CN102203298B - 用于运行熔化还原工艺的方法和装置 - Google Patents

Abstract

用于熔化还原工艺运行的方法和装置，其中至少一部分来自高炉（1）或还原设备（R1）的输出气体在燃气轮机中热利用并且在废热蒸汽发生器（16）中利用这个燃气轮机（24）的废气用于产生蒸汽。保留的部分输出气体输送到用于分离二氧化碳的装置（8），其中将在此产生的尾气输送到废热蒸汽发生器（16）并且为了附加地产生蒸汽而燃烧。通过本发明使可燃烧的尾气部分输送到蒸汽发生器中热利用，由此总体上改善热输出气体利用的能量平衡。此外通过用于分离二氧化碳的装置（8）在品质上改善另一部分输出气体，由此产生高值还原气体，它可以输送到金属冶金利用。

Description

用于运行熔化还原工艺的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于运行熔化还原工艺的方法，尤其具有高炉或具有熔化设备和至少一个还原设备，其中炉料在使用碳载体和可能的助燃剂的条件下利用还原气体还原并且熔化成生铁或钢初产品，并且使转换的还原气体作为炉顶气排出并且净化作为输出气体送出。

本发明还涉及用于运行熔化还原工艺的装置，具有高炉或者具有熔化设备和至少一个还原设备，其中炉料在使用碳载体和可能的助燃剂的条件下利用还原气体还原并且可以熔化成生铁或钢初产品，并且使转换的还原气体作为炉顶气排出并且净化，必要时与净化的且冷却的来自熔化设备的多余气体混合后，作为输出气体送出。

背景技术

由现有技术已知，在其它工艺和设备中处理工艺气体例如来自熔化还原装置的炉顶气或剩余气体的混合物，其中经常利用炉顶气的热的和化学的能量。问题是波动的气体成分和在清洗系统后面的低的输出气体压力，它们难以有效地处理输出气体。此外已知，将输出气体或纯炉顶气加入到用于产生动能（膨胀涡轮机）和热量（燃气轮机）的涡轮机中。在这里也存在问题，输出气体由于低压力、在混合来自去二氧化碳设备的剩余气体以后的低热值和热值波动只能不利地在燃气轮机或燃气和蒸汽发电机中使用。

例如由EP 488 429 A2，EP 269 609 A1和EP 388 395 A1给出方法，在这些方法中来自熔化气化器的输出气体或气体用于在燃气轮机中热利用或者用于在蒸汽轮机中产生蒸汽。

发明内容

因此本发明的目的是，提供一种方法和装置供使用，它起到这样的作用，以熔化还原工艺与利用输出气体之间的组合例如通过燃气轮机或燃气和蒸汽发电机，更好地且更有效地利用工艺气体和总体改善能量平衡。

这个目的通过按照本发明的如权利要求1所述的方法并通过如权利要求17所述的装置得以实现。

通过按照本发明的方法在燃气轮机中热利用至少一部分输出气体。在废热蒸汽发生器中为了产生蒸汽利用这个燃气轮机的废气。另一部分输出气体输送到用于分离二氧化碳的装置和/或低压输出气体系统，其中将在此产生的尾气、即通过分离二氧化碳产生的剩余气体输送到废热蒸汽发生器并且为了附加地产生蒸汽而燃烧。由此一方面通过用于分离二氧化碳的装置在品质上改善输出气体，在此提高其还原能力、即其还原组分的分量，或者产生高值的还原气体，它可以输送到金属冶金利用。另一方面，可燃烧的尾气分量输送到热利用，由此改善能量平衡。在此有利的是，与尾气分开地处理输出气体，它具有更高的压力和更大的可燃烧组分比例。由此不会由于尾气降低在燃气轮机中燃烧的输出气体的质量，由此避免费事的提高压力或者避免在燃气轮机中更少的获取能量。尤其是现在燃烧值波动对于燃气轮机不再是有问题的，这种波动由工艺引起的在尾气中在用于分离二氧化碳的装置中、尤其在利用吸附工艺使用二氧化碳分离时是不能避免的。燃气轮机的有效运行的前提是，具有尽可能均匀的燃烧值的燃烧气体，由此通过单独处理尾气只在燃气轮机中产生优点。

