Способ рекуперации энергии из горячего газа
Изобретение предназначено для рекуперации энергии из горячего газа. Способ рекуперации энергии из газа, имеющего температуру выше 650°С и абсолютное давление выше 1,7 бар и содержащего незатвердевшие соединения щелочных металлов и частицы, включает следующие стадии: охлаждение газа до температуры ниже 550°С с помощью кожухотрубного теплообменника, в котором горячий газ пропускают по межтрубному пространству, а охлаждающую воду - во внутритрубном пространстве, в котором образуется пар и из которого рекуперируется энергия пара, отделение частиц от газа с помощью одного или более последовательно расположенных центробежных разделительных устройств до содержания пыли ниже 400 мг/Нм3 и расширение газа в детандере для рекуперации энергии. Технический результат: повышение эффективности рекуперации. 15 з.п. ф-лы, 1 ил.
Способ рекуперации энергии из горячего газа, имеющего температуру выше 650°С и абсолютное давление выше 1,7 бар и содержащего как твердые, так и еще не затвердевшие содержащие щелочные металлы соединения и частицы. Такой газ образуется, например, в разработанных в последнее время непрерывных процессах железо- и сталеварения, таких как процесс выплавки двутавровой стали.
Сталь представляет собой сплав на основе железа, содержащий менее 1% углерода и обычно другие легирующие элементы. В настоящее время сталь производят из доменного чушкового чугуна («горячего металла»), из ЖИВ (железа прямого восстановления) и железного или стального лома. ЖИВ, называемое также губчатым железом, производят прямым восстановлением железной руды в твердом состоянии.
На протяжении последнего столетия в промышленности доминировала традиционная эксплуатация коксовальных печей периодического действия в виде отдельных агрегатов для производства сталелитейного кокса, доменных печей непрерывного действия для производства железа и сталелитейных печей периодического действия. Кроме значительного увеличения в размере и производительности используемого оборудования аппаратуры в течение этого периода были осуществлены лишь два значительных изменения: повсеместное применение технического кислорода для обогащения или замены технологического воздуха и использование агломерированных, упрочняющихся при нагреве богатых железоминеральных концентратов в качестве добавки к или замены природной кусковой железной руды.
В последние годы из-за возрастающих побудительных соображений, связанных с капитальными и эксплуатационными затратами, а также по причине необходимости защиты окружающей среды произошел резкий рост научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок в области способов непрерывного производства железа и стали. Такого рода способы восстановительной плавки описаны, например, в US-A-5891214, US-A-5759495 и US-A-5060913. Непрерывный процесс производства железа с использованием угля фирмы COREX освоен в промышленном масштабе, но он требует кускового обогащенного железом сырья и зависит от хорошей конъюнктуры на рынке для больших объемов экспортируемого газа, производимого в этом процессе. В настоящее время ведущими новыми непрерывными процессами являются, например, процессы, именуемые Hismelt, DIOS и Romelt (товарные знаки). Все эти процессы относятся к производству железа, в котором устранены недостатки доменного процесса. Эти новые процессы представляют собой высокоинтенсивные, использующие уголь и ванную плавку процессы, в которых перерабатывается железорудная мелочь.
Вводимый в процессе Hismelt кислород является в основном воздухом, подогретым до 1200°С. Железорудную мелочь, уголь и флюс вводят со стороны днища, используя в качестве газа-носителя азот. Высокоскоростное, с большим массовым расходом горячее воздушное дутье поступает через единственную верхнюю фурму. Ванна является в высшей степени турбулентной, а образующиеся металл и шлак разделяют вне печи. Относительно короткая горизонтальная плавильная печь имеет круглое сечение. Отходящий газ перед его дальнейшим использованием направляется к циркулирующему псевдоожиженному слою для улавливания захваченных капелек и пыли. Процесс DIOS включает циркулирующий псевдоожиженный слой и печь предварительного восстановления, соединенную с плавильной печью, подобной высокому кислородному конвертеру ЛД. Печное сырье состоит из частично восстановленной измельченной железной руды, угля, кислорода и флюса. В печи осуществляется донное перемешивание с помощью азота, а рабочее давление составляет 2 ати. Процесс Romelt включает погружное вдувание обогащенного кислородом воздуха для плавки железорудной мелочи, непосредственно вводимой в большой объем вместе с углем с бурным расплескиванием жидкой шлаковой ванны.
