利用余热余压自供富氧空气的节能高炉系统.pdf

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摘要
申请专利号:

CN201510306714.X

申请日:

2015.06.05

公开号:

CN104930865A

公开日:

2015.09.23

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情:

授权|||实质审查的生效IPC(主分类):F27D 17/00申请日:20150605|||公开

IPC分类号:

F27D17/00; C21B5/00

主分类号:

F27D17/00

申请人:

浙江大学

发明人:

余柳; 李博; 赵怡然; 孙樾; 吴舒琴; 袁林俊; 周霞; 王勤

地址:

310027浙江省杭州市西湖区浙大路38号

优先权:

专利代理机构:

杭州天勤知识产权代理有限公司33224

代理人:

黄燕

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内容摘要

本发明公开了一种利用余热余压自供富氧空气的节能高炉系统,包括炼铁子系统以及富氧制取子系统,富氧制取子系统包括两组吸/脱附塔以及对吸/脱附塔提供压缩空气的压缩机,每个吸/脱附塔内设有烟气通道、空气通道和换热介质通道,其中烟气通道的进、出口分别通过管路与炼铁子系统的烟气出口和烟囱相连,空气通道的进、出口分别通过管路与压缩机出口、炼铁子系统的富氧空气入口相连;两组吸/脱附塔中的换热介质通道首尾连通形成实现吸附热量回用的循环通道;所述烟气通道、空气通道上设有阀门。本发明不但提高了余热的回收利用率,而且减少了高炉的焦炭消耗和提高了生铁产量。

权利要求书

权利要求书
1.  一种利用余热余压自供富氧空气的节能高炉系统,包括炼铁子系统以及富氧制取子系统,其特征在于,所述富氧制取子系统包括两组吸/脱附塔以及对吸/脱附塔提供压缩空气的压缩机,每个吸/脱附塔内设有烟气通道、空气通道和换热介质通道,其中烟气通道的进、出口分别通过管路与炼铁子系统的热风炉烟气出口和烟囱相连,空气通道的进、出口分别通过管路与压缩机出口、炼铁子系统的富氧空气入口相连;所述两组吸/脱附塔中的换热介质通道首尾连通形成实现吸附热量回用的循环通道;所述烟气通道、空气通道上设有阀门。

2.  根据权利要求1所述的利用余热余压自供富氧空气的节能高炉系统,其特征在于,所述空气通道的出口和入口部位的管路上均设有阀门。

3.  根据权利要求1所述的利用余热余压自供富氧空气的节能高炉系统,其特征在于,两组换热介质通道一侧的两个第一端之间通过动力阀门组导通,所述动力阀门组包括:
换热介质泵;
分别设置在换热介质泵出口与两个第一端之间管路上的第一阀门、第二阀门;
分别设置在换热介质泵入口与两个第一端之间管路上的第三阀门、第四阀门。

4.  根据权利要求3所述的利用余热余压自供富氧空气的节能高炉系统,其特征在于,还包括储存换热介质的容器;所述动力阀门组还包括第一三通阀和第二三通阀;
所述第一三通阀的三个端口分别与所述容器、换热介质泵入口、两个第一端中任一端通过管路相连;
所述第二三通阀的三个端口分别与两组换热介质通道另一侧的两个第二端以及所述容器相连。

5.  根据权利要求1-4任一权利要求所述的利用余热余压自供富氧空气的节能高炉系统,其特征在于,还包括第一换热器,所述富氧制取子系 统制备的富氧空气先通过所述第一换热器与炼铁子系统排出的热风炉烟气换热,然后再进入炼铁子系统中。

6.  根据权利要求5所述的利用余热余压自供富氧空气的节能高炉系统,其特征在于,所述炼铁子系统中热风炉排出的热风炉烟气一部分进入所述第一换热器换热,剩余部分进入处于脱附过程的吸/脱附塔中对脱附过程提供热量。

