用于电弧炉的集成气体冷却系统的制作方法与工艺

用于电弧炉的集成气体冷却系统相关申请的交叉引用本申请要求2012年5月10日提交的美国临时专利申请序列No.61/645,260的优先权，该申请通过引用将其全部内容并入本申请中。技术领域本发明涉及一种集成气体冷却器，其能够在冷却来自可用于冶金工艺(特别是钢生产)的电弧炉(EAF)的烟气的同时回收热量。本发明还涉及一种针对EAF炼钢和精炼厂的改进的烟气冷却和净化配置，和用于商业目的的能够从这些烟气中提取热量并生成能量的能量回收系统。

背景技术：
钢铁生产产生大量的热烟气，其含有作为污染物的二氧化碳、一氧化碳、氟化氢、氯化氢、其他气体、二恶英、微粒和升华物。这种热烟气必须在烟气释放到环境中之前经过净化以去除这些污染物。一种公知的用于净化热烟气的气体净化工艺是通常被称为“干法净化”的工艺。可用于使用干法净化工艺来净化热烟气的干法净化系统是可以获得的，例如从阿尔斯通电力环境控制系统(ALSTOMPowerEnvironmentControlSystems)(奥斯陆，挪威)获得。其他烟气净化工艺，诸如例如颗粒物去除工艺，可以与这种干法净化工艺相结合以净化烟气。如今，通过在冶金炉中熔化和精炼铁和废钢来生产钢，所述冶金炉例如为电弧炉(EAF)或碱性氧气转炉(BOF)。从历史上来看，通常EAF被设计为并被制造为焊接钢结构，所述焊接钢结构通过耐火衬里的保护来抵抗高温。在70年代、80年代末，通过将水冷式顶板和水冷侧板置于炉容器中熔炼区上来取代昂贵的耐火砖，钢铁行业开始应对可操作装备的压力。这种水冷式组件也已被用于加衬在废气系统中的炉管内。美国专利号4207060公开了具有水冷线圈组件的冷却系统的示例。一般而言，线圈由具有弯曲端帽的相邻管道分段形成，所述管道分段形成用于液体冷却剂流过线圈的路径。该液体冷却剂在压力下强制通过管，以最大限度地提高传热。本领域在这种系统中使用碳钢和不锈钢来形成板及管道。如前所述，当今的现代化EAF炉需要控制污染以捕获在炼钢工艺中产生的热烟气。在炉的操作期间通常以两种方式来捕获来自EAF的烟。一种烟气捕获的方法是通过使用炉罩。炉罩是厂房建筑的一部分，且捕捉在装料和出钢期间产生的烟气。炉罩还捕捉熔化工艺期间可发生的短时排放。通常情况下，炉罩通过非水冷却管流体地连接到织物过滤器袋室。织物过滤器袋室包括过滤袋，烟气通过该过滤袋从而使颗粒物质截留并且使其与烟气分离。第二种烟气捕获的方法或形式是通过主炉管线。在炉的熔化周期中，闸(damper)关闭通往罩的管，并打开主管线中的管。主管线直接与炉相连，并且是捕获来自炉的排放物的主要方法。主管线通过水冷管构成，因为温度可达到1250℃的平均最高温度，其中峰值温度约1800℃。通过主管线以及从主管线出来，烟气从炉中排出到气体净化系统中，以便烟气可被净化，以释放到大气中。虽然目前的水冷式组件和/或管可有效地冷却EAF中生成的热烟气，但来自热烟气的热量却被损失或者不易被捕获以用于其他用途。因此应该理解，存在这样一种需求：从EAF捕获热量，以用于能源回收并用于其他用途，诸如发电。

技术实现要素：
