CN112088142A - 用于直接还原工艺的氧气注入系统 - Google Patents

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Abstract

用于直接还原工艺的氧气注入系统，包括：共用周向气体注入集管，所述共用周向气体注入集管适于联接到氧气源和富集天然气源，并且适于将来自所述氧气源的氧气和来自所述富集天然气源的富集天然气输送到还原气流，所述还原气流通过周向设置的多个端口流动通过轴向设置在所述共用周向气体注入集管内的导管以形成奔忙气流；其中所述共用周向气体注入集管包括：周向氧气注入集管，所述周向氧气注入集管适于通过周向设置的所述多个端口将来自所述氧气源的所述氧气输送到所述还原气流；和周向富集天然气注入集管，所述周向富集天然气注入集管适于通过周向设置的所述多个端口将来自所述富集天然气源的所述富集天然气输送到所述还原气流。

Description

用于直接还原工艺的氧气注入系统
相关申请的交叉引用
本公开要求于2018年3月27日提交的题为“OXYGEN INJECTION SYSTEM FOR ADIRECT REDUCTION PROCESS”的共同待决的美国临时专利申请No.62/648,550的优先权的权益，其内容是出于所有目的在此通过引用全文并入。
背景技术
具体地参考图1，在常规的直接还原(DR)工艺中，将主要由天然气重整制得的H2和CO构成的加热的还原气体10(或合成气)通过热风口系统供给到竖炉(SF)中以将氧化铁还原为金属化铁。通常，在进入SF之前，将诸如富集天然气(EnNG)12之类的富集烃燃料和O214注入到还原气流10中。EnNG 12用作SF内部原位重整的化学原料，从而通过形成更多的还原剂来增加还原。然而，这种原位重整消耗了大量的热量，这降低了床温并降低了SF中还原反应的动力学。注入的O2 14与还原气体10的燃烧在奔忙气体进入SF之前将所述奔忙气体的温度保持在大约900摄氏度或更高，并补偿由SF内部的原位重整所消耗掉的热量。
通常，O2 14被注入通过单根管使用的导管16中，而EnNG 12则通过沿周向铺设的几根管被注入。除非使用水冷管，否则这些管12、14仅由流动气体进行自冷却。O2 14和EnNG12在沿导管16不同的位置处被注入，以确保O2 14稳定且安全地燃烧，这是因为EnNG 12的冷却效应可能会损害燃烧和/或点火。惰性气体吹扫装置20以流体连通的方式联接到O2注入管14。通常，单个O2注入管14结合有一个或两个O2注入喷嘴，而EnNG注入管12联接到圆周集管22，该圆周集管22包括例如四个至八个圆周注入孔。
通常，此构造具有几个重要问题：
(1)通过注入管的O2流14的调节能力受到限制，这是因为必须保持足以进行自冷却的O2流，并且不能耗尽O2供给；
(2)仅能使用少量的O2注入管14，这是因为这降低了每个管的O2的调节能力，并且较少量的O2注入点使得难以将O2 14均匀地分布在所产生的奔忙气流18中；
(3)除非O2注入管14突出穿过导管壁足够远，否则O2注入点周围的导管壁会由于O2火焰的辐射热量而产生热点-这种较长的突出可能会导致O2注入管14的弯曲，从而需要频繁更换O2注入管14；
(4)为了解决上述问题，可以使用水冷式O2注入管14，但是这会使整个系统更加复杂和昂贵，并且冷却奔忙气体18的水可能会失效；以及
(5)尽管O2 14与EnNG 12反应的机会很小，这是因为O2 14和EnNG12在不同的位置处被注入，同时EnNG 12大部分仍保持未反应并往往会降低奔忙气体温度，但O2 14主要与还原气流10中的H2和CO反应，以减少还原剂的量并通过完全氧化使温度升高最大化。
