[发明专利]用于从高炉气中分离氮气的氧气浓缩器的使用

说明书

技术领域

本发明涉及一种使用在铸造高炉气中可获得的余热和机械能的方法，更具体地涉及用于处理包含残余量的未燃碳氢燃料的高温高炉排气以形成用于燃气涡轮发动机的清洁的补充燃烧气体和工作流体的工艺。

背景技术

众所周知，将铁矿石还原成商品级铁和钢的高炉操作遭受显著的低热效率。典型的高炉仅仅使用供应到冶炼厂以制造粗铁的总热能的大约66％，其中需要非常大量的空气以燃烧焦炭供给。还已知的是，高炉排气流经常包含在铁矿石还原工艺中必须释放的、处理的或保持未使用的可使用量的未燃碳氢化合物。

以前保存高炉操作期间及其之后产生的热能的努力主要集中在减少执行初始铸造操作所必需的燃料量，诸如减少用于加热铁矿石的焦炭气、天然气或加热油的量。基于可通过增加燃料气体供给的输入温度改进任何冶金工艺的经济性的理论，其它方法已企图使来自高炉排气的热量再循环以支持铁矿石的初始提炼。

近年来，提出有限数量的技术以通过在下游操作中更好地利用高炉排气的热量和潜在功来改善铸造操作的热效率，包括驱动发电设备的旋转件的气流。然而，这些已知的工艺遭受显著的低热效率，以及由于在排气中存在固体颗粒而引起的操作问题。此外，对于较小尺寸的铸造炉，相关的燃气涡轮发动机的发电容量在经济性上可能是不合理的。

购买并安装所需的发电设备的初始投资可能是非常昂贵的，这使得收回下游工艺中的投资的时间令人无法接受地长。许多称为“联合”的工厂也没有足够的空间来容纳从排出的高炉气中发电所必需的相对复杂和昂贵的设备，这主要因为需要容纳在铸造操作开始时以环境空气的形式引入到高炉中的大量的氮气。来自普通高炉的标称排气流包括45-50％体积比的氮气。

因此，迄今为止，处理高炉排气的大多数传统工厂不能够完全重新捕获排气在其离开高炉时的燃烧值或潜在功。典型地，气体在1.5和2.0巴计量之间的压力下在具有较高的可感热容量(气体温度典型地在150℃和200℃之间)的情况下产生于炉子。排气还包含氮气和气态形式的未燃碳氢燃料的残余量。已尝试回收残余燃料成分和/或使用从排出的高炉气中可获得的工作力。然而，不变地，这种工艺因在排气中存在氮气、二氧化碳和一氧化碳而遭遇有限的成功，这些排气中的氮气、二氧化碳和一氧化碳倾向于降低任何随后使用的燃料值，尤其在燃气涡轮发动机中。

因此，假如供给到涡轮发动机的氮气量可显著减少，那么存在提高燃气涡轮发动机的结合的燃料供给的总体热效率的可能。在过去，利用市场上可获得的“氧气浓缩器”，分子筛(molecular sieve)已小规模用于从环境空气中分离N₂。一种称为“变压吸附”(“PSA”)的已知方法基于种的分子特征和对吸附材料的亲合力，成功地用于在压力下将特定气体种从气体混合物中分离。PSA在环境温度附近操作，因此不同于导致气体分离的低温蒸馏技术。专用的吸附材料作为分子筛，优选在高压下吸附目标气体种。然后，该工艺转换到低压以使吸附材料解除吸附。

由于多种原因，采用PSA技术的传统氧气浓缩器不能大规模地有效地用于处理高炉排气或产生到燃气涡轮发动机的补充供给。例如，传统的氧气浓缩器在清除诸如存在于高炉排气流中的一氧化碳、二氧化碳或氩气的高炉燃烧的其它副产物时不是有效的。

来自铸造高炉的排气造成使未经处理的气体对于下游燃气涡轮发动机中的使用不可接受的另一个重要问题。由于在初始高炉操作期间产生和夹带于排气中的固体颗粒的存在，该气体不能直接供给到燃烧器或产生动力的燃气涡轮发动机的任何级中。燃气涡轮发动机的制造商通常要求大约5mg/Nm³的最大进口颗粒负荷。因此，在任何高炉气能够合格地在燃气涡轮发动机中使用之前，它必须经过清洁以将该气体从其初始的“肮脏”状态(典型地8.10g/Nm³)转换到燃气涡轮进口所需的标准。

发明内容

根据本发明的从高炉排气流中分离氮气的工艺包括基本步骤：(1)移除在高炉排气流(通常包含大约45-50％氮气、氧气、残余碳氢燃料化合物以及碳颗粒)中夹带的固体颗粒，以形成基本上无颗粒的气流；(2)传送无颗粒的气流通过包含能够从该气流中的空气中吸附氮气的吸附材料的至少一个分离器床；(3)吸附存在于气流中的基本上所有的氮气，作为位于至少一个分离器床中的固体上的间隙(interstitial)氮气；(4)将离开分离器的任何未被吸附的碳氢燃料和氧气成分作为补充燃料供给到燃气涡轮发动机中；以及(5)从分离器床上移除吸附的氮气。

附图说明