CN116814886A - 氢冶金气基直接还原系统及工艺、工艺气体加热炉 - Google Patents

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CN116814886A CN202310798562.4A CN202310798562A CN116814886A CN 116814886 A CN116814886 A CN 116814886A CN 202310798562 A CN202310798562 A CN 202310798562A CN 116814886 A CN116814886 A CN 116814886A
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江华
陈奎
朱小辉
吴永红
张刚
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Abstract

本发明提供了一种氢冶金气基直接还原系统及工艺、工艺气体加热炉,氢冶金气基直接还原系统包括:氢冶金炼铁竖炉、加热炉、富氧燃烧器、工艺气体输送管路和二氧化碳循环管路,所述工艺气体输送管路至少部分布置于所述加热炉且其出口与所述氢冶金炼铁竖炉连通;所述富氧燃烧器安装于所述加热炉的底部以将燃烧的热量向布置于所述加热炉的所述工艺气体输送管路传递;所述二氧化碳循环管路的入口能够吸纳所述富氧燃烧器燃烧产生的烟气并将其输送至所述富氧燃烧器的燃烧气体入口,解决了氢冶金工艺气体加热炉中炉管内部易结焦析碳,炉管寿命较短,加热炉能耗高,碳排放量大的技术问题。

Description

氢冶金气基直接还原系统及工艺、工艺气体加热炉
技术领域
本发明涉及冶金装备的技术领域,尤其涉及一种氢冶金气基直接还原系统及工艺、工艺气体加热炉。
背景技术
氢冶金工艺气体加热炉对竖炉氢冶金工艺气体进行加热的工业炉窑设备,完成工艺气体的升温过程,以满足竖炉氢冶金内部炼铁反应所需要的高温。氢冶金的工艺载体为气基直接还原工艺,气基直接还原法因具有容积利用率高、热效率高、生产率高等优点而成为非高炉冶金工艺的主流技术,在所有直接还原铁(Direct Reduced Iron,简称DRI)产量中,气基直接还原占到90%以上。
典型氢冶金气基竖炉直接还原流程包括:竖炉内还原后的炉顶气经处理后的洁净气体重新进行气体管式加热炉加热至950℃,将温度提升至炼铁工艺反应温度,从氢基竖炉的中部吹入,从竖炉顶部排出,完成还原气体回路循环。
目前,加热炉中燃烧火焰温度分布不均,导致炉管内部结焦析碳,不利于加热炉长期稳定运行,对于炉管寿命造成影响;并且加热炉能耗高,碳排放量大,不利于节能减排。
发明内容
本发明的目的是提供一种氢冶金气基直接还原系统及工艺、工艺气体加热炉,以解决氢冶金工艺气体加热炉中炉管内部易结焦析碳,炉管寿命较短,加热炉能耗高,碳排放量大的技术问题。
本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现:
本发明提供一种氢冶金气基直接还原系统,包括:氢冶金炼铁竖炉、加热炉、富氧燃烧器、工艺气体输送管路和二氧化碳循环管路,所述工艺气体输送管路至少部分布置于所述加热炉且其出口与所述氢冶金炼铁竖炉连通;所述富氧燃烧器安装于所述加热炉的底部以将燃烧的热量向布置于所述加热炉的所述工艺气体输送管路传递;所述二氧化碳循环管路的入口能够吸纳所述富氧燃烧器燃烧产生的烟气并将其输送至所述富氧燃烧器的燃烧气体入口。
