СПОСОБ НАГРЕВА ДОМЕННОГО ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЯ
METHOD OF HEATING BLAST-FURNACE AIR HEATER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Данное изобретение относится к способу нагрева доменного воздухонагревателя для применения с доменной печью.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Воздух для сжигания, подаваемый в доменную печь, обычно предварительно нагревают с использованием воздухонагревателя, содержащего огнеупорный материал, который нагревают с использованием горелки. Если материал достаточно горячий, то воздух для сжигания, проходящий через воздухонагреватели, предварительно нагревается им перед вдуванием в доменную печь. Обычно несколько воздухонагревателей работают параллельно и циклическим образом, так что по меньшей мере один воздухонагреватель подвергается работе для нагрева воздуха для сжигания, наряду с тем, что огнеупорный материал по меньшей мере одного воздухонагревателя нагревается.
2
2
2
2
Как правило, колошниковый газ, выходящий из доменной печи, имеет температуру около 110-120°C и содержит примерно 20-25% каждого из CO и CO. Обычно также присутствует 3-5% H и некоторое количество HO, однако другим основным компонентом колошникового газа является N (типично 45-57%). Данный газ является низкосортным топливом, обладающим сравнительно низкой теплотой сгорания, и обычно используется в качестве топлива для воздухонагревателей.
Колошниковый газ обычно сжигают при использовании воздушно-топливных горелок в воздухонагревателях. Для того чтобы гарантировать необходимые высокие температуры дутья, требуемые для доменной печи, хорошо известно обогащение колошникового газа газом с высокой теплотворной способностью, таким как коксовый газ или природный газ. Сжигание такого дополнительного топлива приводит к увеличенным общим выбросам диоксида углерода от завода и поэтому является нежелательным.
Также известно, что воздух для сжигания, обогащенный кислородом, используют в топочных горелках. Обычно уровни обогащения, требуемые, чтобы уменьшить или устранить потребность в дополнительных высококалорийных топливах, являются такими, чтобы приводить к конечному содержанию кислорода в качестве окислителя в воздухе для сжигания примерно 28-30%.
Такие способы могут в некоторых случаях вызывать пиковые температуры пламени, достаточно высокие, чтобы повредить огнеупорный материал воздухонагревателя.
Сама доменная печь представляет собой высокоэффективный противоточный реактор, который эволюционировал на протяжении многих лет. Она приближается к пределам термодинамической эффективности. Кроме того, доменная печь и ее вспомогательное оборудование, такое как воздухонагреватели, являются наибольшими потребителями энергии на металлургических заводах полного цикла. Более того, энергия, потребляемая при производстве чугуна, является основным фактором, определяющим потребление углерода в процессе производства стали с полным металлургическим циклом и, следовательно, выбросы диоксида углерода. Поэтому было бы желательно увеличить тепловой кпд доменных воздухонагревателей.
В дополнение к проблеме высоких пиковых температур, указанной выше, слишком низкие температуры пламени или скорости подведения тепла будут приводить к длительным циклам нагрева, что нежелательно. Иными словами, температура пламени должна быть умеренной.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящие варианты осуществления решают вышеописанные проблемы и делают возможным достижение других преимуществ, как будет описано ниже.
3
Соответственно, настоящие варианты осуществления относятся к способу нагрева доменного воздухонагревателя посредством сжигания топлива с низшей теплотой сгорания (LHV) 9 МДж/норм.м или менее в области сгорания, в которой поддерживается устойчивое видимое пламя, расположенной в камере сгорания в воздухонагревателе и вызывающей протекание газообразных продуктов сгорания и нагрева посредством этого огнеупорного материала в воздухонагревателе, отличающемуся тем, что топливо сжигают посредством окислителя, содержащего по меньшей мере 85% кислорода, при этом газообразные продукты сгорания принуждают к рециркуляции в область сгорания, чтобы разбавить в ней смесь топлива и окислителя в достаточной мере для того, чтобы пламя не повредило огнеупорный материал.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее, данное изобретение будет описано подробно со ссылкой на варианты осуществления данного изобретения, представленные в качестве примера, и на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 представляет собой упрощенную иллюстрацию доменной печи и трех воздухонагревателей на обычных металлургических заводах;
фиг. 2 представляет собой вид поперечного сечения, иллюстрирующий обычный воздухонагреватель современного типа с внешней камерой сгорания;
фиг. 3 представляет собой вид поперечного сечения воздухонагревателя с дополнительными фурмами в соответствии с представляемыми вариантами осуществления;
фиг. 4 представляет собой подробный вид поперечного сечения воздухонагревателя с кислородно-топливной горелкой в соответствии с представляемыми вариантами осуществления;
фиг. 5 представляет собой вид поперечного сечения воздухонагревателя с рециклингом газообразных продуктов сгорания в соответствии с представляемыми вариантами осуществления;
фиг. 6 представляет собой подробный вид поперечного сечения воздухонагревателя с эжекторной фурмой в соответствии с представляемыми вариантами осуществления;
фиг. 7 представляет собой график, иллюстрирующий осевой температурный профиль для сгорания в камере сгорания горелки воздухонагревателя, (a) работающего обычным образом с воздухом, поддерживающим сгорание и без рециркуляции дымового газа, и (b) работающего в соответствии с вариантами осуществления;
фиг. 8 представляет собой график, подобный Фиг. 7, однако показывающий осевой профиль скорости для тех же самых двух случаев сгорания;
фиг. 9 представляет собой график, подобный Фиг. 7, показывающий осевой профиль концентрации монооксида углерода для тех же самых двух случаев сгорания; и
фиг. 10 представляет собой вид поперечного сечения воздухонагревателя с рециклингом газообразных продуктов сгорания в соответствии с другим вариантом осуществления.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг. 1 иллюстрирует базовое расположение доменной печи 120 и трех воздухонагревателей 100 на металлургических заводах. Работа доменной печи 120 производит отходящий газ доменной печи или «колошниковый газ», который подают, с использованием устройства 110 управления подачей топлива, в каждый воздухонагреватель 100, чтобы использовать в качестве топлива для нагрева соответствующего воздухонагревателя 100. Колошниковый газ сжигают посредством окислителя в форме воздуха, который подают посредством устройства 130 управления подачей воздуха.