根据本发明，一种针对来自于电弧炉(EAF)炼钢厂的携带颗粒和污染物的烟气的气体冷却器，包括进气室、出气室和多个气体冷却管路。每个这种气体冷却管路都具有定位在进气室中的入口端和设置在出气室中的出口端。同样，每个气体冷却管路具有钟形入口端，钟形入口端包括空气动力学弯曲的气体加速轮廓，以便于有效地促使流线型的烟气流进入气体冷却管路。气体冷却管路的钟形入口被设计为使烟气流平稳加速进入气体冷却管路，从而大致防止在气体冷却管路内的颗粒积聚。因此，在每个气体冷却管路的入口处的上述的钟形、空气动力学曲线加速区，促使烟气的流线型流动加速，并防止流收缩(缩脉效应)。在没有这种预防措施的情况下，湍流烟气流会导致烟气与气体冷却管路的内表面碰撞，从而在气体冷却管路内造成颗粒积聚和/或腐蚀。本发明的优选实施例中的气体冷却管路内的加速后烟气速度应该在大约20至30米/秒(m/s)的范围内，具体取决于烟气温度。在优选实施例中，气体冷却管路形成相互并联的、间隔开的管路阵列。气体冷却管路应分别在入口和出口压室的烟气进入和离开区域均匀地间隔开。气体冷却管路的入口端和出口端应定尺寸并布置成以便能伸入到入口压室和出口压室。所述气体冷却器同样包括围绕气体冷却管路的冷却剂封套或护套(jacket)。该冷却剂封套设有冷却剂进入和离开器件。便利地，冷却剂封套形成气体冷却器的外壳或壳体的一部分。优选地，在冷却剂封套的内部循环的冷却剂是水或其它合适的液体。为了最大限度地提高换热效率，通过气体冷却管路外表面上的冷却剂封套内部的冷却剂流的方向应当与通过气体冷却管路内侧的烟气流的方向相反。在操作中，气体冷却器的入口压室与入口烟气管流体地连接，所述入口烟气管将热烟气从电弧炉传输到气体冷却器。出口压室与出口烟气管连接，所述出口烟气管将冷却后的烟气输运离开气体冷却器。气体冷却器的入口压室经由扩散发散入口部分接收热烟气，所述扩散发散入口部分将烟气流减速至相对低的速度，从而使烟气稳定并且均匀地流动到成排的气体冷却管路的钟形入口。其中的入口压室的烟气流动区域和冷却管路的布置明智地选择，使得入口压室的扩散发散入口部分将热烟气流减速到相对低的速度，而不会产生将导致入口压室内不可接受的结垢(scaling)的湍流区。在本发明的优选实施例的入口压室中的烟气速度应当在大约8至12米/秒的范围内，具体取决于气体温度。在将冷却烟气排放进流体连接的出口烟气管之前，出口压室从气体冷却管路的出口端接收冷却烟气，并通过会聚的出口部分逐渐加快烟气的流速。优选地，进口压室和出口压室是可从气体冷却器的冷却护套部上拆卸的。如果该特征是必要的，这种可拆卸的特征具有如下优点，即允许容易地拆散和净化入口压室和出口压室以及冷却管路的进入和离开部分。然而，由于上述措施的采用避免了烟气流中的湍流，所以这种净化的需求被尽可能降低。此外根据本实施例，一种用于EAF炼钢厂的改进的烟气冷却和净化配置，包括具有气体管路换热器形式的至少一个烟气冷却器和流体连接的烟气净化系统，所述烟气冷却器包括多个气体冷却管路，所述气体冷却管路构造成接收烟气并以流线型流动的形式使烟气传递通过其中。因此，在将冷却烟气传递给烟气净化系统之前，连接所述烟气冷却器以接收来自EAF的烟气。所述烟气冷却器接收温度在800到1250℃范围内的烟气，并引导具有在100到250℃范围内的温度的烟气到烟气净化系统。在与来自炉罩的第二气体混合后，这样的温度范围适合于装备有用于去除烟气中颗粒物的织物过滤器的烟气净化系统。在离开EAF的烟气处于超过烟气净化系统的温度能力的温度的环境中，在烟气进入烟气净化系统前冷却它是有利的。为了实现所需的烟气冷却，所述气体冷却器使用冷却剂护套围绕气体冷却管路，以形成封闭回路冷却剂循环系统的一部分，所述冷却剂循环系统将烟气冷却器连接到从循环冷却剂中提取热能并且将热量泄放到环境中和/或将热量传递给其他工厂系统用于使用的器件。