來自離子傳送膜的氧氣在高爐中的使用的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種將氧氣生產與高爐操作集成在一起的方法。加熱的空氣流被引入至離子傳送膜分離器，產生滲透流和滲余流。滲透流和動力流被引入至噴射器-射流泵，產生富氧流。該富氧流被引入至高爐中。在本發明的另一實施例中，滲透流和蒸汽動力流被引入至噴射器-射流泵。加熱的空氣進入流被引入至一系列串聯的離子傳送膜分離器，產生一系列滲透流和一系列滲余流，其中，每個滲余流用作隨后的離子傳送膜分離器的輸入流。由此，產生一系列富氧流，該一系列富氧流結合到一起并且被引入至高爐中。
【專利說明】來自離子傳送膜的氧氣在高爐中的使用
【背景技術】
[0001]高爐是具有附加在類似熔鍋(crucible-like)的爐缸上的豎直爐身的高爐身類型的爐。將含鐵料(鐵礦石、燒結礦、球團礦、軋屑、煉鋼渣、廢料等等)、焦炭和熔劑(石灰石和白云石)裝入到爐身頂部中。將一股加熱的空氣以及還有在大多數情況下為氣態的、液態的或粉末狀的燃料引入通過在正好位于爐缸上方的爐身底部處的開口。加熱的空氣使注入的燃料和許多從頂部裝入的焦炭燃燒，以產生工藝過程所需的熱量并且提供將氧從礦石中移除的還原氣體。還原得到的鐵熔化并且向下行進至爐缸的底部。熔劑與礦石中的雜質結合產生爐渣，該爐渣同樣在爐缸中熔化并且積聚在液態鐵的上部。鐵和爐渣通過出鐵口從高爐中排出。
[0002]由爐頂氣體/爐頂煤氣(top gas)處理裝置控制的爐頂壓力對于非常大的爐而言可高達(40-50psig(磅/平方英寸))，并且鼓風空氣(blast air)中富含有鼓風中總氧量的高達40%的氧。在鼓風口的入口處的壓力取決于受控的爐頂壓力和原材料的質量，并且對于非常大的聞爐而目可聞達60psig。氧的富集減少了每噸鐵所需要的空氣量，并因此減少了所產生的高爐爐頂氣體的量。
[0003]離子傳送膜(ITM)包括在1475-1650F的高溫下傳導氧離子的離子-混合式傳導陶瓷氧化物。空氣被壓縮至大約230psia、加熱至1650F并且送入到ITM。熱的氧氣滲透通過膜。滲透壓力必須保持在低水平以提供穿過膜的氧分壓驅動力。通常，50%至80%的氧回收率是可能的。
【發明內容】
[0004]本發明是一種將氧氣生產與高爐操作集成在一起的方法。壓縮的空氣流分成高爐空氣流和ITM空氣流。高爐空氣流與富氧流結合并且該結合的流被引入至高爐熱風爐(stove)中。結合的氣體然后在高爐熱風爐中加熱，從而產生熱的高爐空氣流，該熱的高爐空氣流分成熱的熱交換流和旁通的加熱流。ITM空氣流被引入至熱交換器中，在該熱交換器中該ITM空氣流與旁通的熱的熱交換流交換熱量，從而產生冷卻的熱交換流和溫熱的ITM流。冷卻的熱交換流然后與旁通的加熱流再結合并且被引入至高爐中。溫熱的ITM流分成ITM進入流和動力流。ITM進入流被引入至離子傳送膜分離器中，從而產生滲透流和滲余流(retentate stream)。滲透流和動力流被引入至噴射器-射流泵中，從而產生富氧流,該富氧流被引入至高爐中。或者，蒸汽流可用作噴射泵的動力流。
[0005]提供了采用一系列噴射器-射流泵的系統。加熱的空氣進入流被引入至一系列串聯的離子傳送膜分離器中，從而產生一系列滲透流和一系列滲余流，其中，每個滲余流用作隨后的離子傳送膜分離器的輸入流。滲透流被引入至采用動力流作為動力流體的一系列的噴射器-射流泵中，從而產生一系列富氧流，該一系列富氧流結合成結合的富氧流，該結合的富氧流被弓I入至高爐中。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0006]圖1是本發明的一個實施例的示意圖。
[0007]圖2是本發明的一個實施例的示意圖。
【具體實施方式】
[0008]在下文中描述了本發明的示例性實施例。然而本發明可具有各種改型和替代形式，本發明的特定實施例作為示例在附圖中示出并且在本文中得以詳細地描述。然而應當理解的是，本文中對特定實施例的描述并非意在使本發明限于所公開的特定形式，而正相反，本發明旨在涵蓋落入由所附權利要求書限定的本發明的精神和范圍內的所有改型、等同方案和替代方案。
[0009]當然，應理解的是，在對任何一種上述實際實施例的開發中，應當做出多個具體實施決策以實現開發者的特定目標，例如，符合與系統相關和與商業相關的限制，而這些限制在每個實施方案中各不相同。此外應當理解的是，這樣的開發工作可能是復雜的并且耗時的，然而對于享有本發明益處的所屬領域的技術人員而言則是日常工作。
