具有集成发电的高炉炼铁 |
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| 申请号 | CN200980148668.8 | 申请日 | 2009-12-04 | 公开(公告)号 | CN102239267A | 公开(公告)日 | 2011-11-09 |
| 申请人 | 气体产品与化学公司; | 发明人 | M.D.兰伊; J.A.特里布尔; M.吉尔德斯; R.韦恩什泰恩; | ||||
| 摘要 | 公开了基于鼓 风 气体中更高 氧 富集 水 平的用于 高炉 炼 铁 和发电的集成系统。该集成系统导致：1）高炉中产率提高；2）发电更有效；和3）能够更经济地捕获和隔离二氧化 碳 。氧气增强了 煤 用作铁还原剂源以及在该高炉内 气化 由此产生改进的含 燃料 的炉顶气的能 力 。 | ||||||
| 权利要求 | 1. 用于炼铁的方法，包括： |
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| 说明书全文 | 具有集成发电的高炉炼铁[0002] 发明背景本申请涉及富集供给到注射烃的炼铁高炉（iron-making blast furnace）的空气以及使用该炉的烟道气或炉顶气发电。“烃”表示包括燃料或还原剂，包括油、天然气、石油焦、煤及其他材料及其混合物。 [0003] “Oxygen blast furnace and combined cycle (OBF-CC) – an efficient iron-making and power generation process”, Y. Jianwei et al., Energy 28 (2003)825-835中描述了炼铁和发电相结合的方法。 [0004] 美国专利号5,268,019中描述了空气分离装置（ASU）以及在其中制备氧气的方法，其由此通过参考引入。在美国专利号5,582,029和WO 9728284-A1中描述了将炼铁工艺与ASU相结合的方法。 [0005] “Developments in iron making and opportunities for power generation”,1999 Gasification Technologies Conference, San Francisco, California, October 17-20, 1999中描述了ASU和发电相结合的方法。该公开文件还描述了在炼铁生产中使用煤以降低所需焦炭的量。 [0007] 以上所述专利和专利申请的公开内容由此通过参考引入。 [0009] 发明简述本发明通过提供基于使炉顶气中的热量或热值最大化的集成系统，解决与将常规炼铁方法与由炉顶气的燃烧更高效联合循环发电相结合关联的问题，同时提高了炉铁水（hot metal）生产的生产率。该集成系统包括以其中实现以下至少一种的方式操作该高炉：a）粉煤注入（PCI）速率最大化并结合b）用氧气对供给该高炉的空气进行“超富集”（例如通过ASU、膜以及其他适于制氧的装置），其中用氧气对鼓风的“超富集”表示富集该鼓风至大于约32％且至多约70％摩尔体积（例如至少40％-约60％摩尔体积）的氧浓度，c）在该富氧鼓风中添加蒸气以提高氢气的产量以及控制高炉下部的温度（例如蒸气能够从该联合循环（CC）蒸气轮机中提取），和d）使焦炭消耗速率最小化到在该矿石还原工艺过程中足以提供支撑和透气性的程度。该超富集的空气（以及任选地蒸气）增强了该炉内的煤气化以产生还原气体CO和H2，由此替代了更昂贵的冶金焦炭。该超富集的空气还提供了以下至少之一： a）提高该炉中的煤用量，b）更完全的气化；c）提高所提供的高炉的炼铁生产率；和d）产生更高热值或含燃料的炉顶气，该炉顶气能够与下游工艺相配合以使下游工艺操作的效率最大化（例如在一些情况中，有很少或没有补充燃料）。 [0010] 使PCI注入最大化实现了该高炉的有效脱硫和能量转化特征，以与下游炉顶气处理和转化工艺和设备相结合产生能量、合成气、蒸气以及其他益处中的至少之一。具有PCI注入的高炉操作能够与超富集空气相结合，其能够消除对传统热风炉的需求。 [0011] 本发明的一个方面涉及与联合循环发电集成的炼铁和煤气化。 [0012] 本发明的另一方面涉及炼铁生产和煤气化，其中注入该高炉中的氧气是由ASU产生的，其也与联合循环燃气轮机集成以提供用于冷却和质量增强的氮气，将来自为该燃气轮机供给燃烧空气的压缩机的任意过量的压缩空气供给该ASU。 [0013] 本发明的另一方面涉及炼铁生产和煤气化，其与联合循环发电以及二氧化碳捕获以用于可能的隔离集成，其两者都是由使用超富集氧的鼓风导致的炉顶气中的N2浓度降低所造成和增强的。捕获或除去二氧化碳能够提高炉顶气的燃料值，降低或消除在任选的循环回路中供给到该炉的二氧化碳的量，以及其他益处。 [0014] 本发明的另一方面涉及炼铁生产和煤气化，其与联合循环发电和二氧化碳捕获集成，在该二氧化碳去除和捕获步骤之前另外包括变换反应器，以能够除去和捕获更大比例的二氧化碳。 [0015] 本发明的另一方面涉及炼铁生产和煤气化，其与联合循环发电和CO2捕获集成，利用了由来自燃气轮机的废气或来自ASU的氮气中所包含的热量产生的蒸气以驱动该变换反应器或CO2去除（例如隔离）工艺。 [0016] 本发明的另一方面涉及炼铁生产和煤气化，其与炉顶气清除和/或CO2除去集成用于制备合成气。 [0017] 本发明的一个方面涉及用于炼铁的方法，包括：将铁矿石、焦炭和煤引入高炉，由此通过在高炉中引入超富集空气而使煤气化，和从该高炉中回收炉顶气；使用该炉顶气发电；和从该高炉中回收铁水。 [0018] 本发明的另一方面涉及用于发电的方法，包括：提供来自高炉的炉顶气或一部分炉顶气，该炉顶气包括一氧化碳、二氧化碳、氢气、氮气，其浓度使得其具有在没有补充燃料的情况下落入匹配下游燃气轮机的所需燃料值操作范围的热值的； 将该气体在足以发电的条件下引入到燃气轮机中； 将该燃气轮机的废气在足以发电的条件下引入到热回收蒸气发电器（heat recovery steam generator）中。 [0019] 本发明的另一方面涉及用于煤气化和炼铁的方法，包括：将煤引入炼铁高炉中，和 将富含氧的空气引入该高炉中， 其中该高炉内的条件足以将至少一部分煤转化为包括一氧化碳、二氧化碳和氢气的气体； 从该炉中除去一部分该气体； 从该气体中除去至少一部分该二氧化碳； 将该气体供给到联合循环发电系统、变换反应器和炼铁高炉中的至少之一；和 从该炼铁高炉中回收铁。 [0021] 图2是本发明的另一方面的示意图，其使用煤气化和联合循环发电和二氧化碳捕获和去除（用于可能的隔离）与高炉炼铁相结合的。 [0022] 图3是本发明的另一方面的示意图，其使用煤气化和联合循环发电与二氧化碳捕获和去除（用于可能的隔离）相结合，该二氧化碳捕获和去除通过在该二氧化碳捕获和去除步骤之前包括变换反应器而对其增强。 [0023] 图4是本发明的另一方面的示意图，其使用来自ASU的氮气以助于为燃气轮机提供动力和使用来自ASU的氧气以助于该炉顶气的至少一部分在HRSG中的燃烧。 [0024] 图5是本发明的另一方面的示意图，其使用贮气罐（gas holder）以阻抑炉顶气的流量和压力变化，其中将该经处理的炉顶气的至少一部分在该燃气轮机的周围引导至HRSG。 [0025] 图6是本发明的一个方面的示意图，其利用炉以提供经加热的鼓风，其中一部分该鼓风空气是由向该燃气轮机供给燃烧空气的压缩机中提取的空气提供的。 [0026] 图7是图1中所示的本发明的另一方面的示意图，只是图7使用热风炉和鼓风机以将经加热的富氧空气供给到该高炉。 [0027] 这些附图中所示的装置、组件、系统和方法能够单独或组合使用以得到附图未描述的本发明的其他方面。 [0028] 发明详述本发明涉及用于提供集成系统的设备、工艺和组合，其利用供给到高炉（例如通过ASU）的空气的氧气富集来将煤气化和高炉炼铁进行有效的组合。该集成系统在该炼铁高炉（iron blast furnace）内原位气化煤并产生具有改进的发电用途的烟道气或炉顶气，以及如果需要，能够将二氧化碳从其中除去并隔离。 [0029] 将超过通常供给空气鼓风机（air blast）的量的额外的氧气直接注入或与鼓风相结合供给该高炉以提高高炉的效能以接受较大量的注入烃或化石燃料，例如来自粉煤注入系统（PCI）的煤，和/或以能够注入更多的粉煤。这种PCI系统降低了在高炉中炼铁所需的焦炭的量。此外，为该高炉供给富氧空气能够产生：1）具有降低的氮含量和提高的燃料值或热值的炉顶气；2）具有增强的发电价值的炉顶气；3）可与燃气轮机发电器相适合的炉顶气；4）通过在高炉内的原位煤气化得到的炉顶气，及其他益处。在与常规方法相比显著的改进中，本发明的集成系统得到能够具有提高的氢气和一氧化碳浓度以及在一些情况下降低的氮气含量的炉顶气。 [0030] 在本发明的一个方面，能够将煤与其他烃结合或单独共同注入。 [0031] 通过评价以下变量的益处和成本，本发明可以实现了对所需的操作的经济基础的控制和选择：焦炭、煤、铁、氧、电力（power）和炉利用（即热风（炉））。对于焦炭、氧和煤的给定成本，能够选择铁和电力的优化值。通常，提高引入该高炉中的煤的量将可以提高所用氧的量，但降低所用焦炭的量，继而降低炼铁的成本。类似地，提高煤的量也将可以提高所用氧的量，并可以降低热风温度（例如能够降低由炉提供的热量），并提高能够产生的电力的量。根据之前变量的相对经济价值，可能消除热风（炉）并因此使用之前由炉消耗的能量用于发电，或者用于运转水变换反应器、二氧化碳除去，及其他系统。 [0032] 任选地，用于富集引入到高炉中的空气的氧气能够由任意适合的气体分离系统提供，例如低温蒸馏，包括ASU、膜（例如离子输送膜）、真空变压吸附（pressure vacuum swing adsorption）（PVSA）以及其他适用于产生能够用于富集空气的含氧流的系统。作为使用更高级别的氧富集或超富集的结果，该富氧鼓风可以直接在常温条件供给高炉，由此任选地避免了对热风炉（例如，在引入高炉之前使用炉顶气加热空气的炉）的需求，以及可使通常由该热风炉消耗的能量变得另外可用于发电。涉及将富氧空气引入PCI高炉的信息也能够见于A. Poos and N. Pongis, “Potentials and problems of high coal injection rates”, 1990 Ironmaking Conference Proceedings中。 [0033] 尽管能够使用任意适合的ASU，但适合的ASU的实例是在市场上由Air Products And Chemicals, Inc., Allentown, PA提供的那些。适合的ASU还描述于美国专利号5,268,019中，由此通过参考将其引入。气体分离系统（例如ASU）能够产生含氧流，其在与高炉空气中的空气混合时能够具有约40-小于约100体积％的氧浓度。能够将来自ASU的含氧流与空气（经加热的或常温的）混合或合并以为该高炉提供预设浓度的氧气（例如约35直至接近纯氧，但更通常为约40-约70％的氧）。来自ASU的含氧流也能够供给HRSG的管道燃烧器以增强较低热的炉顶气的燃烧（例如用于提高蒸气的发生）。任选地，能够将由ASU产生的氮气供给燃气轮机（例如如下讨论的用于由高炉炉顶气发电的燃气轮机），以提高涡轮的效率且以维持适当的燃烧温度和质量流体积。类似地，由该燃气轮机的供给压缩机产生的过量的压缩空气能够提取并供给ASU，以提高ASU的效率，或者能够将该压缩空气用于补充或代替供给高炉的空气（例如通过鼓风机引入该炉中的空气）。继而能够将燃气或蒸气轮机驱动的发电器产生的能量供给该ASU。 [0034] 任选地，能够通过引入蒸气（例如与下述发电相关产生的蒸气）改进供给到化石燃料注入的（例如PCI）高炉的富氧空气。能够将蒸气与该富氧空气相结合，或将其单独供给该PCI高炉。将蒸气引入该高炉能够具有两个有益的同时发生的效果。首先，其能够用于缓和该高炉下部的火焰温度，其否则由于富氧而可能过高。第二，蒸气与注入的粉煤和在该高炉的下部中存在的焦炭的反应将提高在该高炉内产生的气体中氢气（以及在一些情况下，一氧化碳）的含量。然后这种附加的氢气物质能够参与驱动铁的还原，同时还提高炉顶气的热含量，其继而使得该炉顶气更适用于发电（例如在联合循环发电中）。尽管能够使用任意适3 合浓度的蒸气，但通常蒸气的含量在约10直至约250克/Nm 鼓风体积（例如约50-约150 3 3 克/Nm，在一些情况中约20-约60克/Nm 鼓风体积）的范围内。 [0035] 在本发明的一个方面中，该富氧空气另外包括蒸气、选自由一氧化碳、二氧化碳和氢气构成的至少一种组分。氧气能够由ASU得到，一氧化碳、二氧化碳和氢气能够通过将部分的炉顶气循环而得到。因此，能够产生基本上不含氮气的炉顶气。“基本上不含”表示该炉顶气包括少于约10体积％（例如小于约8体积％）的氮气。 [0036] 本发明可以允许降低引入该炉中的鼓风（例如包括富氧空气）的温度，从约1100-1250℃的典型热风温度降低到850℃，及在一些情况下降低到约600℃。通常，较低的鼓风温度将取决于和使用升高的氧气含量。“鼓风温度”表示在其在鼓风口进入该高炉时富氧空气流的平衡温度。任选地，能够通过在炉前面（ahead of）将常温氧气混合到常温空气中并然后将整个混合物加热到所需的平衡鼓风温度而调配鼓风温度。可替代地，能够在炉中将该常温空气单独加热到高于所需的鼓风温度的温度，能够将较冷的常温氧气在该炉的下游添加到经加热的空气鼓风中，以产生具有所需的氧气浓度和所需的热鼓风温度的富氧空气鼓风的混合物。用于制备该鼓风的组分的温度能够变化，且能够以任意所需的方式组合以产生所需温度和氧浓度的热空气鼓风。尽管氧气和空气通常是在引入该炉子中之前相混合的，但任选地，其能够单独引入，且能够得到“等效”热鼓风温度，其相当于在如果将两股流合并和一起均衡温度的情况下该富氧鼓风的温度。 [0037] 能够控制该富氧空气鼓风的温度、PCI速率、焦炭速率（coke rate）、铁水流速或排放速率和氧气/蒸气浓度以得到具有所需热值的炉顶气。通常，该炉顶气的热值将在约110-约170btu/scf的范围内（例如该热值能够根据在该空气鼓风中所用的氧气的浓度而改变，使得该炉顶气热值可以从当该富氧空气包括约40体积％氧气时的约110-约130btu/scf变化到当该富氧空气包括约60体积％氧气时的约135-约170btu/scf）。 [0038] 本发明的一个方面涉及从炉顶气中除去二氧化碳。能够使用从该炉顶气中除去二氧化碳的任意适合的方法。在本发明的一个方面中，通过使用反萃吸附剂床除去二氧化碳，例如美国专利号5,582,029中所述的，由此通过参考引入。在本发明的另一方面中，通过暴露于包括MEA的溶液（例如包括约20％MEA的溶液）以及其他适合的溶液而除去二氧化碳。通过从该炉顶气中除去二氧化碳，本发明允许控制释放到环境中的二氧化碳的量，以及提供用于后续发电的具有改进的燃料值的炉顶气以及其他应用。 [0039] 任选地，在从该炉顶气中除去二氧化碳之前，能够通过变换反应器将炉顶气中的一氧化碳转化为二氧化碳。其是其中一氧化碳和水转化为二氧化碳和氢气的反应器（例如美国专利申请公开号US20060188435A1和美国专利号US4725381A中所述，由此将两者都通过参考引入）。能够以上述方式除去二氧化碳，将剩余的氢气用于发电、净化石油产物、供给至燃料电池以发电以及其他用途。可替代地，除了或者不是用于发电，能够将该炉顶气转化为氨、甲醇以及其他产物。 [0040] 在本发明的另一方面中，能够将该炉顶气用于发电。尽管该炉顶气能够用于任意适合的发电系统中，在美国专利号6,216,441 B1（由此通过参考引入）中公开了适合的联合循环发电系统的实例。能够将该炉顶气在燃气轮机和/或热回收蒸气发电器中燃烧以发电。任选地，能够在将该炉顶气引入该发电系统之前从该炉顶气中除去二氧化碳（以及任选地，将其隔离，用于随后的化学工序中以及其他应用）。在燃烧之前捕获CO2能够比从HRSG的废气中捕获CO2更理想，在后一种情况中，气体的CO2含量将会更稀少且该废气将会包含O2。 [0041] 在本发明的一个方面中，从该发电系统中排放的废气基本上不含二氧化碳。“基本上不含”二氧化碳表示该废气包含少于约5体积％的二氧化碳。能够通过在CO2去除工序之前使用前述水变换反应器（例如如图3中所示在CO2去除之前进行水变换工序）以将一氧化碳和水转化为二氧化碳和氢气而使该废气基本上不含二氧化碳和一氧化碳。 [0042] 在本发明的另一方面中，能够将一系列的燃气轮机和蒸气轮机用于发电。能够控制涡轮的数量、炉顶气的热值、供给涡轮的材料的比例/流速和补充燃料气体以使本发明的方法和系统的经济价值最大化（例如在一个方面中以使发电量最大化）。 [0043] 在本发明的一个方面中，该发电系统能够在不供给来自外部来源的补充量的燃料气体（有时称作“调整燃料”（trim fuel））的情况下操作。通常在本发明的该方面中，该燃气轮机和HRSG将以少于约10％的热值的气体操作，该气体是由补充燃料或外部产生或供给的燃料气体（例如天然气、一氧化碳及其他燃料）提供的。尽管本发明的所需方面是降低或消除补充燃料的使用，但本发明的所有方面并不排出使用补充气体。 [0044] 附图描述了本发明的某些方面。现在参照附图，图1描述了包括炼铁生产和煤气化的集成系统的本发明的一个方面，其中由于实施了粉煤注入（PCI）系统3，降低了引入高炉（BF）2的焦炭1的量。通过将空气与空气分离装置（ASU）4产生的氧气合并供给富氧空气。收集由该高炉2排出的烟道气或炉顶气5并在气体清洗系统6中清洁（例如通过旋风或湿文丘里系统）。在旋风和湿法洗涤系统后，能够另外通过将其通过静电沉淀器7而从该炉顶气中除去任意另外的颗粒物，使得（并确保）其足够清洁以用于压缩机和燃气轮机。然后将该炉顶气在烟道气压缩机（FGC）8中压缩并引入燃气轮机（GT）9中，由此发电。然后将该燃气轮机9中释放的经燃烧的炉顶气/空气混合物引入热回收蒸气发电器（HRSG）10中以通过热传递制造蒸气。将该蒸气通过蒸气轮机（ST）11以发电。 [0045] 在图1中所述的本发明的方面（和本发明的其他方面）中，能够提高制造的铁水12的量。通常焦炭的用量小于约300kg/公吨铁水，成煤率（coal rate）为至少约200kg/公吨铁水（或约0.40kg碳/kg制备的铁）。在一些情况下，该燃料（例如也称作还原剂）与铁的比例大于约0.45碳/kg制备的铁。 [0046] 图2描述了本发明的另一方面，其中对图1的系统改进以包括在将该炉顶气引入燃气轮机9之前用于除去二氧化碳的系统13。尽管能够使用任意适合的系统除去二氧化碳，但适合的系统的一种实例包括使用物理溶剂，例如市场上可获得的SELEXOL®系统（由UOP LLC, Des Plaines, IL提供），以从该气流中捕获并除去二氧化碳。将包含二氧化碳的来自FGC 8的经压缩的炉顶气引入该二氧化碳去除系统13中。该去除系统13接收低压（LP）蒸气并产生二氧化碳和水（任选地，该LP流能够由HRSG 10供给）。能够将该二氧化碳作为产物回收、隔离和/或提供用于对于二氧化碳已知的其他应用（例如用于提高原油采收率（enhanced oil recovery）（EOR））。