一种向矿热炉中通入气体降低能耗的方法与装置与流程

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种向矿热炉中通入气体降低能耗的方法与装置。

背景技术：

最近几十年间，钢铁行业迅速地发展，铁合金的需求量也与日俱增。在铁合金的生产过程中，不断地降低冶炼电耗，提高副产品使用效率已经成为有效降低铁合金生产成本的重要途径。

硅系、锰系、铬系等铁合金产品的生产中，一般采用碳质还原剂，在矿热炉冶炼过程中，会生成大量含有co、co2、h2等成分的烟气，炉口烟气温度一般为270-550℃，含有大量的显热。其中可回收的余热资源为余热总资源的60％以上。烟气余热的回收利用主要有三种方式：方式一为热交换技术，主要采用间壁式换热器、蓄热换热器、热管换热器或余热锅炉作为主要设备，其回收的烟气余热用于预热原料、空气或产生蒸汽用于冶炼过程；方式二为热功转换技术，主要利用高温烟气产生高参数蒸汽，继而用于高温余热发电，其中中低温烟气用于产生低参数蒸汽拖动动力机械做功或用于有机工作循环，进行低温烟气余热发电；方式三是利用回收的烟气余热用于制冷或制热，主要利用吸收式制冷制热技术，回收低温烟气余热给环境提供冷量或热量。但是这三种烟气余热回收利用的方法，利用率最高只有30％，大量的余热资源被浪费。

本发明的特点是能够将矿热炉产生的烟气通过合适的位置重新通入矿热炉中参与反应，从而达到更高效的利用烟气，降低矿热炉能耗的目的。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种向矿热炉中通入气体降低能耗的方法，以解决上述背景技术中提到的矿热炉烟气利用率低的问题并降低矿热炉能耗，同时减少环境污染。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种向矿热炉中通入气体降低能耗的装置，包括气体缓冲装置、气体供应装置、矿热炉进风装置和烟气处理系统。

气体缓冲装置包的作用是缓冲被烟气处理系统处理后的高流速的烟气，使其能够为矿热炉提供相对稳定的气源和压力并且可以在气体缓冲装置中与外界通入的气体混合。气体缓冲装置还可以临时存储气体，保障整个装置能够连续运行。

所述气体缓冲装置包括入气气体接头、出气气体接头、气体缓冲罐罐体、压力表、安全阀和放水阀，其中入气气体接头设置有两个，且均设置在气体缓冲罐罐体的顶端，所述出气气体接头设置在气体缓冲罐罐体的侧壁上，所述压力表设置在两个入气气体接头之间的气体缓冲罐罐体的顶壁上，所述安全阀设置在气体缓冲罐罐体的侧壁上，所述放水阀设置在气体缓冲罐罐体的底壁上。作为优选，在押题缓冲罐罐体外还设置有温度表，用于对气体缓冲罐罐体内的温度进行监测，其外接的压力表和温度表可以实时监测装置内部的情况。

所述气体供应装置为高压气体瓶或其它可以提供气体的装置，所述气体供应装置设置有两个，其中一个气体供应装置的出气口与气体缓冲装置的其中一个入气气体接头连通，另一个气体供应装置的出气口与所述矿热炉进风装置连通。

所述矿热炉进风装置包括弯管、风口大套、风口中套、风口小套、风口、直吹管、冷却水水管和风口固定部件；其中所述弯管通过三通阀与气体缓冲装置的所述出气气体接头以及所述另一个气体供应装置的出气口相连通，所述风口大套、风口中套和风口小套依次套设，所述直吹管贯穿所述风口大套、风口中套和风口小套，并且，所述直吹管一端与设置在风口大套一端的所述弯管连通，另一端在风口小套端部形成所述风口，所述冷却水管设置在所述直吹管外部的风口小套内，用于冷却所述风口小套；所述风口固定部件用于将风口与矿热炉内部连通，所述风口固定部件设置于矿热炉的焦炭层上部或焦炭层与部分熔融料层之间；

