TWI497017B - 鼓風爐設備及其回收能量的方法 - Google Patents

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Description

鼓風爐設備及其回收能量的方法
本發明總體上涉及鼓風爐設備(blast furnace plant)內的氣體處理，且更具體地，涉及在膨脹渦輪機內從爐頂氣中回收能量。
如所公知的，氣體在鼓風爐(BF)操作中扮演著重要角色。首先，氣體主流是在鼓風爐的爐腹區與爐膛區之間的過渡處被吹動並將與爐料(鐵礦石、焦炭、熔劑等)作用的氣流(或“鼓風”)。在鼓風氣流到達鼓風爐風口之前，其在通過再生爐(也就是考珀式爐(Cowper))時被預熱，再生爐通常是通過燃燒鼓風爐廢氣被加熱的。在考珀式爐上游吸入的環境空氣形成“冷鼓風(cold blast)”，而考珀式爐下游的被預熱的鼓風被稱為“熱鼓風”。
鼓風爐中的其他主要氣流是在爐頂離開鼓風爐的氣體，也就是“爐頂氣”或“鼓風爐氣”，該氣體是鼓風爐的副產物，是在鐵礦石被焦炭和/或其他燃料還原為金屬鐵時產生的。鼓風爐爐頂氣通常用作煉鋼廠或考珀式爐中的燃料，但其也可在鍋爐或發電設備中燃燒。它也可以在燃燒之前與天然氣或焦爐煤氣結合，或者提供具有更高熱值的氣體或油的火焰柱(flame support)從而維持燃燒。
如還公知的，幾十年來，鼓風爐都利用內部過壓來操作，借助適當選擇爐子尺寸，這允許顯著提高材料和能量的轉化，且因此提高生鐵的產量。
當然，內部過壓下的操作也意味著顯著增加了與裝置和操作相關的附加成本。更具體地，其要求在冷鼓風壓縮機(或鼓風機)中產生具有適當供給壓力水準的壓縮空氣從而形成冷鼓風。過壓 下的操作還常見的情況是離開爐頂氣的氣體處於顯著高於大氣壓的壓力。然而，爐頂氣仍含有可燃燒的成分，主要是一氧化碳和較低含量的氫氣，並可用作低熱值燃燒氣體，用於產生熱能或者機械能和電能。
離開鼓風爐的爐頂氣還攜帶相當量的固體物質，主要是灰塵形式的物質。在爐頂氣的任何後續使用之前，都要求除去這些固體材料。傳統上這是在鼓風爐設備的氣體淨化分設備中完成的，其通常包括第一乾燥分離裝置(具有重力分離器(除塵器)和/或軸流旋風器(axial cyclone)和後續濕式精細淨化裝置(濕式分離器)。由於濕式淨化，爐頂氣溫度下降約100℃，並飽和有水蒸氣，且包括額外的液體水滴。
長期以來就已知，在淨化後，除了利用爐頂氣的熱能，還在膨脹渦輪機中回收加壓鼓風爐爐頂氣的氣動能量(pneumatic energy)。在渦輪機中，爐頂氣膨脹至接近大氣壓，同時產生機械功。渦輪機轉子可接合到例如發電機、冷鼓風壓縮機、或任何其他負載。
如現在還已知的，通過在淨化且因此冷卻的爐頂氣進入渦輪機之前對其加熱，可提高這種膨脹渦輪機(也稱為頂壓回收渦輪機(Top pressure Recovery Turbine)-TRT)的效率。為此，人們提出通過燃燒膨脹的爐頂氣而預熱渦輪機上游的淨化爐頂氣。可替換地，JP 62074009提出通過熱交換器從爐渣粒化過程中提取熱量並將該熱量傳遞到TRT上游的冷卻淨化的爐頂氣。
FR 2 663 685披露了用於從鼓風爐氣體中回收能量的工藝。鼓風爐氣體穿過精細和/或粗糙的灰塵過濾，然後進入與動力發電機接合的(壓力回收)渦輪機並且進一步到達氣體管線以便進一步 利用。一定比例的氣體(3%-15%，優選5%)在膨脹渦輪機(12)之前被分流，如果需要的話通過一個壓縮機，並且可能與高熱燃料(例如天然氣和焦爐煤氣)的濃縮一起在燃燒室中燃燒。然後這些燃燒氣體在氣體渦輪機中膨脹。氣體渦輪機可以接合至其本身的發電機或者經由離合器接合至膨脹渦輪機發電機。在注入回收渦輪機之前，被淨化的鼓風爐氣體的未被分流部分的溫度優選地通過與在氣體渦輪機中膨脹的燃燒氣體熱交換而升高。一部分冷鼓風氣流可能在氣體渦輪機中燃燒。