Названные выше процессы производят большие объемы горячего газа, содержащего окись углерода, водород, пыль и соединения, которые изначально присутствуют в железной руде и угле. Примерами таких загрязнителей являются соединения щелочных металлов, таких как натрий и калий. Эти соединения находятся в жидком или газообразном состоянии при температурах выше 775°С. При более низких температурах эти щелочи конденсируются и затем отверждаются на поверхности оборудования процесса и находящихся в газе частицах пыли. Эти щелочи могут, например, отверждаться в форме NaCl, KCl, Na2CO3 и К2СО3. Образование таких конденсирующихся и твердых солей затрудняет нормальное простое охлаждение газа и рекуперацию тепла. Способ обработки горячего газа состоит в охлаждении испаряющейся водой. Преимуществом такого способа является то, что соединения щелочных металлов могут быть отведены в виде водного раствора прежде, чем они смогут привести к засорению последующего по ходу схемы оборудования процесса. Недостатком же является то, что водный раствор, содержащий также пыль и возможно частицы угля, должен быть подвергнут обработке прежде, чем он сможет быть выведен в окружающую среду. Кроме того, этот способ не принадлежит к эффективным способам рекуперации энергий из горячего газа.
В US-A-4424766 описана камера сгорания с псевдоожиженным под действием воды слоем для сжигания угля. В пространстве над псевдоожиженным слоем в камере сгорания помещен теплообменник.
В US-A-6044977 описано устройство для удаления из газа микрочастиц. Очищенный газ выводится для использования в качестве привода газовых турбин для генерирования электроэнергии или для других целей.
Таким образом, существует потребность в процессе, в котором температура горячего газа могла быть существенно снижена при одновременном решении остроты проблем, связанных с отверждением соединений щелочных металлов. Настоящее изобретение предлагает процесс, в котором устраняются описанные выше проблемы и рекуперация энергии осуществляется более эффективным образом.
Эта цель достигается с помощью следующего способа, в котором осуществляется рекуперации энергии из газа, полученного в процессе восстановительной плавки, используемой для непрерывного производства стали, имеющего температуру выше 650°С и абсолютное давление выше 1,7 бар и включающего неотверждающиеся соединения щелочных металлов и частицы, путем осуществления следующих стадий:
(a) охлаждение газа до температуры ниже 550°С с помощью кожухотрубного теплообменника, в котором горячий газ пропускают по межтрубному пространству, а охлаждающую воду пропускают во внутритрубном пространстве, в котором образуется пар и из которого рекуперируется энергия пара, причем кожухотрубный теплообменник включает мембранную перегородку, расположенную в продолговатой емкости, где продолговатая мембранная перегородка открыта с каждой из двух сторон для прохода газа внутрь и выхода из внутренней части пространства, ограниченного указанной мембранной перегородкой, причем во внутреннем пространстве находится множество теплообменных труб, которые соединены одна с другой снаружи, образуя пакет, и расположены в названном внутреннем пространстве с образованием множества каналов для прохода горячего газа, которые направлены параллельно продолговатым стенкам мембранной перегородки;
(b) отделение частиц от газа с помощью одного или более последовательно расположенных центробежных разделительных устройств до содержания пыли ниже 400 мг/Нм3;
(с) расширение газа в детандере с целью рекуперации энергии.
Горячий газ, используемый на стадии (а), должен иметь температуру выше 650°С, как правило выше 800°С. Наивысшей температурой может быть 1000°С. Абсолютное давление в горячем газе должно быть выше 1,7 и преимущественно выше 1,9 бар. Это минимальное давление является необходимым для достижения достаточной рекуперации энергии на стадии (с). Абсолютное давление может достигать 40 бар. В горячем газе должны содержаться твердые частицы. В том случае, когда горячий газ образуется в описанном выше непрерывном процессе выплавки железа, этими твердыми частицами могут, например, быть сажа и зола. Этот процесс наилучшим образом пригоден для применения в том случае, когда горячий газ содержит не менее 0,5 г/Нм3 частиц. Предпочтительно, чтобы в горячем газе содержалось более 5 г/Нм3 частиц. Целесообразно достижение минимального эффекта самоочищения газа, протекающего через кожухотрубный теплообменник стадии (а). Верхний предел для количества содержащихся в горячем газе частиц практически отсутствует. Подходящие горячие газы, образующиеся в упомянутых выше непрерывных процессах производства железа, должны обычно иметь содержание частиц менее 100 г/Нм3.