在优选的实施方式中,所述工艺气体输送管路包括位于所述加热炉内的加热段;
所述二氧化碳循环管路的入口设置于所述加热炉的顶部,所述富氧燃烧器燃烧产生的烟气在所述加热炉内流动并流入所述二氧化碳循环管路的入口。
在优选的实施方式中,所述二氧化碳循环管路包括烟气脱水装置。
在优选的实施方式中,所述二氧化碳循环管路连接有外排管路,所述外排管路设置于所述烟气脱水装置之后。
在优选的实施方式中,所述二氧化碳循环管路包括高温烟气循环风机,所述高温烟气循环风机设置于所述烟气脱水装置之前。
在优选的实施方式中,所述氢冶金气基直接还原系统包括文丘里引射混合装置,所述文丘里引射混合装置的出口与所述富氧燃烧器的燃烧气体入口连接,所述二氧化碳循环管路的出口与所述文丘里引射混合装置的入口连通。
在优选的实施方式中,所述文丘里引射混合装置包括输入氧气的中心射流管,所述二氧化碳循环管路的出口连接至所述中心射流管的外周。
本发明提供一种氢冶金气基直接还原工艺,采用上述的氢冶金气基直接还原系统,所述氢冶金气基直接还原工艺包括:
工艺气体通过所述工艺气体输送管路输送至所述氢冶金炼铁竖炉,在所述氢冶金炼铁竖炉中参与铁矿石的冶炼;
工艺气体在进入所述氢冶金炼铁竖炉之前被所述加热炉加热;
所述加热炉中燃烧产生的烟气至少部分被所述二氧化碳循环管路吸纳并被送回所述富氧燃烧器参与燃烧。
在优选的实施方式中,所述二氧化碳循环管路向所述富氧燃烧器燃烧输送的烟气与氧气混合后一起输送至所述富氧燃烧器的燃烧气体入口,混合气体中,氧气浓度介于25%~100%之间,二氧化碳浓度介于0~75%。
本发明提供一种富氧燃烧氢冶金工艺气体加热炉,应用于上述的氢冶金气基直接还原系统,所述富氧燃烧氢冶金工艺气体加热炉包括:加热炉、富氧燃烧器、工艺气体输送管路和二氧化碳循环管路,所述工艺气体输送管路至少部分布置于所述加热炉且其出口用于与所述氢冶金炼铁竖炉连通;所述富氧燃烧器安装于所述加热炉的底部以将燃烧的热量向布置于所述加热炉的所述工艺气体输送管路传递;所述二氧化碳循环管路的入口能够吸纳所述富氧燃烧器燃烧产生的烟气并将其输送至所述富氧燃烧器的燃烧气体入口。
本发明的特点及优点是:
富氧燃烧器燃烧产生的烟气中二氧化碳被二氧化碳循环管路送回至富氧燃烧器,并与其它燃烧气体混合一起参与燃烧,有利于减少富氧燃烧中的常规高温火焰区域,避免了炉内燃烧区温差过大,从而在富氧燃烧下,实现炉内温度场均匀加热,提高了工艺气体输送管路的炉管温度均匀性和管壁热流密度分布均匀性,避免炉管壁面温差过大,实现较为均匀的热流密度分布,从而减少炉管内部结焦析碳,提高炉管寿命;同时降低了加热炉碳排放。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的氢冶金气基直接还原系统一实施方式中的工作结构图;
图2为本发明提供的氢冶金气基直接还原系统又一实施方式的工作示意图;
图3为图1所示的氢冶金气基直接还原系统中的加热炉及二氧化碳循环管路的示意图。
附图标号说明:
1、氢冶金炼铁竖炉;
2、加热炉;
3、工艺气体输送管路;
30、加热段;
4、富氧燃烧器;
50、二氧化碳循环管路;51、外排管路;
5、高温烟气循环风机;6、烟气脱水装置;
7、中心射流管;
8、文丘里引射混合装置;81、文丘里管;
9、加热炉控制系统。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
方案一
本发明提供了一种氢冶金气基直接还原系统,如图1所示,该直接还原系统包括:氢冶金炼铁竖炉1、加热炉2、富氧燃烧器4、工艺气体输送管路3和二氧化碳循环管路50,工艺气体输送管路3至少部分布置于加热炉2且其出口与氢冶金炼铁竖炉1连通;富氧燃烧器4安装于加热炉2的底部以将燃烧的热量向布置于加热炉2的工艺气体输送管路3传递;二氧化碳循环管路50的入口能够吸纳富氧燃烧器4燃烧产生的烟气并将其输送至富氧燃烧器4的燃烧气体入口。
富氧燃烧器4燃烧产生的烟气中二氧化碳被二氧化碳循环管路50送回至富氧燃烧器4,并与其它燃烧气体混合一起参与燃烧,有利于减少富氧燃烧中的常规高温火焰区域,避免了炉内燃烧区温差过大,从而在富氧燃烧下,实现炉内温度场均匀加热,提高了工艺气体输送管路3的炉管温度均匀性和管壁热流密度分布均匀性,避免炉管壁面温差过大,实现较为均匀的热流密度分布,从而减少炉管内部结焦析碳,提高炉管寿命;同时降低了加热炉2碳排放。
在一实施方式中,工艺气体输送管路3包括位于加热炉2内的加热段30;二氧化碳循环管路50的入口设置于加热炉2的顶部,富氧燃烧器4燃烧产生的烟气在加热炉2内流动并流入二氧化碳循环管路50的入口,如图1和图3所示,富氧燃烧器4输出的燃烧气体在加热炉2内发生燃烧,产生的热量传递给加热段30以给加热段30内的工艺气体加热,燃烧产生的烟气在加热炉2内向上流动并进入到二氧化碳循环管路50。
如图1和图2所示,二氧化碳循环管路50包括烟气脱水装置6,燃烧完成后的烟气进入烟气脱水装置6除去水分,剩余的主要成份为二氧化碳。进一步地,二氧化碳循环管路50包括高温烟气循环风机5,高温烟气循环风机5设置于烟气脱水装置6之前,高温烟气循环风机5为烟气的输送和循环提供动力。
在一实施方式中,二氧化碳循环管路50连接有外排管路51,外排管路51设置于烟气脱水装置6之后。部分二氧化碳经外排管路51向外部输送,可以将二氧化碳捕获、压缩后,运输到选定的地点长期保存,实现二氧化碳封存;也可以将外排的二氧化碳作为化工原料直接参与化学反应过程,变废为宝,减少二氧化碳释放到大气中,利于节能降碳。
如图1和图2所示,对烟气进行H2O脱除后,利用烟气中剩余二氧化碳气体,进行针对氧气的掺混稀释,实现二氧化碳稀释,然后进入富氧燃烧器4内参与燃烧过程,减少了富氧燃烧中的常规高温火焰区域,可以实现无焰富氧燃烧。
富氧燃烧器4燃料来自天然气、混合煤气、竖炉炉顶气等气体或者上述气体的混合物;助燃物来自氧气和二氧化碳循环气的混合物。在一实施方式中,该氢冶金气基直接还原系统包括文丘里引射混合装置8,文丘里引射混合装置8的出口与富氧燃烧器4的燃烧气体入口连接,二氧化碳循环管路50的出口与文丘里引射混合装置8的入口连通,二氧化碳循环管路50中的二氧化碳通过文丘里引射混合装置8引射进入富氧燃烧器4参与燃烧循环。富氧燃烧器4的助燃物也可以采用空气与二氧化碳混合来助燃。
进一步地,文丘里引射混合装置8包括输入氧气的中心射流管7,二氧化碳循环管路50的出口连接至中心射流管7的外周。通过中心射流管7高速喷氧,二氧化碳循环管路50中的二氧化碳被引射进入富氧燃烧器4参与燃烧循环,提高了炉内烟气的辐射传热效率、改善炉温均匀性、降低加热炉2碳排放。如图1所示,文丘里引射混合装置8包括中心射流管7和文丘里管81。
富氧燃烧器4通过增加空气中的氧浓度进行助燃,以提高炉内传热效率,减少烟气排放量,降低加热炉2碳排放,富氧燃烧具有炉内传热效率高,烟气排放量小,具有节能和降碳的双重效果,提高了加热炉2的能效。
图1所示的氢冶金气基直接还原系统中,对烟气脱除水分后,将剩余二氧化碳的部分进行封存,部分通过高速喷氧和文丘里管81引射进入富氧燃烧器4参与燃烧循环,从而提高炉内烟气的辐射传热效率、改善炉温均匀性、降低加热炉2碳排放。
考虑到一般情况下,加热炉2内部包含耐高温合金炉管(即加热段30),工艺气在炉管内运行从低温加热到工艺要求的950℃高温,炉管平均热流密度达40000W/m2,进口管靠近火焰高温区处最高热流密度可达100000W/m2,因此炉管承受了较高的温度和温差,而耐高温合金炉管寿命随着温度提升而下降,随温差增加热应力也大幅增加。
图1所示的氢冶金气基直接还原系统可在富氧燃烧状态下实现温度场的均匀性,避免传统富氧燃烧火焰局部过高温度,从而保证炉管温度及热流的均匀性,进而抑制工艺气在炉管内局部过热结焦和析碳,从而保障炉管安全和寿命,解决了富氧燃烧下的温度分布均匀性,避免富氧燃烧时局部温度过高损坏炉管。通过无焰燃烧反应,使得富氧燃烧反应更加温和,燃烧过程缓慢,有别于传统应用于玻璃有色炉窑的富氧燃烧,因而温度场更加均匀,氮氧化物排放大幅度下降,同时能够为工艺气体输送管路3的加热段30提高均匀温度场,保证加热段30的温度分布和热流密度均匀性的提高,避免传统火焰加热方式由于火焰高温区域的存在以及火焰舔炉管的发生对炉管寿命的影响,同时减少炉管内部结焦析碳概率。
加热段30位于加热炉2内,经加热炉2的对流段和辐射段后,加热段30汇总与氢冶金炼铁竖炉1相连通,天然气、焦炉煤气、竖炉炉顶气等高氢工艺气体,则经加热段30进行逐步加热升温至950℃左右后,进入氢冶金炼铁竖炉1与竖炉内铁矿石发生还原反应,生成还原铁。富氧燃烧器4燃烧产生的高温烟气,经加热炉2的辐射段、对流段炉管传热后,温度降低,进入到二氧化碳循环管路50。
如图2所示,工艺气体在加热段30内进行加热,热量来自富氧燃烧器4燃烧反应生成的化学反应热。富氧燃烧器4燃烧完成后的烟气,经循环风机,进入烟气脱水装置6除去水分,剩余二氧化碳一部分进入封存系统或作为化工流程原料;一部分经文丘里引射混合装置8引射混合后,进入富氧燃烧器4参与燃烧,在加热炉2系统内部循环。
二氧化碳循环管路50中,烟气经高温烟气循环风机5进入烟气脱水装置6,所产生的的冷凝水排出系统;分离得到的二氧化碳一部分则通过碳捕集装置进行封存或进入下游化工流程,另一部分则通过氧气的高速喷吹而被吸附,进入文丘里引射混合装置8,形成氧气与二氧化碳的混合物,再经富氧燃烧器4与燃气发生无焰富氧燃烧。在一实施例中,该氢冶金气基直接还原系统包括加热炉控制系统9,上述过程由加热炉控制系统9进行自动控制,优选地,控制方式:低温启动时,采用常规火焰燃烧模式;待炉温达到正常工艺温度或者达到燃料自燃温度以上后,开启无焰富氧燃烧模式,以保证氢冶金工艺加热炉2安全稳定运行。
方案二
本发明提供了一种氢冶金气基直接还原工艺,采用上述的氢冶金气基直接还原系统,该氢冶金气基直接还原工艺包括:工艺气体通过工艺气体输送管路3输送至氢冶金炼铁竖炉1,在氢冶金炼铁竖炉1中参与铁矿石的冶炼;工艺气体在进入氢冶金炼铁竖炉1之前被加热炉2加热;加热炉2中燃烧产生的烟气至少部分被二氧化碳循环管路50吸纳并被送回富氧燃烧器4参与燃烧。
该氢冶金气基直接还原工艺中,富氧燃烧器4燃烧产生的烟气中二氧化碳被二氧化碳循环管路50送回至富氧燃烧器4,并与其它燃烧气体混合一起参与燃烧,有利于减少富氧燃烧中的常规高温火焰区域,避免了炉内燃烧区温差过大,从而在富氧燃烧下,实现炉内温度场均匀加热,提高了工艺气体输送管路3的炉管温度均匀性和管壁热流密度分布均匀性,避免炉管壁面温差过大,实现较为均匀的热流密度分布,从而减少炉管内部结焦析碳,提高炉管寿命;同时降低了加热炉2碳排放。
