Производство и использование доменного газа

Производство и использование доменного газа

Доменный процесс (ДП) является ведущей технологией производства чугуна (ЧМ), необходимого для производства стали, а также для производства чугуна. HM является основным продуктом BF. При производстве ТМ одновременно производится доменный газ. Газ доменной печи — это название побочного продукта, который непрерывно образуется в результате поднимающегося вверх газообразного потока воздуха для дутья через шихту в доменной печи во время ее работы.

Хотя целью частичного сжигания углерода в доменной печи является удаление кислорода (O2) из ​​рудной шихты, объем газа, генерируемого в доменной печи, делает доменную печь также производителем газа. Доменный газ является важным источником химической энергии, потребляемой вне доменного процесса, и оказывает большое влияние на газовый баланс сталелитейного завода. Прежде всего, избыток доменного газа расходуется в различных печах сталелитейного завода, а также в котле электростанции вместе с другими побочными газами, такими как коксовый газ и конвертерный газ. Основным параметром, который имеет решающее значение для полезности доменного газа, является его теплотворная способность.

На рис. 1 показано простое изображение работы доменной печи, показывающее, как доменный газ выходит из свода печи.

Рис. 1. Простой вид работы доменной печи

При производстве чугуна (ЧМ) в доменной печи через фурмы в печь подается дутье горячего воздуха. O2, содержащийся в потоке горячего воздуха, реагирует с углеродом (в виде кокса) с образованием диоксида углерода (CO2) и монооксида углерода (CO) в соответствии с уравнениями (i) C + O2 =CO2 и (ii ) СО2 + С =2СО. Газ, образующийся в результате этой реакции, движется вверх по шахте печи, загруженной рудой, флюсами и коксом. После ряда химических реакций, как описано ниже, и прохождения примерно от 25 до 30 м доменный газ выходит из печи в виде нагретого, запыленного горючего газа с бедной теплотворной способностью (CV).

Как углерод (C) в коксе, так и CO являются восстановителями рудной шихты, состоящей из гематита (Fe2O3), вюстита (FeO) и магнетита (Fe3O4). Эти оксиды восстанавливаются с образованием Fe и CO2. Например, механизмы восстановления гематита задаются уравнениями (i) Fe2O3 + 2C =2Fe + CO + CO2 и (ii) Fe2O3 + 3CO =2Fe + 3CO2.

Еще одним источником выделения газа является разложение известняка и доломита, используемых в качестве основных флюсов для удаления примесей. Это реакции (i) CaCO3 =CaO + CO2 и (ii) MgCO3 =MgO + CO2.

Все эти изменения происходят в реакционной зоне печи, и, что важно с точки зрения состава газа доменной печи, химическое равновесие выделяющихся газов регулируется обратимой реакцией Будуара (2CO =CO2 + C) при достижении заданного соотношения между СО и СО2 при данной температуре. Результат работы заключается в том, что большое количество горячих CO2, CO и N2 поднимается через печь по мере того, как свежая шихта спускается в реакционную зону.

Однако в состав газа могут быть добавлены дополнительные компоненты в зависимости от систематических переменных. Например, в доменную печь можно вводить дополнительные восстановители для снижения потребности в коксе в шихте, такие как пылевидный уголь, нефть, природный газ или переработанные пластмассы, и тем самым повышать эффективность печи. Однако необходимо поддерживать целостность шихты, что требует введения пара или O2 вместе с любыми дополнительными восстановителями. Эти добавки приводят к колебаниям уровней H2 и H2O в дутье горячего воздуха и впоследствии влияют на обратимые реакции конверсии водяного газа, а именно (i) C + H2O =CO + H2 и (ii) CO + H2O =CO2 + H2.

Таким образом, общий химический состав доменного газа динамичен и зависит от рабочих параметров печи. Сухой объемный состав газа доменной печи, характерный для типичной работы, показан на рис. 2.

