CN113957194A - 一种气基竖炉还原气的加热方法和加热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气基竖炉还原气的加热方法和加热装置，属于直接还原领域。一种气基竖炉还原气的加热方法，还原气至少包括一种富烃类气，将还原气分成两流，第一流为富烃类气，第二流为富烃类气和/或非烃类气，将第一流气在燃烧加热炉中纯氧缺氧燃烧，将第二流气加入燃烧加热炉，靠加热炉内的第一流气燃烧产生的热量加热第二流气。本发明设备简单，投资低，不使用催化剂且加热气体不排放CO2和NOx。
Description
技术领域
本发明属于直接还原领域，具体涉及一种气基竖炉还原气的加热方法和加热装置。
背景技术
气基竖炉直接还原工艺是世界上产量最大的直接还原铁技术。直接还原铁作为电炉、转炉、高炉、粉末冶金等行业使用的优质原料，近年来越来越得到了国家和冶金行业人员的重视。直接还原铁作为电炉炼钢的原料，可提高钢水的纯净度，是特钢冶炼所需的优质原料。尤其是对废钢质量不稳定的电炉企业，加入直接还原铁可以稀释钢中有害元素，稳定钢水质量。直接还原铁不使用焦炭，铁矿不用烧结，既节省焦煤资源又减少了钢铁企业废气排放量最大的炼焦和烧结两个环节，比高炉工艺更有利于环保。但是现有使用的气基竖炉工艺，都是采用管式外热加热还原气。这种加热方式有两大缺点：(1)加热管是耐高温的，价格昂贵，单台加热器通常需要几百根加热管，投资大，(2)燃烧加热排放出大量的CO2和NOx。
如，申请号：CN201910952204.8，名称为，一种用于生产还原气的新型重整炉的专利提出，气基还原铁(俗称，海绵铁)的主要问题是解决还原气的生产，该专利重整炉包括辐射室箱体，重整炉管，燃烧器，过渡段以及对流段；所述的重整炉管成2m排立式并联布置于辐射室箱体内；一排重整炉管对应一根重整原料气进口支干管，每根重整原料气进口支干管上开设与每排重整炉管数量相同的分支，通过柔性管将重整炉管气体进口与重整原料气进口支干管相连；燃烧器成(2m+1)排布置于辐射室下方底壁板；重整炉管气体出口通过斜三通与冷壁支管连接；过渡段是辐射室箱体的两侧壁板上方发有若干个过渡段分支管引出至过渡段分支干管，两分过渡段分支干管在辐射室箱体的一端汇集成过渡段总管；过渡段总管与对流段相连，所述的对流段通过引风机与烟囱相连；所述的对流段由≥4个换热器组成，所述换热器为急速蒸发器、重整原料预热器、蒸汽过热器、脱硫焦炉气预热器、炉顶气预热器和燃烧空气预热器中的至少4种。过渡段出口1200℃的高温烟气，经对流段回收热量，使烟气温度降至100℃以下。
此技术方案存在以下问题：(1)采用燃料燃烧加热造成废气排放；(2)由于重整炉管采用外加热，因此限制了重整管直径，造成单个重整管体积小，重整炉管数量庞大。从该专利附图可以看到，重整炉管162根，燃烧器成70个。这造成辐射室加热系统设备庞大，安装复杂；(3)过渡段出口温度高达1200℃，说明重整炉管承受的温度要高于1200℃，这样的重整炉管和燃烧器价格非常昂贵，一套重整炉设备通常需要几百根重整炉管，因此，投资过大；(4)催化剂价格昂贵，使用量大，定期需更换，因此造成生产运行成本高；(5)排放烟气和利用烟气余热的过渡段以及对流段设备庞大，结构复杂，再次增加投资成本。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种气基竖炉还原气的加热方法和加热装置。本发明的目的是降低投资、加热气体时不排放CO2和NOx，且设备结构简单。本发明的其它目的将在后面指出，或者对本领域的技术人员显而易见。
为实现上述目的，本发明方法采用以下的技术方案：
