操作带有炉顶煤气再循环和火焰管式加热器的高炉的方法和系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及钢铁工业领域，更具体而言涉及包括如下的高炉操作:经提质的炉顶煤气经由直焰(direct fired)气体加热器再循环以提高高炉的效率和生产能力，同时在高炉系统启动其操作时或者在炉顶煤气到高炉的再循环不得不中断时保护所述加热器免受热冲击。
【背景技术】
[0002]在生产生铁的高炉中，铁矿石与焦炭和熔剂一同经由高炉上部装填。热的空气鼓风流(air blast)经由高炉底部的鼓风口注入，从而通过焦炭中的碳燃烧产生热，使装填的物料(装料)熔化。焦炭的受控燃烧还产生氢气和一氧化碳，它们将高炉内的铁氧化物化学还原。定期将液态铁和熔渣从炉中取出。燃烧气体向上流经高炉并还原铁氧化物，并且作为载有粉尘的热气体流离开高炉。热被回收用以预热空气鼓风流，且该炉顶煤气一旦冷却则通常在钢铁厂的其它部分中用作燃料。
[0003]在高炉装料中需要冶金焦炭，因为该材料(通过煤在炼焦炉中的热解产生，例如在无氧存在的情况下间接加热)提供了所谓的“死铁(dead man)”区上方的高炉装料的结构支撑，在该“死铁”区金属铁开始熔化并掉落到高炉底部，在此收集熔融铁和熔渣。
[0004]焦炭还通过其与含氧气体(通常为经预热的空气)的燃烧提供用于熔化铁装料的热，主要由CO和CO2以及一些H2和水组成的燃烧气体向上流经高炉的炉筒(shaft)部分并将铁氧化物还原为方铁体(wustite，Fe0)o
[0005]在现有技术中发现了若干目的在于减少加焦量(coke rate)的在高炉中再循环炉顶煤气的推荐方案，它们涉及将炉顶煤气再循环到高炉并以此方式将焦炭消耗降低到最小。如果炉顶煤气在直焰管式加热器中加热，那么由高级合金制成以耐受将炉顶煤气的温度提升到850°C以上、优选900°C至1100°C所必需的高温的加热器管路在启动期和关闭期期间需遵循特别制定的温度设置(temperature profile)，以避免对管路的热冲击，而这需要所述气体在这样的启动和关闭期间经由所述加热器管路的连续流动。
[0006]申请人已发现数篇专利和专利申请涉及炉顶煤气再循环到高炉以减少焦炭消耗，它们教导了再循环气体要加热到适于铁氧化物的直接还原的温度，例如:美国专利 3，784，370 ;4，844，737 ;4，917，727 ;4，363，654 ;5，234，490 号；美国专利申请2010/0212457 Al号;英国专利GBl, 218，912号；以及日本专利公开JP55113814号。
[0007]以上专利或专利申请中没有一篇教导或启示了提供如下的备选路径(alternative path):该路径包括用于来自气体加热器的热气体流出物的冷却装置，用以保护所述气体加热器的组件免于因不可预知的高炉操作中断而受到热冲击。在现有技术中并未预想到对用于以经提质的炉顶煤气再循环改善高炉的操作和可用性的加热器的这一实际问题的解决方案。
[0008]发明目的本发明的一个目的是提供用于通过提质和再循环炉顶煤气来改善高炉操作的方法和设备。
[0009]本发明的另一个目的是提供用于通过如下方式来改善高炉操作的方法和设备:提供包括气体冷却装置的热气体备选回路使得即使在BF设备操作的其余部分终止时也能够应用正常的加热器启动和关闭操作。
[0010]本发明的另一个目的是提供用于通过如下方式来改善高炉设备的可用性的方法和设备:提供气体回路和冷却装置使得能够实现独立的操作工序。
[0011]本发明的其它目的对于本领域技术人员来说将是显而易见的，或者将在本申请说明书中指出。
【发明内容】
[0012]本发明的目的大体上通过提供在高炉中生产铁的方法来实现，其中通过再循环经提质的炉顶煤气来降低加焦量，该炉顶煤气在再循环到高炉之前在管式加热器中加热，并且其中所述管式加热器受到保护免于遭受可能因不可预知的高炉系统操作中断而导致的损伤，且其中从高炉的上部取出包括CO、0)2和!12的炉顶煤气流，从中去除粉尘和水，并从经冷却的炉顶煤气流中去除CO2以提高其还原能力，并且在高炉系统的正常操作期间在将该炉顶煤气流经由第一气流路径再循环到高炉之前将其加热到850°C以上的温度，优选900°C至1100°C。提供用于炉顶煤气经由所述加热器循环的第二气流路径，使得在高炉系统操作中断的情况下使炉顶煤气继续经由所述第二气流路径循环，从而避免可能由所述高炉系统的所述操作中断引起的突发性热变化对所述管式加热器造成损伤。