本發明目的是提供另一種利用TRT從鼓風爐設備內的爐頂氣中回收能量的改進的方式。
通過申請專利範圍第1項所述之方法和申請專利範圍第6項所述之鼓風爐設備實現該目的。
本發明提出了管理鼓風爐設備中的氣流的優化方式，該方式允許以提高的效率操作TRT。根據本發明的方法，從冷鼓風預熱器(即考珀式爐等)上游的壓縮冷鼓風氣流中提取熱量，並將該熱量(至少部分地)傳遞到膨脹渦輪機上游的冷卻淨化的爐頂氣。從冷鼓風中提取的熱量優選地執行為其在冷鼓風主管中朝著預熱器傳送，沒有為加熱被淨化的爐頂氣的目的而消耗該冷鼓風。
這樣做，在再生爐之前可降低冷鼓風溫度，且同時可提高冷卻淨化的爐頂氣的溫度，提高了考珀式爐和TRT兩者的效率。實際上，已知的是在TRT之前提高爐頂氣的溫度提高了TRT的效率並避免了結冰的風險，同時在考珀式爐之前降低冷鼓風的溫度提高了該預熱步驟的效率。更特別地，冷鼓風的較低溫度增加了考珀式爐的熱容量。
應該理解，現有技術的鼓風爐設備中，預熱被淨化爐頂氣所需要的能量是通過燃燒提供的或者從外部媒介(如爐渣粒化)中提取的，且冷鼓風消除的熱量被浪費，本發明的優點在於實現了冷鼓風與淨化的爐頂氣的熱交換，對改善考珀式爐和渦輪機兩者的性能是合適的。
本發明一個特別顯著的方面在於獲得了冷鼓風與冷卻淨化的爐頂氣之間的一種“自調節”熱交換。實際上，鼓風爐上游的鼓風氣流條件影響鼓風爐下游的爐頂氣氣流條件(反之亦然)，且表現為使這兩種氣流處於熱交換關係自動地補償一側或另一側的變化。
應該指出，本工藝比在FR 2 663 685中描述的工藝尤其更加簡化，因為在即時工藝(instant process)中冷鼓風氣流不受影響，只是熱量減少，並且特別地是沒有部分地被導出以在氣體渦輪機中與爐頂氣一起燃燒。
事實上，本方法提供了一種比在TRT之前預熱被淨化的爐頂氣更加簡化且有效的方式，這有利於整個設備的經濟。
本發明還涉及一鼓風爐設備，其包括：鼓風爐，連接到鼓風系統(blast air system)，該鼓風系統具有至少一個冷鼓風壓縮機和至少一個鼓風預熱器，其中，在冷鼓風壓縮機(一個或多個)中形成的壓縮冷鼓風在鼓風預熱器(一個或多個)中被加熱，以便向鼓風爐提供熱鼓風；爐頂氣淨化單元，接收從鼓風爐釋放的爐頂氣；膨脹渦輪機，具有接合到負載的輸出軸，該膨脹渦輪機設置在爐頂氣淨化單元的下游；預熱單元，位於爐頂氣淨化單元與膨脹渦輪機之間，以便加熱被淨化的爐頂氣流；以及從壓縮冷鼓風中提取熱量並將其至少部分地傳遞給預熱單元中的淨化的爐頂氣的裝置。
本方法和鼓風爐設備的優選實施例在各從屬申請專利範圍中說明。
應該指出，任何適當的技術可用來從壓縮冷鼓風中提取熱量 並將其至少部分地傳遞給淨化的爐頂氣。在這方面，人們可使用任何適當類型的結合熱交換流體回路的熱交換器。一種可能類型的熱交換系統是所謂的“熱管(heat pipe)”(直的或環形的)，其中蒸發器部件設置在冷鼓風一側而冷凝器部件設置在淨化的爐頂氣一側。
在圖1中示意性示出本鼓風爐設備的第一實施例(僅示出空氣處理/調節裝置)。參考標號10表示鼓風爐，熱鼓風從鼓風系統輸入至該鼓風爐中，該鼓風系統包括鼓風機12(或壓縮機)和包括一組三個再生爐14的預熱器單元，這在本領域中是常見的。鼓風機12壓縮空氣並形成冷鼓風流，該冷鼓風流流經冷鼓風主管16到達再生爐14。該冷鼓風流在再生爐14中被加熱到900℃到1300℃之間的溫度並流經熱鼓風主管18到達風口(未示出)，在風口處熱鼓風被注入鼓風爐10中。
