專利名稱：整體高爐聯合循環方法
技術領域：
本發明屬于冶金和能源領域，主要涉及高爐煉鐵、發電和制氧。
背景技術：
雖然國際上在開發非高爐煉鐵工藝上已經取得一定的成績，但根據冶金專家們的預測，在今后很長一段時間內，高爐仍將在煉鐵生產中起主導作用。以富氧噴煤和精料為代表的高爐技術的不斷進步，使高爐的地位更加鞏固。
為了節約寶貴的焦煤資源和減少煉焦過程中對環境的污染，國際上高度重視高爐富氧噴煤技術的開發和推廣，但實際生產操作中，鼓風含氧量一般小于24％，甚至不富氧，而是通過提高鼓風溫度來增加噴煤量，主要原因是高爐富氧所帶來的效益難以抵消較高的制氧成本。高爐熱風爐的主要燃料是高爐煤氣，其消耗的煤氣量約占高爐煤氣總量的50％左右，因此通過提高鼓風溫度來增加噴煤量是以消耗更多高爐煤氣為代價的。目前高爐的最高鼓風溫度已經超過1200℃，繼續提高的空間已經很小，因此，通過提高風溫來增加噴煤量的潛力已經很有限了(尹建威，《鋼鐵》，2002，37(11)9-12)。
此外，傳統的高爐操作制度追求盡可能高的爐身煤氣利用率，既使盡可能多的煤氣還原成分(CO，H2)參加還原反應，以便降低高爐單位生鐵的燃料消耗。因此，隨著高爐技術的進步，高爐煉鐵的成本不斷下降，同時，高爐外供煤氣量和煤氣的熱值也不斷降低。由此可見，現有高爐技術難以同時兼顧生產高品質煤氣和鐵水，高爐冶煉指標的提高和鐵水成本的降低是以減少外供二次能源為代價的。
眾所周知，高爐煉鐵是鋼鐵生產中能耗最高的工序，耗能量占鋼鐵生產總耗能量的35％左右，國內鋼鐵企業已經注意到煉鐵工序二次能源合理利用的重要性。高爐煤氣發電、高爐煤氣余壓回收(TRT)、高爐熱風爐余熱回收等節能技術已經被廣泛采用，但是，這些技術的應用互相獨立，缺乏統一規劃，未能突破高爐以降低噸鐵能量消耗為目標的禁錮，未能改變高爐以鐵為中心的面貌(趙沛，蔣漢華，《鋼鐵冶金能源技術分析》北京冶金工業出版社，2002)。
近來，國際上開發了整體煤氣化聯合循環(IGCC-IntegratedGasification Combined Cycle)，它是將煤氣化技術和高效的聯合循環發電技術相結合，其結果是煤的發電效率顯著提高，SOX和NOX的排放大幅度減少，其缺點是發電成本偏高，難以大面積推廣(段立強，林汝謀，金紅光，蔡睿賢。《燃氣輪機技術》，2000，13(3)9-17)。
該方法貫徹了能量梯級利用原則和總能系統的概念。
在高爐煉鐵過程中，除了產生鐵水和爐渣以外，還會產生大量煤氣(每生產1噸鐵水能產生2噸以上的煤氣)，這些煤氣除一部分用于熱風爐燃燒外，其它的輸入到聯合循環發電系統用于發電，聯合循環發電系統在發電的同時還驅動空氣壓縮機，為制氧和熱風爐燃燒提供壓縮空氣，制氧機產生的氧氣通過高爐送風系統進入高爐，這樣就形成高爐、聯合循環發電和制氧互動的良性的多聯產系統和流程。具體描述如下本發明整體高爐聯合循環方法的工藝流程圖如附圖1所示，圖中除已標明的文字外，1為高爐，2為熱風爐，3為中溫除塵，4為冷卻器，5為燃氣輪機燃燒室，6為煤氣壓縮機，7為空氣壓縮機，8為燃氣輪機，9為蒸汽輪機，10為發電機，11為余熱回收鍋爐，12為冷凝器，13為冷卻塔，14為制氧機，15為高爐送風管道。它們之間的連接關系如圖中連線和箭頭所示。具體的工藝流程為高爐1產生的粗煤氣經中溫除塵3除塵后成為潔凈煤氣，除塵后煤氣含塵量要求小于5mg/Nm3，除塵灰通過噴吹系統返回高爐，而潔凈煤氣經冷卻器4冷卻降溫降至100℃以下，之后一部分煤氣被送入熱風爐2用于預熱高爐鼓風，其余的煤氣進入煤氣壓縮機6，使潔凈煤氣壓縮到合適的壓縮比1.5～2MPa，接著，壓縮的煤氣進入燃氣輪機燃燒室5，與由空氣壓縮機7壓進的空氣進行混合、燃燒，燃燒生成的高溫高壓氣體膨脹，推動燃氣輪機8做功，帶動發電機10發電。
