專利名稱:高爐爐頂氣回收系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型通常涉及高爐氣的處理，更特別地，涉及從膨脹渦輪機(jī)中的高爐爐頂氣壓力中回收氣能。
背景技術(shù)：
如本領(lǐng)域公知，高爐爐頂氣是在用焦炭和/或其他燃料將鐵礦石還原為金屬鐵時產(chǎn)生的高爐副產(chǎn)品。高爐爐頂氣通常被用作鋼鐵廠的燃料，但其也可在鍋爐和發(fā)電設(shè)備中燃燒。爐頂氣也可在燃燒之前與天然氣或焦?fàn)t煤氣混合，或者具有較高熱值氣體或油的燃燒支持物被提供進(jìn)來以維持燃燒。
而且已知，幾十年以來，高爐(BF)都是在內(nèi)部過壓下工作的，借助爐子的適當(dāng)尺 寸，這允許材料和能量的轉(zhuǎn)化的顯著增加，因此生鐵的產(chǎn)量增加。
在內(nèi)部過壓下工作當(dāng)然還意味著與設(shè)備和運行相關(guān)的顯著增加的成本。更具體地，這會要求在冷鼓風(fēng)壓縮機(jī)中產(chǎn)生具有適宜供應(yīng)壓力級的增壓空氣，從而形成所謂的冷鼓風(fēng)，冷鼓風(fēng)隨后在熱風(fēng)爐(或Cowper，考貝式熱風(fēng)爐)中加熱到高溫級，且形成的熱鼓風(fēng)被吹入高爐中。
另外，對于過壓下操作來說典型之處在于，從高爐頂部排出的氣體(也就是爐頂氣或高爐氣體)處于顯著高于大氣壓的壓力下。然而，該爐頂氣仍然含有可燃燒成分(主要是一氧化碳，和較少量的氫氣)，并可用作低熱值燃燒氣體以供產(chǎn)生熱能或機(jī)械能以及電倉泛。
離開高爐的爐頂氣攜帶相當(dāng)量的固體物質(zhì)，主要是灰塵形式的固體物質(zhì)。在爐頂氣的任何后續(xù)利用之前，均要求除去固體材料。傳統(tǒng)上這是在高爐設(shè)備的氣體凈化子設(shè)備實現(xiàn)的，通常包括首先，干法分離設(shè)備(dry separation equipment)-具有重力分離器(除塵器)和/或軸流旋風(fēng)分離器(axial cyclone)-和隨后的濕法精細(xì)凈化裝置(濕分離器)。由于濕法凈化，爐頂氣溫度要降低約100°C，處于水蒸氣飽和狀態(tài)并包括額外的液態(tài)水滴。
人們早就已知道，在凈化后，除了利用爐頂氣的熱能以外，還將增壓的BF爐頂氣的氣能回收在膨脹渦輪機(jī)中。在該膨脹渦輪機(jī)中，爐頂氣膨脹從而接近大氣壓同時產(chǎn)生機(jī)械功。膨脹渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子例如可連接到發(fā)電機(jī)、冷鼓風(fēng)壓縮機(jī)、或任何其他負(fù)載。
如現(xiàn)在已知的那樣，這類膨脹渦輪機(jī)(也稱為爐頂壓力回收渦輪機(jī)-TRT)的效率可通過在該凈化(且因此被冷卻)的爐頂氣剛進(jìn)入渦輪機(jī)之前加熱該爐頂氣而增加。這在例如，JP 62074009中記載。雖然對凈化的爐頂氣進(jìn)行加熱對TRT效率來說是令人期望的，但膨脹的爐頂氣具有較高的出口溫度。這對于諸如熱電站用戶來說是個問題，爐頂氣會在高于預(yù)期的溫度下到達(dá)用戶那里。

實用新型內(nèi)容

本實用新型的目的是提供改進(jìn)的高爐爐頂氣回收系統(tǒng)。[0010]根據(jù)本實用新型，提供了一種高爐爐頂氣回收系統(tǒng)，其包括膨脹渦輪機(jī)，高爐氣在所述膨脹渦輪機(jī)中膨脹并向耦接至渦輪機(jī)輸出軸的負(fù)載提供機(jī)械功；爐頂氣凈化單元和連接至所述膨脹渦輪機(jī)并位于其上游的預(yù)加熱單元；按順序連接所述爐頂氣凈化單元、預(yù)加熱單元、和膨脹渦輪機(jī)的管線系統(tǒng)，其中，熱交換器位于所述爐頂氣凈化單元與所述預(yù)加熱單元中間的管線系統(tǒng)中以便加熱所述爐頂氣氣流，其中所述熱交換器包括放熱側(cè)，該放熱側(cè)的進(jìn)口與所述膨脹渦輪機(jī)的出口連通。
