燃燒低級燃料的方法
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及使用工業(yè)燃燒器燃燒低級燃料的方法和預熱系統(tǒng)。更具體而言，本發(fā) 明涉及用于加熱工業(yè)爐的此類燃燒。
【背景技術】
[0002] 在使用工業(yè)爐生產鋼材及其他金屬的工廠，經常作為副產物產生多種低級氣體燃 料。一個例子是來自用于鋼鐵生產的高爐的所謂的爐頂煤氣。另一個例子是來自轉爐的廢 氣。這些低級燃料通常含有以下物質的混合物，這些物質可以包括例如烴、氮氣、氧氣、氫 氣、一氧化碳、二氧化碳和水蒸汽。因為這些燃料中的能量密度經常是受限制的，所以通常 用于低溫過程，例如加熱或發(fā)電。替代性地，可以將其混入具有較高能量密度的燃料。也可 以將其燒掉，無用排放至大氣。
[0003] 因為這些低級燃料例如在鋼鐵生產中經常大量產生，因此比較便宜，所以值得期 望的是在高溫過程中也能夠較大程度地加以使用，例如在通常使用更高級燃料的鋼材加熱 爐中。
[0004] 此外，通過使用來自另一個工業(yè)過程的已經作為副產物存在的低級燃料，而不是 使用傳統(tǒng)的由外部供應的化石燃料，將會減少工廠的碳足跡。
[0005] 為了能夠在這些應用中使用低級燃料，例如第553, 731號瑞典專利建議切換在現 有的空氣燃燒器中燃料和氧化劑的供應，同時使用低級燃料。
[0006] 在第12/440, 520號美國專利申請中描述了通過使用一部分燃燒產物以預熱燃料 同時將另一部分燃燒產物用于預熱氧化劑從而利用來自加熱爐的余熱的方法。
[0007] 另一方面，JP 57198913描述了一種通過在熱交換器中預熱低級燃料和/或空氣 從而利用燃燒產物中的熱能的燃燒器。

【發(fā)明內容】

[0008] 本發(fā)明對于利用可能在加熱爐中的低級燃料的上述建議提供了補充或替代方案。 此外，本發(fā)明解決了在離開燃燒區(qū)的燃燒產物非常熱時使用燃燒產物預熱氧化劑的問題。 該預熱通常是成問題的，因為若預熱設備破裂，熱的燃燒產物與氧化劑直接接觸，則熱的燃 燒產物造成安全風險。
[0009] 因此，本發(fā)明涉及使用至少一個工業(yè)燃燒器燃燒燃料的方法，向該燃燒器供應具 有8MJ/Nm3或更低的低熱值（LHV)的低級氣體燃料和氧化劑，該方法的特征在于，首先對來 自燃料與氧化劑的燃燒的燃燒產物實施第一熱交換步驟，在該步驟中將熱能由燃燒產物傳 遞至燃料并由此對其進行預熱，然后對如此冷卻的燃燒產物實施第二熱交換步驟，在該步 驟中將熱能由冷卻的燃燒產物傳遞至氧化劑并由此對其進行預熱。
[0010] 本發(fā)明還涉及預熱具有8MJ/Nm3或更低的低熱值（LHV)的低級氣體燃料和氧化劑 及將所述預熱的低級燃料和所述預熱的氧化劑供應至至少一個工業(yè)燃燒器的系統(tǒng)，該工業(yè) 燃燒器用于使燃料與氧化劑燃燒生成熱的燃燒產物，該系統(tǒng)的特征在于，該系統(tǒng)包括將熱 量由熱的燃燒產物傳遞至燃料并由此對其進行預熱的第一熱交換裝置，該系統(tǒng)還包括將熱 能由在第一熱交換步驟中冷卻的燃燒產物傳遞至氧化劑并由此對其進行預熱的第二熱交 換器。
【附圖說明】
[0011] 下面依照本發(fā)明的示例性實施方案及附圖詳細闡述本發(fā)明，其中：
[0012] 圖1為根據本發(fā)明的預熱系統(tǒng)的簡化視圖；及