因为来自熔化气化器的还原气体量是不均匀的，因此必需将调整气体量、所谓的多余气体作为输出气体排出。根据在还原设备中必需的尽可能均匀的还原气体量和在熔化设备中的系统压力调节得到多余气体量。

按照本发明的方法的有利扩展结构从高炉或从还原设备提取炉顶气。除了在二氧化碳分离中使用分流以外，将输出气体输送到燃气轮机并因此可以明显改善由熔化还原工艺与燃气轮机或废热蒸汽发生器组成的组合的能量平衡。

利用干式分离器、尤其重力分离器和/或湿式分离器实现炉顶气的净化。炉顶气大多载有粉尘，由此必需分离粉尘和细的固体颗粒。在此干式分离器的优点是，不会使炉顶气剧烈冷却。在对气体质量提出非常高的要求时可以通过湿式除尘器尽可能完全去除粉尘和固体颗粒，其中使湿式除尘器后置于干式除尘器或者也可以单独使用。通过湿式除尘器使炉顶气剧烈冷却。干的或湿的净化的炉顶气称为输出气体并且现在可以输送到在涡轮机中使用。

按照本发明首先压缩、冷却输出气体的保留部分，然后输送到用于分离二氧化碳的装置。通过提高压力和冷却可以匹配或改善用于分离二氧化碳的工艺条件。

按照本发明方法的特殊扩展结构在燃气轮机中燃烧之前在燃气压缩机中压缩输出气体。由此可以在经济上最佳的工作点上调节燃气轮机并且提高效率。

按照本发明方法的适合的扩展结构使一部分输出气体输送到膨胀涡轮机，其中输出气体在压力下降的条件下膨胀并接着与尾气混合。通过这个措施例如可以在过量供应输出气体时，因为燃气轮机不再可以处理，首先利用压力能，其中输出气体膨胀。涡轮机可以与用于产生电流的发电机耦联。接着使膨胀的输出气体与尾气混合，其中总体增加可燃烧组分的比例。

按照本发明方法的有利扩展结构规定，使尾气、必要时在与输出气体混合后在其在废热蒸汽发生器中燃烧之前中间储存在储存装置中，用于平衡热值波动。用于分离二氧化碳的装置由工艺引起地产生尾气，它具有极其不同的热值，其中产生高频率的波动，即，在时间上只非常短地发生并且在较长的时间空间上尽可能可靠地平衡。因此通过在中间储存器中的平衡可以调节几乎相同的燃烧值并且避免在燃烧时的剧烈波动。通过混合输出气体到尾气中可以进一步匹配燃烧值。

按照本发明方法的适合扩展结构使输出气体在其在燃气轮机中燃烧之前除尘。通过附加的除尘可以保证，通过除尘不会在涡轮机中引起损伤。

按照本发明方法的另一可能的扩展结构为了平衡热值波动或者为了匹配输出气体中的热值在其在燃气轮机中燃烧之前添加冶金气体和/或天然气和/或氮气和/或水蒸汽或其混合物。燃气轮机对于稳定的运行必需尽可能均匀的热功率和均匀的热值。由于在熔化还原工艺运行时的波动导致成分的变化，由此通过按照本发明的加入冶金气体、例如熔炉气或焦化气（它在冶金时以足够的量供使用）或其它适合的、可燃烧的气体在需要时可以提高热值或者通过添加氮气可以降低热值，由此可以保证对于燃气轮机的稳定条件。使用来自空气分离设备的废氮气是特别经济的。

按照本发明方法的特殊扩展结构使输出气体在其在涡轮机中燃烧之前在缓冲装置中缓冲，用于保证均匀的输出气体量。通过所述的措施可以保证燃气轮机的非常稳定的运行。

按照本发明方法的特殊扩展结构将在废热蒸汽发生器中产生的蒸汽输送到蒸汽轮机。通过利用在废热蒸汽发生器中形成的蒸汽可以明显提高工艺效率。

按照本发明方法的特殊扩展结构规定，用于分离二氧化碳的装置以压力-交换工艺或真空-压力交换工艺为基础、尤其按照吸附原理工作。这种方法的特征在于高的分离率，由此使纯净的输出气体具有高的还原能力并且可以重新在熔化还原工艺中利用，由此能够减少每吨生铁产生的二氧化碳量。