在本发明的一个方面中，能够将氮气作为稀释剂（例如来自ASU 4）在任意适合的位置（例如在除去二氧化碳之后）引入该燃气轮机9中用于该燃气轮机中的火焰冷却和质量流量增强（mass flow enhancement.）。 [0047] 图3描述了本发明的另一方面，其中见图2的系统改进以包括变换反应器14。通常，该反应器14位于该系统中的二氧化碳去除13之前。该反应器14将蒸气（例如来自HRSG10）与炉顶气中的一氧化碳相结合以生成二氧化碳和氢气。通过将变换反应器14包括在二氧化碳去除步骤13之前的工艺流中，在最终将该燃烧产物排出整个系统之前，更多的含碳气体物质可以被除去和捕获。这样，能够在随后的系统13（例如Selexol®工艺）中除去更大比例的二氧化碳。此外，增大浓度的氢气提高了剩余气体的燃料值，该剩余气体然后能够用与发电以及其他用途。任选地，能够从该二氧化碳去除系统13中得到包括氢气和氮气的流（例如用于除发电之外的用途）。 [0048] 图4描述了本发明的另一方面，其中图2的系统集成HRSG10、由ASU 4生成的氧气和氮气与该系统的其他组分。能够将由ASU 4生成的氮气供给PCI系统3以传送/输送该粉煤、除去水以及其他用途。还能够将由ASU 4生成的氮气供给燃气轮机9以提高该涡轮的效率。此外，还能够接收过量的压缩气体（如果有的话，提取自为燃气轮机9供给燃烧空气的压缩机）提高ASU的效率。除了前述应用之外，还能够将来自ASU 4的氧气供给HRSG以提高任意过量的炉顶气（例如未引入燃气轮机的气体）在通向HRSG的管道（未示出）内的燃烧效率。能够将来自该HRSG 10的蒸气供给蒸气轮机11、高炉2、二氧化碳去除系统13、变换反应器14及其他用途。任选地，图3的方面（例如变换反应器14）也能够加入图4中所示的系统中。 [0049] 图5描述了本发明的另一方面，其中图2的系统使用贮气罐17。将离开湿ESP 16的气体供给到FGC 8，和任选地，供给HRSG 10，并使用ASU 4供给的氧气在其中燃烧。湿ESP系统的实例公开在美国专利号7318857、6294003、6110256、5039318、5084072和4074983中，由此通过参考引入。将来自HRSG的蒸气供给该燃气轮机11用于发电，其能够用于例如操作该ASU 4。任选地，图3和4的方面（例如变换反应器14）也能够加入图5中所示的系统中。 [0050] 图6描述了本发明的另一方面，其中图2的系统使用炉18用于产生热鼓风，其被提供给高炉12。该鼓风空气的至少一部分能够有从用于该燃气轮机9的燃烧空气压缩机中提取的压缩空气提供。由该系统可以获得优点，因为该压缩空气将已经由于压缩的作用在一定程度上被加热了，将该压缩空气用于炉的进料可以降低该炉子的热能输入需要以及用于产生鼓风的鼓风机所需的一些能量。能够控制离开该燃气轮机9的气体以使将该气体供给炉18或HRSG 10或两者的价值最优化。 [0051] 图7描述了图1中所述的本发明的一个方面，只是图7使用热风炉、鼓风机和贮气罐。现在参照图7，该工艺使用增强热值的炉顶气，首先将其引导通过旋风或逆流除尘器用于清洁和除去大颗粒。然后将该气体清洁通过Bischoff文丘里（环形隙）湿式洗涤器以除去更多的灰尘。在该湿式洗涤器之后，该气体通过除雾器以从该炉顶气中除去携带的或冷凝的水。除尘器、文丘里洗涤器和除雾器这三个组件通常是所有高炉上的现有组件。 [0052] 如果该高炉以高炉顶压力设计和操作，那么在现有的气体清洁系统之后可以有现有的炉顶气压力回收减压涡轮（topgas pressure recovery let-down turbine）（图7中未示出）。任何炉顶气体回收涡轮的存在（或其不存在）都不会影响本发明的整个方案。在现有的气体清洁系统和炉顶气体压力回收涡轮（如果其存在）之后，将气体引导通过湿式静电沉淀器以使其适于燃料气体压缩。然后将该气体引导通过燃料气体压缩机以将其压力增大到燃气涡轮的入口所需的压力。由于该燃料气体是以压缩状态进入该燃气轮机的，以及其在这个位置将已经经过压缩，因此在该阶段中存在有利地进行CO2去除步骤的选择。将现在增强的热燃料气体（由在高炉处实施的操作参数和/或由于从该燃料气体中除去CO2的结果增强的）引入燃气轮机中并在其中燃烧，以产生轴功率（shaft power）以发电和驱动发电器和为该燃气轮机提供燃烧空气的压缩机。 [0053] 将该燃气轮机的热废气引向热回收蒸气发电器（HRSG）以产生蒸气并通过蒸气轮机产生更多的电（“联合循环”）。 [0054] 为使该炉顶气体的使用最大化并适应高炉内的流量变化，安装气体收集和压力管理系统。这包括贮气罐、专业控制器（specialty controls）和调整气体混合系统（任选地）。 [0055] 图7中所示的系统的技术效果包括：● 煤和氧注入量提高。 [0056] ● 减少焦炭用量，得到大的操作（焦炭成本）节约。 [0057] ● 降低热鼓风温度，能使更大比例的炉顶气用于发电（表示从炉加热和热鼓风产生排出更少的CO2）。 [0058] ● 增强（提高）热值炉顶气使该炉顶气在燃气轮机中直接燃烧，作为更有效的联合循环发电中的第一步。 [0059] ● 氧气在该热鼓风中富集到直至60％氧的水平（总体）。 [0060] ● 引入气体收集、清洁和管理系统。 [0062] 实施例A3 实施例A描述了提高的煤注入和鼓风中提高的氧浓度对高炉性能的影响。2,855 m 工作体积的高炉通常依照表1中(a)栏（如下所示）的参数操作。这些参数用于比较的目的以通过该高炉的质量和能量平衡计算机模型来说明本发明的某些适合的方面。本实施例中所用的计算机模型是所述的常规二级质量和热量平衡模型，并使用“Principals of Blast Furnace Ironmaking” by Anil K. Biswas (1981 Cootha Publishing House, Brisbane, Australia)中公开的方程。该计算机模型用于说明在增大的粉煤注入量和热空气鼓风中增大的氧浓度的条件下的高炉操作。 [0063] 进料（charge materials）的组成以及热鼓风中水分含量（18 g/Nm3）都保持恒定。然后，将煤和氧气引入依照表1的实施例(b)-(i)中所示的值操作的高炉中。这些参数包括提高煤注入速率和鼓风氧含量。根据该热鼓风温度，能够对各个提高的煤注入速率在不同的焦炭速率下对该高炉操作进行平衡（balanced）。这些参数对来自该高炉的炉顶气和铁水的产率的影响示于表1中。 [0064] 本实施例还描述了使用一部分炉顶气作为加燃料给炉的燃料的影响。用作燃料的部分取决于在该工艺中所用的热鼓风的量及其温度。从所产生的全部炉顶气中减去用于炉燃烧的炉顶气的部分得到可用于其他目的（例如下游发电）的炉顶气的剩余量。将可用于其他目的的剩余炉顶气的量乘以其热值得到可用于转化为电能的热能的量。 [0065] 为了提高粉煤注入（直至操作最大值），可以在新操作参数的范围上对该操作进行平衡。表1的第(b)和(c)栏显示了两种不同的操作实施例，其中粉煤注入速率从第(a)栏的基础实施例的150 Kg/T 提高到200 Kg/T。 [0066] 在(b)中所示的操作实施例中，煤注入提高到200kg/T，而热鼓风温度保持恒定为1250℃。对于该实施例，鼓风中的氧浓度从基础实施例(a)中的26.6％氧提高到实施例(b)中的30.1％。如表1中所示，平衡操作的结果如下： i.) 热鼓风的所需体积降低； ii.) 用于加热炉所需的炉顶气的量相应降低； iii.) 炉顶气的热值提高； iv.) 能够可用于其他下游目的（例如通过将该炉顶气引向可能适合的Rankine或联合循环发电以发电）的炉顶气和热能的相应量提高； v.) 操作所需的焦炭速率降低；和 vi.) 产量提高。 [0067] 在(c)中所示的操作实施例中，煤注入提高到与实施例(b)中相同的水平，即200 Kg/T，但是空气鼓风中的氧浓度在平衡操作中进一步提高到34.8 %。该操作的结果如下：i.) 所需热鼓风温度从1250℃降低到800℃； ii.) 所需热鼓风体积进一步略有降低； iii.) 用于加热炉所需的炉顶气的量甚至进一步降低； iv.) 炉顶气热值的进一步提高； v.) 能够可用于其他下游目的（例如通过将该炉顶气引向可能适合的Rankine或联合循环发电以发电）的炉顶气和热能的相应量甚至有更大的提高（与实施例(b)相比）； vi.) 焦炭速率与实施例(b)相比提高，但仍低于(a)；和 vii.) 产量与实施例(b)相比降低，但仍高于实施例(a)。 [0068] 将实施例(b)和(c)与基础操作(a)相比表明，能够根据焦炭、煤和氧的成本以及铁水生产的相对价值和用于下游发电的炉顶气的价值改进和选择性调节该高炉的总体操作以在经济生产中进行优化。 [0069] 现在参照实施例(d)、(e)和(f)，这些实施例描述了将煤注入速率提高到240Kg/T。这三个实施例各自都是通过提高鼓风中的氧百分比而实现的。然而，根据添加到鼓风中的氧的百分比，平衡操作所用的热鼓风温度针对给定的煤注入速率改变。如前所述，在空气鼓风中氧的百分比最大化时，产生最高的炉顶气量和用于发电的炉顶气能量，热鼓风温度降低，在固定的煤注入速率下铁的产量不变。 [0070] 在三个实施例(d)、(e)和(f)中，在热鼓风温度最高的实施例(d)时发生最低焦碳速率。因为高炉中焦炭引入速率降低，因此由于与焦炭的均匀分布相关的复杂性而使得高炉的有效操作可能变得更困难。因此，这些实施例显示了使用至少262Kg（或更多）焦炭/T铁水的操作（即262kg焦炭/T铁水已经证实是有效的）在实施例(g)和(h)中显示煤注入进一步提高到280kg/T。