燃烧低级燃料的方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及使用工业燃烧器燃烧低级燃料的方法和预热系统。更具体而言，本发 明涉及用于加热工业炉的此类燃烧。
【背景技术】
[0002] 在使用工业炉生产钢材及其他金属的工厂，经常作为副产物产生多种低级气体燃 料。一个例子是来自用于钢铁生产的高炉的所谓的炉顶煤气。另一个例子是来自转炉的废 气。这些低级燃料通常含有以下物质的混合物，这些物质可以包括例如烃、氮气、氧气、氢 气、一氧化碳、二氧化碳和水蒸汽。因为这些燃料中的能量密度经常是受限制的，所以通常 用于低温过程，例如加热或发电。替代性地，可以将其混入具有较高能量密度的燃料。也可 以将其烧掉，无用排放至大气。
[0003] 因为这些低级燃料例如在钢铁生产中经常大量产生，因此比较便宜，所以值得期 望的是在高温过程中也能够较大程度地加以使用，例如在通常使用更高级燃料的钢材加热 炉中。
[0004] 此外，通过使用来自另一个工业过程的已经作为副产物存在的低级燃料，而不是 使用传统的由外部供应的化石燃料，将会减少工厂的碳足迹。
[0005] 为了能够在这些应用中使用低级燃料，例如第553, 731号瑞典专利建议切换在现 有的空气燃烧器中燃料和氧化剂的供应，同时使用低级燃料。
[0006] 在第12/440, 520号美国专利申请中描述了通过使用一部分燃烧产物以预热燃料 同时将另一部分燃烧产物用于预热氧化剂从而利用来自加热炉的余热的方法。
[0007] 另一方面，JP 57198913描述了一种通过在热交换器中预热低级燃料和/或空气 从而利用燃烧产物中的热能的燃烧器。
【发明内容】
[0008] 本发明对于利用可能在加热炉中的低级燃料的上述建议提供了补充或替代方案。 此外，本发明解决了在离开燃烧区的燃烧产物非常热时使用燃烧产物预热氧化剂的问题。 该预热通常是成问题的，因为若预热设备破裂，热的燃烧产物与氧化剂直接接触，则热的燃 烧产物造成安全风险。
[0009] 因此，本发明涉及使用至少一个工业燃烧器燃烧燃料的方法，向该燃烧器供应具 有8MJ/Nm3或更低的低热值（LHV)的低级气体燃料和氧化剂，该方法的特征在于，首先对来 自燃料与氧化剂的燃烧的燃烧产物实施第一热交换步骤，在该步骤中将热能由燃烧产物传 递至燃料并由此对其进行预热，然后对如此冷却的燃烧产物实施第二热交换步骤，在该步 骤中将热能由冷却的燃烧产物传递至氧化剂并由此对其进行预热。
[0010] 本发明还涉及预热具有8MJ/Nm3或更低的低热值（LHV)的低级气体燃料和氧化剂 及将所述预热的低级燃料和所述预热的氧化剂供应至至少一个工业燃烧器的系统，该工业 燃烧器用于使燃料与氧化剂燃烧生成热的燃烧产物，该系统的特征在于，该系统包括将热 量由热的燃烧产物传递至燃料并由此对其进行预热的第一热交换装置，该系统还包括将热 能由在第一热交换步骤中冷却的燃烧产物传递至氧化剂并由此对其进行预热的第二热交 换器。
【附图说明】
[0011] 下面依照本发明的示例性实施方案及附图详细阐述本发明，其中：
[0012] 图1为根据本发明的预热系统的简化视图；及
[0013] 图2为根据本发明的热交换器布置方式的简化视图。
【具体实施方式】
[0014] 图1所示为根据本发明运行的工业炉110,其中使用同样根据本发明的预热系统 100。工业炉110优选为金属材料、优选钢材的加热炉，优选保持炉气氛的加热温度为至少 约1000 °C，例如用于使钢铁产品再退火，更优选为至少约1200 °C，例如用于在热轧之前重 新加热钢铁产品。
[0015] 为了加热该炉110,使用至少一个安装在炉壁中的工业燃烧器115。每个燃烧器 115包括至少一组燃料供应口和氧化剂供应口。
[0016] 氧化剂可以是空气，氧化剂的氧含量优选高于空气。因此，根据一个优选的实施方 案，氧化剂包含至少50重量％的氧，更优选至少85重量％的氧。特别优选，氧化剂包含至 少95%的氧，例如工业纯氧。包含高水平氧的氧化剂与低级燃料的燃烧产生成本特别低廉 的加热效应。此外，此类预热能够使用燃烧产物，从而甚至预热这些种类的高氧氧化剂，而 不会造成任何大的安全风险。
[0017] 根据本发明，一个或多个燃烧器115用气体低级燃料驱动，例如来自高炉的炉顶 煤气。
[0018] 表1是在一方面诸如焦炉煤气的中级燃料与另一方面诸如来自高炉的炉顶煤气 和来自转炉的废气的低级燃料之间不同组分的典型比例的比较。所有数值以体积百分比给 出。
[0019] 表 1
[0020]
[0021] 表2是焦炉煤气、来自高炉的炉顶煤气和来自转炉的废气的低热值（LHV)的比较。
[0022] 表 2
[0023]