Каждый воздухонагреватель 100 содержит огнеупорный материал в форме керамических элементов или т.п., который вначале нагревают и затем используют для нагрева вдуваемого воздуха, который подают в доменную печь.
При работе в режиме нагрева огнеупорного материала (режиме «на нагреве»), колошниковый газ сжигают в воздухонагревателе 100 посредством окислителя, и газообразные продукты сгорания подают в устройство 150 обработки дымового газа, содержащее по возможности обычную ступень улавливания углерода.
При работе в режиме нагрева вдуваемого воздуха (режиме «на дутье») воздух направляют через огнеупорный материал в противоположном направлении и затем в доменную печь 120.
Воздухонагреватели 100 работают циклическим образом, так что в любой момент времени по меньшей мере один воздухонагреватель работает на дутье, а остальные воздухонагреватели работают на нагреве.
Фиг. 2 представляет собой вид поперечного сечения обычного воздухонагревателя 100 современного типа. Воздухонагреватель 100 содержит внешнюю камеру 101 сгорания, огнеупорный материал 102 и колпак 103. При работе на нагреве критическим является то, что температура в колпаке 103 не становится слишком высокой, поскольку в таком случае имеет место риск повреждения воздухонагревателя 100. Следует понимать, что имеются также воздухонагреватели с внутренними камерами сгорания, и что данное изобретение равным образом применимо к работе таких воздухонагревателей.
При работе на нагреве колошниковый газ и воздух подают в область сгорания камеры 101 сгорания, в которой происходит сгорание, посредством воздушной горелки 108. Горелка 108 имеет топливный впуск 105 и воздушный впуск 104. Горячие газообразные продукты сгорания затем протекают вверх через камеру 101, проходят колпак 103 и протекают вниз через огнеупорный материал 102, нагревая его посредством этого. При выпуске через отверстие 106 температура газообразных продуктов сгорания составляет обычно примерно 200-350°C.
Когда огнеупорный материал достигает заданной температуры, осуществляют переключение на работу на дутье. При этом воздух вводят через отверстие 106, обеспечивают поток через горячий огнеупорный материал 102, через колпак 103 и камеру 101 сгорания и выводят через выпускное отверстие 107. На этой стадии вдуваемый воздух имеет типичную температуру 1100-1200°C.
Предпочтительно, в контексте данного изобретения, нагревать воздухонагреватель колошниковым газом доменной печи, как описано выше. Более того, предпочтительно использовать колошниковый газ от доменной печи, в которую вдуваемый воздух подают от воздухонагревателя. Это предоставляет возможность для расположения воздухонагревателя вблизи доменной печи являться энергосберегающим и приводит к низким общим выбросам от завода.
Однако следует понимать, что данное изобретение может быть равным образом выгодно применено к воздухонагревателям, нагреваемым другими низкосортными топливами. В качестве примера типичные химические составы (процентные значения) и величины низшей теплоты сгорания (LHV) указаны в Таблицах I и II, соответственно, для колошникового газа доменной печи и отходящего газа конвертера.
Таблица 1
N<sub>2</sub>
O<sub>2</sub>
H<sub>2</sub>
CO
CO<sub>2</sub>
CH<sub>4</sub>
C<sub>m</sub>H<sub>n</sub>
H<sub>2</sub>O
Колошниковый газ
52,5
0,55
2,3
23,5
20
-
-
1,15
Отходящий газ
17,2
0,1
2,5
64,5
15,6
-
-
0,1
Таблица 2
LHV (МДж/норм.м<sup>3</sup>)
LHV (МДж/кг)
Колошниковый газ
3,2
2,4
Отходящий газ
6,3
8,4
3
3
В соответствии с данным изобретением, воздухонагреватель нагревают газообразным топливом, величина низшей теплоты сгорания (LHV) которого не выше чем 9 МДж/норм.м. Применение такого низкосортного топлива будет приводить к получению максимального преимущества из возможных экономических преимуществ данного изобретения. Топливо может содержать определенную добавку другого, более высокосортного топлива, при условии, что величина низшей теплоты сгорания (LHV) смеси равна или менее чем 9 МДж/норм.м. Для того чтобы минимизировать затраты и выбросы, предпочтительно, однако, не добавлять высокосортные топлива перед сгоранием.
В соответствии с данным изобретением, такое низкосортное топливо используют для нагрева воздухонагревателя посредством его сжигания, не посредством воздуха или воздуха, слабо обогащенного кислородом, а посредством окислителя, содержащего по меньшей мере 85% по массе, предпочтительно по меньшей мере 95% по массе, кислорода, где окислитель наиболее предпочтительно является чистым с точки зрения промышленного производства кислорода, имеющего содержание кислорода, по существу, 100%.
Это будет увеличивать эффективность использования топлива, поскольку не требуется нагревать азот, в качестве балласта присутствующий в воздухе. Более того, посредством уменьшения азотного балласта в продуктах сгорания, необходимые температуры пламени могут быть достигнуты без необходимости добавления к низкосортному топливному газу высококалорийных топлив. Пониженная потребность в энергии будет способствовать увеличенной генерации энергии и/или приводить к пониженной потребности в импортном газе, улучшая, тем самым, управление расходом топлива.
Обычно применение окислителя с такими большими величинами содержания кислорода привело бы к пиковым температурам, достаточно высоким, чтобы повредить колпак и огнеупорный материал воздухонагревателя.
Однако возможно применение окислителя этого типа при условии, что газообразные продукты сгорания воздухонагревателя подвергают рециркуляции в область сгорания в такой степени, что смесь топлива и окислителя в ней разбавляется в достаточной мере для сжигания в области сгорания с образованием стабильного видимого пламени при температурах, которые не повреждают колпак и огнеупорный материал.
