СПОСОБ НАГРЕВА ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЯ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ
BLAST FURNACE AIR HEATER HEATING METHOD

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Настоящее изобретение относится к способу нагревания доменного воздухонагревателя, используемого в доменной печи.
[0002] Воздух для горения, подаваемый в доменную печь, обычно предварительно нагревают с помощью воздухонагревателя, содержащего огнеупорный материал, который нагревают, используя горелку. Когда такой материал становится достаточно горячим, через воздухонагреватели пропускают воздух для горения с целью его предварительного нагревания перед вдуванием в доменную печь. Обычно параллельно и циклически работают несколько воздухонагревателей таким образом, чтобы по меньшей мере один воздухонагреватель работал для нагревания воздуха для горения во время нагревания по меньшей мере одного воздухонагревателя.
2
2
2
2
[0003] Традиционно колошниковый газ, выходящий из доменной печи, имеет температуру около 110-120°С и содержит по 20-25% CO и СО. Обычно также присутствуют 3-5% Н и некоторое количество НО, однако другим основным компонентом колошникового газа является N (обычно 45-57%). Такой газ является составной частью низкосортного топлива, имеющего относительно низкую теплотворную способность, и обычно используется для снабжения топливом воздухонагревателей.
[0004] Колошниковый газ обычно сжигают с помощью топливовоздушных горелок в воздухонагревателях. Хорошо известно, что для достижения необходимых высоких температур доменного дутья, необходимых в доменной печи, следует обогатить колошниковый газ газом с высокой теплотворной способностью, таким как коксовый газ или природный газ. Сжигание такого дополнительного топлива влечет за собой больший общий объем выброса диоксида углерода заводом и поэтому является нежелательным.
[0005] Также известно обогащение кислородом воздуха для горения, используемого в горелках для ступенчатого горения. Обычно уровень обогащения, необходимый для снижения или устранения необходимости в дополнительных видах топлива с высокой теплотворной способностью, такой, что содержание кислорода в конечном обогащенном кислородом воздухе для горения составляло около 28-30%.
[0006] Такие способы в некоторых случаях могут способствовать возникновению пиковых температур пламени, достаточно высоких для того, чтобы повредить огнеупорный материал воздухонагревателя.
[0007] Сама доменная печь представляет собой высокоэффективный противоточный реактор, который эволюционировал в течение многих лет. Он приближается к пределам термодинамической эффективности. Более того, доменная печь и ее вспомогательное оборудование, такое как воздухонагреватели, являются наибольшими потребителями энергии на интегрированных металлургических установках. Кроме того, энергия, потребляемая при производстве чугуна, является преобладающим фактором, определяющим потребление углерода в интегрированном процессе выплавки стали и, как следствие, выбросы диоксида углерода. Поэтому желательно повысить термическую эффективность воздухонагревателей доменных печей.
[0008] Помимо упомянутой выше проблемы с высокими пиковыми температурами, слишком низкие температуры пламени или количество подводимого тепла приведут к продолжительным циклам нагревания, что является нежелательным. Иными словами, температуру пламени необходимо контролировать.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0009] Раскрываемые варианты воплощения решают описанные выше задачи и позволяют достичь других преимуществ, как будет описано ниже.
3
[0010] Таким образом, описываемые варианты воплощения относятся к способу нагревания воздухонагревателя доменной печи посредством горения топлива с низкой теплотворной способностью (LHV), составляющей 9 МДж/Нм или менее, в зоне горения, в которой поддерживают устойчивое, видимое пламя, обеспечиваемое в камере сгорания в воздухонагревателе, и пропускания через нее дымовых газов, тем самым нагревая огнеупорный материал в воздухонагревателе, отличающемуся тем, что топливо сгорает с окислителем, содержащим по меньшей мере 85% кислорода, при этом дымовые газы рециркулируют в зону горения для того, чтобы в достаточной степени разбавить в ней смесь топлива и окислителя таким образом, чтобы пламя не повредило огнеупорный материал.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0011] Далее изобретение будет описано подробно со ссылкой на иллюстративные варианты воплощения настоящего изобретения и на прилагаемые чертежи, на которых:
[0012] фиг.1 представляет собой упрощенную иллюстрацию доменной печи и трех воздухонагревателей на традиционном металлургическом заводе;
[0013] фиг.2 представляет собой вид в разрезе, иллюстрирующий традиционный воздухонагреватель современного типа с наружной камерой сгорания;
[0014] фиг.3 представляет собой вид в разрезе воздухонагревателя с дополнительными фурмами согласно описываемым вариантам воплощения;
[0015] фиг.4 представляет собой подробный вид в разрезе воздухонагревателя с кислородотопливной горелкой согласно описываемым вариантам воплощения;
[0016] фиг.5 представляет собой вид в разрезе воздухонагревателя с рециркулированием дымового газа согласно описываемым вариантам воплощения;
[0017] фиг.6 представляет собой подробный вид в разрезе воздухонагревателя с эжекторной фурмой согласно описываемым вариантам воплощения;
[0018] фиг.7 представляет собой график, иллюстрирующий аксиальный температурный профиль горения в камере сгорания воздухонагревателя горелки, (а) работающего традиционным способом с поддержанием горения воздухом и без рециркуляции дымового газа и (b) работающего согласно описываемым вариантам воплощения;
[0019] фиг.8 представляет собой такой же график, как и фиг.7, но показывающий аксиальный скоростной профиль для таких же двух вариантов горения; и
[0020] фиг.9 представляет собой такой же график, как и фиг.7, но показывающий профиль аксиальной концентрации оксида углерода для таких же двух вариантов горения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0021] Фиг.1 иллюстрирует расположение доменной печи 120 и трех воздухонагревателей 100 на металлургическом заводе. В результате работы доменной печи 120 получают доменный колошниковый газ, который подают, с помощью контролирующего подачу топлива устройства 110, в каждый воздухонагреватель 100 и используют в качестве топлива для нагревания описываемого воздухонагревателя 100. Колошниковый газ сжигают с окислителем в виде воздуха, подаваемого контролирующим подачу воздуха устройством 130.
