运行高炉设备的方法与流程

本发明涉及一种用于运行高炉设备的方法以及一种高炉设备。

背景技术：

1、尽管有替代方法，例如废钢熔化或在电弧炉内直接还原，高炉仍然是当今最广泛使用的钢铁生产工艺。高炉装置的关注点之一是排出高炉的高炉煤气。由于这种气体从高炉顶部排出，因此通常也称为“炉顶煤气”。高炉煤气中的一种成分是co2，这对环境有害并且主要对工业应用无用。离开高炉的高炉煤气可包含高达20％至30％的co2体积浓度(v/v)。除此之外，高炉煤气通常含有大量的n2、co、h2o和h2。

2、在减少co2排放的背景下，正在努力减少高炉运行中碳质燃料的使用。作为替代品，使用氢浓度更高的燃料。另外，也可以使用焦炉煤气等燃料作为铁矿石的还原气体。然而，不可能完全氧化还原气体，这导致反应产物中产生大量氢气。这也在高炉顶部区域中增加了h2浓度，即顶部装料系统的料斗所在的位置。在现代高炉上，料斗的容积通常在40至120m3之间。当原料被装入料斗时，环境空气也被引入并与高炉炉顶煤气混合，形成含有大量氧气(来自环境空气)和氢气(来自炉顶煤气)的气体混合物。所产生的混合物可能是可燃甚至爆炸的，对顶部装料装置的运行构成很高的安全风险。为了避免这种风险，有建议与配料一起或随后立即注入n2(或富含n2的气体混合物)进入料斗。虽然这种氮气惰化是有效的，但它会导致n2的大量消耗，其无法回收或重复使用。因此，高炉设备的运行费用增加。另外，n2或富含n2气体可能并不总是可用。

3、技术问题

4、因此，本发明的一个目的是提供一种成本有效的方式来最小化在顶部装料系统运行期间的火灾风险和爆炸危险。

5、该目的通过根据权利要求1所述的方法和根据权利要求15所述的高炉设备来实现。优选实施例由从属权利要求覆盖。

6、具体地，提供了一种用于运行高炉设备的方法，该高炉设备包括高炉、用于将原料装入高炉的具有上密封阀和下密封阀的至少一个料斗以及至少一个为高炉产生热风的热风炉(30)。该方法包括至少一个装料周期，包括以下步骤：

7、-打开上密封阀，

8、-将原料引入料斗，

9、-关闭上密封阀，并且

10、-打开下密封阀以将原料排入高炉中，

11、其中，来自所述至少一个热风炉的废气通过输送系统输送至所述至少一个料斗，并且在打开下密封阀并将原料排入高炉前，将废气注入料斗中。

12、还提供了一种高炉设备，其包括高炉、至少一个用于将原料装入高炉的具有上密封阀和下密封阀的料斗以及至少一个适于为高炉产生热风的热风炉，高炉设备适于执行至少一个装料周期，包括以下步骤：

13、-打开上密封阀，

14、-将原料引入料斗，

15、-关闭上密封阀，并且

16、-打开下密封阀以将原料排入高炉中，

17、其中，高炉设备还包括输送系统，其适合于将废气从所述至少一个热风炉输送至所述至少一个料斗，并且高炉设备适合于，在打开下密封阀并将原料排入高炉前，将废气注入料斗中。

技术实现思路

1、本发明提供了一种用于运行高炉设备的方法。高炉设备包括高炉。尽管该方法可以应用于铅或铜等其他金属的生产，但高炉通常用于生产生铁。通常，高炉具有垂直的炉身或炉体，其外壁通常有耐火衬里。高炉具有顶部开口和下部开口，通过该顶部开口将原料引入到炉身中，通过该底部开口提取炉渣和原料金属(例如生铁)。在高炉的下部中，炉身通常被环形套管包围，多个风口源自该环形套管。热风通过风口注入炉身。在本文中，“热风”指的是热空气，也指其他含o2气体或气体混合物，例如富氧空气或甚至(大部分)纯氧。可选地，其他固体组分(如颗粒煤)或气体(如焦炉煤气、天然气或合成气)可在风口水平处或在炉身水平处(风口水平上方)注入到炉身中。风口水平对应于高炉的熔化区，而炉身水平很大程度上对应于高炉的还原区，其通常具有比熔化区低得多的温度。

2、高炉设备还包括至少一个用于将原料装入高炉的料斗。物料也可称为炉料或配料。它是可包含各种尺寸颗粒的粒状散装物料。原料还可以包含不同化学成分的颗粒。因此，严格来说，这种物料可以称为物料混合物。为了简单和简洁起见，在本文中使用术语“料”。如下文将进一步解释的，高炉设备通常包括用于不同原料的多个料斗。原料可以例如是铁矿石或其他含铁物料、燃料或还原物料，如煤、焦炭、含碳物料、木材、木炭或其混合物。

