专利名称：加热设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用来加热具有燃烧区和与该燃烧区相关联的燃烧气体出口的高炉炉子的设备。
背景技术：
高炉主要但不是专有地用于将氧化铁矿石提炼成铁水。高炉炉子的作用是在所需的流速下以安全和对环境负责方式长期多年地为高炉提供稳定的热风温度。高炉炉子的操作基本上简单。空气-燃油燃烧器通常用于燃烧燃气(通常、主要是高炉气)，且燃烧产物穿过捕获燃烧产物显热的大量耐火砖。一旦耐火砖达到所需的工作温度，燃烧器关闭且冷空气穿过炉，流过耐火砖以便在作为热风空气送入高炉前预热。通常地，炉以三或四个炉组运行使得一些炉被加热而其他炉将热鼓风提供到高炉。
高炉炉子可具有很多不同构型中的任一构型。通常地，每个炉子包括在其中发生燃烧的第一垂直室以及耐火砖位于其中的第二垂直室。这种炉子通常称为外部燃烧室类。其中燃烧区容纳在耐火室中的炉子也是已知的。这些称作“内部”燃烧炉子。在另一构型中，燃烧室配置在耐火室的顶部，通常位于穹顶形状结构内。在目前的实践中，有三种主要方法用于尝试最大化可从炉子传递到热鼓风的热量。提供具有尽可能闻热含量的热鼓风减小在闻炉中炼铁的焦化率。为了获得闻的热鼓风温度，炉子中的耐火砖或格子砖须加热到在由可允许的炉子穹顶温度设定的物理约束内尽可能高的温度。结果，输送到燃烧器的燃气发热值必须能够产生合适热焰。高炉顶部气体(通常称为高炉气)常规是用于加热高炉炉子的主要燃料，但这种燃料的使用具有发热值变化、强烈依赖于高炉运行实际情况的缺点。高炉气发热值的可变性使得为了提高其热值和产生所要求的火焰温度，众所周知的是使高炉气与诸如焦炉气、转炉气或天然气的较高发热值燃气混合。替代地已知的是通过炉子燃料器预热燃烧上游的燃气和空气。实际上，在加热循环中流出炉子的燃烧气体具有250°到400°C之间的温度和包含约18%的输入到炉子的能量。在一些设备中，该相对热的烟气通到废热回收单元，在此捕获其显著热含量的一部分并用来实施预热。加热高炉炉子的另一替代方法是使燃烧空气富氧。加入氧气替换部分燃烧空气提高火焰温度，因为，在恒定总氧分子流下，燃烧产物中的氮含量减少。通常，使用富氧空气以便于减少产生所需火焰温度所需的焦炉气、转炉气或天然气的量。在运行期间以能够考虑燃料以及其他气体的利用率和成本变化的灵活方式改进高炉炉子的运行是所希望的。
发明内容
根据本发明，提供用来加热具有燃烧区和与该燃烧区相关联的燃烧气体出口的高炉炉子的设备，该设备包括a)较低发热值燃料源；
b)第一管线，该第一管线可操作地将较低发热值燃料从其燃料源分配到燃烧区；c)空气源d)第二管线，该第二管线可操作地将空气从其空气源分配到燃烧区；e)包括至少85%氧气量的氧化剂源；f)第三管线，该第三管线可操作地将氧化剂从其氧化剂源分配到燃烧区；g)第四管线，该第四管线可操作地将燃烧气体从燃烧气体出口引离炉子；以及h)第五管线，该第五管线可操作地将部分燃烧气体返回到燃烧区。术语“燃烧气体”意思是包括气态燃烧产物。
根据本发明的设备可根据选择第二、第三和第五管线与燃烧区连通而以多个不同模式运行。这些模式中最重要的一种模式是包含至少85%氧气量的氧化剂是用于维持燃烧的唯一氧化剂，且燃烧气体通过第五管线再循环到燃烧区。在该模式下运行可获得很多优点。第一，所需火焰温度可简单地通过使用高炉气作为燃气来实现，而无需富含诸如焦炉气或天然气的较高发热值气体。第二，燃烧气体的再循环能够使二氧化碳的释放率净减少。第三，可获得类似那些从富氧空气获得的优点(见上述)的优点。根据本发明的设备可通过所述气体穿过热回收换热器而利用从燃烧气体回收的热量来运行。燃烧气体再循环到燃烧区稀释其中的燃料和氧化剂混合物以及因此改变温度和减小由于燃烧对炉子材料的损害风险。燃烧可实际上是无火焰的。