CN1541132A - 从热气体中回收能量的方法 - Google Patents

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Abstract

从一种气体中回收能量的方法，所述气体具有一高于650℃的温度和大于1.7巴的绝对压力，并包括不固化的碱金属化合物和粒子，上述方法通过实施下列步骤：(a)用一种壳管式换热器(6)将气体冷却到一个低于550℃的温度，其中热气体在壳体侧处通过，而冷却水在管侧处通过，其中形成蒸汽，从所述蒸汽中回收能量，(b)利用一个或多个按顺序安装的离心分离装置(7、8)将粒子与气体分离开，以使粉尘含量低于400mg/Nm3，(c)在一个膨胀器(13)中使气体膨胀，以便回收能量。

Description

从热气体中回收能量的方法
一种从气体中回收能量的方法，上述气体具有高于650℃的温度和大于1.7巴的绝对压力，并包括固体和还未固化的含碱金属的化合物和粒子二者。这种气体是例如在最近开发的连续炼铁和炼钢法，如HI熔炼法中产生。
钢是一种含低于约190碳和常见其它含金元素的铁基合金。钢目前是由高炉生铁(“热铁水”)，DRI(直接还原的铁)和废钢铁制造。DRI，也叫做海绵铁，通过铁矿石的固态直接还原生产。
成批炼钢的副产品焦炉、连续炼铁的高炉及成批炼钢炉的常规独立单元操作在过去一百年里在钢铁工业中占主导地位。除了在所用设备的尺寸和效率方面的重要增加之外，在这段时间里只有两个主要的变化：无处不在的应用工业氧丰富或取代工艺用风，及使用经过造块、热熔烧的高品位铁精矿来补充或取代天然的大块铁矿石。
近年来，由于难以负担的投资费和操作费的日益有力的使人信服的理由，及由于环境保护的需要，在连续炼铁和炼钢法的研究开发方面已有了急剧的增加。这种熔炼还原方法例如在US-A-5891214、US-A-5759495和US-A-5060913中已有介绍。煤基COREX连续炼铁法在工业上操作，但它依赖于大块富铁给料和依赖于用来大量输出它产生的煤气的令人满意的市场。目前，领先的初期连续法是例如称之为HIsmelt、DIOS、和Romelt(商标)的方法。所有这些方法都致力于炼铁，它们克服了高炉法的缺点。这些新方法是高强度、煤基、处理铁矿粉的熔池熔炼方法。
供给到HIsmelt的氧主要是预热到1200℃的空气。铁矿粉、煤和熔剂是用氮作为载气底部喷吹式。穿过一个炉顶风口喷射一种高速、高质量流、热鼓风。熔池高度湍动，而且所产生的金属和炉渣在外部分离。比较短的、水平熔炼炉横断面是圆形。它的废气转到一个循环流化床，以便在下游进一步使用之前捕集夹带的液滴和粉尘。DIOS法包括一个循环流化床，预还原炉，上述预还原炉连接到类似于高L-D氧气顶吹转炉的熔炼炉上。炉料由部分还原的细铁矿、煤、氧和熔剂组成。炉子采用氮进行底部搅动式，并且在2个大气压计下操作。Romelt法应用埋入式喷吹富氧空气，用于熔炼铁矿粉，所述铁矿物与煤一起直接加入一个大体积、猛烈喷溅流体的渣池中。
上述各方法将产生很大体积的热气体，所述热气体含有一氧化碳、氢、粉尘和各种化合物，它们本来就在铁矿石和煤中存在。这些污染物的例子是碱金属的化合物如钠和钾的化合物。这些化合物在高于775℃的温度下是液态或气态。在较低的温度下，这些碱金属化合物将冷凝，并且随后固化到工艺设备的表面和气体中存在的粉尘粒子上。碱金属化合物可以例如以NaCl、KCI、Na2CO3和K2CO3的形式固化。这种冷凝和固态盐的形成使它难以正好简单地冷却气体和回收热量。处理热气体的方法是通过在蒸发水的情况下冷却。这种方法的优点是，在碱金属化合物可能造成任何下游工艺设备的任何结垢之前，把碱金属化合物作为一种水溶液回收。缺点是也含有粉尘和可能的煤粒子的水溶液必须在它能处置到环境中之前进行处理。另外这种方法不是回收热气体中能量的有效方法。
因此需要有一种方法，其中热气体的温度可以大大降低，而同时减少与碱金属化合物固化作用有关的问题。本发明提供了一种方法，其中克服了上述问题，并且能量以一种更有效的方式回收。
