СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ПОДАЧИ ДУТЬЯ В ДОМЕННУЮ ПЕЧЬ Российский патент 2018 года по МПК C21B5/06 F27D17/00 

Настоящее изобретение относится к способу и установке для подачи дутья в доменную печь.

Как правило, при применении горячего воздушного дутья в печь вводится азот, который должен быть удален из колошникового газа доменной печи, если должны использоваться технологии улавливания и хранения углерода. Один подход к проблеме удаления азота из колошникового газа был описан авторами G. Zuo и A. Hirsch в работе «SP10-Top Gas Recycling Blast Furnace no2-3» («Доменная печь с рециркуляцией колошникового газа»), Proceedings of 4^th ULCOS Seminar («Труды 4-го семинара по доменному процессу ULCOS»), 1-2 октября 2008 года. В этой статье вместо предварительно нагретого воздуха используют кислород, и обогащенный монооксидом углерода колошниковый газ повторно вдувают в доменную печь.

Патентный документ US 4877013 описывает размещение подогревателя горячего дутья с многочисленными подогревателями горячего дутья, действующими попеременно во время фазы нагревания и фазы дутья. Теплообменник отводит тепло от холодного дутья в магистрали холодного дутья перед подачей холодного дутья в подогреватели.

Патентный документ JP 2012031495 описывает создание горячего дутья из многочисленных печей горячего дутья, включающее сгорание рециркуляционного отходящего газа.

Патентный документ JP S57137407 описывает применение теплообменника в регенерационной камере подогревателя горячего дутья.

Автор Peter Heinrich в работе «Heat recovery in blast furnace stove plants» («Рекуперация тепла в кауперах доменной печи»), MPT-Metallurgical Plant and Technology, № 3, 1 января 1982 года (1982-01-01), страница 10, ХР001408316, описывает применение рекуперации тепла из отходящих газов подогревателей в кауперах доменной печи.

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения установка для подачи дутья в доменную печь включает многочисленные подогреватели дутья, причем каждый подогреватель включает подвод холодного дутья, подвод топлива, воздухоподвод, отвод горячего дутья, и один или более отводов отходящего газа; и рекуператор отходящего тепла, соединенный с подачей топлива, отводы отходящего газа подогревателя; подводы топлива и подводы холодного дутья подогревателя; причем отводы отходящего газа подогревателя соединены с подводами холодного дутья через компрессор, посредством чего отходящий газ подогревателя подается от одного подогревателя через рекуператор отходящего тепла и компрессор в качестве холодного дутья к еще одному подогревателю.

В рабочем режиме выходной отвод отходящего газа одного подогревателя, который находится в режиме подачи газа, соединен с подводом холодного дутья еще одного подогревателя, который действует в режиме дутья, и подает отходящий газ через рекуператор отходящего тепла на подвод холодного дутья как холодное дутье.

Предпочтительно установка дополнительно включает вентиляционную трубу для отходящего газа между рекуператором отходящего тепла и подводами холодного дутья.

Предпочтительно установка дополнительно включает вентилятор отходящего газа, действующий при давлении ниже давления дутья. Вентилятор отходящего газа может быть размещен между выходным патрубком отходящего газа подогревателя и рекуператором отходящего тепла, но предпочтительно вентилятор отходящего газа размещают между рекуператором отходящего тепла и подводами холодного дутья. Это упрощает изготовление, так как тогда вентилятор не должен быть выдерживающим такие высокие температуры.

Предпочтительно компрессор размещен между вентилятором и подводами холодного дутья.

Предпочтительно установка дополнительно включает СО₂-регенератор для регенерации СО₂ из дутья, прежде чем оно будет подано в доменную печь.

Регенератор может быть размещен между компрессором и подводами холодного дутья для регенерации СО₂ из холодного дутья, но предпочтительно регенератор позиционируют между патрубками горячего дутья и доменной печью.

Предпочтительно установка дополнительно включает доменную печь и соединительный трубопровод между доменной печью и рекуператором отходящего тепла для передачи чистого рециркуляционного колошникового газа в рекуператор отходящего тепла.

