用于電弧爐的集成氣體冷卻系統的制作方法與工藝

用于電弧爐的集成氣體冷卻系統相關申請的交叉引用本申請要求2012年5月10日提交的美國臨時專利申請序列No.61/645,260的優先權，該申請通過引用將其全部內容并入本申請中。技術領域本發明涉及一種集成氣體冷卻器，其能夠在冷卻來自可用于冶金工藝(特別是鋼生產)的電弧爐(EAF)的煙氣的同時回收熱量。本發明還涉及一種針對EAF煉鋼和精煉廠的改進的煙氣冷卻和凈化配置，和用于商業目的的能夠從這些煙氣中提取熱量并生成能量的能量回收系統。

背景技術：
鋼鐵生產產生大量的熱煙氣，其含有作為污染物的二氧化碳、一氧化碳、氟化氫、氯化氫、其他氣體、二惡英、微粒和升華物。這種熱煙氣必須在煙氣釋放到環境中之前經過凈化以去除這些污染物。一種公知的用于凈化熱煙氣的氣體凈化工藝是通常被稱為“干法凈化”的工藝。可用于使用干法凈化工藝來凈化熱煙氣的干法凈化系統是可以獲得的，例如從阿爾斯通電力環境控制系統(ALSTOMPowerEnvironmentControlSystems)(奧斯陸，挪威)獲得。其他煙氣凈化工藝，諸如例如顆粒物去除工藝，可以與這種干法凈化工藝相結合以凈化煙氣。如今，通過在冶金爐中熔化和精煉鐵和廢鋼來生產鋼，所述冶金爐例如為電弧爐(EAF)或堿性氧氣轉爐(BOF)。從歷史上來看，通常EAF被設計為并被制造為焊接鋼結構，所述焊接鋼結構通過耐火襯里的保護來抵抗高溫。在70年代、80年代末，通過將水冷式頂板和水冷側板置于爐容器中熔煉區上來取代昂貴的耐火磚，鋼鐵行業開始應對可操作裝備的壓力。這種水冷式組件也已被用于加襯在廢氣系統中的爐管內。美國專利號4207060公開了具有水冷線圈組件的冷卻系統的示例。一般而言，線圈由具有彎曲端帽的相鄰管道分段形成，所述管道分段形成用于液體冷卻劑流過線圈的路徑。該液體冷卻劑在壓力下強制通過管，以最大限度地提高傳熱。本領域在這種系統中使用碳鋼和不銹鋼來形成板及管道。如前所述，當今的現代化EAF爐需要控制污染以捕獲在煉鋼工藝中產生的熱煙氣。在爐的操作期間通常以兩種方式來捕獲來自EAF的煙。一種煙氣捕獲的方法是通過使用爐罩。爐罩是廠房建筑的一部分，且捕捉在裝料和出鋼期間產生的煙氣。爐罩還捕捉熔化工藝期間可發生的短時排放。通常情況下，爐罩通過非水冷卻管流體地連接到織物過濾器袋室。織物過濾器袋室包括過濾袋，煙氣通過該過濾袋從而使顆粒物質截留并且使其與煙氣分離。第二種煙氣捕獲的方法或形式是通過主爐管線。在爐的熔化周期中，閘(damper)關閉通往罩的管，并打開主管線中的管。主管線直接與爐相連，并且是捕獲來自爐的排放物的主要方法。主管線通過水冷管構成，因為溫度可達到1250℃的平均最高溫度，其中峰值溫度約1800℃。通過主管線以及從主管線出來，煙氣從爐中排出到氣體凈化系統中，以便煙氣可被凈化，以釋放到大氣中。雖然目前的水冷式組件和/或管可有效地冷卻EAF中生成的熱煙氣，但來自熱煙氣的熱量卻被損失或者不易被捕獲以用于其他用途。因此應該理解，存在這樣一種需求：從EAF捕獲熱量，以用于能源回收并用于其他用途，諸如發電。

技術實現要素：