[0010]為了減少對氧氣的壓縮需求，提供了多級的膜系統。在連續降低的壓力下提取出氧氣。
[0011]在一個非限制性示例中，可在30、16、10和7psia的壓力下提取出氧氣。在這些級處所期望的O2回收率分別為27%、39%、20%和14%。在此示例中，熱氧氣所需的壓力為60psia。在每一級處設置有噴射器。用于前兩級的噴射器由壓縮至145-230psia的熱鼓風空氣驅動。后兩級的噴射器由580psia的蒸汽驅動。驅動器的動力的選擇取決于高爐所需要的熱鼓風空氣和蒸汽的量。噴射器還可串聯/平行地布置以優化驅動噴射器的動力流的量。在此示例中，噴射器3和4供應至噴射器2。可基于所需要的氧氣壓縮程度來優化熱空氣和蒸汽的壓力。
[0012]存在將ITM過程與高爐集成在一起的多種可能性。高爐鼓風壓縮機可用作ITM的空氣源。高爐空氣壓縮機通常供應處于60-75psia的空氣。增壓壓縮機將使用于ITM的空氣壓力提升至230psia。
[0013]高爐鼓風空氣可用作在7_30psia下得到的熱O2的熱壓縮的動力。所述O2需要壓縮至大約45-60psia。動力空氣所需的壓力將比鼓風空氣的通常壓力60_75psia高。
[0014]通常供應至高爐的蒸汽還可用作用于O2壓縮的動力。來自ITM的熱的殘余氣體可在爐頂氣體燃燒且被送入至用于熱量回收的熱風爐之前在渦輪膨脹機中下降并且與高爐爐頂氣體混合。富氮流中存在的氧氣被用于燃燒高爐爐頂氣體。
[0015]來自ITM的熱的殘余氣體可與燃料混合、采用存在的O2燃燒、在渦輪膨脹機中下降并且供應至處于某個中間位置的熱風爐。在渦輪膨脹機的下游的熱的殘余氣體可用于產生蒸汽。如上文所述的，所產生的蒸汽用作噴射器的動力蒸汽。或者，可直接地將蒸汽供應至高爐。
[0016]參照圖1，提供了一種將氧氣生產與高爐操作集成在一起的方法。干燥的空氣流101在壓縮機102中被壓縮，因此形成了壓縮的、干燥的空氣流103。壓縮的、干燥的空氣流103分成了高爐空氣流104和ITM空氣流105。如在本說明書中采用的，高爐熱風爐108a是在用的(正在使用的)熱風爐，而108b是停用的熱風爐。壓縮的、干燥的空氣流103可具有大約72psia的壓力。高爐空氣流104與富氧流125結合并且被引入至高爐熱風爐108a中，在高爐熱風爐108a中加熱，因此產生加熱的高爐空氣流109。采用高爐氣體流122的至少一部分138加熱高爐熱風爐108b，以便一旦到了該改變在用的熱風爐時為加熱結合的高爐空氣流104和富氧流125的上述要求做準備。然后，第一燃燒產物流136從所述熱風爐中排出。一旦發生熱風爐的改變，高爐熱風爐108a變為停用的熱風爐，且高爐氣體流122的至少一部分139用于預熱該爐。然后，第二燃燒產物流137從所述熱風爐中排出。
[0017]加熱的高爐空氣流109可具有介于1800至2200F之間的溫度。加熱的高爐空氣流109然后被分成熱的熱交換流110和旁通的加熱流111。ITM空氣流105可在壓縮機106中壓縮，從而產生壓縮的ITM空氣流107。壓縮的ITM空氣流107可具有大約230psia的壓力。壓縮的ITM空氣流107或ITM空氣流105被引入至熱交換器112中，在該熱交換器112中與熱的熱交換流110交換熱量，從而產生冷卻的熱交換流113和溫熱的ITM空氣流114。冷卻的熱交換流113與旁通的加熱流111重新結合并且被引入至高爐121中。
[0018]溫熱的ITM空氣流114分成ITM進入流123和動力流118。ITM進入流123可具有大約1475-1650F的溫度。ITM進入流123被引入至離子傳送膜分離器115，從而產生滲透流116和滲余流117。滲余流117然后可經過減壓渦輪134。經過減壓后，滲余流117的至少一部分126可被引入至在用的熱風爐108a以提供附加的熱量。高爐蒸汽流130a可被引入至高爐121中。
[0019]滲透流116和動力流118被引入至噴射器-射流泵119，從而產生富氧流120。富氧流120可具有大約60psia的壓力，并且可具有1475-1650F的溫度。富氧流120的一部分124可被直接地引入至高爐121中。富氧流124可分別地通過鼓風口中單獨的吹管(Iance)(未示出)而引入。富氧流120的一部分125可與處于高爐所需要的壓力下的高爐空氣流104結合并且被弓I入至高爐熱風爐108a中，在高爐熱風爐108a中加熱并且在被弓I入至高爐121之前與加熱的高爐空氣109結合。
