اقتصاديات احتراق تنقية أول أكسيد الكربون من غاز الفرن العالي بواسطة امتزاز التأرجح بالضغط

الملخص: نظرًا لقيمته الحرارية المنخفضة وكفاءة احتراقه، يُهدر الكثير من غاز الفرن العالي (BFG) في الصين. في هذه الورقة، تم تطبيق تقنية امتزاز التأرجح بالضغط (PSA) لتنقية غاز الفرن العالي، مما يمكن أن يحسن القيمة الحرارية وكفاءة الاحتراق بشكل كبير. أظهر التحليل الفني للجدوى وكفاءة الاحتراق والهندسة الاقتصادية أن غاز الفرن العالي المنقى بواسطة PSA هو الطريقة الأكثر فعالية لتوفير الطاقة وله آفاق تطبيق واسعة.

الكلمات المفتاحية: غاز الفرن العالي، امتزاز التأرجح بالضغط، اقتصاديات الاحتراق.

1. مقدمة

غاز الفرن العالي (BFG) هو منتج ثانوي لعملية صنع الحديد في الفرن العالي، ويشكل انبعاثه أعلى نسبة في الغاز الثانوي لصناعة الصلب. يتكون بشكل أساسي من N₂، CO، CO₂H₂CH₄، إلخ، مع التركيبة المحددة كما هو موضح في الجدول 1. نظرًا لأن القيمة الحرارية لغاز الفرن العالي تتراوح عمومًا فقط حوالي 3,000-3,800 كيلوجول/نانومتر مكعب³، فإنه لا يمكنه تلبية متطلبات درجة حرارة الاحتراق النظرية للفرن الصناعي من حيث القيمة الحرارية. معظم مصانع الصلب لديها فائض في غاز الفرن العالي؛ وهناك درجات متفاوتة من ظاهرة الانبعاث، مما يؤدي إلى تلوث بيئي وهدر للطاقة.

في السنوات الأخيرة، بسبب الاهتمام الوطني بتقنيات توفير الطاقة في شركات الحديد والصلب، انخفض انبعاث غاز الفرن العالي من الشركات. طريقة استخدام غاز الفرن العالي هي بشكل رئيسي الحرق، والاستخدامات الرئيسية هي: 1) الاستخدام المباشر في موقد الهواء الساخن؛ 2) الاستخدام المباشر في فرن فحم الكوك الحراري المعقد؛ 3) الاستخدام المختلط مع غاز عالي القيمة الحرارية في فرن التسخين وحفرة النقع؛ 4) استخدام تقنية الاحتراق المتجدد في فرن مطحنة الدرفلة؛ 5) توليد البخار من المرجل باستخدام غاز الفرن العالي النقي؛ 6) محطة الطاقة ذات الدورة المركبة (CCPP) للتوربين الغازي والتوربين البخاري باستخدام غاز الفرن العالي كوقود رئيسي.

الجدول 1 المكونات الرئيسية للغاز العادي العادمغاز الفرن العالي

إذا تم تركيز واستخدام المكون الفعال أول أكسيد الكربون من غاز الفرن العالي، فإنه لا يقلل بشكل كبير من معدل الانبعاث فحسب، بل سيوفر أيضًا تكلفة الوقود، بل وقد يوفر مواد خام للمنتجات الكيميائية. عندما يتركز أول أكسيد الكربون إلى 65%-70%، يمكن أن تصل قيمة الوقود إلى 8,200-9,000 كيلوجول/نانومتر³، ويمكن حرق غاز المنتج مباشرة كوقود ذي قيمة حرارية عالية^[1]، أو استخدامه كغاز مختزل في حقن الفرن العالي^[2]. عندما يتركز أول أكسيد الكربون إلى 98.5% أو أكثر، يمكن استخدام غاز منتج أول أكسيد الكربون عالي النقاء لإنتاج منتجات كيميائية عالية القيمة المضافة^[3].