Эти «газообразные продукты сгорания, подвергаемые рециркуляции в область сгорания» относятся здесь к газообразным продуктам сгорания, расположенным вне области сгорания, подвергнутым рециркуляции назад в область сгорания. Такие газообразные продукты сгорания могут первоначально быть расположены внутри самой камеры сгорания, однако вне части камеры сгорания, занятой областью, в которой преимущественно происходит сгорание («областью сгорания»). Соответственно, в этом случае газообразные продукты сгорания фактически подвергаются рециркуляции внутри камеры сгорания. В качестве варианта, такие газообразные продукты сгорания могут быть подвергнуты рециркуляции снаружи камеры сгорания назад в область сгорания.
Как будет описано более подробно в дальнейшем, разбавление реагентов может быть достигнуто либо созданием сильной турбулентности внутри камеры сгорания посредством высокоскоростной подачи окислителя, возможно с применением ступенчатой схемы сжигания, и/или рециклингом дымовых газов от воздухонагревателя назад в область сгорания.
В соответствии с данным изобретением, возможно достижение достаточно низких пиковых температур, чтобы не повредить огнеупорный материал воздухонагревателя.
2
2
Кроме того, когда окислитель с высоким содержанием кислорода используют, чтобы сжигать низкосортные топлива, такие как колошниковый газ доменной печи, величины содержания CO в газообразных продуктах сгорания становятся значительно выше по сравнению со случаем применения воздуха или воздуха, слабо обогащенного кислородом, в качестве окислителя. Поскольку обычные методы улавливания углерода склонны быть значительно более дешевыми в расчете на единицу уловленного CO, когда обработанный газ содержит большую часть диоксида углерода, это приводит к существенной экономии расходов, когда используют такую ступень улавливания углерода, чтобы обрабатывать газообразные продукты сгорания воздухонагревателя.
Фиг. 3 показывает предпочтительный вариант осуществления данного изобретения. Воздухонагреватель 300, который подобен обычному воздухонагревателю 200, показанному на Фиг.2, содержит камеру сгорания 301, огнеупорный материал 302, колпак 303, впуск 304, используемый для подачи воздуха для сжигания, когда воздухонагреватель работает обычным образом с воздухом для сжигания, другой впуск 305, используемый для низкосортного топлива, такого как колошниковый газ, и отверстия 306, 307, аналогичные отверстиям 206, 207. Вместо сжигания низкосортного топлива посредством воздуха, одна или несколько фурм 310, 311, 312 введены в камеру сгорания и используются для подачи вышеуказанного окислителя с высоким содержанием кислорода в область сгорания. Окислитель может быть предоставлен посредством производства кислорода на месте или применения окислителя, поставляемого со стороны.
Во всех вариантах осуществления, описанных в данном документе, общее количество окислителя в единицу времени приводят в соответствие по отношению к количеству подаваемого низкосортного топлива, с тем, чтобы создать желательные условия сгорания с точки зрения стехиометрии.
Предпочтительно, чтобы каждая фурма 310, 311, 312 подавала окислитель в область сгорания при высокой скорости, предпочтительно по меньшей мере 200 м/с, более предпочтительно по меньшей мере при звуковой скорости. Такое высокоскоростное дутье приводит к сильной турбулентности в камере сгорания, что последовательно вовлекает газообразные продукты сгорания в область сгорания и посредством этого разрежает пламя, так что приводит его в размытое состояние с пиковой температурой, которая не повреждает огнеупорный материал воздухонагревателя.
В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления, фурму 310 располагают с отверстием, находящимся в непосредственной близости от топливного выпуска 305. В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления, фурму 311 располагают в месте, находящемся на расстоянии от отверстия топливного впрыска 305. В зависимости от геометрии камеры сгорания 301, одно из этих расположений или комбинация их обоих может обеспечивать лучшую рециркуляцию газообразных продуктов сгорания в область сгорания. Дополнительная фурма 312, расположенная ниже по течению потока по отношению к другой фурме или фурмам 310, 311, может быть использована для предоставления ступенчатого процесса сжигания, посредством чего общий объем пламени может быть сделан даже еще больше. Естественно, может быть расположена более чем одна фурма каждого из описанных видов 310, 311, 312, чтобы служить дополнением одна другой. В случае, когда окислитель вдувают в непосредственной близости от топливного впуска 305, предпочтительно также вдувать окислитель дополнительно ниже по течению потока, с тем, чтобы создать ступенчатый процесс сжигания.
Фиг. 4 представляет собой общий вид, иллюстрирующий другой предпочтительный вариант осуществления, в котором доменный воздухонагреватель 400 содержит камеру сгорания 401, огнеупорный материал 402 и отверстие 406.
Низкосортное топливо подают через подающий трубопровод 411, подающее устройство 412 и впуск 413. Окислитель подают через подающий трубопровод 414, подающее устройство 415 и фурму, имеющую отверстие 416. Фурму располагают таким образом, что ее отверстие 416 расположено смежно с топливным впуском 413. Предпочтительно, фурма расположена соосно топливному впуску 413, как изображено на Фиг.6. Посредством такого смежного расположения, особенно когда оно является коаксиальным и когда окислитель вдувают фурмой при вышеописанных высоких скоростях, топливо эффективным образом вовлекается в область сгорания посредством эжекторного действия на части высокоскоростного окислителя. В результате интенсивная рециркуляция продуктов сгорания достигается в камере сгорания 401, в частности рециркуляция газообразных продуктов сгорания в область сгорания, расширяющая фронт пламени. Когда такую высокоскоростную фурму располагают смежным образом с топливным впуском 413, предпочтительно одновременно использовать вторую фурму 312 для окислителя, предоставляющую часть кислорода, подаваемого в целом, в другом месте в камере сгорания 401 ниже по течению потока от топливного впуска 413, создавая ступенчатое сжигание низкосортного топлива и посредством этого способствуя достижению пламени, которое является размытым и которое не обладает пиковой температурой, в достаточной мере высокой, чтобы повредить огнеупорный материал воздухонагревателя.