根据本发明的设备给高炉操作者灵活性，以切换到采用空气来维持燃烧和通过采用诸如焦炉气、转炉气或天然气的较高发热值燃料附加到高炉燃料来提高高炉燃料发热值的常规运行。因此，根据本发明的设备可包括较高发热值燃料源和可操作地将较高发热值燃料分配到燃烧区的第六管线。术语“低的(较低的)发热值燃料”意思是包括通常具有9MJ/Nm3或更少发热值的燃料。如前面所述，高炉气是通常使用的较低发热值燃料。术语“高的(较高的)发热值气体”指的是通常具有超过9MJ/Nm3发热值的气体。焦炉气、转炉气或天然气是在根据本发明的设备中使用的合适较高发热值燃料。如果需要，根据本发明的设备可附加地包括用来选择性地将氧化剂从第三管线引入第二管线的装置。这样布置提供高炉操作者用富氧空气操作炉的选择。根据本发明的设备理想地包括通常终止于烟囱的用于燃烧气体的排放管，该排放管通常与第四管线连通。在燃烧气体再循环到燃烧区的情形下操作根据本发明的设备时，部分燃烧气体的排放限制循环气体中杂质的集结。较低发热值燃气源通常是与形成根据本发明设备的一部分的高炉炉子相关联的高炉。空气源通常是至少一台压缩机、风机或风扇。该压缩机通常与供给空气流到高炉的压缩机分开。包含至少85%氧气量的氧化剂源通常是空气分离设备。因此，氧化剂可包含至少95%氧气量。例如，空气分离设备可通过分馏或变压吸附分离空气。第一到第六管线中的每条管线可包括阀或一系列阀，这些阀打开时提供所需流量而关闭时阻止流量。所有阀可与如果需要可自动操作和可编程的共同控制装置相关联。第一到第六管线中的每条管线也可包括有助于设备整体操作的变送器(transmitter)、安全阀或其他控制装置。如果需要，第四和第五管线都可与用来处理燃烧气体的装置连通。燃烧气体的处理可包括回收其废热或再压缩或两者。因此，根据本发明的设备可包括用来回收燃烧气体废热的换热器以及用来将燃烧气体从第四管线通到第五管线的风机或压缩机。
现将参照附图以示例的方式描述根据本发明的设备，附图中图I是在常规炼铁中高炉及其关联炉子的简化示意图；图2是具有外部燃烧室的高炉炉子的示意性剖视图；以及
图3是说明本发明设备操作高炉炉子的示意性流程图。附图是不按比例的。所有在供气体领域已熟知的各种变送器、安全阀和其他控制装置都从附图中省略。
具体实施例方式参照图1，示意性地示出在炼铁中高炉120和三个炉子100的布置。高炉120的运行通过使用由诸如焦煤的材料提供的碳还原氧化铁产生铁水。氧化铁矿石还原成铁导致一氧化碳形成以及包含一氧化碳、二氧化碳和氮气的混合气体从高炉120的顶部流到燃料供给控制设备110，该燃料供给控制设备控制高炉顶部气体向三个高炉炉子100中每一个炉子的供给。每个炉子100具有用来燃烧来自高炉120的顶部气体的室和用来加热空气流的室。空气流通过空气供给控制设备130供给。用来加热空气流的室包括以陶瓷砖或类似形式的耐火金属，通常称为格子装置。来自每个炉子100的燃烧室的燃烧气体流过空气加热室并将热传给耐火砖。通常，每个炉子根据预定循环运行使得在任一时间点至少有一个炉子用于加热空气流且其余的炉子通过燃烧高炉气被加热。在耐火砖被加热时，燃烧产物或烟气供给到烟气处置设备150。炉子100的作用是在所需风速下连续多年长期地为高炉120提供恒定的热风温度。在本领域已熟知的是控制燃烧以获得恒定的炉子性能、减少能源消耗以及同时促进安全运行和延长活动寿命。每个炉子100的燃烧室设置有燃烧器以实现燃烧。耐火砖捕获燃烧产物的显热。一旦格子砖达到工作温度，燃烧器关闭且冷空气经过耐火砖，在作为“热风”空气送入高炉前在此被预热。通常地，炉子以三或四个炉子组运行使得一些炉子被加热而其他炉子提供热风到高炉。图2示出具有外燃烧室101、耐火材料102和穹顶103的常规考珀炉子(Cowperstove) IOO0炉子运行以确保穹顶103的温度不会变得太高而导致炉子100损坏。