2. تنقية غاز الفرن العالي لشركة هنغيانغ للصلب بواسطة الامتزاز بالتناوب الضغطي

شركة هنغيانغ فالين للأنابيب الفولاذية المحدودة (يشار إليها فيما بعد باسم "شركة هنغيانغ للصلب") هي شركة متخصصة في تصنيع الأنابيب الفولاذية غير الملحومة بطاقة إنتاجية سنوية تبلغ مليون طن من الحديد، و1.2 مليون طن من الصلب، و1.5 مليون طن من الأنابيب. يبلغ الإنتاج السنوي لغاز الفرن العالي حوالي 21×10⁸م³، ويستخدم بشكل أساسي في فرن الهواء الساخن (حوالي 35%)، وفرن التلبيد (حوالي 2%)، وممزوجًا بالغاز الطبيعي لفرن الدرفلة (حوالي 38%)، ويتم إطلاق معظم الباقي؛ أعلى معدل انبعاث لغاز الفرن العالي يصل إلى 29%، وأقل معدل يمكن خفضه إلى حوالي 23%^[4]. لتلبية احتياجات الوقود ذي القيمة الحرارية العالية، تحتاج شركة هنغيانغ للصلب إلى شراء الغاز، ومزجه مع غاز الفرن العالي لتحسين قيمته الحرارية لاستخدامه في فرن تسخين درفلة الصلب. وقد أدى ذلك إلى تناقض حاد بين طلب شركة هنغيانغ الكبير على الغاز عالي القيمة الحرارية وعدم القدرة على الاستفادة الفعالة من الغاز منخفض القيمة الحرارية. أصبح تنقية غاز الفرن العالي للحصول على غاز عالي القيمة الحرارية خيارًا حكيمًا لكفاءة الطاقة في شركة هنغيانغ للصلب.

في عام 2012، توصلت شركة بكين بيكينغ يونيفرسيتي بايونير للتكنولوجيا المحدودة ("بايونير") وشركة فالين هنغيانغ للصلب إلى اتفاقية تعاون لتصميم وبناء محطة تنقية أول أكسيد الكربون من غاز الفرن العالي، وقد تم تشغيل المحطة بنجاح حاليًا، مع تشغيل مستقر ومؤشرات ممتازة، حيث يبلغ متوسط استهلاك الغاز الخام 60,000 نانومتر³/ساعة، ومتوسط حجم غاز المنتج 18,000 نانومتر³/ساعة، وعائد أول أكسيد الكربون حوالي 93%. يمكن ضبط تركيز أول أكسيد الكربون في غاز المنتج في نطاق 60% إلى 70% حسب الحاجة، ويمكن لغاز المنتج تلبية احتياجات المستخدمين النهائيين لشركة هنغيانغ للصلب من القيمة الحرارية بشكل كامل، مع تأثير ملحوظ في توفير الطاقة وزيادة الدخل. متوسط تكوين الغاز وحجم الغاز للمحطة كما هو موضح في الجدول 2.

الجدول 2 متوسط تكوين الغاز وحجم الغاز

3. تحليل الفوائد الاقتصادية 3.1 حساب التكاليف

تكلفة استخدام جهاز PSA-CO لتنقية غاز الفرن العالي هي القضية الأكثر أهمية للمستخدمين. تشمل تكاليف غاز منتج PSA-CO التكاليف الثابتة والتكاليف المتغيرة. وفقًا لسعر غاز تغذية غاز الفرن العالي البالغ 0.04 يوان صيني لكل متر مكعب، وحجم غاز المنتج 18,000 نانومتر³/ساعة، وفترة تشغيل المحطة التصميمية 10 سنوات، ومعدل استخدام السعة السنوية 94%، تم إدراج نتائج حساب التكاليف الثابتة لغاز منتج PSA-CO في الجدول 3، والتكاليف المتغيرة في الجدول 4، وتبلغ التكاليف الإجمالية لغاز المنتج حوالي 0.5225 يوان صيني/نانومتر³. إذا لم يتم احتساب تكلفة غاز تغذية غاز الفرن العالي، فإن التكلفة الإجمالية لغاز منتج PSA-CO تبلغ 0.3921 يوان صيني/نانومتر³.

الجدول 3 حساب التكاليف الثابتة لوحدة المتر المكعب من غاز المنتج

الجدول 4 استهلاك وتكاليف تشغيل وحدة المتر المكعب من غاز المنتج

3.2 تحليل الاقتصاد الحراري للاحتراق

نظرًا لأن غاز الفرن العالي وغاز المنتج بعد التركيز يستخدمان كوقود للاحتراق، فإن تحليل الاقتصاد الحراري للاحتراق لهما ضروري. بيانات احتراق 60,000 نانومتر³/ساعة من غاز الفرن العالي بتركيز أول أكسيد الكربون 22.4% وبيانات احتراق 18,000 نانومتر³/ساعة من غاز المنتج الغني بأول أكسيد الكربون بتركيز 70% موجودة في الجدول 5. أساس الحساب في الجدول 5 هو الشروط الثلاثة التالية: 1) افتراض أن كلا الغازين يحترقان تمامًا في ظل ظروف ثابتة الحرارة، وباستخدام نفس فرن الاحتراق؛ 2) افتراض أن كلا الغازين جافان، والهواء جاف؛ 3) يتم حساب محتوى كل مكون من غاز الفرن العالي وغاز المنتج الغني بأول أكسيد الكربون وفقًا للبيانات الواردة في الجدول 2، وكمية الأكسجين تقارب الصفر.

