Оптимизация доменного газа: генерация, использование и эффективность

Генерация и использование доменного газа

Доменный процесс — ведущая технология для производства горячего чугуна (ГЧ), необходимого для сталелитья, а также для производства чугуна. ГЧ — основной продукт доменной печи. Во время производства ГЧ доменный газ производится одновременно. Доменный газ — название побочного продукта, который непрерывно образуется при восходящем газообразном подъеме дутьевого воздуха через заряд в доменной печи во время ее работы.

Хотя цель частичного сгорания углерода в доменной печи — удаление кислорода (O₂) из рудного заряда, объем газа, генерируемого в доменной печи, делает её также газогенератором. Доменный газ — важный источник химической энергии, потребляемой вне доменного процесса, и оказывает большое влияние на газовой баланс интегрированного сталелитейного завода. Главный параметр, решающий полезность доменного газа — его калорификационная способность.

Процесс образования доменного газа

Иллюстративный простой вид работы доменной печи, показывающий доменный газ, выходящий из верха печи, представлен на рис. 1.

Рис. 1 Простой вид работы доменной печи

Во время производства горячего чугуна (ГЧ) в доменной печи горячий дутьевой воздух дуется в печь через дуйки. O₂, содержащийся в горячем дутьевом воздухе, реагирует с углеродом (в виде кокса) с образованием диоксида углерода (CO₂) и оксида углерода (CO) по уравнениям: (1) C + O₂ = CO₂, (2) CO₂ + C = 2CO. Гاز, образующийся этой реакцией, движется вверх по шахте печи, заряженной рудами, флюсами и коксом. После ряда химических реакций, описанных ниже, и пути около 25–30 м доменный газ выходит из печи как нагрянутый, пыльный и низкокалорифийный (НН) горючий газ.

И углерод (C) в коксе, и CO являются восстановителями для рудного заряда, состоящего из гематита (Fe₂O₃), вюстита (FeO) и магнетита (Fe₃O₄). Эти оксиды восстанавливаются с образованием Fe и CO₂. Например, механизмы восстановления гематита задаются уравнениями: (1) Fe₂O₃ + 2C = 2Fe + CO + CO₂, (2) Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂.

Дополнительный источник газообразного выделения — разложение известняка и доломита, используемых как основные флюсы для удаления примесей. Реакции: (1) CaCO₃ = CaO + CO₂, (2) MgCO₃ = MgO + CO₂.

Все эти изменения происходят в реакционной зоне печи, и важно с точки зрения состава доменного газа, что химическое равновесие для выделяемых газов регулируется обратимой реакцией Будуара (2CO = CO₂ + C), так как устанавливается установленное соотношение между CO и CO₂ для заданной температуры. Операционный результат — большие количества горячего CO₂, CO и N₂ поднимаются через печь, пока свежий заряд движется вниз в реакционную зону.

Однако в газообразный состав могут добавляться дополнительные компоненты в зависимости от системных переменных. Например, дополнительные восстановители могут инжектироваться в доменную печь для снижения потребности в коксе в заряде, такие как пульверизированный уголь, масло, природный газ или переработанные пластики, тем самым повышая эффективность печи. Однако целостность заряда должна сохраняться, что требует инжектирования пара или O₂ вместе с любыми дополнительными восстановителями. Эти добавки приводят к колеблющимся уровням H₂ и H₂O в горячем дутьевом воздухе, что впоследствии влияет на обратимые реакции водно-газового сдвига: (1) C + H₂O = CO + H₂, (2) CO + H₂O = CO₂ + H₂.

Общий химический состав доменного газа динамичен и зависит от операционных параметров печи. Сухая объемная композиция доменного газа, репрезентативная для типичной работы, приведена на рис. 2.

Рис. 2 Типичный репрезентативный состав доменного газа

Параметры, влияющие на доменный газ

Удельный объем доменного газа (м³/т ГЧ), его химический состав и калорификационная способность зависят от операционных параметров доменной печи: (1) характеристики зарядных материалов, (2) количество флюсов, заряжаемых в доменную печь, (3) распределение зарядных материалов в шахте доменной печи, (4) марка производимого горячего чугуна, (5) количество вспомогательного топлива, инжектируемого в доменную печь, (6) температура горячего дутья, (7) содержание O₂ в дутье. Следовательно, операционные параметры имеют практическое значение с точки зрения энергоманеджмента интегрированного сталелитейного завода. Количество доменного газа, передаваемого другим потребителям, зависит от количества газа, производимого в доменной печи, и от количества доменного газа, потребляемого в дутьевых печах доменной печи.

Общее количество газов CO + CO₂ по объему в доменном газе на верху печи составляет 37–53% 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. Содержимое водорода (H₂) в доменном газе может варьироваться от 1% до 7% в зависимости от типа и количества топлива, инжектируемого в дуйки доменной печи. Балансовый компонент доменного газа — азот (N₂). Метан (CH₄) также может присутствовать в доменном газе до уровня 0.2%.

В доменной печи может образовываться гидроцианид (HCN) и цианогенный газ (CN₂) из-за реакции N₂ в горячем дутьевом воздухе и C кокса. Эта реакция катализируется щелочными оксидами. Эти газы высокотоксичны. Доменный газ может содержать цианосоединения в диапазоне 200–2000 мг/м³.

Доменный газ покидает верхушку печи при температуре около 120–370 °C и давлении 350–2500 мм рт. ст. На этом этапе он переносит 20–115 г/м³ водяного пара и 20–40 г/м³ пыли, известной как «пыль дымовых газов». Размер частиц пыли может варьироваться от нескольких микрон до 6 мм.

