專利名稱：加熱設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用來加熱具有燃燒區(qū)和與該燃燒區(qū)相關聯(lián)的燃燒氣體出口的高爐爐子的設備。
背景技術：
高爐主要但不是專有地用于將氧化鐵礦石提煉成鐵水。高爐爐子的作用是在所需的流速下以安全和對環(huán)境負責方式長期多年地為高爐提供穩(wěn)定的熱風溫度。高爐爐子的操作基本上簡單?？諝?燃油燃燒器通常用于燃燒燃氣(通常、主要是高爐氣)，且燃燒產物穿過捕獲燃燒產物顯熱的大量耐火磚。一旦耐火磚達到所需的工作溫度，燃燒器關閉且冷空氣穿過爐，流過耐火磚以便在作為熱風空氣送入高爐前預熱。通常地，爐以三或四個爐組運行使得一些爐被加熱而其他爐將熱鼓風提供到高爐。
高爐爐子可具有很多不同構型中的任一構型。通常地，每個爐子包括在其中發(fā)生燃燒的第一垂直室以及耐火磚位于其中的第二垂直室。這種爐子通常稱為外部燃燒室類。其中燃燒區(qū)容納在耐火室中的爐子也是已知的。這些稱作“內部”燃燒爐子。在另一構型中，燃燒室配置在耐火室的頂部，通常位于穹頂形狀結構內。在目前的實踐中，有三種主要方法用于嘗試最大化可從爐子傳遞到熱鼓風的熱量。提供具有盡可能聞熱含量的熱鼓風減小在聞爐中煉鐵的焦化率。為了獲得聞的熱鼓風溫度，爐子中的耐火磚或格子磚須加熱到在由可允許的爐子穹頂溫度設定的物理約束內盡可能高的溫度。結果，輸送到燃燒器的燃氣發(fā)熱值必須能夠產生合適熱焰。高爐頂部氣體(通常稱為高爐氣)常規(guī)是用于加熱高爐爐子的主要燃料，但這種燃料的使用具有發(fā)熱值變化、強烈依賴于高爐運行實際情況的缺點。高爐氣發(fā)熱值的可變性使得為了提高其熱值和產生所要求的火焰溫度，眾所周知的是使高爐氣與諸如焦爐氣、轉爐氣或天然氣的較高發(fā)熱值燃氣混合。替代地已知的是通過爐子燃料器預熱燃燒上游的燃氣和空氣。實際上，在加熱循環(huán)中流出爐子的燃燒氣體具有250°到400°C之間的溫度和包含約18%的輸入到爐子的能量。在一些設備中，該相對熱的煙氣通到廢熱回收單元，在此捕獲其顯著熱含量的一部分并用來實施預熱。加熱高爐爐子的另一替代方法是使燃燒空氣富氧。加入氧氣替換部分燃燒空氣提高火焰溫度，因為，在恒定總氧分子流下，燃燒產物中的氮含量減少。通常，使用富氧空氣以便于減少產生所需火焰溫度所需的焦爐氣、轉爐氣或天然氣的量。在運行期間以能夠考慮燃料以及其他氣體的利用率和成本變化的靈活方式改進高爐爐子的運行是所希望的。

發(fā)明內容
根據本發(fā)明，提供用來加熱具有燃燒區(qū)和與該燃燒區(qū)相關聯(lián)的燃燒氣體出口的高爐爐子的設備，該設備包括a)較低發(fā)熱值燃料源；
b)第一管線，該第一管線可操作地將較低發(fā)熱值燃料從其燃料源分配到燃燒區(qū)；c)空氣源d)第二管線，該第二管線可操作地將空氣從其空氣源分配到燃燒區(qū)；e)包括至少85%氧氣量的氧化劑源；f)第三管線，該第三管線可操作地將氧化劑從其氧化劑源分配到燃燒區(qū)；g)第四管線，該第四管線可操作地將燃燒氣體從燃燒氣體出口引離爐子；以及h)第五管線，該第五管線可操作地將部分燃燒氣體返回到燃燒區(qū)。術語“燃燒氣體”意思是包括氣態(tài)燃燒產物。