Предпочтительно установка дополнительно включает подачу кислорода между вентилятором отходящего газа и воздухоподводами подогревателей.

В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения способ подачи дутья в доменную печь включает стадии, в которых выводят отходящий газ подогревателя из первого подогревателя горячего дутья; охлаждают отходящий газ в рекуператоре отходящего тепла; сжимают охлажденный газ; подают охлажденный сжатый отходящий газ во второй подогреватель горячего дутья в качестве холодного дутья; нагревают холодное дутье во втором подогревателе и подают нагретое холодное дутье в качестве горячего дутья в доменную печь.

Предпочтительно способ дополнительно включает стадии, в которых подают очищенный колошниковый газ из доменной печи в рекуператор тепла для нагревания очищенного колошникового газа в рекуператоре отходящего тепла теплом от охлаждения отходящего газа подогревателя; и подают нагретый очищенный колошниковый газ в подогреватель в качестве топлива.

Предпочтительно способ дополнительно включает стадии, в которых разделяют охлажденный отходящий газ на два потока; подают кислород в первый поток и подают насыщенный кислородом поток в первый подогреватель в качестве источника воздуха; и сжимают второй поток и подают второй поток во второй подогреватель в качестве холодного дутья.

Предпочтительно способ дополнительно включает регенерацию СО₂ из дутья перед тем, как оно поступает в доменную печь.

Теперь будет описан один пример способа и установки согласно настоящему изобретению со ссылкой на сопроводительные чертежи, в которых:

Фигура 1 иллюстрирует работу традиционного доменного цеха;

Фигура 2 иллюстрирует первый вариант исполнения доменного цеха, адаптированный согласно настоящему изобретению;

Фигура 3 иллюстрирует альтернативный вариант исполнения доменного цеха, адаптированный согласно настоящему изобретению;

Фигура 4 иллюстрирует вариант исполнения согласно Фиг. 3, модифицированный с включением регенерации диоксида углерода из отходящего газа подогревателя.

Фигура 5 иллюстрирует работу системы согласно Фиг. 2 или Фиг. 3 без рекуператора отходящего тепла; и

Фигура 6 иллюстрирует работу системы согласно Фигурам 2, 3 или 4 с рекуператором отходящего тепла.

В настоящем изобретении может использоваться отходящий газ из подогревателей в качестве альтернативного источника горячего дутья для доменной печи. Заменой традиционного воздушного дутья на отходящий газ из процесса сгорания в подогревателе, который является легкодоступным на месте эксплуатации, снижается содержание азота в колошниковом газе и возрастает содержание диоксида углерода в конечном газе, выводимом из доменной печи, делая его более пригодным для улавливания и хранения углерода (улавливания и связывания углерода). Кислород может быть добавлен к потоку холодного дутья, чтобы сжигать кокс в печи.

Фигура 1 иллюстрирует традиционный доменный цех, включающий доменную печь 1, загрузочный механизм 2, 3, 9 для подачи материала в доменную печь и серию подогревателей (кауперов) 4, 5, 6 горячего дутья для подачи горячего дутья в доменную печь. Подогреватели горячего дутья могут представлять собой кауперы с внутренней или внешней камерой сгорания. В любое время один подогреватель, в этом примере подогреватель 4, действует в режиме дутья и по меньшей мере один из других подогревателей 5, 6 находятся в режиме подачи газа. Когда первый подогреватель находится в режиме дутья, тогда управляющее устройство переключает на следующий подогреватель, готовый для начала работы в режиме дутья, но для простоты на этой фигуре показаны не все трубопроводы и соединения. Топливо 17 подается в подогреватели 5, 6, которые действуют в режиме подачи газа, вместе с воздухом от компрессора 18.