因此，DR工艺需要解决这些问题的改进的O2和EnNG注入系统。
发明内容
在各种示例性实施例中，本公开在不应用水冷的情况下提高了O2注入管的流量灵活性。O2注入点的数量增加，使得O2和EnNG可以在奔忙气流中更均匀地分布。此外，本公开使得可以在非常接近EnNG注入点的位置安全地注入O2，使得与完全氧化构造相比，EnNG的部分燃烧得到增强，并且进入SF的还原气体的温度降低。
本公开优化了在O2注入位置处的O2/EnNG比，以最大化部分燃烧并最小化C沉积。这通过以下所述实现：
(1)在同轴的EnNG/O2注入构造中使用EnNG护罩气体冷却O2注入管；
(2)对于通过(1)启用的每个管，O2流量的调节能力或可能的零O2流量能够增加注入点的数量，从而使O2更加均匀地分布在奔忙气流中；
(3)较小直径的O2注入管位于较大直径的EnNG护罩气体孔内以保持比EnNG气体速度高的多的O2气体速度，从而即使在同轴EnNG/O2注入构造的情况下，也能够防止在O2燃烧区域中由EnNG进行过度冷却并稳定O2燃烧；
(4)位于上游的砖形孔口防止O2/EnNG注入位置周围的流动受到太大干扰-与上游砖形孔口的结合的同轴EnNG/O2注入构造显著地增强EnNG的部分燃烧，从而生成还原气体，同时最小化还原气体的温度升高；以及
(5)基于以上所述，如果EnNG中的重元素含量高，或者EnNG/O2流量比高，则可能围绕O2注入点发生C沉积-将EnNG注入分为两个位置(一个围绕O2注入位置，而另一个在更下游)优化O2注入位置处的O2/EnNG比，以最大化部分燃烧并最小化C沉积。
在一个示例性实施例中，本公开提供了一种用于直接还原工艺的氧气注入系统，包括：共用周向气体注入集管，所述共用周向气体注入集管适于联接到氧气源和富集天然气源，并且适于将来自所述氧气源的氧气和来自所述富集天然气源的富集天然气输送到还原气流，所述还原气流通过周向设置的多个端口流动通过轴向设置在所述共用周向气体注入集管内的导管，以形成奔忙气流；其中所述共用周向气体注入集管包括：周向氧气注入集管，所述周向氧气注入集管适于通过周向设置的所述多个端口将来自所述氧气源的所述氧气输送到所述还原气流；和周向富集天然气注入集管，所述周向富集天然气注入集管适于通过周向设置的所述多个端口将来自所述富集天然气源的所述富集天然气输送到所述还原气流。所述周向氧气注入集管和所述周向富集天然气注入集管轴向地设置。任选地，所述周向富集天然气注入集管轴向地设置在所述周向氧气注入集管内。所述周向氧气注入集管包括：周向设置的多个管，所述多个管适于被设置成穿过所述周向富集天然气注入集管；和周向设置的多个喷嘴，所述多个喷嘴联接到周向设置的所述多个管，所述多个喷嘴适于与周向设置的所述多个端口配合。通过周向设置的所述多个管中的每一个的氧气流量是可变化的。任选地，通过周向设置的所述多个端口中的每一个的富集气体流量是可变化的。所述氧气注入系统还包括联接到所述氧气源的惰性气体吹扫装置。所述氧气注入系统还包括砖形孔口，所述砖形孔口在所述共用周向气体注入集管的上游围绕所述导管沿周向设置。任选地，所述氧气注入系统还包括另一个周向富集天然气注入集管，所述另一个周向富集天然气注入集管在所述共用周向气体注入集管的下游围绕所述导管设置，并且适于通过周向设置的额外的多个端口将来自所述富集天然气源的额外的富集天然气输送到所述还原气流。