根據本發(fā)明的設備可根據選擇第二、第三和第五管線與燃燒區(qū)連通而以多個不同模式運行。這些模式中最重要的一種模式是包含至少85%氧氣量的氧化劑是用于維持燃燒的唯一氧化劑，且燃燒氣體通過第五管線再循環(huán)到燃燒區(qū)。在該模式下運行可獲得很多優(yōu)點。第一，所需火焰溫度可簡單地通過使用高爐氣作為燃氣來實現(xiàn)，而無需富含諸如焦爐氣或天然氣的較高發(fā)熱值氣體。第二，燃燒氣體的再循環(huán)能夠使二氧化碳的釋放率凈減少。第三，可獲得類似那些從富氧空氣獲得的優(yōu)點(見上述)的優(yōu)點。根據本發(fā)明的設備可通過所述氣體穿過熱回收換熱器而利用從燃燒氣體回收的熱量來運行。燃燒氣體再循環(huán)到燃燒區(qū)稀釋其中的燃料和氧化劑混合物以及因此改變溫度和減小由于燃燒對爐子材料的損害風險。燃燒可實際上是無火焰的。根據本發(fā)明的設備給高爐操作者靈活性，以切換到采用空氣來維持燃燒和通過采用諸如焦爐氣、轉爐氣或天然氣的較高發(fā)熱值燃料附加到高爐燃料來提高高爐燃料發(fā)熱值的常規(guī)運行。因此，根據本發(fā)明的設備可包括較高發(fā)熱值燃料源和可操作地將較高發(fā)熱值燃料分配到燃燒區(qū)的第六管線。術語“低的(較低的)發(fā)熱值燃料”意思是包括通常具有9MJ/Nm3或更少發(fā)熱值的燃料。如前面所述，高爐氣是通常使用的較低發(fā)熱值燃料。術語“高的(較高的)發(fā)熱值氣體”指的是通常具有超過9MJ/Nm3發(fā)熱值的氣體。焦爐氣、轉爐氣或天然氣是在根據本發(fā)明的設備中使用的合適較高發(fā)熱值燃料。如果需要，根據本發(fā)明的設備可附加地包括用來選擇性地將氧化劑從第三管線引入第二管線的裝置。這樣布置提供高爐操作者用富氧空氣操作爐的選擇。根據本發(fā)明的設備理想地包括通常終止于煙囪的用于燃燒氣體的排放管，該排放管通常與第四管線連通。在燃燒氣體再循環(huán)到燃燒區(qū)的情形下操作根據本發(fā)明的設備時，部分燃燒氣體的排放限制循環(huán)氣體中雜質的集結。較低發(fā)熱值燃氣源通常是與形成根據本發(fā)明設備的一部分的高爐爐子相關聯(lián)的高爐?？諝庠赐ǔＪ侵辽僖慌_壓縮機、風機或風扇。該壓縮機通常與供給空氣流到高爐的壓縮機分開。包含至少85%氧氣量的氧化劑源通常是空氣分離設備。因此，氧化劑可包含至少95%氧氣量。例如，空氣分離設備可通過分餾或變壓吸附分離空氣。第一到第六管線中的每條管線可包括閥或一系列閥，這些閥打開時提供所需流量而關閉時阻止流量。所有閥可與如果需要可自動操作和可編程的共同控制裝置相關聯(lián)。第一到第六管線中的每條管線也可包括有助于設備整體操作的變送器(transmitter)、安全閥或其他控制裝置。如果需要，第四和第五管線都可與用來處理燃燒氣體的裝置連通。燃燒氣體的處理可包括回收其廢熱或再壓縮或兩者。因此，根據本發(fā)明的設備可包括用來回收燃燒氣體廢熱的換熱器以及用來將燃燒氣體從第四管線通到第五管線的風機或壓縮機。


現(xiàn)將參照附圖以示例的方式描述根據本發(fā)明的設備，附圖中圖I是在常規(guī)煉鐵中高爐及其關聯(lián)爐子的簡化示意圖；圖2是具有外部燃燒室的高爐爐子的示意性剖視圖；以及
圖3是說明本發(fā)明設備操作高爐爐子的示意性流程圖。附圖是不按比例的。所有在供氣體領域已熟知的各種變送器、安全閥和其他控制裝置都從附圖中省略。