Рис. 2. Типичный репрезентативный состав доменного газа

Удельный объем генерируемого доменного газа (м3/т ТМ), его химический состав и коэффициент вязкости зависят от рабочих параметров доменной печи, таких как (i) характеристики шихтовых материалов, (ii) количество загружаемых флюсов в доменной печи, (iii) распределение шихтовых материалов в дымовой трубе доменной печи, (iv) сорт производимого чугуна, (v) количество вспомогательного топлива, впрыскиваемого в доменную печь, (vi) температура горячего дутья и (vii ) содержание О2 в дутье. Следовательно, рабочие параметры имеют практическое значение с точки зрения управления энергопотреблением металлургического комбината. Количество доменного газа, передаваемого другим потребителям, зависит от количества газа, произведенного в доменной печи, и от количества доменного газа, израсходованного в воздухонагревателях доменной печи.

Общее количество газов CO + CO2 по объему в доменном газе в верхней части печи колеблется от 37 % до 53 % от общего объема газа. Соотношение CO/CO2 может варьироваться в доменной печи от 1,25:1 до 2,5:1. Более высокий процент CO в газе делает доменный газ опасным. Содержание водорода (H2) в газе доменной печи может варьироваться от 1 % до 7 % в зависимости от типа и количества топлива, впрыскиваемого в фурмы доменной печи. Балансовым компонентом доменного газа является азот (N2). Метан (CH4) также может присутствовать в доменном газе до уровня 0,2 %.

В доменной печи некоторое количество гидроцианида (HCN) и циановодорода (CN2) также может образовываться из-за реакции N2 в дутье горячего воздуха и C в коксе. Эта реакция катализируется оксидами щелочных металлов. Эти газы очень ядовиты. ДП может содержать эти цианосоединения в диапазоне от 200 миллиграммов на кубический метр (мг/куб.м) до 2000 мг/куб.куб.

ДП газ выходит из верхней части доменной печи при температуре от 120 до 370°С и давлении от 350 до 2500 мм ртутного столба. На данном этапе он несет от 20 граммов на кубический метр (г/м3) до 115 г/м3 водяного пара и от 20 г/м3 до 40 г/м3 пыли, широко известной как «дымовая пыль». Размер частиц колошниковой пыли может варьироваться от нескольких микрон до 6 мм.

Газ BF почти бесцветный (слегка беловатый) и не имеет запаха. Другими основными характеристиками BF являются (i) очень низкий CV, обычно в диапазоне от 700 ккал на кубический метр (ккал/м3) до 850 ккал/м3, (ii) относительно высокая плотность, обычно в диапазоне около 1,250 килограмм на кубический метр (кг/куб.м) при температуре 0°C и давлении 1 атмосфера, что соответствует стандартной температуре и давлению (STP), (iii) низкая теоретическая температура пламени, которая составляет около 1455°C, (iv) низкая скорость распространения пламени который обычно ниже, чем у любого другого распространенного газообразного топлива, (v) горит несветящимся пламенем, (vi) температура самовоспламенения составляет около 630 ° C, и (vii) имеет нижний предел взрываемости (НПВ) 27 % и верхний предел взрываемости (ВПВ) 75 % в газовоздушной смеси при нормальной температуре и давлении. Плотность доменного газа самая высокая среди всего газообразного топлива. Поскольку плотность выше плотности воздуха, в случае утечки он оседает на дно. Высокая концентрация газа CO в доменном газе делает этот газ опасным.

Высокое верхнее давление доменного газа используется для работы генератора (турбины-утилизатора верхнего давления газа, сокращенно TRT). ТРТ может вырабатывать электрическую энергию (мощность) до 35 кВтч/т чугуна без сжигания топлива. Сухой тип TRT может производить больше энергии, чем мокрый тип.

Очистка доменного газа

ДП, выходящий из колошника, содержит от 20 г/м3 до 40 г/м3 колошниковой пыли и не может использоваться как таковой. Эта пыль содержит мелкие частицы кокса, шихтовых материалов и химических соединений, которые образуются в результате реакций, протекающих внутри доменной печи. Этот грязный доменный газ очищается на газоочистке в два этапа, а именно (i) этап первичной очистки газа и (ii) этап вторичной очистки газа.

