CN1434132A - 整体高炉联合循环方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于冶金和能源领域，主要涉及高炉炼铁、发电和制氧。本发明整体高炉联合循环方法，是在高炉炼铁系统中集成了制氧系统和联合循环发电系统。由高炉炼铁产生的煤气经除尘、降温和压缩后，进入燃气轮机的燃烧室燃烧，燃烧产生的高温气体膨胀、推动燃气轮机做功，带动发电机发电，燃气轮机排出的高温废气及热风炉的燃烧废气进入余热锅炉，所产生的蒸汽推动蒸汽轮机做功，带动发电机发电；燃气轮机系统同轴驱动的空气压缩机为高炉鼓风、制氧等提供压缩空气，制氧系统产生的氧气混入到高炉鼓风中，使高炉实现富氧鼓风，如此，高炉炼铁、联合循环发电和制氧形成互动的多联产流程。
Description
技术领域
本发明属于冶金和能源领域，主要涉及高炉炼铁、发电和制氧。
背景技术
虽然国际上在开发非高炉炼铁工艺上已经取得一定的成绩，但根据冶金专家们的预测，在今后很长一段时间内，高炉仍将在炼铁生产中起主导作用。以富氧喷煤和精料为代表的高炉技术的不断进步，使高炉的地位更加巩固。
为了节约宝贵的焦煤资源和减少炼焦过程中对环境的污染，国际上高度重视高炉富氧喷煤技术的开发和推广，但实际生产操作中，鼓风含氧量一般小于24％，甚至不富氧，而是通过提高鼓风温度来增加喷煤量，主要原因是高炉富氧所带来的效益难以抵消较高的制氧成本。高炉热风炉的主要燃料是高炉煤气，其消耗的煤气量约占高炉煤气总量的50％左右，因此通过提高鼓风温度来增加喷煤量是以消耗更多高炉煤气为代价的。目前高炉的最高鼓风温度已经超过1200℃，继续提高的空间已经很小，因此，通过提高风温来增加喷煤量的潜力已经很有限了(尹建威，《钢铁》，2002，37(11)：9-12)。
此外，传统的高炉操作制度追求尽可能高的炉身煤气利用率，既使尽可能多的煤气还原成分(CO，H2)参加还原反应，以便降低高炉单位生铁的燃料消耗。因此，随着高炉技术的进步，高炉炼铁的成本不断下降，同时，高炉外供煤气量和煤气的热值也不断降低。由此可见，现有高炉技术难以同时兼顾生产高品质煤气和铁水，高炉冶炼指标的提高和铁水成本的降低是以减少外供二次能源为代价的。
众所周知，高炉炼铁是钢铁生产中能耗最高的工序，耗能量占钢铁生产总耗能量的35％左右，国内钢铁企业已经注意到炼铁工序二次能源合理利用的重要性。高炉煤气发电、高炉煤气余压回收(TRT)、高炉热风炉余热回收等节能技术已经被广泛采用，但是，这些技术的应用互相独立，缺乏统一规划，未能突破高炉以降低吨铁能量消耗为目标的禁锢，未能改变高炉以铁为中心的面貌(赵沛，蒋汉华，《钢铁冶金能源技术分析》北京：冶金工业出版社，2002)。
近来，国际上开发了整体煤气化联合循环(IGCC-IntegratedGasification Combined Cycle)，它是将煤气化技术和高效的联合循环发电技术相结合，其结果是煤的发电效率显著提高，SOX和NOX的排放大幅度减少，其缺点是发电成本偏高，难以大面积推广(段立强，林汝谋，金红光，蔡睿贤。《燃气轮机技术》，2000，13(3)：9-17)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种将高炉炼铁、制氧和联合循环发电集成为一体，并互动循环，使其成为更高效的和清洁的炼铁和发电的整体高炉联合循环方法，也称为整体高炉联合循环(Integrated Blast Furnace CombinedCycle，简称IBFCC)。
该方法贯彻了能量梯级利用原则和总能系统的概念。
在高炉炼铁过程中，除了产生铁水和炉渣以外，还会产生大量煤气(每生产1吨铁水能产生2吨以上的煤气)，这些煤气除一部分用于热风炉燃烧外，其它的输入到联合循环发电系统用于发电，联合循环发电系统在发电的同时还驱动空气压缩机，为制氧和热风炉燃烧提供压缩空气，制氧机产生的氧气通过高炉送风系统进入高炉，这样就形成高炉、联合循环发电和制氧互动的良性的多联产系统和流程。具体描述如下：
本发明整体高炉联合循环方法的工艺流程图如附图1所示，图中除已标明的文字外，1为高炉，2为热风炉，3为中温除尘，4为冷却器，5为燃气轮机燃烧室，6为煤气压缩机，7为空气压缩机，8为燃气轮机，9为蒸汽轮机，10为发电机，11为余热回收锅炉，12为冷凝器，13为冷却塔，14为制氧机，15为高炉送风管道。它们之间的连接关系如图中连线和箭头所示。具体的工艺流程为：