具體實施例方式參照圖1，示意性地示出在煉鐵中高爐120和三個爐子100的布置。高爐120的運行通過使用由諸如焦煤的材料提供的碳還原氧化鐵產生鐵水。氧化鐵礦石還原成鐵導致一氧化碳形成以及包含一氧化碳、二氧化碳和氮氣的混合氣體從高爐120的頂部流到燃料供給控制設備110，該燃料供給控制設備控制高爐頂部氣體向三個高爐爐子100中每一個爐子的供給。每個爐子100具有用來燃燒來自高爐120的頂部氣體的室和用來加熱空氣流的室?？諝饬魍ㄟ^空氣供給控制設備130供給。用來加熱空氣流的室包括以陶瓷磚或類似形式的耐火金屬，通常稱為格子裝置。來自每個爐子100的燃燒室的燃燒氣體流過空氣加熱室并將熱傳給耐火磚。通常，每個爐子根據預定循環(huán)運行使得在任一時間點至少有一個爐子用于加熱空氣流且其余的爐子通過燃燒高爐氣被加熱。在耐火磚被加熱時，燃燒產物或煙氣供給到煙氣處置設備150。爐子100的作用是在所需風速下連續(xù)多年長期地為高爐120提供恒定的熱風溫度。在本領域已熟知的是控制燃燒以獲得恒定的爐子性能、減少能源消耗以及同時促進安全運行和延長活動壽命。每個爐子100的燃燒室設置有燃燒器以實現(xiàn)燃燒。耐火磚捕獲燃燒產物的顯熱。一旦格子磚達到工作溫度，燃燒器關閉且冷空氣經過耐火磚，在作為“熱風”空氣送入高爐前在此被預熱。通常地，爐子以三或四個爐子組運行使得一些爐子被加熱而其他爐子提供熱風到高爐。圖2示出具有外燃燒室101、耐火材料102和穹頂103的常規(guī)考珀爐子(Cowperstove) IOO0爐子運行以確保穹頂103的溫度不會變得太高而導致爐子100損壞?？梢岳斫獾氖?，還存在具有內部燃燒室的爐子，且那些根據本發(fā)明的設備同樣可應用于這些爐子的運行。在耐火材料被加熱時，高爐頂部氣體通過燃料進口 105饋送給燃燒器108且氧化劑通過氧化劑進口 104供給燃燒器108。所產生的熱燃燒氣體向上流過腔室101和通過穹頂103以及向下流過內襯耐火磚102的腔室。由此，耐火磚102被加熱。所產生的燃燒氣體通過端口 106排出爐子100。通常地，排出的燃燒氣體的溫度通常是約200° -350°C。在磚的耐火材料達到預定溫度時，切換運行以加熱空氣流。然后，空氣被引導穿過端口 106，流過內襯耐火磚102的腔室。由此，空氣被加熱。加熱過的空氣流過穹頂103、燃燒室101以及通過出口 107流出。在這點，鼓風通常具有1100-1200°C的溫度。頂部氣體較佳地從高爐提供，而鼓風從爐子100提供給高爐。這允許爐子100靠近高爐120的布置是高效節(jié)能的且有助于減少來自工廠的總排放。高爐頂部氣體通常具有約3. 2MJ/Nm3的發(fā)熱值。如果需要，可替代使用替代的低發(fā)熱值燃料。通常，在每個爐子中如果空氣作為氧化劑供給燃燒器108，就會增加獲得足夠高的火焰溫度以將空氣加熱到所要求熱風溫度的困難。為了提供附加熱量，高爐氣補充有較高發(fā)熱值的燃氣。通常，焦爐氣可用于這個目的，但可替代地使用諸如轉爐氣或天然氣的其他氣體。較高發(fā)熱值氣體的用量比使高爐氣 的發(fā)熱值提升到9MJ/Nm3所需的量少。很多技術可用來減少較高發(fā)熱值燃氣需要加入的量。在一個實例中，來自爐子的相對熱廢氣(通常具有250°到450°C的溫度)通到廢熱回收單元，以捕獲其部分顯熱含量并用于對由爐子燃燒器燃燒之前的燃氣進行預熱。在第二方法中，包含至少85%氧氣量的氧化劑(通常至少95%氧氣量)用于替換部分燃燒空氣。