Горячий газ должен также содержать соединения щелочных металлов. Типичными примерами неотверждающихся щелочей являются натрий и калий. Содержание натрия составляет преимущественно от 0,02 до 0,08 об %, а содержание калия составляет преимущественно от 0,02 до 0,1 об %. Если горячий газ образуется в условиях неполного сгорания, горячий газ может также содержать окись углерода и водород. Содержание окиси углерода может составлять от 10 до 30% от объема горячего газа. Содержание водорода может составлять от 5 до 15 об %. Примером горячего газа, имеющего указанный выше состав, является дымовой газ, образующийся в упомянутых выше процессах восстановительной плавки, например в процессах COREX, Hismelt, DIOS и Romelt.
Было установлено, что при использовании кожухотрубного теплообменника стадии (а) возможно значительное понижение температуры при одновременном устранении засорения теплообменника, обусловленного отверждением щелочей. Засорение устраняется по мере возможности благодаря тому, что газ протекает со стороны кожуха теплообменника. Кожухотрубный теплообменник конструируется преимущественно таким образом, чтобы он имел относительно большую теплообменивающую поверхность. При его эксплуатации газ протекает со стороны кожуха теплообменника с относительно низкой скоростью. Было установлено, что часть засорения удаляется с поверхностей теплообменника благодаря самоочищающей способности содержащихся в горячем газе частиц. Тем не менее ожидается возникновение некоторого загрязнения, вследствие чего поверхность теплообменных труб необходимо очищать, используя для этой цели преимущественно механические выколотки. Примеры таких выколоток описаны в DE-A-2710153 и ЕР-А-254379. Кожухотрубные теплообменники включают мембранную перегородку, имеющую, например, форму трубы или прямоугольного короба. Мембранная перегородка размещается преимущественно в продолговатой емкости. Трубы мембранной перегородки направлены преимущественно параллельно продолговатой стороне этой перегородки. Продолговатая мембранная перегородка открыта с каждой из двух сторон для прохода газа внутрь и выхода из внутренней части пространства, ограниченного названной мембранной перегородкой. В этом внутреннем пространстве находится множество теплообменных труб. Эти трубы соединены одна с другой снаружи, образуя пакет, и расположены в этом внутреннем пространстве таким образом, что обеспечивается наличие множества каналов для прохода горячего газа. Эти каналы направлены параллельно продолговатым стенкам мембранной перегородки. Когда, например, используется трубчатая мембранная перегородка, внутренние трубы могут быть расположены в виде множества собранных в виде концентрических цилиндров пакетов спиральных труб. Трубы одного цилиндрического пакета предпочтительно соединены между собой. Каналы для горячего газа представляют собой кольцевые пространства между упомянутыми цилиндрическими пакетами труб. Когда используется мембранная перегородка в виде продолговатого прямоугольного короба, пакеты взаимосвязанных труб могут быть плоскими стенками труб, расположенных параллельно в коробчатом пространстве. Канал для горячего газа должен в этом случае иметь продолговатую коробчатую форму. Предпочтительно, чтобы каждый пакет труб и мембранная перегородка были снабжены отдельными выколоточными приспособлениями. Поскольку трубы из каждого индивидуального пакета труб соединены одна с другой, количество выколоточных средств для очистки каждого пакета может быть уменьшено.
Охлаждающая вода течет преимущественно противоточно через трубы в разных пакетах, в то время как через трубы мембранной перегородки протекает горячий газ. Пакеты труб могут быть также использованы для дополнительного нагрева насыщенного пара с целью получения перегретого пара.
Примеры подходящих теплообменников, которые могут найти применение в стадии (а), описаны в ЕР-А-342767. Более предпочтительно использование теплообменника, в котором упомянутые выше газовые каналы расположены таким образом, чтобы скорость газа, протекающего во время работы через эти газовые каналы, поддерживалась существенно постоянной. Было установлено, что имеется лишь узкий диапазон скоростей газа, в которых газ обладает существенным самоочищающим эффектом для уменьшения засорения, с одной стороны, и минимальным эродирующим действием на оборудование, с другой стороны. Путем уменьшения площади поперечного сечения газовых каналов в теплообменнике в направлении потока в этих каналах можно поддерживать скорость газа существенно постоянной. Пример предпочтительного теплообменника, имеющего такой уменьшенный газовый канал, описан в ЕР-А-722999, публикация которого введена в настоящую заявку в качестве ссылочного материала.
На стадии (а) температура понижается до температуры ниже 550°С и предпочтительно ниже 520°С. Поскольку при таких низких температурах большая часть неотверждающихся щелочей присутствует в виде твердых веществ, нет необходимости понижать температуру до очень низких уровней. С точки зрения рекуперации энергии предпочтительно, чтобы температура выходящего со стадии (а) газа была не ниже 500°С. Из пара или, возможно, из перегретого пара рекуперация энергии может быть осуществлена с помощью паровой турбины.