[0022] Каждый воздухонагреватель 100 включает огнеупорный материал в виде керамических кирпичей или т.п., который вначале нагревают, а затем используют для нагревания вдуваемого воздуха, который подают в доменную печь.
[0023] В режиме нагревания огнеупорного материала (подача газа открыта) колошниковый газ сжигают в воздухонагревателе 100, а дымовые газы подают в устройство 150 для обработки отходящего газа, при необходимости содержащей стадии улавливания углерода.
[0024] В режиме нагрева воздуха дутья (вдувание воздуха активно) воздух подают через огнеупорный материал в противоположном направлении, а затем в доменную печь 120.
[0025] Воздухонагреватели 100 работают циклически, поэтому в любое время по меньшей мере один воздухонагреватель работает на вдуваемом воздухе, а остальные воздухонагреватели работают на газе.
[0026] Фиг.2 представляет собой вид в разрезе традиционного воздухонагревателя 100 современного типа. Воздухонагреватель 100 включает наружную камеру 101 сгорания, огнеупорный материал 102 и купол 103. При работе на газе важно, чтобы температура купола 103 не достигала слишком высоких значений, поскольку в таком случае возникает опасность повреждения воздухонагревателя 100. Следует помнить о том, что существуют воздухонагреватели с внутренними камерами сгорания и что настоящее изобретение в равной мере относится также к работе таких воздухонагревателей.
[0027] При работе на газе колошниковый газ и воздух подают в зону горения камеры 101 сгорания, в которой происходит горение с помощью воздушной горелки 108. Горелка 108 включает входное отверстие 105 для топлива и входное отверстие 104 для воздуха. Затем горячие дымовые газы поднимаются в виде потока вверх в камере 101, мимо купола 103 и опускаются вниз через огнеупорный материал 102, таким образом нагревая его. При выходе из отверстия 106 температура дымовых газов обычно составляет примерно 200-350°С.
[0028] После достижения заданной температуры огнеупорного материала режим переключается на дутье. Затем воздух поступает через отверстие 106, проходит в виде потока через горячий огнеупорный материал 102, через купол 103 и камеру 101 сгорания и выходит наружу через выпускное отверстие 107. В этот момент температура вдуваемого воздуха обычно составляет 1100-1200°С.
[0029] В контексте настоящего изобретения предпочтительным является нагревание воздухонагревателя колошниковым газом доменной печи, как описано выше. Более того, предпочтительным является использование колошникового газа из доменной печи, в которую вдуваемый воздух поступает из воздухонагревателя. Это позволяет устанавливать воздухонагреватель поблизости от доменной печи, экономить энергию и приводит к снижению общих выбросов с завода.
[0030] Однако следует отметить, что настоящее изобретение с равным успехом применимо к воздухонагревателям, нагреваемым другими видами низкосортного топлива. В качестве примера типичные химические составы (процентные величины) и значения низкой теплотворной способности (LHV) указаны в таблицах 1 и 2 соответственно для доменного колошникового газа и конвертерного отходящего газа.
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/Нм<sup>3</sup>)
LVH (МДж/кг)
Колошниковый газ
3,2
2,4
Отходящий газ
6,3
8,4
3
3
[0031] Согласно настоящему изобретению воздухонагреватель нагревают газообразным топливом, величина LHV которого составляет не более 9 МДж/Нм. Использование такого низкосортного топлива принесет максимальную выгоду из возможных экономических преимуществ, обеспечиваемых настоящим изобретением. Такое топливо может включать некоторое количество другого, более высокосортного топлива при условии, что величина LHV смеси равна или менее 9 МДж/Нм. Однако для минимизации стоимости и выбросов предпочтительно не добавлять высокосортные виды топлива до сгорания.
[0032] Согласно настоящему изобретению такое низкосортное топливо используют для нагревания воздухонагревателя, сжигая его не с воздухом или слегка обогащенным кислородом воздухом, а с окислителем, включающим по меньшей мере 85 масс.%, предпочтительно по меньшей мере 95 масс.% кислорода, при этом окислитель наиболее предпочтительно представляет собой промышленно-чистый кислород, содержание кислорода в котором составляет по существу 100%.
