TWI412596B

TWI412596B - 整合功率生產的鼓風爐鐵生產方法

Info

Publication number: TWI412596B
Application number: TW099104039A
Authority: TW
Inventors: Michael Dennis Lanyi; Joseph Anthony Terrible; Maarten Geerdes; Roman Vaynshteyn
Original assignee: Air Prod & Chem
Priority date: 2009-12-03
Filing date: 2010-02-09
Publication date: 2013-10-21
Also published as: TW201120220A

Description

整合功率生產的鼓風爐鐵生產方法

對相關請的申交叉引用

本申請是2008年12月5日提交的美國申請第12/329010號的部分繼續申請；其公開的內容通過參考引入本申請。美國申請第12/329010號要求2007年12月6日提交的美國臨時申請第60/992754號的權益和2008年8月5日提交的美國臨時申請第61/086237號的權益。這些美國臨時申請公開的內容通過參考引入本申請。

本發明涉及將供應到烴注入的製鐵鼓風爐的空氣進行富集並使用來自所述爐子的煙道或爐頂氣體來產生功率。本文使用的“烴”是指燃料或還原劑，包括油、天然氣、石油焦炭、煤、其他材料等等和/或它們的混合物。

“Oxygen blast furnace and combined cycle(OBF-CC) －an efficient iron-making and power generation process”,Y. Jianwei等人,Energy 28(2003)825-835中描述了結合製鐵和產生功率的方法。

美國專利第5,268,019號描述了多個空氣分離單元(ASUs)和在其中製備氧氣的方法；該發明通過參考引入本發明中。美國專利第5,582,029號和WO 9728284-A1中描述了結合製鐵方法和ASU的方法。“Developments in iron making and opportunities for power generation”,1999 Gasification Technologies Conference，三藩市，加州，1999年10月17-20日，描述了結合ASU和產生功率的方法。該出版物也描述了在製鐵中使用煤以便減少所需焦炭的用量。

美國專利第6,216,441 B1號描述了在燃氣渦輪機或聯合式循環發電站中進行燃燒以前除去煙道或爐頂氣體中的惰性氣體。

前文中確定的專利和專利申請所公開的內容通過參考引入本申請中。

在本技術中存在對一種整合的系統的需要，該整合的系統將鼓風爐中的煤的氣化和富集氧氣的製鐵與產生功率結合，並且如果需要的話，與二氧化碳的除去和扣押結合。

本發明通過提供了一種基於將爐頂氣體中的生熱值或發熱值最大化的整合系統，來解決涉及將傳統的製鐵方法與燃燒爐頂氣體而得到的高效率聯合式循環產生功率進行結合的問題，並且同時增加了所述爐子的熱金屬產量。所述整合的系統包括在一種方式下操作鼓風爐，其中該方式能夠達到至少一個以下的目的：a)粉煤注射(PCI)速率得到最大化並且與(b)使用氧氣對提供到鼓風爐的空氣進行的“超級富集”進行組合(例如，通過ASU、膜、其他適合用於產生氧氣的裝置)，其中使用氧氣對鼓風空氣進行的'超級富集'意即將鼓風的氧氣濃度富集到大於約32%並高至約70%摩爾體積(例如，至少40%至大約60%摩爾體積)，c)將蒸汽加到所述富含氧氣的鼓風來提高氫氣的產生和控制在鼓風爐較低部分中的溫度(例如，可以從聯合式循環(CC)蒸汽渦輪機提取蒸汽)，和d)焦炭消耗速率被最小化到在礦石還原過程期間足以提供支援和氣體滲透性的程度。所述的超級富集的空氣(和如果需要時的蒸汽)提高了在爐子中的煤的氣化來生產CO和H₂ 的還原氣體，由此替代了更昂貴的冶金焦。所述超級富集的空氣也可以達到至少一種以下的目的：增加所述爐子中所用的煤的量，b)更完全的氣化，c)改善指定爐子的製鐵產率，和d)產生較高的生熱值，或含燃料的爐頂氣體，其可以配合下游處理達到下游處理的操作的最高效率(例如，在一些情況中，僅需要少量或不需要補充的燃料)。

最大化PCI注射率提高了鼓風爐的有效的去硫化和能量轉換特性與下游爐頂氣體處理和轉換方法和設備結合生產了至少一種功率、合成氣、蒸汽、其他的優點。以PCI注射的鼓風爐的操作可以與超級富集的空氣結合，這可以消除傳統熱鼓風爐的需要。

本發明的一個方面涉及製鐵和煤的氣化，其與聯合式循環功率生產整合。

本發明的另外一個方面涉及製鐵和煤的氣化，其中注射入鼓風爐的氧氣是由ASU產生的，該ASU也與所述聯合式循環燃氣渦輪機整合來提供氮氣用於冷卻和品質提高，並且將任何來自供應助燃空氣到燃氣渦輪機的壓縮機的過量壓縮空氣供應到所述ASU。

本發明的另外一個方面涉及製鐵和煤的氣化，其與聯合式循環功率生產和可以進行捕獲的二氧化碳捕獲整合，兩者都通過在所述爐頂氣體中由於使用了超級富集的氧氣鼓風而導致的降低的N₂ 濃度而得到或增強。捕獲或除去二氧化碳可以增加爐頂氣體的燃料值，在任選的再循環環路中，降低或消除供應到爐子的二氧化碳量，和其他優點。

本發明的進一步方面涉及製鐵和煤的氣化，其與聯合式循環功率生產和二氧化碳捕獲整合，同時在二氧化碳除去和捕獲步驟之前包括額外的轉化反應器，以便能夠將較大部分的二氧化碳除去和捕獲。

本發明的另外一個方面涉及製鐵和煤的氣化，其與聯合式循環功率生產和CO₂ 捕獲整合，利用了來自燃氣渦輪機的排氣中所含的熱量而產生的蒸汽或者來自ASU的氮氣來驅動轉化反應器或CO₂ 除去(例如，捕獲)方法。