因為在恒定總氧氣流下，燃燒產物中的氮含量減少了，所以這種替換具有提高火焰溫度的效果。如果沒有達到爐子的允許穹頂溫度，可使用較高火焰溫度以減少為了產生所需火焰溫度必須增加的較高發(fā)熱值氣體量。雖然借助于富氧在減少的較高發(fā)熱值氣體的流量下可保持所需火焰溫度，但輸入到爐子的能源趨于減少。實際上，這通過增大流至爐子燃燒器的高爐氣流量來彌補。較高的高爐氣質量流量補償減少的空氣質量流量。結果，在爐子內的對流熱傳遞條件不是非常有效。然而，在火焰溫度變得太高前在爐子中可使用的富氧量存在實際限制(其基于現(xiàn)有技術)，通常造成損壞耐火磚和爐子穹頂?shù)娘L險。根據共同待審批國際專利申請PCT/SE2010/051301，在此以參見的方式引入其全部內容，可通過采用包含至少85%氧氣的氧化劑替代空氣以及促使燃燒氣體再循環(huán)進入爐子的燃燒區(qū)，來完全消除較高發(fā)熱值氣體的使用。再循環(huán)的燃燒氣體對于為了燃燒而充分混合的燃料和氧化劑的混合物進行稀釋，使得不會給爐子的材料造成損壞。實際上，如果需要，燃燒可是無火焰的。通常地，約三分之一的爐子內產生的燃燒氣體是這樣再循環(huán)的。雖然使用再循環(huán)的燃燒氣體和包含至少85%氧氣量的氧化劑的運行非常不同于使用空氣來支持燃燒和不存在燃燒氣體再循環(huán)的運行，常規(guī)高爐爐子僅需要做出相對小的改變以適應變化。通常，燃氣將仍然流過現(xiàn)有燃氣口，以及再循環(huán)的燃燒氣體和包含至少85%氧氣量的氧化劑將預混合以形成可引導穿過現(xiàn)有空氣口的“合成空氣”。在所有實例中，通過爐子的總質量流量維持在或非常接近常規(guī)空氣-燃料運行的質量流量。雖然高爐氣的數(shù)量上升，但進入爐子的其他氣體流量相應減少，結果是總質量流量基本上沒有改變。包括再循環(huán)的燃燒氣體和包含至少85%氧氣量的氧化劑的“合成空氣”的成形物可形成與空氣比較具有相對較高氧濃度的氣體混合物。如果需要，那些用來處理這種氣體混合物所需的氣體管線的部件可用諸如銅或其他安全地用于氧氣的材料組成。替代地，如果希望避免用于“合成空氣”端口的進氣管必須用這種材料形成，一些氧氣可通過一個或多個噴管引導進入燃燒室。高爐常規(guī)地連續(xù)運行幾年時間。在這個運行活動期間，供給到高爐和高爐爐子的各種饋送物的成本和利用率可改變。因此，雖然我們相信采用燃燒氣體再循環(huán)的運行通常是可取的，但高爐操作者可在方式上需要一些靈活性以運行高爐爐子。根據本發(fā)明的加熱設備實施例提供這種靈活性。這種設備的實例在圖3中示出。各種單向閥、流量控制閥和類似的閥從圖3中省略以便于理解本發(fā)明實施例。
參照圖3，示出多個、例如四個高爐爐子302、304、306以及308。爐子302、304、306以及308以并聯(lián)的方式相互連接。設備包括主空氣管線310、主低發(fā)熱值燃料(高爐氣)管線320、主高發(fā)熱值燃料(焦爐氣)管線330、主燃燒氣體管線340、主氧氣管線350以及主再循環(huán)氣體管線360。管線與在各種管線和爐子的進口以及出口之間提供適當連通的集氣管或分配器(未示出)相關連，這些進口和出口基本上類似于圖2中所示的爐子的那些進口和出口。因此，主空氣進氣管線310接收來自壓縮機309的空氣并分別通過分配管線312、314、316以及318與爐子302、304、306以及308的對應進口連通。