Внедрение коксовой печной газа: повышение эффективности доменной печи и снижение выбросов CO₂

Впрыск коксовой печной газа в доменную печь

Железно-стальная промышленность — один из главных потребителей энергии, отвечающий за высокие выбросы CO₂. Несмотря на снижение удельных выбросов на многих заводах, общий объем выбросов растет во всем мире из-за увеличения производства стали, достигшего 1606 млн тонн в 2013 году. Отрасль сталкивается с растущим требованием минимизировать энергопотребление и газовые выбросы, особенно в процессах получения чугуна. Эффективное использование побочных газов критически важно для рентабельности завода из-за больших объемов энергии и затрат. Впрыск коксовой печной газа (КПГ) в современную доменную печь — одно из эффективных мер для низкоуглеродистого получения чугуна, экономии энергии и снижения выбросов.

Кокс — обязательный компонент доменного процесса, производится нагревом угля в коксовых печах в отсутствие кислорода для удаления летучих веществ. КПГ образуется как побочный продукт в коксовых батареях с восстановлением побочных продуктов, обычно установленных на сталелитейных заводах. Удельное количество КПГ при коксовании в печах с восстановлением побочных продуктов составляет 290–340 нм³/т угольной зарядки в зависимости от содержания летучих веществ.

КПГ после очистки от смол, нафталина, сырого бензола, аммиака и серы используется для нагрева ковшей доменной печи, розжиговых печей агрегатных заводов, нагревательных печей прокатных станов и выработки электроэнергии на ТЭЦ.

Состав КПГ: ~55–58% H₂, 25–27% CH₄, 6–7% CO, небольшие доли CO₂, N₂, углеводородов и других элементов. Из-за высокого содержания водорода КПГ привлекло внимание для использования в восстановительных процессах.

КПГ может служить восстановителем в доменной печи. Впрыск КПГ — процесс внедрения больших объемов газа в горловину доменной печи. Это обеспечивает не только дополнительный источник углерода, но и ускоряет производство жидкого чугуна, снижая потребность в металлургическом коксе для реакций в печи. Технология впрыска КПГ также снижает абсолютные выбросы CO₂ и SO₂ из доменной печи.

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

В целях экономии энергии и снижения затрат USS (US Steel) разработала систему на заводе Mon Valley (Питтсбург, Пенсильвания) для использования КПГ в доменных печах. Хотя другие сталелитейные компании Северной Америки пытались это сделать, USS первой успешно внедрила КПГ в доменные печи. Для этого USS тщательно очищает газ, повышает его давление и использует модифицированные дьюзы доменной печи. Проект стоил ~6 млн долл. и дал ежегодную экономию 6,1 млн долл., окупаемость — чуть менее года. Помимо экономии, впрыск КПГ снизил энергопотребление и выбросы CO₂.

Впрыск КПГ влияет на условия в горловине и восстановление железной руды. Горение углеводородов КПГ у дьюз кислородом горячего надува порождает CO и H₂, повышая потенциал восстановительного газа за счет N₂. Теоретические расчеты и промышленные испытания замены природного газа КПГ в доменной печи показали снижение коксозатрат и рост выпуска горячего чугуна. Высокая эффективность КПГ обусловлена тем, что оно содержит в 3,5–4 раза меньше углеводородов по сравнению с природным газом. Это улучшает горение в дьюзе, активирует коксовый столб и повышает использование газов в печи. Наблюдается, что впрыск КПГ увеличивает объем и калорийность верхового газа доменной печи. Средняя температура из-за впрыска КПГ растет с расстоянием от кончика ланзы.

Условия в горловине очень сложны и влияют на условия в дьюзе и горение восстановительных газов. Повышение температуры выше при впрыске КПГ из-за более полного сгорания и высокой теплотворной способности газа (~4000–4400 ккал/нм³).

Впрыск КПГ на уровне дьюзы обычно сопровождается обогащением горячего надува кислородом. КПГ требует сжатия для впрыска, поэтому нужен компрессор, что увеличивает потребление электроэнергии. Впрыск кислорода в надув снижает удельный расход газа, снижает температуру верхового газа и повышает адиабатическое пламенное температуру в дьюзах (RAFT). Эти эффекты компенсируются впрыском КПГ. Таким образом, совместный впрыск кислорода и КПГ на уровне дьюз повышает производительность доменной печи. Каждые 1% обогащения надува кислородом повышают производительность на 2,0–2,5%. Типичная схема впрыска КПГ в доменную печь показана на рис. 1.

Впрыск КПГ практикуется в некоторых странах с расходом 30–280 нм³/т чугуна. В некоторых печах КПГ впрыскивают только периодически из-за ограниченной доступности газа на интегрированном заводе. Гибкость использования КПГ можно повысить, перераспределяя газ между доменной печью и другими потребителями в зависимости от текущей необходимости. Таким образом, газ, впрыскиваемый в доменную печь, замещает альтернативные восстановители, которые пришлось бы закупать внешне.

Максимальный уровень впрыска КПГ в дьюзу доменной печи, согласно термохимическим условиям, составляет ~0,1 т КПГ/т чугуна. Коэффициент замещения кокса КПГ обычно 0,4–0,45 кг/нм³ (~0,98 т кокса/т КПГ) против 0,8–0,85 кг/нм³ для природного газа.

MEFOS (Швеция) разработала математическую модель впрыска в дьюзу доменной печи для моделирования горения при впрыске восстановительного газа. Моделирование показало, что использование двух впрыскных ланз дает лучшие условия горения и более высокие скорости впрыска по сравнению с одной ланзой. Результаты:

• Одна ланза: (i) сильно неоднородное распределение температуры и скорости, (ii) поток достигает конца горловины с высокой скоростью, (iii) максимальные температуры в конце горловины, (iv) дьюза не перегревается.
• Две ланзы: (i) существенно уменьшается глубина проникновения, (ii) более однородное распределение температуры, скорости и концентрации газа, (iii) более равномерное горение, похожее на впрыск тяжелого мазута, (iv) дьюза не перегревается.

Другие аспекты использования одной или двух ланз:

• При одной ланзе максимальный впрыск — 10 000 нм³/ч. При большем расходе часть газа не сгорает в дьюзе, а попадает в печь несгоревшим.
• При двух ланзах максимум повышается до 15 000 нм³/ч за счет лучших условий горения: ниже входная скорость газа, выше турбулентность в дьюзе, больше контактная площадь с надувом.
• Влияние изменения угла установки ланз на прогнозируемые результаты неочевидно.

Типичная схема дьюзы с ланзами показана на рис. 2. Включает две ланзы для КПГ, вставленные в надувную трубу, надувную трубу и медную дьюзу.