[0033] Это повысит эффективность топлива, поскольку отсутствует необходимость нагревания азотного балласта, присутствующего в воздухе. Более того, в результате уменьшения азотного балласта в продуктах сгорания могут быть достигнуты нужные температуры пламени без необходимости дополнять низкосортный топливный газ высококалорийными видами топлива. Сниженная потребность в энергии облегчит повышенную выработку электроэнергии и/или уменьшит потребность в подаваемом газе, улучшая таким образом управление расходом топлива.
[0034] Обычно использование окислителя с таким высоким содержанием кислорода обеспечивает получение пиковых температур, достаточно высоких для того, чтобы повредить купол и огнеупорный материал воздухонагревателя.
[0035] Однако данный тип окислителя может быть использован таким образом, чтобы рециркулировать дымовые газы воздухонагревателя в зону горения в такой степени, чтобы смесь топлива и окислителя в ней оказалась достаточно разбавленной в зоне горения для того, чтобы сформировать стабильное, видимое пламя при температурах, не вызывающих повреждения купола и огнеупорного материала.
[0036] В данном описании фраза «рециркулирование дымовых газов в зону горения» относится к дымовым газам, находящимся за пределами зоны горения и рециркулируемым назад в зону горения. Такие дымовые газы могут первоначально находиться внутри самой камеры сгорания, но за пределами части камеры сгорания, занятой зоной, в которой в основном происходит горение («зона горения»). Таким образом, в данном случае дымовые газы фактически рециркулируют внутри камеры сгорания. В качестве альтернативы, такие дымовые газы могут быть рециркулированы снаружи камеры сгорания назад в зону горения.
[0037] Как подробно описано далее, разбавление реагентов может быть достигнуто или в результате создания сильной турбулентности внутри камеры сгорания с использованием высокоскоростной продувки кислородом, возможно, с применением ступенчатой схемы горения, и/или рециркулирования дымовых газов из воздухонагревателя назад в зону горения.
[0038] Согласно настоящему изобретению могут быть достигнуты температуры пламени с достаточно низкими пиками для того, чтобы не повредить огнеупорный материал воздухонагревателя.
2
2
[0039] Кроме того, при использовании окислителя с высоким содержанием кислорода для горения низкосортных видов топлива, таких как доменный колошниковый газ, содержание СО в дымовых газах существенно повышается по сравнению с использованием воздуха или слегка обогащенного кислородом воздуха в качестве окислителя. Поскольку традиционные методы улавливания углерода существенно дешевле на единицу уловленного СО, в том случае, если обрабатываемый газ содержит большую долю диоксида углерода, это приводит к существенной экономии затрат при использовании такой стадии улавливания углерода для обработки дымовых газов воздухонагревателя.
[0040] На фиг.3 показан предпочтительный вариант воплощения настоящего изобретения. Воздухонагреватель 300, который подобен традиционному воздухонагревателю 200, показанному на фиг.2, включает камеру 301 сгорания, огнеупорный материал 302, купол 303, впускное отверстие 304, используемое для горения воздуха при традиционной работе воздухонагревателя, включающей горение воздуха, другое впускное отверстие 305, используемое для низкосортного топлива, такого как колошниковый газ, и отверстия 306, 307, подобные отверстиям 206, 207. Вместо сгорания низкосортного топлива с воздухом в камере сгорания устанавливают одну или несколько фурм 310, 311, 312, используемых для подачи описанного выше окислителя с высоким содержанием кислорода в зону горения. Окислитель может быть получен в виде кислорода на месте или подан извне.
[0041] Во всех описанных здесь вариантах воплощения общее количество окислителя на единицу времени уравновешивают относительно количества подаваемого низкосортного топлива таким образом, чтобы создать желаемые условия для сгорания с точки зрения стехиометрии.
[0042] Предпочтительно, чтобы каждая фурма 310, 311, 312 подавала окислитель в зону горения с высокой скоростью, предпочтительно по меньшей мере 200 м/сек, более предпочтительно  по меньшей мере со скоростью звука. Такая высокоскоростная продувка приводит к сильной турбулентности в камере для сгорания, в свою очередь, перенося дымовые газы в зону горения и тем самым разбавляя пламя таким образом, чтобы оно рассеивалось с высокой температурой, не повреждающей огнеупорный материал воздухонагревателя.
[0043] Согласно одному предпочтительному варианту воплощения отверстие фурмы 310 расположено поблизости от впускного отверстия 305 для топлива. Согласно одному предпочтительному варианту воплощения отверстие фурмы 311 расположено на расстоянии от впускного отверстия 305 для топлива. В зависимости от геометрии камеры 301 для сгорания, одно из таких расположений или их комбинация может обеспечить наилучшую рециркуляцию дымовых газов в зону горения. Дополнительная фурма 312, установленная дальше относительно другой фурмы или фурмы 310, 311, может быть использована для обеспечения ступенчатого процесса сгорания, в результате чего общий объем пламени может быть увеличен еще больше. Естественно, может быть установлено более одной фурмы каждого из описанных видов 310, 311, 312, дополняя одна другую. При вдувании окислителя поблизости от впускного отверстия 305 для топлива предпочтительным является дополнительное вдувание окислителя далее по ходу процесса таким образом, чтобы обеспечить ступенчатый процесс сгорания.
