[發明專利]用于從高爐氣中分離氮氣的氧氣濃縮器的使用

有效

• 申請號: 201010176830.1
• 申請日: 2010-05-07
• 公開（公告）號: CN101879397A
• 公開（公告）日: 2010-11-10
• 發明（設計）人: S·D·德雷珀;S·拉比埃
• 申請（專利權）人: 通用電氣公司
• 主分類號: B01D53/047
• 分類號: B01D53/047;F23R3/28
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 肖日松;譚祐祥

技術領域

本發明涉及一種使用在鑄造高爐氣中可獲得的余熱和機械能的方法，更具體地涉及用于處理包含殘余量的未燃碳氫燃料的高溫高爐排氣以形成用于燃氣渦輪發動機的清潔的補充燃燒氣體和工作流體的工藝。

背景技術

眾所周知，將鐵礦石還原成商品級鐵和鋼的高爐操作遭受顯著的低熱效率。典型的高爐僅僅使用供應到冶煉廠以制造粗鐵的總熱能的大約66％，其中需要非常大量的空氣以燃燒焦炭供給。還已知的是，高爐排氣流經常包含在鐵礦石還原工藝中必須釋放的、處理的或保持未使用的可使用量的未燃碳氫化合物。

以前保存高爐操作期間及其之后產生的熱能的努力主要集中在減少執行初始鑄造操作所必需的燃料量，諸如減少用于加熱鐵礦石的焦炭氣、天然氣或加熱油的量。基于可通過增加燃料氣體供給的輸入溫度改進任何冶金工藝的經濟性的理論，其它方法已企圖使來自高爐排氣的熱量再循環以支持鐵礦石的初始提煉。

近年來，提出有限數量的技術以通過在下游操作中更好地利用高爐排氣的熱量和潛在功來改善鑄造操作的熱效率，包括驅動發電設備的旋轉件的氣流。然而，這些已知的工藝遭受顯著的低熱效率，以及由于在排氣中存在固體顆粒而引起的操作問題。此外，對于較小尺寸的鑄造爐，相關的燃氣渦輪發動機的發電容量在經濟性上可能是不合理的。

購買并安裝所需的發電設備的初始投資可能是非常昂貴的，這使得收回下游工藝中的投資的時間令人無法接受地長。許多稱為“聯合”的工廠也沒有足夠的空間來容納從排出的高爐氣中發電所必需的相對復雜和昂貴的設備，這主要因為需要容納在鑄造操作開始時以環境空氣的形式引入到高爐中的大量的氮氣。來自普通高爐的標稱排氣流包括45-50％體積比的氮氣。

因此，迄今為止，處理高爐排氣的大多數傳統工廠不能夠完全重新捕獲排氣在其離開高爐時的燃燒值或潛在功。典型地，氣體在1.5和2.0巴計量之間的壓力下在具有較高的可感熱容量(氣體溫度典型地在150℃和200℃之間)的情況下產生于爐子。排氣還包含氮氣和氣態形式的未燃碳氫燃料的殘余量。已嘗試回收殘余燃料成分和/或使用從排出的高爐氣中可獲得的工作力。然而，不變地，這種工藝因在排氣中存在氮氣、二氧化碳和一氧化碳而遭遇有限的成功，這些排氣中的氮氣、二氧化碳和一氧化碳傾向于降低任何隨后使用的燃料值，尤其在燃氣渦輪發動機中。

因此，假如供給到渦輪發動機的氮氣量可顯著減少，那么存在提高燃氣渦輪發動機的結合的燃料供給的總體熱效率的可能。在過去，利用市場上可獲得的“氧氣濃縮器”，分子篩(molecular?sieve)已小規模用于從環境空氣中分離N₂。一種稱為“變壓吸附”(“PSA”)的已知方法基于種的分子特征和對吸附材料的親合力，成功地用于在壓力下將特定氣體種從氣體混合物中分離。PSA在環境溫度附近操作，因此不同于導致氣體分離的低溫蒸餾技術。專用的吸附材料作為分子篩，優選在高壓下吸附目標氣體種。然后，該工藝轉換到低壓以使吸附材料解除吸附。

由于多種原因，采用PSA技術的傳統氧氣濃縮器不能大規模地有效地用于處理高爐排氣或產生到燃氣渦輪發動機的補充供給。例如，傳統的氧氣濃縮器在清除諸如存在于高爐排氣流中的一氧化碳、二氧化碳或氬氣的高爐燃燒的其它副產物時不是有效的。

來自鑄造高爐的排氣造成使未經處理的氣體對于下游燃氣渦輪發動機中的使用不可接受的另一個重要問題。由于在初始高爐操作期間產生和夾帶于排氣中的固體顆粒的存在，該氣體不能直接供給到燃燒器或產生動力的燃氣渦輪發動機的任何級中。燃氣渦輪發動機的制造商通常要求大約5mg/Nm³的最大進口顆粒負荷。因此，在任何高爐氣能夠合格地在燃氣渦輪發動機中使用之前，它必須經過清潔以將該氣體從其初始的“骯臟”狀態(典型地8.10g/Nm³)轉換到燃氣渦輪進口所需的標準。

發明內容

根據本發明的從高爐排氣流中分離氮氣的工藝包括基本步驟：(1)移除在高爐排氣流(通常包含大約45-50％氮氣、氧氣、殘余碳氫燃料化合物以及碳顆粒)中夾帶的固體顆粒，以形成基本上無顆粒的氣流；(2)傳送無顆粒的氣流通過包含能夠從該氣流中的空氣中吸附氮氣的吸附材料的至少一個分離器床；(3)吸附存在于氣流中的基本上所有的氮氣，作為位于至少一個分離器床中的固體上的間隙(interstitial)氮氣；(4)將離開分離器的任何未被吸附的碳氫燃料和氧氣成分作為補充燃料供給到燃氣渦輪發動機中；以及(5)從分離器床上移除吸附的氮氣。

附圖說明