3、料斗也可称为闭锁料斗，包括上密封阀和下密封阀。应当理解，上密封阀(也可称为顶部密封阀)设置在料斗的上端处或其附近，而下密封阀(也可称为底部密封阀)设置在料斗的下端处或其附近。每个密封阀适于密封地关闭料斗的开口。相应地，料斗包括上部开口和下部开口，料斗通过上部开口接收原料，通过下部开口将原料排出至高炉。相应的密封阀提供气密密封，尽管通过密封阀的少量气体泄漏是可接受的。除了上密封阀和下密封阀之外，料斗还可以包括下料门。该料门的作用不是提供气密密封，而是调节通过下部开口进入高炉的料流量。所述至少一个料斗通常是高炉设备的所谓“无料钟顶部”装料系统的一部分。

4、高炉设备还包括至少一个为高炉产生热风的热风炉。如上所述，“热风”在本文中可以是任何加热的含有o2的气体，通常是热空气。热风炉也可称为热炉、考珀炉或考珀，是一种蓄热式热交换器或再生器，其在燃烧阶段或加热阶段被加热并储存热量，然后在鼓风阶段或吹风阶段将热量传递给冷风(即冷空气或其他含o2气体)。如下文将解释的，高炉设备通常包括多个热风炉，这些热风炉可以交替地经历相应的鼓风阶段，以便向高炉提供或多或少恒定的热风供应。在加热阶段，燃气燃烧产生热量，然后其(部分)由热风炉(通常由炉内的格子砖)储存。燃气燃烧产生废气，其热值或热量值通常可以忽略不计，特别o2浓度非常低。然而，其升高的温度可用于在热交换器中传递热量。在现有技术中，废气通常例如通过高炉设备的烟囱释放到环境中。

5、所提出的方法包括至少一个装料周期。通常，多个装料周期是顺序执行的。每个装料周期涉及一个料斗。如果像往常一样，高炉设备包括多个料斗，不同料斗的装料周期可以顺序地和/或同时地进行。每个装料周期包括以下步骤：打开上密封阀，将原料引入料斗，关闭上密封阀，使料斗与高炉炉顶压力平衡，并打开下密封阀以将原料排入到高炉中。应当理解，原料通过上述与上密封阀相关联的上开口引入，并通过上述与下密封阀相关联的下开口排出到高炉中。应当指出的是，这些步骤通常按照提及它们的顺序执行，使得在装料周期期间的任何时间，至少其中一个密封阀被关闭。尽管上面没有提及，但是应当理解，在打开上密封阀之前，料斗中的压力被释放至大气。此外，上密封阀打开，而下密封阀关闭，因此，当原料已排出到高炉中时，下密封阀关闭以用于下一个装料周期。因此，任何时候都可以防止高炉与环境之间通过料斗进行自由气体交换。由于高炉通常在相对于环境超压的情况下运行，高炉煤气否则将以不受控制的方式逸出到外部。

6、应当理解，在上密封阀的关闭和下密封阀的打开之间可能存在相当长的时间间隔，在此期间原料被储存在料斗内部。并且，在再次打开上密封阀以将新的原料引入料斗前，下密封阀可以多次开关，以反复排出原料。

7、根据本发明，来自所述至少一个热风炉的废气通过输送系统输送至所述至少一个料斗，并且在打开下密封阀前，将废气注入料斗中。输送系统适用于将废气从热风炉输送至料斗。在最简单的情况下，输送系统可以包括将热风炉连接到料斗的单个管道，但是应当理解，为了受控、有效的输送，附加元件是必要的，其中一些元件将在下面讨论。废气当然是在热风炉的加热阶段期间由上述燃烧产生的气体(或气体混合物)。在本发明的范围内，在将废气注入料斗之前或同时将废气与其他气体结合或混合。由于废气是燃烧产生的，因此通常具有较低的o2浓度，甚至可以忽略不计。就目前而言，废气可以被视为惰性气体。通过将废气引入料斗，o2浓度可以显著降低，并且理想情况下，可以对料斗内部进行惰化。因此，当下密封阀打开，料斗内部的气体与来自高炉的高炉煤气混合时，形成爆炸性混合物的风险显著降低。这尤其适用于高炉煤气包含大量h2的情况，其会与o2形成爆炸性混合物(通常称为“氢氧”或“氢氧气体”)。