高炉1产生的粗煤气经中温除尘3除尘后成为洁净煤气，除尘后煤气含尘量要求小于5mg/Nm3，除尘灰通过喷吹系统返回高炉，而洁净煤气经冷却器4冷却降温降至100℃以下，之后一部分煤气被送入热风炉2用于预热高炉鼓风，其余的煤气进入煤气压缩机6，使洁净煤气压缩到合适的压缩比1.5～2MPa，接着，压缩的煤气进入燃气轮机燃烧室5，与由空气压缩机7压进的空气进行混合、燃烧，燃烧生成的高温高压气体膨胀，推动燃气轮机8做功，带动发电机10发电。
燃气轮机8排出的高温废气以及热风炉燃烧废气进入余热回收锅炉11，冷却器4的冷却水和余热回收锅炉的供水系统连接，余热回收锅炉11产生的蒸汽，推动蒸汽轮机9做功，进而带动发电机10发电。即余热回收锅炉不仅负责回收燃气轮机排出的高温废气的显热，同时负责回收高炉热风炉燃烧废气和炉顶煤气的显热。燃气轮机8排出的高温废气温度为500-600℃，热风炉的燃烧废气温度为400-500℃。
燃气轮机8在运行时，同轴驱动空气压缩机7和煤气压缩机6，空气压缩机7为高炉鼓风、制氧机14制氧、热风炉2燃烧和燃气轮机燃烧室的燃烧提供所需的压缩空气。制氧机14产生的氧气进入高炉送风管道15中，和热风混合后进入高炉，使高炉鼓风中的含氧量达到30％以上。相应地高炉鼓风温度可控制在800℃以下。
高炉鼓风富氧率的提高可以改善于高炉风口回旋区的燃烧条件，为此可在高炉风口喷吹熔剂，另一方面，提高理论燃烧温度，一般认为鼓风富氧率每提高1％，理论燃烧温度可以增加50℃。因此，通过富氧鼓风可以使高炉风口接受更多的物料喷吹(包括溶剂)。另一方面，富氧鼓风还可以减少炉身煤气中N2的含量，促进高炉块状区的还原反应。
随着高炉鼓风中含氧量的提高，冶炼每吨铁所需要的鼓风量减少。因此，在富氧鼓风条件下，当高炉保持和无富氧鼓风时相同的鼓风流量时，高炉的产铁量可以增加，由此可见，富氧鼓风是提高高炉冶炼强度的有效手段。
本发明中采用空气压缩机7向高炉鼓风，因此高炉可以得到更高的操作压力，炉顶压力一般可以超过0.4MPa。经验表明，高炉炉顶压力每提高0.01MPa，冶炼强度提高约1.1％。高炉高压操作可以减少煤气速度，降低料床的压力损失，有利于高炉顺行。此外，高压操作可以减少煤气中温除尘系统的过滤面积，改善煤气降温系统的工况条件。
为了保证炉顶设备的正常运行，要求高炉炉顶粗煤气的温度控制在400℃以下。采用本发明所述的方法，高炉鼓风中含氧量要求在30％以上，鼓风温度在800℃以下，喷煤量可大于250kg/t铁水，高炉炉顶压力大于0.4MPa，高炉利用系数≥5.0(t/day.m3)，可以提高50％以上，发电量可以超过1000kWh/t铁水。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、高炉既是炼铁炉也是造气炉，因此，可大大降低建设和维护费用。在整体煤气化联合循环(IGCC)流程中，煤气化部分的投资占电站总投资的42～47％。
2、由于采用富氧鼓风和高压操作，高炉的产铁效率显著提高，可以提高50％以上。
3、整体高炉联合循环可以大大降低发电和制氧成本，整体综合经济效益大大提高。
4、炉煤气出口温度较低(一般低于400℃)，远低于整体煤气化联合(IGCC)中造气岛煤气的出口温度(700～1500℃)，因此，容易采用采用中温除尘技术，同时煤气显热回收系统可以简化。
5、钢铁企业本身也是用电大户，一般需要建自备电厂，本发明所产生的电力很大一部分可以就地消化。
6、与整体煤气化联合循环(IGCC)比较，本发明可以省掉煤气脱硫工艺。因为高炉具有很强的造渣脱硫能力，一般认为脱硫率可以达到90％以上，煤气带走的硫很少。这主要得益于硫在高炉内的循环现象，即从煤和焦碳中生成的硫化物在随煤气上升过程中，会被炉料吸收并带到高炉下部，最终被炉渣和铁水吸收。
7、由于高炉鼓风温度控制在800℃以下，故热风炉系统的装备可以简化，对耐火材料材质的要求也可以低些，这些因素致使投资和成本可减少。
8、由于用燃气轮机系统同轴驱动的空气压缩机提供高炉的鼓风，不仅提高了能源利用效率，而且鼓风的压力提高，使高炉保持更高的炉顶压力，有利于高炉炼铁和造气的强化和煤气处理系统的简化。
附图说明
附图1为本发明整体高炉联合循环方法的工艺流程图。
图中除已标明为文字外，1为高炉，2为热风炉，3为中温除尘，4为冷却器，5为燃气轮机燃烧室，6为煤气压缩机，7为空气压缩机，8为燃气轮机，9为蒸汽轮机，10为发电机，11为余热回收锅炉，12为冷凝器，13为冷却塔，14为制氧机，15为高炉送风管道。它们之间的连接关系如图中连线和前头所示。
实施例
采用本发明所述的方法，在300立方米的高炉及其附图1所示的相应配套装置上，根据其工艺流程，进行了3次整体高炉联合循环试验，即高炉铁炼、燃气和蒸气联合循环发电、以及制氧同时进行，互动循环。高炉炼铁所产生的粗煤气的成分、煤气量及煤气出口温度如表1所示。粗煤气经中温除尘后成为洁净煤气，随即进行冷却降温，除尘后煤气的含尘量和冷却降温后煤气的温度列入表3中。洁净煤气降温后，一部分进入热风炉，另一部分则进入煤气压缩机，接着进入燃气轮机燃烧室进行燃烧，高温高压燃气膨胀，推动燃气轮机做功，进而带动发电机发电，燃气轮机排出的高温废气和热风炉的燃废气同时进入余热回收锅炉，所产生的蒸汽推动蒸气轮机做功，带动发电机发电。燃气轮机排出的高温废气的温度和热风炉燃烧废气的温度也列入表3中。燃气轮机在运行的同时，驱动煤气压缩机和空气压缩机，而空气压缩机则为制氧机、高炉鼓风和热风炉等提供所需的压缩空气。制氧机制备的氧气随高炉鼓风进入高炉中，与此同时，向高炉喷吹煤粉，高炉鼓风中的含氧量、高炉鼓风风温、喷煤量及炉顶压力等高炉操作参数如表2所示，高炉产铁量和燃气轮机及蒸汽轮机联合循环发电量也列入表2和表3中。
表1粗煤气成分、温度和流量序 煤气量NM3/T 炉顶煤气 煤气成分，VOL％号 铁水 温度℃ CO CO2 N2 H21 2020 298 30.9 20.8 44.2 4.12 2011 300 32.2 20.1 42.9 4.83 2007 289 34.7 21 39.2 5.1
表2高炉操作参数序 鼓风含氧量 鼓风温度 喷煤量 炉顶压力 利用系数号 vol％ ℃ kg/t铁水 MPa t/day.m31 30％ 798 267 0.42 5.112 31％ 760 277 0.43 5.33 33％ 720 290 0.42 5.5
表3煤气处理和发电系统操作参数序 洁净煤气含尘量 冷却后煤气温 燃机废气温度 余热锅炉废气温 发电量号 g/Nm3 度℃ ℃ 度℃ kWh/t铁水1 4.4 82 570 86 10202 4.6 88 567 87 11003 4.2 90 560 89 1200
Claims (10)
1、一种整体高炉联合循环方法，其特征在于在高炉炼铁系统中集成了制氧系统和联合循环发电系统，即该方法包括炼铁、发电和制氧。
①由高炉炼铁(1)产生的粗煤气经中温除尘(3)后成为洁净煤气，洁净煤气经冷却器(4)冷却降温降至小于100℃，随后一部分煤气进入热风炉(2)，其余的进入煤气压缩机(6)，使洁净煤气压缩到合适的压缩比1.5～2MPa，接着进入燃气轮机系统的燃烧室(5)，与由空气压缩机(7)压进的空气混合燃烧，燃烧生成的高温高压气体膨胀，推动燃气轮机(8)做功，带动发电机(10)发电；
②燃气轮机(8)排出的高温废气以及热风炉(2)的燃烧废气进入到余热回收锅炉(11)，余热回收锅炉(11)所产生的蒸汽，推动蒸汽轮机(9)做功，带动发电机(10)进行发电，冷却器(4)用余热回收锅炉的给水作为冷却介质；
③燃气轮机系统同轴驱动空气压缩机(7)和煤气压缩机(6)，空气压缩机(7)为高炉鼓风、制氧机(14)制氧、热风炉烧炉和燃气轮机燃烧室(5)燃烧提供所需要的压缩空气；
④制氧机(14)产生的氧气在热风炉(2)后进入高炉送风管道(15)中，使高炉鼓风的含氧量达到30％以上。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于中温除尘(3)所产生的除尘灰通过煤粉喷吹系统返回高炉。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于高炉产生的粗煤气温度要求小于400℃。
4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于粗煤气经中温除尘后，煤气含尘量要求小于5mg/Nm3。
5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于燃气轮机(8)排出的高温废气温度为500-600℃，热风炉(2)的燃烧废气温度为400-500℃。
6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于高炉鼓风温度控制在800℃以下。
7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于高炉炉顶操作压力大于0.4MPa。
8、根据权利要求1所述的方法，其特征在于高炉风口可以喷吹溶剂。
9、根据权利要求1所述的方法，其特征在于余热回收锅炉不仅负责回收燃气轮机排出的高温废气的显热，同时负责回收高炉热风炉燃烧废气和炉顶煤气的显热。
10、根据权利要求1所述的方法，其特征在于燃气轮机系统同轴驱动的空气压缩机为高炉提供鼓风。
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