[0044] Фиг.4 представляет собой общую иллюстрацию другого предпочтительного варианта воплощения, в котором доменный воздухонагреватель 400 включает камеру 401 сгорания, огнеупорный материал 402 и отверстие 406.
[0045] Низкосортное топливо подают по трубопроводу 411, через устройство для подачи 412 и впускное отверстие 413. Окислитель подают по трубопроводу 414, через устройство для подачи 415 и фурму, включающую отверстие 416. Фурму устанавливают таким образом, чтобы ее отверстие 416 находилось поблизости от отверстия 413 для топлива. Фурма предпочтительно расположена коаксиально с отверстием 413 для топлива, как изображено на фиг.6. В результате такого смежного расположения, особенно коаксиального, и при вдувании окислителя при описанных выше высоких скоростях топливо эффективно переносится в зону сгорания под действием эжектора со стороны высокоскоростного окислителя. В результате достигается сильная рециркуляция продуктов сгорания в зоне сгорания, расширяя фронт пламени. При использовании такой высокоскоростной фурмы поблизости от впускного отверстия 413 для топлива предпочтительно одновременно использовать вторичную фурму 312 для топлива, обеспечивающую поступление части всего подаваемого кислорода в другое место в камере 401 сгорания, ниже по потоку от отверстия 413 для топлива, обеспечивая ступенчатое сгорание низкосортного топлива и тем самым облегчая получение пламени, которое рассеяно и не имеет пиковой температуры, достаточно высокой для того, чтобы повредить огнеупорный материал воздухонагревателя.
[0046] Воздухонагреватель 400 может быть частью стационарного завода по производству чугуна и адаптирован для работы в соответствии с настоящим изобретением с использованием традиционного способа, согласно которому для поддержания сгорания доменного газа используют воздух, доменный газ дополняют коксовым газом или природным газом и согласно которому отсутствует рециркуляция продуктов сгорания в воздухонагревателе 400.
[0047] Согласно предпочтительному варианту воплощения имеющуюся традиционную воздушную горелку, которая использовалась ранее для нагревания имеющегося воздухонагревателя 400, на первоначальной стадии заменяют кислородотопливной горелкой 410, включающей описанное выше отверстие 413 для топлива и фурму для окислителя. Термин «кислородотопливная» горелка в данном описании относится к горелке, работающей на топливе и окислителе, при этом окислитель имеет высокое содержание кислорода, предпочтительно по меньшей мере 85% кислорода, более предпочтительно по меньшей мере 95% кислорода.
[0048] Согласно альтернативному, предпочтительному варианту воплощения имеющуюся воздушную горелку, описанную выше, на первоначальной стадии дополняют одной или несколькими высокоскоростными фурмами для окислителя, как описано выше, и подачу воздуха прекращают.
[0049] Как описано выше, такая высокоскоростная продувка создает сильную турбулентность внутри камеры 301, 401 сгорания, обеспечивающую достаточно низкие пиковые температуры пламени, не повреждающие огнеупорные материалы в воздухонагревателе.
[0050] Однако массовый расход дымовых газов будет ниже при использовании окислителя с высоким содержанием кислорода по сравнению с использованием воздуха в качестве окислителя. Это приводит к более низкому уровню конвективного теплообмена с огнеупорным материалом и, следовательно, большей продолжительности циклов нагревания. Поэтому при преобразовании существующего воздухонагревателя для работы с окислителем с высоким содержанием кислорода отходящие газы рециркулируют из воздухонагревателя назад в зону сгорания, как описано ниже в связи с фиг.5 и 6.
[0051] Фиг.5 представляет собой общую иллюстрацию воздухонагревателя 500 согласно другому предпочтительному варианту воплощения, включающего камеру 501 сгорания, огнеупорный материал 502 (иногда называемый «насадкой») и купол 503.
[0052] Во время работы газа дымовые газы выходят из воздухонагревателя 500 через отверстие 506. Однако часть дымовых газов рециркулируют назад в зону горения в камере 501 сгорания через рециркулирующее устройство 511. Устройство 511 может включать транспортирующее устройство, такое как вентилятор, для подачи рециркулированного дымового газа в камеру 501 сгорания.
[0053] Рециркулирующее устройство 511 также предназначено для смешивания рециркулированного дымового газа с окислителем с высоким содержанием кислорода, имеющим описанный выше состав и подаваемым по трубопроводу 512. Смешивание может быть осуществлено с помощью традиционных диффузоров. Смесь рециркулированного дымового газа и окислителя затем подают в камеру 501 сгорания через отверстие 513. Низкосортное топливо, такое как колошниковый газ из доменной печи, подают по трубопроводу 514, через устройство для подачи 515 и впускное отверстие 516. В результате в зоне горения топливо сгорает с окислителем в присутствии дымовых газов, которые были рециркулированы в зону сгорания после того, как они уже прошли через воздухонагреватель 500. Таким образом разбавляют пламя в камере 501 сгорания.