本發明的進一步方面涉及製鐵和煤的氣化，其與爐頂氣體清除和/或CO₂ 除去整合用以生產合成氣。

本發明的一個方面涉及一種製鐵的方法，其中包括：將鐵礦石、焦炭和煤引入到鼓風爐內，由此通過引入超級富集的空氣到鼓風爐內將所述煤氣化，和從鼓風爐回收爐頂氣體，使用該爐頂氣體來產生功率；以及，從所述鼓風爐回收熱金屬。

本發明的另外一個方面涉及一種產生功率的方法，其中包括：從鼓風爐提供爐頂氣體，或部分爐頂氣體，其包括一氧化碳、二氧化碳、氫氣、氮氣，它們的濃度使其具有的生熱值可以配合在下游燃氣渦輪機所需的燃料值操作範圍內而不需要補充的燃料，將所述氣體在足以產生功率的條件下引入燃氣渦輪機，和；將來自燃氣渦輪機的排氣在足以產生功率的條件下引入熱回收蒸汽產生器。

本發明的進一步方面涉及一種氣化煤和製鐵的方法，其中包括：將煤引入製鐵鼓風爐，和；將富含氧氣的空氣引入所述鼓風爐，其中在所述鼓風爐內的條件足以將至少一部分的所述煤轉換為包括一氧化碳、二氧化碳和氫氣的氣體；除去所述爐子中的一部分所述氣體，除去所述氣體中的至少一部分二氧化碳，將所述氣體供應到聯合式循環產生功率系統、轉化反應器和製鐵鼓風爐中的至少一種；和，從所述製鐵鼓風爐回收鐵。

本發明涉及裝置、方法和組合物，提供了一種整合的系統，該系統利用提供到鼓風爐的空氣的氧氣的富集(例如通過ASU)而有效地結合了煤的氣化和鼓風爐製鐵。所述整合的系統在製鐵鼓風爐中就地將煤氣化並且生產煙道或者爐頂氣體，這些煙道或者爐頂氣體對產生功率具有改進的應用性，並且，如果需要的話，可以從這些煙道或者爐頂氣體中除去或者扣押二氧化碳。

超出正常供應到空氣鼓風的附加氧氣是被直接注入或者結合到被供應到鼓風爐的鼓風空氣來提高鼓風爐的效率，由此可以接受比較大量的被注入的烴或化石燃料，例如來自粉煤注射系統(PCI)的煤，和/或讓更多的粉煤被注入。這種PCI系統降低了在鼓風爐中進行製鐵所需的焦炭用量。另外，將富含氧氣的空氣提供到鼓風爐能夠產生：1)具有降低的氮含量和增加的燃料或生熱值的煙道或者爐頂氣體，2)具有增大的產生功率值的爐頂氣體，3)適合於燃氣渦輪機功率產生器的爐頂氣體，4)通過在鼓風爐中就地將煤氣化獲得的爐頂氣體，和其他的有益之處。相對於傳統的方法，本發明具有顯著的改進，其整合系統獲得的爐頂氣體可以具有增加的氫濃度和一氧化碳濃度，並且在某些情況下具有降低的氮氣含量。

在本發明的一個方面中，煤能夠與其他烴結合或者與其他烴分別地共同注入。

本發明能夠允許控制和選擇所需的經濟操作基礎，該基礎是通過衡量以下變數的益處和成本來達到的：焦炭、煤、鐵、氧氣、電力和爐子的利用率(即熱鼓風)。對於給定的焦炭、氧氣和煤的成本，可以選擇優化的鐵和電力數值。通常，導入鼓風爐的煤的量的增加會使所用氧氣的量增加，但是這會使所用焦炭的量減少，繼而使製鐵的成本降低。類似地，煤的量的增加也會使所用的氧氣的量增加並使熱鼓風溫度降低(例如，由爐子提供的熱量能夠被減少)，並增加能夠產生的電量。根據上述變數的相對經濟價值，可以消除熱鼓風(爐子)並由此可以利用所述爐子已經消耗的能量來產生功率，或用於操作水轉化反應器、二氧化碳除去等系統。

如需要的話，引入鼓風爐並用於富集化空氣所用的氧氣可以由任何適合的氣體分離系統，諸如低溫蒸餾(包括ASU)、膜(例如，離子傳輸膜)、真空變壓吸附(PVSA)和其他適合產生能夠用於富集化空氣的含有氧氣流的系統來提供。由於使用了較高水準的氧氣的富集或超級富集，所述富集氧的鼓風可以在環境溫度條件下直接供給鼓風爐，由此，如需要的話，消除了使用熱鼓風爐(例如使用爐頂氣體來加熱引入鼓風爐之前的空氣的爐子)的需要，並且還可以讓專用於給熱鼓風爐消耗的能量變成可再次用於產生功率的能量。此外，將富集氧的空氣引入PCI鼓風爐的資料也可以在A. Poos and N. Pongis,“Potentials and problems of high coal injection rates”,1990 Ironmaking Conference Proceedings中找到。

而且，也可以使用任何適合的ASU，適合的ASU的例子是Air Products and Chemicals,Inc.,Allentown,PA商業提供的ASU。美國專利第5,268,019號也描述了適合的ASU；該專利通過參考引入本發明中。一種氣體分離系統，如ASU，可以生產含有氧氣的物流，與鼓風爐中的空氣結合時，該物流所能夠具有的氧氣濃度為約40體積%到少於約100體積%。來自ASU的含氧氣的物流能夠與空氣(被加熱的或環境條件下的)混和或者結合來為鼓風爐提供預先確定的氧氣濃度(例如，約35%至接近純氧，但更典型是在約40%到約70%氧)。來自ASU的含氧氣的物流也能夠供應到HRSG的管道燃燒器，以提高相對低生熱的爐頂氣體的燃燒率(例如，改善蒸汽的生產率)。如需要的話，由ASU產生的氮氣可以供應到燃氣渦輪機(例如，下述的用於由鼓風爐的爐頂氣體產生電力的燃氣渦輪機)，以便增加所述燃氣渦輪機的效率並且保持適當的燃燒溫度和質量流量體積。類似地，送到燃氣渦輪機的由進料壓縮機產生的過量壓縮空氣可以被提取並供應到所述ASU，以便增加ASU的效率，或者所述壓縮的空氣可以用於補充或者替代供應到鼓風爐的爐子的空氣(例如，通過鼓風機引入爐子的空氣)。然後，通過燃氣渦輪機或者蒸汽渦輪機驅動的發電機所產生的電力可以供應到所述ASU。