Необходимые материалы, в том числе железная руда и кокс, подаются из бункеров 2 в регулируемых количествах и порядке через взвешивающие устройства 3 в складском помещении (не показано) на загрузочное устройство 8 на верху печи, например, ленточным транспортером 9. Когда партия загружаемого материала вводится в печь 1, она падает вниз и подвергается преобразованию в разнообразных химических реакциях перед тем, как достигнет горна печи. Кокс, когда он встречается с воздухом 7 горячего дутья из положения вблизи горна печи, выделяет тепло. В результате разнообразных химических реакций образуются чугун и шлак и выводятся из печи при пробивании леток в печи и выпуском чугуна 20 и шлака 21 через перемычку (не показана) для отделения более тяжелого расплавленного чугуна от расплавленного шлака и выведения их по отдельности для дальнейшей обработки вне литейного цеха.

Печь 1 оснащена верхним колошником 10, чтобы закрывать печь от загрузочного устройства, и разнообразными отводными трубопроводами 11 для направления колошниковых газов, образованных при реакциях в печи, в нисходящий газопровод 19. Стравливающие клапаны 13 предназначены для возможности выпуска колошниковых газов из доменной печи, чтобы защитить колошник печи от внезапных изменений давления газа. Колошниковые газы проходят через нисходящий газопровод 19, пылеуловитель или циклон 14 и скруббер 15 Вентури для очистки их от дисперсного материала. Очищенный колошниковый газ доменной печи, который может содержать азот, диоксид углерода и монооксид углерода, используется в процессе сгорания в подогревателях с помощью воздуха 18 для горения, подводимого в подогреватели. Очищенный колошниковый газ возвращается 22, 17 в подогреватели 5, 6 горячего дутья для сгорания, чтобы нагревать кауперы. Огнеупорная футеровка каждого подогревателя в режиме подачи газа нагревается теплом от сгорания очищенного газа. Подогреватель в режиме дутья получает воздух через магистраль 12 холодного дутья, и этот воздух воспринимает тепло от огнеупорной футеровки с созданием горячего дутья 7, которое подается в доменную печь 1 вблизи ее горна. В процессе нагревания подогревателей, во время фазы подачи газа, образуются отходящие газы. Эти отходящие газы затем выпускаются наружу через дымовую трубу 34.

Чтобы сократить количество отходящего газа, выпускаемого в атмосферу, и более эффективно использовать ресурсы, один вариант осуществления настоящего изобретения модифицирует традиционный доменный цех несколькими путями, как иллюстрировано на Фиг. 2. Вместо простого выпуска 34 всех отходящих газов из цикла сгорания в подогревателях отходящий газ 23 подогревателя сначала используют в газо-газовом теплообменнике 30 для рекуперации отходящего тепла. Очищенный колошниковый газ 22b доменной печи нагревается в теплообменнике, и нагретый колошниковый газ 37 используется для сгорания в подогревателе 5 с помощью воздуха от вентилятора 18. Результат прохода через теплообменник 30 состоит в охлаждении отходящего газа 23 подогревателя, и затем по меньшей мере некоторая часть охлажденного газа направляется вентилятором 31 отходящего газа, работающим при относительно низком давлении, то есть ниже давления в доменной печи (типично вентилятор имеет выходное давление ниже 0,5 кг/см²) в подвод 35 вентилятора/компрессора доменной печи, который сжимает охлажденный отходящий газ 33 до давления дутья, и подает сжатый газ 36 на подвод 38 подогревателя 4, который находится в режиме дутья. Температура отходящего газа подогревателя после прохода через теплообменник составляет ниже 200 градусов Цельсия, возможно, даже ниже 150 градусов Цельсия. Хотя вентилятор 31 мог бы быть размещен между выходным патрубком отходящего газа подогревателя и теплообменником, это было бы более дорогостоящим и усложненным в плане изготовления, поскольку газ в этом месте все еще остается горячим, до 400°С, и потребовался бы вентилятор, который способен выдерживать эти температуры. Контрольные клапаны (не показаны) регулируют количество и синхронизацию подачи газа. Охлаждением отходящего газа в теплообменнике можно обеспечить фиксированную, или предварительно заданную, температуру холодного дутья 36, от которой при нагревании в подогревателе обычным путем получают горячее дутье 39 при желательной температуре. Охлаждение в теплообменнике 30 также обеспечивает то, что газ 33, поступающий в вентилятор 35, не находится при температуре, которая вызывала бы повреждение вентилятора. Клапан 32 регулирует количество отходящего газа 33, направляемого в вентилятор/компрессор 35 или выпускаемого 34 наружу. В начале производства отходящий газ 33 непригоден для применения и должен быть выпущен 34, в течение какового времени компрессор 35 сжимает окружающий воздух 50 для создания холодного дутья 36. Совокупные выбросы сокращаются тем, что не все отходящие газы выпускаются в дымовую трубу 34. Трубопроводная система установки приспособлена для действия с таким холодным дутьем, которое получается из отходящего газа подогревателей, которые являются слегка закисленными.