在另一个示例性实施例中，本公开提供了一种用于直接还原工艺的氧气注入方法，包括：提供共用周向气体注入集管，所述共用周向气体注入集管适于联接到氧气源和富集天然气源，并且适于将来自所述氧气源的氧气和来自所述富集天然气源的富集天然气输送到还原气流，所述还原气流通过周向设置的多个端口流动通过轴向设置在所述共用周向气体注入集管内的导管，以形成奔忙气流；其中所述共用周向气体注入集管包括：周向氧气注入集管，所述周向氧气注入集管适于通过周向设置的所述多个端口将来自所述氧气源的所述氧气输送到所述还原气流；和周向富集天然气注入集管，所述周向富集天然气注入集管适于通过周向设置的所述多个端口将来自所述富集天然气源的所述富集天然气输送到所述还原气流。所述周向氧气注入集管和所述周向富集天然气注入集管轴向地设置。任选地，所述周向富集天然气注入集管轴向地设置在所述周向氧气注入集管内。所述周向氧气注入集管包括：周向设置的多个管，所述多个管适于被设置成穿过所述周向富集天然气注入集管；和周向设置的多个喷嘴，所述多个喷嘴联接到周向设置的所述多个管，所述多个喷嘴适于与周向设置的所述多个端口配合。所述氧气注入方法还包括：改变通过周向设置的所述多个管中的每一个的氧气流量。任选地，所述氧气注入方法还包括：改变通过周向设置的所述多个端口中的每一个的富集气体流量。所述氧气注入方法还包括：提供联接到所述氧气源的惰性气体吹扫装置。所述氧气注入方法还包括：在所述共用周向气体注入集管的上游围绕所述导管周向地设置砖形孔口。任选地，所述氧气注入方法还包括：提供另一个周向富集天然气注入集管，所述另一个周向富集天然气注入集管在所述共用周向气体注入集管的下游围绕所述导管设置，并且适于通过周向设置的额外的多个端口将来自所述富集天然气源的额外的富集天然气输送到所述还原气流。
附图说明
在此参考各种附图示出和描述了本公开，其中适当时，相同的附图标记用于表示相同的系统部件/方法步骤，并且其中：
图1是示出利用单独的O2注入点和EnNG注入点的常规O2和EnNG注入系统和方法的示意图；
图2是示出本公开的利用共用的同轴O2和EnNG注入点的O2和EnNG系统和方法的一个示例性实施例的示意图；和
图3是示出了本公开的利用共用的同轴O2和EnNG注入点以及单独的EnNG注入点的O2和EnNG系统和方法的另一示例性实施例的示意图。
具体实施方式
再次，在各种示例性实施例中，本公开在不应用水冷却的情况下提高了O2注入管的流量灵活性。O2注入点的数量增加，使得O2和EnNG可以在奔忙气流中更均匀地分布。此外，本公开使得可以在非常接近EnNG注入点的位置处安全地注入O2，使得与完全氧化构造相比，EnNG的部分燃烧得到增强，并且进入SF的还原气体的温度降低。
本公开优化了在O2注入位置处的O2/EnNG比，以最大化部分燃烧并最小化C沉积。这通过以下所述实现：
(1)在同轴的EnNG/O2注入构造中使用EnNG护罩气体冷却O2注入管；
(2)对于通过(1)启用的每个管，O2流量的调节能力或可能的零O2流能够增加注入点的数量，从而使O2更加均匀地分布在奔忙气流中；
(3)较小直径的O2注入管位于较大直径的EnNG护罩气体孔内，以保持比EnNG气体速度高得多的O2气体速度，从而在即使采用同轴EnNG/O2注入构造的情况下也可防止通过EnNG在O2燃烧区域中的过度冷却并稳定O2燃烧；
(4)位于上游的砖形孔口防止O2/EnNG注入位置周围的流动受到太大干扰-与上游砖形孔口的结合的同轴EnNG/O2注入构造显著地增强EnNG的部分燃烧，从而生成还原气体，同时最小化还原气体的温度升高；以及
(5)基于以上所述，如果EnNG中的重元素含量高或EnNG/O2流量比高，则可能在O2注入点周围发生C沉积-将EnNG注入分为两个位置(一个围绕O2注入位置，而另一个在进一步下游)优化了O2注入位置处的O2/EnNG比，以最大化部分燃烧并使C沉积最小化。