如需要的話，可以通過引入蒸汽(例如，下述的與產生功率相關而產生的蒸汽)來改變供應到在已注入了化石燃料(例如，PCI)的鼓風爐中的富含氧氣的空氣。蒸汽可以與富含氧氣的空氣結合或者分別供應到所述PCI鼓風爐。將蒸汽引入所述鼓風爐能夠產生兩種有益的並同時發生的效果。第一，它可以用於緩和位於鼓風爐的較低部分的火焰溫度，否則氧氣的富集就會使得溫度過高。第二，蒸汽與在鼓風爐的較低部分中注入的粉煤和熱焦炭的反應會增加在鼓風爐中所產生氣體中的氫氣的量(以及，在一些情況下，一氧化碳的量)。然後，這種額外的氫氣氣體物質可以參與驅動鐵的還原反應，同時也增加了爐頂氣體的生熱含量，繼而使爐頂氣體更適用於產生功率(例如，在組合式循環功率產生中)。任何適合的蒸汽濃度都是可以使用的，典型的蒸汽含量為約10到高達約250克/Nm³ 的鼓風體積(例如，約50到約15克/Nm³ 的鼓風體積，以及，在一些情況下，約20到約60克/Nm³ 的鼓風體積)。

在本發明的一個方面中，富含氧氣的空氣還包含蒸汽、至少一種選自一氧化碳、二氧化碳和氫氣的物質。氧氣可以從ASU獲得，而一氧化碳、二氧化碳和氫氣可以通過再循環一部分的爐頂氣體獲得。因此，可以生產實質上無氮氣的爐頂氣體。所述“實質上無”表示所述爐頂氣體包含少於大約十個(10)體積百分比的氮氣(例如，少於大約8體積百分比)。

本發明可將在典型的大約1100到1250℃、大約1100到850℃和在一些情況下大約1100到600℃的熱鼓風溫度下被引入爐子的鼓風(例如，包括富含氧氣的空氣)溫度降低。通常，較低的鼓風溫度將會取決於增加的氧氣含量或者將會使用增加的氧氣含量。所述“鼓風溫度”表示當富含氧氣的空氣物流在鼓風口處進入鼓風爐的平衡溫度。如果需要的話，可以通過以下方式準備鼓風溫度：在進入爐子之前將環境溫度的氧氣混合到環境溫度的空氣，然後加熱整個混合物到所需的平衡鼓風溫度。作為選擇，所述環境溫度的空氣可以單獨在爐子中被加熱到高於所述所需的鼓風溫度，並且相對較冷的環境溫度的氧氣可以被加入位於爐子下游的所述已加熱的空氣鼓風中，以在所需的氧氣濃度下和在所需的熱鼓風溫度下生產富含氧氣的空氣鼓風的混合物。用於製備鼓風的組份的溫度可以改變並且可以以任何適合的方式結合以便在所需的溫度和氧氣濃度下產生熱空氣鼓風。除了在引入爐子之前正常地結合氧氣和空氣，如果需要的話，氧氣和空氣也可以被分別地引入，並且能夠達到“等量的”熱鼓風溫度，而該溫度相應於當所述兩種物流已經被混合在一起並且它們的溫度已經被平衡時的富含氧氣的鼓風溫度。

可以控制所述富含氧氣的空氣鼓風的溫度、PCI速率、焦比、熱金屬流或釋放速率，和氧氣/蒸汽濃度以便獲得具有所需生熱值的爐頂氣體。典型的爐頂氣體生熱值的範圍為大約110到大約170btu/scf(例如，所述生熱值可以隨著空氣鼓風中所用氧氣的濃度而變化，使所述爐頂氣體的生熱值可以在以下範圍內變化：大約110到大約130btu/scf(當所述富含氧氣的空氣包含大約40體積%氧氣)至大約135到大約170btu/scf(當所述富含氧氣的空氣包含大約60體積%氧氣))。

本發明的一個方面涉及除去爐頂氣體中的二氧化碳。可以使用任何適合的方法來除去爐頂氣體中的二氧化碳。在本發明的一個方面中，可以通過使用氣提吸附床，例如，通過參考引入本發明中的美國專利第5,582,029號中描述的氣提吸附床來除去二氧化碳。在本發明的另外一個方面中，可以通過將二氧化碳暴露到一種溶液中來除去該二氧化碳，所述溶液包括MEA(例如，包含大約20% MEA的溶液)，或者其他適合的溶液等。通過除去爐頂氣體中的二氧化碳，本發明能夠控制釋放到環境的二氧化碳含量，也能夠提供具有改善的燃料值的爐頂氣體以用於隨後的功率產生步驟，或者其他用途等等。

如果需要的話，在除去爐頂氣體中的二氧化碳之前，在所述爐頂氣體中的一氧化碳可以通過一種轉化反應器被轉化為二氧化碳。即，一種反應器，其中一氧化碳和水被轉化為二氧化碳和氫氣(例如，美國專利申請公開US20060188435A1號和美國專利US4725381A號中所描述的；它們都通過參考被引入本發明中)。可以通過如上描述的方式除去所述二氧化碳，而所剩下的氫氣更可以用於產生功率、純化石油產品、供應到燃料電池來產生功率，和其他用途等等。作為選擇，除了用於產生功率以外，所述爐頂氣體可以被轉化為氨、甲醇、其他產物等等。

在本發明的另外一個方面中，所述爐頂氣體可以用於產生功率。而且所述爐頂氣體可以用於任何適合的功率產生系統，適合的結合式循環功率產生系統的例子已公開在美國專利第6,216,441 B1號中(通過參考被引入本發明中)。所述爐頂氣體可以在燃氣渦輪機和/或熱回收蒸汽產生器中進行燃燒來產生功率。如果需要的話，在將所述爐頂氣體引入功率產生系統之前，可以除去爐頂氣體中的二氧化碳(並且，如果需要的話，可以扣押二氧化碳，用於隨後的化學方法，和其他的用途等等)。與捕獲HRSG的排氣中的CO₂ (其中氣提的CO₂ 含量會更稀釋並且排氣會含有O₂ )相比，在燃燒之前捕獲CO₂ 是比較理想的。

