專利名稱：一種加熱高濃度一氧化碳等還原氣體的工藝及其裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及非高爐煉鐵即直接還原和熔融還原領域，涉及一種含高濃度一氧化碳和氫氣等還原氣體的加熱工藝及其裝置。加熱高濃度一氧化碳和氫氣的還原氣的目的是用于豎爐生產直接還原鐵，或者用高爐噴吹高濃度的還原氣。
背景技術：
高濃度一氧化碳氣體的加熱工藝及方法，在各種直接還原和熔融還原工藝中均是工藝難點之一。專業人士周知，在現有的各種熔融還原工藝技術中，熔融還原煉鐵工藝都產生較大流量的、含有較高濃度一氧化碳和氫氣的還原氣，俗稱之為熔融還原爐尾氣或剩余煤氣。例如COREX熔融還原工藝產生的尾氣量約為1600～1800NM3/t，Hismelt熔融還原工藝產生的尾氣量約為2000～2400NM3/t。如何利用熔融還原工藝的剩余煤氣，將直接影響到熔融還原煉鐵工藝技術的合理性和競爭力。在眾多的利用方案中，利用熔融還原工藝的剩余煤氣生產直接還原鐵或海綿鐵就是其中的一個方案。
利用熔融還原工藝的剩余煤氣即還原氣生產直接還原鐵或海綿鐵，在還原氣凈化處理后，有一道重要的工序是需要將還原氣加熱升溫到一定的溫度。還原氣加熱工藝方法有間接加熱法或直接加熱法。一種典型的間接加熱法是，還原氣在金屬管道通過，與金屬管道外熱介質換熱，從而提升溫度。此種加熱方法的優點是，還原氣的品質或一氧化碳和氫氣的濃度在加熱過程中不發生變化，但此種方法的缺點是還原氣在一定的溫區易析碳。
各種化合物在一定的條件下產生元素碳的反應稱之為析碳反應。在有CO，H2，CO2，CH4等混合氣體的場合，在一定的條件下會依照下列反應產生元素碳。
...............(1)
...............(2).................(3)多種試驗證明了含有一氧化碳氣體成分的還原煤氣加熱過程中，析碳反應在400～700℃溫區不可避免地產生，尤其在金屬鐵或催化劑存在的條件下為甚。析碳反應的直接后果是，不僅還原氣的品質受到影響，而且用于輸送加熱還原氣的金屬管如高溫合金鋼管基質變脆，高溫性能惡化，在一定的溫度和壓力條件下，其壽命大大縮短，嚴重時導致氣體泄漏，產生安全事故。
針對上述問題，人們對加熱含有高濃度一氧化碳氣體的加熱工藝提出了許多工藝方法。中國專利CN1167506A中發明的生產海綿鐵的方法及實施該方法的裝置中，采用了二步法加熱還原氣的工藝。即將含有一氧化碳和氫氣的還原氣，首先用換熱器的方式將還原氣加熱至400℃，然后再用氧氣直接燃燒還原氣的方法提升還原氣自身的溫度。這樣就回避了400～700℃條件下還原氣析碳反應。但這一工藝的缺點是明顯的，它在第二步的燃燒加熱過程中，一氧化碳和氫氣部分燃燒的結果是，還原氣的氧化度大大提高，從而降低了還原氣的品質，直接影響后續的直接還原工藝的效率和豎爐的利用系數。
中國專利CN1275624A闡述了一種煤造氣生產海綿鐵的工藝方法。在該方法中，提及了用2個并聯的加熱爐加熱還原煤氣的工藝，兩個加熱爐交退蓄熱和換熱，由加熱爐的蓄熱石球將還原氣加熱到所需的溫度范圍例如800～1000℃。該方法的缺陷是，直熱采用冷還原煤氣進入球床換熱，石球換熱溫差大，下部石球粉化嚴重，嚴重影響煙道閥密封，球式熱風爐的漏風率與燒爐時煙氣的含塵量密切相關，故該方法從煙道閥漏掉的還原氣較多。另外，該方法中，直接用冷煤氣和助燃空氣燒爐升溫，不僅熱風爐燃燒加熱周期加長，換熱周期也短，整個加熱爐工序能耗較高。