[0020]滲余流117可在膨脹機134中膨脹，從而產生減壓的滲余流126。減壓的滲余流126的至少一部分138可被引入至在用的高爐熱風爐108a中，如上文已討論的。減壓的滲余流126還可用于其他目的，例如用在噴吹煤粉(PCI)工廠中干燥底煤。高爐氣體流122的至少一部分139被引入至停用的高爐熱風爐108b中，如上文所討論的。
[0021]參照圖2，示出了利用一系列噴射器-射流泵的系統的一個非限制性示例。加熱的空氣進入流114被引入至一系列串聯的離子傳送膜分離器115、204、211、217中，從而產生一系列滲透流116、205、212、218和一系列滲余流203、210、216、117，其中，每個滲余流用作隨后的離子傳送膜分離器的輸入流。滲透流116、205、212、218被引入至一系列噴射器-射流泵119、208、214、220，噴射器-射流泵采用動力流201、207、213、219作為動力流體，從而產生一系列富氧流202、209、215、221，所述一系列富氧流結合成結合的富氧流120，該結合的富氧流120被引入至高爐121中。
[0022]在圖2的更詳細的描述中，加熱的空氣進入流114被引入至第一離子傳送膜分離器115，從而產生第一滲透流116和第一滲余流203。第一滲透流116和第一動力流201被弓I入至第一噴射器-射流泵119，從而產生第一富氧流202。第一滲余流203被弓I入至第二離子傳送膜分離器204，從而產生第二滲透流205和第二滲余流210。第二結合的富氧流222和第二滲透流205結合，從而產生第三結合的富氧流206。
[0023]第三結合的富氧流206和第二動力流207結合進入至第二噴射器-射流泵208中，從而產生第二富氧流209。第二滲余流210被引入至第三離子傳送膜分離器211中，從而產生第三滲透流212和第三滲余流216。第三滲透流212和第三動力流213被引入至第三噴射器-射流泵214，從而產生第三富氧流215。第三滲余流216被引入至第四離子傳送膜分離器217中，從而產生第四滲透流218和第四滲余流117。
[0024]第四滲透流218和第四動力流219被引入至第四噴射器-射流泵220中，從而產生第四富氧流221。第三富氧流215和第四富氧流221結合，從而產生第二結合的富氧流222。第一富氧流202和第二富氧流209結合，從而產生第一結合的富氧流120，該第一結合的富氧流被引入至高爐121。
[0025]動力流中的至少一個可為蒸汽。動力流中的至少一個可為加熱的空氣，并且至少一個附加的動力流可為蒸汽。
【權利要求】
1.一種將氧氣生產與高爐操作集成在一起的方法，包括: a)將壓縮的空氣流(103)分成高爐空氣流(104)和ITM空氣流(105)； b)將高爐空氣流(104)和富氧流(125)結合在一起并且將結合的流引入至第一高爐熱風爐(108a)中，在所述第一高爐熱風爐(108a)中加熱所述結合的流，從而產生加熱的高爐空氣流(109)，所述加熱的高爐空氣流分成熱的熱交換流(110)和旁通的加熱流(111)； c)將高爐氣體流(122)的至少一部分引入至第二高爐熱風爐(108b)中，其中，所述高爐氣體流的所述至少一部分用作加熱所述第二高爐熱風爐(108b)的燃料； d)將所述ITM空氣流(105)引入至熱交換器(112)中，在所述熱交換器中，所述ITM空氣流與所述熱的熱交換流(110)交換熱量，從而產生冷卻的熱交換流(113)和溫熱的ITM流(I 14)，冷卻的熱交換流(113)然后與旁通的加熱流(111)重新結合并且被引入至高爐(121)中； e)將溫熱的ITM流(114)分成ITM進入流(123)和動力流(118)； f)將ITM進入流(123)引入至離子傳送膜分離器(115)，從而產生滲透流(116)和滲余流(117);以及 將所述滲透流(116)和動力流(118)引入至噴射器-射流泵(119)中，從而產生所述富氧流(125)，該富氧流(125)被引入至高爐(121)中。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述壓縮的空氣流(103)由鼓風壓縮機(102)提供。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述ITM空氣流(105)在被引入至所述熱交換器(112)之前被進一步壓縮(106)。