现在具体参照图2，在一个示例性实施例中，本公开的共用的O2和EnNG注入系统100通过围绕还原气体导管16设置的共用圆周注入集管24在相同位置利用同轴O2 14和EnNG 12注入，从而形成被输送到SF的奔忙气体18。共用圆周注入集管24包括共同利用多个共用周向气体注入端口30的外圆周O2注入集管26和内圆周EnNG注入集管28。在该示例性实施例中，O2注入管32中的每一个都被设置成沿着共用圆周注入集管24的半径穿过内圆周EnNG注入集管28，并与圆周EnNG注入端口30中的一个配合并突出穿过该圆周EnNG注入端口30中的一个。惰性气体吹扫装置20如前所述联接到O2 14。
因此，O2管32被从安装在奔忙气体导管16上的EnNG集管28的圆周孔30出来的EnNG护罩气体冷却。这允许每个O2注入管32的O2流量具有更大的灵活性和调节能力(包括零流量)。
这种O2流动的灵活性使得可以沿周向增加O2和EnNG注入点的数量，并使O2和EnNG更均匀地分布在奔忙气流18中。此外，这提供了停止到某些O2注入管32的O2流的灵活性，而无需将该某些O2注入管32从系统100中移除。
通过在较大直径的EnNG护罩气体孔30内应用较小直径的O2注入管32以保持比EnNG气体速度更高的O2气体速度，可以实现稳定的O2燃烧而不受EnNG的冷却效应的影响。这使得可以在还原气体导管16中靠近EnNG的注入点安全地注入O2。
即使O2管32从耐火壁的突出是最小的，从护罩气体孔30出来的EnNG护罩气体仍保护O2管32周围的具有耐火材料衬里的导管壁免于O2火焰的辐射热量。这种最小突出从而延长O2注入管32的寿命。
砖形孔口34等设置在共用圆周集管24的上游，并防止围绕O2/EnNG注入位置的湍流。与设置在上游的砖形孔口34相结合的这种同轴的O2/EnNG注入构造大大增强了EnNG 12的部分燃烧。
现在具体参考图3，在另一个示例性实施例中，本公开的共用O2和EnNG注入系统100通过围绕还原气体导管16设置的共用圆周注入集管24在相同位置再次利用同轴O2 14和EnNG 12注入，从而形成输送到SF的奔忙气体18。共用圆周注入集管24包括共同利用多个共用周向气体注入端口30的外圆周O2注入集管26和内圆周EnNG注入集管28。在该示例性实施例中，O2注入管14中的每一个都被设置成沿着共用圆周注入集管24的半径穿过内圆周EnNG注入集管26，且O2喷嘴32与圆周EnNG注入端口30中的一个配合并穿过该圆周EnNG注入端口30中的一个突出。惰性气体吹扫装置20如前所述联接到O2 14。
因此，O2管14被从安装在奔忙气体导管16上的EnNG集管28的圆周孔30出来的EnNG护罩气12冷却。这允许每个O2注入管14的O2流量具有更大的灵活性和调节能力(包括零流量)。
该O2流14的灵活性使得可以沿周向增加O2和EnNG注入点的数量，并且使O2和EnNG更均匀地分布在奔忙气流18中。此外，这提供了停止到某些O2注入管14的O2流14的灵活性，而无需将该某些O2注入管14从系统100中移除。
通过在较大直径的EnNG护罩气体孔30内应用较小直径的O2注入管14以保持比EnNG气体速度更高的O2气体速度，可以实现稳定的O2燃烧而不受EnNG的冷却效应的影响。这使得可以在还原气体导管16中靠近EnNG的注入点将安全地注入O2。
即使O2管14从耐火壁的突出是最小的，EnNG护罩气12仍保护O2喷嘴32周围的具有耐火衬里的导管壁免于O2火焰的辐射热量。这种最小突出从而延长O2注入管14的寿命。