[0013]本发明的目的还通过提供在高炉中生产熔融铁的高炉系统来实现，其中铁矿石、冶金焦炭和熔剂在高炉上部装填，熔融铁和熔渣从高炉下部取出，所述系统包括与所述出口装置相连的用于清洁炉顶煤气流的粉尘的装置；用于清洗和冷却所述炉顶煤气流并从中去除水的第一冷却装置；用于提高经冷却的炉顶煤气流的压力使得能够将所述炉顶煤气再循环到高炉的泵装置；用于从所述经冷却的炉顶煤气流的至少一部分中去除CO2以形成CO2贫化的还原性气流的装置；用于将所述CO2贫化的还原性气流加热到850°C以上的温度的管式气体加热器；和连接所述高炉系统的各组件的第一管道装置，所述第一管道装置限定了经由所述气体加热器的第一气体循环气体路径，以在所述高炉系统的正常操作期间将所述热的还原性气流再循环到所述高炉；所述高炉系统的特征在于还包括:用于冷却来自所述加热器的热的气体流出物的第二冷却装置；连接所述第二冷却装置与所述气体加热器和所述泵装置的第二管道装置，其限定了经由所述气体加热器的第二气体循环路径；用于选择性地将来自所述加热器的气体流出物流转向到所述第二冷却装置并流经所述第二气体路径的第一阀装置；和用于在来自所述反应器的气体流出物流经所述第二气体路径时阻断气体流出物从所述加热器到所述高炉的流动的第二阀装置；从而在高炉系统的操作中断的情况下，将经由所述加热器循环的气体转向为经由所述第二气体路径以防止所述高炉系统操作中断引起的突发性热变化对所述加热器造成损伤。
[0014]本发明的目的在其较宽方面还通过提供在高炉中生产熔融铁的方法来实现，其中铁矿石、冶金焦炭和熔剂在高炉上部装填，熔融铁和熔渣从高炉下部取出，所述高炉在其下部具有多个鼓风口，含氧气体通过所述鼓风口引入以通过所述焦炭在所述高炉内的燃烧来产生热和还原性气体，所述方法还包括在正常操作期间通过如下步骤形成第一气体循环路径:从所述高炉取出热的炉顶煤气流；在第一冷却装置中冷却和清洗热的炉顶煤气流中的粉尘；通过泵装置提高所得的经冷却的炉顶煤气流的压力使得能够将所述炉顶煤气流再循环回高炉；从所述经冷却的炉顶煤气流的至少一部分中去除CO2以形成0)2贫化的还原性气流；在管式气体加热器将所述CO2贫化的还原性气流加热到850°C以上的温度；通过将所得的现在已热(now-hot)的CO2贫化的还原性气流回注到所述高炉的上部中来完成所述第一气体循环路径；所述方法的特征还在于在高炉操作中断的期间，该中断随之导致来自该高炉的正常炉顶煤气流中断，保护所述加热器，该保护通过借助如下步骤形成第二气体循环路径以在受控的加热器冷却期间确保经由所述加热器的0)2贫化的还原性气体的连续气流来实现:将来自所述加热器的热的气体流出物流转向为离开所述高炉并通过冷却装置；使所得的经冷却的气体流出物流经所述泵装置以加压和保持经由所述第二气体路径的气流；以及通过将经冷却和加压的气体流出物再循环回所述加热器中来完成所述第二气体循环路径。
【附图说明】
[0015]图1是显示本发明的一个优选实施方式的示意性工艺流程图。
【具体实施方式】
[0016]参见图1，附图标记10 —般地指代高炉，如本领域中已知地，它具有在其下部的炉缸(crucible)段12和位于炉缸段上方的鼓风段14、以及在其上部的炉筒段16，其中在炉缸段12处收集熔融铁和熔渣，在鼓风段14处引入含氧气体以进行焦炭的燃烧，并且其中在炉筒段16处装填呈烧结物、丸粒或团块及它们的混合物形式的铁矿石颗粒以及焦炭、石灰石和其它熔剂18，并且随后使铁氧化物还原为方铁体，并最终还原为金属铁。定期从高炉10的底部区12取出熔融铁19和熔渣21。
[0017]来自工业纯的供应源26的氧气(而非空气)被进料到混合器件24，在这里进料来自供应源28的温度缓和剂(temperature moderating agent)用以防止火焰温度达到过高水平，并因此防止损伤鼓风口 27中的鼓风嘴。温度缓和剂可为，例如，蒸汽、二氧化碳、油、粉煤、焦炭粉或者其它将会与氧发生吸热反应并将温度降低到约2，000°C至2，600°C的水平的碳氢化合物。并且，来自管道30的炉顶煤气的一部分在处理之后可再循环到鼓风口，用以缓和氧与焦炭的高燃烧温度。氧鼓风流(oxygen blast)26与缓和剂28—起进料到集流管(header) 23并随后经由进料管道25进料到鼓风口 27。
[0018]取决于装填到高炉的材料的特性，炉顶煤气的组成可在大范围内变化。以干基计算的典型组成为25% COU2% CO2,5% 4和56% N2W及痕量的其它气体。来自高炉10顶部的炉顶煤气流出物经由管道30离开并进料到除尘器件32，在这里分离来自所述装料和煤烟或其它固体材料的粉尘34。
[0019]在本发明的一个任选的优选实施方式中，所得的经清洁的气体经由管道36流到变换反应器38，在这里调整经清洁和经冷却的气体的组成以提高氢气含量，从而得到1.5-4的&/0)比，优选2-3 (以体积百分比测量)。经由管道42供给蒸汽40作为变换反应的反应物。CO与H2O根据以下反应进行反应形成H2:CO + H2O — H2 + CO2
进行上述反应的温度为约300°C以上。炉顶煤气流可在进料到变换反应器38之前通过本领域中称为热交换器的装置(未示出)加热。经变换的气体随后经由管道46和阀104通到冷却水注入器件110，在这里所述气体的温度通过与水112接触而降低，并随后通到第一冷却器/洗涤器48 (使用冷却水50)，在这里冷凝所述气体中的水分并将合并的水作为水流52取出。在所图示的优选实施方式中，器件110和冷却器/洗涤器48还可一起视为充当第一冷却器装置。
[0020]经脱水的气体随后流经管道49，自此一小部分经清洁和脱水的气体54经由具有压力控制阀56 (用于再循环回路的压力控制和用于保持再循环回路中的队浓度低于13vol%)的管道从再循环回路中排放掉。大部分气流流经管道58以再循环到高炉10。所排放的气体54可有利地在用于气体加热器70的燃烧器88中用作燃料，并且任选