СПОСОБ НАГРЕВАНИЯ ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЯ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ Российский патент 2015 года по МПК C21B9/00 

Настоящее изобретение относится к способу нагревания воздухонагревателя доменной печи для использования с доменной печью.

Воздух для сжигания, подаваемый в доменную печь, типично подогревают, используя воздухонагреватель, содержащий огнеупорный материал, который нагревают с использованием горелки. Когда материал достаточно горячий, воздух для сжигания пропускают через воздухонагреватели для его подогрева перед вдуванием в доменную печь. Обычно несколько воздухонагревателей работают параллельно и циклически, чтобы, по меньшей мере, один воздухонагреватель работал для нагревания воздуха для сжигания, пока огнеупорный материал, по меньшей мере, одного воздухонагревателя нагревается.

Обычно колошниковый газ, покидающий доменную печь, имеет температуру около 110-120°C и содержит примерно 20-25% СО и СО₂ каждого. Типично 3-5% H₂ и некоторое количество H₂O будет также присутствовать, но другой главной составной частью колошникового газа является N₂ (типично 45-57%). Газ представляет собой низкосортное топливо, имеющее относительно низкую теплотворную способность, и обычно используется для обогрева воздухонагревателей.

Колошниковый газ обычно сжигают с использованием воздушнотопливных горелок в воздухонагревателях. Как известно, для того чтобы обеспечить необходимые высокие температуры воздушного дутья, требуемые доменной печью, колошниковый газ обогащают газом с высокой теплотворной способностью, таким как коксовый газ или природный газ. Сжигание такого дополнительного топлива ведет к большим суммарным выбросам диоксида углерода от завода и поэтому не желательно.

Также известно, что воздух для сжигания в горелках дымовых труб обогащают кислородом. Обычно необходимыми уровнями обогащения для уменьшения или исключения необходимости дополнительных топлив с высокой теплотворной способностью являются такие, которые дают в результате конечное содержание окислителя - кислорода в воздухе для сжигания примерно 28-30%.

Такие методы в некоторых случаях вызывают максимально повышенные температуры пламени, достаточно высокие, чтобы разрушить огнеупорные материалы воздухонагревателя, и может быть необходимо, например, подавать избыток воздуха для снижения температуры пламени.

Еще известен прием нагрева топлива и воздуха, подаваемых к горелкам воздухонагревателя, используя установки рекуперации тепла.

Все вышеописанные способы усложняют процесс и требуют дорогостоящего оборудования.

Доменная печь сама по себе является высокоэффективным противоточным реактором, который развивался за многие годы. Это является приближением к предельным термодинамическим КПД, поэтому трудно уменьшить потребление энергии относительно современных наилучших технологических режимов. Более того, доменная печь и ее вспомогательное оборудование, такое как воздухонагреватели, являются самыми большими энергопотребителями на заводах полного металлургического цикла. К тому же потребляемая при получении железа энергия является доминантным фактором, определяющим расход угля в интегрированном процессе получения стали и, следовательно, в части выбросов диоксида углерода. Поэтому было бы желательно повысить термический КПД.

С использованием так называемых методов "захвата углерода" возможно отделить диоксид углерода от топочного газа воздухонагревателя, для того чтобы сократить выбросы. Однако такое отделение является относительно дорогим. Поэтому было бы желательно сконструировать воздухонагреватель доменной печи, позволяющий более дешевый захват (улавливание) углерода.

Вдобавок к проблеме вышеупомянутых высоких максимальных температур слишком низкие температуры пламени или величины подводимой теплоты будут вести к длительным циклам нагревания, что является нежелательным. Другими словами, температуру пламени необходимо регулировать.

НАСТОЯЩЕЕ ИЗОБРЕТЕНИЕ РЕШАЕТ ВЫШЕОПИСАННЫЕ ПРОБЛЕМЫ

Таким образом, настоящее изобретение относится к способу нагревания воздухонагревателя доменной печи путем сжигания топлива с низшей теплотой сжигания 9 МДж/нм³ или менее в зоне горения, расположенной в камере сжигания в воздухонагревателе, и заставляющему газообразные продукты сжигания протекать через огнеупорный материал в воздухонагревателе, таким образом нагревая его, и отличается тем, что топливо сжигают с окислителем, содержащим, по меньшей мере, 85% кислорода, при этом газообразные продукты сжигания рециркулируют в зону горения и таким образом, разбавляя там смесь топлива и окислителя достаточно, чтобы горение было беспламенным.