燃氣輪機8排出的高溫廢氣以及熱風爐燃燒廢氣進入余熱回收鍋爐11，冷卻器4的冷卻水和余熱回收鍋爐的供水系統連接，余熱回收鍋爐11產生的蒸汽，推動蒸汽輪機9做功，進而帶動發電機10發電。即余熱回收鍋爐不僅負責回收燃氣輪機排出的高溫廢氣的顯熱，同時負責回收高爐熱風爐燃燒廢氣和爐頂煤氣的顯熱。燃氣輪機8排出的高溫廢氣溫度為500-600℃，熱風爐的燃燒廢氣溫度為400-500℃。
燃氣輪機8在運行時，同軸驅動空氣壓縮機7和煤氣壓縮機6，空氣壓縮機7為高爐鼓風、制氧機14制氧、熱風爐2燃燒和燃氣輪機燃燒室的燃燒提供所需的壓縮空氣。制氧機14產生的氧氣進入高爐送風管道15中，和熱風混合后進入高爐，使高爐鼓風中的含氧量達到30％以上。相應地高爐鼓風溫度可控制在800℃以下。
高爐鼓風富氧率的提高可以改善于高爐風口回旋區的燃燒條件，為此可在高爐風口噴吹熔劑，另一方面，提高理論燃燒溫度，一般認為鼓風富氧率每提高1％，理論燃燒溫度可以增加50℃。因此，通過富氧鼓風可以使高爐風口接受更多的物料噴吹(包括溶劑)。另一方面，富氧鼓風還可以減少爐身煤氣中N2的含量，促進高爐塊狀區的還原反應。
隨著高爐鼓風中含氧量的提高，冶煉每噸鐵所需要的鼓風量減少。因此，在富氧鼓風條件下，當高爐保持和無富氧鼓風時相同的鼓風流量時，高爐的產鐵量可以增加，由此可見，富氧鼓風是提高高爐冶煉強度的有效手段。
本發明中采用空氣壓縮機7向高爐鼓風，因此高爐可以得到更高的操作壓力，爐頂壓力一般可以超過0.4MPa。經驗表明，高爐爐頂壓力每提高0.01MPa，冶煉強度提高約1.1％。高爐高壓操作可以減少煤氣速度，降低料床的壓力損失，有利于高爐順行。此外，高壓操作可以減少煤氣中溫除塵系統的過濾面積，改善煤氣降溫系統的工況條件。
為了保證爐頂設備的正常運行，要求高爐爐頂粗煤氣的溫度控制在400℃以下。采用本發明所述的方法，高爐鼓風中含氧量要求在30％以上，鼓風溫度在800℃以下，噴煤量可大于250kg/t鐵水，高爐爐頂壓力大于0.4MPa，高爐利用系數≥5.0(t/day.m3)，可以提高50％以上，發電量可以超過1000kWh/t鐵水。
與現有技術相比，本發明具有以下優點1、高爐既是煉鐵爐也是造氣爐，因此，可大大降低建設和維護費用。在整體煤氣化聯合循環(IGCC)流程中，煤氣化部分的投資占電站總投資的42～47％。
2、由于采用富氧鼓風和高壓操作，高爐的產鐵效率顯著提高，可以提高50％以上。
3、整體高爐聯合循環可以大大降低發電和制氧成本，整體綜合經濟效益大大提高。
4、爐煤氣出口溫度較低(一般低于400℃)，遠低于整體煤氣化聯合(IGCC)中造氣島煤氣的出口溫度(700～1500℃)，因此，容易采用采用中溫除塵技術，同時煤氣顯熱回收系統可以簡化。
5、鋼鐵企業本身也是用電大戶，一般需要建自備電廠，本發明所產生的電力很大一部分可以就地消化。
