来自离子传送膜的氧气在高炉中的使用

摘要

本发明涉及一种将氧气生产与高炉操作集成在一起的方法。加热的空气流被引入至离子传送膜分离器，产生渗透流和渗余流。渗透流和动力流被引入至喷射器-射流泵，产生富氧流。该富氧流被引入至高炉中。在本发明的另一实施例中，渗透流和蒸汽动力流被引入至喷射器-射流泵。加热的空气进入流被引入至一系列串联的离子传送膜分离器，产生一系列渗透流和一系列渗余流，其中，每个渗余流用作随后的离子传送膜分离器的输入流。由此，产生一系列富氧流，该一系列富氧流结合到一起并且被引入至高炉中。

说明书

背景技术

高炉是具有附加在类似熔锅(crucible-like)的炉缸上的竖直炉身的高 炉身类型的炉。将含铁料(铁矿石、烧结矿、球团矿、轧屑、炼钢渣、废 料等等)、焦炭和熔剂(石灰石和白云石)装入到炉身顶部中。将一股加 热的空气以及还有在大多数情况下为气态的、液态的或粉末状的燃料引入 通过在正好位于炉缸上方的炉身底部处的开口。加热的空气使注入的燃料 和许多从顶部装入的焦炭燃烧，以产生工艺过程所需的热量并且提供将氧 从矿石中移除的还原气体。还原得到的铁熔化并且向下行进至炉缸的底部。 熔剂与矿石中的杂质结合产生炉渣，该炉渣同样在炉缸中熔化并且积聚在 液态铁的上部。铁和炉渣通过出铁口从高炉中排出。

由炉顶气体/炉顶煤气(top gas)处理装置控制的炉顶压力对于非常大 的炉而言可高达(40-50psig(磅/平方英寸))，并且鼓风空气(blast air) 中富含有鼓风中总氧量的高达40％的氧。在鼓风口的入口处的压力取决于 受控的炉顶压力和原材料的质量，并且对于非常大的高炉而言可高达60 psig。氧的富集减少了每吨铁所需要的空气量，并因此减少了所产生的高 炉炉顶气体的量。

离子传送膜(ITM)包括在1475-1650F的高温下传导氧离子的离子- 混合式传导陶瓷氧化物。空气被压缩至大约230psia、加热至1650F并且 送入到ITM。热的氧气渗透通过膜。渗透压力必须保持在低水平以提供穿 过膜的氧分压驱动力。通常，50％至80％的氧回收率是可能的。

发明内容

本发明是一种将氧气生产与高炉操作集成在一起的方法。压缩的空气 流分成高炉空气流和ITM空气流。高炉空气流与富氧流结合并且该结合的 流被引入至高炉热风炉(stove)中。结合的气体然后在高炉热风炉中加热， 从而产生热的高炉空气流，该热的高炉空气流分成热的热交换流和旁通的 加热流。ITM空气流被引入至热交换器中，在该热交换器中该ITM空气 流与旁通的热的热交换流交换热量，从而产生冷却的热交换流和温热的 ITM流。冷却的热交换流然后与旁通的加热流再结合并且被引入至高炉中。 温热的ITM流分成ITM进入流和动力流。ITM进入流被引入至离子传送 膜分离器中，从而产生渗透流和渗余流(retentate stream)。渗透流和动 力流被引入至喷射器-射流泵中，从而产生富氧流，该富氧流被引入至高炉 中。或者，蒸汽流可用作喷射泵的动力流。

提供了采用一系列喷射器-射流泵的系统。加热的空气进入流被引入至 一系列串联的离子传送膜分离器中，从而产生一系列渗透流和一系列渗余 流，其中，每个渗余流用作随后的离子传送膜分离器的输入流。渗透流被 引入至采用动力流作为动力流体的一系列的喷射器-射流泵中，从而产生一 系列富氧流，该一系列富氧流结合成结合的富氧流，该结合的富氧流被引 入至高炉中。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的示意图。

