Производство чугуна в доменной печи и выбросы оксида углерода

Производство чугуна в доменной печи и выбросы оксида углерода

Широко признано, что углекислый газ (CO2) в атмосфере является основным компонентом, влияющим на глобальное потепление посредством парникового эффекта. С 1896 года концентрация СО2 в атмосфере увеличилась на 25 %. Черная металлургия известна как энергоемкая отрасль и значительный источник выбросов CO2. Следовательно, изменение климата определяется металлургической промышленностью как серьезная экологическая проблема. Задолго до выводов Межправительственной группы экспертов по изменению климата в 2007 году крупные производители черной металлургии признали необходимость долгосрочных решений для снижения выбросов CO2 в черной металлургии. Поэтому металлургическая промышленность очень активно работает над снижением энергопотребления и сокращением выбросов парниковых газов (ПГ).

В нынешних условиях изменения климата в металлургической промышленности существует постоянное стремление снизить затраты на энергию, сократить выбросы и обеспечить максимальное повторное использование отработанной энергии. В традиционных процессах производства чугуна и стали выбросы СО2 неизбежны, особенно для процесса доменной печи (ДП), который требует углерода (С) в качестве топлива и восстановителя для преобразования оксида железа в металлическое состояние, и, следовательно, основной процесс производства CO2 на металлургическом комбинате. Климатическая политика фактически является важной движущей силой дальнейшего развития технологии производства чугуна компанией BF.

Важно отметить, что среди задач, стоящих перед доменной печью, стоит обезуглероживание. Значительные шаги были предприняты металлургической промышленностью для повышения термической эффективности работы доменной печи, но в конечном итоге существует жесткий предел обезуглероживания, связанный с потребностью в углероде в качестве химического восстановителя. С 1950-х годов были предприняты значительные усилия в области НИОКР (исследований и разработок) для повышения эффективности технологии производства доменного чугуна. Эти НИОКР включают (i) улучшение качества кокса и агломерата, (ii) обогащение кислородом (O2), (iii) закачку других восстановителей, таких как угольная пыль и природный газ, (iv) распределение шихты и (v) технологии измерения и т.д. на. В 1950-х годах норма восстановителя составляла около 1000 кг на тонну жидкого чугуна (кг/т ТМ), и с тех пор она была снижена в 2 раза благодаря НИОКР и внедрению результатов НИОКР<. /Р>

Расход восстановителя на обычной доменной печи в настоящее время составляет около 500 кг/т ТМ, что всего на 5 % превышает самые низкие термодинамические значения, возможные при классической работе доменной печи. Процесс BF в настоящее время представляет собой высокоразвитый процесс, работающий близко к термодинамическим пределам эффективности. Нет никаких очевидных серьезных улучшений, которые, как ожидается, коренным образом снизят ее потребность в углероде или значительно повысят ее тепловую эффективность, но, поскольку доменная печь является основным источником выбросов, усилия по смягчению воздействия промышленности на окружающую среду должны быть, по необходимости, должны быть предприняты. основное внимание уделяется процессу производства чугуна в доменной печи.

Для дальнейшего значительного сокращения потребления углерода или выбросов CO2 необходимы прорывные технологии производства чугуна. Было предложено несколько технологий для дальнейшего сокращения использования ископаемого углерода и сокращения выбросов CO2 в самом процессе доменного производства. К ним относятся (i) рециркуляция CO из колошникового газа доменной печи, (ii) использование биомассы, (iii) замена CO на H2 в качестве восстанавливающего агента, (iv) использование C-обедненного железа прямого восстановления (DRI), горячее брикетированного железа (HBI) или железа с низким содержанием восстановленного железа (LRI), (v) использование композиционных материалов C, (vi) использование электроэнергии с низким содержанием углерода и (vii) улавливание и хранение CO2 (CCS) и т. д. Однако Необходимый подход должен состоять в том, чтобы предлагать постепенные улучшения, которые предлагают шаги по сокращению выбросов или увеличению производства за счет потенциала, существующего в рамках текущего процесса.