Первичная очистка газов состоит из пылеуловителей, циклонов или их комбинации. Принцип гравитации используется для удаления крупных частиц (крупнее 0,8 мм) пыли. На этом этапе доменный газ обычно проходит через пылеуловитель, где удаляются все более крупные частицы. Пылеуловитель представляет собой большую цилиндрическую конструкцию, обычно диаметром от 20 до 30 м и высотой от 20 до 30 м. Обычно он футерован для его изоляции и предотвращения конденсации влаги, присутствующей в газе ДП, чтобы пыль оставалась сухой, не собиралась в комки и свободно стекала в коническую часть пылесборника на его дне для периодического удаления.

ДП-газ направляется в пылеуловители по единственному сливному патрубку и поступает через верхнюю часть пылеуловителя по вертикальной трубе , по которой газ направляется вниз внутрь пылеуловителя. Эта труба расширяется в нижнем конце, как перевернутая воронка, так что по мере того, как газ проходит вниз, его скорость (и, следовательно, его потенциал переноса пыли) уменьшается, и большая часть более крупной пыли (крупнее 0,8 мм) выпадает из газового потока и оседает в конусе на дне пылесборника. Поскольку нижняя часть пылесборника закрыта, а выпускное отверстие для газа находится вверху, направление движения газа меняется на 180 градусов. Это внезапное изменение направления потока приводит к тому, что больше пыли оседает.

После пылеуловителя газ направляется на стадию вторичной газоочистки. Здесь доменный газ очищается либо системой газоочистки сухого типа, либо установками мокрой газоочистки. В установках сухой очистки газов рукавные фильтры используются для удаления мелкодисперсных частиц пыли, а в установках мокрой очистки доменный газ очищается от пыли в скрубберах в несколько стадий.

Использование доменного газа

Явное тепло колошниковых газов доменной печи впервые было использовано в 1832 году для передачи тепла холодному дутью. Первоначально этот теплообменник устанавливался в верхней части топки. В 1845 году были предприняты первые попытки использовать теплоту сгорания доменного газа, но сжигание доменного газа не было успешным до 1857 года. Вероятно, прогресс в использовании доменного газа задерживался из-за его высокой запыленности. содержание, проблемы очистки и обращения, дешевизна твердого топлива. Рост стоимости других видов топлива и конкуренция вынуждают его использовать.

В прошлом использование доменного газа ограничивалось нагревом воздухонагревателей в доменных печах и его использованием в многотопливных котлах. Он не считался экономичным для других целей из-за его различных характеристик. Однако в последние годы несколько факторов способствовали его более широкому использованию. Факторами, которые способствовали расширению использования газа, являются (i) увеличение стоимости закупаемого топлива, (ii) техническое усовершенствование очистки газа, что повышает чистоту газа, и (iii) разработка технологии предварительного подогрева доменного газа. .

На интегрированных сталелитейных заводах доменный газ обычно используется в смеси либо с коксовым газом, либо с конверторным газом, либо с обоими. Смешанный газ используется в качестве топлива в различных печах металлургического комбината. Доменный газ без смешивания и предварительного подогрева может быть использован в доменных печах, колодцах, печах нормализации и отжига, литейных стержневых печах, газовых двигателях для продувки, котлах для производства электроэнергии, газовых турбинах для производства электроэнергии. Благодаря последним достижениям в технологии доменный газ также используется непосредственно в печи аглофабрики.

Термическое преимущество использования доменного газа в газовых двигателях для продувки и выработки электроэнергии должно компенсировать большие капиталовложения и расходы на техническое обслуживание, необходимые для такого оборудования. В современной котельной используется пар высокого давления и температуры с эффективными турбонагнетателями и генераторами. Это значительно уменьшило тепловое преимущество газовых двигателей, и поэтому их использование стало трудно оправдать. Некоторые сталелитейные заводы в Азии и Европе успешно используют газовые турбины с прямым подключением для привода генераторов. Предварительно нагретый доменный газ вместе с подогретым воздухом успешно используется в нагревательных печах коксовых печей, выдерживающих ямах и нагревательных печах.

Когда доменный газ предварительно подогрет, он должен иметь минимальную чистоту 0,023 г/куб. токсичный газ CO.

В доменных печах, где теплотворная способность доменного газа приближается к низкому значению 700 ккал/м3, становится необходимым смешивать доменный газ с другими горючими газами для получения очень высокой температуры дутья горячего воздуха из печи.