Далее изобретение будет описано подробно со ссылкой на иллюстративные варианты воплощения изобретения и на прилагающиеся чертежи, на которых:

фиг.1 представляет собой упрощенную иллюстрацию доменной печи и трех воздухонагревателей, как на обычных металлургических заводах;

фиг.2 представляет собой поперечное сечение, иллюстрирующее обычный воздухонагреватель современного типа с внешней камерой сжигания;

фиг.3 представляет собой поперечное сечение воздухонагревателя с дополнительными соплами согласно настоящему изобретению;

фиг.4 представляет собой выносное поперечное сечение воздухонагревателя с кислородотопливной горелкой согласно настоящему изобретению;

фиг.5 представляет собой выносное поперечное сечение воздухонагревателя с газообразными продуктами, рециркулирующими согласно настоящему изобретению; и

фиг.6 представляет собой выносное поперечное сечение воздухонагревателя с эжекторным соплом согласно настоящему изобретению.

Фиг.1 иллюстрирует принципиальное устройство доменной печи 120 и трех воздухонагревателей 100 на предприятии черной металлургии. При функционировании доменная печь 120 производит доменный колошниковый газ, который подают, используя устройство 110 регулирования подачи топлива, к каждому воздухонагревателю 100, для использования в качестве топлива, чтобы нагревать упомянутый воздухонагреватель 100. Колошниковый газ сжигают с окислителем в виде воздуха, который подают с помощью устройства 130 регулирования подачи воздуха.

Каждый воздухонагреватель 100 содержит огнеупорный материал в виде керамических кирпичей или подобного, который сначала нагревается, а затем используется для нагревания воздушного дутья, которое подают в доменную печь.

При функционировании в режиме нагрева огнеупорного материала (режим "на газе") колошниковый газ сжигают в воздухонагревателе 100 с окислителем, а газообразные продукты сжигания подают к устройству 150 обработки топочного газа, возможно включающее в себя обычный этап улавливания углерода.

При работе в режиме нагрева дутья (режим "на дутье") воздух идет через огнеупорный материал в противоположном направлении, а затем в доменную печь 120.

Воздухонагреватели 100 работают циклически, так что в любое время, по меньшей мере, один воздухонагреватель работает на дутье и остальные из воздухонагревателей работают на газе.

Фиг.2 представляет собой поперечное сечение через обычный воздухонагреватель 100 современного типа. Воздухонагреватель 100 включает в себя наружную камеру 101 сжигания, огнеупорный материал 102 и купол 103. При работе на газе решающим является то, что температура под куполом 103 не становится слишком высокой, поскольку тогда есть опасность разрушения воздухонагревателя 100. Следует понимать, что есть также воздухонагреватели с внутренними камерами сжигания, и что настоящее изобретение равноприменимо к работе таких воздухонагревателей.

При работе на газе колошниковый газ и воздух подают в зону горения камеры 101 сжигания, в которой имеет место сжигания посредством воздушной горелки 108. Горелка 108 включает в себя подвод 105 топлива и отверстие 104 для впуска воздуха. Горячие газообразные продукты сжигания текут вверх через камеру 101, проходят купол 103 и вниз через огнеупорный материал 102, таким образом нагревая последний. При выходе через канал 106 температура газообразных продуктов сжигания составляет обычно примерно 200-350°C.

Когда огнеупорный материал достиг заданной температуры, режим работы переключают на работу на дутье. То есть воздух вводят через канал 106, он течет через горячий огнеупорный материал 102 через купол 103 и камеру 101 сжигания и наружу через выпускной канал 107. На этой стадии воздушное дутье имеет типичную температуру 1100-1200°C.

Предпочтительно в контексте настоящего изобретения нагревать воздухонагреватель доменным колошниковым газом, как описано выше. К тому же предпочтительно использовать колошниковый газ из доменной печи, в которой воздушное дутье обеспечивают из воздухонагревателя. Это предусматривает размещение воздухонагревателя рядом с доменной печью, что энергетически эффективно и ведет к низким суммарным выбросам завода.

Однако следует понимать, что настоящее изобретение может с равным преимуществом применяться к воздухонагревателям, нагреваемым другими низкосортными топливами. В качестве примера типичные химические составы (процентные значения) и низшие теплоты сгорания предоставлены в таблицах I и II, соответственно, для доменного колошникового газа и конвертерного отходящего газа.

Таблица 1   N₂ O₂ H₂ CO CO₂ CH₄ C_mH_n H₂O Колошниковый газ 52,5 0,55 2,3 23,5 20 - - 1,15 Отходящий газ 17,2 0,1 2,5 64,5 15,6 - - 0,1

Таблица 2   Низшая теплота сгорания (МДж/нм³) Низшая теплота сгорания (МДж/кг) Колошниковый газ 3,2 2,4 Отходящий газ 6,3 8,4

Согласно настоящему изобретению, воздухонагреватель нагревают газообразным топливом, низшая теплота сгорания которого составляет не более чем 9 МДж/нм³. Использование такого низкосортного топлива обеспечивает максимальное преимущество в части возможной стоимости и эффективности настоящего изобретения. Топливо может содержать определенную добавку другого, более высокосортного горючего, если только низшая теплота сгорания равна или меньше 9 МДж/нм³. Для того чтобы минимизировать затраты и выбросы, предпочтительным является не добавлять высокосортные топлива до сжигания.