Неизбежно, что при рассмотрении таких технологий необходимо учитывать ряд сквозных тем, связанных с экономикой и общими выбросами CO2. Например, использование CO2 и технологических газов в качестве химического сырья может потребовать дополнительных закупок топлива для нагревательных печей, что может повлиять на стоимость комплексных работ, качество стали и общие выбросы CO2. Любое решение, которое будет принято для дальнейшего рассмотрения, должно иметь потенциал для достижения многокомпонентной оптимизации этих отдельных аспектов.

Таким образом, ключевыми задачами, стоящими перед будущей эксплуатацией доменной печи, являются (i) значительное сокращение капитальных и эксплуатационных расходов для обеспечения устойчивой окупаемости капитальных затрат на протяжении всего экономического цикла, и (ii) сокращение эффективных выбросов CO2 даже ниже уровня, определяемого химической термодинамикой традиционный коксовый процесс. Для решения этих задач важно определить ряд технологических возможностей. Они описаны ниже.

Лучшие технологии рециркуляции газа и улавливания углерода

Снижение ввода С ограничено восстановительным равновесием газа в доменной печи. Уменьшение ввода C может быть достигнуто за счет снижения степени прямого восстановления (эндотермическая реакция) за счет усиления восстановления газа внутри доменной печи за счет обезуглероживания и рециркуляции колошникового газа путем вдувания в печь. Типовая технологическая схема доменной печи с рециркуляцией колошникового газа (ТГР) показана на рис. 1.

Рис. 1. Типовая технологическая схема доменной печи с рециркуляцией колошникового газа

Любое решение по обезуглероживанию маршрута доменной печи требует некоторого элемента улавливания углерода. Для достижения существенного сокращения выбросов CO2 (более 50 %) необходимо применение технологии УХУ, хотя в отрасли существует общее мнение, что сокращение выбросов более чем на 80 % невозможно. Одним из обнадеживающих вариантов улавливания углерода является рециркуляция верхнего газа в процессе производства чугуна в процессе доменной печи. Это наиболее перспективная технология, позволяющая значительно сократить выбросы СО2 и заключающаяся в рециркуляции СО и Н2 из газа, выходящего из доменной печи сверху.

Технология TGR в основном основана на снижении использования ископаемого углерода (кокса) за счет повторного использования восстановителей (CO и H2) после удаления CO2 из колошникового газа. Это приводит к снижению потребности в энергии. Основными технологиями TGR-BF являются (i) скрубберная очистка колошникового газа от CO2 и закачка баланса, уменьшающего компоненты колошникового газа CO и H2 в шахту доменной печи и фурмы пода, (ii) более низкий ввод ископаемого углерода из-за меньшего количества кокса скорости, (iii) использование чистого O2 вместо продувки горячим воздухом в фурменной печи, т.е. удаление азота (N2) из ​​процесса, и (iv) извлечение чистого CO2 из колошникового газа для подземного хранения.

Большинство схем захвата C обычно связаны с хранилищем, но также можно учитывать использование. Эта связь между улавливанием углерода и его использованием выдвигает на первый план важную область исследований, которая в настоящее время представляет интерес, связанную с интеграцией процессов. По сравнению с такими аспектами, как сбор, транспортировка и хранение, области интеграции процессов путем модернизации существующей доменной печи системой улавливания C уделяется мало внимания.

Следует ожидать, что на большинстве площадок, где работают доменные печи, улавливание углерода будет вводиться в эксплуатацию наряду с доменными печами, работающими в течение многих десятилетий. Существует возможность значительного уровня вмешательства в технологический процесс, связанного с такими аспектами, как качество газа, давление, рабочие протоколы и относительная оптимизация установок по утилизации как доменной, так и углеродной фракций. Модернизация и последующая эксплуатация должны осуществляться без ущерба для операционной эффективности или качества продукции существующих активов.