8、所提出的方法非常有益的是，由于高炉设备正常运行而大量可用的气体被用作惰性气体。由于废气可以大量获得并且无需额外成本，因此可以实现料斗的有效且廉价的惰性化。

9、根据比如废气成分和高炉煤气成分等各种因素，对料斗进行部分惰化可能就足够了。然而，优选的是，当下密封阀打开时，注入的废气优选构成料斗内部的气体的50％v/v以上。换言之，在打开下密封阀之前，料斗中的原始气氛优选地已经被废气替换了50％v/v以上。例如，如果料斗中的原始气氛由o2浓度约为21％v/v的空气组成，并且空气被70％v/v的废气所取代，废气或多或少为无o2的，所得气体混合物具有o2浓度约为6％v/v，为避免爆炸风险，这是可以接受的。

10、还优选的是，注入的废气使得当下密封阀打开时，料斗内部的气体具有o2浓度小于4.5％v/v。相应的o2浓度可以甚至更低，例如小于3％v/v。

11、基于在101kpa(1atm)氢气在空气中的体积百分比的可燃性极限为4.0和75.0。基于在101kpa氢气在氧气中的体积百分比的可燃性极限为4.0和94.0。氢气在空气中的爆炸极限为18.3％至59％(体积)。即使在没有严格限制的情况下，在管道或结构集合内部和周围的火焰也会产生湍流，这导致爆燃演变成爆炸。

12、如果高炉使用用作铁矿石的还原气体的燃料诸如焦炉煤气运行，则可以特别地采用该方法。如上解释，这会导致高炉煤气中显著的h2浓度。在这种实施例中，在打开下密封阀后，料斗内部的气体至少部分与来自高炉的h2浓度至少为5％v/v的高炉煤气混合。在本文中，“料斗内部的气体”也可以被称为“料斗内部的气氛”。高炉煤气的h2浓度可以甚至更高，例如至少7％v/v。应当理解，通过打开下密封阀，料斗内部的气体和高炉煤气之间的屏障被移除，并且两种气体将至少部分地彼此混合。如果至少为5％v/v的h2浓度与含有至少4.5％v/v氧气的气氛结合，这至少可能会产生可燃混合物甚至爆炸性混合物。然而，如果料斗内的气体以本发明的方式惰性化，则可抑制易燃或甚至爆炸性混合物的形成。

13、如上所述，废气是热风炉内部燃烧的结果，热风炉通常消耗燃烧前存在的大部分氧气。优选地，废气具有o2浓度小于2％v/v，更优选小于1％v/v。在这些情况下，废气可以被认为实际上是无氧的，因此如果内部足够部分的气体被废气替代，则可以有效地惰性化料斗。

14、优选地，在关闭上阀之后并在打开下密封阀之前，料斗内产生过压。在本文中，“超压”是指高于高炉设备周围大气压的压力。通常情况下，高炉内部存在超压，因此如果料斗在环境压力下，大量高炉煤气会进入料斗。过压可设定为略高于高炉内部压力的值，例如约0mbar至100mbar或更高。特别地，该过压可以通过喷射具有升高的压力的废气或通过使用其他加压气体来产生。

15、关于具体何时将废气注入料斗，有多种选择。根据一种可能性，在将原料引入到料斗中之前注入一部分废气。在此阶段，料斗内的气体可能含有空气以及来自先前装料周期的废气和高炉煤气。特别理想的是，在引入新鲜原料之前排出至少大部分高炉煤气，因为这也会将空气引入到料斗中。在该实施例中，在引入新鲜原料之前可以用废气“冲洗”料斗。“一部分”是指在将原料引入到料斗中之前注入在一个装料周期期间注入的全部废气的至少一部分或一小部分。

16、通常，料斗中高炉煤气的浓度在下密封阀附近最高，因为这是最靠近高炉的区域。为了成功地去除或至少稀释料斗中的高炉煤气，可以有利地将废气注入到该区域中。特别是，一部分废气在下密封阀和下料门之间注入。下料门通常用于调节从料斗到高炉的料流。也可称为料流调节门等。它通常相对于下密封阀布置在料斗内，即在下密封阀的上游。

17、作为在将原料引入到料斗之前的注入的替代或补充，可以在将原料引入到料斗中的同时注入一部分废气。通过这种措施，可以减少与原料一起引入的环境空气量。在该实施例中，废气可被注入料斗的上部部分中，例如在上密封阀处或附近。

18、如上所述，每个热风炉交替经历加热阶段和鼓风阶段，在加热阶段中热风炉通过产生废气的燃烧而被加热，在鼓风阶段中热风炉产生热风。根据一种优选实施例，在加热阶段开始之后和随后的鼓风阶段开始之前从热风炉收集废气。换句话说，废气的收集与相应热风炉的加热和鼓风阶段同步。在鼓风阶段开始之前停止收集废气，从而避免收集来自热风炉的冷风或热风而不是废气的风险。应当理解，即使将少量的冷风或热风输送至料斗也可能显著损害惰性化。