7.  根据权利要求1-4任一权利要求所述的利用余热余压自供富氧空气的节能高炉系统,其特征在于,还包括第二换热器,所述两组吸/脱附塔排出的烟气在所述第二换热器中与两组吸/脱附塔制备的富氧空气进行换热。

8.  根据权利要求7所述的利用余热余压自供富氧空气的节能高炉系统,其特征在于,所述两组吸/脱附塔的烟气管道分别通过两个单独的管路与烟囱和第二换热器中烟气通道入口相连,两个单独的管路上分别设有阀门。

9.  根据权利要求1-4任一权利要求所述的利用余热余压自供富氧空气的节能高炉系统,其特征在于,所述压缩机的动力由炼铁子系统中的透平机提供。

说明书

说明书利用余热余压自供富氧空气的节能高炉系统
技术领域
本发明属于高炉设计技术领域,具体是涉及一种利用余热余压自供富氧空气的节能高炉系统。
背景技术
钢铁产业是国民经济的命脉,根据全球钢铁产量和不锈钢产量报告,2014年中国以8.23亿吨的粗钢产量位居世界第一,占全球粗钢产量的49.5%。我国钢铁工业余热资源量高达455.1kg标准煤/吨钢,目前回收利用率仅为日本、德国等发达国家的一半。可见我国钢铁工业余热资源回收潜力巨大。
与此同时,高炉富氧喷煤技术的应用大幅降低了焦炭耗量和生铁成本,提高了生铁生产效率。但要提高喷煤比,实现大喷吹量,提高富氧率是必不可少的手段。由于各企业高炉富氧的氧气来源大多是炼钢生产富余氧气,造成富氧率不稳定,氧气供应没有保证,不利于炉况的稳定,也不利于充分发挥富氧喷煤技术的作用。
目前,变压吸附制取富氧的技术较为成熟。变压吸附制氧富氧率很高,可以达到60%~95%,但电耗大,成本高。富氧喷煤技术使用的富氧仅需提高几个百分点就可以满足实际生产需要。如果采用变压吸附,不但消耗宝贵的电能,而且,经济性不好,很难推广应用。
图1所示为传统的炼铁子系统,传统炼铁子系统主要包括:用于加热将要进入高炉反应的空气的热风炉,与所述热风炉的出气口连通的高炉,与所述高炉的出气口连通的除尘装置,与所述除尘装置的出口连通的透平机以及回热器,透平机出口通过管路与热风炉的高温煤气入口连通,热风炉的热风炉烟气出口与所述回热器的高温烟气入口连通,回热器的高温烟气出口连接烟囱。所述热风炉排放的高温热风炉烟气用于加热进入热风炉的空气,以利用系统废热能量;所述透平机利用高炉煤气的余压能量输出 机械功,所述透平机出口的低压高炉煤气送至热风炉燃烧用于预热富氧空气。由图1可知,目前热风炉高温烟气余热利用仍然以预热助燃空气、预热高炉煤气为主,只利用了其中一小部分的能量,还有一大部分的能量都是以热量的形式排放掉了,没有得到充分利用。
发明内容
本发明提供了一种利用余热余压自供富氧空气的节能高炉系统,充分利用被排放掉的热风炉烟气中的余热能量,更直接高效的利用高炉煤气余压能量,减少系统燃料消耗,降低生产成本,同时增加生铁产量。
一种利用余热余压自供富氧空气的节能高炉系统,包括炼铁子系统以及富氧制取子系统,所述富氧制取子系统包括两组吸/脱附塔以及对吸/脱附塔提供压缩空气的压缩机,每个吸/脱附塔内设有烟气通道、空气通道和换热介质通道,其中烟气通道的进、出口分别通过管路与炼铁子系统的热风炉烟气出口和烟囱相连,空气通道的进、出口分别通过管路与压缩机出口、炼铁子系统的富氧空气入口相连;所述两组吸/脱附塔中的换热介质通道首尾连通形成实现吸附热量回用的循环通道;所述烟气通道、空气通道上设有阀门。