可以理解的是，还存在具有内部燃烧室的炉子，且那些根据本发明的设备同样可应用于这些炉子的运行。在耐火材料被加热时，高炉顶部气体通过燃料进口 105馈送给燃烧器108且氧化剂通过氧化剂进口 104供给燃烧器108。所产生的热燃烧气体向上流过腔室101和通过穹顶103以及向下流过内衬耐火砖102的腔室。由此，耐火砖102被加热。所产生的燃烧气体通过端口 106排出炉子100。通常地，排出的燃烧气体的温度通常是约200° -350°C。在砖的耐火材料达到预定温度时，切换运行以加热空气流。然后，空气被引导穿过端口 106，流过内衬耐火砖102的腔室。由此，空气被加热。加热过的空气流过穹顶103、燃烧室101以及通过出口 107流出。在这点，鼓风通常具有1100-1200°C的温度。顶部气体较佳地从高炉提供，而鼓风从炉子100提供给高炉。这允许炉子100靠近高炉120的布置是高效节能的且有助于减少来自工厂的总排放。高炉顶部气体通常具有约3. 2MJ/Nm3的发热值。如果需要，可替代使用替代的低发热值燃料。通常，在每个炉子中如果空气作为氧化剂供给燃烧器108，就会增加获得足够高的火焰温度以将空气加热到所要求热风温度的困难。为了提供附加热量，高炉气补充有较高发热值的燃气。通常，焦炉气可用于这个目的，但可替代地使用诸如转炉气或天然气的其他气体。较高发热值气体的用量比使高炉气 的发热值提升到9MJ/Nm3所需的量少。很多技术可用来减少较高发热值燃气需要加入的量。在一个实例中，来自炉子的相对热废气(通常具有250°到450°C的温度)通到废热回收单元，以捕获其部分显热含量并用于对由炉子燃烧器燃烧之前的燃气进行预热。在第二方法中，包含至少85%氧气量的氧化剂(通常至少95%氧气量)用于替换部分燃烧空气。因为在恒定总氧气流下，燃烧产物中的氮含量减少了，所以这种替换具有提高火焰温度的效果。如果没有达到炉子的允许穹顶温度，可使用较高火焰温度以减少为了产生所需火焰温度必须增加的较高发热值气体量。虽然借助于富氧在减少的较高发热值气体的流量下可保持所需火焰温度，但输入到炉子的能源趋于减少。实际上，这通过增大流至炉子燃烧器的高炉气流量来弥补。较高的高炉气质量流量补偿减少的空气质量流量。结果，在炉子内的对流热传递条件不是非常有效。然而，在火焰温度变得太高前在炉子中可使用的富氧量存在实际限制(其基于现有技术)，通常造成损坏耐火砖和炉子穹顶的风险。根据共同待审批国际专利申请PCT/SE2010/051301，在此以参见的方式引入其全部内容，可通过采用包含至少85%氧气的氧化剂替代空气以及促使燃烧气体再循环进入炉子的燃烧区，来完全消除较高发热值气体的使用。再循环的燃烧气体对于为了燃烧而充分混合的燃料和氧化剂的混合物进行稀释，使得不会给炉子的材料造成损坏。实际上，如果需要，燃烧可是无火焰的。通常地，约三分之一的炉子内产生的燃烧气体是这样再循环的。虽然使用再循环的燃烧气体和包含至少85%氧气量的氧化剂的运行非常不同于使用空气来支持燃烧和不存在燃烧气体再循环的运行，常规高炉炉子仅需要做出相对小的改变以适应变化。通常，燃气将仍然流过现有燃气口，以及再循环的燃烧气体和包含至少85%氧气量的氧化剂将预混合以形成可引导穿过现有空气口的“合成空气”。在所有实例中，通过炉子的总质量流量维持在或非常接近常规空气-燃料运行的质量流量。虽然高炉气的数量上升，但进入炉子的其他气体流量相应减少，结果是总质量流量基本上没有改变。包括再循环的燃烧气体和包含至少85%氧气量的氧化剂的“合成空气”的成形物可形成与空气比较具有相对较高氧浓度的气体混合物。如果需要，那些用来处理这种气体混合物所需的气体管线的部件可用诸如铜或其他安全地用于氧气的材料组成。替代地，如果希望避免用于“合成空气”端口的进气管必须用这种材料形成，一些氧气可通过一个或多个喷管引导进入燃烧室。高炉常规地连续运行几年时间。在这个运行活动期间，供给到高炉和高炉炉子的各种馈送物的成本和利用率可改变。因此，虽然我们相信采用燃烧气体再循环的运行通常是可取的，但高炉操作者可在方式上需要一些灵活性以运行高炉炉子。根据本发明的加热设备实施例提供这种灵活性。这种设备的实例在图3中示出。各种单向阀、流量控制阀和类似的阀从图3中省略以便于理解本发明实施例。