具體地，根據(jù)本實用新型一個方面的高爐爐頂氣回收系統(tǒng)包括爐頂氣凈化單元/設(shè)備，調(diào)節(jié)高爐釋放的爐頂氣；熱交換器，包括吸熱側(cè)和放熱側(cè)(每側(cè)都有進(jìn)口和出口)，其中第一管線連接所述爐頂氣凈化設(shè)備的出口與所述熱交換器吸熱側(cè)的進(jìn)口 ；預(yù)加熱單元，其具有進(jìn)口，該進(jìn)口經(jīng)第二管線連接至所述熱交換器的所述放熱側(cè)的出口 ；膨脹渦輪機(jī)，其具有進(jìn)口和出口，其進(jìn)口經(jīng)第三管線連接至所述預(yù)加熱單元的出口，其出口經(jīng)第四管線連接至所述熱交換器的放熱側(cè)的進(jìn)口 ；負(fù)載，連接至膨脹渦輪機(jī)的輸出軸(轉(zhuǎn)子)。
根據(jù)本實用新型，離開TRT設(shè)備中膨脹渦輪機(jī)的膨脹BF爐頂氣被用作熱交換器的 熱源，所述熱交換器位于爐頂氣凈化單元/設(shè)備與膨脹渦輪機(jī)上游的(傳統(tǒng))預(yù)加熱單元中間。換句話說，膨脹渦輪機(jī)下游的膨脹爐頂氣流的余熱被用來加熱(預(yù)熱)膨脹渦輪機(jī)上游的凈化爐頂氣流。
TRT設(shè)備中BF爐頂氣的循環(huán)方案被證明有顯著優(yōu)點。首先，其允許增加渦輪機(jī)進(jìn)口處的凈化BF爐頂氣的溫度，這是因為熱量可在渦輪機(jī)下游的熱交換器中被去除，因此，凈化的、膨脹氣體可以在對下游用戶有利的溫度下輸送給潔凈氣體網(wǎng)絡(luò)。第二，因為凈化的爐頂氣已經(jīng)在預(yù)加熱單元前的熱交換器中被部分地加熱，因而可減少預(yù)加熱單元中要求的
能量的量。
實際上，該操作模式可導(dǎo)致整個BF爐頂氣TRT工藝的能量輸出和效率的增加。
這里的術(shù)語熱交換器包括任何合適類型的裝置，其中渦輪機(jī)上游的凈化爐頂氣的氣流可與渦輪機(jī)下游的膨脹爐頂氣流形成熱交換關(guān)系，但彼此不混合。顯然在這類熱交換器中，熱量通過熱傳導(dǎo)從膨脹的冷氣體轉(zhuǎn)移到渦輪機(jī)上游的爐頂氣氣流，但在熱交換器本身中，膨脹的爐頂氣流沒有燃燒。
優(yōu)選地，所述高爐爐頂氣氣流是水蒸氣飽和狀態(tài)的和/或含有水滴。為此目的，所述預(yù)加熱單元包括至少一個噴嘴以便將水注入到流經(jīng)其中的潔凈爐頂氣氣流中。


下面通過例子，參考
本實用新型，其中
圖I是本高爐爐頂氣回收系統(tǒng)的優(yōu)選實施例的示意圖。
具體實施方式
為了進(jìn)一步說明本實用新型，將在下面通過例子給出簡化且理想條件下的有關(guān)熱動力學(xué)過程的解釋。
在理想氣體情況的假設(shè)下，不考慮冷凝水蒸氣并忽略膨脹損耗，渦輪機(jī)中的膨脹爐頂氣的額定輸出功可以下式表達(dá)
a= [κ * R* V(K-I)] * [I—(P2/Pl) (κ _1)/κ ] = [A] * [B] (I)[0022]其中
a[J/kg]:每千克爐頂氣的額定輸出功或機(jī)械能的額定輸出
κ [-]:等熵指數(shù)，取決于爐頂氣中雙原子或三原子氣體的比例，其值在I. 3和I. 4之間
R[J/(kg*K)]:氣體常數(shù)
T1QC :渦輪機(jī)進(jìn)口處的絕對溫度
P1 [Pa a]:渦輪機(jī)進(jìn)口處的絕對壓力
p2[Pa a]:渦輪機(jī)出口處的絕對壓力
因為P1和p2是作為比例而出現(xiàn)的，它們也可以更簡化地以巴(bar)表達(dá)。