中國專利CN1570152A提及了一種用純高爐煤氣獲取高風溫的方法。該方法的主要特征是如何利用低熱值的高爐煤氣獲得高風溫用于高爐煉鐵。它的加熱對象是空氣而非還原氣。該方法的另一項特征是，利用了前置預熱技術，對助燃空氣進行二步預熱，來提高球式熱風爐的理論燃燒溫度，進而提高熱風爐拱頂區溫度至1300～1350℃，從而使風溫達到1200℃這一大型高爐的風溫水平，同時也提高了熱風爐的熱效率。應當注意到，加熱還原煤氣與加熱空氣有諸多重大區別空氣加熱不存在析碳反應，所以該方法對需換熱的介質“空氣”并不預熱。該方法也未提及如何降低球床的粉化率從而改善煙道閥的密封性能這一問題。而這對球式熱風爐在加熱還原氣時是十分重要的，因為此時漏風，則意味著直接有一部分還原氣從煙道中損失。
發明內容
本發明是針對現有技術不足，而提供一種加熱還原氣體的工藝及其裝置，用于豎爐直接還原工藝。其特征是，一種加熱高濃度一氧化碳和氫氣等還原氣體的工藝，包括如下步驟a)利用溫度為250～320℃熱風爐煙氣對助燃空氣和燃燒煤氣進行一次前置預熱，將其溫度提升至130～150℃；對助燃空氣、燃燒煤氣進行預熱，改善和提高熱風爐的熱效率；b)將冷還原氣體進行第一次前置預熱，利用溫度為250～320℃熱風爐煙氣在熱管換熱器中換熱，將其溫度提升至130～150℃；c)球式熱風爐進行燃燒蓄熱操作，用一次前置預熱的助燃空氣和燃燒煤氣進行燒爐，產生1200～1300℃的高溫煙氣，將經過第一次前置預熱的還原氣體進入球式熱風爐，與高溫煙氣與球式熱風爐球床換熱，還原氣溫度從130～150℃升溫至850～950℃。
進一步，還可以對冷還原煤氣進行二步前置換熱，即通過煙氣發生器燃燒一部分經預熱的助燃空氣和燃料煤氣，產生溫度約800～900℃的煙氣，該煙氣與熱風爐煙道廢氣混合，進行插入件或單管式換熱器，在換熱器中將還原氣體溫度從130～150℃升溫至400℃左右，再將還原氣體送入球式熱風爐進行換熱升溫，將溫度提升至豎爐還原所需的溫度1100-1200℃。對冷還原煤氣進行二步前置換熱，有助于克服還原氣加熱升溫過程中在熱風爐中下部的球床中的析碳反應，從而實現利用球式熱風爐長期穩定加熱還原煤氣的工藝方法。
又，換熱時用氮氣對爐內氣氛進行置換，以提高還原氣換熱時熱風爐的安全性。
本發明的一種用于還原氣體加熱的球式熱風爐，包括爐體，其設有一腔體，腔體上部為燃燒室，分別經熱風閥與熱風管道、陶瓷燃燒器與助燃空氣以及燃燒煤氣管道相連通；腔體中部為球床區，裝設蓄熱體；腔體下部設一氣體通道，還原氣體進氣通道、煙氣排出通道；并裝設有爐箅子、爐箅管除塵系統熱風爐爐體包括燃燒室、蓄熱球床和具有除塵功能的爐箅子系統；所述的還原氣體進氣通道、煙氣排出通道分設于氣體通道兩側。
進一步，所述的煙氣排出通道口與爐箅管煙氣出口形成一高度差，使煙氣排出時形成先向下流動再突然掉頭向上流動，對煙氣中的粉塵進行分離。
所述的蓄熱體為高鋁、剛玉瓷球或鎂鋁球。
二段式球床，在熱風爐中下部的400～700℃溫區采用表面致密的剛玉瓷球而非多孔體的高鋁質球，以避免還原氣析碳反應導致碳滲入石球，以防止石球粉化現象發生。蓄熱球床中上部采用φ40～80mm鎂鋁球蓄熱，以防止高溫煙氣的粘結反應。