高爐氣從主高爐氣管線320分別通過高爐氣分配管線322、324、326以及328分配到爐子302、304、306以及308。類似地，焦爐氣或其他高發(fā)熱值的燃料可分別通過焦爐氣分配管線332、334、336以及338分配到爐子302、304、306以及308。燃燒氣體分別通過燃燒氣體分配管線342、344、346以及348而流出爐子302、304、306以及308，所有的燃燒氣體分配管線都與主燃燒管線340連通。管線340終止于再循環(huán)氣體風機370并延伸穿過運行的廢熱回收單元380。在廢熱回收單元380和再循環(huán)氣體風機370中間存在將廢氣引到煙囪(未示出)以排放到大氣的排放管線390。風機370的出口與燃燒氣體再循環(huán)管線360連通。再循環(huán)氣體管線360連接到空氣分配管線312、314、316以及318中的每條空氣分配管線。主氧氣管線350可將空氣分離裝置351產出的氧氣供給到分配管線312、214、316以及318中的每條分配管線。替代地或附加地，可分別通過氧氣分配管線352、354、356以及358將氧氣直接供給到爐子302、304、306 以及 308。如果需要，可使用旁通管來允許管線340的燃燒氣體繞過廢熱回收單元380。廢熱回收單元380通常布置成將熱量從燃燒氣體傳送到供給到高爐的氣體空氣。圖3中所示的設備能以多種不同模式運行，這已在上文進行了描述。這些模式包括a)采用高爐氣、高發(fā)熱值燃氣，例如焦爐氣以及空氣供給至爐子，但不采用氧氣供給燃燒氣體再循環(huán)和從燃燒氣體回收廢熱；b)如(a)，但采用從燃燒氣體回收廢熱；c)如(b)，但采用富氧空氣，以及不采用高發(fā)熱值燃氣供給；d)采用高爐供給、氧氣供給以及燃燒氣體再循環(huán)，但不采用空氣供給、高發(fā)熱值氣體供給以及不采用從燃燒氣體回收廢熱；e)如⑷，但采用從燃燒氣體回收廢熱；以及f)如(e)，但也采用空氣供給。上述實例(f)基本上類似于實例(e)，但燃燒空氣沒有被氧氣和再循環(huán)燃燒氣體全部替換，燃燒空氣只是部分地被這些氣體替換。氧氣源較佳地是空氣分離裝置產出的至少95%純度且通常至少99. 9%純度的氧氣。設置一系列開關閥，使得設備能夠以上述模式中任一模式運行。再次參照圖3，提供如下閥分別位于管線312、314、316以及318中的空氣供給閥313、315、317以及319 ;分別在高發(fā)熱值燃氣管線332、334、336以及338中的高發(fā)熱值燃氣(焦爐煤氣)分配閥333、335,337以及339 ;再循環(huán)氣體截流閥342 ;分別在氧氣供給管線352、354、356以及358中的主氧氣供給閥353、355、357以及359 ;分別可操作地增加流過管線312、314、316以及318的空氣中氧氣的富氧閥393、395、397以及399 ;分別與管線312、314、316以及318連通的再循環(huán)氣體閥363、365、367以及369 ;廢熱回收閥382以及廢熱回收單元旁通閥384。上述閥可打開和關閉，使得所述設備以根據以上實例(a)-(f)的模式中任一模式 運行以加熱爐子。按下表I提供所需的閥位置。通常，任一次只有一個(或可能兩個)爐子被加熱。在在表I中的實例(C)中，除了根據哪個爐子被加熱來通過閥393、395、397以及399使空氣富氧外，氧氣可選擇地直接噴入爐子302、304、306、308，在這個情形中中，閥353、355、357以及359是打開的。