Согласно настоящему изобретению, такое низкосортное топливо используют для нагревания воздухонагревателя путем сжигания его не с воздухом или незначительно обогащенным кислородом воздухом, а с окислителем, содержащим, по меньшей мере, 85% по весу, предпочтительно 95% по весу кислорода, при этом окислителем наиболее предпочтительно является промышленно чистый кислород, имеющий содержание кислорода по существу 100%.

Это будет повышать топливную экономичность, поскольку не нужно нагревать азотный балласт, присутствующий в воздухе. Более того, уменьшением азотного балласта в газообразных продуктах сжигания могут быть достигнуты необходимые температуры пламени без необходимости добавления к низкосортному топливу топлива с высокой теплотворной способностью. Снижение потребности в энергии будет содействовать повышенной выработке энергии и/или приведет к сниженной необходимости введения газа, таким образом улучшая управление расходом топлива.

Обычно использование окислителя с такими большими содержаниями кислорода приводило бы к максимальной температуре, довольно высокой, чтобы повредить купол и огнеупорный материал воздухонагревателя.

Однако авторы настоящего изобретения обнаружили, что возможно использовать этот тип окислителя при условии, что газообразные продукты сжигания из воздухонагревателя рециркулируют в зону горения до такой степени, что смесь топлива и окислителя там разбавляется достаточно для сжигания в зоне горения с обеспечением так называемого "беспламенного" горения. Здесь "беспламенное" горение обозначает режим беспламенного горения, достигнутый с помощью окислителя и топливного газа, сильно разбавленных рециркулирующими отходящими газами прежде, чем главная часть процесса горения будет иметь место в зоне горения. Таким образом, горение проходит без видимого пламени, другими словами, пламени, которое невидимо или почти невидимо человеческому глазу. Другой способ выразить это заключается в том, что реагенты горения так разбавляют, что горение является горением "объемного типа" без стабильного пламени.

Признак "газообразные продукты сжигания рециркулируют в зону горения" здесь относится к тому, что газообразные продукты сжигания, находящиеся снаружи зоны горения, рециркулируют обратно в эту зону. Такие газообразные продукты сжигания сами могут первоначально находиться внутри камеры сжигания, но снаружи части камеры сжигания, занимаемой зоной, в которой сжигание по существу имеет место (то есть "зона горения"). Таким образом, в этом случае газообразные продукты сжигания фактически рециркулируют внутри камеры сжигания. Альтернативно такие газообразные продукты сжигания могут рециркулировать извне камеры горения обратно к зоне горения.

Как будет более подробно описано, разбавление реагентов может быть достигнуто или путем создания сильной турбулентности внутри камеры сжигания с использованием высокоскоростного вдувания окислителя, возможно с использованием схемы ступенчатого сжигания, и/или рециркулирования топочных газов из воздухонагревателя обратно в зону горения.

Было обнаружено, что, используя беспламенное горение с окислителем, имеющим высокое содержание кислорода, возможно достигнуть достаточно низких максимальных температур пламени, чтобы не разрушить купол. Достижимыми также являются достаточно высокие температуры пламени.

Дополнительно, когда высококислородный окислитель используют для сжигания низкосортных топлив, такого как доменный колошниковый газ, то содержания СО₂ в газообразных продуктах сжигания становятся значительно выше по сравнению с тем, когда используют воздух или незначительно обогащенный кислородом воздух, такой как окислитель. Поскольку стремятся, чтобы обычные методы улавливания углерода были значительно дешевле на единицу захваченного СО₂, то в случае, когда обработанный газ содержит большую долю диоксида углерода, это ведет к значительному снижению затрат при использовании такого этапа захвата углерода для обработки газообразных продуктов сжигания из воздухонагревателя.

Фиг.3 показывает предпочтительный вариант воплощения изобретения. Воздухонагреватель 300, который является подобным обычному воздухонагревателю 200, показанному на фиг.2, включает в себя камеру 301 сжигания, огнеупорный материал 302, купол 303, входное отверстие 304 для воздуха, используемого для сжигания, когда воздухонагреватель работает обычным образом с воздухом для сжигания, другое входное отверстие 305, используемое для низкосортного топлива, такого как колошниковый газ, и каналы 306, 307, подобные каналам 206, 207. Вместо сжигания низкосортного топлива с воздухом одно или несколько сопел 310, 311, 312 вставляют в камеру сжигания и используют для подачи определенного выше высококислородного окислителя в зону горения. Окислитель может подаваться от местного кислородного производства или с использованием окислителя, подаваемого извне.