一种气基竖炉还原气的加热方法，还原气至少包括一种富烃类气，其中将还原气分成两流，第一流为富烃类气，第二流为富烃类气和/或非烃类气，将第一流气在燃烧加热炉中纯氧缺氧燃烧，将第二流气加入燃烧加热炉，靠加热炉内的第一流气燃烧产生的热量加热第二流气。
与现有技术相比，本发明方法具有以下有益效果：
1)富烃类还原气在燃烧加热炉中纯氧缺氧燃烧加热的方式，不会生成外排的CO2和NOx，燃烧产物主要为H2和CO，供气基竖炉还原使用；
2)燃烧加热炉内衬由耐火材料构成，加热炉结构简单，加热系统投资低；
3)与第一流和第二流气体混合后燃烧相比较，在燃烧加热炉出口温度一定的条件下，第一流富烃类还原气单独燃烧加热，能使第一流富烃类还原气被加热的温度更高，这有利于提高第一流烃类重整为H2和CO的转化率，进而提高第一流和第二流气体中烃的重整总转化率。例如，单独将第一流富烃类还原气加热到1300℃以上时，第一流富烃类还原气中的烃几乎全部重整为H2和CO，然后再加入第二流气，将混合气温度降为1050℃。此时分两种情况：(1)第二流气为非烃类气，则在1050℃时，全部还原气中的的烃几乎全部重整为H2和CO；(2)第二流气仍是第一类的富烃类气成分，则在1050℃时，第一流富烃类还原气中的烃几乎全部重整为H2和CO，第二流富烃类气中的烃处于1050℃时的重整转化率。如果第一流和第二流气体混合后燃烧加热到1050℃，那么第一流和第二流气体中的烃均处于1050℃时的重整转化率。
4)当第二流气为非烃类还原气时，第一流富烃类还原气在燃烧加热炉中纯氧缺氧燃烧，将烃类重整为气基竖炉还原气的成分H2和CO，同时放出的大量热能还能加热第二流非烃类还原气，由于第二流非烃类还原气不参加燃烧反应，因此非烃类还原气中的有用成分H2和CO不会减少；
5)不使用催化剂，降低运行成本。
优选地，各类气体进入燃烧加热炉的位置布置为，第一流气和氧气从燃烧加热炉炉顶中间进入，第二流气从第一流气四周的炉顶进入。由于第二流还原气为环境温度气体，且从炉顶喷入，因此能降低高温对炉顶的侵蚀，提高炉顶和周围耐火材料的使用时间。
进一步地，至少一部分第二流还原气从燃烧加热炉中下部四周进入。促进炉内温度分布更均匀。
又进一步地，第一流富烃类气和氧气的位置关系为，氧气在中心，外层被富烃类气体包裹。
更进一步地，富烃类气体的外层是蒸汽。
这些措施有利于氧气和富烃类还原气在燃烧加热炉中纯氧缺氧燃烧及烃类重整
优选地，第一流气燃烧温度大于1300℃，控制第二流气的流量，使燃烧加热炉混合气出口温度为900℃～1100℃。第一流富烃类气在大于1300℃缺氧燃烧时，其烃类成分几乎能全部转化为H2和CO，再加入第二流气使加热炉出口温度达到气基竖炉的900℃～1100℃要求。
进一步地，燃烧加热炉出口压力为0.1Mpa～0.5Mpa。这是为了提高加热炉内烃类成分的重整转化率，同时也达到气基竖炉对还原气压力的要求。
为实现上述目的，本发明加热装置采用以下两种技术方案：
方案一：一种气基竖炉还原气的加热装置，包括燃烧加热炉本体，排气口，烧嘴，烧嘴位于燃烧加热炉炉内的炉顶，其中烧嘴有两层通路，中心管是纯氧通路，中心管路外的套管是富烃类气体通路，燃烧加热炉还设有喷枪，喷枪与富烃类气体和/或非烃类气体管路连通，喷枪均匀地布置在炉顶烧嘴周围和/或喷枪位于燃烧加热炉本体的中下部四周。
方案二：一种气基竖炉还原气的加热装置，包括燃烧加热炉本体，排气口，烧嘴，烧嘴位于燃烧加热炉炉内的炉顶，其中烧嘴有三层通路，中心管是纯氧通路，中心管路外的套管是富烃类气体通路，富烃类气体套管外层套管是非烃类气通路。
与现有技术相比，本发明装置具有以下有益效果：