在本發明的一個方面中，所述功率產生系統排出來的排氣是實質上無二氧化碳的。所述“實質上無”二氧化碳表示所述排氣含有少於大約5體積%的二氧化碳。在除去CO₂ 的過程之前，通過使用上述的水轉化反應器來轉化一氧化碳和水成為二氧化碳和氫氣，所述排氣更可以實質上無二氧化碳和一氧化碳，(例如，在CO₂ 除去過程之前進行水轉移方法，如圖3所示)。

在本發明的另外一個方面中，可以使用一系列的燃氣和蒸汽渦輪機來進行功率產生。可以控制渦輪機的數目、爐頂氣體的生熱值、供應到渦輪機的物質的比率/速率，和補充的燃料氣體來最大化本發明方法和系統的經濟價值(例如，在一方面中去最大化功率產生量)。

在本發明的一個方面中，所述功率產生系統可以在沒有外部來源供應補充份量的燃料氣體的情況下操作(有時稱為“整理性燃料”)。典型地，在本發明的這一方面，所述燃氣渦輪機和所述HRSG會使用少於大約十個百分比(10%)的氣體(得自補充的燃料或外部產生或供應的燃料氣體(例如，天然氣、一氧化碳，其他燃料等等))的生熱值來操作。雖然本發明期望的一個方面是降低或消除補充燃料的使用，但是本發明的所有方面並不排除補充燃料的使用。

附圖中例舉了本發明的一些方面。通過參考附圖，圖1例舉了本發明的一個方面，其中包括一種整合的製鐵和煤的氣化系統，其中由於提供了粉煤注射(PCI)系統3，引入鼓風爐(BF)2的焦炭1的量得以減少。富含氧氣的空氣通過結合空氣與由空氣分離單元(ASU)4產生的氧氣來提供。從鼓風爐2排出來的煙道或爐頂氣體5被收集並在氣體清潔系統6中進行清潔(例如，通過旋風或濕式文氏系統)。經過旋風或濕式洗擦系統後，使所述爐頂氣體還通過靜電沉澱器7，由此除去所述爐頂氣體中任何額外的微粒，使得(並保證)該氣體適當地清潔以便用於壓縮機和燃氣渦輪機。然後將所述爐頂氣體在煙道氣體壓縮機(FGC)8中進行壓縮並引入燃氣渦輪機(GT)9，由此進行功率產生。然後，從燃氣渦輪機9釋出的燃燒的爐頂氣體/空氣混合物被引入熱回收蒸汽產生器(HRSG)10以通過熱轉移來產生蒸汽。將蒸汽通過蒸汽渦輪機(ST)11以進行功率產生。

在圖1中例舉的本發明的方面(和本發明的其他方面)，所產生的熱金屬12的量可得到增加。典型的焦炭使用量為每公噸熱金屬少於大約300千克並且所述煤的(注射)速率為每公噸熱金屬至少大約200千克(或每千克生產的鐵為大約0.40千克的碳)。在一些情況下，所述燃料(例如，也公知為還原劑)與鐵的比率為每千克生產的鐵大於大約0.45千克的碳。

圖2例舉了本發明的另外一個方面，其中改變了圖1的系統以包括在將所述爐頂氣體引入燃氣渦輪機9之前除去二氧化碳的系統13。然而，任何適合的系統都可以用於除去二氧化碳，一個適合的系統的例子包括使用物理溶劑，如市售的SELEXOL體系，(由UOP LLC,Des Plaines,IL供應)，來捕獲和除去氣體物流中的二氧化碳。將含有二氧化碳的來自FGC 8的壓縮爐頂氣體引入二氧化碳除去系統13。除去系統13接收低壓(LP)蒸汽並且產生二氧化碳和水(如果需要的話，所述低壓蒸汽可以通過HRSG 10來供應)。二氧化碳可以作為產物回收，可以被扣押和/或用於其他已知的二氧化碳用途(如用於改良的油回收(EOR))。在本發明的一個方面中，作為稀釋劑的氮氣(例如，來自ASU 4)可以引入任何適合的位置，例如在二氧化碳除去之後，引入燃氣渦輪機9，用於冷卻燃氣渦輪機中的火焰和增大物質流量(mass flow)。

圖3例舉了本發明的另外一個方面，其中改變了圖2的系統以包括轉化反應器14。該反應器14通常位於二氧化碳除去系統13之前。所述反應器14將蒸汽(例如，來自HRSG 10)和所述爐頂氣體中的一氧化碳結合來產生二氧化碳和氫氣。通過在二氧化碳除去步驟13之前的工藝流程中包括轉化反應器14，在從整個系統最終排出燃燒產物之前，可以預備將更多的含碳氣體物種除去和捕獲。通過這種手段或設備，可以在隨後的系統13(例如，Selexol方法)中除去更多部分的二氧化碳。另外，增加的氫氣濃度改善了剩餘氣體的燃料值，這些氣體隨後可以用於產生功率和其他用途等。如果需要的話，可以從二氧化碳除去系統13獲得含有氫氣和氮氣的物流(例如，以用於除了功率產生以外的用途)。

圖4例舉了本發明的另外一個方面，其中圖2的系統整合了HRSG 10，和ASU 4產生的氧氣和氮氣與系統的其他組份。由ASU 4產生的氮氣可以供應到PCI系統3中以傳輸/運輸粉煤、除去水，或用於其他用途。由ASU 4產生的氮氣也可以供應到燃氣渦輪機9來提高燃氣渦輪機的效率。此外，可以通過接收提取自將助燃氣體進料到燃氣渦輪機9的壓縮器的過量壓縮氣體(若有的話)來增加ASU的效率。除了以上的用途之外，來自ASU 4的氧氣也可以供應到HRSG以便在通向HRSG的輸送管(未示出)內改進任何過量爐頂氣體(例如，沒有導入燃氣渦輪機的氣體)的燃燒效率。來自HRSG 10的蒸汽可以供應到蒸汽渦輪機11、鼓風爐2、二氧化碳除去系統13、轉化反應器14，或者用於其他用途。如果需要的話，圖3的實施方式，如轉化反應器14，也可以併入圖4所示的系統中。