Во всех описанных здесь вариантах воплощения общее количество окислителя в единицу времени уравновешивают с количеством поданного низкосортного топлива, для того чтобы создать желательные условия горения с точки зрения стехиометрии.

Предпочтительно, что каждое сопло 310, 311, 312 подает окислитель в зону горения с высокой скоростью, предпочтительно, по меньшей мере, 200 м/с, более Предпочтительно по меньшей мере, со скоростью звука. Такая высокоскоростная подача струи ведет к сильной турбулентности в камере сжигания, в свою очередь, вовлекая газообразные продукты горения в зону горения и, таким образом, разбавляя пламя, для того чтобы достигнуть беспламенного горения.

Согласно одному предпочтительному варианту воплощения сопло 310 размещают с его отверстием в непосредственной близости к соплу подвода 305 топлива. Согласно другому предпочтительному варианту воплощения сопло 311 размещают в месте на расстоянии от сопла подвода 305 топлива. В зависимости от геометрии камеры 301 сжигания одна из этих компоновок или их комбинация могут обеспечивать наилучшую рециркуляцию газообразных продуктов сжигания в зону горения. Дополнительное сопло 312, размещенное еще ниже относительно другого сопла или сопла 310, 311, может быть использовано для ступенчатого процесса сжигания, в соответствии с чем суммарный объем пламени может быть получен еще большим. Естественно может быть размещено более одного сопла каждого из описанных типов 310, 311, 312 в дополнение друг к другу. В случае если окислитель вдувают в непосредственной близости к подводу 305 топлива, является предпочтительным также вдувать окислитель еще ниже, чтобы обеспечить ступенчатый процесс сжигания.

Фиг.4 представляет собой обзорную иллюстрацию другого предпочтительного варианта воплощения, в котором воздухонагреватель 400 доменной печи включает в себя камеру 401 сжигания 1, огнеупорный материал 402 и канал 406.

Низкосортное топливо подают посредством подающего трубопровода 411, подающего устройства 412 и входного отверстия 413. Окислитель подают посредством подающего трубопровода 414, подающего устройства 415 и сопла, содержащего отверстие 416. Сопло размещают так, что его отверстие 416 располагается соседним с подводом 413 топлива. Предпочтительно сопло идет коаксиально подводу 413 топлива, как изображено на фиг.6. Путем такого смежного расположения, особенно когда оно коаксиальное, и когда окислитель вдувают с вышеописанными высокими скоростями, топливо эффективно вовлекается в зону горения путем эжекторного действия на часть высокоскоростного окислителя. В результате достигается сильная рециркуляция газообразных продуктов сжигания в камере 401 сжигания, в особенности рециркуляция газообразных продуктов сжигания в зону горения, расширяющая фронт пламени. Когда такое высокоскоростное сопло размещают рядом с подводом 413 топлива, предпочтительно использовать одновременно второе сопло 312 для окислителя, подающее часть суммарно подающегося кислорода в другом месте камеры 401 сжигания, ниже по потоку от подвода 413 топлива, создавая ступенчатое сжигание низкосортного топлива и, таким образом, облегчая достижение беспламенного горения.

Согласно очень предпочтительному варианту воплощения существующая, обычная воздушная горелка, которую использовали для предварительного нагревания существующего воздухонагревателя 400, является первоначальным этапом, замещенным кислороднотопливной горелкой 410, содержащей описанный выше подвод 413 топлива и сопло для окислителя. "Кислороднотопливной горелкой" здесь называется горелка, приводимая в действие топливом и окислителем, при этом окислитель содержит большую часть кислорода, предпочтительно, по меньшей мере, 85% кислорода, более предпочтительно, по меньшей мере, 95% кислорода.

Согласно альтернативному, очень предпочтительному варианту воплощения, существующую воздушную горелку, описанную выше, дополняют на первоначальном этапе одним или несколькими высокоскоростными соплами для окислителя, как описано выше, и подачу воздуха прекращают.

Как описано выше, такое высокоскоростное дутье приводит к сильной турбулентности внутри камеры 301, 401 сжигания, приводящей к беспламенному горению, и поэтому к достаточно низким максимальным температурам пламени.

Однако массовый расход газообразных продуктов сжигания будет ниже при использовании высококислородного окислителя по сравнению с использованием воздуха как окислителя. Это будет вести к меньшей конвекционной теплопередаче к огнеупорному материалу и отсюда к более длительному времени цикла нагревания. Поэтому при преобразовании существующего воздухонагревателя для работы с высококислородным окислителем предпочтительно рециркулировать топочные газы из воздухонагревателя обратно в зону горения, как описано ниже в связи с фиг.5 и 6.

Таким образом, фиг.5 представляет собой обзорную иллюстрацию воздухонагревателя 500 согласно другому предпочтительному варианту воплощения, содержащего камеру 501 сжигания, огнеупорный материал 502 и купол 503.

Во время работы на газе газообразные продукты сжигания покидают воздухонагреватель 500 через канал 506. Однако часть из газообразных продуктов сжигания рециркулируют обратно в зону горения в камере 501 сжигания посредством циркуляционного устройства 511. Упомянутое устройство 511 может содержать продвигающее устройство, такое как вентилятор, для подачи рециркулирующих газообразных продуктов сжигания к камере 501 сжигания.

Циркуляционное устройство 511 размещают также для смешивания рециркулирующих газообразных продуктов сжигания с высококислородным окислителем описанного выше состава, подаваемым посредством подающего трубопровода 512. Смешивание может иметь место с использованием обычных диффузоров. Смесь рециркулирующих газообразных продуктов сжигания и окислителя затем подают в камеру 501 сжигания через входное отверстие 513. Низкосортное топливо, такое как колошниковый газ, подают посредством трубопровода 514, устройства 515 для подачи и входного отверстия 516. В зоне горения топливо, следовательно, сжигается с окислителем в присутствии газообразных продуктов сжигания, которые рециркулировали в зону горения после того, как они прошли воздухонагреватель 500. Таким способом разбавляют пламя в камере 501 сжигания.

Используя такое рециркулирование топочного газа, было найдено, что возможно достигать достаточно высоких скоростей конвективной теплопередачи, чтобы было возможным поддерживать время цикла нагревания существующего воздухонагревателя, в котором использован способ согласно настоящему изобретению. Этого достигают путем рециркуляции достаточного количества газообразных продуктов сжигания для поддержания массы газа или потока тепловой энергии в единицу времени через воздухонагреватель 500 на уровне, который является, по меньшей мере, таким же, как масса газа или поток тепловой энергии в единицу времени, который использовали при эксплуатации существующего воздухонагревателя, используя низкокислородный окислитель без рециркуляции, до преобразования для работы согласно настоящему изобретению.

Это включает в себя уравновешивание количества рециркулирующих газообразных продуктов сжигания с обеспечиваемым количеством низкосортного топлива и окислителя в единицу времени. Таблица 3 иллюстрирует пример такого баланса, в котором первый режим работы, в котором обогащенный колошниковым газом доменной печи коксовый газ сжигают с воздухом без рециркуляции, описывают и сравнивают с соответствующим вторым режимом работы, в котором чистый кислород, полученный промышленным способом, используют как окислитель, и определенную величину рециркулирования вводят в соответствии с настоящим изобретением. Как можно видеть из таблицы 3, температуру пламени и массовый газовый поток через огнеупорный материал 502 воздухонагревателя 500 поддерживают по существу на том же уровне при использовании способа по изобретению, в то же время теплота сжигания уменьшается.

Таблица 3 Режим работы Воздушный поток (нм³/ч) Колошниковый газ (нм³/ч) Коксовый газ (нм³/ч) О₂ (нм³/ч) Теплота сжигания (ГДж/ч) Температура пламени (°C) Массовый газовый поток через воздухонагреватель (кг/мин) Рециклинг топочного газа (нм³/ч) Вентилируемый объем топливного газа (нм³/ч) Содержание СО₂ в топочном газе (%) Обычный 48502 40408 4045 0 208 1448 1988 0 85567 23 С рециклом 0 60222 0 8538 194 1372 1939 21345 60991 43

В "обычном" режиме работы из таблицы 3 четыре воздухонагревателя работают, для того чтобы доставить 195000 (нм³/ч) воздушного дутья при температуре 1125°C. Для нагревания этого объема воздуха от температуры окружающей среды требуется 308 ГДж энергии в час, обеспечиваемой наличием двух воздухонагревателей, работающих "на дутье". Однако суммарная эффективность воздухонагревателя, определяемая как (энергия в воздушном дутье)/(теплота сжигания, подаваемая воздухонагревателям), составляет 308/(2·208) или примерно 74%. Некоторая из этой неэффективности связана с теплосодержанием топочного газа.

Устройство 511 рециркуляции размещают для достаточного рециркулирования газообразных продуктов сжигания, для того чтобы привести горение в зоне горения в беспламенное состояние путем уменьшения концентрации кислорода в камере 501 сжигания.

Было обнаружено, что для того чтобы привести горение в зоне горения в беспламенное состояние, суммарное процентное содержание кислорода по объему должно быть не более чем примерно 12%, предпочтительно не более чем 10% от инертной части атмосферы в камере 501 сжигания, не считая компонентов топлива газообразных продуктов сжигания, что будет эффективно давать беспламенное горение. Поэтому предпочтительно, если достаточно большое количество газообразных продуктов сжигания рециркулируют для получения непрерывной концентрации кислорода в камере 501 сжигания, которая равна этой процентной концентрации или меньше ее.

Поскольку весь окислитель подают в камеру горения 501 посредством циркуляционного устройства 511 и, возможно, через одно или несколько сопел 310, 311, 312 для окислителя, то известно количество кислорода, подаваемого в единицу времени. Однако можно рассчитать количество газообразных продуктов сжигания для рециркулирования в единицу времени, для того чтобы достигнуть вышеописанных, достаточно низких концентраций кислорода.

В примере таблицы 3 желательная концентрация О₂ 11%, поэтому для каждой единицы объема О₂ необходимо 1/0,11-1≈8,1 единиц инертного газа. Для каждой единицы объема подаваемого колошникового газа подают примерно 0,14 объемных единицы О₂ в виде окислителя, состоящего из чистого кислорода, полученного промышленным путем, для достижения желательного Lambda (коэффициента избытка) примерно 1,125. Это значит, что примерно 1/0,14≈7,1 единиц топлива подают для каждой единицы кислорода. Поскольку примерно 75% по объему колошникового газа составляют инертные газы, и с соблюдением точности до десятых предшествующих стадий вычислений каждая единица объема О₂ в камере 501 сжигания уже разбавлена примерно 7,1*0,75≈5,4 единицами инертного газа только путем снабжения топливным колошниковым газом. Другими словами, дополнительные 8,1-5,4=2,7 единицы инертного газа в виде рециркулирующих газообразных продуктов сжигания будет необходимо на единицу вдуваемого О₂ в камеру горения 501. Это значит, что, по меньшей мере, 38% газообразных продуктов сжигания должно быть рециркулировано для достижения максимальной концентрации О₂ 11%.

Соответствующий пример достижения 11% концентрации О₂ в камере сжигания с использованием конвертерного отходящего газа как топлива, отходящий газ которого требует 0,33 объемных единицы О₂ на объемную единицу отходящего газа и содержит только примерно 1/3 по объему инертных газов, предусматривает требующуюся добавку, по меньшей мере, 7,1 объемных единиц газообразных продуктов сжигания на единицу объема вдуваемого О₂ или рециркуляцию топочного газа, по меньшей мере, примерно 234%.

Согласно одному предпочтительному варианту воплощения весь окислитель предварительно смешивают с рециркулирующими газообразными продуктами сжигания перед вхождением в зону горения. Однако дополнительный окислитель может быть также подан через одно или несколько сопел в камеру 501 сжигания. В этом случае это суммарное количество подаваемого кислорода в единицу времени должно использоваться как основа для расчета количества рециркулирующих газообразных продуктов сжигания.

Более того, как можно сделать вывод из данных в таблице 3, тепло, подаваемое с помощью сжигания, может быть уменьшено на каких-нибудь 7%, причем в то же время сохраняется массовый расход газа и температура пламени. Было найдено, что с помощью работы воздухонагревателей на заводе полного металлургического цикла согласно этому примеру с беспламенным топливокислородным режимом и захватом СО₂ из топливного газа возможно уменьшать выбросы от завода приблизительно на 20%.

Согласно предпочтительному варианту воплощения, рециркулируют достаточно газообразных продуктов сжигания по существу для поддерживания или повышения массы потока газа в единицу времени через огнеупорный материал.

Согласно альтернативному предпочтительному варианту воплощения рециркулируют достаточно газообразных продуктов сжигания для по существу поддерживания или повышения пропускания тепловой энергии через огнеупорный материал. Это учитывает различные теплоемкости для различных инертных компонентов в газообразных продуктах сжигания. В этом случае также предпочтительно, что достаточно газообразных продуктов сжигания рециркулируют, для того чтобы по существу поддерживать или уменьшать температуру пламени.

Как показано в таблице 3, содержание СО₂ в вентилируемых топочных газах из воздухонагревателя 500 значительно выше - 43%, по сравнению с 23% в обычном режиме работы. Затраты на единицу веса улавливаемого СО₂ для обычных методов улавливания углерода значительно понижаются, так как концентрация СО₂ повышается от низких уровней до уровня ориентировочно 50-60%. Повышение концентрации выше указанных значений будет обеспечивать меньше доходов. В результате, затраты на этап улавливания углерода для обработки топочных газов воздухонагревателя могут быть значительно уменьшены на единицу веса улавливаемого СО₂, когда используют высококислородный окислитель в соответствии с настоящим изобретением.

Согласно очень предпочтительному варианту воплощения существующая обычная воздушная горелка, которую ранее применяли для нагревания существующего воздухонагревателя 500, является первоначальным этапом, замещенным подводом 516 топлива и входным отверстием 513 для рециркулирующих газообразных продуктов сжигания, и топливо затем сжигают с описанным выше высококислородным окислителем. С этой целью предпочтительно то, что окислитель подвергают предварительному смешиванию с рециркулирующими газообразными продуктами сжигания. Альтернативно предпочтительно то, что такое предварительное смешивание комбинируют с одним или несколькими соплами, как описано выше.

Фиг.6 представляет собой обзорную иллюстрацию другого предпочтительного варианта воплощения настоящего изобретения, показывающую воздухонагреватель 600 доменной печи с камерой 601 сжигания, огнеупорным материалом 602, каналом 606, трубопроводом 610 для рециркулирующих газообразных продуктов сжигания, устройством 611 рециркуляции, трубопроводом 616 подачи топлива, устройством 617 подачи топлива и подводом 618 топлива.

Окислитель подают посредством трубопровода 613 подачи окислителя и устройства 614 подачи окислителя в сопло для окислителя, размещенное так, что его отверстие 615 расположено рядом с соплом 612 для подачи рециркулирующих газообразных продуктов сжигания, поданных из устройства рециркуляции 611. Предпочтительно сопло для окислителя двигается коаксиально с входом 612 рециркулирующего дымового газа. Таким же образом, как функционирование коаксиального отверстия 416 сопла, описанного в связи с фигурой 4, такое размещение по соседству, особенно коаксиальное, будет интенсивно вовлекать рециркулирующие газообразные продукты сжигания в зону горения посредством эжекторного действия на часть высокоскоростного окислителя, увеличивая рециркуляцию дымового газа в камере 601 сжигания. В то же время нет необходимости для отдельного продвигающего устройства в циркуляционном устройстве 611, поскольку рециркулирующие газообразные продукты сжигания будут продвигаться за счет эжекторного действия в отверстии 615 сопла.

Вариант, показанный на фиг.6, преимущественно комбинируют с дополнительным соплом для окислителя, снабжающим дополнительным окислителем в месте в зоне горения, расположенном на расстоянии от отверстия 615 сопла, таким образом достигая ступенчатого сжигания в зоне горения.

Как указано выше, к тому же предпочтительно то, что воздухонагреватель 300, 400, 500, 600 соединен с соответственным устройством улавливания углерода 350, 450, 550, 650, который может быть обычным per se, отделяющим устройством для диоксида углерода из газообразных продуктов сжигания, вентилируемых из воздухонагревателя, перед тем как газообразные продукты сжигания выпускают в окружающую среду.

Когда наработка воздухонагревателя доменной печи достигает его ожидаемого срока службы, предпочтительно применять к воздухонагревателю один из описанных здесь вариантов воплощения или комбинацию нескольких из них.

Таким образом, срок службы воздухонагревателя может быть продлен при работе с более низкими температурами пламени, с поддерживаемыми производительностями, исходя из дутья воздуха, с большей экономией и меньшими выбросами.

Таким образом, способ согласно настоящему изобретению будет давать возможность воздухонагревателю доменной печи работать только на низкосортном топливе, таком как колошниковый газ доменной печи, без необходимости обогащения топливом с более высокой теплотворной способностью и без опасности разрушения воздухонагревателя, вызванного температурой, несмотря на то, что получаются топочные газы, которые больше подходят для улавливания углерода. Вдобавок это позволяет продлить срок службы воздухонагревателя.

Если применяют достаточную рециркуляцию газообразных продуктов сжигания, то возможно также достигать такого же количества и качества воздушного дутья в существующем воздухонагревателе, который преобразуют согласно тому, что было описано выше, для работы с высококислородным окислителем, и в воздухонагревателе, который обеспечивают приспособлением для рециркуляции дымового газа, описанного в связи с фиг.5 или 6.

Выше были описаны предпочтительные варианты воплощения. Однако специалистам будет очевидно, что могут быть сделаны многие модификации описанных вариантов воплощения без отступления от идеи настоящего изобретения.

Например, любой из способов создания рециркуляции газообразных продуктов сжигания, как описано в связи с фиг.4-6, может преимущественно дополняться одним или несколькими соплами для окислителя, как описано в связи с фиг.3.

Более того, способ продвигаемых за счет эжекции рециркулирующих газообразных продуктов сжигания, как описано в связи с фиг.6, может быть преимущественно совмещен с предварительным смешиванием с определенным количеством высококислородного окислителя в некоторой степени, подобно способу, описанному в связи с фиг.5.

Также продвижение за счет эжекции предварительно смешанных или не смешанных рециркулирующих газообразных продуктов сжигания, как описано в связи с фиг.6, может преимущественно комбинироваться с продвижением эжектором низкосортного топлива, как описано в связи с фиг.4.

Таким образом, изобретение не ограничено описанными вариантами воплощения, но может меняться в пределах объема прилагаемой формулы изобретения.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу нагревания воздухонагревателя доменной печи. Способ включает сжигание топлива с низшей теплотворной способностью 9 МДж/нм³ или менее в зоне горения, расположенной в камере сжигания в воздухонагревателе. Газообразные продукты сжигания протекают через огнеупорный материал в воздухонагревателе и нагревают его. Топливо сжигают с окислителем, содержащим по меньшей мере 85% кислорода, при этом обеспечивают рециркуляцию газообразных продуктов сжигания в зону горения с возможностью разбавления в ней смеси топлива и окислителя для обеспечения беспламенного горения. Использование изобретения обеспечивает увеличение срока службы воздухонагревателя. 14 з.п. ф-лы, 6 ил., 3 табл.

1. Способ нагрева воздухонагревателя (300, 400, 500, 600) доменной печи, включающий сжигание топлива с низшей теплотой сгорания 9 МДж/нм³ или менее в зоне горения, расположенной в камере (301, 401, 501, 601) сжигания в воздухонагревателе с обеспечением протекания газообразных продуктов сжигания через огнеупорный материал (302, 402, 502, 602) в воздухонагревателе и его нагрева, отличающийся тем, что топливо сжигают с окислителем, содержащим по меньшей мере 85% кислорода, и обеспечивают рециркуляцию газообразных продуктов сжигания в зону горения с возможностью разбавления в ней смеси топлива и окислителя для обеспечения беспламенного горения.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обеспечивают газообразным продуктам сжигания самостоятельную рециркуляцию из камеры (301, 401) сжигания, причем извне части камеры сжигания, занимаемой зоной горения, при этом окислитель подают к зоне горения с высокой скоростью через сопло (310, 311, 312) с возможностью вовлечения газообразных продуктов сжигания в зону горения и с возможностью разбавления в ней смеси топлива и окислителя для обеспечения беспламенного горения.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что окислитель вдувают со скоростью по меньшей мере 200 м/с.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что окислитель вдувают, по меньшей мере, со скоростью звука.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что отверстие (416) сопла размещают соседним с впускным отверстием для топлива (413) с возможностью вовлечения топлива в зону горения с помощью эжекторного действия.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что окислитель дополнительно подают в камеру (301) сжигания ниже по потоку от входного отверстия для топлива (413) с обеспечением ступенчатого сжигания в зоне горения.

7. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что на первоначальном этапе окислитель инжектируют через одно или несколько высокоскоростных сопел, которыми дополняют воздушную горелку, обеспечивающую горение в камере сжигания.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что газообразные продукты сжигания после протекания через огнеупорный материал (502, 602) рециркулируют обратно в зону горения.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что рециркулируемые газообразные продукты сжигания предварительно смешивают с упомянутым окислителем перед вхождением в зону горения.

10. Способ по п. 8 или 9, отличающийся тем, что газообразные продукты сжигания рециркулируют в достаточном количестве для обеспечения общего процентного содержания кислорода по объему от инертной части атмосферы в камере (501, 601) сжигания без учета неинертных компонентов топлива на уровне, равном или менее чем 12 об.%.

11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на первоначальном этапе осуществляют подачу топлива в камеру сжигания через входное отверстие (516) и осуществляют рециркуляцию газообразных продуктов сжигания с окислителем, которые подают через входное отверстие (513), при этом топливо сжигают с упомянутым окислителем.

12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что осуществляют рециркуляцию газообразных продуктов сжигания в достаточном количестве для поддержания массового расхода газа в единицу времени через огнеупорный материал (502, 602) на уровне, который является, по меньшей мере, таким же, как массовый расход газа в единицу времени, который обеспечивают при эксплуатации воздухонагревателя без рециркуляции продуктов сжигания.

13. Способ по п. 11, отличающийся тем, что осуществляют рециркуляцию газообразных продуктов сжигания в достаточном количестве для поддержания температуры пламени на уровне, который является таким же или ниже, и переноса тепловой энергии к огнеупорному материалу (502, 602) на уровне, который является таким же или выше, чем температура пламени и количество тепловой энергии в единицу времени соответственно, которые обеспечиваются при эксплуатации воздухонагревателя без рециркуляции.

14. Способ по п. 1, отличающийся тем, что топливом является колошниковый газ из доменной печи.

15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что колошниковый газ доменной печи отбирают из доменной печи, в которую подают горячий воздух из воздухонагревателя (300, 400, 500, 600).