(1)燃烧加热炉比管式加热炉结构简单，省掉了精脱硫系统、废热回收系统，无昂贵的几百根耐高温钢管，无催化剂，因此大幅度降低设备投资和运行成本。
(2)无外热燃烧系统，因此无CO2和NOx外排；
(3)烧嘴的结构和喷枪的布置方式有利于富烃类气体的重整，避免增加非烃类气中的有用气体H2和CO的消耗。
本发明装置方案一和方案二的优选方案为：在富烃类气体套管外还增加了一层蒸汽套管通路。
附图说明
图1为本发明气基竖炉加热装置的第一种结构示意图；
图2为本发明气基竖炉加热装置的第二种结构示意图；
图3为本发明气基竖炉加热装置的第三种结构示意图；
图4为本发明气基竖炉加热装置的第四种结构示意图。
图5为本发明气基竖炉加热装置的第五种结构示意图；
图6为本发明气基竖炉加热装置的第六种结构示意图；
图7为本发明气基竖炉加热装置的第七种结构示意图；
图8为本发明气基竖炉加热装置的第八种结构示意图；
图9为本发明图1气基竖炉加热装置炉顶的俯视图；
图10为本发明图3气基竖炉加热装置炉顶的俯视图。
图中标记为：1-燃烧加热炉，2-烧嘴，3-喷枪，4-燃烧加热炉排气口，5-氧气管路，6-富烃类气体管路，7-蒸汽管路，8-非烃类气管路，21-中心管路，22-富烃类气套管管路一，23-蒸汽套管管路，24-非烃类气套管管路，25-富烃类气套管管路二。
具体实施方式
为充分了解本发明之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明，但本发明并不仅仅限于此。
请参阅图1和图9，图1为本发明气基竖炉加热装置的第一种结构示意图，。本发明的一种气基竖炉还原气的加热装置，包括燃烧加热炉本体1，排气口4，烧嘴2，烧嘴2位于燃烧加热炉1炉顶，其中烧嘴2位于炉顶中心，烧嘴2个数≥1，本结构用2个烧嘴。喷枪3均匀地布置在烧嘴2周围，喷枪3个数≥1，本结构用4个喷枪。烧嘴2包括中心管路21及套在中心管路外的富烃类气套管管路一22，中心管路21与氧气管路5连通，中心管路外的富烃类气套管管路一22与富烃类气体管路6连通，喷枪3与非烃类气体管路8连通。燃烧加热炉排气口4位于燃烧加热炉本体1的下部。
本结构方案的一种气基竖炉还原气的加热方法如下，烧嘴2中心管路21通入氧气，任选地氧气中混入蒸汽，烧嘴2中心管路外的富烃类气套管管路一22通入焦炉煤气，2个烧嘴2周围布置4个喷枪3，喷枪3通入气基竖炉炉顶净化煤气，炉顶净化煤气已脱出CO2，点燃烧嘴2中的焦炉煤气与氧气，焦炉煤气在纯氧缺氧条件下不完全燃烧，燃烧温度大于1300℃，燃烧产生的热量传递给烧嘴2周围布置的4个喷枪3中喷出的气基竖炉炉顶净化煤气，在加热气基竖炉炉顶净化煤气的同时，重整后的焦炉煤气自身温度降低，形成混合气体，在混合气体流出燃烧加热炉排气口4时，温度达到950℃左右，压力达到0.16MPa，送往气基竖炉使用。烧嘴2喷出的焦炉煤气流速大于喷枪3喷出的气基竖炉炉顶净化煤气，这有利于达到焦炉煤气缺氧燃烧效果。炉顶净化煤气也可以不脱出CO2，此处CO2作为重整焦炉煤气中烃类的氧化剂，将焦炉煤气中的烃重整为H2和CO。
请参阅图2，图2为本发明气基竖炉加热装置的第二种结构示意图。本结构与图1不同点是，烧嘴2的蒸汽套管管路23与蒸汽管路7连通。
本结构方案的气基竖炉还原气的加热方法与图1不同点是，在烧嘴的蒸汽套管管路23中通入蒸汽，此处蒸汽有两个作用，一是形成气墙阻止氧气与非烃类的气基竖炉炉顶净化煤气接触燃烧，避免减少气基竖炉炉顶净化煤气中有用的H2和CO含量；二是蒸汽在高温下有助于焦炉煤气中烃类成分重整为H2和CO。