按照本发明方法的有利扩展结构规定，只输送平均热值>4000kJ/Nm³、尤其>5000kJ/Nm³的输出气体到燃气轮机。通过控制输出气体燃烧值可以保证，使燃气轮机达到高效率，其中除尘器、缓冲装置、燃烧气体压缩机可以具有更小的尺寸，因为太低燃烧值的输出气体不通过这些装置输送到涡轮机。由此得到成本有利的零部件包括燃气轮机。此外通过否则必需的压缩富含二氧化碳的尾气并接着在燃气轮机中膨胀避免能耗。

按照本发明方法的另一有利的扩展结构在线地确定输出气体的热值。通过在线执行确定热值能够持续地调节热值、尤其通过混合可燃烧的气体或氮气，由此能够使燃气轮机更加稳定地运行。

按照本发明方法的特殊扩展结构使输送到燃气轮机的输出气体比例是炉顶气的30%至90%。以这个量为基础一方面能够利用输出气体的可燃烧组分，而且还可以输送足够的输出气体到用于分离二氧化碳的装置，由此能够在熔化还原工艺中充分利用。在需要时也可以匹配比例，例如要回输更多输出气体到熔化还原工艺中的时候。

按照本发明方法的特别有利的扩展结构是，所述高炉以含氧气体、尤其以>70%的氧气含量、特别优选>80%的氧气含量运行。通过以几乎纯氧运行提高还原时的工艺气体质量并且也提高尾气的质量，由此出现更大比例的可还原或可燃烧的组分。由此可以改善在高炉中的熔化还原工艺和输出气体的热利用。

按照本发明方法的适合扩展结构规定，至少一部分在用于分离二氧化碳的装置中净化的输出气体、必要时在加热后加入到高炉或还原设备中。通过f这种方式净化的输出气体具有高的还原能力并因此可以重新用于还原炉料，由此例如可以减少在高炉中或在还原设备中的碳载体量。在此常见的炉料是铁矿石、团聚的铁矿石载体（粒状物、烧结物）、铁矿石浓缩物和附加的碳载体和助燃剂。

按照本发明方法的有利扩展结构至少一部分尾气或尾气混合物在添加空气和/或氧气的条件下在加热装置中燃烧，其中利用废热，用于在输出气体输入到高炉中之前加热净化的输出气体。由此可以成本有利地加热输出气体，用于调节对于加入必需的气体温度。

按照本发明的用于使按照本发明的熔化还原工艺运行的装置具有高炉，或者熔化设备和至少一个还原设备，其中炉料在使用碳载体和可能的助燃剂的条件下利用还原气体还原并且熔化成生铁或钢初产品。使在熔化还原工艺中转换的还原气体作为炉顶气排出并且净化、必要时与来自熔化设备的净化的且冷却的多余气体混合作为输出气体送出。此外，设有燃气轮机与发电机，用于热转换至少一部分输出气体，并且设有废热蒸汽发生器，在其中利用来自燃气轮机的热废气可以产生蒸汽。按照本发明的装置具有用于分离二氧化碳的装置，至少一部分保留的输出气体可以输送到该装置，在形成净化了二氧化碳的气体和尾气的条件下，并且设有储存装置，用于接收并平衡尾气中的热值波动，其中该储存装置与废热蒸汽发生器连接，它具有用于燃烧尾气的加热装置，用于形成蒸汽。通过按照本发明的装置可以使具有高压力和高燃烧值的输出气体与具有低压力和较低燃烧值的尾气分开地处理。由此尽管高值输出气体量较少，但是其特征在于更高的压力和更高的燃烧值，由此可以有效地实现其在燃气轮机中的充分利用。通过在废热蒸汽发生器的加热装置中单独燃烧尾气可以充分利用尾气中的可燃烧组分的能量。