参照图3，示出多个、例如四个高炉炉子302、304、306以及308。炉子302、304、306以及308以并联的方式相互连接。设备包括主空气管线310、主低发热值燃料(高炉气)管线320、主高发热值燃料(焦炉气)管线330、主燃烧气体管线340、主氧气管线350以及主再循环气体管线360。管线与在各种管线和炉子的进口以及出口之间提供适当连通的集气管或分配器(未示出)相关连，这些进口和出口基本上类似于图2中所示的炉子的那些进口和出口。因此，主空气进气管线310接收来自压缩机309的空气并分别通过分配管线312、314、316以及318与炉子302、304、306以及308的对应进口连通。高炉气从主高炉气管线320分别通过高炉气分配管线322、324、326以及328分配到炉子302、304、306以及308。类似地，焦炉气或其他高发热值的燃料可分别通过焦炉气分配管线332、334、336以及338分配到炉子302、304、306以及308。燃烧气体分别通过燃烧气体分配管线342、344、346以及348而流出炉子302、304、306以及308，所有的燃烧气体分配管线都与主燃烧管线340连通。管线340终止于再循环气体风机370并延伸穿过运行的废热回收单元380。在废热回收单元380和再循环气体风机370中间存在将废气引到烟囱(未示出)以排放到大气的排放管线390。风机370的出口与燃烧气体再循环管线360连通。再循环气体管线360连接到空气分配管线312、314、316以及318中的每条空气分配管线。主氧气管线350可将空气分离装置351产出的氧气供给到分配管线312、214、316以及318中的每条分配管线。替代地或附加地，可分别通过氧气分配管线352、354、356以及358将氧气直接供给到炉子302、304、306 以及 308。如果需要，可使用旁通管来允许管线340的燃烧气体绕过废热回收单元380。废热回收单元380通常布置成将热量从燃烧气体传送到供给到高炉的气体空气。图3中所示的设备能以多种不同模式运行，这已在上文进行了描述。这些模式包括a)采用高炉气、高发热值燃气，例如焦炉气以及空气供给至炉子，但不采用氧气供给燃烧气体再循环和从燃烧气体回收废热；b)如(a)，但采用从燃烧气体回收废热；c)如(b)，但采用富氧空气，以及不采用高发热值燃气供给；d)采用高炉供给、氧气供给以及燃烧气体再循环，但不采用空气供给、高发热值气体供给以及不采用从燃烧气体回收废热；e)如⑷，但采用从燃烧气体回收废热；以及f)如(e)，但也采用空气供给。上述实例(f)基本上类似于实例(e)，但燃烧空气没有被氧气和再循环燃烧气体全部替换，燃烧空气只是部分地被这些气体替换。氧气源较佳地是空气分离装置产出的至少95%纯度且通常至少99. 9%纯度的氧气。设置一系列开关阀，使得设备能够以上述模式中任一模式运行。再次参照图3，提供如下阀分别位于管线312、314、316以及318中的空气供给阀313、315、317以及319 ;分别在高发热值燃气管线332、334、336以及338中的高发热值燃气(焦炉煤气)分配阀333、335,337以及339 ;再循环气体截流阀342 ;分别在氧气供给管线352、354、356以及358中的主氧气供给阀353、355、357以及359 ;分别可操作地增加流过管线312、314、316以及318的空气中氧气的富氧阀393、395、397以及399 ;分别与管线312、314、316以及318连通的再循环气体阀363、365、367以及369 ;废热回收阀382以及废热回收单元旁通阀384。