优选地，封闭回路冷却剂循环系统沿与烟气通过气体冷却管路的方向相反的流动方向将冷却剂循环通过冷却剂护套。如果封闭回路冷却剂循环系统中的冷却剂是水将是方便的。在本发明的一个变型中，特别是(但不是唯一地)适用于热气候，封闭回路冷却剂循环系统通过吸收式制冷机站与循环冷却剂相连，所述吸收式制冷机站使用从烟气中回收的热量生产用于循环通过另一个或第二个闭合回路冷却剂循环系统的冷却剂并将热量泄放到环境中。另外，可通过换热器将闭合回路冷却剂循环系统与循环冷却剂相连，所述换热器将热量泄放到环境中和/或到其它工厂系统用于使用。在另一个方面，本发明提供了一种冷却来自EAF炼钢厂的烟气的方法，所述EAF炼钢厂包括烟气净化系统，所述方法包括以下步骤：将处于超过与烟气净化系统相容的温度的初始温度的烟气传递通过相互并联地布置成接收烟气的多个气体冷却器，气体冷却器包括成排的气体冷却管路，成排的气体冷却管路构造成接收并以流线型流动传递通过其的烟气，从而在气体冷却管路的外侧循环冷却剂以通过将烟气热量非直接地传递给冷却剂而冷却烟气，由此将烟气冷却到与烟气净化系统相容的温度，并且将冷却的烟气传递给烟气净化系统。在另一方面，本发明提供了一种用于从EAF炼钢厂产生的烟气回收热量的系统，包括至少一个烟气冷却器，其连接为接收来自于EAF的烟气并且将冷却后的烟气传递到烟气净化系统，冷却系统将冷却剂循环通过至少一个烟气冷却器，以及热能提取器件，其连接为从冷却剂提取热能用于其它厂使用或泄放到环境中。热能提取器件可包括吸收式制冷机站，其使用被烟气冷却器加热的冷却剂来产生用于循环至其它工厂系统用于使用的冷却剂，其它工厂系统诸如为在燃气涡轮发电厂进气口中的一个或多个空气冷却器组(battery)、空调系统，或区域冷却方案。此外，热能提取器件可包括换热器，所述换热器使用由烟气冷却器加热的冷却剂加热用于循环至其它工厂系统以使用的水，所述其它工厂系统诸如为一个或多个联合循环发电厂、脱盐厂或区域加热方案。例如，使用所提取的热能的其它工厂系统可包括用于联合循环发电厂中的锅炉用水的预热器。此外，热能提取器件可包括用于从低温源中发电的有机朗肯机器，其也被称为“ORC”。本发明的其他方面将从以下说明书和权利要求书中显而易见。附图说明本发明的示例性实施例可参照附图在下文中描述，其中：图1是根据本发明带有烟气冷却器以及相关热量回收系统的EAF炼钢厂的示意流程图；图2是根据本发明带有相关热量回收系统的烟气冷却器的示意侧视图；以及图3是图2的烟气冷却器的一部分的示意侧剖视图。具体实施方式附图1-3中所示的系统只是本发明的示例性实施例。图1-3中所示以及如下详细所述的每个特征或系统参数在详细的系统设计中可经受一定程度的变型，以适应特定的钢铁生产厂的需要。正如在图2中最佳所示，本系统使用之前未被用于冷却来自用于钢铁生产的电弧炉(EAF)的热烟气的冷却原理，即包括气体管路型热交换器的气体冷却器11。照此，一个具有年产1,000,000吨钢的能力的EAF(未示出)在该过程中产生大约150,000至200,000Nm3/hr的带有颗粒物和升华物的热烟气。因此，若如图2中所示使用四根管，则该体积的热烟气总计每根主管12大约为50000Nm3/hr的烟气量。由EAF生成的热烟气输送通过1个或多个流体连接的主管12，并且如图所示，每个主管12都装备有自己的气体冷却器11。