[0054] Использование такого рециркулирования отходящего газа позволяет достичь достаточно высокого уровня конвективного теплообмена, способного обеспечить нужную продолжительность цикла нагревания имеющегося воздухонагревателя, по отношению к которому применяют способ согласно настоящему изобретению. Это достигается посредством рециркуляции достаточного количества дымовых газов для сохранения потока массы газа или термической энергии в единицу времени через воздухонагреватель 500 на уровне, по меньшей мере таком же, как и поток массы газа или термической энергии в единицу времени, который был использован при работе имеющегося воздухонагревателя, до перехода на операцию согласно настоящему изобретению, с использованием окислителя с низким содержанием кислорода без рециркуляции.
[0055] Как было упомянуто ранее, способ согласно настоящему изобретению заменяет горение с использованием воздуха калорийно обогащенного топливного газа с низкой теплотворной способностью на кислородотопливное горение, при котором пламя разбавляют рециркулированием отходящего газа, например, высокоимпульсным перемешиванием пространства горения с помощью фурм для инжектирования окислителя. Отпадает необходимость в дорогостоящем добавочном топливном газе с высокой теплотворной способностью, и воздухонагреватель снабжается топливом с использованием одного лишь доменного газа. Воздухонагреватели обычно отвечают приблизительно за 10% общей потребности в энергии для интегрированного сталелитейного производства, при этом приблизительно 18% энергии, подаваемой в воздухонагреватели, теряется в отходящем газе. Рециркулирование отходящего газа уменьшает такие потери энергии и снижает количество энергии, которая должна поступать в воздухонагреватель от горения отходящего газа. Поэтому способ согласно настоящему изобретению сочетает некоторые выгоды по использованию отходящего тепла с выгодами кислородотопливного горения.
3
3
3
[0056] Рассмотрим гипотетический пример использования доменной печи с рабочим объемом 1500 м, работающей с производительностью примерно 2,2 т/м/день. Такая печь выпускает приблизительно 138 тонн чугуна в час, и, исходя из обычных объемов дутья, можно ожидать, что она расходует 138000 Нм/час горячего дутья. Достижение температуры горячего дутья, составляющей 1200°С, потребует температуры горелки для воздухонагревателя примерно на 150°С выше, при этом для нагревания воздуха до такой температуры потребуется приблизительно 230 ГДж/час. При эффективности воздухонагревателя, составляющей около 80%, это означает, что потребляемая воздухонагревателями энергия составит около 290 ГДж/час или 145 ГДж/час для каждого воздухонагревателя при допущении, что два воздухонагревателя получают газ одновременно. Принято, что для нормальных рабочих условий воздухонагревателя примерно 18% потребляемой воздухонагревателями энергии уходит в отходящем газе. Было установлено, что для рассматриваемых условий потребуется температура отходящего газа, составляющая около 250°С.
[0057] Эти условия использовали для установления гипотетических балансов по теплу и массе для трех режимов работы: «воздух-топливо» (т.е. традиционный режим без рециркуляции отходящего газа); «обогащенный кислородом» (т.е. как «воздух-топливо», но с воздухом, обогащенным кислородом) и «рециркуляция отходящего газа» (т.е. в соответствии со способом согласно настоящему изобретению). Расчеты были сделаны для установления постоянной температуры пламени и постоянного потока массы продуктов сгорания таким образом, чтобы сохранить условия конвективной передачи тепла. Стехиометрию пламени регулировали в каждом случае так, чтобы содержание избыточного кислорода в отходящем газе составляло 1%. Результаты сравнения приведены в таблице 3.
Таблица 3
BFG, Нм<sup>3</sup>/час
COG, Нм<sup>3</sup>/час
Воздух, Нм<sup>3</sup>/час
Кислород, Нм<sup>3</sup>/час
Рециркуляция отходящего газа, Нм<sup>3</sup>/час
Теплота сгорания, ГДж/час
Темп. пламени, °С
Масса отходящего потока, кг/мин
Отходящий газ, %О<sub>2</sub>
Отходящий газ, %СО<sub>2</sub>
Воздух-топливо
34000
2400
34200
0
0
145
1347
1539
1
23
Обогащенный кислородом
40200
1200
26800
1300
0
145
1347
1545
1
27
Рециркуляция отходящего газа
44700
0
0
6220
14490
139
1347
1541
1
41
2
[0058] Видно, что в рассматриваемых условиях обогащение кислородом воздуха, подаваемого в воздухонагреватели, уменьшает, но не исключает количество используемого коксового газа. Поток доменного газа увеличивается, чтобы сохранить количество подводимого тепла, равное 145 ГДж/час. Содержание СО в отходящем газе увеличивается стремительно благодаря удалению некоторого количества азота из системы.
[0059] Осуществление рециркуляции отходящего газа устраняет необходимость калорийного обогащения отходящего газа. Это объясняется тем, что дальнейшее небольшое увеличение потока доменного газа в сочетании с возвратом физического тепла, содержащегося в отходящем газе, является достаточным для достижения желаемой температуры пламени. Следует отметить, что при использовании рециркуляции отходящего газа окислителем является не воздух, а газовая смесь, содержащая по меньшей мере 85 об.% кислорода или по существу чистый кислород. (На этом положении основаны полученные результаты, показанные в таблице 3). Потребляемая энергия от сгорания снижается примерно на 4% благодаря возврату энергии от рециркулированного отходящего газа.