應該理解，設備可以除上述(a)-(f)外的模式運行。例如，廢熱回收可在所有模式中采用，而不僅僅在(b)以及(C)中。在表2中給出運行模式(a)-(e)的一些說明性運行參數(shù)?？梢岳斫?，在實例(c)-(e)中，焦爐氣無需補充到高爐氣。如果二氧化碳是要捕獲和回收的，由于廢氣的較高二氧化碳含量，實例(d)以及(e)會優(yōu)于實例(C)。以模式(d)運行的具體優(yōu)點是氮氣分子進入爐子的速度小于以其他模式運行的速度，從而使得氮氧化物的形成減少。甚至在如圖3所示的設備再循環(huán)運行時，仍無需使燃燒氣體經受化學處理以去除氮氧化物。表I
實例閥打開
爐子爐子爐子爐子
__302被加熱 304被加熱 306被加熱 308被加熱
313315317319
323325327329
a)
333335337339
38438438438權利要求
1.一種用來加熱具有燃燒區(qū)和與所述燃燒區(qū)相關聯(lián)的燃燒氣體出口的高爐爐子的設備，所述設備包括 a)較低發(fā)熱值燃料源； b)第一管線，所述第一管線可操作地將所述較低發(fā)熱值燃料從其燃料源分配到所述燃燒區(qū)； c)空氣源； d)第二管線，所述第二管線可操作地將所述空氣從其空氣源分配到所述燃燒區(qū)； e)包括至少85%氧氣量的氧化劑源； f)第三管線，所述第三管線可操作地將所述氧化劑從其氧化劑源分配到所述燃燒區(qū)； g)第四管線，所述第四管線可操作地將燃燒氣體從所述燃燒氣體出口引離所述爐子； 以及 h)第五管線，所述第五管線可操作地將部分燃燒氣體返回到所述燃燒區(qū)。
2.如權利要求I所述的設備，其特征在于還包括用來選擇性地將所述氧化劑從所述第三管線引入所述第二管線的裝置。
3.如權利要求I所述的設備，其特征在于還包括與所述第四管線連通的排放管。
4.如權利要求I所述的設備，其特征在于所述較低發(fā)熱值燃料源是與所述高爐爐子相關聯(lián)的聞爐。
5.如權利要求I所述的設備，其特征在于所述空氣源是至少一臺壓縮機。
6.如權利要求I所述的設備，其特征在于還包括較高發(fā)熱值燃料源以及可操作地將所述較高發(fā)熱值燃料源配置成與所述燃燒區(qū)連通的第六管線。
7.如權利要求6所述的設備，其特征在于所述第一管線至所述第六管線中的每條管線包括閥，所述閥可操作地選擇性提供與所述較高發(fā)熱值燃料的所需要連通或者防止與所述較高發(fā)熱值燃料的連通。
全文摘要
一種用來加熱具有燃燒區(qū)和與燃燒區(qū)相連的燃燒氣體出口的高爐爐子的設備，該設備包括較低發(fā)熱值燃料源；用來將較低發(fā)熱值燃料供給到燃燒區(qū)的第一管線；空氣源；用來將空氣供給到燃燒區(qū)的第二管線；包含至少85％氧氣量的氧化劑源；用來將氧化劑供給到燃燒區(qū)的第三管線；與燃燒氣體出口連通用來將燃燒氣體引離爐子的第四管線；以及可操作地將燃燒氣體再循環(huán)到燃燒區(qū)的第五管線。該設備可根據配置哪條管線與燃燒區(qū)連通而以不同模式運行。
文檔編號C21B9/00GK102796836SQ20121017484
公開日2012年11月28日 申請日期2012年5月23日 優(yōu)先權日2011年5月25日
發(fā)明者A·M·卡梅隆, K·T·維斯孔蒂 申請人:琳德股份公司