本发明中,利用吸附塔吸附过程中放热、脱附过程中吸热的特性,通过设置两组吸/脱附塔,同时保证两组吸/脱附塔交替的进行吸附和脱附,可实现将进行吸附过程的塔内热量回用至脱附过程中。而且利用炼铁子系统的热风炉烟气对脱附过程进行供热,进一步回收炼铁子系统的热量。通过换热介质一方面可以完成对吸附放热的回收,另一方面也可以完成对吸附过程的冷却。
本发明中,所述压缩机入口与大气连通,用于提供压缩空气,提高吸附效率;所述压缩机出口与吸/脱附塔空气入口连通;所述吸/脱附塔空气出口与第二换热器空气进口连通;所述第二换热器空气出口与炼铁子系统中的热风的炉富氧空气入口连通。所述热风炉的热风炉烟气出口与吸/脱附塔高温烟气入口连通,所述吸/脱附塔的高温烟气出口与第二换热器的的高温烟气入口或者烟囱连通;第二换热器的高温烟气出口与炼铁厂烟囱连通。所述吸/脱附塔的作用是用于吸附空气中的氮气,提高含氧率;系统有 两个吸/脱附塔,一塔工作时一塔再生,切换使用。
作为优选,所述空气通道的出口和入口部位的管路上均设有阀门。由于吸附过程在高压下进行,所以在一组吸/脱附塔进行吸附的过程中,需要将另外一个脱附过程中的吸/脱附塔的空气通道的两端关闭,避免富氧空气进入到脱附状态下吸/脱附塔的空气通道内。
作为优选,两组换热介质通道一侧的两个第一端之间通过动力阀门组导通,所述动力阀门组包括:
换热介质泵,所述换热介质泵用于对换热介质提供动力;
分别设置在换热介质泵出口与两个第一端之间管路上的第一阀门、第二阀门;
分别设置在换热介质泵入口与两个第一端之间管路上的第三阀门、第四阀门。
采用该技术方案,可通过对第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门的调控实现在不同状态下的换热介质的运行方向,保证换热介质先在吸附过程的塔中吸收热量,再循环至需要热量的脱附过程的塔中,进一步提高热量回用效率。
作为优选,还包括储存换热介质的容器;所述动力阀门组还包括第一三通阀和第二三通阀;
所述第一三通阀的三个端口分别与所述容器、换热介质泵入口、两个第一端中任一端通过管路相连;
所述第二三通阀的三个端口分别与两组换热介质通道另一侧的两个第二端以及所述容器相连。
采用上述技术方案,可通过三通阀,完成在吸附或脱附的不同状态下,换热介质的工作流向。
作为优选,还包括第一换热器,所述富氧制取子系统制备的富氧空气先通过所述第一换热器与炼铁子系统排出的热风炉烟气换热,然后再进入炼铁子系统中。采用该方案进一步利用热风炉烟气的热量,提高富氧空气的温度。
作为进一步优选,所述炼铁子系统中热风炉排出的热风炉烟气一部分 进入所述第一换热器换热,剩余部分全部进入处于脱附过程的吸/脱附塔中对脱附过程提供热量。由于对于炼铁子系统,部分热风炉烟气的热量足以对富氧空气提供预热能量,采用该技术方案,进一步提高了对热风炉烟气热量的回用。
作为优选,所述高炉系统还包括第二换热器,所述两组吸/脱附塔排出的烟气在所述第二换热器中与两组吸/脱附塔制备的富氧空气进行换热。采用该技术方案,对富氧制取子系统排出的烟气中蕴含的热量进一步回收。
作为进一步优选,所述两组吸/脱附塔的烟气管道分别通过两个单独的管路与烟囱和第二换热器中烟气通道入口相连,两个单独的管路上分别设有阀门。采用该技术方案,当富氧制取子系统排出的烟气温度太低时,可以直接通过阀门控制,直接排出至烟囱。此时可以通过连通温度传感器,通过温度传感器自动实现对阀门的控制。