2
2
[0060] Воздух удаляют, а горение поддерживают при помощи промышленного кислорода. Важно отметить, что содержание СО в отходящем газе увеличивается с первоначальных 23% до 41%. Это равняется 50 тоннам СО в час для одного воздухонагревателя или 100 тоннам для двух воздухонагревателей, работающих с использованием газа. 75 тонн из этого количества могут быть подвергнуты улавливанию углерода и секвестированию, а остаток  рециркуляции.
[0061] Для рассматриваемого гипотетического случая разумно предположить, что 138 тонн чугуна, получаемого каждый час, превращаются в 150 тонн сляба или иного металлического продукта, который отвечает за правильность добавления скрапа во время производства стали.
2
2
[0062] На основании промышленных сравнительных данных можно утверждать, что весь интегрированный сталелитейный завод будет производить примерно 280 тонн СО в час. Следовательно, в рассматриваемом примере рециркулирование отходящего газа в воздухонагреватели (предположительно представляющие собой кауперы) составляет приблизительно 27% от общезаводских выбросов СО, доступных для улавливания углерода.
[0063] Несмотря на то что простые балансы тепла и массы, подобные балансам, детализированным в таблице 1, служат для иллюстрации основных преимуществ, обеспечиваемых способом согласно настоящему изобретению, они не полностью отражают преимущества. В частности, они не учитывают улучшенные условия теплопередачи, обеспечиваемые переключением с режима горения «воздух-топливо» на режим «кислород-топливо». Для этой цели может быть использована динамическая модель, которая отвечает за изменения общего коэффициента теплопередачи в зависимости от состава, температуры и потока массы в огнеупорной насадке. Ряд моделирующих исследований подогревателей дутья показали, что происходящая теплопередача может быть точно представлена общим или «составным» коэффициентом теплопередачи, который объединяет действие конвекции и радиации. Так, в цикле работы с газом он составляет
c
r
α=α+α,
где
c
α = коэффициент конвективной теплопередачи, а
r
α = коэффициент радиационной теплопередачи.
Коэффициент конвективной теплопередачи относится к скорости потока массы и может быть рассчитан по уравнениям Sieder-Tate или Hausen. Коэффициент радиационной теплопередачи выводят из закона Стефана-Больцмана, который может быть выражен в виде
<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><msubsup><mi>T</mi><mi>g</mi><mn>4</mn></msubsup><mo>−</mo><msub><mi>α</mi><mi>g</mi></msub><mo>⋅</mo><msubsup><mi>T</mi><mi>B</mi><mn>4</mn></msubsup></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><mo>,</mo></mrow>
где
g
ε = коэффициент излучения газа, который зависит от состава и температуры и который может быть выведен из моделей серого газа или из диаграмм согласно Hottel;
g
α = абсорбционная способность газа;
g
T = температура газа;
В
Т = средняя температура местной насадки.
Зональную модель, которая воплощает такие принципы и отвечает за теплопередачу насадке (огнеупорной) и внутри нее, используют для более подробной оценки преимуществ. Основанием для сравнения служат рабочие данные, полученные от набора современных воздухонагревателей Каупера, обеспечивающих промышленную сравнительную температуру горячего дутья, равную 1250°С. Результаты показаны в таблице 4.
Таблица 4
Цикл дутья
Традиционные операции
Кислород Вариант 1
Кислород Вариант 2
Кислород Вариант 3
30
30
25
25
Газовый цикл (8-минутное изменение)
52
52
42
42
BFG Нм<sup>3</sup>/час
91,237
133,742
134,636
147,292
BFG HV МДж/Нм<sup>3</sup>
3,1
3,1
3,1
3,1
Природный газ Нм<sup>3</sup>/час
4,893
1,224
1,262
1,296
NG HV МДж/Нм<sup>3</sup>
33,9
33,9
33,9
33,9
Скорость подачи кислорода в воздухонагреватель Нм<sup>3</sup>/час
0,00
23,665
21,854
23,665
Общая потребляемая энергия воздухона-гревателем, МДж/час
448,707
456,094
460,153
500,540
воздухонагревателем МДж/цикл
388,879
395,281
322,107
350,378
Всего - работа 3 воздухонагревателей МДж/час
777,759
790,563
773,058
840,907
Скорость ветра Нм<sup>3</sup>/час Холодное дутье, °СГорячее дутье, °СТемпература купола, °СКонечная температура дымовой трубы, °СПланируемая годовая экономия затрат €
427,21020012481385399Отсутствует
427,210200124613853991,554,375
427,210200124813833752,660,237
427,210200126113843994,611,263
Объем отходящего газа воздухонагревателя
Нм<sup>3</sup>/часСО<sub>2</sub>Нм<sup>3</sup>/час-СО<sub>2</sub>
205,87523,05%47,454
196,07645,43%89,077
201,98145,43%91,760
207,46645,43%94,189
[0064] Интересно сравнить описанные варианты более подробно:
[0065] Традиционные операции показывают, что в воздухонагревателе используют существенный уровень обогащения природного газа для получения высокой температуры дутья, равной 1248°С.
