转炉煤气冷却系统及其冷却方法与流程

本发明涉及冶金行业能源回收利用技术领域，尤其涉及一种转炉煤气冷却系统及其冷却方法。

背景技术：

钢铁企业生产过程中，会产生大量的转炉煤气，而转炉煤气一直被视为钢铁企业生产过程中的重要副产品，是重要的二次能源，充分利用转炉煤气的余热和可燃气体成分是钢铁企业生产降低能耗的重要手段。

转炉煤气产生后需要进行一系列的处理后方能利用，钢铁行业普遍利用干法电除尘技术进行转炉煤气余热利用和气体回收，转炉煤气先经过余热锅炉温度有1500℃降低至700℃左右，再经蒸发冷却器冷却后，温度降低至150℃左右，经过初步余热回收和降温处理后的转炉煤气将进入电除尘器进行一次除尘处理，处理后的转炉煤气温度在150℃左右，为了更好的利用转炉煤气，一般经过除尘处理后的转炉煤气往往会被输送进入煤气柜。因为，煤气柜的进柜温度要求低于70℃，所以会在进柜之前使用水冷却塔与转炉煤气直接接触冷却，这种方法虽然可以保证转炉煤气柜的存储安全，但是需要消耗大量的冷却水。

由于冷却水与转炉煤气是直接接触冷却方法，所以冷却水经回收后需要进行旋流沉淀并冷却，方能再利用。这样的方法所需的补水量较大，而且如果转炉煤气产量较大时，冷却水量不足，会利用未彻底净化的冷却水进行直接冷却，反而会产生转炉煤气返尘的现象，同时由于水系统相对庞大，可调节性较差，不能完全适用于转炉煤气生产制度。

直接水冷法的另一个问题在于，水与转炉煤气相接触后，会直接增加转炉煤气含水量。在北方地区，冬季温度在-5℃时，就必须要考虑转炉煤气输送和利用过程中的保温、排水问题，增加了转炉煤气的输配成本。

技术实现要素：

有鉴如此，本发明提供一种能够实现对转炉煤气高效回收利用的转炉煤气冷却系统及其冷却方法，以解决现有技术中存在的问题。

根据本发明的第一方面，提供一种转炉煤气冷却系统，包括液氮储罐、第一换热器和冷却器，所述液氮储罐与所述第一换热器的第一组流体端口的流入端口连通，所述第一换热器的第一组流体端口的流出端口与所述冷却器的第一入口连通，所述第一换热器的第二组流体端口的流入端口与转炉煤气的气源连通，所述第一换热器的第二组流体端口的流出端口与所述冷却器的第二入口连通。

优选地，还包括液化天然气储罐和第二换热器，所述液化天然气储罐与所述第二换热器的第一组流体端口的流入端口连通，所述第二换热器的第二组流体端口的流入端口与转炉煤气的气源连通，所述第二换热器的第二组流体端口的流出端口与所述冷却器的第三入口连通。