作为优选,所述压缩机的动力由炼铁子系统中的透平机提供。安装时,作为进一步优选,所述压缩机直接由透平机带动并与透平机同轴转动。选用该技术方案,进一步提高了能量回收效率。
本发明变温变压耦合吸附制取富氧的方法每个吸/脱附塔都要循环进行吸附过程和脱附过程。吸附过程在常温高压下进行,放出热量。此时空气通道打开,高温烟气通道关闭,换热介质通道打开,空气中的部分氮气被吸附,含氧率提高,同时利用换热介质和空气带走吸附热;脱附过程在高温常压下进行,需要吸热。此时空气通道关闭,高温烟气通道打开,换热介质通道打开,被吸附的氮气解吸出来,吸/脱附塔重新获得吸附能力。同时脱附所需要的热量由热风炉高温烟气和换热介质共同提供。
两个吸/脱附塔间通过换热介质循环回路连通。当一塔刚开始吸附时温度高,另一塔刚开始脱附时温度低,两塔间温差大。通过换热介质循环回路,将一塔中吸附放出的热量转移到脱附状态的塔中,提供其脱附所需热量。随着吸附过程的进行,塔的温度逐渐降低;随着脱附过程的进行,塔的温度逐渐升高,两塔间温差小,换热介质无法在两塔间循环,此时换热介质从吸附塔入口进,直接从出口排出。
下面以两个吸/脱附塔为例,说明本发明装置的工质的工作流程。具体 如下:将本发明装置的一个循环周期分为塔间回热的吸附阶段t1、塔间无回热的吸附阶段t2、塔间回热的脱附阶段t3以及塔间无回热的脱附阶段t4。
塔间回热的吸附阶段t1,高温烟气通道关闭,空气通道和换热介质通道打开。空气经压缩机压缩至高压,通过压缩机出口进入处于吸附过程的吸/脱附塔中,部分氮气被吸附,空气含氧率提高,离开吸/脱附塔空气出口,经过换热器被一部分热风炉烟气加热后,进入热风炉入口。同时换热介质在吸附过程中的吸/脱附塔和脱附过程中的/脱附塔间循环流动,把吸附放出的热量携带到脱附的吸/脱附塔中加以利用。
塔间无回热的吸附阶段t2,高温烟气通道关闭,空气通道和换热介质通道打开。空气流动过程同t1。换热介质不在两塔间循环流动,从处于吸附过程中的吸/脱附塔换热介质入口进入,换热介质出口排出。
塔间回热的脱附阶段t3,空气通道关闭,高温烟气通道和换热介质通道打开。传统流程中未被利用的那一部分热风炉烟气从处于脱附过程中的吸/脱附塔的烟气入口进入,在塔中放热,温度降低,然后从处于脱附过程中的吸/脱附塔的烟气出口排出,进入炼铁厂烟囱。同时换热介质在两个吸/脱附塔间循环流动,把吸附放出的热量携带到处于脱附过程的塔中加以利用。脱附热由高温烟气和循环介质共同提供。
塔间无回热的脱附阶段t4,空气通道关闭,高温烟气通道和换热介质通道打开。高温烟气流动过程同t3。换热介质不在两塔间循环流动。所需脱附热由高温烟气单独提供。
本发明与传统的炼铁工艺流程相比,更充分的利用系统的余热余压能源,具有以下有益效果:
(1)利用热风炉烟气余热制取富氧空气原料,更具节能减排效果。热风炉烟气用于加热原料气,同时用于制取富氧空气,不但提高了余热的回收利用率,而且减少了高炉的焦炭消耗和提高了生铁产量。
(2)采用透平机-压缩机复合装置压缩原料气,减少能量形式转换。充分利用高炉煤气余压,通过透平机-压缩机复合装置压缩原料气,去除了机械能与电能的两次转化过程,提高了余压的回收利用效率。
(3)采用塔间回热的变温变压耦合吸附工艺,进一步提高了余热的 回收利用率。高温常压脱附,常温高压吸附,可减少吸附剂的使用量。并采用塔间回热,减少热风炉烟气消耗和强化吸脱附过程的传热传质。