再次，砖形孔口34等设置在共用圆周集管24的上游，并防止围绕O2/EnNG注入位置的湍流。与设置在上游的砖形孔口34结合的这种同轴的O2/EnNG注入构造大大增强了EnNG12的部分燃烧。
这里，单独的下游圆周EnNG注入集管36也联接到EnNG供应装置12并被利用，从而通过多个单独的圆周EnNG注入端口38将EnNG注入到导管16内的奔忙气流18中。在第一实施例中，在O2/EnNG同轴注入构造中，如果EnNG中的重元素含量高，或者如果EnNG/O2流量比高，则在O2注入点周围可能会发生C沉积。将EnNG注入分成两个位置(一个围绕O2注入位置，另一个位于下游位置)允许优化O2注入位置处的O2/EnNG比，以使部分燃烧最大化并使C沉积最小化。以摩尔/体积计，最佳比为O2/EnNG＝0.5～1.2，或优选0.7～1.0。
因此，再次，本公开在不应用水冷却的情况下提高了O2注入管的流量灵活性。O2注入点的数量增加，使得O2和EnNG可以被更均匀地分布在奔忙气流中。此外，本公开使得可以在非常靠近EnNG注入点的位置安全地注入O2，使得与完全氧化构造相比，EnNG的部分燃烧得到增强，并且进入SF的还原气体的温度降低。
本公开优化了在O2注入位置处的O2/EnNG比，以最大化部分燃烧并最小化C沉积。这通过以下所述实现：
(1)在同轴的EnNG/O2注入构造中使用EnNG护罩气体冷却O2注入管；
(2)对于通过(1)启用的每个管，O2流量的调节能力或可能为零O2流能够增加注入点的数量，从而使O2更加均匀地分布在奔忙气流中；
(3)较小直径的O2注入管位于较大直径的EnNG护罩气体孔内以保持比EnNG气体速度高的多的O2气体速度，从而即使在同轴EnNG/O2注入构造的情况下也能够防止在O2燃烧区域中由EnNG进行的过度冷却并稳定O2燃烧；
(4)位于上游的砖形孔口防止O2/EnNG注入位置周围的流动受到太大干扰-与上游砖形孔口结合的同轴EnNG/O2注入构造显著地增强EnNG的部分燃烧，从而生成还原气体，同时最小化还原气体的温度升高；以及
(5)基于以上所述，如果EnNG中的重元素含量高，或者如果EnNG/O2流量比高，则可能围绕O2注入点发生C沉积-将EnNG注入分为两个位置(一个围绕O2注入位置，而另一个在进一步下游)优化了O2注入位置处的O2/EnNG比，以最大化部分燃烧并最小化C沉积。
尽管在此参考优选实施例及其具体示例示出和描述了本公开，但是对于本领域普通技术人员而言显而易见的是，其它实施例和示例可以执行相似的功能和/或获得相似的结果。所有这些等同的实施例和示例都在本公开的精神和范围内，由此被构思，并且出于所有目的旨在由以下非限制性权利要求涵盖。

Claims (19)

1.一种用于直接还原工艺的氧气注入系统，包括：
共用周向气体注入集管，所述共用周向气体注入集管适于联接到氧气源和富集天然气源，并且适于将来自所述氧气源的氧气和来自所述富集天然气源的富集天然气输送到还原气流，所述还原气流通过周向设置的多个端口流动通过轴向设置在所述共用周向气体注入集管内的导管，以形成奔忙气流；
其中所述共用周向气体注入集管包括：
周向氧气注入集管，所述周向氧气注入集管适于通过周向设置的所述多个端口将来自所述氧气源的所述氧气输送到所述还原气流；和
周向富集天然气注入集管，所述周向富集天然气注入集管适于通过周向设置的所述多个端口将来自所述富集天然气源的所述富集天然气输送到所述还原气流。
2.根据权利要求1所述的氧气注入系统，其中，所述周向氧气注入集管和所述周向富集天然气注入集管轴向地设置。