Воздухонагреватель 400 может быть частью завода для непрерывного производства чугуна и выполнен с возможностью работы в соответствии с данным изобретением в обычном режиме работы, в котором воздух применяют для поддержки сгорания доменного газа, в котором доменный газ дополняется коксовым газом или природным газом и в котором отсутствует рециркуляция продуктов сгорания по отношению к воздухонагревателю 400.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, существующую, обычную, воздушную горелку, которую использовали, чтобы нагревать существующий воздухонагреватель 400 ранее, заменяют на первоначальном этапе кислородно-топливной горелкой 410, имеющей вышеописанный топливный впуск 413 и фурму для окислителя. «Кислородно-топливная» горелка в данном документе относится к горелке, работающей с применением топлива и окислителя, при этом окислитель содержит большую часть кислорода, предпочтительно по меньшей мере 85% кислорода, более предпочтительно по меньшей мере 95% кислорода.
В соответствии с альтернативным предпочтительным вариантом осуществления, существующую воздушную горелку, описанную выше, на первоначальном этапе дополняют одной или несколькими высокоскоростными фурмами для окислителя, как описано выше, и подачу воздуха прекращают.
Как описано выше, такое высокоскоростное дутье вызывает сильную турбулентность внутри камеры сгорания 301, 401, приводя к достаточно низким пиковым температурам пламени, чтобы огнеупорные материалы в воздухонагревателе не были повреждены.
Однако массовый расход газообразных продуктов сгорания будет более низким, когда применяют окислитель с высоким содержанием кислорода, по сравнению со случаем, когда в качестве окислителя используют воздух. Это могло бы приводить к меньшей конвективной передаче тепла огнеупорному материалу и, следовательно, к увеличенной продолжительности цикла нагрева. Поэтому, при преобразовании существующего воздухонагревателя для работы с окислителем с высоким содержанием кислорода, дымовые газы подвергают рециклингу из воздухонагревателя назад в область сгорания, как описано ниже в отношении фиг. 5 и 6.
Соответственно, фиг. 5 представляет собой общий вид, иллюстрирующий воздухонагреватель 500 в соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления, содержащим камеру сгорания 501, огнеупорный материал (иногда называемый «насадкой») 502 и колпак 503.
При работе на нагреве, газообразные продукты сгорания выпускают из воздухонагревателя 500 через отверстие 506. Однако часть газообразных продуктов сгорания подвергают рециклингу назад в область сгорания в камере сгорания 501 посредством устройства 511 для рециклинга. Возвратное устройство 511 может включать толкающее устройство, такое как вентилятор, чтобы подавать подвергнутые рециклингу газообразные продукты сгорания в камеру сгорания 501.
Устройство 511 для рециклинга также выполнено с возможностью смешивания подвергнутых рециклингу газообразных продуктов сгорания с окислителем с высоким содержанием кислорода, состав которого описан выше, предоставляемым посредством подающего трубопровода 512. Смешивание может происходить при использовании обычных диффузоров. Смесь подвергнутых рециклингу газообразных продуктов сгорания и окислителя затем подают в камеру сгорания 501 через впуск 513. Низкосортное топливо, такое как колошниковый газ от доменной печи, предоставляют через подающий трубопровод 514, подающее устройство 515 и впуск 516. В зоне сгорания топливо, соответственно, сжигают посредством окислителя в присутствии газообразных продуктов сгорания, которые были подвергнуты рециклингу в область сгорания после того, как они уже прошли через воздухонагреватель 500. Таким образом, пламя в камере сгорания 501 разбавляют.
С использованием такого рециклинга дымового газа, возможно достижение достаточно высоких степеней конвективной передачи тепла, чтобы обеспечить возможность поддержания времени цикла нагрева существующего воздухонагревателя, в котором применен способ в соответствии с данным изобретением. Это достигается посредством осуществления рециклинга достаточного количества газообразных продуктов сгорания, чтобы поддерживать массу газа или поток тепловой энергии в единицу времени через воздухонагреватель 500 на уровне, который является по меньшей мере таким же, что и масса газа или поток тепловой энергии в единицу времени, которые использовали, когда существующий воздухонагреватель работал перед преобразованием для работы в соответствии с данным изобретением, с применением окислителя с низким содержанием кислорода без рециклинга.
Как упоминалось ранее, способ в соответствии с данным изобретением заменяет сжигание в воздухе топливного газа с низкой теплотворной способностью с повышенным содержанием теплоты сжиганием топлива в кислороде, в котором пламя ослабляют рециркулированием дымового газа, например, посредством высокоимпульсного смешивания топочного пространства с использованием фурм для инжекции окислителя. Потребность в дорогостоящем топливном газе с высокой теплотворной способностью от компрессора устраняется, и воздухонагреватель снабжается топливом с применением лишь одного доменного газа. Воздухонагреватели обычно расходуют примерно 10% общей энергии, потребляемой при производстве стали с полным металлургическим циклом, и около 18% энергии, поставляемой в воздухонагреватели, теряется в дымовом газе. Рециклинг дымового газа уменьшает эту потерю энергии и снижает количество энергии, которое должно быть подано в воздухонагреватель для сгорания топливного газа. Способ в соответствии с данным изобретением, следовательно, объединяет некоторые из преимуществ использования отходящего тепла с преимуществами сжигания топлива в кислороде.
3
3
3
Рассмотрим гипотетический пример доменной печи с рабочим объемом 1500 м, работающей с производительностью примерно 2,2 т/м/день. Такая печь производила бы примерно 138 тонн жидкого металла в час и базировалась бы на типичных количествах дутья, так что можно было бы ожидать потребления 138000 норм.м/ч горячего дутья. Для того чтобы достигнуть температуры горячего дутья 1200°C, потребовалась бы температура пламени горелки воздухонагревателя примерно на 150°C выше, и примерно 230 ГДж/ч потребовалось, чтобы нагревать воздух до этой температуры. Для кпд воздухонагревателя примерно 80% это означает, что энергия, потребляемая воздухонагревателем, должна составлять примерно 290 ГДж/ч или 145 ГДж/ч для каждого воздухонагревателя, если два воздухонагревателя находятся одновременно в режиме «на нагреве». Точно установлено, что для нормальных рабочих условий воздухонагревателя примерно 18% энергии, потребляемой воздухонагревателями, имеется в дымовом газе. Было оценено, что для рассматриваемых условий это привело бы к температуре дымового газа приблизительно 250°C.