烟气处理系统可实现对矿热炉烟气的净化，使烟气中的含尘量降到5mg/m³以下。采用三级(粗、半精和精)除尘和多种除尘设备组合的方法循序渐进进行除尘。由于要使矿热炉烟气保持一定温度，避免热量过度损失，所以采用干式除尘的方法，对现有布袋除尘器进行改造可以实现。

所述烟气处理系统包括含尘煤气进气口、布袋、箱体和净煤气出气口；所述含尘煤气进气口通过管道与矿热炉的烟气出口连通，所述布袋设置在所述箱体内部，所述含尘煤气进气口设置在所述箱体的侧壁上，所述净煤气出气口设置在所述箱体的顶端，所述布袋设置在所述箱体内部且设置在所述含尘煤气进气口和净煤气出气口之间，所述净煤气出气口通过管道与气体缓冲装置的另外一个所述入气气体接头相连通。

作为优选可以在布袋内部设置有柔性的搅拌轴，从而可以将粘附在布袋上的灰尘掸除，同时还可以将布袋撑开避免布袋缩小影响除尘效果。

作为优选，所述气体供应装置与外部的各种气体供应装置相连通。

作为优选，所述气体缓冲装置还设置有另外一个出气气体接头，该出气气体接头与其它矿热炉烟气利用设备相连通，所述其它矿热炉烟气利用设备为间壁式换热器、蓄热换热器、热管换热器或余热锅炉等。

一种向矿热炉中通入气体降低能耗的方法，所述方法采用上述的向矿热炉中通入气体降低能耗的装置进行，将矿热炉产生的烟气经过烟气处理系统处理后通入气体缓冲装置中进行缓冲，然后通过矿热炉进风装置通入矿热炉中进行反应。

一种向矿热炉中通入气体降低能耗的方法，所述方法采用上述的向矿热炉中通入气体降低能耗的装置进行，将矿热炉产生的烟气经过烟气处理系统处理后通入气体缓冲装置中与通过气体供应装置通入的气体混合后通过矿热炉进风装置通入矿热炉中进行反应。

一种向矿热炉中通入气体降低能耗的方法，所述方法采用前述的向矿热炉中通入气体降低能耗的装置进行，在采用前述方法将矿热炉产生的烟气通过矿热炉进风装置通入矿热炉中与将外部的气体直接通过气体供应装置和矿热炉进风装置进入矿热炉中交替间隔进行。

对于风口固定部件的位置的确定对于炉内反应具有直接的影响作用，以锰铁合金的生产过程作为示例，根据实验可以确定，矿石从矿热炉炉顶加入矿热炉中，在逐步被加热的过程中，mno2与co反应生成mn3o4，在这个过程中也会有少量与c紧挨着的mno2直接与c反应；生成的mn2o3继续与co反应生成mn3o4，同时也会与少量的c直接反应生成mn3o4；生成的mn3o4继续与co反应生成mno，而只有将温度升高到了300℃-350℃以上时，mn3o4被c直接还原成mno。当料层降低到焦炭层上部时，锰矿已经几乎全部被还原成mno，此时有液态的渣相生成，而mno会溶解到熔渣中；溶解到熔渣中的mno进入到焦炭层与碳进行直接反应，生成金属锰进入到金属液中。通过以上矿热炉内反应的分析，可以知道在矿热炉焦炭层上部，一氧化碳都会参与反应，因此通过大量实验最终确定回用的气体的通入位置为焦炭层所在位置处的顶部，如图5所示的位置。