下面的方法达到了这个目的。方法通过实施下面步骤回收一种气体中的能量，所述气体具有高于650℃的温度和大于1.7巴的绝对压力，并包括含不固化的碱金属化合物和粒子：
(a)利用一种管壳式换热器将气体冷却到低于550℃的温度，其中热气体在壳体侧处通过，而冷却水在管侧处通过，其中形成蒸汽，从上述蒸汽中回收能量，
(b)利用一个或多个按顺序安装的离心分离装置将粒子与气体分开，以使粉尘含量低于400mg/Nm3，
(c)使气体在膨胀器中膨胀以便回收能量。
在步骤(a)中所用的热气体将具有一高于650℃，特别是高于800℃的温度。上限温度可以是1000℃。热气体的压力将高于1.7巴，和更优选的是高于1.9巴绝对压力(bara)。这个最小压力要求在步骤(c)中达到足够的能量回收。绝对压力可以高达40bara。热气体将含有固体粒子。当热气体是在如上所述的连续炼铁法中得到时，这些固体粒子可以例如是烟垢和灰分。本方法最适合于从一种包括大于0.5g/Nm3粒子的热气体开始使用。优选的是热气体含有大于5g/Nm3粒子。这对达到流过(a)步骤的管壳式换热器的气体最小自动净化作用是有利的。对热气体中存在的粒子量没有实际的上限。如在上述涉及连续炼铁法中所得到的合适热气体通常具有粒子含量低于100g/Nm3。
热气体将还包括碱金属化合物。不固化的碱金属的典型例子是钠和钾。钠含量优选的是在0.02-0.08体积％之间，而钾含量优选的是在0.02-0.1体积％之间。如果热气体是在不完全燃烧的条件下得到，则热气体还含有一氧化碳和氢。一氧化碳的含量可以是占热气体的10和30体积％之间。氢含量可以是在5和15体积％之间。具有上述组成的热气体的例子是如上述涉及熔炼还原法、象例如COREX法、HIsmelt法、DIOS法、和Romelt法中所得到的烟道气。
现已发现，通过使用步骤(a)的管壳式换热器，足够的温度降低是可能的，而同时由于碱金属化合物的固化作用，避免了换热器的结垢。由于气体在换热器的壳体侧处流动，所以尽可能多地避免结垢。管壳式换热器优选的是设计成具有比较大的换热表面。在使用中气体将以一个比较低的气体速度流过换热器的壳体侧。现已发现，一部分结垢通过来自热气体中存在的粒子的自动净化能力从换热器的表面除去。不过预料到某些结垢还存在，并因此换热管的表面将必需通过优选的是用机械振动器净化。这类振动器的实例已在DE-A-2710153和EP-A-254379中作了介绍。
优选的管壳式换热器包括一个膜壁，所述膜壁具有例如一种管状或矩形象盒子一样的形状。膜壁优选的是设置在一个细长的容器中。膜壁的管件优选的是平行于上述壁细长的侧边延伸。细长的膜壁是在无论哪一侧处开口，供气体进入和离开由上述膜壁所包围的空间的内部部分。这个内部空间设置多个换热管。这些换热管在它们的外部处以成组的方式相互连接，并这样设置在上述内部空间中，以便存在多个用于热气体通路的通道。这些通路优选的是平行于膜壁的细长壁延伸。例如，当用一种管状膜壁时，各内部管可以安装在多个由成组螺旋管所形成的同心管状体中。一个管状体组中的各管可以合适地相互连接。用于热气体的通路将是上述各管的管状体组之间的环形空间。当使用细长的矩形象盒子一样的膜壁时，各组相互连接的管可以是平行设置在象盒子一样空间中的平管壁。因而用于热气体的通路将具有一细长的象盒子一样的形状。优选的是每组管和膜壁都设置一个独立的振动器装置。由于每个单独管组的各管都是相互连接，所以可以限制净化每组的振动器装置数。
冷却水优选的是逆流穿过不同组中各管流动和穿过各膜壁管流动，该冷却水与热气体一起流动。也可以用若干组管来进一步加热饱和蒸汽，以便得到过热蒸汽。
可以在步骤(a)中找到应用的一些合适换热器的例子已在EP-A-342767中作了介绍。更优选的是采用一种换热器，其中上面涉及的各气体通路以这种方式安排，以便在运行时，使流过上述气体通路的气体速度保持基本上恒定不变。现已发现，只有一个小的气体速度范围，在所述小气体速度范围中气体一方面具有足够的自动净化作用来减少结垢，而另一方面具有最小的设备腐蚀作用。通过在下游方向上减小换热器中气体通路的截面积，可以在上述通路中保持基本上恒定不变的气体速度。具有这种减小了气体通路的一种优选换热器的例子在EP-A-722999中已作了介绍，其公布内容已包括在本文中作为参考。