图2是本发明的一个实施例的示意图。

具体实施方式

在下文中描述了本发明的示例性实施例。然而本发明可具有各种改型 和替代形式，本发明的特定实施例作为示例在附图中示出并且在本文中得 以详细地描述。然而应当理解的是，本文中对特定实施例的描述并非意在 使本发明限于所公开的特定形式，而正相反，本发明旨在涵盖落入由所附 权利要求书限定的本发明的精神和范围内的所有改型、等同方案和替代方 案。

当然，应理解的是，在对任何一种上述实际实施例的开发中，应当做 出多个具体实施决策以实现开发者的特定目标，例如，符合与系统相关和 与商业相关的限制，而这些限制在每个实施方案中各不相同。此外应当理 解的是，这样的开发工作可能是复杂的并且耗时的，然而对于享有本发明 益处的所属领域的技术人员而言则是日常工作。

为了减少对氧气的压缩需求，提供了多级的膜系统。在连续降低的压 力下提取出氧气。

在一个非限制性示例中，可在30、16、10和7psia的压力下提取出氧 气。在这些级处所期望的O₂回收率分别为27％、39％、20％和14％。在 此示例中，热氧气所需的压力为60psia。在每一级处设置有喷射器。用于 前两级的喷射器由压缩至145-230psia的热鼓风空气驱动。后两级的喷射 器由580psia的蒸汽驱动。驱动器的动力的选择取决于高炉所需要的热鼓 风空气和蒸汽的量。喷射器还可串联/平行地布置以优化驱动喷射器的动力 流的量。在此示例中，喷射器3和4供应至喷射器2。可基于所需要的氧 气压缩程度来优化热空气和蒸汽的压力。

存在将ITM过程与高炉集成在一起的多种可能性。高炉鼓风压缩机 可用作ITM的空气源。高炉空气压缩机通常供应处于60-75psia的空气。 增压压缩机将使用于ITM的空气压力提升至230psia。

高炉鼓风空气可用作在7-30psia下得到的热O₂的热压缩的动力。所 述O₂需要压缩至大约45-60psia。动力空气所需的压力将比鼓风空气的通 常压力60-75psia高。

通常供应至高炉的蒸汽还可用作用于O₂压缩的动力。来自ITM的热 的残余气体可在炉顶气体燃烧且被送入至用于热量回收的热风炉之前在涡 轮膨胀机中下降并且与高炉炉顶气体混合。富氮流中存在的氧气被用于燃 烧高炉炉顶气体。

来自ITM的热的残余气体可与燃料混合、采用存在的O₂燃烧、在涡 轮膨胀机中下降并且供应至处于某个中间位置的热风炉。在涡轮膨胀机的 下游的热的残余气体可用于产生蒸汽。如上文所述的，所产生的蒸汽用作 喷射器的动力蒸汽。或者，可直接地将蒸汽供应至高炉。

参照图1，提供了一种将氧气生产与高炉操作集成在一起的方法。干 燥的空气流101在压缩机102中被压缩，因此形成了压缩的、干燥的空气 流103。压缩的、干燥的空气流103分成了高炉空气流104和ITM空气流 105。如在本说明书中采用的，高炉热风炉108a是在用的(正在使用的) 热风炉，而108b是停用的热风炉。压缩的、干燥的空气流103可具有大 约72psia的压力。高炉空气流104与富氧流125结合并且被引入至高炉热 风炉108a中，在高炉热风炉108a中加热，因此产生加热的高炉空气流109。 采用高炉气体流122的至少一部分138加热高炉热风炉108b，以便一旦到 了该改变在用的热风炉时为加热结合的高炉空气流104和富氧流125的上 述要求做准备。然后，第一燃烧产物流136从所述热风炉中排出。一旦发 生热风炉的改变，高炉热风炉108a变为停用的热风炉，且高炉气体流122 的至少一部分139用于预热该炉。然后，第二燃烧产物流137从所述热风 炉中排出。