对于锰铁冶炼而言，焦炭层上部的总反应是：mno2+co＝mno+co2，其中co来源主要是mno在电极放电高温位置与碳直接反应形成的。理想状态下，下部反应产生的一氧化碳刚好等于上部反应所需要的一氧化碳，那么矿热炉烟气成分应该主要为二氧化碳，但是实际情况是一氧化碳含量很高，达到70％-80％，这是由于反应产生的二氧化碳在上升的过程中会继续与碳反应生成一氧化碳。如果能够在如图5所示位置(矿热炉的焦炭层上部或焦炭层与部分熔融料层之间)通入一氧化碳，那么会减小二氧化碳的分压和二氧化碳与碳接触的几率从而使c+co2＝2co反应平衡向左移动，从而可以减少碳的使用量，且此反应向左进行是放热反应，所以也可以减少能量损失。

本发明的技术效果在于：

本发明的向矿热炉中通入气体降低能耗的装置可以利用矿热炉自身产生的烟气，烟气中含有大量的显热，可以大大降低矿热炉的电耗。

通过物料平衡计算的矿热炉烟气理论值按体积百分比组成为co：48％，co2:44％，h2:4％，其他4％，但是通过对矿热炉尾气进行实际测定得到其中co的含量基本都在80％左右，这是由于反应产生的二氧化碳在上升的过程中会继续与碳反应生成一氧化碳。通过本发明合理设置回用气体通入的位置，可以减小二氧化碳的分压，减小二氧化碳与碳接触的几率，从而大大减少碳的使用量，也就是说通过合理确定本发明风口固定部件在矿热炉上的位置，不仅可以使得气体热量重新得到利用，更为重要的是可以大大减少碳的使用量。通过将风口固定部件设置在焦炭层上部的位置后，焦炭的入炉量较之前减少了5-8％。

通过对矿热炉进风装置进行具体设置，设置风口大套、风口中套、风口小套实现多级的对热风进行热量保护，避免在鼓风的过程中对热量造成损失，同时通过设置风口小套内的冷却水管对风口进行保护，从而也延长了部件使用年限。

附图说明

图1为本发明向矿热炉中通入气体降低能耗的方法的工艺流程图。

图2为矿热炉进风装置示意图。

图3为烟气处理系统示意图。

图4为气体缓冲装置的结构示意图。

图5为矿热炉内部区域的炉膛截面示意图。

其中：1-矿热炉，2-烟气处理系统，3-气体缓冲装置，4-矿热炉进风装置，5-气体供应装置，6-其他矿热炉烟气利用设备，7-气体供应装置，11-电极，12-空洞，13-原料层，14-部分熔融料层，15-焦炭层，16-熔渣层，17-金属液层，18-出炉口，19-气体通入管，21-含尘煤气进气口，22-布袋，23-箱体，24-净煤气出气口，31-第一入气气体接头，32-第二入气气体接头，33-第一出气气体接头，34-第二出气气体接头，35-气体缓冲罐罐体，36-压力表，41-弯管，42-风口大套，43-风口中套，44-风口小套，45-风口，46-直吹管，47-冷却水管。

具体实施方式

结合附图进行进一步说明：

如图1所示，主要工艺流程是矿热炉1产生的矿热炉烟气首先进入烟气处理系统2中进行除尘，烟气处理系统2主要为布袋除尘器，然后除尘后的矿热炉烟气进入气体缓冲装置3中，外部气体通过气体供应装置5通入气体缓冲装置3中，气体缓冲装置3中的矿热炉烟气与外部气体混合后再经过矿热炉进风装置4进入矿热炉中进行反应，作为气体补充，同时将外部气体通过气体供应装置7、矿热炉进风装置4直接进入矿热炉中进行反应。

如图2所示，所述矿热炉进风装置包括弯管41、风口大套42、风口中套43、风口小套44、风口45、直吹管46和冷却水水管47；其中所述弯管通过三通阀(如图1所示)与气体缓冲装置的所述出气气体接头以及所述另一个气体供应装置的出气口相连通，所述风口大套41、风口中套42和风口小套43依次套设，所述直吹管46贯穿所述风口大套41、风口中套42和风口小套43，并且，所述直吹管46一端与设置在风口大套41一端的所述弯管41连通，另一端在风口小套44端部形成所述风口45，所述冷却水管47设置在所述直吹管外部的风口小套44内，用于冷却所述风口小套44。