На стадии (b) твердые частицы удаляют из газа с помощью одного или более последовательно расположенных центробежных разделительных устройств до содержания пыли ниже 400 мг/Нм3. Эти твердые частицы содержат отвержденные соединения щелочных металлов и пыль, которая изначально содержалась в горячем газе. Содержание пыли в газе, полученном на стадии (b), преимущественно ниже 350 мг/Нм3 и более предпочтительно ниже 280 мг/Нм3. В дополнение к этому требованию количество грубой пыли (частиц со средним диаметром больше 10 мкм) преимущественно ниже 5 и более предпочтительно ниже 2 мг/Нм3. Содержание пыли на стадии (b) следует понижать с целью предупреждения эрозии расширительной турбины, используемой на стадии (с).
Преимущественно используемый на стадии (b) центробежный сепаратор может быть любым известным сепаратором, который отделяет твердые вещества от газа с использованием центробежных сил и для которого требуется снижение содержания пыли до желаемого уровня. Разделение производится преимущественно на стадии (b) с помощью циклонного сепаратора и более предпочтительно с помощью так называемого циклона с аксиальным впуском. Такой циклон включает в себя две концентрические трубы, внутренняя из которых служит в качестве вывода газа и вихревого искателя, а внешняя труба служит в качестве вихрекамеры, в которой частицы удерживаются на стенке за счет центробежных сил вне зоны вихря. Тангенциальная скорость поступающего газа ослабляется закручивающими лопатками, расположенными между внешней и внутренней трубами. Внутренняя труба частично выступает сверху над внешней трубой. Твердые материалы удаляются у нижнего торца внешней трубы. В предпочтительном сепараторе имеется ряд таких труб, которые работают параллельно. Примеры таких сепараторов хорошо известны и описаны, например, в GB-A-1411136. Коммерческим примером является Shell Third Stage Separator, описанный в Hydrocarbon Processing, январь 1985, стр.51-54. Варианты таких сепараторов показаны в виде фигур у Perry (см. ниже) на фиг.20, 98. Если содержание частиц на стадии удаления горячего газа (а) выше 1 г/Нм3, предпочтительно более 10 г/Нм3, перед вводом газа в описанный выше сепаратор предпочтительно проведение предварительного разделения. Такое грубое разделение проводится преимущественно с помощью стандартного тангенциального впускного циклона, который описан, например, Perry: Chemical Engineers' handbook, 5th edition, 1973, McGraw-Hill Inc., стр. от 20-83 до 20-85. Содержание частиц предпочтительно снижается до уровня ниже 1 г/Нм3.
В одном из предпочтительных вариантов часть или все количество относительно грубых частиц, которые могут включать горючий материал и которые отделяют от газа на описанной выше стадии грубого разделения (b), возвращают в процесс, в частности в упомянутые выше процессы восстановительной плавки в генерируемый горячий газ. Более мелкие частицы, отделяемые в конечной стадии разделения стадии (b), например с помощью Shell Third Stage Separator, содержат относительно больше щелочных отложений, чем грубые частицы. Эти более мелкие частицы целесообразно не возвращать в названный процесс. Таким образом, в предлагаемом процессе не происходит накопления щелочей и в то же время количество образующихся в процессе на стадии (b) твердых материалов сведено к минимуму.
На стадии (с) газовый поток вводят в рекуперирующий энергию детандер и сбрасывают давление, используя рекуперированную из газового потока энергию для полезной работы, такой как приведение в работу компрессора или генерирование электричества. Как правило, используется перепускная система, которая с целью предотвращения превышения допустимой скорости работы детандера проводит газовый поток вокруг рекупирирующего энергию детандера. Такие системы описаны, например, в US-A-377486 и US-A-3855788. Рекупирирующий энергию детандер и другое оборудование, необходимое для практической реализации изобретения, довольно специфичны, но являются коммерчески доступными.
Если поступающий в процессе настоящего изобретения газ содержит окись углерода, предпочтительно проведение дополнительной стадии (d). Стадия (d) включает сжигание окиси углерода до углекислого газа. Сжигание содержащего СО газа обычно производится в контролируемых условиях в отдельном так называемом СО-бойлере или обогащенном кислородом сжигающем устройстве, в которое непрерывно поступает содержащий СО газ. СО-бойлер может быть оборудован таким образом, чтобы принимать по крайней мере еще одно топливо, которое используют при запуске или обычно для пополнения топливной ценности дымовых газов. Такие способы хорошо известны. Другие примеры описаны в US-A-2753925, в котором выделяемую в результате сжигания содержащего СО газа энергию используют для генерирования водяного пара высокого давления.