6、與整體煤氣化聯合循環(IGCC)比較，本發明可以省掉煤氣脫硫工藝。因為高爐具有很強的造渣脫硫能力，一般認為脫硫率可以達到90％以上，煤氣帶走的硫很少。這主要得益于硫在高爐內的循環現象，即從煤和焦碳中生成的硫化物在隨煤氣上升過程中，會被爐料吸收并帶到高爐下部，最終被爐渣和鐵水吸收。
7、由于高爐鼓風溫度控制在800℃以下，故熱風爐系統的裝備可以簡化，對耐火材料材質的要求也可以低些，這些因素致使投資和成本可減少。
8、由于用燃氣輪機系統同軸驅動的空氣壓縮機提供高爐的鼓風，不僅提高了能源利用效率，而且鼓風的壓力提高，使高爐保持更高的爐頂壓力，有利于高爐煉鐵和造氣的強化和煤氣處理系統的簡化。
附圖1為本發明整體高爐聯合循環方法的工藝流程圖。
圖中除已標明為文字外，1為高爐，2為熱風爐，3為中溫除塵，4為冷卻器，5為燃氣輪機燃燒室，6為煤氣壓縮機，7為空氣壓縮機，8為燃氣輪機，9為蒸汽輪機，10為發電機，11為余熱回收鍋爐，12為冷凝器，13為冷卻塔，14為制氧機，15為高爐送風管道。它們之間的連接關系如圖中連線和前頭所示。
實施例采用本發明所述的方法，在300立方米的高爐及其附圖1所示的相應配套裝置上，根據其工藝流程，進行了3次整體高爐聯合循環試驗，即高爐鐵煉、燃氣和蒸氣聯合循環發電、以及制氧同時進行，互動循環。高爐煉鐵所產生的粗煤氣的成分、煤氣量及煤氣出口溫度如表1所示。粗煤氣經中溫除塵后成為潔凈煤氣，隨即進行冷卻降溫，除塵后煤氣的含塵量和冷卻降溫后煤氣的溫度列入表3中。潔凈煤氣降溫后，一部分進入熱風爐，另一部分則進入煤氣壓縮機，接著進入燃氣輪機燃燒室進行燃燒，高溫高壓燃氣膨脹，推動燃氣輪機做功，進而帶動發電機發電，燃氣輪機排出的高溫廢氣和熱風爐的燃廢氣同時進入余熱回收鍋爐，所產生的蒸汽推動蒸氣輪機做功，帶動發電機發電。燃氣輪機排出的高溫廢氣的溫度和熱風爐燃燒廢氣的溫度也列入表3中。燃氣輪機在運行的同時，驅動煤氣壓縮機和空氣壓縮機，而空氣壓縮機則為制氧機、高爐鼓風和熱風爐等提供所需的壓縮空氣。制氧機制備的氧氣隨高爐鼓風進入高爐中，與此同時，向高爐噴吹煤粉，高爐鼓風中的含氧量、高爐鼓風風溫、噴煤量及爐頂壓力等高爐操作參數如表2所示，高爐產鐵量和燃氣輪機及蒸汽輪機聯合循環發電量也列入表2和表3中。
表1粗煤氣成分、溫度和流量序煤氣量NM3/T 爐頂煤氣煤氣成分，VOL％號鐵水 溫度℃CO CO2N2H212020298 30.920.844.24.122011300 32.220.142.94.832007289 34.7 21 39.25.1表2高爐操作參數序 鼓風含氧量 鼓風溫度噴煤量爐頂壓力利用系數號vol％℃ kg/t鐵水 MPat/day.m31 30％7982670.42 5.112 31％7602770.43 5.33 33％7202900.42 5.5表3煤氣處理和發電系統操作參數序 潔凈煤氣含塵量 冷卻后煤氣溫 燃機廢氣溫度 余熱鍋爐廢氣溫 發電量號 g/Nm3度℃ ℃ 度℃ kWh/t鐵水1 4.4 82570 86 10202 4.6 88567 87 11003 4.2 90560 89 1200
權利要求