Эти условия были использованы, чтобы установить гипотетические тепловые и массовые балансы для 3 режимов работы, «воздух-топливо» (т.е. обычная работа без рециркуляции дымового газа; «с обогащением кислородом» (т.е. как «воздух-топливо», однако с воздухом, обогащенным кислородом) и «с рециклингом дымового газа» (т.е. в соответствии со способом данного изобретения). Расчеты были сделаны, чтобы обеспечить постоянную температуру пламени и постоянный массовый расход продуктов сгорания, таким образом, что поддерживались условия для конвективной передачи тепла. Стехиометрия пламени была в каждом случае отрегулирована, чтобы гарантировать 1% избыточного кислорода в дымовом газе. Результаты сравнены в Таблице 3.
Таблица 3
Колошниковый газ, норм.м<sup>3</sup>/ч
Коксовый газ, норм.м<sup>3</sup>/ч
Воздух, норм.м<sup>3</sup>/ч
Кислород, норм.м<sup>3</sup>/ч
Подвергнутый рециклингу дымовой газ, норм.м<sup>3</sup>/ч
Теплота сгорания, ГДж/ч
Темп. пламени,°C
Расход дымового газа, кг/мин
Дымовой газ, %O<sub>2</sub>
Дымовой газ, %CO<sub>2</sub>
Воздух-топливо
34000
2400
34200
0
0
145
1347
1539
1
23
С обогащением кислородом
40200
1200
26800
1300
0
145
1347
1545
1
27
С рециклингом дымового газа
44700
0
0
6220
14490
139
1347
1541
1
41
2
Можно видеть, что для рассматриваемых условий обогащение кислородом воздуха, подаваемого в воздухонагреватели, уменьшает, однако не исключает, количество используемого коксового газа. Расход доменного газа увеличен, чтобы обеспечить поддержание подводимой теплоты при 145 ГДж/ч. Содержание CO в дымовом газе увеличивается в самой малой степени вследствие устранения некоторого количества азота из системы.
Введение рециркуляции дымового газа устраняет потребность в увеличении теплотворной способности обогащением топливного газа. Это обусловлено тем, что дополнительного умеренного увеличения расхода доменного газа, в сочетании с извлечением физической теплоты, содержащейся в дымовом газе, достаточно, чтобы предоставлять возможность достижения желательной температуры пламени. Следует понимать, что в случае с рециркуляцией дымового газа окислителем является не воздух, а газовая смесь, содержащая по меньшей мере 85% по объему кислорода, или по существу чистый кислород (результаты расчетов, представленные в Таблице 3, основаны на последнем варианте). Энергия, подводимая от сгорания, уменьшена примерно на 4% вследствие извлечения энергии из подвергнутого рециклингу дымового газа.
2
2
Воздух исключен, и сгорание поддерживается посредством применения промышленного кислорода. Важно, что, как можно видеть, содержание CO в дымовом газе было увеличено от первоначальных 23% до 41 %. Это соответствует 50 тоннам CO в час для единственного воздухонагревателя или 100 тоннам для двух воздухонагревателей в режиме «на нагреве», 75 тонн из этого было бы доступно для улавливания и связывания углерода, в то время как остаток подвергают рециклингу.
Для гипотетического рассматриваемого случая разумно предполагать, что 138 тонн жидкого металла, производимого каждый час, преобразуются в 150 тонн сляба или другого металлопродукта, с учетом возможности добавлений скрапа во время производства стали.
2
2
При применении промышленных базовых данных можно оценить, что сталеплавильный завод с законченным циклом производства мог бы образовывать примерно 280 тонн CO в час. Следовательно, для рассматриваемого примера, рециркулирование дымового газа в воздухонагреватели (предположительно в воздухонагреватели Каупера) делает примерно 27% выбросов CO интегрированного производства доступными для улавливания углерода.
В то время как простые тепловые и массовые балансы, такие как те, что представлены подробно в Таблице 1, служат, чтобы проиллюстрировать основные преимущества, достигаемые способом в соответствии с данным изобретением, они не полностью отражают преимущества изобретения. В частности, они не принимают во внимание улучшенные условия передачи тепла, создаваемые при переходе от сжигания топлива в воздухе к сжиганию топлива в кислороде. Для этой цели может быть использована динамическая модель, которая учитывает изменения в полном коэффициенте теплопередачи в зависимости от состава, температуры и массового расхода в огнеупорной насадке. Ряд модельных исследований воздухонагревателей для горячего дутья показал, что происходящая передача тепла может быть точно представлена посредством полного или «общего» коэффициента передачи тепла, который объединяет конвекционный и радиационный эффекты. Так что для цикла нагрева газом
c
r
α=α+α,
где:
c
α= коэффициент конвективной передачи тепла, и
r
α= коэффициент радиационной передачи тепла.
Коэффициент конвективной передачи тепла связан с массовым расходом и может быть рассчитан из уравнений Зидера-Тейта или Хаузена. Коэффициент радиационной передачи тепла является производным от закона Стефана-Больцмана, который может быть выражен в следующей форме:
<mrow><msub><mi>h</mi><mi>r</mi></msub><mo>=</mo><mn>1.713</mn><mo>×</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>8</mn></mrow></msup><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>ε</mi><mi>g</mi></msub><mo>.</mo><msub><mi>T</mi><mi>g</mi></msub><msup><mrow /><mn>4</mn></msup><mo>−</mo><msub><mi>α</mi><mi>g</mi></msub><mo>.</mo><msub><mi>T</mi><mi>B</mi></msub><msup><mrow /><mn>4</mn></msup></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mi>g</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mi>B</mi></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
,
где:
g
ε= излучательная способность газа, которая является функцией состава и температуры и может быть получена из моделей серого газа или из графиков Хоттеля,
g
α= поглощательная способность газа,
g
T= температура газа,
B
T= средняя температура локальной насадки.