附图说明
图1为传统高炉系统的结构图;
图2为本发明的利用余热余压自供富氧空气的节能高炉系统的结构示意图;
图3为本发明的利用余热余压自供富氧空气的节能高炉系统的详细结构示意图。
其中:
1为热风炉;2为高炉;3为除尘装置;4为透平机;5为热风炉入口处的第一换热器;6为吸附塔出口的第二换热器;7为第一吸/脱附塔;8为压缩机;9为第二吸/脱附塔;10为换热介质泵。
1a为热风炉的高炉煤气入口;1b为热风炉的高温富氧空气出口;1c为热风炉的热风炉烟气出口;1d为热风炉的富氧空气入口;2a为高炉的富氧空气入口;2b为高炉的高炉煤气出口;3a为除尘装置的入口;3b为除尘装置的出口;4a为透平机的入口;4b为透平机的出口;5a为第一换热器的高温烟气入口;5b为第一换热器的富氧空气出口;5c为第一换热器的高温烟气出口;5d为第一换热器的空气入口;6a为第二换热器的高温烟气出口;6b为第二换热器的高温烟气入口;6c为第二换热器的空气出口;6d为第二换热器的空气入口;7a为第一吸/脱附塔7的空气出口;7b为第一吸/脱附塔7的空气入口;7c为第一吸/脱附塔7的高温烟气入口;7d为第一吸/脱附塔7的高温烟气出口;7e为第一吸/脱附塔7的换热介质出口;7f为第一吸/脱附塔7的换热介质入口;8a为压缩机的排气口;8b为压缩机的空气入口;9a为第二吸/脱附塔9的空气出口;9b为第二吸/脱附塔9的空气入口;9c为第二吸/脱附塔9的高温烟气入口;9d为第二吸/脱附塔9的高温烟气出口;9e为第二吸/脱附塔9的换热介质出口;9f为第二吸/脱附塔9的换热介质入口;10a为换热介质泵的入口;10b为换热介质泵的出口。
具体实施方式
如图2所示,一种基于变温变压耦合吸附的利用余热余压自供富氧空气的节能高炉系统,由传统炼铁子系统以及富氧制取子系统组成。
传统炼铁子系统由热风炉1、高炉2、除尘装置3、透平机4、热风炉进口处的第一换热器5组成;
富氧制取子系统由吸附塔后的第二换热器6、第一吸/脱附塔7、压缩机8、第二吸/脱附塔9以及换热介质泵10组成。
上述各部件的连接关系如下:
热风炉1的富氧空气出口1b与高炉2的富氧空气入口2a相连;高炉2的高炉煤气出口2b与除尘装置3的入口3a相连;除尘装置3的出口3b与透平机4的入口4a相连;高炉煤气在透平机4中输出功后经过透平机4的出口4b与热风炉1的高炉煤气入口1a相连,回到热风炉1燃烧,对热风炉1内的富氧空气进行加热;热风炉1的热风炉烟气出口1c与第一换热器5的高温烟气入口5a相连;第一换热器5的富氧空气出口5b和热风炉1的富氧空气入口1d相连;从热风炉1出来的一部分烟气经过第一换热器5的高温烟气出口5c排出,剩余的烟气分别进入第一吸/脱附塔7、第二吸/脱附塔9;第二换热器6的空气出口6c和第一换热器5的空气入口5d直接相连;第一吸/脱附塔7的空气出口7a和第二换热器6的空气入口6d相连;大气压下的空气从压缩机8的空气入口8b进入,从压缩机8的排气口8a排出,再由第一吸/脱附塔7的空气入口7b进入塔中进行吸/脱附过程;热风炉1的热风炉烟气出口1c和第一吸/脱附塔7的高温烟气入口7c相连;第一吸/脱附塔7的高温烟气出口7d和第二换热器6的高温烟气入口6b相连,再经第二换热器6的高温烟气出口6a送到烟囱;脱附塔的空气入口9b和压缩机的排气口8a相连;第二吸/脱附塔9的空气出口9a和第二换热器6的空气入口6d相连;第二吸/脱附塔9的空气入口9b与压缩机8的排气口8a相连;第二吸/脱附塔9的高温烟气入口9c和热风炉1的热风炉烟气出口1c相连;第二吸/脱附塔9的高温烟气出口9d和第二换热器6的高温烟气入口6b相连。