1.一種整體高爐聯合循環方法，其特征在于在高爐煉鐵系統中集成了制氧系統和聯合循環發電系統，即該方法包括煉鐵、發電和制氧。①由高爐煉鐵(1)產生的粗煤氣經中溫除塵(3)后成為潔凈煤氣，潔凈煤氣經冷卻器(4)冷卻降溫降至小于100℃，隨后一部分煤氣進入熱風爐(2)，其余的進入煤氣壓縮機(6)，使潔凈煤氣壓縮到合適的壓縮比1.5～2MPa，接著進入燃氣輪機系統的燃燒室(5)，與由空氣壓縮機(7)壓進的空氣混合燃燒，燃燒生成的高溫高壓氣體膨脹，推動燃氣輪機(8)做功，帶動發電機(10)發電；②燃氣輪機(8)排出的高溫廢氣以及熱風爐(2)的燃燒廢氣進入到余熱回收鍋爐(11)，余熱回收鍋爐(11)所產生的蒸汽，推動蒸汽輪機(9)做功，帶動發電機(10)進行發電，冷卻器(4)用余熱回收鍋爐的給水作為冷卻介質；③燃氣輪機系統同軸驅動空氣壓縮機(7)和煤氣壓縮機(6)，空氣壓縮機(7)為高爐鼓風、制氧機(14)制氧、熱風爐燒爐和燃氣輪機燃燒室(5)燃燒提供所需要的壓縮空氣；④制氧機(14)產生的氧氣在熱風爐(2)后進入高爐送風管道(15)中，使高爐鼓風的含氧量達到30％以上。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于中溫除塵(3)所產生的除塵灰通過煤粉噴吹系統返回高爐。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于高爐產生的粗煤氣溫度要求小于400℃。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于粗煤氣經中溫除塵后，煤氣含塵量要求小于5mg/Nm3。
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于燃氣輪機(8)排出的高溫廢氣溫度為500-600℃，熱風爐(2)的燃燒廢氣溫度為400-500℃。
6.根據權利要求1所述的方法，其特征在于高爐鼓風溫度控制在800℃以下。
7.根據權利要求1所述的方法，其特征在于高爐爐頂操作壓力大于0.4MPa。
8.根據權利要求1所述的方法，其特征在于高爐風口可以噴吹溶劑。
9.根據權利要求1所述的方法，其特征在于余熱回收鍋爐不僅負責回收燃氣輪機排出的高溫廢氣的顯熱，同時負責回收高爐熱風爐燃燒廢氣和爐頂煤氣的顯熱。
10.根據權利要求1所述的方法，其特征在于燃氣輪機系統同軸驅動的空氣壓縮機為高爐提供鼓風。
全文摘要
本發明屬于冶金和能源領域，主要涉及高爐煉鐵、發電和制氧。本發明整體高爐聯合循環方法，是在高爐煉鐵系統中集成了制氧系統和聯合循環發電系統。由高爐煉鐵產生的煤氣經除塵、降溫和壓縮后，進入燃氣輪機的燃燒室燃燒，燃燒產生的高溫氣體膨脹、推動燃氣輪機做功，帶動發電機發電，燃氣輪機排出的高溫廢氣及熱風爐的燃燒廢氣進入余熱鍋爐，所產生的蒸汽推動蒸汽輪機做功，帶動發電機發電；燃氣輪機系統同軸驅動的空氣壓縮機為高爐鼓風、制氧等提供壓縮空氣，制氧系統產生的氧氣混入到高爐鼓風中，使高爐實現富氧鼓風，如此，高爐煉鐵、聯合循環發電和制氧形成互動的多聯產流程。
文檔編號C21B5/00GK1434132SQ0310488
公開日2003年8月6日 申請日期2003年2月21日 優先權日2003年2月21日
發明者尹建威, 蔡寧生, 齊淵洪, 李宇紅, 張春霞, 李振山 申請人:鋼鐵研究總院, 清華大學