Зональная модель, которая включает такие принципы и объяснения для передачи тепла к насадкам (огнеупорному материалу) и внутри них, была использована для того, чтобы сделать более подробную оценку этих преимуществ. Базисом для сравнения являются эксплуатационные данные от группы современных воздухонагревателей Каупера, создающих в соответствии с промышленными критериями температуру горячего дутья 1250°C. Результаты представлены в Таблице 4.
Таблица 4
Обычные операции
Пример с применением кислорода 1
Пример с применением кислорода 2
Пример с применением кислорода 3
Цикл дутья
30
30
25
25
Цикл нагрева газом (изменение 8 минут)
52
52
42
42
Колошниковый газ
норм.м<sup>3</sup>/ч
91237
133742
134036
147292
Теплота сгорания колошникового газа
МДж/норм.м<sup>3</sup>
3,1
3,1
3,1
3,1
Природный газ
норм.м<sup>3</sup>/ч
4893
1224
1262
1296
Теплота сгорания природного газа
МДж/норм.м<sup>3</sup>
33,9
33,9
33,9
33,9
Расход кислорода - на воздухонагреватель
норм.м<sup>3</sup>/ч
0,00
23655
21854
23665
Общая подводимая теплота
На воздухонагреватель
МДж/ч
448707
456094
460153
500540
На воздухонагреватель
МДж/цикл
388879
395281
322107
350378
Всего - работа 3 воздухонагревателей
МДж/ч
777759
790563
773058
840907
Расход дутья
норм.м<sup>3</sup>/ч
427210
427210
427210
427210
Холодное дутье
°C
200
200
200
200
Горячее дутье
°C
1248
1246
1248
1261
Температура колпака
°C
1385
1385
1383
1384
Конечная температура дымового газа
°C
399
399
375
399
Ожидаемая годовая экономия в расходах €
Не применимо
1554375
2660237
4611263
Объем дымового газа воздухонагревателя
норм.м<sup>3</sup>/ч
205875
196076
201981
207466
CO<sub>2</sub>
23,05%
45,43%
45,43%
45,43%
норм.м<sup>3</sup>/ч - CO<sub>2</sub>
47454
89077
91760
94189
Интересно сравнить эти случаи несколько более подробно.
Обычные операции показывают, что воздухонагреватель использует значительный уровень обогащения природным газом, чтобы создать высокую температуру дутья 1248°C.
2
Все три примера («Примеры с применением кислорода» 1, 2 и 3) находятся в соответствии с изобретением. В «Примере с применением кислорода 1» модель была выполнена при сохранении тех же самых температуры дутья, объема дутья и температуры дымового газа, что и в обычных операциях. Этот случай приводит к результатам, сравнимым с установившимся состоянием теплового баланса, поскольку, хотя радиационная передача тепла (огнеупорным) кирпичам насадки улучшилась, преимущество этого скрыто вследствие принуждения модели к сохранению постоянной температуры дымового газа. Фактически, поскольку теплоемкость CO, содержащегося в подвергнутом рециклингу дымовом газе, выше, чем теплоемкость азота, который он замещает, общее влияние заключается в том, что несколько большее количество энергии требуется, чтобы поддерживать постоянную температуру колпака (и дутья). Тем не менее замены дорогого природного газа более дешевым топливом достаточно, чтобы компенсировать ущерб как от более высокой потребляемой энергии, так и от затрат на потребляемый кислород. Следует указать, что полные коэффициенты теплопередачи, рассчитанные посредством данной модели, показывают увеличение 13,5% по сравнению со сгоранием топлива в воздухе вблизи верхней части насадок, однако даже при более низких температурах по направлению к основанию насадок полный коэффициент теплопередачи был увеличен примерно на 8,5%.
В «Примере с применением кислорода 2» были учтены условия улучшенной передачи тепла посредством предоставления возможности температуре дымового газа повторно приходить в равновесие до более низкой температуры. Можно видеть, что, что поскольку больше тепла сохраняется в насадках, температура дымового газа падает примерно на 25°C. Результирующий эффект заключается в том, что возможно уменьшить время нагрева газом наряду с сохранением той же самой температуры дутья. Общая потребляемая энергия для работы 3 воздухонагревателей уменьшается в самой малой степени, однако температура и объем дутья поддерживаются даже при меньшем объеме дымового газа. Важной особенностью является то, что возможна эксплуатация в условиях засоренного воздухонагревателя.
В «Примере с применением кислорода 3» уменьшение температуры дымового газа посредством увеличения скорости сжигания до первоначальной температуры дымового газа было использовано посредством увеличения скорости сжигания до тех пор, пока первоначальная температура дымового газа не была восстановлена. Очевидно, что скорость сжигания может быть увеличена почти на 10%. Этого достаточно, чтобы увеличить температуру дутья приблизительно на 13°C, достаточно, чтобы обеспечить в результате значительную экономию кокса доменной печи.
Моделирование с применением вычислительной динамика текучих сред (CFD) было использовано наряду с динамическим тепловым балансом, чтобы способствовать детальному пониманию временных и пространственных вариаций температуры, скорости и концентрации, которые происходят во время полного цикла воздухонагревателя. Некоторые релевантные результаты CFD представлены на Фиг.7-9. Они показывают, что способ в соответствии с данным изобретением может быть выполнен при таких контурах пламени, которые подобны контурам, достигаемым при обычной работе доменного воздухонагревателя с воздухом в качестве окислителя и без рециркуляции дымового газа. Поэтому можно сделать вывод, что способ в соответствии с данным изобретением может работать при стабильном видимом пламени или пламенях и без образования пиковых температур пламени, способных повредить огнеупорный материал или насадку воздухонагревателя.
При ссылке теперь на фиг. 5, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, достаточное количество газообразных продуктов сгорания подвергают рециклингу, чтобы существенным образом поддерживать или увеличивать массовый расход газа в единицу времени через огнеупорный материал.
В соответствии с альтернативным предпочтительным вариантом осуществления, достаточное количество газообразных продуктов сгорания подвергают рециклингу, чтобы существенным образом поддерживать или увеличивать тепловую энергию, пропускаемую через огнеупорный материал. Это учитывает разные теплоемкости для различных инертных компонентов в газообразных продуктах сгорания. В этом случае также предпочтительно, чтобы достаточное количество газообразных продуктов сгорания было подвергнуто рециклингу, с тем, чтобы существенным образом поддерживать или уменьшать температуру пламени.