优选地，还包括混合器，所述混合器的第一入口与所述冷却器的出口连通，所述混合器的第二入口与所述第二换热器的第一组流体端口的流出端口连通。

优选地，所述液氮储罐与所述第一换热器的第一组流体端口的进入端口之间设有第一液泵，用于将所述液氮储罐中的液氮加压泵入所述第一换热器；

所述液化天然气储罐与所述第二换热器的第一组流体端口的进入端口之间设有第二液泵，用于将所述液化天然气储罐中的液态天然气加压泵入所述第二换热器。

优选地，所述第一换热器的第一组流体端口的流出端口与所述冷却器的第一入口之间设有第一节流减压阀，用于对自所述第一换热器流向所述冷却器的氮气进行节流减压降温；

和/或，

所述第一换热器的第二组流体端口的流出端口与所述冷却器的第二入口之间设有第一压力调节阀，用于对自所述第一换热器流向所述冷却器的转炉煤气进行压力调节；

和/或，

所述第二换热器的第二组流体端口的流出端口与所述冷却器的第三入口之间设有第二压力调节阀，用于对自第二换热器流向所述冷却器的转炉煤气进行压力调节。

优选地，所述第二换热器第一组流体端口的流出端口和所述混合器之间设有第二节流减压阀，用于对自所述冷却器流经所述混合器的混合气体进行节流减压降温。

根据本发明的第二方面，提供一种转炉煤气的冷却方法，包括如下步骤：

步骤一：第一路待冷却的转炉煤气与液氮间接接触进行热量交换，转炉煤气进行首次降温，液氮吸热转化为氮气；

步骤二：所述氮气与首次降温后的转炉煤气直接接触，再次进行热量交换。

优选地，在所述步骤一中，还包括：

第二路待冷却转炉煤气的另一路同时与液态天然气间接接触进行热量交换，转炉煤气进行首次降温，液态天然气吸热转化为气态天然气；

在所述步骤二中，还包括：

首次降温后的第二路转炉煤气同时与所述氮气和第一路降温后的转炉煤气进行直接接触混合，进行再次降温，并形成混合气体。

优选地，所述混合气体与所述气态天然气进行混合，对所述混合气体进行热值补偿。

优选地，所述混合气体进行热值补偿之前，首先进行节流减压。

本申请中的转炉煤气冷却系统以及冷却方法具有以下有益效果：

1)充分利用了钢铁企业制氧系统的液氮副产品和焦化系统的液化天然气副产品，提高了钢铁企业内部的能源综合利用率；

2)取消了干法除尘系统中水直冷系统，降低了系统整体的水资源消耗量，增强了冷却系统的可调节性，提高了冷却系统的整体工作效率；

3)相比较于水冷系统，本发明的建设成本和占地明显降低；

4)降低了转炉煤气含水量，减少了保温、排水等配套工程量；

5)可以通过调节冷却用氮气来降低转炉煤气中氧气的占比，可以控制氧气占比低于1％，确保转炉煤气的存储与使用安全。

6)本系统配套燃气热值补偿系统，利用天然气进行燃气热值补偿，弥补了由于混入氮气而造成的天然气热值降低问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1示出了根据本发明实施例的转炉煤气冷却系统的结构示意图。

图2示出了根据本发明实施例的转炉煤气冷却方法的流程图。

图中：液氮储罐1、液化天然气储罐2、第一液泵3、第二液泵4、第一换热器5、第二换热器6、冷却器7、混合器8、第一流量调节阀9、第二流量调节阀10、第一节流减压阀11、第一压力调节阀12、第二压力调节阀13、第三紧急切断阀14、第二节流减压阀15、第三流量调节阀16、第四流量调节阀17、第四紧急切断阀18、第五紧急切断阀19、第一紧急切断阀20、第二紧急切断阀21、转炉煤气气源100。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

图1示出了根据本发明实施例的转炉煤气冷却系统的结构示意图。如图1所示，该转炉煤气冷却系统包括液氮储罐1、第一换热器5和冷却器7，液氮储罐1与第一换热器5的第一组流体端口的流入端口连通，第一换热器5的第一组流体端口的流出端口与冷却器7的第一入口连通，第一换热器5的第二组流体端口的流入端口与转炉煤气气源100连通，第一换热器5的第二组流体端口的流出端口与冷却器7的第二入口连通。液氮储罐1用于存储液态氮气。液氮储罐1与第一换热器5的第一组流体端口的进入端口之间设有第一液泵3，用于将液氮储罐1中的液氮加压泵入第一换热器5。液氮储罐1中的液氮经第一液泵3增压到预设压力后进入第一换热器5。第一液泵3与第一换热器5之间的连接管路上设有第一流量调节阀9，用于调节第一液泵3的输出流量。第一流量调节阀9和第一液泵3之间还设有第一紧急切断阀20。

