本发明专利技术涉及用于从高炉气中分离氮气的氧气浓缩器的使用。一种从包含氧气、氮气和未燃碳氢化合物的高炉排气流（１７）中连续地移除氮气以便形成包含残余碳氢燃料的燃气涡轮发动机（３１）的补充供给的方法：首先移除在高炉排气流（１９）中夹带的固体颗粒以产生基本上无颗粒的气体（１９）；传送无颗粒的气流（１９）通过包含能够从空气中吸附氮气的吸附材料的至少一个分离器床（２２）；吸附基本上所有的氮气，作为分离器床内的固体上的间隙氮气；将离开分离器的未吸附的碳氢燃料和氧气成分供给到燃气涡轮发动机（３１）以及从分离器床中移除吸附的氮气。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术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。
技术介绍
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°C和200°C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。
技术实现思路
根据本专利技术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。附图说明图1是本专利技术的示例性实施例的工艺流程图，其示出用于在将气流引入到燃气涡 轮发动机中之前移除存在于高炉气流中的基本上所有的游离氮气的设备的要件和关键工 艺流程。具体实施例方式如上所述，高炉排气的主要组成气体包括氮气、二氧化碳、一氧化碳、氧气、少量惰 性化合物(例如，氩)以及残余的未燃碳氢燃料成分。本专利技术的分离器/浓缩器系统移除 大部分的游离氮气，从而增加可获得的氧气和气态碳氢化合物的量。在本专利技术的示例性实 施例中，移除夹带的固体颗粒的步骤将颗粒浓度从大约8. lg/Nm3降低到大约5mg/Nm3的水 平。优选地，用于实施该工艺的吸附材料包括包含沸石、活性碳、硅胶或矾土的珠子的分子 筛。根据本专利技术的方法还设想使用并行操作的多个分离器床，也就是说，至少一个分离器床 吸附氮气，而其它床操作成移除已吸附的氮气。重要地，本专利技术以改善下游燃气涡轮发动机的总体效率方式首先处理然后再利用 高炉排气。大多数高炉气的N2含量在干燥基础上典型地在45%到50%体积比之间。尽管 排气包括可用量的氧气和碳氢燃料，但是存在于高炉气中的氮气的量显著地降低该气体的 热值。气流中的氮气和燃烧副产物的量还使得使用传统的气体净化方法隔离任何剩余的碳 氢燃料变得困难和昂贵。因此，在一个示例性实施例中，相比于传统的氧气“浓缩器”，本专利技术更大规模地使5用分子筛床，以便选择性地移除氮气和潜在地移除诸如CO和CO2的其它气体，从而在增加 排气的内在热值和潜在工作力的同时显著增加氧气的百分比。在过去，传统的氧气浓缩器 用于制造高纯氧气(典型地在50-95%之间的范围内，取决于到浓缩器的输入)，但是并未 在高炉气流的典型流动状态下。现在已经发现，控制用于高炉气流的分子筛特性和在如下 所述的工艺流状态下移除氮气显著改善下游燃气涡轮的总体热效率。一旦移除诸如氮气的 气体，可应用诸如胺或膜分离单元的气体捕获技术以进一步提高气体热值。此外，通过回收 高炉气中的热能和工作能，铸造将更加能量有效和从环保角度来看更加“绿色”。分离器床(在此称为“氮气移除床”)以与称为“变压吸附”或“PSA”的氧气浓缩 器相同的总体原理操作。这里，PSA方法依赖于在并行操作的不同吸附剂分离器床上的压 力转换，以便减少供给到床上的气体混合物中的一种特定成分(氮气)的量。在大多数变 压吸附工艺中，压力下的气体在增加的压力下倾向于被吸引到固体表面(“被吸附”)。当 压力降低时，气体可被释放，或者从系统中“解除吸附”并移除。已经发现改进的PSA工艺有利地用于分离高炉排气中的氮气，这是因为氮气倾向 于吸引到床材料的固体表面，达到与比其它组分(尤其是氧气)不同的程度。本专利技术的示 例性实施例使用至少两个并行操作的床。当一个床达到其吸附氮气的容量的极限时，该床 可以通过本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种从包含空气和未燃碳氢化合物的高炉排气流（１７）中移除氮气以形成燃气涡轮发动机（３１）的补充供给的方法，其包括步骤：移除在所述高炉排气流（１７）中夹带的固体颗粒以形成基本上无颗粒的气流（１９）；传送所述基本上无颗粒的气流（１９）通过分离器床（２２），其包括能够从所述无颗粒的气流（１９）中的空气中吸附氮气的吸附材料；吸附在所述无颗粒的气流（１９）中的基本上所有的氮气，作为在所述分离器床（２２）内的固体上的间隙氮气；将在所述基本上无颗粒的气流（１９）中的未吸附的碳氢燃料和氧气成分供给到所述燃气涡轮发动机（３１）；以及从所述分离器床（２２）排出氮气。
【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：SD德雷珀，S拉比埃，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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