Вдувание коксового газа в доменную печь

Вдувание коксового газа в доменную печь

  Черная металлургия является одним из основных потребителей энергии и, следовательно, ответственна за высокие выбросы двуокиси углерода (CO2). Несмотря на заметное снижение удельных выбросов СО2 большинством сталелитейных заводов, общий объем выбросов СО2 растет во всем мире в связи с непрерывным ростом производства стали, которое в 2013 году достигло уровня 1606 млн тонн. сталкиваются с растущим спросом на минимизацию потребления энергии и выбросов газов, особенно в процессах производства чугуна. Эффективное использование побочных газов чрезвычайно важно для рентабельности работы сталелитейного завода из-за больших объемов энергии и связанных с этим затрат. Вдувание коксового газа (COG) в современную доменную печь является одной из эффективных мер в сталелитейной промышленности для достижения низкоуглеродистого производства чугуна, энергосбережения и сокращения выбросов.

Кокс является важным сырьем для производства чугуна и производится путем нагревания угля в коксовых печах. Чтобы получить кокс, уголь нагревают в отсутствие кислорода, чтобы удалить из него летучие вещества. COG производится как побочный продукт процесса в случае коксовых батарей, обычно устанавливаемых на сталелитейных заводах. Удельное количество COG, образующегося при производстве кокса в коксохимических печах, находится в диапазоне от 290 до 340 Н м3/т угольной шихты в зависимости от летучих веществ в угольной шихте.

В настоящее время КОГ после очистки от смолы, нафталина, бензола-сырца, аммиака и серы используется для обогрева доменных печей, запальных печей аглофабрик, нагревательных печей прокатных станов и выработки электроэнергии на электростанциях.

COG имеет состав, который состоит примерно из 55 %-58 % H2, 25 %-27 % CH4, 6 %-7 % CO и небольшого количества CO2, N2, углеводородов и других элементов. Поскольку состав COG богат водородом, в последние годы он привлек большое внимание в связи с его использованием в процессах восстановления.

COG также может быть восстановителем в доменной печи. Впрыск COG — это процесс, который включает вдувание больших объемов коксового газа в канал доменной печи (ДП). Это обеспечивает не только дополнительный источник углерода, но и ускоряет производство жидкого чугуна, а также снижает потребность в металлургическом коксе для реакций в доменной печи. Технология впрыска COG также сокращает абсолютные выбросы CO2, а также выбросы SO2 из доменной печи.

Испытания с вдуванием газа в доменную печь проводились в США в середине 1990-х годов.

Стремясь сэкономить энергию и снизить затраты, USS (US Steels) разработала систему на своем заводе в Мон-Вэлли, расположенном недалеко от Питтсбурга, штат Пенсильвания, которая позволила им использовать COG в своих доменных печах. Хотя другие производители стали в Северной Америке пытались это сделать, USS первым успешно применил COG в доменных печах. Для этого USS тщательно очищает газ, повышает его давление и использует модифицированные фурмы доменных печей. Реализация этого проекта обошлась примерно в 6 миллионов долларов США и привела к годовой экономии в размере 6,1 миллиона долларов США, что дает простой срок окупаемости чуть менее одного года. Помимо экономии средств, впрыск COG в доменную печь также способствовал снижению энергопотребления и выбросов CO2.

Впрыск COG в доменную печь влияет на состояние дорожки и восстановление железной руды. Сгорание углеводородов COG перед фурмами кислородом дутья приводит к образованию угарного газа и водородных газов, что увеличивает потенциал восстановительного газа за счет N2. Теоретические расчеты и промышленные испытания, проведенные по замене природного газа на КОГ в доменной печи, показали снижение расхода кокса и увеличение производства чугуна. Высокая эффективность КОГ обусловлена ​​тем, что он содержит в 3,5–4 раза меньше углеводородов по сравнению с природным газом. Это улучшает горение в фурменном горне, активизирует коксовый столб и увеличивает утилизацию газов в топке. Было замечено, что больший объем и более высокая теплотворная способность колошникового газа доменной печи могут быть получены за счет вдувания COG в доменную печь. Также средняя температура из-за впрыска COG увеличивается по мере удаления от наконечника фурмы.