请参阅图3和图10，图3为本发明气基竖炉加热装置的第三种结构示意图。本发明的一种气基竖炉还原气的加热装置，包括燃烧加热炉本体1，排气口4，烧嘴2，烧嘴2位于燃烧加热炉1炉顶，其中烧嘴2位于炉顶中心，烧嘴2个数≥1，本结构用1个烧嘴。烧嘴2有三层通路，中心管路21与氧气管路5连通，中心管路外的富烃类气套管管路一22与富烃类气体管路6连通，烧嘴2的非烃类气套管管路24与非烃类气管路8连通。燃烧加热炉排气口4位于燃烧加热炉本体1的下部。
本结构方案的一种气基竖炉还原气的加热方法如下，烧嘴2中心管路21通入氧气，烧嘴2中心管路外的富烃类气套管管路一22通入天然气，烧嘴2的非烃类气套管管路24通入气基竖炉炉顶净化煤气，炉顶净化煤气未脱出CO2，点燃烧嘴2中的天然气与氧气，天然气在纯氧缺氧条件下不完全燃烧，燃烧温度大于1400℃，燃烧产生的热量传递给烧嘴2最外圈喷出的气基竖炉炉顶净化煤气，炉顶净化煤气中的CO2作为重整天然气中烃类的氧化剂，将天然气中的烃重整为H2和CO。在加热气基竖炉炉顶净化煤气的同时，重整后的天然气自身温度降低，形成混合气体，在混合气体流出燃烧加热炉排气口4时，温度达到1050℃左右，压力达到0.41MPa，送往气基竖炉使用。
请参阅图4，图4为本发明气基竖炉加热装置的第四种结构示意图。本发明的一种气基竖炉还原气的加热装置，包括燃烧加热炉本体1，排气口4，烧嘴2，烧嘴2位于燃烧加热炉1炉顶，其中烧嘴2位于炉顶中心，烧嘴2有四层通路，中心管路21与氧气管路5连通，中心管路外的富烃类气套管管路一22与富烃类气体管路6连通，烧嘴2的蒸汽套管管路23与蒸汽管路7连通，烧嘴2的非烃类气套管管路24与非烃类气管路8连通。燃烧加热炉排气口4位于燃烧加热炉本体1的下部。
本结构方案的一种气基竖炉还原气的加热方法与图3方案不同点是，在富烃类气体套管与非烃类气套管之间还有一层套管，是蒸汽通路，即烧嘴2的蒸汽套管管路23。在烧嘴蒸汽套管管路23中通入蒸汽，此处蒸汽有两个作用，一是形成气墙阻止氧气与非烃类的气基竖炉炉顶净化煤气接触燃烧，避免减少气基竖炉炉顶净化煤气中有用的H2和CO含量；二是蒸汽在高温下有助于焦炉煤气中烃类成分的重整。
请参阅图5，图5为本发明气基竖炉加热装置的第五种结构示总图。本结构与图2不同点是，喷枪3位于燃烧加热炉本体1的下部，喷枪3个数≥1，本结构用2只喷枪围绕燃烧加热炉本体1的下部均匀布置。
本结构方案的一种气基竖炉还原气的加热方法如下，烧嘴2中心管路21通入氧气，任选地氧气中混入蒸汽，烧嘴2中心管路外的富烃类气套管管路一22通入煤层气，点燃烧嘴2中的煤层气与氧气，煤层气在纯氧缺氧条件下不完全燃烧，燃烧温度大于1350℃，煤层气中的烃与氧和水蒸气反应，被重整为H2和CO，燃烧产生的热量传递给炉体下部2个喷枪3中喷出的气基竖炉炉顶净化煤气，炉顶净化煤气已脱出CO2，在加热气基竖炉炉顶净化煤气的同时，重整后的煤层气自身温度降低，形成混合气体，在混合气体流出燃烧加热炉排气口4时，温度达到1000℃左右，压力达到0.3MPa，送往气基竖炉使用。烧嘴的蒸汽套管管路23中通入蒸汽有两个作用，一是形成气墙降低高温对燃烧加热炉顶部和上部炉墙损害；二是蒸汽在高温下有助于焦炉煤气中烃类成分的重整。
请参阅图6，图6为本发明气基竖炉加热装置的第六种结构示意图。本结构与图2不同点是，喷枪3与富烃类气体管路6连通。例如，富烃类气体采用焦炉煤气，点燃烧嘴2中的焦炉煤气与氧气，加热到1300℃以上时，此时在水蒸气的参与下，烧嘴2中焦炉煤气的烃几乎全部重整为H2和CO，燃烧产生的热量传递给烧嘴2周围布置的4个喷枪3中喷出的焦炉煤气，在加热喷枪3中喷出的焦炉煤气的同时，重整后的焦炉煤气自身温度降低，形成混合气体，在混合气体流出燃烧加热炉排气口4时，温度达到1100℃左右，压力达到0.18MPa，送往气基竖炉使用。此时烧嘴2中喷出的焦炉煤气的烃几乎全部重整为H2和CO，喷枪3中喷出的焦炉煤气的烃部分重整转化为H2和CO。