還設有氣體分配導向錐，固定于爐箅子上部，用于還原氣入球床換熱時氣流的均勻分布，從而延長換熱送風時間。。
在球式熱風爐烘頂部位增設安全防爆閥，防爆閥的安全壓力與還原氣最高壓力波動范圍的上限值一致。
對球式熱風爐進行燃燒蓄熱操作，用一次前置預熱的助燃空氣和燃燒煤氣進行燒爐，產生1200～1300℃的高溫煙氣，高溫煙氣與球床換熱后，溫度降低至250～320℃，經爐箅子，進入爐箅管，在爐箅管出口處改變方向后，排入廢氣煙道。煙氣中的粗顆粒粉塵進入爐箅底部的粉塵收集裝置，定期排出。
本發明與現有技術比較，本發明的優點是(1)本發明是一種采用頂燃式熱風爐加熱還原煤氣的工藝方法，其特征為，改進型的球式熱風爐爐底結構。熱風爐爐箅子上部設置三角形還原氣分配導向錐，用于還原氣入球床換熱時氣流的均勻分布，延長換熱送風時間15％以上。二段式球床，在熱風爐中下部的400～700℃溫區采用表面致密的剛玉瓷球而非多孔體的高鋁質球，以避免還原氣析碳反應導致碳滲入石球，防止了石球粉化現象發生。采用具有除塵功能的爐箅子系統，對球床仍難以避免產生的石球粉塵進行分離，除塵效率達60％以上，保護煙道切斷閥，防止了漏氣現象發生。
(2)還原氣經二次前置預熱至400℃，降低了在球床下部400～700℃范圍內溫區的換熱溫差350℃以上，避免或極大改善析碳反應在球體中產生。并延長換熱時間30％以上。另外，與部分燃燒升溫方法相比，還原氣在加熱升溫過程中，還原氣的品質幾乎不發生變化。
(3)采用助燃空氣，燃燒煤氣的前置預熱工藝，所用預熱介質源于熱風爐燒爐的廢煙氣，提高燒爐升溫的熱效率，并將其與改進型頂燃球式熱風爐組合一起，降低了還原氣加熱升溫的成本。
(4)為了提高頂燃式球式熱風爐在加熱還原煤氣時的安全性，在球式熱風爐烘頂部位增設防爆閥，防爆閥的安全壓力與還原氣最高壓力波動范圍的上限值一致。為了提高還原氣換熱時熱風爐的安全性，換熱時用氮氣對爐內氣氛進行置換。
圖1為本發明一實施例的工藝流程圖；圖2為本發明的球式熱風爐的結構示意圖。
具體實施例方式
參見圖1，本發明的實施例1。
本實施加熱H2/CO比為0.7的還原氣，其中CO+H2≥92％，其成分見表1。采用2座或2座以上的球式熱風爐加熱還原煤氣。由助燃空氣風機1鼓出的空氣經風量調節閥16進行換熱器2，換熱器2可以是單管型或多管型熱管換熱器，換熱介質是為250～320℃熱風爐煙氣，助燃空氣換熱后溫度升至130～150℃，冷燃燒煤氣3也經過管式換熱器換熱后溫度升至130～150℃，經前置預熱的空氣和燃氣，除一小部分經閥28和閥29被用于煙氣發生器燃燒外，全部用于熱風爐的蓄熱燒爐操作。助燃空氣經蝶閥30、燃氣經燃氣閥31混合后進入陶瓷燃燒器32進行燃燒。10是改進型的頂燃式球式熱風爐，助燃空氣和燃燒煤氣燃燒后產生的溫度為1250～1400℃的高溫煙氣加熱球床，自身冷卻到250～320℃經爐箅子除塵管系統排和煙道閥35排至煙道。煙氣經爐箅子時的含塵量約為500mg/Nm3，煙氣經除塵管后突然改變方向排至煙道管，煙氣中的粗顆粒粉塵則因方向的急劇改變來不及跟上而落入除塵管底部的粉塵收集裝置。煙道中的煙氣由煙囪14排至大氣中。