鼓風爐10釋放的爐頂氣至少部分地被引導到爐頂氣回收渦輪機20，以便從中回收氣動能量。參考標號22表示將爐頂氣運送到氣體淨化分廠24的廢氣管。爐頂氣淨化分廠24可以包括與一與濕式分離器28順次連接的幹式分離器26。可以在分廠24中採用任何適當類型的淨化技術。
被淨化的爐頂氣流通過管30經由預熱單元32供應至渦輪機20，以便加熱由於單元24中的淨化工藝已被冷卻下來的淨化的爐頂氣流。在渦輪機20中，淨化的爐頂氣膨脹到較低的壓力和溫度並將機械功提供至接合到渦輪機輸出軸的負載34(這裏示為發電機)。然後，渦輪機20下游的膨脹爐頂氣經由出口管31可返回到 淨化氣體網路(clean gas network)或傳輸到使用者/消費者設施，如電站。
應該理解，本鼓風爐設備包括從壓縮冷鼓風中提取熱量並將其至少部分傳遞給預熱單元32中的淨化的爐頂氣的裝置。這有利地通過安裝在傳輸壓縮冷空氣到再生爐14的冷鼓風主管16上的冷鼓風熱交換器35實現。在冷鼓風熱交換器35中，冷鼓風與以36表示的熱交換回路的熱交換流體形成熱交換關係(然而不混合)。熱交換回路優選包括將熱交換流體從冷鼓風熱交換器35輸送到預熱單元32的泵送系統(未示出)，提取的熱量在預熱單元中至少部分被傳遞至淨化的爐頂氣。
從冷鼓風提取熱量從而將其傳遞到淨化的爐頂氣提供了一種非常有利的方式：在淨化的爐頂氣在TRT系統中膨脹之前預熱該淨化的爐頂氣。這也提高了再生爐14和渦輪機20兩者的效率。與冷鼓風熱量被浪費並且預熱淨化的爐頂氣需要燃燒器等所已知的方法相比，獲得了“自調節”效果。實際上，鼓風爐上游和下游的氣流條件被關聯，下面是說明如何操作的實例。
實例
爐頂氣壓力(TGP)越高，熱鼓風壓力(HBP)越高：HBP=TGP+dP，其中dP是在渦輪機20之前的鼓風管線(blast line)、鼓風爐(BF)和氣體淨化設備24中的壓力損耗(根據BF特性，dP大約是範圍在1.0-2.5bar之間的常數)。而且，TGP越高，在TRT20中的膨脹期間，爐頂氣溫度(TGT)下降就越多。
在TRT 20之前預熱淨化的爐頂氣是有意義的。如果淨化的爐頂氣沒有預熱，則在TRT 20之後的TGT將較低，導致TRT結冰的風險且發電機34中產生的電能減少。然而，如果在TRT 20之後的TGT太高，也產生問題，諸如渦輪機20過熱或TRT下游的潔淨氣體網路中的密封材料過度受熱。
然而，通過在TRT之前利用從冷鼓風中回收的熱量預熱爐頂氣，可實現有利的預熱方案，該方案提供自動、適當的加熱。如果鼓風爐10中的爐頂氣壓力增加，則鼓風機12必須補償該壓力增加，且冷鼓風壓力增加，同時冷鼓風溫度相應地升高。
同時，渦輪機20處的壓力差增加。但防止了結冰風險等，因為鼓風爐下游的壓力增加表示鼓風爐10上游的冷鼓風的壓力和溫度增加，且因此更多的熱量可從冷鼓風經由熱交換回路36傳遞到淨化的爐頂氣。
類似地，當減小TGP(如停止鼓風爐)時，渦輪機20之前的TGT降低，因為HBP也與HBT一起降低，且需要較少的熱量來預熱TRT之前的爐頂氣。這是有利的，因為從壓力也降低的冷鼓風可獲得較少的熱量。
為了示例的目的，我們已經報告了圖1中鼓風爐10的氣體處理回路的不同位置處的溫度和壓力。這些值已經計算。如看到的那樣，鼓風機將215℃和5.1barg的壓縮空氣送入冷鼓風主管16。在經過冷鼓風熱交換器35的給熱側之後，冷鼓風處於105℃和5barg。
在淨化後，爐頂氣的溫度降到45℃，處於2.3barg。然後爐頂氣流經預熱器32的給熱回路，這裏其溫度提升到103℃，處於2.2barg。然後，預熱的爐頂氣流入渦輪機20並在25℃和網路壓力下離開渦輪機。