在这两个实施例中，降低了热鼓风温度以维持平衡操作，同时提高空气鼓风的氧富集以维持在进料混合物中至少 262kg/T的焦炭。实施例(g)和(h)的结果如下：与所有前述实施例相比， i.) 甚至更高的铁水产量；和 ii.) 炉顶气具有提高的用于下游发电的热能。 [0071] 在表1的实施例(i)中煤注入进一步提高到320Kg/T，同时保持热鼓风温度等于前述实施例(h)的600℃，导致所需的焦碳速率仅为239 Kg/T。为进行在煤注入水平（320Kg/T）和所示的氧富集水平的平衡操作，进一步降低热鼓风温度将会是适合的以在该进料中有更多的焦炭，同时保持平衡的操作。 [0072] 在热值的一些阈值水平（例如大于4,700 kJ/Nm3的热值）下，该炉顶气变得可用于通过在燃气轮机中直接燃烧而不需要补充燃料而以改进的效率转化为电。因此，提供更高热值的炉顶气为下游由该炉顶气发电提供了益处。 [0073] 在鼓风中增大的氧含量以及增加的煤注入的范围内，操作BF显示出以下益处：i.) 产生增大的炉顶气能量； ii.) 高炉中降低的焦炭需求； iii.) 通过以下降低了用于炉加热的炉顶气能量需求： a.降低热鼓风温度需求和 b.降低所需的热鼓风的总流速； iv.) 提高了给定尺寸的高炉的给定的固定资产的铁水产量。 [0074] 表1 [0075] 实施例B本实施例描述了将常规高炉操作改变为冷（常温）鼓风操作。常规高炉的操作温度经操作以实现高的煤注入速率以及高的热鼓风温度和氧富集，以将其驱动到用于稳定操作的在原料中最低使用量的焦炭，并示于下式的表2的第(a)栏中（例如热鼓风温度为1250℃；煤注入速率为240 Kg/T；高温鼓风以氧气富集到33.5％的水平；焦碳速率为262 Kg/T [表2中的基础实施例，大约相当于表1中的实施例(d)]）。在实施例B中还使用了实施例A中所述的计算机模型。 [0076] 对任意改进的高炉操作的一个限制条件是满足炉下部的热需求，表示为管道绝热火焰温度（Raceway Adiabatic Flame Temperature）（RAFT）。当满足常规操作参数时，RAFT优选在约1950-2300℃范围内。 [0077] 表2中的实施例(b)显示了操作具有以下改进的实施例(a)的常规高炉的结果：i.) 提高的煤注入； ii.) 提高的空气鼓风氧气；和 iii.) 将鼓风温度降低到常温（25℃）， 同时满足炉下部的热条件（计算RAFT为1996℃所示）。在该实施例(b)中，当焦炭注入速率为335/T时，该高炉是以富含到55.5％氧气的常温鼓风、以与基础实施例(a)中相同的焦碳速率操作的。 [0078] 实施例(b)举例说明了高炉的操作，其中：i.) 提高了高炉的产率； ii.) 炉顶气的热值提高到5,744 kJ/Nm3，由此使其可用于在联合循环发电操作的燃气轮机中直接燃烧； iii.) 因为接受在常温的鼓风温度，能够消除使用部分炉顶气作为炉加热燃料的需求，其继而可使全部的炉顶气流用于其他可用用途（例如联合循环发电）。 [0079] 使用前述计算机模型说明对实施例(a)的高炉的其他改进的操作方案和设置。实施例(c)描述了如果将一些炉顶气用于CO2脱除（stripping ）操作，和将剩余的富含CO/H2的炉顶气流循环并通过鼓风口与富含氧气的常温空气一起再次注入高炉中对炉操作的影响。在实施例(c)中，制备46 Nm3/T的经CO2脱除和循环的炉顶气并通过高炉鼓风口与平衡操作所需的富氧冷鼓风一起注入。表2中的该实施例(c)的结果显示：i.) 与实施例(b)相比焦炭和煤（燃料）没有显著的节约； ii.) 剩余的排出的炉顶气与实施例(b)相比提供较少的用于下游用途的能量； iii.) 本实施例增加了CO2去除步骤的操作复杂性； iv.) 有较小的产量增加，从8990到9010 T/天。 [0080] 实施例(d)描述了改进的高炉操作，其中将CO2脱除，并将循环的炉顶气以73Nm3/T的速率注入炉子的中间烟道区域。使用另外的还原气体注入中间烟道以提高在炉子的该区域中的还原潜力（reducing potential）。该操作实施例(d)的结果显示在焦炭节约和炉顶气热能生产方面与实施例(b)相比没有优点。产量从8,990提高到9,407 T/天。 [0081] 实施例(e)说明了改进的高炉，其中注入中间烟道的循环气体的量是实施例(d)的两倍。实施例(e)的结果如下：i.) 降低的总燃料速率； ii.) 增大的炉顶气中的热值； iii.) 产生用于下游发电的总热能的进一步增加， iv.) 与实施例(d)相比进一步增加的产率；和 v.) 设备成本增大。 [0082] 实施例(f)说明了改进的高炉，其中经脱除和循环的炉顶气的中间烟道注入提高到216Nm3/T的速率。实施例(f)的结果如下：i.) 提高的产率； ii.) 降低的燃料需求；和 iii.) 可用于输出的更大炉顶气能量； iv.) 