Горячее дутье, образованное этим путем, содержит азот и диоксид углерода и также может быть обогащено кислородом, но дутье имеет более высокое содержание диоксида углерода и более низкое содержание азота, чем при использовании только воздушного дутья, так что содержание диоксида углерода в конечном выходном газе является более высоким и поэтому более пригодным для улавливания углерода, связывания углерода. В дополнение, при начальном состоянии с некоторым содержанием диоксида углерода в дутьевом газе может быть сокращено количество сырьевого углерода, необходимого в протекающих в печи реакциях. Обогащенный углеродом дутьевой газ также обусловливает более сильнодействующий обогревающий газ, когда обогащенный диоксидом углерода колошниковый газ повторно используется для сгорания, так что может быть сокращено количество обогащенного газа. В некоторых случаях доля горячего дутья, которое создается по этому механизму, может быть отрегулирована и объединена с воздушным дутьем для получения желательных свойств дутьевого газа. Некоторое количество диоксида углерода может быть отведено в дымовую трубу 34 через клапан 32, как было описано выше, и существующее расщепление или улавливание углерода использовано для удаления диоксида углерода.

На Фиг. 3 иллюстрирован дополнительный вариант исполнения с использованием отходящего газа подогревателей в качестве дутья. В дополнение к применению отходящего газа 23 подогревателей в качестве дутьевого газа 36 часть потока отходящего газа подогревателя после охлаждения в теплообменнике 30 может быть использована в качестве носителя 49 для чистого кислорода 48, добавляемого в горючий колошниковый газ 37 печи для сгорания в подогревателях. Сначала, когда начинается производство, подается воздух 40 для горения, но это прекращают, когда в рабочий цикл поступает рециркуляционный колошниковый газа 40 доменной печи. В этом примере подогреватель № 2 находится в режиме подачи газа, и, как только становится доступным очищенный газ 37 из доменной печи, который был пропущен через теплообменник 30, он поступает непосредственно в подогреватель 5. Некоторое количество отходящего газа 23 подогревателя после прохода через теплообменник 30 и вентилятор 31 отходящего газа направляется на подвод подогревателя 5, и некоторое количество отходящего газа подогревателя пропускается через вентилятор/компрессор 35, создающий сжатый газ для холодного дутья 36, чтобы быть нагретым в подогревателе 4, действующем в режиме дутья. Пока начинает генерироваться отходящий газ подогревателя и имеется достаточное количество отходящего газа подогревателей для рециркуляции, окружающий воздух или холодное дутье 50 сжимается компрессором 35 и подается в подогреватель, действующий в режиме дутья. Горячее дутье 39 подается в доменную печь, как раньше.

Дополнительный признак, который может быть использован в комбинации с вариантами осуществления настоящего изобретения, показанными на фигурах 2 и 3, состоит в проведении регенерации диоксида углерода из отходящего газа подогревателя, который используется в качестве дутья для доменной печи, перед поступлением в печь на уровне фурм горна. Это иллюстрировано на Фиг. 4. Поток диоксида углерода представляет собой замену для традиционного горячего дутья из окружающего воздуха. Регенератор 51 размещают между подогревателями 4, 5, 6 и печью 1 для обработки горячего дутья 39, которое было генерировано из отходящего газа подогревателей. Это горячее дутье содержит диоксид углерода. СО₂ извлекают из горячего дутья, затем сжимают, нагретый поток диоксида углерода сжигают вместе с углеродсодержащим топливом 52, таким как уголь, в резервуаре под давлением, с использованием кислорода 48, для регенерации монооксида углерода 54 при сгорании СО₂ до СО, приводящем к потоку 54 восстановительного газа перед подачей в кольцевой трубопровод доменной печи, на входные патрубки фурм горна. Поток восстановительного газа скорее непосредственно подается в печь, нежели формируется в печи. В результате этого можно сэкономить количество сырьевого углерода, необходимого в протекающих в печи реакциях. Горячий сжатый монооксид углерода создается в заплечиках печи, в секции между горном и вертикальной шахтой, которая является протяженной до верха печи, без реагирования кокса в доменной печи.