4.根據權利要求1所述的方法，還包括: e)將ITM進入流(123)引入至一系列串聯的離子傳送膜分離器(115、204、211、217)中，從而產生一系列滲透流(116、205、212、218)和一系列滲余流(203、210、216、117)，其中，每個滲余流用作隨后的離子傳送膜分離器的輸入流； f)將滲透流(116、205、212、218)引入至一系列噴射器-射流泵(119、208、214、220)，所述噴射器-射流泵采用動力流(201、207、213、219)作為動力流體，從而產生一系列富氧流(202、209、215、221)，所述一系列富氧流結合成結合的富氧流(120)，該結合的富氧流被引入至高爐(121)中。
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟e)和f)進一步包括: i)將ITM進入流(123)引入至第一離子傳送膜分離器(115)，從而產生第一滲透流(116)和第一滲余流(203)； ?)將所述第一滲透流(116)和第一動力流(201)引入至第一噴射器-射流泵(119)，從而產生第一富氧流(202)； iii)將所述第一滲余流(203)引入至第二離子傳送膜分離器(204)，從而產生第二滲透流(205)和第二滲余流(210)； iv)將第二結合的富氧流(222)和所述第二滲透流(205)結合，從而產生第三結合的富氧流(206)； V)將所述第三結合的富氧流(206)和第二動力流(207)引入至第二噴射器-射流泵(208)中，從而產生第二富氧流(209)； Vi)將所述第二滲余流(210)引入至第三離子傳送膜分離器(211)中，從而產生第三滲透流(212)和第三滲余流(216)； vii)將所述第三滲透流(212)和第三動力流(213)引入至第三噴射器-射流泵(214)，從而產生第三富氧流(215)； viii)將所述第三滲余流(216)引入至第四離子傳送膜分離器(217)中，從而產生第四滲透流(218)和第四滲余流(117)； ix)將所述第四滲透流(218)和第四動力流(219)引入至第四噴射器-射流泵(220)中，從而產生第四富氧流(221)； x)將所述第三富氧流(215)和所述第四富氧流(221)結合在一起，從而產生所述第二結合的富氧流(222);以及 xi)將所述第一富氧流(202)和所述第二富氧流(209)結合在一起，從而產生第一結合的富氧流(120)，該第一結合的富氧流(120)被引入至高爐(121)中。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述動力流中的至少一個包括蒸汽。
7.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述動力流中的至少一個包括加熱的空氣，并且至少一個附加的動力流包括蒸汽。
8.一種將氧氣生產與高爐操作集成在一起的方法，包括: a)將加熱的空氣進入流(103)分成高爐空氣流(104)和ITM空氣流(105)； b)將所述高爐空氣流(104)和富氧流(125)結合在一起并且將結合的流引入至高爐熱風爐(108a)中，在所述高爐熱風爐中加熱所述結合的流，從而產生加熱的高爐空氣流(109)，該加熱的高爐空氣流分成熱的熱交換流(110)和旁通的加熱流(111)； c)將高爐氣體流(122)的至少一部分引入至第二高爐熱風爐(108b)中，其中，所述高爐氣體流的所述至少一部分用作加熱第二高爐熱風爐(108b)的燃料； d)將所述ITM空氣流(105)引入至熱交換器(112)中，在所述熱交換器中，所述ITM空氣流與所述熱的熱交換流(110)交換熱量，從而產生冷卻的熱交換流(113)和溫熱的ITM流(I 14)，冷卻的熱交換流(113)然后與旁通的加熱流(111)重新結合并且被引入至高爐(121)中； e)將ITM進入流(123)引入至離子傳送膜分離器(115)，從而產生滲透流(116)和滲余流(117)； f)將所述滲透流(116)和蒸汽動力流(130b)引入至噴射器-射流泵(119)，從而產生富氧流(120)，該富氧流被引入至高爐(121);以及 g)將滲余流(117)的至少一部分(226)引入至蒸汽發生器(129)，從而產生蒸汽流(130)； h)將蒸汽流(130)分成高爐蒸汽流(130a)和所述蒸汽動力流(130b)，所述高爐蒸汽流(130a)被引入至高爐(121)。