按照本发明装置的可能变化设有蒸汽轮机与发电机，用于使在废热蒸汽发生器中产生的蒸汽膨胀。通过利用来自燃气轮机的热废气的废热和来自燃烧尾气的废热可以提高工艺的能量效率，其中蒸汽轮机通过与发电机耦联可以用于产生电流。

为了净化炉顶气可以设有干式分离装置、尤其是重力分离器和/或湿式分离装置。由此可以调节所需的输出气体纯度，其中干式分离器具有只略微冷却炉顶气的优点。

按照本发明装置的另一扩展结构设有用于储存在其输送到燃气轮机之前的输出气体的缓冲装置，由此可以均匀地保持输送到燃气轮机的输出气体量或输出气体热值。

按照本发明装置的特别有利的扩展结构所述缓冲装置具有用于测量输出气体热值的测量装置，其中以测量为基础为了匹配热值可以输送冶金气体和/或天然气和/或氮气和/或水蒸汽。通过在线测量可以调节热值或输出气体量，其中利用调节环节、例如调节阀可以调节输出气体量或混合的冶金气体量和/或氮气量。

按照本发明装置的另一有利扩展结构设有过滤器、尤其是电子过滤器，用于在输出气体输送到燃气轮机之前净化输出气体。这个细过滤器、必要时在前置的尾气粉尘过滤器后面保证，避免燃气轮机的磨损的或机械的负荷并且也分离最细的粉尘。

按照本发明装置的有利扩展结构规定，设有用于提高压力的压缩机和/或用于冷却在输出气体输送到用于分离二氧化碳的装置之前保留的部分输出气体的冷却器。这是必需的，用于通过相应地匹配温度和压力能够实现用于分离二氧化碳装置和接着利用还原气体的最佳运行。

按照本发明装置的可能的扩展结构设有燃气压缩机，用于在输出气体输送到燃气轮机之前压缩输出气体。由此可以通过与燃气轮机相协调的压力水平实现燃气轮机供料。

按照本发明装置的特殊扩展结构设有利用输出气体压力能的膨胀涡轮机，其中膨胀的输出气体可以通过管道输送到储存装置。因此，在输出气体在储存装置中与尾气混合之前，可以首先利用压力能。膨胀涡轮机可以与用于产生电流的发电机耦联。

按照本发明装置的特殊扩展结构规定，设有以尾气加热的预热装置，用于加热净化了二氧化碳的输出气体，由此可以将加热的、净化的输出气体输送到高炉。通过在加热装置中燃烧尾气能够成本有利地实现，在输出气体回输到高炉之前加热净化的输出气体。

附图说明

图1示出熔化还原工艺的工艺图，具有以氧气运行的高炉，

图2示出熔化还原工艺的工艺图，具有按照COREX ® （块状矿石）或FINEX®（细矿石）的熔化还原设备。

具体实施方式

图1示出高炉1，它通过环形管道2供给氧气。炉顶气通过炉顶气管道3输送到干式分离装置4并且必要时也输送到湿式分离装置5，其中从以粉尘加载的炉顶气产生输出气体，它通过管道6排出。利用到分离二氧化碳的装置8的管道7将一部分输出气体利用压缩机9和冷却器10输送到用于分离二氧化碳的装置8，其中形成二氧化碳净化的输出气体（也称为回收气体）和尾气，它们通过回收气体管道11或尾气管道12和13排出。该尾气管道13通到用于接收尾气的储存装置14，其中在储存的尾气中形成热值平衡。利用尾气管道15a，15b现在可以将原先储存的尾气输送到废热蒸汽发生器16。在这里通过燃烧尾气产生蒸汽，它驱动蒸汽轮机17和产生电流的发电机18。

在按照本发明方法的特殊运行方式中尾气也可以用于加热回收的输出气体，其中尾气输送到预热装置19，在其中燃烧尾气并且加热回收气体，然后将加热的回收气体通过管道20加入到高炉1中。在此也可以绕开预热装置并且使回收气体通过管道20a直接导入到高炉中。