[0024] 根据本发明，一个或多个燃烧器115用具有等于或小于8MJ/Nm3的LHV的气体燃 料驱动。然而，气体燃料优选具有不大于6MJ/Nm 3、更优选不大于4MJ/Nm3的LHV。该燃料可 以包含某些添加的其他的较高级的燃料，条件是总的混合物的LHV不超过以MJ/Nm 3计的所 述限制。具体而言，较低的LHV:s连同包含高水平的氧的氧化剂一起使用的效果较好。一 个优选的燃料的例子是炉顶煤气和转炉废气的混合物，它们均来自当地的包括高炉和转炉 的钢铁生产设备。出于成本上的原因，在燃烧之前优选不混入任何高级燃料，具体而言不混 入任何本身具有大于8MJ/Nm 3的LHV:s的燃料，例如针对焦炉煤气的情况。
[0025] 由燃料供应装置111经由管线113向一个或多个燃烧器115供应低级燃料，该燃 料供应装置接收来自该低级燃料的来源的低级燃料。在图1中显示了示例性的简化的高炉 120,炉顶煤气由此经由气体净化步骤121和管路输送至供应装置111。然而，应当认识到， 低级燃料的来源可以是转炉废气的来源，或者是如上所例举的低级燃料的任何其他合适的 来源。
[0026] 根据一个优选的实施方案，低级燃料包含至少50重量％的源自高炉120的运行的 炉顶煤气。此外，优选的是，高炉120与该炉110及因此与一个或多个燃烧器115设置在相 同的工业工厂本地。以此方式，工厂整体上可以实现更高的能量效率。
[0027] 将氧化剂由氧化剂供应装置112经由管线114供应至一个或多个燃烧器115,由氧 化剂来源130向该氧化剂供应装置供应氧化剂，例如传统的工业纯氧来源或传统的氧富集 空气的装置。
[0028] 燃料和氧化剂均在到达装置111和112之前分别经过预热系统100。
[0029] 来自通过一个或多个燃烧器115及在炉110中燃料与氧化剂的燃烧的气态燃烧产 物由该炉110经由管道116排出，然后导入管路，如图1所示。
[0030] 根据本发明，首先对所述燃烧产物实施第一热交换步骤150,其中将热能由所述燃 烧产物传递至燃料并由此对其进行预热。然后，对如此冷却的燃烧产物实施第二热交换步 骤151，其中将热能由冷却的燃烧产物传递至氧化剂并由此对其进行预热。
[0031] 换而言之，低级燃料和氧化剂依次连续地进行预热。这意味着，使用用于预热低级 燃料的相同燃烧产物的热能预热氧化剂，但是在燃烧产物由于预热低级燃料已经在一定程 度上冷却之后。以此方式，来自炉110的燃烧产物的热能含量可以更加完全地加以利用，同 时使与氧化剂的预热相关的爆炸等风险最小化，尤其是在使用高氧氧化剂的情况下。
[0032] 在经过步骤150和151之后，优选将燃烧产物送至用于处理冷却的燃烧产物的净 化或加工步骤140。
[0033] 当然，在燃烧产物经过步骤150、151时，燃烧产物不是不与待预热的低级燃料和 氧化剂以物理方式直接接触。而是，仅发生热接触。
[0034] 根据一个优选的实施方案，第二热交换步骤包括回流换热器型的金属热交换器， 换而言之，热交换器并不是再生器，而是以直接而非间接的方式将热能由一种介质传递至 另一种介质，换而言之在相继地加热低级燃料或氧化剂之前不实施某些其他介质的任何中 间加热。在步骤150、151中使用的优选的热交换器是逆流或交叉流热交换器。
[0035] 具体而言，优选使用金属热交换器，其中使用金属分离装置，从而总是使燃烧产物 分别与低级燃料和氧化剂分离。该装置的优选的金属材料包括不锈钢。
[0036] 具体而言，优选的是，在第二热交换步骤151中，将氧化剂在一个或多个金属管中 输送通过一个室，燃烧产物流动通过该室，该管用于使氧化剂与燃烧产物分离，并将热量由 该室中的燃烧产物输送至所述管中的氧化剂。
[0037] 这如图2所示，其中对应于图1中所示的第一热交换步骤150并且包括热的燃烧 产物的入口 200的第一热交换步骤201以串联方式经由管线202连接至对应于图1中所示 的第二热交换步骤151并且包括冷却的燃烧产物的出口 204的第二热交换步骤203。通过 第一热交换步骤201，热交换管212在步骤201中在一个室内由低级燃料的入口 210延伸至 预热的低级燃料的出口 211。类似地，在步骤203中，热交换管222在步骤203中在一个室 内由氧化剂的入口 220延伸至预热的氧化剂的出口 221。
[0038] 优选的是，与用于总是使低级燃料与燃烧气体分离的在图2中显示为管212的相 应的分离装置的金属材料相比，用于使氧化剂与燃烧气体分离的在图2中显示为管222的 分离装置的金属材料由更加耐酸的金属材料制成。在第二热交换步骤中所述分离装置的合 适材料的例子包括足够耐酸的不锈钢种类。
[0039] 此外优选的是，热交换步骤151的仅仅所述分离装置由该耐酸的不锈钢制成，因 此在图2中仅为管222,热交换步骤150、151的其余装置由其他不太耐酸的不锈钢和/