圖5例舉了本發明的另外一個方面，其中圖2的系統應用了儲氣器17。將離開濕式ESP 16的氣體供應到FGC 8，並且，如果需要的話，供應到HRSG 10，並且在其中通過使用由ASU 4供應的氧氣來進行燃燒。濕式ESP系統的例子已公開在美國專利第7318857號；第6294003號；第6110256號；第5039318號；第5084072號；和第4074983號中；它們通過參考被引入本發明中。將來自HRSG的蒸汽供應到蒸汽渦輪機11，以進行功率產生，例如，能夠將這些電力用於操作ASU 4。如果需要的話，圖3和4的實施方式，如轉化反應器14，也可以併入圖5例舉的系統中。

圖6例舉了本發明的另外一個方面，其中圖2的系統應用了爐子18來產生供入鼓風爐12的熱鼓風。可以通過抽取自用於燃氣渦輪機9的助燃空氣壓縮機的壓縮空氣來提供至少一部分的所述鼓風空氣。這種系統可以帶來優點，因為所述的壓縮空氣已經通過壓縮的作用被稍微加熱，並且進料到爐子的這些壓縮空氣的使用可以降低對爐子輸入熱能的需要和降低一些鼓風機產生鼓風的功率需要。可以控制離開燃氣渦輪機9的氣體來優化供應氣體到爐子18或HRSG10或兩者的價值。

圖7例舉了本發明在圖1中例舉的一個方面，只是圖7應用了熱鼓風爐、空氣鼓風機和儲氣器。通過參考圖7，該方法利用了增大了生熱值的爐頂氣體，該氣體首先被導入通過氣旋的或倒流的除塵器來進行清潔或***大微粒。其次，所述氣體通過Bischoff文氏管(環形缺口)濕式洗刷器以除去更多的塵。經過濕式洗刷器後，所述氣體通過去霧器以除去爐頂氣體中殘留的或凝結的水分。所述除塵器、文氏管洗刷器和去霧器這三種組件是典型地在所有鼓風爐中存在的組件。

如果，鼓風爐是設計為並用於高頂部壓力下操作的，就可以在已存在的氣體清潔系統之後設置爐頂氣體壓力回收減速下降渦輪機(pressure recovery let-down turbine)(在圖7中未示出)。任何爐頂氣體回收渦輪機的存在(或不存在)並不影響本發明的全部方案。在存在的氣體清潔系統和所述爐頂氣體壓力回收渦輪機(如存在)之後，將所述氣體導入濕式靜電沉澱器以使其適用於燃料氣體壓縮。然後，將所述氣體導入燃料氣體壓縮機來提升其壓力到燃氣渦輪機的進口所需的壓力。由於所述的燃料氣體是在壓縮的狀態下進入所述燃氣渦輪機的，並且在此時該氣體已經會被壓縮，所以在此階段下可以有利地選擇進行CO₂ 除去步驟。將現改進了的生熱的燃料氣體(通過在鼓風爐實施的操作參數和/或通過除去燃料氣體中的CO₂ 所產生的結果)引入燃氣渦輪機並在其中燃燒產生軸功率，以產生電力並驅動產生器以及提供助燃空氣到所述燃氣渦輪機的壓縮機。

將來自燃氣渦輪機的熱排氣導入熱回收蒸汽產生器(HRSG)以製造蒸汽並通過蒸汽渦輪機產生更多的電力(“聯合式循環”)。

為了最大化所述爐頂氣體的利用度並且適應鼓風爐內的流動變化，可以設置氣體收集和壓力管理系統。這些系統包括儲氣器、專業控制裝置和整理性氣體混合系統(如需要)。

圖7例舉的系統的技術效果包括：

‧　增加了煤和氧氣注入率。

‧　減少了焦炭使用度，大大節省了操作上(焦炭成本)的成本。

‧　降低了熱鼓風溫度，使得較大部分的所述爐頂氣體可以用於產生電力(表示來自爐子的加熱步驟和熱鼓風的產生步驟的CO₂ 較少)。

‧　改善了(提高了)爐頂氣體的生熱值，使所述爐頂氣體能夠直接在燃氣渦輪機中燃燒，作為在更有效率的聯合式循環電力的生產中的第一步。

‧　在熱鼓風(整體)中的氧氣的富集高達60%氧氣的水準。

‧　結合了氣體收集、清潔和管理系統。

本申請提供了以下的實施例來例舉本發明的一些方面，這些實施例並不對本申請權利要求的保護範圍造成限制。

實施例A

實施例A例舉了在鼓風中的增加煤注射和增加氧氣濃度對鼓風爐性能的影響。根據表1的參數，欄(a)(下文所示)，正常地操作工作容積為2,855m³ 的鼓風爐。這些參數是為了進行比較而使用，通過使用所述鼓風爐的質量和能量平衡電腦模型來例舉本發明具有的某些優良的方面。本發明實施例使用的電腦模型是一種傳統的二階段質量和熱量平衡模型，“Principals of Blast Furnace Ironmaking”by Anil K. Biswas(1981 Cootha Publishing House,Brisbane,Australia)記載了以上的模型和公開了該模型所用的方程式。所述的電腦模型是用於例舉在熱空氣鼓風中增加粉煤注射含量和增加氧氣濃度下所述的鼓風爐的操作情況。

在熱鼓風中進料的組成和水分的量(18g/Nm³ )被保持恒定。隨後，根據表1的情況(b)到(i)所示的數值，將煤和氧氣引入鼓風爐的操作中。這些參數包括增加煤注射速率和鼓風氧氣的含量。依據熱鼓風的溫度，可以針對各個增加的煤注射速率以不同的焦比進行調整。表1中示出了這些參數對來自鼓風爐的爐頂氣體和熱金屬的生產率的影響。