每个气体冷却器11具有入口压室14用以使从主管12接收的热烟气减速并平稳，以及出口压室16用以将冷却烟气排放到管道系统20。每个入口压室14的直径为大约1至3米，并且每个都具有扩散发散入口部分15，其使烟气“G”减速，且大致无湍流。烟气流动速度被发散入口部分15减速到相对较低的速度，大约8-12米/秒(m/s)。出口压室16具有会聚收缩轮廓以增加流入管道系统20的冷却烟气的流动速度。烟气的冷却通过将热量从烟气传递到冷却剂22a来实现，冷却剂诸如为冷却水，其在加压至大约2至10bar的闭路冷却系统22中循环。泵(未示出)，使冷却剂22a通过流体地与吸收式制冷机站24以及与冷却剂封套或护套26的内部26a相连接的管23循环，封套或护套26形成用于各气体冷却器11的外壳或壳体的一部分。冷却剂护套26相互并联地连接到冷却系统22，以便进口部28和出口部30分别流体连接到冷却系统22的“冷”和“热”支腿32、34。在此实施例中，气体冷却器11将烟气温度从在入口压室14处的大约1250℃(其中，峰值高达1850℃)，降低至在出口压室16处的大约200℃至250℃，将来自炉罩的更冷的第二通风气体引入烟气。在和更冷的第二空气混合之后，烟气已经被充分冷却，用于进入前述的织物过滤器型的气体净化系统4。同时，在烟气在气体冷却器11中冷却时，冷却剂22a的温度在其从吸收式制冷机站24离开的出口部处的大约50℃至90℃，增加至在其从冷却护套26的出口部30处的大约80℃至150℃。通常，气体冷却器11将为柱形，其中，冷却剂护套26与入口压室14和出口压室16的直径相同。图2中的顶部气体冷却器11的冷却剂护套26的壁26b的一部分剖开示出，以分别显示占据气体冷却器11的内部26a以及流体连接入口压室14和出口压室16之间的成捆气体冷却管路18。在每个气体冷却器11内将有比在图2中所示更多的气体冷却管路18，例如大约500-900个管路，具体取决于冷却剂护套26的直径。气体冷却管路18分别在冷却剂护套26的内部26a和进气压室14及出气压室16内均匀间隔开。同样如图2中所示，为了使从烟气G到冷却剂22a的传热效率尽可能最大，冷却剂22a流经冷却剂护套26的大体方向与烟气G流经气体冷却管路18的方向相反。为了图2中显示的方便，气体冷却器11以水平定向的伸长主轴线“A”示出。然而，在图3中，气体冷却器11以竖直定向的伸长主轴线“A”示出。在操作中，竖直伸长主轴线A是气体管路型换热器的优选定向。烟气在其顶端18a处进入气体冷却管路18，而冷却剂22a在底部端26c进入冷却剂护套26，向上流过气体冷却管路18来将其冷却，并且在其顶部端26d处离开冷却剂护套26。事实上，冷却剂22a的循环由如下事实支持：冷却剂22a通过与气体冷却管路18接触而加热，其变得密度更低并且自然地升到冷却剂护套26的顶端26d。因为气体冷却管路18携带直接来自根据本发明的EAF的未处理的热烟气，所以气体冷却管路18必须被精心地进行空气动力学设计以将来自烟气的烟尘沉积控制在最小量，以维持通过气体冷却管路18的壁18c且到在冷却剂护套26中流过它们的冷却剂22a的有效传热。空气动力学设计意味着确保烟气流速度矢量在流经气体冷却管路18时保持大致平行于气体冷却管路18的壁18c。如在图3中更清晰地示出地，每个气体冷却管路18具有伸入入口压室14中的入口端19和伸入出口压室16中的出口端21。