2
2
2
2
Как также показано в Таблице 3, величины содержания CO в дымовых газах, выпускаемых из воздухонагревателя 500, являются гораздо более высокими - 41% по сравнению с 23% в обычном режиме работы. Затраты на единицу массы уловленного CO для обычных методов улавливания углерода значительно уменьшены, поскольку концентрация CO увеличивается от низких уровней вплоть до уровня приблизительно 50-60%. Концентрации, увеличенные сверх этого предела, будут предоставлять меньшие выгоды. В результате затраты на этап улавливания углерода для обработки дымовых газов воздухонагревателя могут быть уменьшены значительным образом на единицу массы уловленного CO, когда используют окислитель с высоким содержанием кислорода в соответствии с данным изобретением.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, существующую, обычную, воздушную горелку, которую использовали, чтобы нагревать существующий воздухонагреватель 500 ранее, заменяют на первоначальном этапе топливным впуском 516 и впуском 513 для подвергнутых рециклингу газообразных продуктов сгорания, и топливо затем сжигают посредством вышеописанного окислителя с высоким содержанием кислорода. Для этого предпочтительно, чтобы окислитель был подвергнут предварительному смешиванию с подвергнутыми рециклингу газообразными продуктами сгорания. В качестве варианта предпочтительно, чтобы такое предварительное смешивание было связано с одной или несколькими фурмами, как описано выше.
Фиг. 6 представляет собой общий вид, иллюстрирующий другой предпочтительный вариант осуществления данного изобретения, показывающий доменный воздухонагреватель 600 с камерой сгорания 601, огнеупорным материалом 602, отверстием 606, трубопроводом 610 для подвергнутых рециркуляции газообразных продуктов сгорания, устройством 611 для рециклинга, топливным подающим трубопроводом 616, устройством 617 подачи топлива и топливным впуском 618.
Окислитель подают посредством трубопровода 613 для подачи окислителя и устройства 614 для подачи окислителя в фурму для окислителя, расположенную таким образом, что отверстие 615 фурмы расположено рядом с впуском 612 для подачи подвергнутых рециклингу газообразных продуктов сгорания, подаваемых из устройства 611 для рециклинга. Предпочтительно, фурма для окислителя расположена соосно впуску 612 для подвергнутых рециклингу газообразных продуктов сгорания. Путем, который аналогичен работе отверстия 416 коаксиальной фурмы, как описано в связи с Фиг. 4, такое смежное расположение, особенно когда оно является коаксиальным, будет эффективно вовлекать подвергнутые рециклингу газообразные продукты сгорания в область сгорания посредством эжекторного действия на части высокоскоростного окислителя, создавая увеличенную рециркуляцию газообразных продуктов сгорания в камере сгорания 601. Вместе с этим, отсутствует потребность в отдельном толкающем узле в узле 611 для рециклинга, поскольку подвергнутые рециклингу газообразные продукты сгорания будут продвигаться посредством эжекторного действия на отверстии 615.
Вариант осуществления, показанный на фиг. 6, выгодным образом объединен с дополнительной фурмой для окислителя, предоставляющей дополнительный окислитель в месте зоны сгорания, расположенном на расстоянии от отверстия 615, посредством чего достигается ступенчатое сжигание в зоне сгорания.
При обращении к фиг. 10, на ней показан другой вариант осуществления воздухонагревателя для применения, например, с доменной печью. Воздухонагреватель обозначен в целом как 700 и включает камеру 701 сгорания, огнеупорный материал 702, колпак 703, впускной поток 704 кислорода и впускной поток 705 топлива, в качестве которого используют низкосортное топливо, такое как, например, колошниковый газ или доменный газ, который вводится в камеру 701 сгорания через первичную или основную горелку 709. Продукты сгорания, образованные во время цикла сжигания для нагрева огнеупорного материала 702, направляются из камеры 701 сгорания через огнеупорный материал для выпуска, как указано стрелкой 720. Выпускные продукты 722 сгорания, выпускаемые из отверстия 706, могут быть возвращены назад через магистраль 724 в качестве подвергнутого рециклингу дымового газа и смешаны с впускным потоком 704 кислорода. Подвергнутые рециклингу продукты сгорания, которые были выпущены из отверстия 706, могут перемещаться по магистрали 724 посредством проталкивающего устройства 726, такого как вентилятор, чтобы возвращать подвергнутые рециклингу продукты сгорания к основной горелке 709. Продукты 722 сгорания, подвергнутые рециклингу через магистраль 724, смешиваются с впускным потоком кислорода 704 и образуют поток 729 смешанного окислителя для введения в основную горелку 709.
Фиг. 10 также показывает канал 707, имеющий один конец в сообщении с камерой 701 сгорания, и другой конец в сообщении с доменной печью (не показана). Такая конструкция обеспечивает «цикл дутья», в котором поток через воздухонагреватель реверсируется таким образом, что воздух, показанный в целом стрелкой 727, введенный в воздухонагреватель вблизи отверстия 706 или через него, протекает через огнеупорный материал 702 и нагревается и после этого протекает через камеру 701 сгорания и затем через выпускной канал 707 в доменную печь, как показано стрелкой 727.
Один или несколько дополнительных потоков 728, 730 окислителя могут подаваться в камеру 701 сгорания через несколько фурм 711, 712. Фурмы 711, 712 сообщаются с камерой 701 сгорания, чтобы предоставлять дополнительный окислитель в камеру сгорания.
По меньшей мере одна кислородно-топливная горелка 740 установлена для сообщения с камерой 701 сгорания ниже по течению потока от основной горелки 709. Кислородно-топливная горелка 740 сжигает топливо 742 и окислитель 744, подаваемые в горелку, чтобы предоставить дополнительную способность к сжиганию камере 701 сгорания. Кислородно-топливная горелка 740 может работать в качестве запального пламени, чтобы воспламенять или сжигать остаток топливного газа, вводимого основной горелкой 709 в камеру 701 сгорания.