除了使用输出气体加工回收气体以外，输出气体主要用于作为能量载体，其中可以充分利用化学能量和压力能量。输出气体输送到缓冲装置21和过滤器22。在这里一方面调节尽可能均匀的输出气体量和调节尽可能均匀的热值，其中通过添加冶金气体或氮气调节热值。为此在缓冲装置中在线地测量输出气体的热值并且通过添加冶金气体或天然气提高热值或者通过添加氮气或水蒸汽降低热值。

这样处理的输出气体通过燃烧气体压缩机23添加到燃气轮机24的燃烧室，燃气轮机再驱动发电机25。在此产生的热废气通过废气管道26输送到用于产生蒸汽的废热蒸汽发生器16，其中仍然在蒸汽轮机17中处理蒸汽。

也可以选择将一部分输出气体或绝大部分输出气体输送到膨胀涡轮机27，其中这个涡轮机与未示出的发电机耦联。然后将膨胀的输出气体输送到储存装置14，然后在其中使膨胀的输出气体与尾气混合。

图2示出与图1类似的设备工艺图，由此相同的零部件以相同的位置号表示。在高炉位置在熔化设备28和至少一个还原设备R中执行熔化还原工艺。在具体的示例中设置4个串联的还原设备R1，R2，R3和R4，它们利用在熔化设备中形成的还原气体，用于还原炉料、尤其是铁矿石、团聚的铁矿石载体（粒状物、烧结物）或矿石浓缩物。有利地使熔化设备28由熔化气化器构成。还原设备与炉料逆流地导引并且在还原设备中使用以后在最后的还原设备R4上作为炉顶气抽出并且在湿式分离装置5中净化。现在净化的炉顶气可以与图1所述类似地作为输出气体输送到燃气轮机23或者用于分离二氧化碳的装置8。仍然通过尾气管道12输送尾气到储存装置14。净化的输出气体（也称为回收气体）可以通过回收气体管道11输送到发电机气体-除尘装置29。在发电机气体-除尘装置29中使在熔化设备28中在添加碳载体条件下产生的发电机气体除尘并且作为工艺气体或作为还原气体输送到还原设备R1。在还原设备中至少部分还原的原料作为Low Reduced Iron（LRI）（低还原铁）并且在团聚后加入到熔化设备28中，然后在那里熔化成生铁或钢初产品。

附图标记清单

1 高炉

2 环形气体管道

3 炉顶气管道

4 干式分离装置

5 湿式分离装置

6 管道

7 输入管道

8 用于分离二氧化碳的装置

9 压缩机

10 冷却器

11 回收气体管道

12 尾气管道

13 尾气管道

14 储存装置

15a，15b 尾气输入管道

16 废热蒸汽发生器

17 蒸汽轮机

18 发电机

19 预热装置

20,20a输入管道

21 缓冲装置

22 过滤器

23 燃气压缩机

24 燃气轮机

25 发电机

26 废气管道

27 膨胀涡轮机

28 熔化设备

29 发电机气体-除尘装置。

Claims (29)

1.一种用于运行熔化还原工艺的方法，具有高炉（1），或具有熔化设备（28）和至少一个还原设备（R1），其中炉料在使用碳载体条件下利用还原气体还原并且熔化成生铁或钢初产品，并且使转换的还原气体作为炉顶气排出并且净化作为输出气体送出，其特征在于，在燃气轮机中热利用至少一部分输出气体，并且在废热蒸汽发生器中利用燃气轮机的废气用于产生蒸汽，其中将至少另一部分输出气体输送到用于分离二氧化碳的装置，并且使这个装置的尾气在废热蒸汽发生器中燃烧用于附加地产生蒸汽，并且其中在尾气在废热蒸汽发生器中燃烧之前，使尾气在储存装置中中间储存，用于平衡热值波动。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，首先压缩、冷却一部分输出气体，然后输送到用于分离二氧化碳的装置。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在燃气轮机中燃烧输出气体之前在燃气压缩机中压缩输出气体。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将一部分输出气体输送到膨胀涡轮机，其中输出气体在减压条件下膨胀并且接着与尾气混合。

5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使输出气体在其在涡轮机中燃烧之前除尘。

6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为了平衡热值波动或者为了匹配热值，在输出气体中在其在燃气轮机中燃烧之前添加冶金气体或天然气或氮气或水蒸汽，或者其混合物。