需加熱的冷還原氣先進行二次前置預熱，冷還原氣5經閥24進入管式換熱器6，管式換熱器6的換熱介質仍為來自抽煙機9的煙道氣。冷還原氣換熱后溫度升至130～150℃，經閥27進入插件式換熱器7，溫度進一步升至400℃左右，再經閥33進入熱風爐換熱。為了提高還原氣換熱時熱風爐的安全性，換熱時用氮氣對爐內氣氛進行置換。在熱風爐內還原氣在熱風爐中下部快速升溫至700℃以上，再入上部球床升溫至1050～1150℃，經熱風閥39送至熱風管道，在熱風管道中與調溫用冷還原氣12進行混合后形成溫度合適的熱還原氣13，再送至豎爐。經二次前置后的還原氣送“風”時間較冷還原氣直接換熱“送風”時間延長至130％以上。
表1 實施例1的溫度和成分變化
熱風爐11與熱風爐10互相切換使用，即當熱風爐10處于加熱還原氣狀態或俗稱的送風狀態時，熱風爐11處于燃燒蓄熱狀態或等待狀態。反之亦然。
實施例2本實施加熱H2/CO比為1.58的還原氣，其中CO+H2≥92％。采用2座或2座以上的球式熱風爐加熱還原煤氣。由助燃空氣風機1鼓出的空氣經風量調節閥16進行換熱器2，換熱器2可以是單管型熱管換熱器或多管型熱管換熱器，換熱介質是為250～320℃熱風爐煙氣，助燃空氣換熱后溫度升至130～150℃，冷燃燒煤氣3也經過管式換熱器換熱后溫度升至130～150℃，經前置預熱的空氣和燃氣，除一小部分經閥28和閥29被用于煙氣發生器燃燒外，全部用于熱風爐的蓄熱燒爐操作。助燃空氣經蝶閥30、燃氣經燃氣閥31混合后進入陶瓷燃燒器32進行燃燒。10是改進型的頂燃式球式熱風爐，助燃空氣和燃燒煤氣燃燒后產生的溫度為1250～1400℃的高溫煙氣加熱球床，自身冷卻到250～320℃經煙道閥35排至煙道，并由煙囪14排至大氣中。
需加熱的冷還原氣先進行二次前置預熱，冷還原氣5經閥24進入管式換熱器6，管式換熱器6的換熱介質仍為來自抽煙機9的煙道氣。冷還原氣換熱后溫度升至130～150℃，經閥27進入插件式換熱器7，溫度進一步升至400℃左右，再經閥33進入熱風爐換熱。為了提高還原氣換熱時熱風爐的安全性，換熱時用氮氣對爐內氣氛進行置換。在熱風爐內還原氣在熱風爐中下部快速升溫至700以上，再入上部球床升溫至1050～1150℃，經熱風閥39送至熱風管道，在熱風管道中與調溫用冷還原氣12進行混合后形成溫度合適的熱還原氣13，再送至豎爐。
表2 實施例2的溫度和成分變化
再請參見圖2，本發明的一種用于還原氣體加熱的球式熱風爐10，包括爐體，其設有一腔體100，腔體上部為燃燒室101，分別經熱風閥20與熱風管道、陶瓷燃燒器30與助燃空氣以及燃燒煤氣管道相連通；腔體中部102為球床區，裝設蓄熱體40；腔體下部103設一氣體通道50，還原氣體進氣通道60、煙氣排出通道70；并裝設有爐箅子80、爐箅管除塵系統90，所述的還原氣體進氣通道60、煙氣排出通道70分設于氣體通道50兩側。
所述的蓄熱體40為高鋁、剛玉瓷球或鎂鋁球。
還設有氣體分配導向錐110，固定于爐箅子80上部，用于還原氣入球床換熱時氣流的均勻分布，從而延長換熱送風時間。
在球式熱風爐爐體10拱頂部位增設防爆閥120；爐體100蓄熱體1012處還開有供蓄熱體1012如高鋁、剛玉瓷球或鎂鋁球等置換的泄料130；爐體100氣體通道104底部還開有泄灰口140。
權利要求