根據本發明，一種針對來自于電弧爐(EAF)煉鋼廠的攜帶顆粒和污染物的煙氣的氣體冷卻器，包括進氣室、出氣室和多個氣體冷卻管路。每個這種氣體冷卻管路都具有定位在進氣室中的入口端和設置在出氣室中的出口端。同樣，每個氣體冷卻管路具有鐘形入口端，鐘形入口端包括空氣動力學彎曲的氣體加速輪廓，以便于有效地促使流線型的煙氣流進入氣體冷卻管路。氣體冷卻管路的鐘形入口被設計為使煙氣流平穩加速進入氣體冷卻管路，從而大致防止在氣體冷卻管路內的顆粒積聚。因此，在每個氣體冷卻管路的入口處的上述的鐘形、空氣動力學曲線加速區，促使煙氣的流線型流動加速，并防止流收縮(縮脈效應)。在沒有這種預防措施的情況下，湍流煙氣流會導致煙氣與氣體冷卻管路的內表面碰撞，從而在氣體冷卻管路內造成顆粒積聚和/或腐蝕。本發明的優選實施例中的氣體冷卻管路內的加速后煙氣速度應該在大約20至30米/秒(m/s)的范圍內，具體取決于煙氣溫度。在優選實施例中，氣體冷卻管路形成相互并聯的、間隔開的管路陣列。氣體冷卻管路應分別在入口和出口壓室的煙氣進入和離開區域均勻地間隔開。氣體冷卻管路的入口端和出口端應定尺寸并布置成以便能伸入到入口壓室和出口壓室。所述氣體冷卻器同樣包括圍繞氣體冷卻管路的冷卻劑封套或護套(jacket)。該冷卻劑封套設有冷卻劑進入和離開器件。便利地，冷卻劑封套形成氣體冷卻器的外殼或殼體的一部分。優選地，在冷卻劑封套的內部循環的冷卻劑是水或其它合適的液體。為了最大限度地提高換熱效率，通過氣體冷卻管路外表面上的冷卻劑封套內部的冷卻劑流的方向應當與通過氣體冷卻管路內側的煙氣流的方向相反。在操作中，氣體冷卻器的入口壓室與入口煙氣管流體地連接，所述入口煙氣管將熱煙氣從電弧爐傳輸到氣體冷卻器。出口壓室與出口煙氣管連接，所述出口煙氣管將冷卻后的煙氣輸運離開氣體冷卻器。氣體冷卻器的入口壓室經由擴散發散入口部分接收熱煙氣，所述擴散發散入口部分將煙氣流減速至相對低的速度，從而使煙氣穩定并且均勻地流動到成排的氣體冷卻管路的鐘形入口。其中的入口壓室的煙氣流動區域和冷卻管路的布置明智地選擇，使得入口壓室的擴散發散入口部分將熱煙氣流減速到相對低的速度，而不會產生將導致入口壓室內不可接受的結垢(scaling)的湍流區。在本發明的優選實施例的入口壓室中的煙氣速度應當在大約8至12米/秒的范圍內，具體取決于氣體溫度。在將冷卻煙氣排放進流體連接的出口煙氣管之前，出口壓室從氣體冷卻管路的出口端接收冷卻煙氣，并通過會聚的出口部分逐漸加快煙氣的流速。優選地，進口壓室和出口壓室是可從氣體冷卻器的冷卻護套部上拆卸的。如果該特征是必要的，這種可拆卸的特征具有如下優點，即允許容易地拆散和凈化入口壓室和出口壓室以及冷卻管路的進入和離開部分。然而，由于上述措施的采用避免了煙氣流中的湍流，所以這種凈化的需求被盡可能降低。此外根據本實施例，一種用于EAF煉鋼廠的改進的煙氣冷卻和凈化配置，包括具有氣體管路換熱器形式的至少一個煙氣冷卻器和流體連接的煙氣凈化系統，所述煙氣冷卻器包括多個氣體冷卻管路，所述氣體冷卻管路構造成接收煙氣并以流線型流動的形式使煙氣傳遞通過其中。因此，在將冷卻煙氣傳遞給煙氣凈化系統之前，連接所述煙氣冷卻器以接收來自EAF的煙氣。所述煙氣冷卻器接收溫度在800到1250℃范圍內的煙氣，并引導具有在100到250℃范圍內的溫度的煙氣到煙氣凈化系統。在與來自爐罩的第二氣體混合后，這樣的溫度范圍適合于裝備有用于去除煙氣中顆粒物的織物過濾器的煙氣凈化系統。在離開EAF的煙氣處于超過煙氣凈化系統的溫度能力的溫度的環境中，在煙氣進入煙氣凈化系統前冷卻它是有利的。為了實現所需的煙氣冷卻，所述氣體冷卻器使用冷卻劑護套圍繞氣體冷卻管路，以形成封閉回路冷卻劑循環系統的一部分，所述冷卻劑循環系統將煙氣冷卻器連接到從循環冷卻劑中提取熱能并且將熱量泄放到環境中和/或將熱量傳遞給其他工廠系統用于使用的器件。