[B]項一方面主要取決于渦輪機(jī)前后壓力比(即取決于高爐出口處的爐頂氣過壓和氣體凈化單元/設(shè)備內(nèi)的壓力損耗)，另一方面還取決于渦輪機(jī)后的凈化氣體網(wǎng)絡(luò)。在BF頂部處約2. 5巴g或3. 5巴a的爐頂氣過壓、凈化設(shè)備中O. 4巴的總壓力損耗、凈化氣體網(wǎng)絡(luò)中壓力約O. I巴g或達(dá)到I. I巴a的壓力，且κ = 1.35的情況下，[B]項可得到例如值O. 236。注意，[B]項隨P1增加，且在P2/Pl降到O時逼近I。
[A]項僅隨渦輪機(jī)入口溫度敏感地變化。[A]隨溫度T1成比例地增加，且因此額定輸出功a也增加，然而后者由[B]項調(diào)節(jié)。注意[A]項表示爐頂氣的熱函。
如明顯看到的那樣，[A](即渦輪機(jī)入口溫度)對額定輸出功a的影響的結(jié)果是應(yīng)盡可能地避免爐頂氣進(jìn)入渦輪機(jī)之前的溫度降低。
這可通過以干法精細(xì)凈化系統(tǒng)(例如，使用電過濾器或袋式過濾器-很少使用的一種解決方案)取代濕法精細(xì)凈化來實現(xiàn)。這類防壓的濕法精細(xì)凈化裝置的額外成本實際上是相當(dāng)大的。
雖然，能量上滿意度低，但因此將渦輪機(jī)安裝在濕法精細(xì)凈化裝置的后面是主流做法，渦輪機(jī)提供了冷卻的、處于蒸汽飽和狀態(tài)且含水滴的高爐氣的膨脹。
根據(jù)該“冷”渦輪機(jī)構(gòu)造形式，人們已經(jīng)提出了加熱(預(yù)熱)濕法凈化下游和渦輪進(jìn)口上游的冷卻高爐氣。除了使額定輸出功增加的優(yōu)點以外，先前“冷”且蒸汽飽和的高爐氣在渦輪機(jī)進(jìn)口處的溫度增加還具有避免或減少膨脹過程中水蒸氣冷凝和形成水滴的優(yōu)點。實際上，水滴可損壞渦輪機(jī)葉片(blade)或引起渦輪機(jī)葉片的損壞，且因此必須限制水滴的形成?！袄洹备郀t氣的預(yù)加熱可在位于渦輪機(jī)進(jìn)口上游的預(yù)加熱單元中實現(xiàn)，并利用從爐頂氣燃燒獲得的熱能。
假定Ttl是爐頂氣凈化單元出口處的爐頂氣的絕對溫度，則T1 = Ttl表示“冷”膨脹渦輪機(jī)的傳統(tǒng)做法，而T1 > Ttl表示有預(yù)熱的情形。
這意味著渦輪機(jī)出口溫度T2是通過壓力比P2/Pl與進(jìn)口溫度T1相關(guān)聯(lián)的，這可以下式表示
T2 = T1 * (P2ZP1)u^a = T1 * [C](2)
在[B]的示例性計算值的情況下，可得到[C]值為O. 764。
對于現(xiàn)有設(shè)施和設(shè)計，溫度T2不超過TJ S卩，渦輪機(jī)出口溫度不超過爐頂氣凈化設(shè)備出口處的溫度)對后續(xù)的爐頂氣用戶來說是重要的。則T1可能不會超過值Ttl/[C]。例如，在T2不會超過Ttl = 50°C^ 323K的情形中，則預(yù)熱溫度T1不能超過值323/0. 764 =423K ^ 150O。[0041]因此，與“冷”渦輪機(jī)操作相比，由于預(yù)加熱導(dǎo)致的額定輸出功的增加被限制在I/[C1-1 = 1/0. 764-1 = O. 31或31%。(然而，可以注意到，為了簡化，可不考慮通過加熱水蒸氣和爐頂氣中殘余液體凈化水的蒸發(fā)和過熱以及冷凝減少或無冷凝的過熱蒸汽的膨脹而導(dǎo)致總輸出功的增加)。
應(yīng)該理解，為了進(jìn)一步增加額定輸出功，本實用新型提出了在爐頂氣凈化設(shè)備與(傳統(tǒng))預(yù)加熱單元中間引入熱交換器從而利用膨脹的爐頂氣中的余熱并且加熱所述冷的、潔凈的爐頂氣。因此，在離開爐頂氣潔凈設(shè)備后，冷的、潔凈爐頂氣被注入到熱交換器冷側(cè)(取熱/吸熱側(cè))，這里其溫度從Ttl增加到Ttllt5在熱交換器中，熱量從注入到熱交換器熱側(cè)(放熱側(cè))的膨脹爐頂氣傳遞到冷的、潔凈氣體。爐頂氣隨后被注入到傳統(tǒng)預(yù)加熱單元，在這里其溫度從Ttll增加到1/。在渦輪機(jī)下游，在爐頂氣流穿過熱交換器后，爐頂氣流的溫度從T2降低到期望溫度，即再次約為Ttl,以便進(jìn)入潔凈氣體網(wǎng)絡(luò)并在用戶設(shè)施處使用。