在步骤(a)中，把温度降到一个低于550℃和优选的是低于520℃的温度。由于在这些低温下大多数不固化的碱金属化合物作为固体存在，所以不必将温度降到很低的水平。从能量回收的观点来看，优选的是气体离开步骤(a)时的温度为至少500℃。可以用一汽轮机从蒸汽或任选地过热蒸汽中回收能量。
在步骤(b)中，可以用一个或多个按顺序安装的离心分离装置，将固体粒子从气体中除去，以便使粉尘含量低于400mg/Nm3。这些固体粒子将包括固化的碱金属化合物和热气体中原本存在的粉尘。如在步骤(b)中所得到的气体中粉尘含量优选的是低于350mg/Nm3，而更优选的是低于280mg/Nm3。除了这个要求之外，粗粉尘亦即平均直径大于10微米的粒子的量优选的是低于5mg/Nm3，而更优选的是低于2mg/Nm3。粉尘含量在步骤(a)中必需降低，以防如在步骤(c)中所用的膨胀汽轮机腐蚀。
在步骤(b)中优选使用的离心分离器可以是任何已知的分离器，上述已知的分离器利用离心力使固体与气体分离，并要求把粉尘的含量降到所希望的水平。优选的是在步骤(b)中分离是用一种旋风除尘分离器进行，更优选的是用一种所谓的轴向入口旋风除尘器进行。这种旋风除尘器包括两个同心管，内管用作一个气体出口和涡流定向器，而外管用作涡流室，其中粒子保持离心力贴着壁并远离涡流。利用位于内管和外管之间的旋流叶片把切向速度赋予气体进料。内管部分地从上面突出外管。固体在外管的下端处除去。优选的是分离器包括多个这样的管，所述这些管并联工作。这些分离器的一些实例是众所周知的，并且在例如GB-A-1411136中已作了介绍。一个工业实例是如例如在HydrocarhonProcessing(碳氢化合物加工)，1985年1月51-54页中所说明的壳式第三级分离器。这些分离器的变动如Perry在图20.98中的一个图所示(见下面)。如果在离开步骤(a)的热气体中粒子的含量高于1g/Nm3和特别是高于10g/Nm3，则优选的是在将气体送入如上所述的分离器之前进行预分离。这种初步分离优选的是利用一种标准切向入口旋风除尘器进行，上述切向入口旋风除尘器象例如在Perry的化学工程师手册，第5版，1973，McGraw-Hill Inc.，20-83-20-85页中所介绍的。粒子的含量优选的是降到低于1g/Nm3。
在一个优选实施例中，将其中一部分或全部比较粗的粒子再循环到方法中，特别是再循环到上述熔炼还原法中，上述比较粗的粒子可以包括可燃性材料，并且它们在上述步骤(b)的初步分离中与气体分开，而上述方法产生热气体。较小的粒子，如例如用壳式第三级分离器在步骤(b)的最后分离步骤中所分离的，将含有比粗粒子多的碱金属沉积物。有利的是这些较小粒子不再循环到上述方法。因此得到一种方法，其中不会发生碱金属化合物的累积，而同时由该方法在步骤(b)中所产生的净固体量减至最少。
在步骤(c)中，气流进入一个动力回收膨胀器并减压，同时将从气流回收的能量用于有用的工作如驱动一个压缩机或发电。通常应用一个旁路系统以防膨胀器的速度过大，上述旁路系统使气流绕动力回收膨胀器转向。这些系统在例如US-A-777486和US-A-3855788中已作了介绍。为实施本发明所要求的动力回收膨胀器和别的设备不是专用的，而是市场上可买到的。
如果按照本发明所述方法的进料气体是一氧化碳，则优选的是实施一个附加步骤(d)。步骤(d)包括将一氧化碳燃烧成二氧化碳。含CO气体的燃烧通常是在所控制的条件下，于一个独立的所谓CO锅炉或燃烧装置中进行，上述CO锅炉或燃烧装置充以空气并连续地供给含CO的气体。CO锅炉可以装配成接收至少一种别的燃料，所述至少一种别的燃料在起动时使用，或者更普遍的是补充烟道气的燃料值。这些方法是众所周知的。另一些例子在US-A-2753925中已作了介绍，其中在产生高压蒸汽时应用从含CO气体燃烧中所放出的热能。