優選地，封閉回路冷卻劑循環系統沿與煙氣通過氣體冷卻管路的方向相反的流動方向將冷卻劑循環通過冷卻劑護套。如果封閉回路冷卻劑循環系統中的冷卻劑是水將是方便的。在本發明的一個變型中，特別是(但不是唯一地)適用于熱氣候，封閉回路冷卻劑循環系統通過吸收式制冷機站與循環冷卻劑相連，所述吸收式制冷機站使用從煙氣中回收的熱量生產用于循環通過另一個或第二個閉合回路冷卻劑循環系統的冷卻劑并將熱量泄放到環境中。另外，可通過換熱器將閉合回路冷卻劑循環系統與循環冷卻劑相連，所述換熱器將熱量泄放到環境中和/或到其它工廠系統用于使用。在另一個方面，本發明提供了一種冷卻來自EAF煉鋼廠的煙氣的方法，所述EAF煉鋼廠包括煙氣凈化系統，所述方法包括以下步驟：將處于超過與煙氣凈化系統相容的溫度的初始溫度的煙氣傳遞通過相互并聯地布置成接收煙氣的多個氣體冷卻器，氣體冷卻器包括成排的氣體冷卻管路，成排的氣體冷卻管路構造成接收并以流線型流動傳遞通過其的煙氣，從而在氣體冷卻管路的外側循環冷卻劑以通過將煙氣熱量非直接地傳遞給冷卻劑而冷卻煙氣，由此將煙氣冷卻到與煙氣凈化系統相容的溫度，并且將冷卻的煙氣傳遞給煙氣凈化系統。在另一方面，本發明提供了一種用于從EAF煉鋼廠產生的煙氣回收熱量的系統，包括至少一個煙氣冷卻器，其連接為接收來自于EAF的煙氣并且將冷卻后的煙氣傳遞到煙氣凈化系統，冷卻系統將冷卻劑循環通過至少一個煙氣冷卻器，以及熱能提取器件，其連接為從冷卻劑提取熱能用于其它廠使用或泄放到環境中。熱能提取器件可包括吸收式制冷機站，其使用被煙氣冷卻器加熱的冷卻劑來產生用于循環至其它工廠系統用于使用的冷卻劑，其它工廠系統諸如為在燃氣渦輪發電廠進氣口中的一個或多個空氣冷卻器組(battery)、空調系統，或區域冷卻方案。此外，熱能提取器件可包括換熱器，所述換熱器使用由煙氣冷卻器加熱的冷卻劑加熱用于循環至其它工廠系統以使用的水，所述其它工廠系統諸如為一個或多個聯合循環發電廠、脫鹽廠或區域加熱方案。例如，使用所提取的熱能的其它工廠系統可包括用于聯合循環發電廠中的鍋爐用水的預熱器。此外，熱能提取器件可包括用于從低溫源中發電的有機朗肯機器，其也被稱為“ORC”。本發明的其他方面將從以下說明書和權利要求書中顯而易見。附圖說明本發明的示例性實施例可參照附圖在下文中描述，其中：圖1是根據本發明帶有煙氣冷卻器以及相關熱量回收系統的EAF煉鋼廠的示意流程圖；圖2是根據本發明帶有相關熱量回收系統的煙氣冷卻器的示意側視圖；以及圖3是圖2的煙氣冷卻器的一部分的示意側剖視圖。具體實施方式附圖1-3中所示的系統只是本發明的示例性實施例。圖1-3中所示以及如下詳細所述的每個特征或系統參數在詳細的系統設計中可經受一定程度的變型，以適應特定的鋼鐵生產廠的需要。正如在圖2中最佳所示，本系統使用之前未被用于冷卻來自用于鋼鐵生產的電弧爐(EAF)的熱煙氣的冷卻原理，即包括氣體管路型熱交換器的氣體冷卻器11。照此，一個具有年產1,000,000噸鋼的能力的EAF(未示出)在該過程中產生大約150,000至200,000Nm3/hr的帶有顆粒物和升華物的熱煙氣。因此，若如圖2中所示使用四根管，則該體積的熱煙氣總計每根主管12大約為50000Nm3/hr的煙氣量。由EAF生成的熱煙氣輸送通過1個或多個流體連接的主管12，并且如圖所示，每個主管12都裝備有自己的氣體冷卻器11。