從冷鼓風到爐頂氣的熱量傳遞是通過熱交換回路36實現的，該熱交換回路與冷鼓風熱交換器35的吸熱側和預熱單元32的給熱側(heat-giving side)流體連通。可以注意到在該實例中，離開冷鼓風熱交換器35的熱交換流體的溫度為170℃；在預熱單元32之後，熱交換流體將大部分熱量提供給爐頂氣並具有75℃的溫度。
如從該實例中看到的那樣，通過提高其效率，該操作方案足以在避免結冰風險和過熱的水準上預熱TRT之前的爐頂氣。換句話說，自調節效果不僅允許加熱TRT之前的爐頂氣，而且在鼓風爐設備內提供可靠適當的TRT系統操作，也可用於TRT下游的使用者。
如圖1所示，雖然在傳統操作條件下從冷鼓風提取的熱量可能是充足的，但人們可能希望能夠向渦輪機20上游的淨化爐頂氣提供額外的熱量。在圖2中示出這樣做的兩種可替換或互補方式，其中相同的參考標號表示鼓風爐設備的相同部件。
首先，可通過以40表示的燃燒器等提供額外的熱量，該燃燒器安裝在熱交換回路中，且位於從冷鼓風熱交換器35到預熱單元32的熱交換流體的液流上。此外，預熱器42可安裝在淨化氣體管30上，在預熱單元與渦輪機20之間。任何適當類型的技術可用於額外的加熱器40和42，如與熱交換器接合的燃燒器。
還要指出，上面的描述是為了說明的目的。這裏的術語熱交 換器包括任何適當類型的裝置，其中氣流/空氣流可與另一氣體或流體渦輪機形成熱交換關係，而不用彼此混合。任何與鼓風爐中的使用相相容的技術都可使用。具體地，可使用熱管將熱量從冷鼓風傳遞給淨化的爐頂氣，這裏冷凝器部件可設置在預熱單元32中，且蒸發器部件設置在冷鼓風一側。而且對於膨脹渦輪機20、氣體淨化分設備24、再生爐14或熱交換流體回路36，不再需要進一步的說明，因為這是本領域技術人員已知的裝置類型及用途。
10‧‧‧鼓風爐
12‧‧‧膨脹渦輪機
14‧‧‧再生爐
16‧‧‧冷鼓風主管
18‧‧‧熱鼓風主管
20‧‧‧渦輪機
22‧‧‧廢氣管
24‧‧‧分廠
26‧‧‧幹式分離器
28‧‧‧濕式分離器
30‧‧‧淨化氣體管
31‧‧‧出口管
32‧‧‧預熱單元
34‧‧‧發電機
35‧‧‧冷鼓風熱交換器
36‧‧‧熱交換流體回路
40‧‧‧加熱器
42‧‧‧加熱器
將通過實例參考附圖來描述本發明，附圖中：圖1是具有氣體能量回收系統的本鼓風爐設備的第一實施例的示意圖；圖2是具有氣體能量回收系統的本鼓風爐設備的替換實施例的示意圖。
10‧‧‧鼓風爐
12‧‧‧膨脹渦輪機
14‧‧‧再生爐
16‧‧‧冷鼓風主管
18‧‧‧熱鼓風主管
20‧‧‧渦輪機
22‧‧‧廢氣管
24‧‧‧分廠
26‧‧‧幹式分離器
28‧‧‧濕式分離器
30‧‧‧淨化氣體管
31‧‧‧出口管
32‧‧‧預熱單元
34‧‧‧發電機
35‧‧‧冷鼓風熱交換器
36‧‧‧熱交換流體回路

Claims (12)

  1. 一種鼓風爐設備回收能量的方法，用於從具有爐頂氣回收渦輪機系統的鼓風爐設備內的鼓風爐爐頂氣中回收能量，其中，所述鼓風爐設備包括與至少一鼓風預熱器(14)關聯的至少一冷鼓風壓縮機(12)，並且其中，由所述鼓風爐(10)釋放的加壓爐頂氣氣流穿過爐頂氣淨化單元(24)並被供應到接合於負載(34)的膨脹渦輪機(20)，其特徵在於，從加壓冷鼓風中提取熱量且所提取的熱量至少部分被傳遞給所述膨脹渦輪機上游的被淨化的爐頂氣。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之鼓風爐設備回收能量的方法，其中，所述鼓風爐設備包括在所述爐頂氣淨化單元(24)與所述膨脹渦輪機(20)之間的預熱單元(32)，所述預熱單元(32)包括熱交換器，所述熱交換器具有由所述被淨化的爐頂氣所橫過的吸熱側和供應有熱交換流體的給熱側，從所述壓縮冷鼓風中提取的熱量被傳遞給所述熱交換流體。