1.一種加熱高濃度一氧化碳等還原氣體的工藝，包括如下步驟a)利用溫度為250～320℃熱風爐煙氣對助燃空氣和燃燒煤氣進行一次前置預熱，將其溫度提升至130～150℃；b)將冷還原氣體進行第一次前置預熱，利用溫度為250～320℃熱風爐煙氣在熱管換熱器中換熱，將其溫度提升至130～150℃；c)球式熱風爐進行燃燒蓄熱操作，用一次前置預熱的助燃空氣和燃燒煤氣進行燒爐，產生1200～1300℃的高溫煙氣，將經過第一次前置預熱的還原氣體進入球式熱風爐，與高溫煙氣與球式熱風爐球床換熱，還原氣溫度從130～150℃升溫至850～950℃。
2.如權利要求1所述的加熱高濃度一氧化碳等還原氣體的工藝，其特征是，通過煙氣發生器燃燒一部分經預熱的助燃空氣和燃料煤氣，產生溫度約800～900℃的煙氣，該煙氣與熱風爐煙道廢氣混合，進行插入件或單管式換熱器，在換熱器中將還原氣體溫度從130～150℃升溫至400℃左右；再將還原氣體送入球式熱風爐進行換熱升溫，與熱風爐內的球體進行換熱，將溫度提升至1050-1200℃。
3.如權利要求1所述的加熱高濃度一氧化碳等還原氣體的工藝，其特征是，加熱后的熱還原氣與一部分冷還原氣進行混“風”操作，得到最終用途所需的適宜溫度850～950℃。
4.如權利要求1所述的加熱高濃度一氧化碳等還原氣體的工藝，其特征是，換熱時用氮氣對爐內氣氛進行置換。
5.如權利要求1所述的加熱高濃度一氧化碳等還原氣體的工藝，其特征是，還原氣加熱后最終溫度經兌入熱風管道的冷還原氣調節到最終用途所需的適宜溫度850～950℃。
6.一種用于還原氣體加熱的球式熱風爐，其包括，爐體，其設有一腔體，腔體上部為燃燒室，分別經熱風閥與熱風管道、陶瓷燃燒器與助燃空氣以及燃燒煤氣管道相連通；腔體中部為球床區，裝設蓄熱體；腔體下部設一氣體通道，還原氣體進氣通道、煙氣排出通道；并裝設有爐箅子、爐箅管除塵系統；其特征是，所述的還原氣體進氣通道、煙氣排出通道分設于氣體通道兩側。
7.如權利要求6所述的球式熱風爐，其特征是，所述的煙氣排出通道口與爐箅子煙氣出口形成有一高度差。
8.如權利要求6所述的球式熱風爐，其特征是，所述的蓄熱體為高鋁、剛玉瓷球或鎂鋁球。
9.如權利要求6所述的球式熱風爐，其特征是，還設有氣體分配導向錐，固定于爐箅子上部。
10.如權利要求6所述的球式熱風爐，其特征是，爐體烘頂部還設有防爆閥。
全文摘要
一種加熱高濃度一氧化碳等還原氣體的工藝，包括如下步驟a.利用熱風爐煙氣對助燃空氣和燃燒煤氣進行一次前置預熱，將其溫度提升至130～150℃，并用上述預熱后的氣體用于熱風爐的燃燒蓄熱操作；b.將冷還原氣體進行第一次前置預熱，利用熱風爐煙氣在熱管換熱器中換熱，將冷還原氣體的溫度提升至130～ 150℃；再將經過第一次前置預熱的還原氣體進入球式熱風爐，與蓄熱球床換熱，還原氣體溫度升溫至850～950℃。或，對冷還原煤氣進行二次前置換熱，將其溫度提升至400℃，再送入球式熱風爐，與球床換熱后達到所要求的溫度，以克服還原氣體加熱升溫過程中的析碳反應，從而實現利用球式熱風爐長期穩定加熱還原氣體。
文檔編號C21B9/00GK1888086SQ200510027398
公開日2007年1月3日 申請日期2005年6月30日 優先權日2005年6月30日
發明者李永全 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司