每個氣體冷卻器11具有入口壓室14用以使從主管12接收的熱煙氣減速并平穩，以及出口壓室16用以將冷卻煙氣排放到管道系統20。每個入口壓室14的直徑為大約1至3米，并且每個都具有擴散發散入口部分15，其使煙氣“G”減速，且大致無湍流。煙氣流動速度被發散入口部分15減速到相對較低的速度，大約8-12米/秒(m/s)。出口壓室16具有會聚收縮輪廓以增加流入管道系統20的冷卻煙氣的流動速度。煙氣的冷卻通過將熱量從煙氣傳遞到冷卻劑22a來實現，冷卻劑諸如為冷卻水，其在加壓至大約2至10bar的閉路冷卻系統22中循環。泵(未示出)，使冷卻劑22a通過流體地與吸收式制冷機站24以及與冷卻劑封套或護套26的內部26a相連接的管23循環，封套或護套26形成用于各氣體冷卻器11的外殼或殼體的一部分。冷卻劑護套26相互并聯地連接到冷卻系統22，以便進口部28和出口部30分別流體連接到冷卻系統22的“冷”和“熱”支腿32、34。在此實施例中，氣體冷卻器11將煙氣溫度從在入口壓室14處的大約1250℃(其中，峰值高達1850℃)，降低至在出口壓室16處的大約200℃至250℃，將來自爐罩的更冷的第二通風氣體引入煙氣。在和更冷的第二空氣混合之后，煙氣已經被充分冷卻，用于進入前述的織物過濾器型的氣體凈化系統4。同時，在煙氣在氣體冷卻器11中冷卻時，冷卻劑22a的溫度在其從吸收式制冷機站24離開的出口部處的大約50℃至90℃，增加至在其從冷卻護套26的出口部30處的大約80℃至150℃。通常，氣體冷卻器11將為柱形，其中，冷卻劑護套26與入口壓室14和出口壓室16的直徑相同。圖2中的頂部氣體冷卻器11的冷卻劑護套26的壁26b的一部分剖開示出，以分別顯示占據氣體冷卻器11的內部26a以及流體連接入口壓室14和出口壓室16之間的成捆氣體冷卻管路18。在每個氣體冷卻器11內將有比在圖2中所示更多的氣體冷卻管路18，例如大約500-900個管路，具體取決于冷卻劑護套26的直徑。氣體冷卻管路18分別在冷卻劑護套26的內部26a和進氣壓室14及出氣壓室16內均勻間隔開。同樣如圖2中所示，為了使從煙氣G到冷卻劑22a的傳熱效率盡可能最大，冷卻劑22a流經冷卻劑護套26的大體方向與煙氣G流經氣體冷卻管路18的方向相反。為了圖2中顯示的方便，氣體冷卻器11以水平定向的伸長主軸線“A”示出。然而，在圖3中，氣體冷卻器11以豎直定向的伸長主軸線“A”示出。在操作中，豎直伸長主軸線A是氣體管路型換熱器的優選定向。煙氣在其頂端18a處進入氣體冷卻管路18，而冷卻劑22a在底部端26c進入冷卻劑護套26，向上流過氣體冷卻管路18來將其冷卻，并且在其頂部端26d處離開冷卻劑護套26。事實上，冷卻劑22a的循環由如下事實支持：冷卻劑22a通過與氣體冷卻管路18接觸而加熱，其變得密度更低并且自然地升到冷卻劑護套26的頂端26d。因為氣體冷卻管路18攜帶直接來自根據本發明的EAF的未處理的熱煙氣，所以氣體冷卻管路18必須被精心地進行空氣動力學設計以將來自煙氣的煙塵沉積控制在最小量，以維持通過氣體冷卻管路18的壁18c且到在冷卻劑護套26中流過它們的冷卻劑22a的有效傳熱。空氣動力學設計意味著確保煙氣流速度矢量在流經氣體冷卻管路18時保持大致平行于氣體冷卻管路18的壁18c。如在圖3中更清晰地示出地，每個氣體冷卻管路18具有伸入入口壓室14中的入口端19和伸入出口壓室16中的出口端21。