3.根据权利要求2所述的氧气注入系统，其中，所述周向富集天然气注入集管轴向地设置在所述周向氧气注入集管内。
4.根据权利要求3所述的氧气注入系统，其中，所述周向氧气注入集管包括：
周向设置的多个管，所述多个管适于被设置成穿过所述周向富集天然气注入集管；和
周向设置的多个喷嘴，所述多个喷嘴联接到周向设置的所述多个管，所述多个喷嘴适于与周向设置的所述多个端口配合。
5.根据权利要求4所述的氧气注入系统，其中，通过周向设置的所述多个管中的每一个的氧气流量是能够变化的。
6.根据权利要求4所述的氧气注入系统，其中，通过周向设置的所述多个端口中的每一个的富集气体流量是能够变化的。
7.根据权利要求1所述的氧气注入系统，还包括联接到所述氧气源的惰性气体吹扫装置。
8.根据权利要求1所述的氧气注入系统，还包括砖形孔口，所述砖形孔口在所述共用周向气体注入集管的上游围绕所述导管沿周向设置。
9.根据权利要求1所述的氧气注入系统，还包括另一个周向富集天然气注入集管，所述另一个周向富集天然气注入集管在所述共用周向气体注入集管的下游围绕所述导管设置，并且适于通过周向设置的额外的多个端口将来自所述富集天然气源的额外的富集天然气输送到所述还原气流。
10.一种用于直接还原工艺的氧气注入方法，包括：
提供共用周向气体注入集管，所述共用周向气体注入集管适于联接到氧气源和富集天然气源，并且适于将来自所述氧气源的氧气和来自所述富集天然气源的富集天然气输送到还原气流，所述还原气流通过周向设置的多个端口流动通过轴向设置在所述共用周向气体注入集管内的导管，以形成奔忙气流；
其中所述共用周向气体注入集管包括：
周向氧气注入集管，所述周向氧气注入集管适于通过周向设置的所述多个端口将来自所述氧气源的所述氧气输送到所述还原气流；和
周向富集天然气注入集管，所述周向富集天然气注入集管适于通过周向设置的所述多个端口将来自所述富集天然气源的所述富集天然气输送到所述还原气流。
11.根据权利要求10所述的氧气注入方法，其中，所述周向氧气注入集管和所述周向富集天然气注入集管轴向地设置。
12.根据权利要求11所述的氧气注入方法，其中，所述周向富集天然气注入集管轴向地设置在所述周向氧气注入集管内。
13.根据权利要求12所述的氧气注入方法，其中，所述周向氧气注入集管包括：
周向设置的多个管，所述多个管适于被设置成穿过所述周向富集天然气注入集管；和
周向设置的多个喷嘴，所述多个喷嘴联接到周向设置的所述多个管，所述多个喷嘴适于与周向设置的所述多个端口配合。
14.根据权利要求13所述的氧气注入方法，还包括：
改变通过周向设置的所述多个管中的每一个的氧气流量。
15.根据权利要求13所述的氧气注入方法，还包括：
改变通过周向设置的所述多个端口中的每一个的富集气体流量。
16.根据权利要求13所述的氧气注入方法，其中，以摩尔/体积计，所述氧气与所述富集天然气的流量比为0.5至1.2。
17.根据权利要求10所述的氧气注入方法，还包括：
提供联接到所述氧气源的惰性气体吹扫装置。
18.根据权利要求10所述的氧气注入方法，还包括：
在所述共用周向气体注入集管的上游围绕所述导管周向地设置砖形孔口。
19.根据权利要求10所述的氧气注入方法，还包括：
提供另一个周向富集天然气注入集管，所述另一个周向富集天然气注入集管在所述共用周向气体注入集管的下游围绕所述导管设置，并且适于通过周向设置的额外的多个端口将来自所述富集天然气源的额外的富集天然气输送到所述还原气流。
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