2
[0066] Все три примера (варианты 1, 2 и 3 с использованием кислорода) соответствуют настоящему изобретению. В варианте 1 с использованием кислорода модель работает при такой же температуре дутья, объеме дутья и температуре дымовой трубы, как и при осуществлении традиционного способа. В данном случае получают сравнимые результаты относительно устойчивого состояния теплового баланса, поскольку, несмотря на улучшение уровня радиационной теплопередачи кирпичам (огнеупорной) насадки, данное преимущество нейтрализуется необходимостью сохранения постоянной температуры дымовой трубы модели. Фактически, поскольку теплоемкость СО, содержащегося в рециркулированном отходящем газе, выше теплоемкости замещаемого им азота, общий результат заключается в том, что несколько большее количество энергии требуется для поддержания постоянной температуры купола и дутья. Тем не менее, замена дорогостоящего природного газа более дешевым источником топлива является достаточной для компенсирования как большего количества потребляемой энергии, так и стоимости расходуемого кислорода. Стоит отметить, что общие коэффициенты теплопередачи, рассчитанные с помощью модели, выше на 13,5% относительно сгорания воздуха-топлива поблизости от верха насадки, и даже при более низких температурах по направлению к основанию насадки общий коэффициент теплопередачи повышается приблизительно на 8,5%.
[0067] В варианте 2 с использованием кислорода улучшению условий теплопередачи способствует возможность температуры газа дымовой трубы вновь уравновеситься до более низкой температуры. Видно, что поскольку в насадке задерживается большее количество тепла, температура дымовой трубы падает приблизительно на 25°С. Результирующее действие заключается в том, что продолжительность цикла работы с газом может быть сокращена при сохранении такой же температуры дутья. Общий уровень потребляемой энергии при использовании 3 воздухонагревателей предельно снижается, однако температура и объем дутья сохраняются даже при более низком объеме газа в дымовой трубе. Это важный отличительный признак, который может быть использован при закупоривании воздухонагревателя.
[0068] В варианте 3 с использованием кислорода снижение температуры газа в дымовой трубе посредством повышения расхода тепла осуществляют до тех пор, пока не будет достигнута первоначальная температура газа в дымовой трубе в результате увеличения расхода тепла до тех пор, пока не будет восстановлена первоначальная температура газа в дымовой трубе. Очевидно, что расход тепла может быть повышен почти на 10%. Этого достаточно для повышения температуры дутья приблизительно на 13°С, достаточно для существенной экономии кокса в доменной печи.
[0069] Для того чтобы обеспечить доскональное понимание временных и пространственных колебаний температуры, скорости и концентрации, наблюдаемых во время полного цикла воздухонагревателя, наряду с динамическим тепловым балансом было использовано вычислительное гидродинамическое (CFD) моделирование. Некоторые релевантные результаты CFD моделирования представлены на фиг.7-9. Они показывают, что способ согласно настоящему изобретению может быть применен к подобным профилям пламени, получаемым во время традиционной работы воздухонагревателя доменной печи с кислородом в качестве окислителя и без рециркуляции отходящего газа. Поэтому может быть сделан вывод о том, что способ согласно настоящему изобретению может быть осуществлен со стабильным, видимым пламенем и без достижения пиковых температур пламени, способных повредить огнеупорное покрытие или насадку воздухонагревателя.
[0070] Обращаясь теперь к фиг.5, согласно предпочтительному варианту воплощения рециркулируют достаточное количество дымовых газов для того, чтобы существенно сохранять или увеличивать прохождение потока массы газа через огнеупорный материал в единицу времени.
[0071] Согласно альтернативному предпочтительному варианту воплощения рециркулируют достаточное количество дымовых газов для того, чтобы существенно сохранять или увеличивать передачу тепловой энергии через огнеупорный материал в единицу времени. При этом принимаются во внимание различные теплоемкости для различных инертных компонентов в дымовых газах. В данном случае также предпочтительно рециркулировать достаточное количество дымовых газов с тем, чтобы температура пламени по существу поддерживалась или понижалась.
2
2
2
2
[0072] Как также показано в таблице 3, содержание СО в отходящих газах, выводимых из воздухонагревателя 500, намного выше - 41% по сравнению с 23% при традиционном режиме работы. Стоимость единицы массы уловленного СО при использовании традиционных способов улавливания углерода существенно снижается по мере повышения концентрации СО с низких уровней до уровня, составляющего примерно 50-60%. Повышение концентрации за пределы данного уровня принесет небольшую выгоду. В результате стоимость стадии улавливания углерода при обработке отходящих газов воздухонагревателя может быть существенно снижена на единицу массы уловленного СО при использовании окислителя с высоким содержанием кислорода в соответствии с настоящим изобретением.
[0073] Согласно предпочтительному варианту воплощения имеющуюся традиционную воздушную горелку, которая использовалась ранее для нагревания существующего воздухонагревателя 500, на первоначальной стадии заменяют впускным отверстием 516 для топлива и впускным отверстием 513 для рециркулированных дымовых газов, после чего топливо сжигают при помощи вышеописанного окислителя с высоким содержанием кислорода. Для этого предпочтительно, чтобы окислитель был подвергнут предварительному смешиванию с рециркулированными дымовыми газами. В качестве альтернативы предпочтительно объединять такое предварительное смешивание с одной или несколькими фурмами, как описано выше.