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之鼓風爐設備回收能量的方法，其中，所述鼓風爐設備包括在所述至少一冷鼓風壓縮機(12)與所述至少一鼓風預熱器(14)之間的冷鼓風熱交換器(35)，所述冷鼓風熱交換器(35)具有由所述壓縮冷鼓風所橫過的給熱側和所述熱交換流體循環通過其中的吸熱側。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之鼓風爐設備回收能量的方法，其中，熱量加給流向所述渦輪機上游的所述預熱單元的所述熱交換流體。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之鼓風爐設備回收能量的方法，其中，熱量加給流向所述渦輪機上游的所述預熱單元的所述熱交換流體。
  6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述之鼓風爐設備回收能量的方法，其中，熱量進一步加給所述渦輪機上游的所述被淨化的爐頂氣氣流。
  7. 一種鼓風爐設備，包括：鼓風爐(10)，連接至具有至少一冷鼓風壓縮機(12)和至少一鼓風預熱器(14)的鼓風系統，其中，在所述至少一冷鼓風壓縮機(12)中形成的壓縮冷鼓風在所述至少一鼓風預熱器(14)中被加熱，以便向所述鼓風爐(10)提供熱鼓風；爐頂氣淨化單元(24)，接收從所述鼓風爐(10)中釋放的爐頂氣；膨脹渦輪機(20)，具有接合至負載(34)的輸出軸，所述膨脹渦輪機(20)位於所述爐頂氣淨化單元(24)的下游； 預熱單元(32)，位於所述爐頂氣淨化單元(24)與所述膨脹渦輪機(20)之間以便加熱被淨化的爐頂氣氣流；其特徵在於，包括從所述壓縮冷鼓風中提取熱量並將其至少部分地傳遞給所述預熱單元(32)中的所述被淨化的爐頂氣的裝置。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之鼓風爐設備，其特徵在於，所述預熱單元(32)包括具有吸熱側和給熱側的熱交換器，在所述吸熱側中所述被淨化的爐頂氣流向所述渦輪機，所述給熱側被構造成接收來自所述冷鼓風的熱量。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之鼓風爐設備，其特徵在於，冷鼓風熱交換器(35)安裝在所述鼓風系統中所述至少一鼓風預熱器(14)的上游，並具有供應有所述壓縮冷鼓風的給熱側和連接至熱交換流體回路的吸熱側；以及所述熱交換流體回路(36)連接到所述預熱單元(32)中的所述熱交換器的所述給熱側。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之鼓風爐設備，其特徵在於，包括多個熱管，所述多個熱管被佈置成它們的冷凝器部件與所述被淨化的爐頂氣在所述預熱單元(32)處熱交換並且它們的蒸發器部件與所述冷鼓風熱交換。
  11. 如申請專利範圍第7、8、9或10項中任一項所述之鼓風爐設備，其特徵在於，包括在所述預熱單元(32)與所述膨脹渦輪機(20)之間的淨化的爐頂氣氣流中的另一預熱單元(42)。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之鼓風爐設備，其特徵在於，包括位於所述熱交換流體回路(36)中的加熱器單元(40)，以便向流到所述預熱單元(32)的流體提供額外的熱量。
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