进一步地，还包括液化天然气储罐2和第二换热器6，液化天然气储罐2与第二换热器6的第一组流体端口的流入端口连通，第二换热器6的第二组流体端口的流入端口与转炉煤气气源100连通，第二换热器6的第二组流体端口的流出端口与冷却器7的第三入口连通。液化天然气储罐2用于存储液态天然气。冷却器7用作转炉煤气与冷却剂，即低温氮气和低温天然气进行直接接触并进行热量交换的容器。液化天然气储罐2与第二换热器6的第一组流体端口的进入端口之间设有第二液泵4，用于将液化天然气储罐2中的液态天然气加压泵入第二换热器6。液态天然气经第二液泵4增压到预设压力后进入第二换热器6。第二液泵4与第二换热器6之间的连接管路上设有第二流量调节阀10，用于调节第二液泵4的输出流量。第二流量调节阀10和第二液泵4之间还设有第二紧急切断阀21。

进一步地，还包括混合器8，混合器8的第一入口与冷却器7的出口连通，混合器8的第二入口与第二换热器6的第一组流体端口的流出端口连通。冷却器7的出口与混合器8的第一入口之间设有第三紧急切断阀14。

进一步地，第一换热器5的第一组流体端口的流出端口与冷却器7的第一入口之间设有第一节流减压阀11，用于对自第一换热器5流向冷却器7的氮气进行节流减压降温。第一换热器5的第二组流体端口的流出端口与冷却器7的第二入口之间设有第一压力调节阀12，用于对自第一换热器5流向冷却器7的转炉煤气进行压力调节。第二换热器6的第二组流体端口的流出端口与冷却器7的第三入口之间设有第二压力调节阀13，用于对自第二换热器6流向冷却器7的第二路转炉煤气进行压力调节。当然，第一节流减压阀11、第一压力调节阀12和第二压力调节阀13的设置也可根据具体需要选择，例如仅在相应位置上设置其中的一个或者两个阀。

转炉煤气气源100与第一换热器5的第二组流体端口的流入端口之间的连接管路上依次设有第四紧急切断阀18和第三流量调节阀16。转炉煤气气源100与第二换热器6的第二组流体端口的流入端口之间的连接管路上依次设有第五紧急切断阀19和第四流量调节阀17。第三流量调节阀16用于对转炉煤气气源100流量第一换热器5的转炉煤气流量进行调节，第四流量调节阀17分别对流经第二换热器6的转炉煤气的流量进行调节。

该实施例中，各个流体元件之间经管道连接，从而实现流体元件之间的连通。

图2示出了根据本发明实施例的转炉煤气冷却方法的流程图。如图2所示，应用该实施例中的转炉煤气冷却系统可对转炉煤气进行冷却，具体的转炉煤气冷却方法的步骤可参照步骤s01)-s03)。

s01)、第一路待冷却的转炉煤气与液氮间接接触进行热量交换，转炉煤气进行首次降温，液氮吸热转化为氮气。

具体地，第一路转炉煤气经过初步冷却和除尘后，经流量调节进入第一换热器5的第二组流体端口的流入端口。转炉煤气进入第一换热器5的初始压力应保持在5～8kpa，温度应控制在150℃～200℃范围内。启动第一液泵3，将液氮储罐1中的液氮增压后泵入第一换热器5。经过对第一液泵3和第一流量调节阀9的调节，使得自液氮储罐1进入第一换热器5的液态氮温度在-176℃～-216℃之间，例如为-196℃，压力为0.1～0.4mpa，例如为0.25mpa。进入第一换热器5的液态氮与转炉煤气进行间接接触换热，其中液态氮吸热气化为低温氮气，该低温氮气的温度在-50℃～-100℃。液态氮在管道内流速应控制在15m/s以下。