所述實施例也例舉了使用一部分所述爐頂氣體作為燃料來點燃所述爐子的影響。所述作為燃料使用的部分取決於在方法中要使用的熱鼓風含量及其溫度。從產生的全部爐頂氣體中減去用於爐子點燃所用的一部分爐頂氣體得到剩餘含量的爐頂氣體，它們可以用於其他用途，如下游功率生產。將可用於其他用途的剩餘爐頂氣體的量以其生熱含量倍增得到可以用於轉成電流的熱能。

對於粉煤注射的增加(高至操作最高值)，可以在一個範圍的新操作參數內調整所述操作表1的(b)和(c)欄示出了兩種不同的操作情況，其中粉煤注射的速率由(a)欄的基本情況時的150Kg/T增加到200Kg/T。

在(b)示出的操作情況中，煤的注射速率增加到200Kg/T，而熱鼓風溫度就保持在恒定值1250℃。對於這種情況，在鼓風中的氧氣濃度由基本情況(a)時的26.6%氧氣增加到情況(b)時的30.1%氧氣。如表1所示，所述調整後的操作的結果包括：

i.)　熱鼓風所需容量得到減少；

ii.)　加熱爐子所需要的爐頂氣體的量得到相應減少；

iii.)　爐頂氣體的生熱值得到增加；

iv.)　可以通過將爐頂氣體導進蘭金或組合式循環功率產生等適合的過程來用於其他下游用途(如電力產生的用途)的爐頂氣體和熱能的量得到增加；

v.)　操作所需的焦比得到減少；和

vi.)　產量得到增加。

在(c)所示的操作情況中，煤的注射速率被增加到與情況(b)的水準一樣，即200Kg/T，但是在空氣鼓風中的氧氣濃度就進一步被增加到在調整後的操作中的34.8%。這些操作的結果包括：

i.)　所需的熱鼓風溫度由1250℃降低到800℃；

ii.)　熱鼓風所需容量得到進一步些微減少；

iii.)　加熱爐子所需要的爐頂氣體的量得到更進一步減少；

iv.)　爐頂氣體的生熱值得到進一步增加；

v.)　可以通過將爐頂氣體導進蘭金或組合式循環功率產生等適合的過程來用於其他下游用途(如電力產生的用途)的爐頂氣體和熱能的量得到更較大的增加(與情況(b)相比)；

vi.)　與情況(b)相比焦比得到增加，但仍然小於(a)；和

vii.)　與情況(b)相比產量得到減少，但與情況(a)相比仍然得到增加。

將情況(b)和(c)與基本操作(a)進行比較，可以例舉出鼓風爐的整體操作可以得到改善並且得到選擇性地調整以找到以下過程的最適宜值：取決於焦炭、煤和氧氣的成本的經濟生產；和熱金屬生產的相關價值；和對下游的功率生產上所述爐頂氣體的價值。

現在參考情況(d)、(e)和(f)，這些情況例舉了將煤注射速率增加到240Kg/T。這三個情況各自是在鼓風中增加的氧氣百分比下進行的。然而，根據加入到鼓風中的氧氣百分比，在給定的煤的注射速率下，用於調整的操作的熱鼓風溫度會改變。如前所述，爐頂氣體和用於產生功率的爐頂氣體的能量的最高量是在氧氣的百分比被最大化、熱鼓風溫度被降低和鐵的產量被限制(在固定的煤的注射速率)的時候發生的。

在所述的情況(d)、(e)和(f)中，最低的焦比是在最高的熱鼓風溫度情況(d)下發生的。隨著焦炭在鼓風爐中的引入速率降低，有效的鼓風爐操作會變得困難，這是由於焦炭的平均分佈所涉及的複雜性而導致的。因此，這些實施例例舉了使用了每噸熱金屬至少262千克(或更多)的焦炭(即已經證明了每噸熱金屬262千克的焦炭是有效的)。

在情況(g)和(h)中示出了將煤的注射速率進一步增加到280Kg/T。在這兩個情況下，熱鼓風溫度被降低以便保持調整後的操作並同時增加空氣鼓風的氧氣富集以便在進料混合物中保持至少262Kg/T的焦炭。情況(g)和(h)的結果如下：

i.)　更加比較大的熱金屬的產量，和

ii.)　用於下游功率產生的熱能量得到增加的爐頂氣體，與所有在先的情況比較時。

進一步增加煤的注射速率到在表1的情況(i)下的320Kg/T，同時保持熱鼓風溫度等於在先情況(h)下的600℃，由此得到僅僅239Kg/T的焦比需要。為了在一個煤的注射速率水準(320Kg/T)下和在具有所示的氧氣的富集水準下達到調整後的操作，進一步降低熱鼓風溫度可以適當地讓更多的焦炭留在進料中，而同時保持調整後的操作。

在一些生熱值的閾值水準(例如，大於4,700kJ/Nm³ 的生熱值)，所述爐頂氣體變得可以控制以在改善的效率下通過直接地在燃氣渦輪機中進行燃燒轉換成電流而不需要補充的燃料。因此，生產具有較高生熱值的爐頂氣體對由該爐頂氣體進行下游的功率生產是有利的。

在鼓風中增加了氧氣含量的情況下操作BF，同時增加煤的注射速率，達到了以下的利益：

i.)　爐頂氣體能量的產量得到增加，

ii.)　在鼓風爐中的焦炭需要得到減少，

iii.)　用於爐子加熱的爐頂氣體能量的需要通過以下方式得到減少：

a.　降低熱鼓風溫度需要，和

b.　降低所需的熱鼓風的總流率，

iv.)　從給定尺寸的鼓風爐中的給定的固定資源的熱金屬產量得到增加。

實施例B

該實施例例舉了改變傳統的鼓風爐操作來冷卻(環境溫度)鼓風操作。在下述的表2的(a)欄中示出了傳統鼓風爐的操作參數，通過操作該鼓風爐以達到高的煤注射速率與高的熱鼓風溫度和氧氣的富集來使該鼓風爐在穩定的操作所用的進料中最低的實踐量的焦炭下進行驅動(例如，熱鼓風溫度為1250℃；煤注射速率為240Kg/T；升高的溫度鼓風使用氧氣來富集到33.5%的水準；和焦比為262Kg/T[表2的基本情況(a)大概相應於表1的情況(d)])。在實施例B中也同樣使用了實施例A中描述的電腦模型。