[0013] 圖2為根據本發(fā)明的熱交換器布置方式的簡化視圖。
【具體實施方式】
[0014] 圖1所示為根據本發(fā)明運行的工業(yè)爐110,其中使用同樣根據本發(fā)明的預熱系統(tǒng) 100。工業(yè)爐110優(yōu)選為金屬材料、優(yōu)選鋼材的加熱爐，優(yōu)選保持爐氣氛的加熱溫度為至少 約1000 °C，例如用于使鋼鐵產品再退火，更優(yōu)選為至少約1200 °C，例如用于在熱軋之前重 新加熱鋼鐵產品。
[0015] 為了加熱該爐110,使用至少一個安裝在爐壁中的工業(yè)燃燒器115。每個燃燒器 115包括至少一組燃料供應口和氧化劑供應口。
[0016] 氧化劑可以是空氣，氧化劑的氧含量優(yōu)選高于空氣。因此，根據一個優(yōu)選的實施方 案，氧化劑包含至少50重量％的氧，更優(yōu)選至少85重量％的氧。特別優(yōu)選，氧化劑包含至 少95%的氧，例如工業(yè)純氧。包含高水平氧的氧化劑與低級燃料的燃燒產生成本特別低廉 的加熱效應。此外，此類預熱能夠使用燃燒產物，從而甚至預熱這些種類的高氧氧化劑，而 不會造成任何大的安全風險。
[0017] 根據本發(fā)明，一個或多個燃燒器115用氣體低級燃料驅動，例如來自高爐的爐頂 煤氣。
[0018] 表1是在一方面諸如焦爐煤氣的中級燃料與另一方面諸如來自高爐的爐頂煤氣 和來自轉爐的廢氣的低級燃料之間不同組分的典型比例的比較。所有數值以體積百分比給 出。
[0019] 表 1
[0020]
[0021] 表2是焦爐煤氣、來自高爐的爐頂煤氣和來自轉爐的廢氣的低熱值（LHV)的比較。
[0022] 表 2
[0023]

[0024] 根據本發(fā)明，一個或多個燃燒器115用具有等于或小于8MJ/Nm3的LHV的氣體燃 料驅動。然而，氣體燃料優(yōu)選具有不大于6MJ/Nm 3、更優(yōu)選不大于4MJ/Nm3的LHV。該燃料可 以包含某些添加的其他的較高級的燃料，條件是總的混合物的LHV不超過以MJ/Nm 3計的所 述限制。具體而言，較低的LHV:s連同包含高水平的氧的氧化劑一起使用的效果較好。一 個優(yōu)選的燃料的例子是爐頂煤氣和轉爐廢氣的混合物，它們均來自當地的包括高爐和轉爐 的鋼鐵生產設備。出于成本上的原因，在燃燒之前優(yōu)選不混入任何高級燃料，具體而言不混 入任何本身具有大于8MJ/Nm 3的LHV:s的燃料，例如針對焦爐煤氣的情況。
[0025] 由燃料供應裝置111經由管線113向一個或多個燃燒器115供應低級燃料，該燃 料供應裝置接收來自該低級燃料的來源的低級燃料。在圖1中顯示了示例性的簡化的高爐 120,爐頂煤氣由此經由氣體凈化步驟121和管路輸送至供應裝置111。然而，應當認識到， 低級燃料的來源可以是轉爐廢氣的來源，或者是如上所例舉的低級燃料的任何其他合適的 來源。
[0026] 根據一個優(yōu)選的實施方案，低級燃料包含至少50重量％的源自高爐120的運行的 爐頂煤氣。此外，優(yōu)選的是，高爐120與該爐110及因此與一個或多個燃燒器115設置在相 同的工業(yè)工廠本地。以此方式，工廠整體上可以實現更高的能量效率。
[0027] 將氧化劑由氧化劑供應裝置112經由管線114供應至一個或多個燃燒器115,由氧 化劑來源130向該氧化劑供應裝置供應氧化劑，例如傳統(tǒng)的工業(yè)純氧來源或傳統(tǒng)的氧富集 空氣的裝置。
