流合并成一个公共的输送流，以便使温度状况均匀化。

4.按前述权利要求之一项的方法，其特征在于，使至少一个单独的支流绕其流动方向进行旋转。

5.按前述权利要求之一项的方法，其特征在于，在喷入高炉之前，将冷的还原剂供入该公共输送流，以便控制还原剂的温度。

6.用于将还原剂喷入高炉的装置，它借助于一条输送管线将还原剂气动地输往该高炉，其特征在于，若干热交换器管以平行构形在该输送管线内构成一个整体，从而将该气动输送流分成若干支流，然后通过加热装置将热能传到该各支流。

7.按权利要求6的装置，其特征在于，该加热装置包括一可容纳热载体的加热室，至少局部穿过该加热室延伸的热交换器管。

8.按权利要求6或7的装置，其特征在于，该热交换器管基本上是垂直地设置，并且通过支流从底向上而横向通过。

9.按权利要求6-8中之一项的装置，其特征在于，在一个或多个热交换器管中设置旋流器，该旋流器使经过各自的热交换器管的支流绕其流动方向进行旋转。

10.按权利要求9的装置，其特征在于，该旋流器包括一在该热交换器管内沿轴向延伸的螺旋形金属板。

11.按权利要求6-10中之一项的装置，其特征在于，该热交换器管是以相互间隔一定距离而组装，从而形成热交换器组，后者在其入口侧有一用于将供入的输送流均匀地按比例分配给各热交换器管的分配器，而在其出口侧有一使各支流合并以形成一个出口流的收集器。

12.按权利要求11的装置，其特征在于，有数个热交换器组，一个接一个地先后串联连接。

13.按权利要求11的装置，其特征在于，有数个热交换器组，后者相互间隔一定距离地组装，以形成热交换器群，而所述的群在其入口处有一用于将供入的输送流均匀地按比例分配给各热交换器组的预分配器，而在其出口侧有一用于将各支流合并以形成一个出口流的收集器。

14.按权利要求13的装置，其特征在于，有若干热交换器群，后者一个接一个地串联连接而设置。

15.按权利要求7-14中之一的装置，其特征在于，有导流叶片，它以这样的方式被设置在该加热室内：使热载体有效地流向各热交换器管。

16.按权利要求6-15中之一项的装置，其特征在于，有一支路管线，当沿输送流的方向看时，它终止于热交换器管后的输送管线中。

17.按权利要求6-16中之一的装置，其特征在于，该加热载体包括热气体。

18.按权利要求6-16中之一的装置，其特征在于，该加热载体包括液态介质。

19.按权利要求6-16中之一的装置，其特征在于，该加热介质包括冷凝介质。

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