如图3所示，所述烟气处理系统包括含尘煤气进气口21、布袋22、箱体23和净煤气出气口24；所述含尘煤气进气口通过管道与矿热炉的烟气出口连通，所述布袋设置在所述箱体内部，所述含尘煤气进气口设置在所述箱体的侧壁上，所述净煤气出气口设置在所述箱体的顶端，所述布袋设置在所述箱体内部且设置在所述含尘煤气进气口和净煤气出气口之间，所述净煤气出气口通过管道与气体缓冲装置的另外一个所述入气气体接头相连通。

如图4所示，所述气体缓冲装置包括入气气体接头(两个，分别为第一入气气体接头31和第二入气气体接头32)、出气气体接头(也是两个，分别为第一出气气体接头33和第二出气气体接头34)、气体缓冲罐罐体35、压力表36、安全阀和放水阀，其中两个入气气体接头且均设置在气体缓冲罐罐体的顶端，所述出气气体接头设置在气体缓冲罐罐体的侧壁上，所述压力表设置在两个入气气体接头之间的气体缓冲罐罐体的顶壁上，所述安全阀设置在气体缓冲罐罐体的侧壁上，所述放水阀设置在气体缓冲罐罐体的底壁上；更进一步的可以在气体缓冲罐罐体上设置温度表，通过热电偶与内部连通而测量内部温度。

图5为了表明气体入口的位置，通过将风口固定部件设置在焦炭层上部的位置，或者更加具体是焦炭层与部分熔融料之间的位置，使得回用气体的主要气体co能够充分被矿热炉所利用，并且设置在该位置可以减小二氧化碳的分压，避免二氧化碳过多的与碳进行反应，从而也大大的减少了碳的使用量。

本实施例以高弹锰铁的生产为例进行说明，入炉的原料为锰矿和焦炭，计算其热量平衡。

热量收入：

碳氧化放热：

按照理论的炉气的平均化学成分co48％、co244％、h24％、其他4％，则炉气co占氧化碳的比为：

(该数值为不设定风口固定部件的位置的情况下，co的理论占比，实际占比远高于该比例)。

因此，碳的氧化放热为：q1＝(100+139.3)/12×(0.52×110594+0.048×393693)＝4915252kj。

其他化学反应放热：

生成mn3c放热：q1＝＝60553kj。

生成fe3c放热：

所以

炉渣生成热：q3＝284006kj。

热量支出：

烟气带走的物理热：

烟气温度700℃、环境温度25℃，烟气平均比热容为1.598kj/(m²·℃)。进入烟气中的碳量等于氧化的碳量，即239.3kg。

qa＝239.3÷12×22.4÷0.92×1.598×(700-25)＝523724kj。

粉尘带走的热量：

烟道含尘量为274.3kg，粉尘显热为1711kj/kg，所以有：

qb＝1711×174.3＝298227kj。

热量支出如表1所示。

表1

未改进装置前，电能耗为

3759-(4915252+60553+32075+284006)÷3600＝2289kw·h。

当把处理后的余热烟气重新通入矿热炉中，此过程中热量损失20％。则通入气体热量为(125.3+21.3+71.3139)×0.8×4.8×1000＝836790kj。

此时的电能耗为

3759-(4915252+60553+32075+284006+836790)÷3600＝2059kw·h。

当将余热烟气重新利用时，可以使耗电量降低，计算可得能耗降低10％左右，通过实验得到能耗降低在11～15％左右，可以验证理论计算的能耗，可以得到通过本发明上述设置可以降低能耗。

本实施例通过将风口固定部件设置在焦炭层上部的位置后，对比焦炭的入炉量较之前减少了6％。