一種對任何鼓風爐操作的約束是要滿足爐子下部分中的熱需要，其表示為管路絕熱火焰溫度(Raceway Adiabatic Flame Temperature，RAFT)。當滿足所述傳統的操作參數時，所述RAFT優選在大約1950至2300℃的範圍內。

在表2中的情況(b)示出了操作情況(a)的傳統鼓風爐所得的結果，其中具有以下的變化：

i.)　煤的注射速率得到增加，

ii.)　空氣鼓風氧氣得到增加，和

iii.)　鼓風溫度降低到環境溫度(25℃)

同時滿足爐子的較低部分中的熱條件(如計算的1996℃ RAFT所示)。在該情況(b)中，鼓風爐是使用富集到55.5%的氧氣的環境溫度的鼓風來操作的，其具有與基本情況(a)相同的焦比(當煤注射速率是335Kg/T時)。

情況(b)例舉了鼓風爐的操作，其中：

i.)　鼓風爐的產率得到提高，

ii.)　爐頂氣體的生熱值被增加5,744kJ/Nm³ ，由此使其可以在聯合式循環功率產生操作的燃氣渦輪機中進行直接燃燒。

iii.)　由於鼓風溫度是在周圍環境接受的，所以使用部分的爐頂氣體作為用於爐子加熱的燃料的需要可以消除，由此允許整個爐頂氣體物流可以用於其他有用的目的(例如組合式循環功率產生)。

以上確定的電腦模型用於例舉情況(a)的鼓風爐的其他改變操作流程和裝置。情況(c)例舉了當對一些所述爐頂氣體進行CO₂ 汽提操作，並且將剩餘的CO/H₂ -富集的爐頂氣體物流再循環並通過鼓風口與氧氣富集的環境溫度的空氣一起再注射入鼓風爐的時候對爐子操作的影響。在情況(c)中，製備了46Nm³ /T的CO₂ 汽提的和再循環的爐頂氣體並且將其通過鼓風爐的鼓風口與所需氧氣富集的冷鼓風一起注射用於調整操作。在表2的情況(c)示出了該實施例的結果：

i.)　與情況(b)相比沒有顯著的焦炭或煤(燃料)的節省；

ii.)　與情況(b)相比剩餘的排出爐頂氣體提供了較少的能量給下游用途；

iii.)　該情況增加了CO₂ 除去步驟的操作複雜性；

iv.)　具有相對較少的產量增加，由8990到9010T/天。

情況(d)例舉了改變的鼓風爐操作，其中將CO₂ 汽提的和再循環的爐頂氣體以73Nm³ /T的速率注射到爐子的中間堆區域。使用了額外還原氣體的中間堆注射來改善在所述爐子的該區域中的還原潛力。在焦炭節省或者爐頂氣體熱能生產方面，該操作情況(d)的結果與情況(b)相比沒有顯示出優點。存在產量增加，由8,990到9,407T/天。

情況(e)例舉了一種改變的鼓風爐，其中中間堆注射的再循環氣體與情況(d)相比被增加一倍。情況(e)的結果包括：

i.)　總燃料速率得到降低，

ii.)　爐頂氣體中的生熱值得到增加，

iii.)　用於下游的功率生產的所生產的總可用的熱能得到進一步改善，

iv.)　與情況(d)相比得到額外改善的產率；和，

v.)　設備成本得到增加。

情況(f)例舉了改變的鼓風爐，其中汽提的和再循環的爐頂氣體的中間堆注射被增加到216Nm³ /T的速率。情況(f)的結果包括：

i)　產率得到增加，

ii)　燃料需要得到降低，和

iii)　可用於輸出的爐頂氣體能量得到加大，

iv)　爐腹區域中的熱條件(例如，直接在鼓風爐的鼓風口前面和周圍的鼓風爐區域)是無法接受的高(如2500℃的RAFT所示)。

情況(g)例舉了一種改變的鼓風爐，其中將100% O₂ 用作冷鼓風。

情況(g)利用了從所述爐頂氣體除去CO₂ 和再循環/再注射一些CO₂ -汽提的爐頂氣體到爐子的爐腹和再循環/再注射一些CO₂ -汽提的爐頂氣體到爐子的中間堆區域。情況(g)的結果包括：

i.)　在所有情況的爐子中所示的產率是最高的，而其中的RAFT是在可接受的範圍內；

ii.)　可達到爐頂氣體生熱值是最高的；

iii.)　總燃料速率接近傳統熱鼓風操作(情況(a))的總燃料速率。

iv.)　CO₂ 汽提；再循環到中間堆注射；和再循環到鼓風口注射的設備成本得到增加.

情況(h)例舉了一種改變的鼓風爐，該鼓風爐是喲年過了100%的冷鼓風注射，而不需要再循環CO₂ -汽提的爐頂氣體到所述鼓風口。這種流程不能夠被利用，因為RAFT是不能接受的。