在炉腹区域中的热状况（例如紧在该高炉的鼓风口之前和周围的该高炉的区域的不可接受地高（如RAFT为2500℃所示）。 [0083] 实施例(g)描述了改进的高炉，其中使用100％O2作为冷鼓风。 [0084] 实施例(g)使用从炉顶气中除去CO2和将部分经脱除CO2的炉顶气循环/再注入到该炉的炉腹，和将部分经脱除CO2的炉顶气循环/再注入到该炉的中间烟道区域。实施例(g)的结果如下：i.) 从所有实施例的炉中最高的所示产率，其中RAFT在可接受范围内； ii.) 最高的可达到的炉顶气热值； iii.) 总燃料速率接近常温热鼓风操作（实施例(a)）； iv.) CO2脱除、循环到中间烟道注入和循环到鼓风口注入的提高的设备成本。 [0085] 实施例(h)说明了改进的高炉，其使用100％冷鼓风注入，不将脱除CO2的炉顶气循环到鼓风口。这种方案不能使用，因为RAFT不可接受。 [0086] 实施例B显示实施例 (b)具有以下作用：i.) 通过冷鼓风操作免去了炉； ii.) 产率提高； iii.) 焦碳速率降低； iv.) 足够高热值的炉顶气，其足以用于在可用于联合循环发电的联合循环发电中的燃气轮机中经济地直接燃烧； v.) 可用于发电的提高的总热能； vi.) 不强制需要CO2脱除和再注入； vii.) 未对高炉进行复杂的改造和重新设置管道以循环再注入到中间烟道和鼓风口区域； viii.) 同时满足了炉的炉腹中所需的热条件（RAFT）。 [0087] 表2 [0088] 实施例C实施例C描述了高炉工艺改变对发电能力的影响。将标准尺寸的230万吨/年高炉依照下面所示的表3中的实施例(a)中所示的参数操作（例如煤注入速率为150Kg/T，热鼓风富集氧气到26.6体积％的水平，相应的焦碳速率为339Kg/T）。实施例(b)、(c)和(d)说明了随着鼓风中氧气百分比从26.6％逐渐提高到更高的百分比33.3％、40％和61％在该特定操作中发生的影响。这些影响包括： i.) 能够注入的煤的量相应提高； ii.) 空气鼓风的温度降低； iii.) 所需空气鼓风的量降低； iv.) 原料中所需的焦炭的量降低到最低“基数（floor）”水平（此处将其取作262Kg/T），在该点之后焦碳速率能够保持恒定； v.) 产生更多的炉顶气热能； vi.) 加热炉需要较少部分的总炉顶气； vii.) 能够将更多的炉顶气引入（用于）下游发电； viii.) 降低了运行涡轮鼓风机和为高炉供给空气的鼓风机的蒸气需求（例如由于空气鼓风流速需求的降低），这另外使得由BF炉顶气能量中包含的能量产生的更多的蒸气可用于发电； ix.) 随着高炉以相应提高水平的氧富集和煤注入操作，可用于发电的炉顶气的剩余MMbtu/hr从619增大到924、到1,236，到1,843 MMbtu/hr。 [0089] 本实施例说明了通过对于本实施例的高炉将空气鼓风中的氧含量从26.6％提高到61％，可用于发电的能量提高三倍的效果。 [0090] 现在参照表3，表3描述了对于各高炉操作实施例的“净发电”量（kWe）。对于各高炉操作实施例，通过两种方法之一将炉顶气用于发电：i.) 在蒸气锅炉中燃烧该炉顶气，并通过与蒸气轮机连接的发电器发电（即，常规Rankine循环发电），或 ii.) 在驱动发电器的燃气轮机中压缩并燃烧该炉顶气，然后将燃气轮机的废气通向热回收蒸气发电器（HRSG），然后在其中该蒸气通过适当尺寸的蒸气轮机发电器发电（即联合循环发电）。 [0091] 表3说明了随着该高炉另外富集氧气大大提高了产生的电能的量，产生了更高热值的炉顶气。表3还说明了使用联合循环发电以提高效率并提高在各给定高炉实施例能够产生的总电量的需求，其中：i.) 在对于各种BF操作参数所产生的炉顶气热值范围内，在热能至KW的电能的转化中的总效率保持固定在31.3％, ii.) 在联合循环发电实施例中，用更高富集氧气的BF操作产生的更高热值的炉顶气产生效率益处。这描述于表3中的最后一行中，其中随着空气鼓风中氧富集水平从26.6％提高到61％（伴随BF操作参数中其他所需的相应变化），来自高炉的炉顶气热能的总净转化效率从38.1％提高到43.7％。 [0092] 尽管本实施例显示了在四种特别选择的点（或操作参数组）的高炉操作和发电效率，但应当认识到高炉能够在所公开的氧浓度范围上的任意适合的点操作。例如，如果设计的炉顶气的量和热值最适宜地匹配特定尺寸的燃气轮机的商业实用性，那么以52％氧气操作可能是需要的。 [0093] 表3*假设燃气轮机的尺寸与燃料气体量理想匹配。 [0094] 尽管已经在某些方面对本发明进行了描述，但认识到本发明并不限于这些方面，本发明包括后附权利要求范围内包括的各种改进和等价方式。 |
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