В этой области интеграции процессов должны быть развернуты передовые методы моделирования и моделирования процессов, чтобы оптимизировать комбинацию интегрированной системы улавливания BF и C. В этом отношении требуется сочетание терможидкостного моделирования с кинетикой процесса и экономическим моделированием процесса, согласованное с пониманием ключевых параметров процесса производства чугуна. Учитывая такую ​​направленность, можно реализовать применение захвата C к существующим операциям BF.

Уменьшение содержания водорода

Важной экологической проблемой процесса доменного производства является использование углерода в качестве химического восстановителя. Это имеет жесткий термодинамический предел, ниже которого дальнейшее снижение C невозможно без существенного изменения процесса. Одним из таких изменений в процессе является частичный переход с C на водород (H2) в качестве восстановителя. Примерами восстановителей с высоким содержанием H2 являются отходы пластика (CnHm) или природный газ (с основным компонентом CH4). H2 уже используется в процессах прямого восстановления для производства DRI, поэтому есть базовое понимание механизмов и химической термодинамики, но есть возможность для дальнейших исследований процессов и инноваций в отношении степени, в которой баланс между восстановлением H2 и C восстановление может быть смещено внутри печи.

Использование пластиковых отходов (WP) для снижения содержания H2 в доменном печи осуществляется путем впрыскивания WP в доменное печь. WP вводят в виде твердого вещества через фурмы аналогично пылевидному углю (PC). Обычно это делается как совместная закачка WP и угля в доменную печь. Энергия сгорания WP, как правило, не меньше, чем у обычно впрыскиваемого PC, а их более высокое отношение H2 к C означает, что в доменной печи образуется меньше CO2 в результате процессов сжигания и восстановления железной руды. Кроме того, потребление энергии ниже, поскольку H2 является более благоприятным восстановителем, чем C. Введение WP увеличивает концентрацию H2 в паровом газе. Так как скорость химической реакции восстановления H2 выше, чем скорость реакции CO, степень реакции Будуара уменьшается по мере увеличения количества парового газа H2. CO2 и H2O присутствуют в верхней части доменной печи за счет восстановления оксидов железа.

Для стимулирования снижения содержания H2 в доменной печи исследуется еще один метод в рамках проекта COURSE50 в Японии, работа над которым началась в 2008 году. вала, в сочетании с усилением H2 путем риформинга коксового газа. Технология восстановления H2, предложенная в этом проекте, состоит из увеличения содержания H2 за счет (i) газовой конверсии коксового газа, (ii) технологии восстановления руды H2 и (iii) технологии производства кокса для доменной печи восстановления H2. В этом проекте восстановительный газ впрыскивается в шахту доменной печи. Из баланса количества движения двух газов было обнаружено, что площадь проникновения нагнетаемого в шахту газа пропорциональна скорости нагнетаемого газа, а H2 способствует восстановлению железной руды. Однако, поскольку восстановление H2 является эндотермической реакцией, необходимо уделять особое внимание поддержанию температуры в верхней части печи.

Альтернативные углеродосодержащие материалы

Альтернативными материалами подшипников C являются композитные агломераты C (CCA) или композиты железа C (CIC). Это агломераты смеси углеродистого материала и оксида железа, представляющие собой вид формованного кокса, содержащего металлическое железо. Углеродосодержащим материалом может быть коксовая мелочь, уголь, древесный уголь, обогащенная углеродом мелкодисперсная мелочь заводского производства, биомасса, пластиковые отходы и т. д., в то время как оксид железа может представлять собой низкосортную железную руду, обогащенную железом мелкозернистую массу заводского производства и т. д. C-композит материалы из-за каталитического эффекта частиц железа имеют удивительно высокую реакционную способность с газообразным СО2 по сравнению с металлургическим коксом. Обычно композитные материалы C реагируют с газообразным CO2 при температуре примерно на 150 градусов C ниже, чем у металлургического кокса.