上述阀可打开和关闭，使得所述设备以根据以上实例(a)-(f)的模式中任一模式 运行以加热炉子。按下表I提供所需的阀位置。通常，任一次只有一个(或可能两个)炉子被加热。在在表I中的实例(C)中，除了根据哪个炉子被加热来通过阀393、395、397以及399使空气富氧外，氧气可选择地直接喷入炉子302、304、306、308，在这个情形中中，阀353、355、357以及359是打开的。应该理解，设备可以除上述(a)-(f)外的模式运行。例如，废热回收可在所有模式中采用，而不仅仅在(b)以及(C)中。在表2中给出运行模式(a)-(e)的一些说明性运行参数。可以理解，在实例(c)-(e)中，焦炉气无需补充到高炉气。如果二氧化碳是要捕获和回收的，由于废气的较高二氧化碳含量，实例(d)以及(e)会优于实例(C)。以模式(d)运行的具体优点是氮气分子进入炉子的速度小于以其他模式运行的速度，从而使得氮氧化物的形成减少。甚至在如图3所示的设备再循环运行时，仍无需使燃烧气体经受化学处理以去除氮氧化物。表I
实例阀打开
炉子炉子炉子炉子
__302被加热 304被加热 306被加热 308被加热
313315317319
323325327329
a)
333335337339
38438438438权利要求
1.一种用来加热具有燃烧区和与所述燃烧区相关联的燃烧气体出口的高炉炉子的设备，所述设备包括 a)较低发热值燃料源； b)第一管线，所述第一管线可操作地将所述较低发热值燃料从其燃料源分配到所述燃烧区； c)空气源； d)第二管线，所述第二管线可操作地将所述空气从其空气源分配到所述燃烧区； e)包括至少85%氧气量的氧化剂源； f)第三管线，所述第三管线可操作地将所述氧化剂从其氧化剂源分配到所述燃烧区； g)第四管线，所述第四管线可操作地将燃烧气体从所述燃烧气体出口引离所述炉子； 以及 h)第五管线，所述第五管线可操作地将部分燃烧气体返回到所述燃烧区。
2.如权利要求I所述的设备，其特征在于还包括用来选择性地将所述氧化剂从所述第三管线引入所述第二管线的装置。
3.如权利要求I所述的设备，其特征在于还包括与所述第四管线连通的排放管。
4.如权利要求I所述的设备，其特征在于所述较低发热值燃料源是与所述高炉炉子相关联的闻炉。
5.如权利要求I所述的设备，其特征在于所述空气源是至少一台压缩机。
6.如权利要求I所述的设备，其特征在于还包括较高发热值燃料源以及可操作地将所述较高发热值燃料源配置成与所述燃烧区连通的第六管线。
7.如权利要求6所述的设备，其特征在于所述第一管线至所述第六管线中的每条管线包括阀，所述阀可操作地选择性提供与所述较高发热值燃料的所需要连通或者防止与所述较高发热值燃料的连通。
全文摘要
一种用来加热具有燃烧区和与燃烧区相连的燃烧气体出口的高炉炉子的设备，该设备包括较低发热值燃料源；用来将较低发热值燃料供给到燃烧区的第一管线；空气源；用来将空气供给到燃烧区的第二管线；包含至少85％氧气量的氧化剂源；用来将氧化剂供给到燃烧区的第三管线；与燃烧气体出口连通用来将燃烧气体引离炉子的第四管线；以及可操作地将燃烧气体再循环到燃烧区的第五管线。该设备可根据配置哪条管线与燃烧区连通而以不同模式运行。
文档编号C21B9/00GK102796836SQ20121017484
公开日2012年11月28日 申请日期2012年5月23日 优先权日2011年5月25日
发明者A·M·卡梅隆, K·T·维斯孔蒂 申请人:琳德股份公司