每个入口端19包括空气动力学形状的钟口会聚部分，其设计成用以平稳加快进入气体冷却管路18的烟气“G”的流速，使其从上述入口压室14中的大约8-12m/s加速到气体冷却管路18中的大约20-30m/s。在增加流速的同时保持流线型流入冷却管18，这避免了湍流并且防止在气体冷却管路18的内侧壁18d上的灰尘沉积。用以获得最佳烟气速度的气体冷却管路18的尺寸是在若干变量之间的折中，这些变量诸如为压力损失，换热效率，结垢系数，以及气体冷却器11的总体尺寸。最优化将在实践测试期间产生。在现有的实施例中，每个气体冷却管路18直径可为大约为1-3m，且长度为大约5-8m。从图3中将注意到进口压室14和出口压室16可分别从气体冷却器11的冷却护套26部分拆除。通过提供带有端板28、30的冷却护套26而方便拆除。端板28、30不仅将增压冷却剂护套26分别与入口压室14和出口压室16分开，而且还提供了螺栓凸缘31、31a以与入口压室14和出口压室16上的类似螺栓凸缘33、33a接合。这种构造允许入口压室14和出口压室16、以及气体冷却管路18的入口端19和出口端21的拆卸、维护和净化相对容易，如果这最终变得必要。注意主管12和气体冷却器11并不是必须如图2中所示那样成一一对应关系。实际上，可优选地将来自主管12的烟气流分入两个或更多个竖直布置的气体冷却器11。这样，通过冷却剂护套26的冷却剂22a的流可更容易控制，并且每个气体冷却器11的尺寸和复杂程度将更易管理。将两个或更多个气体冷却器11与一个主管12组合的备选方案是其中一个或多个气体冷却器11关于烟气流彼此相继。这是本发明的另一种可能的实施例。本领域技术人员将预期本发明在冶金工艺参数范围内的可能操作。下表提供了对于上述实施例来说可能范围的示例以及优选参考值。表如前所述，EAF炼钢厂倾向于建造在全球的热带或亚热带地区。在这些地区，在火力发电站中由包括燃气涡轮驱动的发电机的发电机组(powerblock)44a产生用于EAF的电能。用于这种情形的典型燃气涡轮为在简单循环下操作的、具有180MW的总功率输出的GT13E2M。简单循环燃气涡轮的效率和功率输出的限制因素为压缩机的入口空气温度。在热带地区，它们被设计为35℃的压缩机空气入口温度。如果压缩机入口空气温度从35℃降低至大约15℃，则典型的简单循环发电机组(仅燃气涡轮)的能量输出可增加超过10％。本发明有利于提供这种入口空气冷却至发电机组44a，其中从气体冷却器11回收的热量可用作用于吸收型工业冷却机站24的能量源，而吸收式冷却机站24的冷却水输出可用于降低压缩机入口空气温度。需提及的是，对于前面列举的工艺参数，每个气体冷却器11可将50至200000Nm3/h的烟气从1250℃的温度冷却到250℃的温度。这意味着通过气体冷却器11和吸收式冷却机站24从烟气去除大约45MW的热能。如此，制冷机站24将该热能用于生产大约1450m3/h的处于5℃的冷却水36。冷却水36通过绝热管38循环至换热器40，例如空气冷却器组，其位于三个燃气涡轮发电机组44a的进口42处。换热器40与制冷机站24相互并联地连接，其中进口部46和出口部48分别流体地连接到封闭回路水冷制冷机站24的“冷”和“热”的支腿50、52。上述GT13E2M燃气涡轮发电机组44a在以其正常连续额定值操作时，通过其压缩机/涡轮系统抽取1.548×106Nm3/h的空气。