Следует отметить, что условия в канале очень сложны и также влияют на условия в фурме и, следовательно, на сжигание восстановительных газов. Далее повышение температуры выше при впрыске COG из-за более полного сгорания и высокой теплотворной способности газа (около 4000-4400 ккал на нормальный кубический метр).

Впрыск COG на уровне фурмы обычно сопровождается обогащением дутья горячим воздухом кислородом. COG необходимо сжимать для впрыска и, следовательно, требуется компрессорная установка, что означает увеличение энергопотребления. Впрыск кислорода в воздушное дутье снижает удельный расход газа, вызывая снижение температуры в верхней части и повышение температуры адиабатического пламени (ОПТ) канала качения в фурмах. Эти эффекты компенсируются введением ЦОГ. Таким образом, комбинированная подача кислорода и COG на уровне фурмы увеличивает производительность доменной печи. Каждый 1 % обогащения горячего дутья кислородом повышает производительность от 2-0 % до 2,5 %. Типовая принципиальная схема вдувания COG в доменную печь представлена ​​на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная схема вдувания COG в доменную печь

В некоторых странах практикуется вдувание COG в доменную печь с разным расходом впрыска в пределах примерно от 30 до 280 Н м 3 /т ТМ. В некоторых доменных печах COG впрыскивается лишь изредка, поскольку его свободное наличие на комбинате ограничено. Гибкость использования COG может быть повышена, поскольку газ может перемещаться между доменной печью и другим пользователем доступного газа, в зависимости от потребности в данный момент. Таким образом, газ, закачиваемый в доменную печь, заменяет альтернативные восстановители, которые приходится приобретать из внешних источников.

Кроме того, сообщалось, что максимальный уровень впрыска COG в фурму доменной печи считается равным 0,1 тонны COG/tHM в соответствии с термохимическими условиями. Достигаемый коэффициент замещения кокса/COG обычно составляет 0,4–0,45 кг/N м3 (около 0,98 тонны кокса/тонну COG) по сравнению с 0,8–0,85 кг/N м3 для природного газа (NG).

Компания MEFOS, Швеция, разработала математическую модель инжекционной фурмы доменной печи для имитации горения при инжекции восстановительного газа. Математическое моделирование впрыска COG в фурмы доменной печи показало, что лучшие условия горения и более высокая скорость впрыска достигаются при использовании двух инжекционных фурм по сравнению с одной фурмой. Впрыск COG с помощью одной фурмы привел к (i) очень неоднородному отображению температуры и скорости, (ii) поток достигает конца дорожки с высокой скоростью, (iii) самые высокие температуры в конце дорожки и ( iv) отсутствие перегрева фурмы. Впрыск COG двумя фурмами привел к (i) значительному уменьшению глубины проникновения, (ii) более однородному распределению температуры, скорости и концентрации газа, (iii) более равномерному сгоранию, аналогичному впрыску мазута, и (iv) отсутствию перегрева фурма. Другие моменты, связанные с использованием одной или двух фурм в обычной доменной печи, приведены ниже.

• При использовании одной впрыскивающей фурмы максимальное количество впрыскиваемого материала составляет 10 000 Н м3/ч. При большем количестве впрыска часть газа не сгорит в фурме, а попадет в доменную печь несгоревшим.
• Для двух впрыскивающих фурм максимальное количество впрыскиваемого топлива увеличено до 15 000 Н м3/ч благодаря лучшим условиям сгорания. Условия тем лучше, чем ниже скорость газа на входе, турбулентность в фурменной трубе усиливается, а также больше коксового газа контактирует с дутьем, т.е. площадь реакции больше.
• Влияние изменения угла впрыска фурмы на прогнозируемые результаты неочевидно.

Схема типичной системы фурменных фурм показана на рис. 2. Она включает в себя две нагнетательные фурмы для нагнетания COG, которые вставляются в дутьевую трубу, дутьевую трубу и медную фурму.

Рис. 2. Типичная фурменная система с двумя фурмами.