Реакции восстановления руды способствуют композитные материалы C из-за (i) более высокой реакционной способности этих материалов и (ii) того факта, что реакция растворения этих материалов начинается при более низкой температуре. Использование таких агломератов не только помогает снизить выбросы CO2, но также способствует экономии кокса и энергии. Близкое расстояние между железом и С в таких агломератах значительно улучшает кинетику реакции. Другими преимуществами, которые можно увидеть при использовании таких агломератов, являются (i) возможность использования внутризаводской мелочи, богатой железом и/или углеродом, (ii) более низкая температура газификации из-за эффекта связи между реакцией газификации и оксидом железа (вюстит). ) сокращение и (iii) меньшая зависимость от CO2 и энергоемких процессов подготовки руды.

Способ получения композиционных материалов С состоит из дробления, смешивания и брикетирования недорогих железосодержащих материалов и некоксующихся или слабококсующихся углей с последующим нагревом и карбонизацией в шахтной печи. Прочность этих материалов является важным свойством доменного сырья, а прочность на уровне металлургического кокса может быть достигнута даже из низкокачественного сырья за счет эффекта уплотнения при брикетировании и сравнительно высокой точности регулирования температуры в шахтной печи. .

Материалы, содержащие углерод, также могут быть введены в процесс доменной печи несколькими способами. В процессе агломерации биомасса или WP могут частично заменить коксовую мелочь. Внутризаводская мелочь может использоваться как источник как углерода, так и железа. В коксохимическом производстве были предприняты попытки добавления биомассы, а также ВП в шихту коксующегося угля. Альтернативные углеродосодержащие материалы можно либо загружать в доменную печь сверху вместе с шихтовыми материалами в виде кусков, либо богатую углеродом внутризаводскую мелочь или биомассу можно вводить в доменную печь через фурмы.

Рециркуляция дымовых газов в газовых плитах BF

Новая технология, известная как «рециркуляция дымовых газов» (FGR), находится в стадии разработки для воздухонагревателей. Эта технология включает в себя перевод печей с воздушно-топливного на кислородно-топливное сжигание, увеличивая процентное содержание CO2 в дымовых газах. Создаваемая температура пламени будет снижаться за счет рециркуляции отработанных газов к горелкам печи. Схематическое сравнение работы обычных воздухо-топливных печей и усовершенствованных кислородно-топливных горелок с использованием рециркуляции дымовых газов показано на рис. 2.

Рис. 2. Схематическое сравнение работы обычной воздушно-топливной печи и усовершенствованной кислородно-топливной печи с рециркуляцией дымовых газов

Работа FGR печей может быть основана на постоянном массовом или постоянном объемном расходе продуктов сгорания. Постоянный массовый расход гарантирует, что конвективная теплопередача не изменится по сравнению с обычными воздушно-топливными операциями, а рециркуляция горячих дымовых газов снижает потребность печи в энергии сгорания. Вариант постоянного объемного расхода возникает из-за повышенной плотности продуктов сгорания при рециркуляции дымовых газов. В этом режиме рекуперация тепла может сочетаться с увеличением скорости газовыделения в горелке, что приводит к более высоким температурам горячего дутья и потенциальному снижению потребления кокса в доменной печи.

Учитывая возможность улавливания углерода, содержание CO2 в дымовых газах практически удваивается по сравнению с обычными методами обогрева печами. В массовом выражении дымовые газы содержат 0,8 т СО2/т чугуна (ТМ), что составляет более трети текущих удельных выбросов. Выработка O2, необходимого для облегчения этого процесса, незначительно снижает выгоды от улавливания углерода из-за энергии, потребляемой для работы воздухоразделительной установки. Это снижает чистый потенциал сокращения выбросов примерно на 6 %.

Рециркуляция дымовых газов в печах исключает использование как воздуха, так и коксового газа в процессе горения. Следовательно, образование оксидов серы и оксидов азота существенно снижается. Конкретные цели этой новой разрабатываемой технологии включают (i) подтверждение содержания CO2 от 40 % до 50 % в модифицированном дымовом газе, (ii) проверку рекуперации отработанного тепла и повышение теплового КПД печей, и (iii) подтверждение того, что новые условия эксплуатации поддерживают или повышают температуру горячего дутья, подаваемого в доменную печь, и, следовательно, позволяют избежать негативного воздействия на работу доменной печи.