實施例B例舉了情況(b)具有以下影響：

i.)　通過冷鼓風操作消除了爐的需要

ii.)　產率增加

iii.)　焦比降低

iv.)　足夠高的生熱值的爐頂氣體，用於經濟的直接在組合式的循環功率產生的燃氣渦輪機中燃燒，可用於聯合式循環功率產生。

v.)　可用於功率生產的總熱能得到增加

vi.)　不必需要CO₂ -汽提和再注射

vii.)　鼓風爐沒有用於再循環再注射到中間堆或鼓風口區域的複雜改變或者再循環管道系統

viii.)　同時符合在爐子的爐腹中需要的熱條件(RAFT)。

實施例C

實施例C例舉了鼓風爐方法的改變對生產功率能力的影響。根據表3的情況(a)中所示的參數操作普通大小每年2.3-百萬噸的鼓風爐，如下(例如，煤的注射速率為150Kg/T，熱鼓風的氧氣富集到26.6%體積的水準，以及相應焦比為339Kg/T)。情況(b)、(c)和(d)示出了當鼓風中的氧氣的百分比從26.6%逐漸增加到較高的百分比33.3、40和61%時在該特定的操作內所產生的影響。這些影響包括：

i.)　能夠注射的煤的量得到相應增加；

ii.)　空氣鼓風的溫度得到降低；

iii.)　所需空氣鼓風的份量得到降低；

iv.)　在進料中所需焦炭的量被降低到最小的“底”水準(在此所定的水準為262Kg/T)，在該點之後所述焦比可用被保持恒定；

v.)　產生了更多的爐頂氣體熱能；

vi.)　需要較少部分的總爐頂氣體來加熱爐子；

vii.)　更多爐頂氣體可被導入(專用於)下游的功率產生；

viii.)　用於運行渦輪鼓風機或者空氣鼓風機來提供空氣到鼓風爐的蒸汽需要得到減少(例如，由於空氣鼓風流率需要的減少而導致)，而且這額外使得更多的由BF爐頂氣體能量內所含有的能量產生的蒸汽可以用於功率生產；

ix.)　當鼓風爐在相應的增加的水準的氧氣的富集和煤的注射速率下操作時，可用於功率發生的剩餘的MMbtu/hr的爐頂氣體由619MMbtu/hr增加到924MMbtu/hr、由619MMbtu/hr增加到1,236MMbtu/hr、由619MMbtu/hr增加到1,843MMbtu/hr。

該實施例例舉了通過將該實施例的鼓風爐的空氣鼓風中的氧氣水準從26.6%提高到61%使得可用於功率生產的能量的量得到三倍的增加的影響。

現參考表3，表3例舉了用於各個鼓風爐操作情況所產生的“淨功率”的量(以kWe)。對於各個鼓風爐操作情況，所述爐頂氣體是通過以下的一個或兩個方法用於功率生產的：

i.)　在蒸汽鍋爐中燃燒所述爐頂氣體並通過與蒸汽渦輪機連接的產生器生產功率(即傳統的蘭金循環功率產生)，或

ii.)　在驅動產生器的燃氣渦輪機中壓縮和燃燒所述爐頂氣體，然後將所述燃氣渦輪機的排氣送到熱回收蒸汽產生器(HRSG)，然後其中的蒸汽通過適當大小的蒸汽渦輪機產生器產生功率(即組合式循環功率產生)。

表3例舉了所產生的電力的量顯著地提升(當所述鼓風爐被額外地氧氣富集時)，並且生產了較高的生熱值爐頂氣體。表3也例舉了使用組合式循環功率產生以增加效率和提升在各個給定的鼓風爐情況下能夠產生的功率的總量，其中：

i.)　在不同的BF操作參數所生產的爐頂氣體生熱值範圍內，將熱能轉換到電能kW的整體效率仍然固定在31.3。

ii.)　在組合式循環功率產生的情況下，使用較高的氧氣富集的BF操作所生產的爐頂氣體達到了效率上的優點。這是在表3中的數字的最後一行中例舉的，其中當在空氣鼓風中的氧氣的富集水準從26.6%增加到61%時，將來自鼓風爐的爐頂氣體熱能進行轉換的整體淨效率從38.1%提升到43.7%(伴隨著BF操作參數的其他所需的相應改變)。

雖然該實施例示出了在四個特定選擇的點(或操作參數組)的鼓風爐操作和功率產生效率，可用理解的是鼓風爐能夠沿著所公開的氧氣濃度範圍在任何適合的點下進行操作。例如，當計畫的爐頂氣體的份量和生熱值是最適於配合特定大小的燃氣渦輪機的工業效用時，可理想地在52%氧氣下進行操作。

雖然已經描述了本發明的一些方面，可用理解的是本發明並不限於這些方面並且本發明可以覆蓋包括在所附申請專利範圍內的不同改變和等同技術方式。

1．．．焦炭

2．．．鼓風爐

3．．．粉煤注射系統

4．．．空氣分離單元

5．．．爐頂氣體

6．．．清潔系統

7．．．靜電沉澱器

8．．．氣體壓縮機

9．．．燃氣渦輪機

10．．．蒸汽產生器

11．．．蒸汽渦輪機

12．．．熱金屬

13．．．除去系統

14．．．反應器

圖1是本發明的一個方面的示意圖，其採用了與鼓風爐製鐵相關聯的煤的氣化和聯合式循環功率生產。

圖2是本發明另一方面的示意圖，其採用了與鼓風爐製鐵一起的煤的氣化和聯合式循環功率生產和二氧化碳捕獲和除去(可用於捕獲)。

圖3也是本發明的另外一個方面的示意圖，其採用了煤的氣化和聯合式循環功率生產與二氧化碳捕獲和除去(可用於捕獲)一起，其通過在二氧化碳捕獲和除去步驟之前包括轉化反應器來改善。

圖4是本發明的另外一個方面的示意圖，其採用了來自ASU的氮氣來幫助驅動燃氣渦輪機和利用了來自ASU的氧氣來幫助在HRSG中燃燒至少一部分所述爐頂氣體。

圖5是本發明的進一步方面的示意圖，其採用了儲氣器來緩衝爐頂氣體的流動和壓力變化，和其中將至少一部分處理的爐頂氣體在HRSG周圍導入燃氣渦輪機。

圖6是本發明的一個方面的示意圖，其採用了爐子來提供加熱的鼓風，其中一部分鼓風空氣是通過提取自將助燃空氣進料到燃氣渦輪機的壓縮機的空氣而提供的。

圖7是本發明的圖1例舉的另外一個方面，除此之外圖7採用了熱鼓風爐和空氣鼓風機來提供加熱的富含氧氣的空氣到鼓風爐。

在這些附圖中例舉的裝置、元件、系統和方法可以個別地或者結合地採用來獲得本發明沒有在所述附圖中例舉的附加方面。