换热介质系统:换热介质从换热介质泵10的入口10a进入,经换热 介质泵10的出口10b流出;换热介质泵10的出口10b和第一吸/脱附塔7的换热介质入口7f或第二吸/脱附塔9的换热介质入口9f相连;第一吸/脱附塔7的换热介质出口7e或第二吸/脱附塔9的换热介质出口9e连通,同时分别通过管路与换热介质泵10的入口10a相连。
同时还设置了阀门A、阀门B、阀门C、阀门D、阀门E、阀门F、阀门G、阀门H、阀门I、阀门J、阀门K、阀门L、阀门M、阀门N。其中阀门B和阀门L为三通阀。阀门B的三个开口分别定义为第一端、第二端、第三端。阀门B的第二端通过管路与第一吸/脱附塔7换热介质入口7f连通,该管路上设置有上述的阀门A。阀门B的第三端通过管路与第二吸/脱附塔9的换热介质入口9f的连通,该管路上设置有上述的阀门C,同时换热介质泵10也设置在该管路上,换热介质泵10设置在阀门B的第三端与阀门C之间的管路上。同时在换热介质泵10的出口10b与第一吸/脱附塔7换热介质入口7f之间设置管路,该管路上设有上述的阀门D;另外在第二吸/脱附塔9的换热介质入口9f与换热介质泵10的入口10a之间设置管路,该管路上设置有上述的阀门E。压缩机8的排气口8a与第一吸/脱附塔7的空气入口7b之间的管路上设置有上述的阀门F;压缩机8的排气口8a与第二吸/脱附塔9的空气入口9b之间的管路上设置有上述的阀门G。第一吸/脱附塔7的高温烟气出口7d和第二吸/脱附塔9的高温烟气出口9d与烟囱之间也设置了管路,该管路上设置有上述的阀门H,当从第一吸/脱附塔7的高温烟气出口7d和第二吸/脱附塔9的高温烟气出口9d出来的烟气温度比较低时,不需要通过第二换热器6回收热量,此时阀门H开启,烟气可直接通过该管路排出至烟囱中。第一吸/脱附塔7的高温烟气出口7d和第二吸/脱附塔9的高温烟气出口9d与第二换热器6的高温烟气入口6b之间的管路设置有上述的阀门I。第一吸/脱附塔7的空气出口7a与第二换热器6的空气入口6d之间的管路上设有上述的阀门J;第二吸/脱附塔9的空气出口9a与第二换热器6的空气入口6d之间的管路上设有上述的阀门K。第一吸/脱附塔7的换热介质出口7e、第二吸/脱附塔9的换热介质出口9e、阀门B的入口之间设有上述的阀门L;阀门L的三个开口分别定义为第一端、第二端和第三端,阀门L的第一端与阀 门B的第一端连通,两者之间一般设置有储存换热介质的容器,换热介质一般为水,用于吸收吸附过程中的热量,同时将吸附产生的热量回用至脱附过程中。阀门L的第二端通过管路与上述的第一吸/脱附塔7的换热介质出口7e连通。阀门L的第三端通过管路与上述的第二吸/脱附塔9的换热介质出口9e连通。
吸附过程在常温高压下进行,放出热量。此时空气通道打开,高温烟气通道关闭,换热介质通道打开,空气中的部分氮气被吸附,含氧率提高,同时利用换热介质和空气带走吸附热;脱附过程在高温常压下进行,需要吸热。此时空气通道关闭,高温烟气通道打开,换热介质通道打开,被吸附的氮气解吸出来,吸附塔重新获得吸附能力。同时脱附所需要的热量由热风炉高温烟气和换热介质共同提供。