标准的热力学计算显示，使用上述量的冷却水，该气流可从大约35℃冷却到15℃，从而显著改善燃气涡轮，且因此也显著改善了发电机组的效率和功率输出。如前所述，从烟气回收的热可用于使简单循环燃气涡轮发电机组的发电能力提高10％或更多。这种额外的电力也可例如用于提高EAF炼钢厂的生产能力，而无需投资另外的电厂。应注意的是，可替代地、或额外地，以上述方式生产的冷却水可用于建筑物或地区的空气调节和冷却，在热带和亚热带地区这些目的是高度期望的。虽然为了举例，发电机组44a在上文中描述为简单循环，但是它们可以可替换地包括组合式循环发电厂，其中来自燃气涡轮排气的废热被用来产生蒸汽，以驱动联接到发电机的蒸汽涡轮。由于组合式循环相对于简单循环具有更高的热效率，所以当来自于相连的钢铁生产厂的烟气热量将在吸收式制冷机站中如上文所述被回收并利用时，烟气热量将具有超出相连的组合式循环发电机组的压缩机空气冷却需求50％的冷却能力。该超出的冷却能力可再次被进一步利用，诸如用于建筑物或区域的空气调节和冷却。不论使用简单循环或组合式循环发电机组，气体冷却器11和吸收式冷却机站24以及燃气涡轮空气入口冷却器40的组合对于热带和亚热带地区中的钢铁生产厂在经济上是有益的。在图1中，冷却机站24示出为使用一组8个吸收型工业制冷机，诸如YorkMillenniumTMYIA-14F3单效吸收式制冷机，或来自其他制造商的等同产品。根据所需冷却能力和吸收式制冷机的冷却性能，可使用小于8个或多于8个的制冷机。为了从自气体冷却器11返回的处于90℃至150℃的水或其它冷却剂以及从自空气入口换热器40返回的处于25℃的水中去除低温热量，制冷机使用大量的水。这优选地是海水，因为目前许多生产厂为了便于生产原料的大批运输而建在海岸附近。以30℃进入制冷机站24的8000m3/h的海水将以40℃返回海中，从而完成两个封闭回路水冷系统的所需冷却。虽然本发明中已经提到了单效吸收式制冷机的使用，但并不因此排除双效或多效吸收式制冷机的可能使用。虽然后两种类型尽管比单效吸收式制冷机更有效，但是需要比单效制冷机更高级别的热量输入。对吸收式制冷机而言可获得的热量输入级别主要取决于烟气温度，因为这控制了进入吸收式制冷机的进水温度。吸收式制冷机用作使用从热烟气中回收的热量的器件。备选地，本发明还预期由气体冷却器11回收的热能可用于另外的厂44，诸如一个或多个联合循环发电厂、脱盐厂，或者区域供热方案。因此，如果图1中的吸收式制冷机站24被简单地替换为合适的换热器(未示出)，则由气体冷却器11回收的热能被用于预热用于组合循环中蒸汽发生部分的锅炉用水，预热在脱盐厂中待脱盐的水，或者加热用于在区域供热方案中循环的水。组合循环电厂和脱盐厂的效率在上述布置下必然会上升。上文仅以示例的方式描述了本发明，并且在要求保护的本发明的范围内可进行修改。本发明还在于其中描述或暗示的、或在附图中暗示的任何单独特征，或任何这类特征的任意组合，或延伸至其等价物的任何这类特征或组合的任何派生。因此，本发明的广度和范围不应由上述示例性实施例中的任一个限制。除非以其它方式明确声明，否则说明书(包括权利要求书和附图)中公开的每个特征可由用于相同、等价或类似目的的可替换特征替代。除非在上下文中清楚地另外要求，否则在说明书和权利要求书的全文中，词语“包括”、“包含”及类似词语被解释成与排他的或穷举的意思相对地为包括性的；也就是说是“包括，但不限于”的意思。