每個入口端19包括空氣動力學形狀的鐘口會聚部分，其設計成用以平穩加快進入氣體冷卻管路18的煙氣“G”的流速，使其從上述入口壓室14中的大約8-12m/s加速到氣體冷卻管路18中的大約20-30m/s。在增加流速的同時保持流線型流入冷卻管18，這避免了湍流并且防止在氣體冷卻管路18的內側壁18d上的灰塵沉積。用以獲得最佳煙氣速度的氣體冷卻管路18的尺寸是在若干變量之間的折中，這些變量諸如為壓力損失，換熱效率，結垢系數，以及氣體冷卻器11的總體尺寸。最優化將在實踐測試期間產生。在現有的實施例中，每個氣體冷卻管路18直徑可為大約為1-3m，且長度為大約5-8m。從圖3中將注意到進口壓室14和出口壓室16可分別從氣體冷卻器11的冷卻護套26部分拆除。通過提供帶有端板28、30的冷卻護套26而方便拆除。端板28、30不僅將增壓冷卻劑護套26分別與入口壓室14和出口壓室16分開，而且還提供了螺栓凸緣31、31a以與入口壓室14和出口壓室16上的類似螺栓凸緣33、33a接合。這種構造允許入口壓室14和出口壓室16、以及氣體冷卻管路18的入口端19和出口端21的拆卸、維護和凈化相對容易，如果這最終變得必要。注意主管12和氣體冷卻器11并不是必須如圖2中所示那樣成一一對應關系。實際上，可優選地將來自主管12的煙氣流分入兩個或更多個豎直布置的氣體冷卻器11。這樣，通過冷卻劑護套26的冷卻劑22a的流可更容易控制，并且每個氣體冷卻器11的尺寸和復雜程度將更易管理。將兩個或更多個氣體冷卻器11與一個主管12組合的備選方案是其中一個或多個氣體冷卻器11關于煙氣流彼此相繼。這是本發明的另一種可能的實施例。本領域技術人員將預期本發明在冶金工藝參數范圍內的可能操作。下表提供了對于上述實施例來說可能范圍的示例以及優選參考值。表如前所述，EAF煉鋼廠傾向于建造在全球的熱帶或亞熱帶地區。在這些地區，在火力發電站中由包括燃氣渦輪驅動的發電機的發電機組(powerblock)44a產生用于EAF的電能。用于這種情形的典型燃氣渦輪為在簡單循環下操作的、具有180MW的總功率輸出的GT13E2M。簡單循環燃氣渦輪的效率和功率輸出的限制因素為壓縮機的入口空氣溫度。在熱帶地區，它們被設計為35℃的壓縮機空氣入口溫度。如果壓縮機入口空氣溫度從35℃降低至大約15℃，則典型的簡單循環發電機組(僅燃氣渦輪)的能量輸出可增加超過10％。本發明有利于提供這種入口空氣冷卻至發電機組44a，其中從氣體冷卻器11回收的熱量可用作用于吸收型工業冷卻機站24的能量源，而吸收式冷卻機站24的冷卻水輸出可用于降低壓縮機入口空氣溫度。需提及的是，對于前面列舉的工藝參數，每個氣體冷卻器11可將50至200000Nm3/h的煙氣從1250℃的溫度冷卻到250℃的溫度。這意味著通過氣體冷卻器11和吸收式冷卻機站24從煙氣去除大約45MW的熱能。如此，制冷機站24將該熱能用于生產大約1450m3/h的處于5℃的冷卻水36。冷卻水36通過絕熱管38循環至換熱器40，例如空氣冷卻器組，其位于三個燃氣渦輪發電機組44a的進口42處。換熱器40與制冷機站24相互并聯地連接，其中進口部46和出口部48分別流體地連接到封閉回路水冷制冷機站24的“冷”和“熱”的支腿50、52。上述GT13E2M燃氣渦輪發電機組44a在以其正常連續額定值操作時，通過其壓縮機/渦輪系統抽取1.548×106Nm3/h的空氣。