7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使输出气体在其在涡轮机中燃烧之前在缓冲装置中缓冲，用于保证均匀的输出气体量或热值。

8.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将在废热蒸汽发生器中产生的蒸汽输送到蒸汽轮机。

9.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，用于分离二氧化碳的装置以压力-交换工艺或真空-压力交换工艺为基础工作。

10.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，只输送平均热值>4000kJ/Nm³的输出气体到燃气轮机。

11.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在线地确定输出气体的热值。

12.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，输送到燃气轮机的部分输出气体是炉顶气的30%至90%。

13.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述高炉以含氧气体运行。

14.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，至少一部分在用于分离二氧化碳的装置中净化的输出气体加入到高炉中。

15.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，至少一部分尾气或尾气混合物在添加空气和/或氧气的条件下在加热装置中燃烧，其中利用废热，用于在输出气体输入到高炉中之前加热净化的输出气体。

16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，从高炉提取炉顶气。

17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，从还原设备提取炉顶气。

18.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使转换的还原气体作为炉顶气与来自熔化设备的净化的且冷却的多余气体混合。

19. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，使尾气在与输出气体混合后在尾气在废热蒸汽发生器中燃烧之前在储存装置中中间储存，用于平衡热值波动。

20.用于使如权利要求1至19中任一项所述的运行熔化还原工艺的方法运行的装置，具有高炉（1），或者具有熔化设备（28）和至少一个还原设备（R1），其中炉料在使用碳载体的条件下利用还原气体还原并且熔化成生铁（RE）或钢初产品，并且使转换的还原气体作为炉顶气排出并且净化作为输出气体送出，其特征在于，设有燃气轮机（24）与发电机，用于热转换至少一部分输出气体，并且设有废热蒸汽发生器（16），在其中利用来自燃气轮机（24）的热废气能够产生蒸汽，其特征在于，设有用于分离二氧化碳的装置（8），至少一部分保留的输出气体能够输送到该装置，在形成净化了二氧化碳的气体和尾气的条件下，并且设有储存装置（14），用于接收并平衡尾气中的热值波动，其中该储存装置（14）与废热蒸汽发生器（16）连接，它具有用于燃烧尾气的加热装置，用于形成蒸汽。

21.如权利要求20所述的装置，其特征在于，设有蒸汽轮机（17）与发电机（18），用于使在废热蒸汽发生器（16）中产生的蒸汽发生膨胀。

22.如权利要求20或21所述的装置，其特征在于，设有缓冲装置（22），用于在输出气体输送到燃气轮机（24）之前储存输出气体，由此能够均匀地保持输送到燃气轮机（24）的输出气体量或输出气体热值。

23.如权利要求22所述的装置，其特征在于，所述缓冲装置（22）具有用于测量输出气体热值的测量装置，其中以测量为基础为了匹配热值能够输送冶金气体和/或天然气和/或氮气和/或水蒸汽。

24.如权利要求20或21所述的装置，其特征在于，设有过滤器（21），用于在输出气体被压缩并输送到燃气轮机（24）之前净化输出气体。

25.如权利要求20或21所述的装置，其特征在于，设有用于提高压力的压缩机（9）和/或用于在输出气体输送到用于分离二氧化碳的装置（8）之前冷却保留的部分输出气体的冷却器（10）。

26.如权利要求20或21所述的装置，其特征在于，设有燃气压缩机（23），用于在输出气体输送到燃气轮机（24）之前压缩输出气体。

27.如权利要求20或21所述的装置，其特征在于，设有利用输出气体压力能的膨胀涡轮机（27），其中膨胀的输出气体能够通过管道输送到储存装置（14）。

28.如权利要求20或21所述的装置，其特征在于，设有以尾气加热的预热装置（19），用于加热净化了二氧化碳的输出气体，由此能够将加热的、净化的输出气体输送到高炉（1）。

29.如权利要求20所述的装置，其特征在于，使转换的还原气体作为炉顶气与来自熔化设备的净化的且冷却的多余气体混合。