[0074] Фиг.6 представляет собой общую иллюстрацию другого предпочтительного варианта воплощения настоящего изобретения, показывающую воздухонагреватель 600 доменной печи с камерой 601 сгорания, огнеупорным материалом 602, отверстием 606, трубопроводом 610 для рециркулированных дымовых газов, устройством 611 для рециркулирования, трубопроводом 616 для подачи топлива, устройством 617 для подачи топлива и впускным отверстием 618 для топлива.
[0075] Окислитель подают по трубопроводу 613 для подачи окислителя и через устройство 614 для подачи окислителя в фурму для окислителя, установленную таким образом, чтобы отверстие 615 фурмы находилось рядом с отверстием 612 для подачи рециркулируемых дымовых газов, поступающих из устройства 611 для рециркулирования. Фурма для окислителя предпочтительно расположена коаксиально с отверстием 612 для рециркулируемых дымовых газов. Так же, как в случае отверстия 416 коаксиальной фурмы, описанной в связи с фиг.4, такое смежное расположение, особенно коаксиальное, обеспечивает эффективный перенос рециркулируемых дымовых газов в зону горения под действием эжектора со стороны высокоскоростного окислителя, усиливая рециркуляцию дымовых газов в камере 601 сгорания. К тому же, отпадает необходимость установки отдельного проталкивающего механизма в устройстве 611 для рециркулирования, поскольку рециркулируемые дымовые газы ускоряются под действием эффекта эжекции отверстия 615.
[0076] Вариант воплощения, показанный на фиг.6, целесообразно сочетать с использованием дополнительной фурмы для окислителя, обеспечивающей поступление дополнительного количества окислителя на участок в зоне сгорания, расположенный на некотором расстоянии от отверстия 615, тем самым обеспечивая ступенчатое горение в зоне сгорания.
[0077] Как упомянуто выше, также предпочтительно, чтобы воздухонагреватель 300, 400, 500, 600 был соединен с соответствующей стадией 350, 450, 550, 650 по улавливанию углерода, которая может быть традиционной per se, отделяя диоксид углерода в дымовых газах, отводимых из воздухонагревателя, до попадания дымовых газов в окружающую среду.
[0078] Когда возраст воздухонагревателя доменной печи приближается к его ожидаемому сроку полезного использования, предпочтительно применять к воздухонагревателю один из описанных здесь вариантов воплощения или комбинацию нескольких из них.
[0079] В результате срок полезного использования воздухонагревателя может быть продлен, благодаря работе с более низкими температурами пламени при сохранении норм выработки относительно вдуваемого воздуха, лучшей экономии топлива и более низким уровням выбросов.
[0080] Таким образом, способ согласно настоящему изобретению позволит воздухонагревателю доменной печи работать только на низкосортном топливе, таком как доменный колошниковый газ, без необходимости придания топливу более высокой теплотворной способности и без риска, вызванного температурой повреждения воздухонагревателя, с получением отходящих газов, которые лучше подходят для улавливания углерода. Кроме того, он позволяет продлить срок полезного использования воздухонагревателя.
[0081] При достаточном уровне рециркулирования дымовых газов также может быть получено такое же количество и качество вдуваемого воздуха в имеющемся воздухонагревателе, который преобразовывают для работы с окислителем с высоким содержанием кислорода, при этом воздухонагреватель снабжают устройством для рециркуляции дымовых газов, описанным в связи с фиг.5 или 6. Выше были описаны предпочтительные варианты воплощения. Однако для специалиста очевидно, что описанные варианты воплощения могут быть подвергнуты многим модификациям без нарушения настоящего изобретения.
[0082] Например, любой из способов обеспечения рециркуляции дымовых газов, описанный в связи с фиг.4-6, может быть целесообразно дополнен одной или несколькими различными фурмами для окислителя, как описано в связи с фиг.3.
[0083] Более того, ускоряемые эффектом эжекции рециркулируемые дымовые газы, как описано в связи с фиг.6, могут быть целесообразно предварительно смешаны с некоторым количеством окислителя с высоким содержанием кислорода способом, подобным способу, описанному в связи с фиг.5.
[0084] Ускорение под действием эффекта эжекции предварительно смешанных или несмешанных рециркулируемых дымовых газов, как описано в связи с фиг.6, также может быть целесообразно скомбинировано с ускорением под действием эффекта эжекции низкосортного топлива, как описано в связи с фиг.4.
[0085] Тепло может быть возвращено из нерециркулируемых дымовых газов. Дополнительно или в качестве альтернативы дымовой газ может быть подвергнут улавливанию углерода.
[0086] Способ согласно настоящему изобретению может быть применен к доменным воздухонагревателям Калугина в качестве альтернативы воздухонагревателям, проиллюстрированным на чертежах.
[0087] Подразумевается, что описанные здесь варианты воплощения являются всего лишь иллюстративными и могут быть подвергнуты изменениям и модификациям специалистом в данной области техники без нарушения сущности и объема настоящего изобретения. Предполагается, что все такие изменения и модификации входят в объем настоящего изобретения, как раскрыто и заявлено в данном описании. Кроме того, все раскрытые варианты воплощения не обязательно являются альтернативными, поскольку различные варианты воплощения настоящего изобретения могут быть объединены для получения желаемого результата.