標準的熱力學計算顯示，使用上述量的冷卻水，該氣流可從大約35℃冷卻到15℃，從而顯著改善燃氣渦輪，且因此也顯著改善了發電機組的效率和功率輸出。如前所述，從煙氣回收的熱可用于使簡單循環燃氣渦輪發電機組的發電能力提高10％或更多。這種額外的電力也可例如用于提高EAF煉鋼廠的生產能力，而無需投資另外的電廠。應注意的是，可替代地、或額外地，以上述方式生產的冷卻水可用于建筑物或地區的空氣調節和冷卻，在熱帶和亞熱帶地區這些目的是高度期望的。雖然為了舉例，發電機組44a在上文中描述為簡單循環，但是它們可以可替換地包括組合式循環發電廠，其中來自燃氣渦輪排氣的廢熱被用來產生蒸汽，以驅動聯接到發電機的蒸汽渦輪。由于組合式循環相對于簡單循環具有更高的熱效率，所以當來自于相連的鋼鐵生產廠的煙氣熱量將在吸收式制冷機站中如上文所述被回收并利用時，煙氣熱量將具有超出相連的組合式循環發電機組的壓縮機空氣冷卻需求50％的冷卻能力。該超出的冷卻能力可再次被進一步利用，諸如用于建筑物或區域的空氣調節和冷卻。不論使用簡單循環或組合式循環發電機組，氣體冷卻器11和吸收式冷卻機站24以及燃氣渦輪空氣入口冷卻器40的組合對于熱帶和亞熱帶地區中的鋼鐵生產廠在經濟上是有益的。在圖1中，冷卻機站24示出為使用一組8個吸收型工業制冷機，諸如YorkMillenniumTMYIA-14F3單效吸收式制冷機，或來自其他制造商的等同產品。根據所需冷卻能力和吸收式制冷機的冷卻性能，可使用小于8個或多于8個的制冷機。為了從自氣體冷卻器11返回的處于90℃至150℃的水或其它冷卻劑以及從自空氣入口換熱器40返回的處于25℃的水中去除低溫熱量，制冷機使用大量的水。這優選地是海水，因為目前許多生產廠為了便于生產原料的大批運輸而建在海岸附近。以30℃進入制冷機站24的8000m3/h的海水將以40℃返回海中，從而完成兩個封閉回路水冷系統的所需冷卻。雖然本發明中已經提到了單效吸收式制冷機的使用，但并不因此排除雙效或多效吸收式制冷機的可能使用。雖然后兩種類型盡管比單效吸收式制冷機更有效，但是需要比單效制冷機更高級別的熱量輸入。對吸收式制冷機而言可獲得的熱量輸入級別主要取決于煙氣溫度，因為這控制了進入吸收式制冷機的進水溫度。吸收式制冷機用作使用從熱煙氣中回收的熱量的器件。備選地，本發明還預期由氣體冷卻器11回收的熱能可用于另外的廠44，諸如一個或多個聯合循環發電廠、脫鹽廠，或者區域供熱方案。因此，如果圖1中的吸收式制冷機站24被簡單地替換為合適的換熱器(未示出)，則由氣體冷卻器11回收的熱能被用于預熱用于組合循環中蒸汽發生部分的鍋爐用水，預熱在脫鹽廠中待脫鹽的水，或者加熱用于在區域供熱方案中循環的水。組合循環電廠和脫鹽廠的效率在上述布置下必然會上升。上文僅以示例的方式描述了本發明，并且在要求保護的本發明的范圍內可進行修改。本發明還在于其中描述或暗示的、或在附圖中暗示的任何單獨特征，或任何這類特征的任意組合，或延伸至其等價物的任何這類特征或組合的任何派生。因此，本發明的廣度和范圍不應由上述示例性實施例中的任一個限制。除非以其它方式明確聲明，否則說明書(包括權利要求書和附圖)中公開的每個特征可由用于相同、等價或類似目的的可替換特征替代。除非在上下文中清楚地另外要求，否則在說明書和權利要求書的全文中，詞語“包括”、“包含”及類似詞語被解釋成與排他的或窮舉的意思相對地為包括性的；也就是說是“包括，但不限于”的意思。