图1示出本发明的一个优选实施例。图1示出一种熔炼还原法反应器(1)，煤、铁矿石(2)和含氧气体(3)送入上述反应器(1)中。铁通过(4)回收，并产生一种烟道气(5)。热的烟道气通过架空管道(5)和通过一个管壳式换热器(6)、一个粗加工旋风除尘器(7)导入容器(8)，所述容器(8)包括多个轴向入口的旋风除尘分离器(9)。在热交换器(6)中，产生蒸汽并通过(10)排放到能量回收设施，所述能量回收设施可以是一种汽轮机。把在粗加工旋风除尘器(7)中分离出来的粒子通过(11)再循环到反应器(1)中。在容器(8)中分离出来的细的含碱金属化合物的粒子通过(12)排放。将固体稀少的热气体送入膨胀器(13)以便产生能量(E)。将包括一氧化碳的气体送入一个CO锅炉(14)，其中能量(E)在(15)中回收。

Claims (18)

1.一种从气体回收能量的方法，所述气体具有一高于650℃的温度和大于1.7巴的绝对压力，并包括不固化的含碱金属的化合物和粒子，上述方法通过实施下列步骤：
(a)用一种管壳式换热器将气体冷却到一个低于550℃的温度，其中，热气体在壳体侧通过，而冷却水在管侧通过，其中形成蒸汽，从所述蒸汽中回收能量，
(b)利用一个或多个按顺序安装的离心分离装置将粒子与气体分离开，以使粉尘含量低于400mg/Nm3，
(c)在一个膨胀器中使气体膨胀，以回收能量。
2.按照权利要求1所述的方法，其中，在步骤(a)中所用的热气体具有一高于800℃的温度。
3.按照权利要求1-2其中之一所述的方法，其中，热气体包括高于0.5g/Nm3的粒子。
4.按照权利要求3所述的方法，其中，热气体含有高于5g/Nm3的粒子。
5.按照权利要求1-4其中之一所述的方法，其中，热气体含有在0.02-0.08体积％之间的钠和在0.02-0.1体积％之间的钾。
6.按照权利要求1-5其中之一所述的方法，其中，在热气体中一氧化碳的含量在10和30体积％之间，上述热气体中的氢含量在5和15体积％之间。
7.按照权利要求1-6其中之一所述的方法，其中，在步骤(a)中的壳管式换热器包括一个膜壁，所述膜壁设置在一个细长的容器中，上述细长的膜壁在无论哪一侧处开口，供气体进入和离开由上述膜壁所包围的空间内部部分，所述内部空间设置多个换热管，上述换热管在它们的外部以成组的方式相互连接，并设置在上述内部空间中，以便存在多个用于热气体通路的通道，上述各通路平行于膜壁的细长壁延伸。
8.按照权利要求7所述的方法，其中每组管和膜壁都设置有一个独立的振动器装置。
9.按照权利要求7-8其中之一所述的方法，其中冷却水穿过不同组的各管逆流流动，和用热气体穿过膜壁的各管流动。
10.按照权利要求7-9其中之一所述的方法，其中气体通路以这种方式安排，以便在运行时，流过上述气体通路的气体速度保持基本上恒定不变。
11.按照权利要求1-10其中之一所述的方法，其中温度在步骤(a)中降到在500到520℃之间的一个温度。
12.按照权利要求1-11其中之一所述的方法，其中如在步骤(b)中所得到的气体中粉尘含量低于280mg/Nm3。
13.按照权利要求1-12其中之一所述的方法，其中如在步骤(b)中所得到的气体中具有平均直径大于10微米的粒子含量低于5mg/Nm3。
14.按照权利要求1-13其中之一所述的方法，其中在步骤(b)中的分离是利用一个轴向入口式旋风除尘器进行。
15.按照权利要求14所述的方法，其中如果在离开步骤(a)的热气体中粒子的含量大于1g/Nm3，则在步骤(b)中进行预分离，及其中上述预分离在一个切向入口旋风除尘分离器中进行。
16.按照权利要求15所述的方法，其中热气体是在熔炼还原法中得到，并且在上述预分离中所分离出来的物料再循环到上述熔炼还原法中。
17.按照权利要求1-16其中之一所述的方法，其中当如在步骤(c)中所得到的气体包括一氧化碳和氢时，实施一个步骤(d)，上述步骤(d)包括将一氧化碳燃烧成二氧化碳。
18.按照权利要求1-17其中之一所述的方法，其中热气体是从一种用来连续制钢的熔炼还原法中得到。
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