На чертеже демонстрируется один из предпочтительных вариантов настоящего изобретения. На чертеже показан реактор (1) процесса восстановительной плавки, в который подают уголь, железную руду (2) и кислородсодержащий газ (3). Железо отводится через (4) и производится дымовой газ (5). Горячий дымовой газ проводится через подвесной трубопровод (5), кожухотрубный теплообменник (6) и циклон (7) грубого разделения к емкости (8), в которой находится множество циклонных сепараторов (9) с осевым вводом. Производимый в теплообменнике (6) пар выводится через (10) к рекуперирующему энергию устройству, которым может быть паровая турбина. Частицы, отделенные в циклоне (7) грубого разделения, возвращают в реактор (1) через (11). Отделяемые в емкости (8) мелкие содержащие щелочь частицы выгружают через (12). Обедненный твердыми материалами газ подают в экспандер (13) для производства энергии (Е). Газ, содержащий СО, подают в СО-бойлер (14), где энергия (Е) рекуперируется в (15).
1. Способ рекуперации энергии из горячего газа, образующегося в процессе восстановительной плавки, используемой для непрерывного производства стали, имеющего температуру выше 650°С и абсолютное давление выше 1,7 бар и включающего незатвердевшие содержащие щелочные металлы соединения и частицы, путем осуществления стадий:
(а) охлаждение газа до температуры ниже 550°С с помощью кожухотрубного теплообменника, в котором горячий газ пропускают по межтрубному пространству, а охлаждающую воду пропускают во внутритрубном пространстве, в котором образуется пар и из которого рекуперируется энергия пара, причем кожухотрубный теплообменник включает мембранную перегородку; расположенную в продолговатой емкости, при этом продолговатая мембранная перегородка открыта с каждой из двух сторон для прохода газа внутрь и выхода из внутренней части пространства, ограниченного мембранной перегородкой, причем во внутреннем пространстве находится множество теплообменных труб, которые соединены одна с другой снаружи, образуя пакет, и расположены в этом внутреннем пространстве с образованием множества каналов для прохода горячего газа, которые направлены параллельно продолговатым стенкам мембранной перегородки;
(b) отделение частиц от газа с помощью одного или более последовательно расположенных центробежных разделительных устройств до содержания пыли ниже 400 мг/Нм3;
(c) расширение газа в детандере для рекуперации энергии.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используемый на стадии (а) горячий газ имеет температуру выше 800°С.
3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что горячий газ содержит более 0,5 г/Нм3 частиц.
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что горячий газ содержит более 5 г/Нм3 частиц.
5. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что горячий газ содержит от 0,02 до 0,08 об.% натрия и от 0,02 до 0,1 об.% калия.
6. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что содержание окиси углерода в горячем газе составляет от 10 до 30 об.%, а содержание водорода в этом горячем газе составляет от 5 до 15 об.%.
7. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что каждый пакет труб и мембранная перегородка снабжены отдельными выколоточными приспособлениями.
8. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что охлаждающая вода течет преимущественно противоточно через трубы в разных пакетах, в то время как через трубы мембранной перегородки протекает горячий газ.
9. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что газовые каналы расположены таким образом, чтобы скорость газа, протекающего во время работы через эти газовые каналы, поддерживалась существенно постоянной.
10. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что на стадии (а) температура понижается до температуры от 500 до 520°С.
11. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что содержание пыли в газе, полученном на стадии (b), ниже 280 мг/Нм3.
12. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что содержание частиц со средним диаметром более 10 мкм в газе, полученном на стадии (b), ниже 5 мг/Нм3.
13. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что разделение на стадии (b) производится с помощью циклона с аксиальным впуском.
14. Способ по п.13, отличающийся тем, что на стадии (b) производится предварительное разделение, если содержание частиц в горячем газе со стадии (а) выше 1 г/Нм3, и это предварительное разделение производится в циклонном сепараторе с тангенциальным впуском.
15. Способ по п.14, отличающийся тем, что горячий газ образуется в процессе восстановительной плавки, а материал, который отделяется при названном выше предварительном разделении, направляется в указанный процесс восстановительной плавки.
16. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что выполняется стадия (d) в том случае, когда газ, образующийся на стадии (с), содержит окись углерода и водород, причем эта стадия (d) включает сжигание окиси углерода до углекислого газа.