第一吸/脱附塔7、第二吸/脱附塔9交替的作为吸附塔和脱附塔使用,以第一吸/脱附塔7作为吸附塔,第二吸/脱附塔9作为脱附塔使用为例,说明第一吸/脱附塔7、第二吸/脱附塔9的工作过程:
热风炉1的高温烟气进入第二吸/脱附塔9中提供脱附过程所需热量(脱附过程中脱附塔的温度逐渐升高,使得脱附过程前阶段放热后的烟气温度低,脱附过程后阶段放热后的烟气温度高)。出口烟气温度高时,阀门I打开,阀门H关闭,烟气与第一吸/脱附塔7空气出口7a的富氧空气在第二换热器6内换热,以进一步利用废热;出口烟气温度低,阀门H打开,阀门I关闭,烟气直接经过阀门H送至烟囱。此过程此设计使得系统的能量利用率进一步提高,实际安装过程中,可根据需要设置温度传感器等,阀门H和阀门I可设置为受温度传感器控制的电控阀等。
第一吸/脱附塔7吸附初期(即第二吸/脱附塔9脱附初期),两塔间温差大,采用塔间回热的方案,将吸附塔(第一吸/脱附塔7)中放出的热量转移到脱附塔(第二吸/脱附塔9)中,提供其脱附所需热量,称为有回热的吸脱附过程;第一吸/脱附塔7吸附后期(即第二吸/脱附塔9脱附后期),两塔间温差缩小,不需要采用塔间回热的方案,称为无回热的吸脱附过程。此设计也可以进一步提高系统的能量利用效果。
有回热的吸脱附过程:(1)第一吸/脱附塔7中吸附,第二吸/脱附塔 9中脱附:阀门D、阀门L、阀门E打开,阀门A、阀门C关闭,阀门B的第一端和第三端在初期阶段导通,保证换热介质进入,换热介质完成一个循环后,阀门B关闭。换热介质依次经过阀门B的第一端和第三端、换热介质泵10的入口10a、换热介质泵10的出口10b、阀门D、第一吸/脱附塔7的换热介质入口7f、第一吸/脱附塔7的换热介质出口7e、阀门L的第三端和第二端、第二吸/脱附塔9的换热介质出口9e(此时作为换热介质入口使用)、第二吸/脱附塔9的换热介质入口9f(此时作为换热介质出口使用)、阀门E,最终回到换热介质泵10的入口10a,完成一次循环;(2)第一吸/脱附塔7脱附,第二吸/脱附塔9吸附:阀门B、阀门C、阀门L、阀门A打开,阀门D、阀门E关闭,阀门B的第二端和第三端导通。换热介质依次换热介质泵10的出口10b、阀门C、第二吸/脱附塔9的换热介质入口9f、第二吸/脱附塔9的换热介质出口9e、阀门L的第三端和第二端、第一吸/脱附塔7的换热介质出口7e(此时作为换热介质入口使用)、第一吸/脱附塔7的换热介质入口7f(此时作为换热介质出口使用)、阀门A、阀门B的第二端和第三端,最后回到换热介质泵10的入口10a;
无回热的吸脱附过程:(1)第一吸/脱附塔7吸附,第二吸/脱附塔9脱附:阀门B的第一端和第三端导通、阀门D打开、阀门L的第二端和第一端导通,阀门A、阀门C、阀门E关闭。换热介质依次经过阀门B的第一端和第三端导通、换热介质泵10的入口10a、换热介质泵10的出口10b、阀门D、第一吸/脱附塔7的换热介质入口7f、第一吸/脱附塔7的换热介质出口7e、阀门L的第二端和第一端最终回到储存换热介质的容器;(2)第一吸/脱附塔7脱附,第二吸/脱附塔9吸附:阀门B的第一端和第三端导通、阀门C打开、阀门L的第三端和第一端导通,阀门A、阀门D、阀门E关闭。换热介质依次经过阀门B的第一端和第三端、换热介质泵10的入口10a、换热介质泵10的出口10b、阀门C、第二吸/脱附塔9的换热介质入口9f、第二吸/脱附塔9的换热介质出口9e、阀门L的第三端和第一端,最终回到储存换热介质的容器。