进一步地,二氧化碳循环管路50向富氧燃烧器4燃烧输送的烟气与氧气混合后一起输送至富氧燃烧器4的燃烧气体入口,混合气体中氧气浓度和二氧化碳浓度可根据实际需要控制比例调控。优选地,混合气体中,氧气浓度介于25%~100%之间,例如25%、35%、40%、52%、70%或100%;二氧化碳浓度介于0~75%,例如5%、10%、25%、35%、45%、60%、70%或75%,通过对氧气浓度和二氧化碳浓度进行调控,有利于保障比较高的燃烧效率,并可实现无氧富氧燃烧,使得炉内温度场均匀加热,提高了工艺气体输送管路3的炉管温度均匀性和管壁热流密度分布均匀性。
本发明提供的氢冶金气基直接还原工艺具有以下优点:
(1)加热炉2采用富氧燃烧,相对传统空气燃烧,管式炉热效率提升,炉内辐射传热效率增加,实现节能和减碳效果,实现氢冶金工艺气加热炉2的富氧燃烧,加热炉2内辐射传热效率提升,炉膛烟气排放量,随富氧浓度提升而大幅下降,实现较好的节能减碳效果
(2)无焰富氧燃烧器4在富氧燃烧下,实现炉内温度场均匀加热,炉管温度均匀性和管壁热流密度分布均匀性大幅提高,减少炉管内部结焦析碳,提高炉管寿命,同时无焰富氧燃烧避免了传统富氧燃烧局部温度过高的缺点,实现超低氮氧化物排放;实现氢冶金工艺气加热炉2无焰燃烧,即在较高富氧浓度的情况下,无常规高温火焰区域,避免了炉膛燃烧区温差过大,进而避免炉管壁面温差过大,实现较为均匀的热流密度分布,进而抑制炉管内工艺气由于加热不均匀和局部高温区形成的结焦和析碳,保证炉管寿命和工艺气加热炉2的长周期温度运行;富氧、无焰燃烧、二氧化碳循环等技术的结合,可实现氢冶金工艺气加热炉2的超低氮排放。
(3)将富氧燃烧烟气通过烟气脱水装置6除去烟气中的水分,一部分二氧化碳进入储存系统或进入其他化工流程作为原料;另一部分二氧化碳引射进入无焰富氧燃烧器4参与燃烧循环,实现温度均匀、低污染排放的无焰富氧燃烧,同时二氧化碳可提升炉内烟气辐射传热效率,改善炉内温度场均匀性,二氧化碳循环利用可降低氢冶金工艺气管式加热炉2的碳排放;
(4)实现加热炉2烟气干湿分离,实现烟气中二氧化碳的循环利用,减少加热炉2碳排放,同时二氧化碳循环利用可提高炉内辐射传热效率,保障无焰燃烧稳定性和炉温均匀性
(5)控制方式采用:低温启动时,采用常规火焰燃烧模式;待炉温达到正常工艺温度或者达到燃料自燃温度以上后开启无焰富氧燃烧模式,以保证氢冶金工艺加热炉2安全运行。
方案三
本发明提供了一种富氧燃烧氢冶金工艺气体加热炉,应用于上述的氢冶金气基直接还原系统,该富氧燃烧氢冶金工艺气体加热炉包括:加热炉2、富氧燃烧器4、工艺气体输送管路3和二氧化碳循环管路50,工艺气体输送管路3至少部分布置于加热炉2且其出口用于与氢冶金炼铁竖炉1连通;富氧燃烧器4安装于加热炉2的底部以将燃烧的热量向布置于加热炉2的工艺气体输送管路3传递;二氧化碳循环管路50的入口能够吸纳富氧燃烧器4燃烧产生的烟气并将其输送至富氧燃烧器4的燃烧气体入口。
该富氧燃烧氢冶金工艺气体加热炉工作时,富氧燃烧器4燃烧产生的烟气中二氧化碳被二氧化碳循环管路50送回至富氧燃烧器4,并与其它燃烧气体混合一起参与燃烧,有利于减少富氧燃烧中的常规高温火焰区域,避免了炉内燃烧区温差过大,从而在富氧燃烧下,实现炉内温度场均匀加热,提高了工艺气体输送管路3的炉管温度均匀性和管壁热流密度分布均匀性,避免炉管壁面温差过大,实现较为均匀的热流密度分布,从而减少炉管内部结焦析碳,提高炉管寿命;同时降低了加热炉2碳排放。