进一步地，该步骤中，还可设置第二路转炉煤气，第二路转炉煤气经过初步冷却和除尘后，经流量调节进入第二换热器6的第二组流体端口的流入端口。即，转炉煤气共分为两路，并分别同时进入第一换热器5和第二换热器6。转炉煤气进入第二换热器6的初始压力应保持在5～8kpa，温度应控制在150℃～200℃范围内。启动第二液泵4，将液化天然气储罐2中的液态天然气泵入第二换热器6。经过对第二液泵4和第二流量调节阀10的调节，使得自液化天然气储罐2进入第二换热器6的液态天然气温度在-149℃～-189℃之间，例如为-169℃，压力为0.1～0.4mpa，例如0.25mpa。进入第二换热器6的液态天然气与转炉煤气进行间接接触换热，其中液态氮吸热气化为天然气，该天然气的温度在20℃～35℃。液态天然气在管道内流速应控制在15m/s以下。

s02)、氮气与首次降温后的转炉煤气直接接触，再次进行热量交换。

具体地，步骤s01)中液态氮经气化后形成的氮气自第一换热器5的第一组流体端口的流出端口喷射进入冷却器7的第一入口，经冷却后的转炉煤气经第一换热器5的第二组流体端口的流出端口进入冷却器7的第二入口，氮气与转炉煤气在冷却器7内直接接触混合，进行热量交换。经过热量交换后，转炉煤气温度进一步降低至70℃以下，压力降至2kpa～5kpa范围内。

进一步地，在该步骤中，当设置第二路转炉煤气时，步骤s01)中转炉煤气自第二换热器6的第二组流体端口的流出端口进入冷却器7的第三入口，并在冷却器7内与氮气以及第一路转炉煤气直接接触混合，从而实现对第一路转炉煤气和第二路转炉煤气的同时再次降温，形成再次降温后的混合气体。

作为优选方案，在氮气自第一换热器5第一组流体端口的流出端口进入冷却器7的第一端口之前经节流减压，对氮气进一步气化。在第一路转炉煤气自第一换热器5的第二组流体端口的流出端口流入冷却器7的第二端口之前经压力调节，使得第一路转炉煤气的压力与冷却器7压力相近。在第二路转炉煤气自第二换热器6的第二组流体端口的流出端口进入冷却器7的第三端口之间经压力调节，使得第二路转炉煤气的压力与与冷却器7压力相近。当然，此处的三个节流减压过程，也可仅选择一个或者两个进行。

s03)、步骤s02)中形成的再次降温后的混合气体与气态天然气进行混合，对混合气体进行热值补偿。

具体地，步骤s02)中形成的再次降温后的混合气体自冷却器7的出口进入混合器8的第一入口，天然气自第二换热器6第一组流体端口的流出端口进入混合器8的第二入口。混合气体与天然气进行直接接触并混合，实现热值补偿功能。经过降温、热值调整后的转炉煤气将最终自混合器8的出口流出，被输送进入转炉煤气存储使用。作为优选方案，在天然气自第二换热器6第一组流体端口的流出端口进入混合器8的第二入口之前首先进行节流减压降温，其压力由0.1mpa～0.4mpa降低至5～10kpa范围内。

该转炉煤气冷却方法充分利用液氮和液化天然气的冷量，利用液氮对转炉煤气进行一次间接冷却和直接冷却，保证液氧的冷量被充分利用，并利用液化天然气对转炉煤气进行一次间接冷却，同时利用气化的天然气与转炉煤气混合形成。

本申请中的转炉煤气冷却系统以及冷却方法具有以下优点：

1)充分利用了钢铁企业制氧系统的液氮副产品和焦化系统的液化天然气副产品，提高了钢铁企业内部的能源综合利用率；

2)取消了干法除尘系统中水直冷系统，降低了系统整体的水资源消耗量，增强了冷却系统的可调节性，提高了冷却系统的整体工作效率；

3)相比较于水冷系统，本发明的建设成本和占地明显降低；

4)降低了转炉煤气含水量，减少了保温、排水等配套工程量；

5)可以通过调节冷却用氮气来降低转炉煤气中氧气的占比，可以控制氧气占比低于1％，确保转炉煤气的存储与使用安全。

6)本系统配套燃气热值补偿系统，利用天然气进行燃气热值补偿，弥补了由于混入氮气而造成的天然气热值降低问题。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。