当第一吸/脱附塔7吸附、第二吸/脱附塔9脱附时,阀门F和阀门J 打开;阀门K和阀门G关闭;当第一吸/脱附塔7脱附、第二吸/脱附塔9吸附时,阀门K和阀门G打开,阀门F和阀门J关闭。阀门M、阀门N分别用于控制第一吸/脱附塔7、第二吸/脱附塔9内高温烟气通道的导通。
性能分析:以一个生铁产量为100吨/小时的高炉炼铁系统为例,高炉容积为1000m3。热风炉烟气温度和压强分别为400℃和0.12MPa(压强略高于大气压,以便排出烟囱),热风炉烟气流量为:250000标方/小时。高炉煤气温度和压力分别为200℃和0.35MPa,高炉煤气流量为:150000标方/小时。富氧空气富氧率为3%(即空气中含氧率为24%),鼓风量为100000标方/小时。
吸附塔中工作状态:温度和压强分别为30℃和0.35MPa,即常温高压下吸附;脱附塔中工作状态:温度和压强分别为400℃和0.1MPa,即高温常压下脱附。两塔工作状态每两小时切换一次。
经过查阅相关的国家标准和计算,透平机和压缩机的绝热压缩效率取0.9。吸附塔中分子筛以10元/kg计算,系统分子筛投资成本为556万元,两个吸附塔及系统管道设备初投资与分子筛成本相近,约为556万元。分子筛使用年限为5年,吸附塔及管道设备使用年限为10年。压缩机和透平机参考市场价估算,初投资成本约为1130万元,使用年限均为10年。将系统的部分计算参数列出,结果如表1:
表1
压缩机功率(kw)5644脱附显热(分子筛温升kJ/h)3.961×107透平机功率(kw)5653脱附潜热(氮气解吸kJ/h)2.249×107分子筛质量(kg)138993热风炉烟气热量(kJ/h)9.022×107
将本系统和原系统进行对比,对比结果如表2:
表2
参数原系统本系统压缩机功率(kW)/5644高炉风机功率(kW)46860透平机功率(kW)53705653
净产电功率(kW)6849净产功率转为电费(万元)4105分子筛成本(万元)/556设备费用(万元)10361686使用年限(年)10分子筛5;其他10年均成本(万元)-306275富氧后年收益(万元)/1277年净收益(万元)3061002
由表2可知,总成本增加:556+1686-1036=1206万元,富氧后本系统每年多产生的净收益为:1002-306=696万元;收回成本年限:2年。同时本发明利用炼铁厂多余的热风炉烟气热量和高炉煤气的余压能量来制取富氧,可以提高生铁产量大约每年87.2万吨,减少燃料消耗成本约910.4万元。本系统更为直接充分地利用了炼铁厂余热余压能量,有效地起到了节能减排效果,并且兼具较好的经济效益。

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本发明公开了一种利用余热余压自供富氧空气的节能高炉系统,包括炼铁子系统以及富氧制取子系统,富氧制取子系统包括两组吸/脱附塔以及对吸/脱附塔提供压缩空气的压缩机,每个吸/脱附塔内设有烟气通道、空气通道和换热介质通道,其中烟气通道的进、出口分别通过管路与炼铁子系统的烟气出口和烟囱相连,空气通道的进、出口分别通过管路与压缩机出口、炼铁子系统的富氧空气入口相连;两组吸/脱附塔中的换热介质通道首尾连通形成实。

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