19、输送系统，即将废气从热风炉输送至料斗的系统，可包括用于每个热风炉的收集管、用于每个料斗的排放管以及将每个收集管连接到每个排放管的中间部分。每个收集管连接到热风炉和中间部分。也可以说所有热风炉的废气都集中在中间部分。在中间部分，废气可以暂时储存，并且如果需要的话，准备进一步输送到所述至少一个料斗。排放管从中间部分通向每个料斗，即每个料斗都有一根排放管。因此，废气从热风炉通过收集管、中间部分和排放管输送至料斗。

20、优选地，从热风炉收集的废气在注入料斗之前通过冷却装置冷却。这种冷却装置通常是热交换器。因此，废气的温度可以从例如300℃-400℃的初始温度降低到例如30℃-80℃的温度。而且，废气中所含的热量可以输送到其他介质并因此被利用，以促进高炉设备内部或其外部的工艺。冷却废气可以例如防止对料斗的热损坏。而且，即使在料斗中例如局部地和暂时地形成可燃气体混合物，如果料斗中的总温度降低，则点燃这种混合物的风险也会降低。通常，废气在输送系统中从热风炉输送到料斗时会被冷却。例如，上述中间部分可以包括冷却装置，从而可以使用单一冷却装置来冷却来自每个热风炉的废气。

21、在一种实施例中，废气可以被动地从热风炉输送至料斗，即遵循压力差。然而，这种被动输送可能无效并导致废气供应不可预测。因此优选的是，废气由鼓风机单元推动通过输送系统。鼓风机单元可以集成到输送系统的上述中间部分中。鼓风机单元可以包括一台或多台鼓风机。优选地，通过控制至少一台鼓风机的输出来调节废气的流量。每个鼓风机可具有变速驱动器。鼓风机可以并联布置，即中间部分可以包括相对于废气流平行的多个鼓风机管，其中，每个鼓风机管包括一个鼓风机。鼓风机的并联布置由于冗余而提高了运行安全性，并允许达到更高的气体流速。每台鼓风机均添加了再循环旁路管线，以改善其对负载点变化的响应行为。因此，鼓风机连续运行，并且通过再循环旁路管线来适应不同的负载点。

22、如果高炉设备包括多个料斗，则不同料斗的装料周期通常不同时进行。因此，通常一次仅在一个料斗处需要废气。因此，优选的是，废气通过分配阀单元选择性地引导至多个料斗中的至少一个。分配阀单元可以包括一个或多个阀，这些阀可以设置在不同的排放管中。例如，如果有两个排放管，则可以通过关闭另一个料斗的排放管中的阀将废气引导至一个料斗。除此之外，每个排放管可包括止回阀，通过该止回阀防止废气的不期望的回流。

23、本发明还提供了一种高炉设备，包括高炉、至少一个用于将原料装入高炉的具有上密封阀和下密封阀的料斗以及至少一个适于为高炉产生热风的热风炉。高炉设备适合于执行至少一个装料周期，包括以下步骤：打开上密封阀，将原料引入料斗，关闭上密封阀，使料斗与高炉炉顶压力均衡，并打开下密封阀，以将原料排入到高炉中。高炉设备还包括输送系统，其适合于将废气从所述至少一个热风炉输送至所述至少一个料斗，并且高炉设备适合于，在打开下密封阀前，将废气注入料斗中。换言之，本发明涉及一种高炉设备，其包括高炉和至少一个用于将原料装入(分别引入)到高炉中的料斗。(料)斗包括上密封阀和下密封阀。至少一个热风炉(被配置为)产生用于(引入)高炉的热风。该高炉设备被配置用于执行(分别执行)至少一个装料周期，其中，装料周期包括(以下顺序)步骤：打开上密封阀，将原料通过上密封阀引入料斗，关闭上密封阀，执行料斗与高炉炉顶压力的压力均衡，打开下密封阀，以将原料排入高炉。高炉设备还包括输送系统(被配置为)将废气从所述至少一个热风炉输送至所述至少一个料斗，其中，高炉设备被配置为将废气注入到料斗中。在打开下密封阀并将原料排入高炉之前，将料斗加压(可分别加压)至高炉炉顶压力。应当注意的是，关于根据本发明的方法解释的实施例和效果也适用于根据本发明的高炉设备。在一种实施例中，料斗的上密封阀被配置为密封地关闭料斗的上开口，并且下密封阀被配置为密封地关闭料斗的下开口，其中，所述料斗还包括设置在下密封阀上方的料门。“密封阀”通常指的是被配置用于相对邻近环境密封加压(气体)体积的密封机构。“料门”是指用于调节/控制引入(高)炉的物料通道(以及数量)的可打开和关闭的装置。这种布置允许废气可以至少部分地注入到下密封阀和下料门之间。

24、所有这些术语已经参考本发明的方法进行了解释，因此将不再次解释。本发明的高炉的优选实施例对应于本发明方法的那些实施例。