Все же еще может понадобиться добавление кокса в печь, как и кислорода, так как регенерированный СО не является полной заменой для кокса на уровне фурм. Это может быть желательным для регулирования уровня содержания кислорода перед печью, чтобы предотвратить воспламенение перед печью. В потоке горячего дутья могут оставаться несколько процентов СО₂. В иной ситуации, нежели пусковой режим, как было описано выше, который может иметь место не более раза в неделю, нет необходимости в выпуске отходящего газа 23 подогревателей через дымовую трубу 34, тем самым сокращая выбросы СО₂. Хотя рециркуляция колошникового газа печи и регенерация СО₂ из отходящего газа подогревателей не являются на 100% эффективными, для печи требуется меньшее количество свежего углерода, так что сокращается показатель «кг/тонну», требуемый для производства чугуна.

Как иллюстрировано на Фиг. 4, регенерация СО₂ включает топливо 52, подаваемое по трубопроводу 53 в регенератор 51, и кислород 48, подводимый в регенератор по трубопроводу 55. Горячее дутье 54 после прохода через регенератор 51 поступает в доменную печь 1. Будет понятно, что для простоты показаны не все соединения, как и не все трубопроводы в действии на каждой стадии процесса. В этом примере регенератор 51 показан между выходным патрубком подогревателей горячего дутья и доменной печью 1. Преимущество этого положения состоит в том, что процесс является более эффективным, когда проводится при горячем дутье 39. В качестве альтернативы регенератор может быть позиционирован после компрессора 35 перед поступлением в подогреватели. Отходящий газ (23) из подогревателей (4, 5, 6) содержит СО₂, и проходит через теплообменник (30) и поступает в компрессор (35). При размещении регенератора между компрессором (35) и доменной печью (1) регенератор все еще способен преобразовывать СО₂ обратно в СО. Преимущество этого положения состоит в том, что расчетная температура оборудования, включающего регенератор, является меньшей, чем требуемая, если регенератор действует на горячем дутье. Хотя это не показано на фигурах, вариант исполнения согласно Фиг. 2 также может быть модифицирован для размещения регенератора в одном из упомянутых выше положений.

Применение отходящего газа подогревателей в качестве дутья и регенерация СО₂ представляют собой признаки, которые могут быть введены как модификации на местах существующих кауперов добавлением стадий рекуперации отходящего тепла, нагнетания и регенерации.

Фигуры 5 и 6 иллюстрируют действие применения рекуперации отходящего тепла на тепловой баланс и температуру конкретных компонентов и газовых потоков. Результаты согласно Фиг. 5 действительны для традиционной установки, и результаты в Фиг. 6 соответствуют установке с использованием рекуперации отходящего тепла. На обеих фигурах «41» представляет температуру холодного дутья в °С; «42» представляет температуру отходящего газа подогревателя в °С; «43» представляет температуру горячего дутья в °С; «44» представляет температуру на входе в вентилятор; и «45» представляет температуру на выходе вентилятора. На Фиг. 5 рекуперация тепла не применяется, что типично для традиционной установки, такой как на Фиг. 1, и можно видеть, что температуры быстро возрастают до уровня, не далекого от горячего дутья. На Фиг. 6 имеет место рекуперация отходящего тепла, такая как описана в отношении фигур 2, 3 и 4, и после ограниченного подъема температуры стабилизируются на одном уровне, так что холодное дутье происходит по существу при постоянной температуре, существенно более низкой, чем требуется для горячего дутья.