Доменный газ почти бесцветный (слабо беловатый) и беззапахов. Другие основные характеристики: (1) очень низкая калорификационная способность обычно 700–850 ккал/м³; (2) относительно высокая плотность ~1.250 кг/м³ при 0 °C и 1 атм (НУТ); (3) низкая теоретическая температура пламени ~1455 °C; (4) низкая скорость распространения пламени, обычно ниже любого другого обычного газообразного топлива; (5) горит с не светоносным пламенем; (6) точка самовозгорания ~630 °C; (7) нижний предел взрывоопасности (НПВ) 27% и верхний предел взрывоопасности (ВПВ) 75% в смеси воздух-газ при нормальной температуре и давлении. Плотность доменного газа самая высокая среди всех газообразных топлив. Поскольку плотность выше плотности воздуха, при утечке он оседает на дне. Высокая концентрация CO делает газ опасным.

Высокое верхушковое давление доменного газа используется для работы генератора (турбины расширения газа верхушкового давления, ТРТ). ТРТ может генерировать электроэнергию до 35 кВт·ч/т горячего чугуна без сжигания топлива. Сухой тип ТРТ производит больше энергии, чем мокрый.

Очистка доменного газа

Доменный газ, выходящий из верхушки печи, содержит 20–40 г/м³ дымовой пыли и не может использоваться как есть. Эта пыль содержит мелкие частицы кокса, зарядных материалов и химических соединений, образующихся вследствие реакций внутри доменной печи. Грязный доменный газ очищается в газоочистном цехе в два этапа: (1) первичная очистка газа, (2) вторичная очистка газа.

Первичная очистка 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 крупные частицы. Пылеуловитель — крупная цилиндрическая структура диаметром 20–30 м и высотой 20–30 м. Обычно он выкладан для изоляции и предотвращения конденсации влаги в доменном газе, чтобы пыль оставалась сухой, не сбивалась в комки и свободно текла в коническую часть пылеуловителя у дна для периодического удаления.

Доменный газ поступает в пылеуловители через один нисходящий трубопровод и входит через верх пылеуловителя вертикальной трубой, которая ведет газ вниз внутри пылеуловителя. Эта труба расширяется на нижнем конце как перевернутая воронка, так что по мере движения газа вниз его скорость (и, следовательно, способность нести пыль) уменьшается, и большая часть крупной пыли (крупнее 0.8 мм) выпадает из газового потока и оседает в конусе на дне пылеуловителя. Поскольку дно пылеуловителя закрыто, а газовый выход находится у верха, направление движения газа меняется на 180 градусов. Это внезапное изменение направления потока заставляет больше пыли осесть.

После пылеуловителя газ направляется на вторичную стадию очистки. Здесь доменный газ очищается либо сухим типом газоочистной системы, либо мокрым типом газоочистных установок. В сухих газоочистных установках мешковые фильтры используются для удаления мелких частиц пыли, в то время как в мокрых газоочистных установках доменный газ вымывается от пыли в скрубберах в несколько стадий.

Использование доменного газа

Разумное тепло в доменных верхушковых газах впервые использовалось в 1832 году для передачи тепла холодному дутью. Изначально этот теплообменник был смонтирован на верхушке печи. В 1845 году первые попытки были сделаны для использования теплы сгорания доменного газа, но сжигание доменного газа не увенчалось успехом до 1857 года. Вероятно, прогресс в использовании доменного газа задерживался из-за его высокого пылесодержания, проблем очистки и обработки, и низкой стоимости твердого топлива. Растущая стоимость других видов топлива и конкуренция заставили его использовать.

В прошлом использование доменного газа ограничивалось нагревом дутьевых печей в доменных печах и использованием в многотопливных котлах. Он не считался экономичным для других применений из-за своих характеристик. Однако в последние годы несколько факторов способствовали его расширенному использованию: (1) рост стоимости закупаемого топлива, (2) техническое улучшение очистки газа, повышающее чистоту газа, (3) технологическое развитие предварительного нагрева доменного газа.

В интегрированных сталелитейных заводах доменный газ обычно используется смешанным либо с коксовым газом, либо с конвертерным газом, либо с обоими. Смешанный газ используется как топливо в различных печах интегрированного сталелитейного завода. Доменный газ без смешивания и без предварительного нагрева может использоваться в доменных печах, прокатывательных печах, нормализующих и отжигающих печах, литейных сушилках для сердечников, газовых двигателях для дутья, котлах для выработки энергии, газовых турбинах для выработки энергии. С недавними достижениями в технологиях доменный газ также напрямую используется в печи агломерационного завода.

Тепловое преимущество использования доменного газа в газовых двигателях для дутья и выработки энергии должно преодолеть тяжелые инвестиционные и эксплуатационные расходы на такое оборудование. Современный котельный использует высокое паровое давление и температуру с эффективными турбонаддувами и генераторами. Это достаточно снизило тепловое преимущество газовых двигателей, поэтому их использование стало трудно оправдать. Некоторые сталелитейные заводы в Азии и Европе успешно используют газовые турбины прямого привода для привода генераторов. Предварительно нагретой доменный газ вместе с предварительно нагретым воздухом успешно использовался в коксовых печах, прокатывательных печах и перегревательных печах.

Когда доменный газ предварительно нагревается, он должен иметь минимальную чистоту 0.023 г/м³, и во всех случаях, где этот газ используется, необходимы дополнительные меры предосторожности для предотвращения утечки несгоревшего доменного газа в окружающую среду, так как он содержит большой процент токсичного CO газа.

В операциях доменной печи, где доменный газ имеет теплотворную способность, приближающуюся к низкому значению 700 ккал/м³, становится необходимым смешивать доменный газ с другими топливными газами для получения очень высокой температуры горячего дутья из печи.