[0028] 燃料和氧化劑均在到達裝置111和112之前分別經過預熱系統(tǒng)100。
[0029] 來自通過一個或多個燃燒器115及在爐110中燃料與氧化劑的燃燒的氣態(tài)燃燒產 物由該爐110經由管道116排出，然后導入管路，如圖1所示。
[0030] 根據本發(fā)明，首先對所述燃燒產物實施第一熱交換步驟150,其中將熱能由所述燃 燒產物傳遞至燃料并由此對其進行預熱。然后，對如此冷卻的燃燒產物實施第二熱交換步 驟151，其中將熱能由冷卻的燃燒產物傳遞至氧化劑并由此對其進行預熱。
[0031] 換而言之，低級燃料和氧化劑依次連續(xù)地進行預熱。這意味著，使用用于預熱低級 燃料的相同燃燒產物的熱能預熱氧化劑，但是在燃燒產物由于預熱低級燃料已經在一定程 度上冷卻之后。以此方式，來自爐110的燃燒產物的熱能含量可以更加完全地加以利用，同 時使與氧化劑的預熱相關的爆炸等風險最小化，尤其是在使用高氧氧化劑的情況下。
[0032] 在經過步驟150和151之后，優(yōu)選將燃燒產物送至用于處理冷卻的燃燒產物的凈 化或加工步驟140。
[0033] 當然，在燃燒產物經過步驟150、151時，燃燒產物不是不與待預熱的低級燃料和 氧化劑以物理方式直接接觸。而是，僅發(fā)生熱接觸。
[0034] 根據一個優(yōu)選的實施方案，第二熱交換步驟包括回流換熱器型的金屬熱交換器， 換而言之，熱交換器并不是再生器，而是以直接而非間接的方式將熱能由一種介質傳遞至 另一種介質，換而言之在相繼地加熱低級燃料或氧化劑之前不實施某些其他介質的任何中 間加熱。在步驟150、151中使用的優(yōu)選的熱交換器是逆流或交叉流熱交換器。
[0035] 具體而言，優(yōu)選使用金屬熱交換器，其中使用金屬分離裝置，從而總是使燃燒產物 分別與低級燃料和氧化劑分離。該裝置的優(yōu)選的金屬材料包括不銹鋼。
[0036] 具體而言，優(yōu)選的是，在第二熱交換步驟151中，將氧化劑在一個或多個金屬管中 輸送通過一個室，燃燒產物流動通過該室，該管用于使氧化劑與燃燒產物分離，并將熱量由 該室中的燃燒產物輸送至所述管中的氧化劑。
[0037] 這如圖2所示，其中對應于圖1中所示的第一熱交換步驟150并且包括熱的燃燒 產物的入口 200的第一熱交換步驟201以串聯方式經由管線202連接至對應于圖1中所示 的第二熱交換步驟151并且包括冷卻的燃燒產物的出口 204的第二熱交換步驟203。通過 第一熱交換步驟201，熱交換管212在步驟201中在一個室內由低級燃料的入口 210延伸至 預熱的低級燃料的出口 211。類似地，在步驟203中，熱交換管222在步驟203中在一個室 內由氧化劑的入口 220延伸至預熱的氧化劑的出口 221。
[0038] 優(yōu)選的是，與用于總是使低級燃料與燃燒氣體分離的在圖2中顯示為管212的相 應的分離裝置的金屬材料相比，用于使氧化劑與燃燒氣體分離的在圖2中顯示為管222的 分離裝置的金屬材料由更加耐酸的金屬材料制成。在第二熱交換步驟中所述分離裝置的合 適材料的例子包括足夠耐酸的不銹鋼種類。
[0039] 此外優(yōu)選的是，熱交換步驟151的僅僅所述分離裝置由該耐酸的不銹鋼制成，因 此在圖2中僅為管222,熱交換步驟150、151的其余裝置由其他不太耐酸的不銹鋼和/