以上所述仅为本发明的几个实施例,本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种氢冶金气基直接还原系统,其特征在于,包括:氢冶金炼铁竖炉、加热炉、富氧燃烧器、工艺气体输送管路和二氧化碳循环管路,所述工艺气体输送管路至少部分布置于所述加热炉且其出口与所述氢冶金炼铁竖炉连通;所述富氧燃烧器安装于所述加热炉的底部以将燃烧的热量向布置于所述加热炉的所述工艺气体输送管路传递;所述二氧化碳循环管路的入口能够吸纳所述富氧燃烧器燃烧产生的烟气并将其输送至所述富氧燃烧器的燃烧气体入口。
2.根据权利要求1所述的氢冶金气基直接还原系统,其特征在于,
所述工艺气体输送管路包括位于所述加热炉内的加热段;
所述二氧化碳循环管路的入口设置于所述加热炉的顶部,所述富氧燃烧器燃烧产生的烟气在所述加热炉内流动并流入所述二氧化碳循环管路的入口。
3.根据权利要求1所述的氢冶金气基直接还原系统,其特征在于,
所述二氧化碳循环管路包括烟气脱水装置。
4.根据权利要求3所述的氢冶金气基直接还原系统,其特征在于,
所述二氧化碳循环管路连接有外排管路,所述外排管路设置于所述烟气脱水装置之后。
5.根据权利要求3所述的氢冶金气基直接还原系统,其特征在于,
所述二氧化碳循环管路包括高温烟气循环风机,所述高温烟气循环风机设置于所述烟气脱水装置之前。
6.根据权利要求1所述的氢冶金气基直接还原系统,其特征在于,
所述氢冶金气基直接还原系统包括文丘里引射混合装置,所述文丘里引射混合装置的出口与所述富氧燃烧器的燃烧气体入口连接,所述二氧化碳循环管路的出口与所述文丘里引射混合装置的入口连通。
7.根据权利要求6所述的氢冶金气基直接还原系统,其特征在于,
所述文丘里引射混合装置包括输入氧气的中心射流管,所述二氧化碳循环管路的出口连接至所述中心射流管的外周。
8.一种氢冶金气基直接还原工艺,其特征在于,采用权利要求1-7中任一项所述的氢冶金气基直接还原系统,所述氢冶金气基直接还原工艺包括:
工艺气体通过所述工艺气体输送管路输送至所述氢冶金炼铁竖炉,在所述氢冶金炼铁竖炉中参与铁矿石的冶炼;
工艺气体在进入所述氢冶金炼铁竖炉之前被所述加热炉加热;
所述加热炉中燃烧产生的烟气至少部分被所述二氧化碳循环管路吸纳并被送回所述富氧燃烧器参与燃烧。
9.根据权利要求8所述的氢冶金气基直接还原工艺,其特征在于,
所述二氧化碳循环管路向所述富氧燃烧器燃烧输送的烟气与氧气混合后一起输送至所述富氧燃烧器的燃烧气体入口,混合气体中,氧气浓度介于25%~100%之间,二氧化碳浓度介于0~75%。
10.一种富氧燃烧氢冶金工艺气体加热炉,应用于权利要求1-7中任一项所述的氢冶金气基直接还原系统,其特征在于,
所述富氧燃烧氢冶金工艺气体加热炉包括:加热炉、富氧燃烧器、工艺气体输送管路和二氧化碳循环管路,所述工艺气体输送管路至少部分布置于所述加热炉且其出口用于与所述氢冶金炼铁竖炉连通;所述富氧燃烧器安装于所述加热炉的底部以将燃烧的热量向布置于所述加热炉的所述工艺气体输送管路传递;所述二氧化碳循环管路的入口能够吸纳所述富氧燃烧器燃烧产生的烟气并将其输送至所述富氧燃烧器的燃烧气体入口。
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