這樣的操作工藝可在如圖I所示的高爐設(shè)備中進(jìn)行，這里報告了溫度TdpT1和T20參考標(biāo)號10指高爐，該高爐與爐頂氣回收系統(tǒng)連接從而從高爐10釋放的爐頂氣中回收氣能。從BF 10釋放的BF氣被注入到通常由12指示的爐頂氣凈化單元或設(shè)備中。爐頂氣凈化單元12優(yōu)選包括與濕分離器18串聯(lián)連接的干式分離器16。在單元12中可執(zhí)行任何適當(dāng)類型的凈化技術(shù)。
然后凈化的爐頂氣氣流進(jìn)入熱交換器20 (在這里其被加熱到Ttll)，隨后進(jìn)入到預(yù)加熱單元22，并從預(yù)加熱單元中以溫度T1釋放。隨后預(yù)熱的潔凈氣體流進(jìn)入膨脹渦輪機(jī)24并以溫度T2從膨脹渦輪機(jī)中排出。該膨脹的氣流流經(jīng)熱交換器20的放熱側(cè)并在溫度Ttl被輸送至潔凈氣體網(wǎng)絡(luò)。渦輪機(jī)24具有轉(zhuǎn)子，其輸出軸連接至負(fù)載30 (如發(fā)電機(jī)或用于BF冷鼓風(fēng)的空氣壓縮機(jī))。
在本實施例中，傳統(tǒng)類型的熱交換器20包括位于冷(吸熱)側(cè)上的接收從潔凈設(shè)備20排出的冷爐頂氣的集氣室(plenum chamber);以及橫穿集氣室并攜帶由潤輪機(jī)24輸送的膨脹爐頂氣流的蛇形管。如本領(lǐng)域技術(shù)人員了解的那樣，可以使用任何其他類型的熱交換器，所述熱交換器允許上游和下游(相對渦輪機(jī))BF氣流形成熱交換關(guān)系，但不混合上游和下游BF氣流。優(yōu)選地，該熱交換器直接被攜帶在上游和下游BF氣之間，無需使用中間流體環(huán)路。
至于預(yù)加熱單元22，當(dāng)然也可以包括集氣室/蛇形管型熱交換器，例如其放熱(熱)側(cè)可從經(jīng)外部源(如BF氣體的燃燒)加熱的流體中汲取熱或從爐渣?；b置(如JP 62074009所述)中汲取熱。
雖然圖I中僅示出了 TRT系統(tǒng)，并且僅存在一個將其各個元件互連的管線系統(tǒng)14，顯然從BF 10釋放的爐頂氣不必全部而僅是部分可在TRT中處理，剩余爐頂氣例如在預(yù)熱單元22或其他地方被用于加熱(燃燒)目的，這是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的。
現(xiàn)在我們解釋本實用新型如何影響回收渦輪機(jī)的操作。
在簡化的假設(shè)下，特別是，如果忽略熱交換器20中放熱出口和吸熱進(jìn)口之間的殘余溫差，且再次不考慮水蒸氣和液態(tài)水，熱交換器中吸熱側(cè)的溫度增加和放熱側(cè)的溫度降低相等，且放熱側(cè)的出口溫度達(dá)到Ttl，則ATtl = T01-T0 = T2-T0,同時預(yù)加熱單元22中的溫度增加等于Λ T1 = T1-T01,則熱交換器22中的Λ T0與傳統(tǒng)預(yù)加熱單元22中的Λ T1之間存在下列關(guān)系
ΔΤ0 = {[C]/(1-[C])} * AT1-T0(3)
為了使八^是正的，S卩，為了證明利用熱交換器20是有道理的，AT1必須比Tc^U/[Cl-Ι}大。極限值因數(shù){l/[c]-l}對應(yīng)于上面為預(yù)熱給出的極限值以避免渦輪機(jī)出口處的溫度超過Ttl，在示例性計算中該值為O. 31。
在該極限值以上的范圍內(nèi)，S卩，從熱交換器20有用的溫度開始，傳統(tǒng)預(yù)加熱單元22中的AT1與渦輪機(jī)進(jìn)口溫度T1之間存在下面的關(guān)系