Изобретение относится к способу и установке для подачи дутья в доменную печь. Установка для подачи дутья в доменную печь (1) содержит многочисленные подогреватели (4, 5, 6) горячего дутья, причем каждый подогреватель имеет подвод холодного дутья, подвод топлива, воздухоподвод, отвод горячего дутья и один или более отводов отходящего газа, рекуператор (30) отходящего тепла, соединенный со средством подачи топлива для передачи рециркуляционного колошникового газа в рекуператор, содержащим соединительный трубопровод между доменной печью и рекуператором, причем рекуператор соединен с отводами отходящего газа подогревателей, непосредственно соединен с подводами топлива подогревателей и соединен с подводами холодного дутья подогревателей, компрессор, соединяющий отводы отходящего газа подогревателей с подводами холодного дутья подогревателей, посредством чего отходящий газ из одного подогревателя (5) подается через рекуператор отходящего тепла и компрессор в качестве холодного дутья в другой подогреватель (4). Изобретение обеспечивает сокращение выпускаемого в атмосферу количества отходящего газа и эффективное использование ресурсов. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Установка для подачи дутья в доменную печь, содержащая

многочисленные подогреватели горячего дутья, причем каждый подогреватель имеет подвод холодного дутья, подвод топлива, воздухоподвод, отвод горячего дутья, и по меньшей мере один отвод отходящего газа,

рекуператор отходящего тепла, соединенный со средством подачи топлива для передачи рециркуляционного колошникового газа в рекуператор, содержащим соединительный трубопровод между доменной печью и рекуператором отходящего тепла для передачи рециркуляционного колошникового газа в рекуператор, причем рекуператор соединен с отводами отходящего газа подогревателей, непосредственно соединен с подводами топлива подогревателей и соединен с подводами холодного дутья подогревателей,

компрессор, соединяющий отводы отходящего газа подогревателей с подводами холодного дутья подогревателей, посредством чего отходящий газ из одного подогревателя в качестве холодного дутья подается через рекуператор отходящего тепла и компрессор в другой подогреватель.

2. Установка по п.1, дополнительно содержащая вентиляционную трубу для отходящего газа между рекуператором отходящего тепла и подводом холодного дутья подогревателей.

3. Установка по п.1 или 2, дополнительно содержащая вентилятор отходящего газа между рекуператором отходящего тепла и подводом холодного дутья подогревателей.

4. Установка по п.3, в которой компрессор размещен между вентилятором и подводом холодного дутья подогревателей.

5. Установка по п.1, дополнительно содержащая регенератор для регенерации СО из дутья перед подачей в доменную печь.

6. Установка по п.5, в которой регенератор позиционирован между выходным патрубком горячего дутья и доменной печью.

7. Установка по п.1, дополнительно содержащая средство подачи кислорода между вентилятором отходящего газа и воздухоподводами подогревателей.

8. Способ подачи дутья в доменную печь, включающий стадии, на которых:

выводят отходящий газ подогревателя из первого подогревателя горячего дутья;

охлаждают отходящий газ в рекуператоре отходящего тепла;

сжимают охлажденный газ;

подают охлажденный сжатый отходящий газ во второй подогреватель горячего дутья в качестве холодного дутья;

нагревают холодное дутье во втором подогревателе и подают нагретое холодное дутье в качестве горячего дутья в доменную печь.

9. Способ по п.8, дополнительно включающий стадии, на которых:

подают очищенный колошниковый газ из доменной печи в рекуператор тепла для нагревания очищенного колошникового газа в рекуператоре отходящего тепла теплом от охлаждения отходящего газа подогревателя; и

подают нагретый очищенный колошниковый газ в подогреватель в качестве топлива.

10. Способ по п.8 или 9, дополнительно включающий стадии, на которых:

разделяют охлажденный отходящий газ на два потока;

подают кислород в первый поток и подают насыщенный кислородом поток в воздухоподвод первого подогревателя в качестве источника воздуха; и

сжимают второй поток и подают второй поток во второй подогреватель в качестве холодного дутья.

11. Способ по п.8, дополнительно включающий регенерацию СО преобразованием СО₂ из дутья перед поступлением в доменную печь.