2
2
2
Предоставление по меньшей мере одной отдельной кислородно-топливной горелки 740 в дополнение к основной горелке 709 способствует разрешению потенциальных проблем, которые могут возникать при работе основной горелки со смесью подвергнутого рециклингу дымового газа и кислорода. В Таблице 3 выше смесь подвергнутого рециклингу дымового газа и кислорода будет создавать концентрацию кислорода примерно 30% O, определяемую выражением 6220÷(6220+14490). Однако для доменных газов с низкими теплотворными способностями и для того, чтобы работать при приемлемых температурах пламени, может потребоваться окислитель с объемной концентрацией кислорода вплоть до 50%. Такие высокие концентрации кислорода не могут быть надежным образом использованы в существующих подводящих трубопроводах или в основной горелке 709. Для того чтобы преодолеть эту проблему, меньше кислорода подают в основную горелку 709, и дополнительный кислород, требующийся для полного сгорания в камере 701 сгорания, предоставляют в кислородно-топливную горелку 740 с пламенем, направленным в камеру 701 сгорания, и также потенциально в фурмы 711, 712 для окислителя. Этот отвод кислорода уменьшает концентрацию кислорода внутри основной горелки 709 до приемлемых уровней для совместимости материалов. Концентрации кислорода должны быть ограничены величинами ниже 25-28% в таких системах, и в этом случае остаток кислорода подают посредством по меньшей мере одной кислородно-топливной горелки 740 и необязательно посредством фурм 711, 712 для окислителя. Возможно, что значительную долю общего необходимого кислорода нужно будет подавать кислородно-топливной горелкой 740 и/или фурмами 711, 712. Например, в случае, когда потребуется объемная концентрация кислорода 44,6% O, 52% кислорода нужно будет направлять в кислородно-топливную горелку 740 или фурмы 711, 712, для того, чтобы уменьшить концентрацию кислорода в смешанном потоке 729 окислителя до 28% O.
Кислородно-топливная горелка 740 может быть ориентирована таким образом, чтобы работать в качестве запального пламени. В такой ориентации для этого режима работы кислородно-топливную горелку 740 располагают и ориентируют таким образом, что результирующее пламя от сжигания топлива в кислороде будет пересекаться с основным потоком, выходящим из основной горелки 709, чтобы способствовать смешиванию и реакционному взаимодействию потоков от кислородно-топливной горелки 740 и основной горелки 709 воздухонагревателя в камере 701 сгорания.
Как указано выше, кроме того, предпочтительным является то, что воздухонагреватель 300, 400, 500, 600, 700 связан с соответствующей ступенью 350, 450, 550, 650, 750 для улавливания углерода, которая может быть обычным отдельным агрегатом, отделяющим диоксид углерода, содержащийся в газообразных продуктов сгорания, выпускаемых из воздухонагревателя, перед выпуском газообразных продуктов сгорания в окружающую среду.
Когда период эксплуатации доменного воздухонагревателя приближается к его ожидаемому сроку службы, предпочтительно применять к воздухонагревателю один из описанных в данном документе вариантов осуществления или комбинацию нескольких из них.
Таким образом, срок службы воздухонагревателя может быть продлен, при работе на более низких температурах пламени, при поддерживаемых величинах производительности в отношении вдуваемого воздуха, улучшенной экономии топлива и более низких уровнях выбросов.
Таким образом, способ и устройство в соответствии с данным изобретением будут предоставлять возможность доменному воздухонагревателю работать лишь на низкосортном топливе, таком как колошниковый газ доменной печи, без необходимости обогащения топливом с более высокой теплотворной способностью и без риска теплового повреждения воздухонагревателя, наряду с тем, что производятся дымовые газы, которые лучше подходят для улавливания углерода. Кроме того, предоставляется возможность продления срока службы воздухонагревателя.
Если используют достаточный рециклинг газообразных продуктов сгорания, то также возможно применение такого же количества и качества вдуваемого воздуха в существующем воздухонагревателе, который преобразуют, в соответствии с тем, что описано выше, для работы с окислителем с высоким содержанием кислорода, и данный воздухонагреватель снабжен компонентами для рециклинга газообразных продуктов сгорания, описанными в отношении фиг. 5, 6 или 10. Выше были описаны предпочтительные варианты осуществления. Однако очевидно для специалиста, что многие модификации могут быть сделаны в отношении описанных вариантов осуществления без отклонения от данного изобретения.
Например, любой из способов осуществления рециркуляции газообразных продуктов сгорания, как описано в отношении фиг. 4-6 и 10, может быть выгодным образом дополнен одной или несколькими различными фурмами для окислителя, как описано в отношении фиг. 3.
Более того, подвергнутые рециркуляции газообразные продукты сгорания в способе с проталкиванием эжекторным действием, как описано в отношении фиг. 6, могут быть выгодным образом предварительно смешиваться с определенным количеством окислителя с высоким содержанием кислорода аналогично тому, что описано в отношении фиг. 5.
Также проталкивание эжекторным действием предварительно смешанных подвергнутых рециклингу газообразных продуктов или без их предварительного смешивания, как описано в отношении фиг. 6, может быть выгодным образом объединено с проталкиванием эжекторным действием низкосортного топлива, как описано в отношении фиг. 4.
Тепло может быть извлечено из газообразных продуктов сгорания, которые не подвергнуты рециклингу. Кроме того или в качестве варианта, газообразные продукты сгорания могут быть подвергнуты улавливанию углерода.
Способ в соответствии с данным изобретением может быть применен к воздухонагревателю Калугина для доменных печей, в качестве альтернативы воздухонагревателям, проиллюстрированным на чертежах.
Следует понимать, что варианты осуществления, описанные в данном документе, являются лишь примерами, и что специалист в данной области может сделать варианты и модификации, без отклонения от сущности и объема данного изобретения. Все такие варианты и модификации предназначены для включения в объем данного изобретения, как он описан и определен формулой изобретения в данном документе. Кроме того, все описанные варианты осуществления не являются непременно альтернативными, поскольку различные варианты осуществления данного изобретения могут быть объединены для обеспечения требуемого результата.