T1 = {1/(1-[C])} * AT1(4)
基于上面示例值，這導(dǎo)致T1 = 4. 24* Λ T10換句話說，T1增加比預(yù)熱單元22中溫度增加約快四倍。利用關(guān)系⑴中的等式(4)，同時利用從等式(2)獲得的[C]，顯然可看 到下面的結(jié)果，
a = [K *R*/(k -I) ] * Δ T1 (5)
因此，預(yù)加熱單元22中溫度增加的每次放大都以I : I的比率導(dǎo)致額定輸出功的增加，或與熱函變化的程度一樣。在開始討論的不用熱交換器20執(zhí)行預(yù)加熱(例如，達(dá)到150°C)的情形中，預(yù)熱(且因此渦輪機(jī)進(jìn)口溫度的增加)導(dǎo)致額定輸出功以因數(shù)[B]減少，該例子中其值為O. 236。
外加輸出功(增加a)中供應(yīng)的額外熱的I : I轉(zhuǎn)化率(增加Λ T1)-可以說沒有卡諾效率-這可由整個范圍的膨脹溫度向更高溫度水平的同時變遷來解釋，而比率IVT1由于恒定的比率P2/Pl而保持不變。
為了進(jìn)一步解釋本實用新型，下面的表I在簡化條件下且忽略熱交換器20和預(yù)熱單元22中的壓力損失的情形下總結(jié)了示例性情形。
表I
權(quán)利要求
1.一種高爐爐頂氣回收系統(tǒng)，其包括膨脹渦輪機(jī)(24)，高爐氣在所述膨脹渦輪機(jī)中膨脹并向耦接至渦輪機(jī)輸出軸的負(fù)載(30)提供機(jī)械功；爐頂氣凈化單元(12)和連接至所述膨脹渦輪機(jī)(24)并位于其上游的預(yù)加熱單元(22);按順序連接所述爐頂氣凈化單元(12)、預(yù)加熱單元(22)、和膨脹渦輪機(jī)(24)的管線系統(tǒng)(14)，其特征在于，熱交換器位于所述爐頂氣凈化單元(12)與所述預(yù)加熱單元(22)中間的管線系統(tǒng)中以便加熱爐頂氣氣流，其中所述熱交換器包括放熱側(cè)，該放熱側(cè)的進(jìn)口與所述膨脹渦輪機(jī)(24)的出口連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)加熱單元(22)包括至少一個噴嘴，以便將水注入到流經(jīng)其中的潔凈爐頂氣氣流中。
3.根據(jù)權(quán)利要求
I或2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述高爐爐頂氣氣流是水蒸氣飽和狀態(tài)的和/或含有水滴。
專利摘要
本實用新型提供了一種高爐爐頂氣回收系統(tǒng)，其包括膨脹渦輪機(jī)(24)，高爐氣在膨脹渦輪機(jī)中膨脹并向耦接至渦輪機(jī)輸出軸的負(fù)載(30)提供機(jī)械功；爐頂氣凈化單元(12)和連接至膨脹渦輪機(jī)并位于其上游的預(yù)加熱單元(22)；按順序連接所述爐頂氣凈化單元(12)、預(yù)加熱單元(22)、和膨脹渦輪機(jī)(24)的管線系統(tǒng)(14)，其特征在于，熱交換器位于所述爐頂氣凈化單元(12)與所述預(yù)加熱單元(22)中間的管線系統(tǒng)中以便加熱所述爐頂氣氣流，其中所述熱交換器包括放熱側(cè)，該放熱側(cè)的進(jìn)口與所述膨脹渦輪機(jī)(24)的出口連通。本實用新型的高爐爐頂氣回收系統(tǒng)能夠使得整個高爐爐頂氣膨脹渦輪機(jī)工藝的能量輸出和效率增加。
文檔編號C21B5/06GKCN202595161SQ201090001126
公開日2012年12月12日 申請日期2010年9月3日
發(fā)明者馬克·索爾維, 路易斯·施米特, 赫爾穆特·魏瑟爾特 申請人:保爾伍斯股份有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan