專利名稱：從熱氣體中回收能量的方法
一種從氣體中回收能量的方法，上述氣體具有高于650℃的溫度和大于1.7巴的絕對(duì)壓力，并包括固體和還未固化的含堿金屬的化合物和粒子二者。這種氣體是例如在最近開發(fā)的連續(xù)煉鐵和煉鋼法，如HI熔煉法中產(chǎn)生。
鋼是一種含低于約190碳和常見其它含金元素的鐵基合金。鋼目前是由高爐生鐵(“熱鐵水”)，DRI(直接還原的鐵)和廢鋼鐵制造。DRI，也叫做海綿鐵，通過鐵礦石的固態(tài)直接還原生產(chǎn)。
成批煉鋼的副產(chǎn)品焦?fàn)t、連續(xù)煉鐵的高爐及成批煉鋼爐的常規(guī)獨(dú)立單元操作在過去一百年里在鋼鐵工業(yè)中占主導(dǎo)地位。除了在所用設(shè)備的尺寸和效率方面的重要增加之外，在這段時(shí)間里只有兩個(gè)主要的變化無(wú)處不在的應(yīng)用工業(yè)氧豐富或取代工藝用風(fēng)，及使用經(jīng)過造塊、熱熔燒的高品位鐵精礦來(lái)補(bǔ)充或取代天然的大塊鐵礦石。
近年來(lái)，由于難以負(fù)擔(dān)的投資費(fèi)和操作費(fèi)的日益有力的使人信服的理由，及由于環(huán)境保護(hù)的需要，在連續(xù)煉鐵和煉鋼法的研究開發(fā)方面已有了急劇的增加。這種熔煉還原方法例如在US-A-5891214、US-A-5759495和US-A-5060913中已有介紹。煤基COREX連續(xù)煉鐵法在工業(yè)上操作，但它依賴于大塊富鐵給料和依賴于用來(lái)大量輸出它產(chǎn)生的煤氣的令人滿意的市場(chǎng)。目前，領(lǐng)先的初期連續(xù)法是例如稱之為HIsmelt、DIOS、和Romelt(商標(biāo))的方法。所有這些方法都致力于煉鐵，它們克服了高爐法的缺點(diǎn)。這些新方法是高強(qiáng)度、煤基、處理鐵礦粉的熔池熔煉方法。
供給到HIsmelt的氧主要是預(yù)熱到1200℃的空氣。鐵礦粉、煤和熔劑是用氮作為載氣底部噴吹式。穿過一個(gè)爐頂風(fēng)口噴射一種高速、高質(zhì)量流、熱鼓風(fēng)。熔池高度湍動(dòng)，而且所產(chǎn)生的金屬和爐渣在外部分離。比較短的、水平熔煉爐橫斷面是圓形。它的廢氣轉(zhuǎn)到一個(gè)循環(huán)流化床，以便在下游進(jìn)一步使用之前捕集夾帶的液滴和粉塵。DIOS法包括一個(gè)循環(huán)流化床，預(yù)還原爐，上述預(yù)還原爐連接到類似于高L-D氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐的熔煉爐上。爐料由部分還原的細(xì)鐵礦、煤、氧和熔劑組成。爐子采用氮進(jìn)行底部攪動(dòng)式，并且在2個(gè)大氣壓計(jì)下操作。Romelt法應(yīng)用埋入式噴吹富氧空氣，用于熔煉鐵礦粉，所述鐵礦物與煤一起直接加入一個(gè)大體積、猛烈噴濺流體的渣池中。
上述各方法將產(chǎn)生很大體積的熱氣體，所述熱氣體含有一氧化碳、氫、粉塵和各種化合物，它們本來(lái)就在鐵礦石和煤中存在。這些污染物的例子是堿金屬的化合物如鈉和鉀的化合物。這些化合物在高于775℃的溫度下是液態(tài)或氣態(tài)。在較低的溫度下，這些堿金屬化合物將冷凝，并且隨后固化到工藝設(shè)備的表面和氣體中存在的粉塵粒子上。堿金屬化合物可以例如以NaCl、KCI、Na2CO3和K2CO3的形式固化。這種冷凝和固態(tài)鹽的形成使它難以正好簡(jiǎn)單地冷卻氣體和回收熱量。處理熱氣體的方法是通過在蒸發(fā)水的情況下冷卻。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，在堿金屬化合物可能造成任何下游工藝設(shè)備的任何結(jié)垢之前，把堿金屬化合物作為一種水溶液回收。缺點(diǎn)是也含有粉塵和可能的煤粒子的水溶液必須在它能處置到環(huán)境中之前進(jìn)行處理。另外這種方法不是回收熱氣體中能量的有效方法。
因此需要有一種方法，其中熱氣體的溫度可以大大降低，而同時(shí)減少與堿金屬化合物固化作用有關(guān)的問題。本發(fā)明提供了一種方法，其中克服了上述問題，并且能量以一種更有效的方式回收。
下面的方法達(dá)到了這個(gè)目的。方法通過實(shí)施下面步驟回收一種氣體中的能量，所述氣體具有高于650℃的溫度和大于1.7巴的絕對(duì)壓力，并包括含不固化的堿金屬化合物和粒子(a)利用一種管殼式換熱器將氣體冷卻到低于550℃的溫度，其中熱氣體在殼體側(cè)處通過，而冷卻水在管側(cè)處通過，其中形成蒸汽，從上述蒸汽中回收能量，(b)利用一個(gè)或多個(gè)按順序安裝的離心分離裝置將粒子與氣體分開，以使粉塵含量低于400mg/Nm3，(c)使氣體在膨脹器中膨脹以便回收能量。
在步驟(a)中所用的熱氣體將具有一高于650℃，特別是高于800℃的溫度。上限溫度可以是1000℃。熱氣體的壓力將高于1.7巴，和更優(yōu)選的是高于1.9巴絕對(duì)壓力(bara)。這個(gè)最小壓力要求在步驟(c)中達(dá)到足夠的能量回收。絕對(duì)壓力可以高達(dá)40bara。熱氣體將含有固體粒子。當(dāng)熱氣體是在如上所述的連續(xù)煉鐵法中得到時(shí)，這些固體粒子可以例如是煙垢和灰分。本方法最適合于從一種包括大于0.5g/Nm3粒子的熱氣體開始使用。優(yōu)選的是熱氣體含有大于5g/Nm3粒子。這對(duì)達(dá)到流過(a)步驟的管殼式換熱器的氣體最小自動(dòng)凈化作用是有利的。對(duì)熱氣體中存在的粒子量沒有實(shí)際的上限。如在上述涉及連續(xù)煉鐵法中所得到的合適熱氣體通常具有粒子含量低于100g/Nm3。
熱氣體將還包括堿金屬化合物。不固化的堿金屬的典型例子是鈉和鉀。鈉含量?jī)?yōu)選的是在0.02-0.08體積％之間，而鉀含量?jī)?yōu)選的是在0.02-0.1體積％之間。如果熱氣體是在不完全燃燒的條件下得到，則熱氣體還含有一氧化碳和氫。一氧化碳的含量可以是占熱氣體的10和30體積％之間。氫含量可以是在5和15體積％之間。具有上述組成的熱氣體的例子是如上述涉及熔煉還原法、象例如COREX法、HIsmelt法、DIOS法、和Romelt法中所得到的煙道氣。
現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，通過使用步驟(a)的管殼式換熱器，足夠的溫度降低是可能的，而同時(shí)由于堿金屬化合物的固化作用，避免了換熱器的結(jié)垢。由于氣體在換熱器的殼體側(cè)處流動(dòng)，所以盡可能多地避免結(jié)垢。管殼式換熱器優(yōu)選的是設(shè)計(jì)成具有比較大的換熱表面。在使用中氣體將以一個(gè)比較低的氣體速度流過換熱器的殼體側(cè)?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，一部分結(jié)垢通過來(lái)自熱氣體中存在的粒子的自動(dòng)凈化能力從換熱器的表面除去。不過預(yù)料到某些結(jié)垢還存在，并因此換熱管的表面將必需通過優(yōu)選的是用機(jī)械振動(dòng)器凈化。這類振動(dòng)器的實(shí)例已在DE-A-2710153和EP-A-254379中作了介紹。
優(yōu)選的管殼式換熱器包括一個(gè)膜壁，所述膜壁具有例如一種管狀或矩形象盒子一樣的形狀。膜壁優(yōu)選的是設(shè)置在一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的容器中。膜壁的管件優(yōu)選的是平行于上述壁細(xì)長(zhǎng)的側(cè)邊延伸。細(xì)長(zhǎng)的膜壁是在無(wú)論哪一側(cè)處開口，供氣體進(jìn)入和離開由上述膜壁所包圍的空間的內(nèi)部部分。這個(gè)內(nèi)部空間設(shè)置多個(gè)換熱管。這些換熱管在它們的外部處以成組的方式相互連接，并這樣設(shè)置在上述內(nèi)部空間中，以便存在多個(gè)用于熱氣體通路的通道。這些通路優(yōu)選的是平行于膜壁的細(xì)長(zhǎng)壁延伸。例如，當(dāng)用一種管狀膜壁時(shí)，各內(nèi)部管可以安裝在多個(gè)由成組螺旋管所形成的同心管狀體中。一個(gè)管狀體組中的各管可以合適地相互連接。用于熱氣體的通路將是上述各管的管狀體組之間的環(huán)形空間。當(dāng)使用細(xì)長(zhǎng)的矩形象盒子一樣的膜壁時(shí)，各組相互連接的管可以是平行設(shè)置在象盒子一樣空間中的平管壁。因而用于熱氣體的通路將具有一細(xì)長(zhǎng)的象盒子一樣的形狀。優(yōu)選的是每組管和膜壁都設(shè)置一個(gè)獨(dú)立的振動(dòng)器裝置。由于每個(gè)單獨(dú)管組的各管都是相互連接，所以可以限制凈化每組的振動(dòng)器裝置數(shù)。
冷卻水優(yōu)選的是逆流穿過不同組中各管流動(dòng)和穿過各膜壁管流動(dòng)，該冷卻水與熱氣體一起流動(dòng)。也可以用若干組管來(lái)進(jìn)一步加熱飽和蒸汽，以便得到過熱蒸汽。
可以在步驟(a)中找到應(yīng)用的一些合適換熱器的例子已在EP-A-342767中作了介紹。更優(yōu)選的是采用一種換熱器，其中上面涉及的各氣體通路以這種方式安排，以便在運(yùn)行時(shí)，使流過上述氣體通路的氣體速度保持基本上恒定不變。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，只有一個(gè)小的氣體速度范圍，在所述小氣體速度范圍中氣體一方面具有足夠的自動(dòng)凈化作用來(lái)減少結(jié)垢，而另一方面具有最小的設(shè)備腐蝕作用。通過在下游方向上減小換熱器中氣體通路的截面積，可以在上述通路中保持基本上恒定不變的氣體速度。具有這種減小了氣體通路的一種優(yōu)選換熱器的例子在EP-A-722999中已作了介紹，其公布內(nèi)容已包括在本文中作為參考。
在步驟(a)中，把溫度降到一個(gè)低于550℃和優(yōu)選的是低于520℃的溫度。由于在這些低溫下大多數(shù)不固化的堿金屬化合物作為固體存在，所以不必將溫度降到很低的水平。從能量回收的觀點(diǎn)來(lái)看，優(yōu)選的是氣體離開步驟(a)時(shí)的溫度為至少500℃。可以用一汽輪機(jī)從蒸汽或任選地過熱蒸汽中回收能量。
在步驟(b)中，可以用一個(gè)或多個(gè)按順序安裝的離心分離裝置，將固體粒子從氣體中除去，以便使粉塵含量低于400mg/Nm3。這些固體粒子將包括固化的堿金屬化合物和熱氣體中原本存在的粉塵。如在步驟(b)中所得到的氣體中粉塵含量?jī)?yōu)選的是低于350mg/Nm3，而更優(yōu)選的是低于280mg/Nm3。除了這個(gè)要求之外，粗粉塵亦即平均直徑大于10微米的粒子的量?jī)?yōu)選的是低于5mg/Nm3，而更優(yōu)選的是低于2mg/Nm3。粉塵含量在步驟(a)中必需降低，以防如在步驟(c)中所用的膨脹汽輪機(jī)腐蝕。
在步驟(b)中優(yōu)選使用的離心分離器可以是任何已知的分離器，上述已知的分離器利用離心力使固體與氣體分離，并要求把粉塵的含量降到所希望的水平。優(yōu)選的是在步驟(b)中分離是用一種旋風(fēng)除塵分離器進(jìn)行，更優(yōu)選的是用一種所謂的軸向入口旋風(fēng)除塵器進(jìn)行。這種旋風(fēng)除塵器包括兩個(gè)同心管，內(nèi)管用作一個(gè)氣體出口和渦流定向器，而外管用作渦流室，其中粒子保持離心力貼著壁并遠(yuǎn)離渦流。利用位于內(nèi)管和外管之間的旋流葉片把切向速度賦予氣體進(jìn)料。內(nèi)管部分地從上面突出外管。固體在外管的下端處除去。優(yōu)選的是分離器包括多個(gè)這樣的管，所述這些管并聯(lián)工作。這些分離器的一些實(shí)例是眾所周知的，并且在例如GB-A-1411136中已作了介紹。一個(gè)工業(yè)實(shí)例是如例如在HydrocarhonProcessing(碳?xì)浠衔锛庸?，1985年1月51-54頁(yè)中所說(shuō)明的殼式第三級(jí)分離器。這些分離器的變動(dòng)如Perry在圖20.98中的一個(gè)圖所示(見下面)。如果在離開步驟(a)的熱氣體中粒子的含量高于1g/Nm3和特別是高于10g/Nm3，則優(yōu)選的是在將氣體送入如上所述的分離器之前進(jìn)行預(yù)分離。這種初步分離優(yōu)選的是利用一種標(biāo)準(zhǔn)切向入口旋風(fēng)除塵器進(jìn)行，上述切向入口旋風(fēng)除塵器象例如在Perry的化學(xué)工程師手冊(cè)，第5版，1973，McGraw-Hill Inc.，20-83-20-85頁(yè)中所介紹的。粒子的含量?jī)?yōu)選的是降到低于1g/Nm3。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，將其中一部分或全部比較粗的粒子再循環(huán)到方法中，特別是再循環(huán)到上述熔煉還原法中，上述比較粗的粒子可以包括可燃性材料，并且它們?cè)谏鲜霾襟E(b)的初步分離中與氣體分開，而上述方法產(chǎn)生熱氣體。較小的粒子，如例如用殼式第三級(jí)分離器在步驟(b)的最后分離步驟中所分離的，將含有比粗粒子多的堿金屬沉積物。有利的是這些較小粒子不再循環(huán)到上述方法。因此得到一種方法，其中不會(huì)發(fā)生堿金屬化合物的累積，而同時(shí)由該方法在步驟(b)中所產(chǎn)生的凈固體量減至最少。
在步驟(c)中，氣流進(jìn)入一個(gè)動(dòng)力回收膨脹器并減壓，同時(shí)將從氣流回收的能量用于有用的工作如驅(qū)動(dòng)一個(gè)壓縮機(jī)或發(fā)電。通常應(yīng)用一個(gè)旁路系統(tǒng)以防膨脹器的速度過大，上述旁路系統(tǒng)使氣流繞動(dòng)力回收膨脹器轉(zhuǎn)向。這些系統(tǒng)在例如US-A-777486和US-A-3855788中已作了介紹。為實(shí)施本發(fā)明所要求的動(dòng)力回收膨脹器和別的設(shè)備不是專用的，而是市場(chǎng)上可買到的。
如果按照本發(fā)明所述方法的進(jìn)料氣體是一氧化碳，則優(yōu)選的是實(shí)施一個(gè)附加步驟(d)。步驟(d)包括將一氧化碳燃燒成二氧化碳。含CO氣體的燃燒通常是在所控制的條件下，于一個(gè)獨(dú)立的所謂CO鍋爐或燃燒裝置中進(jìn)行，上述CO鍋爐或燃燒裝置充以空氣并連續(xù)地供給含CO的氣體。CO鍋爐可以裝配成接收至少一種別的燃料，所述至少一種別的燃料在起動(dòng)時(shí)使用，或者更普遍的是補(bǔ)充煙道氣的燃料值。這些方法是眾所周知的。另一些例子在US-A-2753925中已作了介紹，其中在產(chǎn)生高壓蒸汽時(shí)應(yīng)用從含CO氣體燃燒中所放出的熱能。


圖1示出本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。圖1示出一種熔煉還原法反應(yīng)器(1)，煤、鐵礦石(2)和含氧氣體(3)送入上述反應(yīng)器(1)中。鐵通過(4)回收，并產(chǎn)生一種煙道氣(5)。熱的煙道氣通過架空管道(5)和通過一個(gè)管殼式換熱器(6)、一個(gè)粗加工旋風(fēng)除塵器(7)導(dǎo)入容器(8)，所述容器(8)包括多個(gè)軸向入口的旋風(fēng)除塵分離器(9)。在熱交換器(6)中，產(chǎn)生蒸汽并通過(10)排放到能量回收設(shè)施，所述能量回收設(shè)施可以是一種汽輪機(jī)。把在粗加工旋風(fēng)除塵器(7)中分離出來(lái)的粒子通過(11)再循環(huán)到反應(yīng)器(1)中。在容器(8)中分離出來(lái)的細(xì)的含堿金屬化合物的粒子通過(12)排放。將固體稀少的熱氣體送入膨脹器(13)以便產(chǎn)生能量(E)。將包括一氧化碳的氣體送入一個(gè)CO鍋爐(14)，其中能量(E)在(15)中回收。
權(quán)利要求
1.一種從氣體回收能量的方法，所述氣體具有一高于650℃的溫度和大于1.7巴的絕對(duì)壓力，并包括不固化的含堿金屬的化合物和粒子，上述方法通過實(shí)施下列步驟(a)用一種管殼式換熱器將氣體冷卻到一個(gè)低于550℃的溫度，其中，熱氣體在殼體側(cè)通過，而冷卻水在管側(cè)通過，其中形成蒸汽，從所述蒸汽中回收能量，(b)利用一個(gè)或多個(gè)按順序安裝的離心分離裝置將粒子與氣體分離開，以使粉塵含量低于400mg/Nm3，(c)在一個(gè)膨脹器中使氣體膨脹，以回收能量。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中，在步驟(a)中所用的熱氣體具有一高于800℃的溫度。
3.按照權(quán)利要求1-2其中之一所述的方法，其中，熱氣體包括高于0.5g/Nm3的粒子。
4.按照權(quán)利要求3所述的方法，其中，熱氣體含有高于5g/Nm3的粒子。
5.按照權(quán)利要求1-4其中之一所述的方法，其中，熱氣體含有在0.02-0.08體積％之間的鈉和在0.02-0.1體積％之間的鉀。
6.按照權(quán)利要求1-5其中之一所述的方法，其中，在熱氣體中一氧化碳的含量在10和30體積％之間，上述熱氣體中的氫含量在5和15體積％之間。
7.按照權(quán)利要求1-6其中之一所述的方法，其中，在步驟(a)中的殼管式換熱器包括一個(gè)膜壁，所述膜壁設(shè)置在一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的容器中，上述細(xì)長(zhǎng)的膜壁在無(wú)論哪一側(cè)處開口，供氣體進(jìn)入和離開由上述膜壁所包圍的空間內(nèi)部部分，所述內(nèi)部空間設(shè)置多個(gè)換熱管，上述換熱管在它們的外部以成組的方式相互連接，并設(shè)置在上述內(nèi)部空間中，以便存在多個(gè)用于熱氣體通路的通道，上述各通路平行于膜壁的細(xì)長(zhǎng)壁延伸。
8.按照權(quán)利要求7所述的方法，其中每組管和膜壁都設(shè)置有一個(gè)獨(dú)立的振動(dòng)器裝置。
9.按照權(quán)利要求7-8其中之一所述的方法，其中冷卻水穿過不同組的各管逆流流動(dòng)，和用熱氣體穿過膜壁的各管流動(dòng)。
10.按照權(quán)利要求7-9其中之一所述的方法，其中氣體通路以這種方式安排，以便在運(yùn)行時(shí)，流過上述氣體通路的氣體速度保持基本上恒定不變。
11.按照權(quán)利要求1-10其中之一所述的方法，其中溫度在步驟(a)中降到在500到520℃之間的一個(gè)溫度。
12.按照權(quán)利要求1-11其中之一所述的方法，其中如在步驟(b)中所得到的氣體中粉塵含量低于280mg/Nm3。
13.按照權(quán)利要求1-12其中之一所述的方法，其中如在步驟(b)中所得到的氣體中具有平均直徑大于10微米的粒子含量低于5mg/Nm3。
14.按照權(quán)利要求1-13其中之一所述的方法，其中在步驟(b)中的分離是利用一個(gè)軸向入口式旋風(fēng)除塵器進(jìn)行。
15.按照權(quán)利要求14所述的方法，其中如果在離開步驟(a)的熱氣體中粒子的含量大于1g/Nm3，則在步驟(b)中進(jìn)行預(yù)分離，及其中上述預(yù)分離在一個(gè)切向入口旋風(fēng)除塵分離器中進(jìn)行。
16.按照權(quán)利要求15所述的方法，其中熱氣體是在熔煉還原法中得到，并且在上述預(yù)分離中所分離出來(lái)的物料再循環(huán)到上述熔煉還原法中。
17.按照權(quán)利要求1-16其中之一所述的方法，其中當(dāng)如在步驟(c)中所得到的氣體包括一氧化碳和氫時(shí)，實(shí)施一個(gè)步驟(d)，上述步驟(d)包括將一氧化碳燃燒成二氧化碳。
18.按照權(quán)利要求1-17其中之一所述的方法，其中熱氣體是從一種用來(lái)連續(xù)制鋼的熔煉還原法中得到。
全文摘要
從一種氣體中回收能量的方法，所述氣體具有一高于650℃的溫度和大于1.7巴的絕對(duì)壓力，并包括不固化的堿金屬化合物和粒子，上述方法通過實(shí)施下列步驟(a)用一種殼管式換熱器(6)將氣體冷卻到一個(gè)低于550℃的溫度，其中熱氣體在殼體側(cè)處通過，而冷卻水在管側(cè)處通過，其中形成蒸汽，從所述蒸汽中回收能量，(b)利用一個(gè)或多個(gè)按順序安裝的離心分離裝置(7、8)將粒子與氣體分離開，以使粉塵含量低于400mg/Nm
文檔編號(hào)F23J15/06GK1541132SQ02815717
公開日2004年10月27日 申請(qǐng)日期2002年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月10日
發(fā)明者許貝特斯·W·A·德利斯, 安德烈亞斯·?？? 埃弗特·韋斯克, 韋斯克, 亞斯 ?？? 許貝特斯 W A 德利斯 申請(qǐng)人:國(guó)際殼牌研究有限公司