请参阅图7，图7为本发明气基竖炉加热装置的第七种结构示意图。本结构与图6不同点是，在燃烧加热炉本体1的下部增加了一只喷枪3，喷枪3与非烃类气体管路8连通。
请参阅图8，图7为本发明气基竖炉加热装置的第八种结构示意图。本结构与图4不同点是，烧嘴2的富烃类气套管管路二25与富烃类气管路8连通。例如，富烃类气体采用焦炉煤气，点燃烧嘴2的富烃类气套管管路一22中的焦炉煤气与烧嘴2的中心管路21中的氧气，焦炉煤气在纯氧缺氧条件下不完全燃烧，燃烧温度大于1400℃，此时在烧嘴2蒸汽套管管路23中的水蒸气的参与下，焦炉煤气中的烃被重整为H2和CO，燃烧产生的热量传递给烧嘴2的富烃类气套管管路二25中喷出的焦炉煤气，在加热烧嘴2的富烃类气套管管路二25中喷出的焦炉煤气的同时，烧嘴2的富烃类气套管管路一22中的焦炉重整后的煤气自身温度降低，形成混合气体，在混合气体流出燃烧加热炉排气口4时，温度达到1050℃左右，压力达到0.2MPa，送往气基竖炉使用。此时烧嘴2中富烃类气套管管路一22喷出的焦炉煤气的烃几乎全部重整为H2和CO，烧嘴2中富烃类气套管管路二25喷出的焦炉煤气的烃部分重整转化为H2和CO。
以上列举的仅是本发明的优选实施例，当然本领域的技术人员可以对本发明进行改动和变型，倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种气基竖炉还原气的加热方法，还原气至少包括一种富烃类气，其特征在于将还原气分成两流，第一流为富烃类气，第二流为富烃类气和/或非烃类气，将第一流气在燃烧加热炉中纯氧缺氧燃烧，将第二流气加入燃烧加热炉，靠加热炉内的第一流气燃烧产生的热量加热第二流气。
2.根据权利要求1所述的一种气基竖炉还原气的加热方法，其特征在于各类气体进入燃烧加热炉的位置布置为，第一流气和氧气从燃烧加热炉炉顶中间进入，第二流气从第一流气四周的炉顶进入。
3.根据权利要求1或2所述的一种气基竖炉还原气的加热方法，其特征在于至少一部分第二流气从燃烧加热炉中下部四周进入。
4.根据权利要求1或2所述的一种气基竖炉还原气的加热方法，其特征在于第一流富烃类气和氧气的位置关系为，氧气在中心，外层被富烃类气体包裹。
5.根据权利要求4所述的一种气基竖炉还原气的加热方法，其特征在于第一流富烃类气体的外层还有蒸汽。
6.根据权利要求1所述的一种气基竖炉还原气的加热方法，其特征在于第一流气燃烧温度大于1300℃，控制第二流气的流量，使燃烧加热炉出口混合气温度为900℃～1100℃。
7.根据权利要求6所述的一种气基竖炉还原气的加热方法，其特征在于燃烧加热炉出口混合气压力为0.1Mpa～0.5Mpa。
8.一种气基竖炉还原气的加热装置，包括燃烧加热炉本体，排气口，烧嘴，烧嘴位于燃烧加热炉炉内的炉顶，其特征在于烧嘴有两层通路，中心管是纯氧通路，中心管路外的套管是富烃类气体通路，燃烧加热炉还设有喷枪，喷枪与富烃类气体和/或非烃类气体管路连通，喷枪均匀地布置在炉顶烧嘴周围和/或喷枪位于燃烧加热炉本体的中下部四周。
9.一种气基竖炉还原气的加热装置，包括燃烧加热炉本体，排气口，烧嘴，烧嘴位于燃烧加热炉炉内的炉顶，其特征在于烧嘴有三层通路，中心管是纯氧通路，中心管路外的套管是富烃类气体通路，富烃类气体套管外层套管是非烃类气通路。
10.根据权利要求8或9所述的一种气基竖炉还原气的加热装置，其特征在于在富烃类气体套管外还设有蒸汽通路。
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