9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，所述滲余流(117)的所述部分在被引入至蒸汽發生器(129)之前經過減壓渦輪(133)。
10.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，根據需要補充點燃所述蒸汽發生器(129)。
11.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，所述加熱的空氣進入流(103)由鼓風壓縮機(102)提供。
12.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，所述加熱的空氣進入流(103)在被引入至所述熱交換器(112)之前被進一步壓縮(106)。
13.根據權利要求8所述的方法，還包括: e)將溫熱的ITM流(114)引入至一系列串聯的離子傳送膜分離器(115、204、211、217)中，從而產生一系列滲透流(116、205、212、218)和一系列滲余流(203、210、216、117)，其中，每個滲余流用作隨后的離子傳送膜分離器的輸入流； f)將滲透流(116、205、212、218)引入至一系列噴射器-射流泵(119、208、214、220)，所述噴射器-射流泵采用動力流(201、207、213、219)作為動力流體，從而產生一系列富氧流(202、209、215、221)，所述富氧流結合成結合的富氧流(120)，該結合的富氧流被引入至高爐(121)中。
14.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，所述步驟e)和f)進一步包括: i)將溫熱的ITM流(114)引入至第一離子傳送膜分離器(115)，從而產生第一滲透流(116)和第一滲余流(203)； ?)將所述第一滲透流(116)和第一動力流(201)引入至第一噴射器-射流泵(119)，從而產生第一富氧流(202)； iii)將所述第一滲余流(203)引入至第二離子傳送膜分離器(204)，從而產生第二滲透流(205)和第二滲余流(210)； iv)將第二結合的富氧流(222)和所述第二滲透流(205)結合，從而產生第三結合的富氧流(206)； V)將所述第三結合的富氧流(206)和第二動力流(207)引入至第二噴射器-射流泵(208)中，從而產生第二富氧流(209)； vi)將所述第二滲余流(210)引入至第三離子傳送膜分離器(211)中，從而產生第三滲透流(212)和第三滲余流(216)； vii)將所述第三滲透流(212)和第三動力流(213)引入至第三噴射器-射流泵(214)，從而產生第三富氧流(215)； viii)將所述第三滲余流(216)引入至第四離子傳送膜分離器(217)中，從而產生第四滲透流(218)和第四滲余流(117)； ix)將所述第四滲透流(218)和第四動力流(219)引入至第四噴射器-射流泵(220)中，從而產生第四富氧流(221)； x)將所述第三富氧流(215)和所述第四富氧流(221)結合在一起，從而產生所述第二結合的富氧流(222);以及 xi)將所述第一富氧流(202)和所述第二富氧流(209)結合在一起，從而產生第一結合的富氧流(120)，該第一結合的富氧流被引入至高爐(121)中。
15.根據權利要求14所述的方法，其特征在于，所述動力流中的至少一個包括加熱的空氣。
16.根據權利要求14所述的方法，其特征在于，所述動力流中的至少一個包括加熱的空氣，并且至少一個附加的動力流包括蒸汽。
【文檔編號】C01B13/02GK104395482SQ201380032848
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2013年6月21日 優先權日:2012年6月21日
【發明者】B·S·格羅弗, K·凱澤, M·G·K·格蘭特, W·黃 申請人:喬治洛德方法研究和開發液化空氣有限公司