加热的高炉空气流109可具有介于1800至2200F之间的温度。加热 的高炉空气流109然后被分成热的热交换流110和旁通的加热流111。ITM 空气流105可在压缩机106中压缩，从而产生压缩的ITM空气流107。压 缩的ITM空气流107可具有大约230psia的压力。压缩的ITM空气流107 或ITM空气流105被引入至热交换器112中，在该热交换器112中与热的 热交换流110交换热量，从而产生冷却的热交换流113和温热的ITM空气 流114。冷却的热交换流113与旁通的加热流111重新结合并且被引入至 高炉121中。

温热的ITM空气流114分成ITM进入流123和动力流118。ITM进 入流123可具有大约1475-1650F的温度。ITM进入流123被引入至离子 传送膜分离器115，从而产生渗透流116和渗余流117。渗余流117然后可 经过减压涡轮134。经过减压后，渗余流117的至少一部分126可被引入 至在用的热风炉108a以提供附加的热量。高炉蒸汽流130a可被引入至高 炉121中。

渗透流116和动力流118被引入至喷射器-射流泵119，从而产生富氧 流120。富氧流120可具有大约60psia的压力，并且可具有1475-1650F 的温度。富氧流120的一部分124可被直接地引入至高炉121中。富氧流 124可分别地通过鼓风口中单独的吹管(lance)(未示出)而引入。富氧 流120的一部分125可与处于高炉所需要的压力下的高炉空气流104结合 并且被引入至高炉热风炉108a中，在高炉热风炉108a中加热并且在被引 入至高炉121之前与加热的高炉空气109结合。

渗余流117可在膨胀机134中膨胀，从而产生减压的渗余流126。减 压的渗余流126的至少一部分138可被引入至在用的高炉热风炉108a中， 如上文已讨论的。减压的渗余流126还可用于其他目的，例如用在喷吹煤 粉(PCI)工厂中干燥底煤。高炉气体流122的至少一部分139被引入至 停用的高炉热风炉108b中，如上文所讨论的。

参照图2，示出了利用一系列喷射器-射流泵的系统的一个非限制性示 例。加热的空气进入流114被引入至一系列串联的离子传送膜分离器115、 204、211、217中，从而产生一系列渗透流116、205、212、218和一系列 渗余流203、210、216、117，其中，每个渗余流用作随后的离子传送膜分 离器的输入流。渗透流116、205、212、218被引入至一系列喷射器-射流 泵119、208、214、220，喷射器-射流泵采用动力流201、207、213、219 作为动力流体，从而产生一系列富氧流202、209、215、221，所述一系列 富氧流结合成结合的富氧流120，该结合的富氧流120被引入至高炉121 中。

在图2的更详细的描述中，加热的空气进入流114被引入至第一离子 传送膜分离器115，从而产生第一渗透流116和第一渗余流203。第一渗透 流116和第一动力流201被引入至第一喷射器-射流泵119，从而产生第一 富氧流202。第一渗余流203被引入至第二离子传送膜分离器204，从而产 生第二渗透流205和第二渗余流210。第二结合的富氧流222和第二渗透 流205结合，从而产生第三结合的富氧流206。

第三结合的富氧流206和第二动力流207结合进入至第二喷射器-射流 泵208中，从而产生第二富氧流209。第二渗余流210被引入至第三离子 传送膜分离器211中，从而产生第三渗透流212和第三渗余流216。第三 渗透流212和第三动力流213被引入至第三喷射器-射流泵214，从而产生 第三富氧流215。第三渗余流216被引入至第四离子传送膜分离器217中， 从而产生第四渗透流218和第四渗余流117。

第四渗透流218和第四动力流219被引入至第四喷射器-射流泵220中， 从而产生第四富氧流221。第三富氧流215和第四富氧流221结合，从而 产生第二结合的富氧流222。第一富氧流202和第二富氧流209结合，从 而产生第一结合的富氧流120，该第一结合的富氧流被引入至高炉121。

动力流中的至少一个可为蒸汽。动力流中的至少一个可为加热的空气， 并且至少一个附加的动力流可为蒸汽。