الجدول 5 حساب عملية احتراق غاز الفرن العالي وغاز منتج PSA-CO

ملاحظة:ح_ط: القيمة الحرارية المنخفضة لمكون قابل للاحتراق في الغاز، كيلوجول/نانومتر³، أول أكسيد الكربون: 12640 كيلوجول/م³H₂: 18790 كيلوجول/م³CH₄: 35880 كيلوجول/م³;

ص_ط: النسبة المئوية الحجمية لمكون قابل للاحتراق في الغاز؛

س_ط: النسبة المئوية الحجمية لمكون قابل للاحتراق في غاز المداخن؛

الخامس_ط: حجم المكون الناتج عن الاحتراق الكامل للغاز الجاف لكل وحدة زمنية، نانومتر³/ساعة؛

ج_ط,ج_ز,ج_ا: متوسط السعة الحرارية الحجمية لمكون غاز، غاز، هواء عند 0-ر_ودرجة مئوية، 0-ر_زدرجة مئوية، 0-ر_ادرجة مئوية، كيلوجول/(نانومتر³·كلفن)، يمكن الحصول على البيانات من الجدول؛

ت_و,ت_ز,ت_ا: درجة الحرارة المطلقة بالكلفن للدخان والغاز والهواء، على التوالي، 423 كلفن، 313 كلفن، 313 كلفن؛

س₄:الطاقة المقاسة بـ كيلوجول/ساعة التي يستهلكها أول أكسيد الكربون₂وثاني أكسيد الكربون₂في غاز المداخن من خلال التحلل عند درجات الحرارة العالية، ويمكن الحصول على هذه البيانات من الجدول

تُظهر نتائج حسابات عملية الاحتراق في الجدول 5 أن القيمة الحرارية لغاز الفرن العالي تبلغ 3199 كيلوجول/نيوتن متر مكعب³، ودرجة حرارة الاحتراق النظرية تبلغ فقط 1,315 درجة مئوية؛ بينما تبلغ القيمة الحرارية لغاز المنتج الغني بأول أكسيد الكربون 8,970 كيلوجول/نيوتن متر مكعب³، وتصل درجة حرارة الاحتراق النظرية إلى 2,095 درجة مئوية، مما يلبي متطلبات أفران شركة هنغيانغ للصلب من الوقود، ويمكن استخدامه مباشرة للاحتراق.

ويمكن ملاحظة ذلك من خلال مقارنة الحرارة الناتجة عن احتراق 60,000 نيوتن متر مكعب³/ساعة من غاز الفرن العالي و 18,000 نيوتن متر مكعب³/ساعة من غاز المنتج الغني بأول أكسيد الكربون، ونظرًا لأن إنتاجية أول أكسيد الكربون بعد التنقية تبلغ حوالي 93%، وسيتم فقدان جزء من الميثان₄وثاني أكسيد الكربون₂، فإن الحرارة الناتجة عن احتراق غاز المنتج تعادل حوالي 84% من حرارة غاز الفرن العالي؛ وتُظهر مقارنة الحرارة الناتجة عن احتراق غازي المداخن أنه عندما تبلغ درجة حرارة غاز العادم 150 درجة مئوية، فإن معدل فقدان غاز العادم الناتج عن احتراق المنتجات الغنية بأول أكسيد الكربون يبلغ 16.3%، وهو أقل بشكل ملحوظ من معدل فقدان غاز العادم البالغ 27.5% لغاز الفرن العالي (انظر الشكل 1)، وقد تحسنت كفاءة الاحتراق بشكل ملحوظ.

بناءً على التحليل الحسابي أعلاه، يتمتع غاز المنتج الغني بأول أكسيد الكربون بقيمة حرارية أعلى ودرجة حرارة احتراق نظرية وكفاءة احتراق أعلى من غاز الفرن، وبالتالي فهو يتمتع باقتصادية احتراق أفضل.

الشكل 1 فقدان حرارة غاز المداخن لغاز الفرن العالي ومنتجات PSA-CO

3.3 تحليل الفوائد

بعد الانتهاء من المشروع بحلول نهاية عام 2013، قامت شركة هنغيانغ للصلب بنقل 18,000 نيوتن متر مكعب³/ساعة من غاز أول أكسيد الكربون بنقاوة 70% والمستخلص من حوالي 60,000 نيوتن متر مكعب³/ساعة من غاز الفرن العالي مباشرة إلى الفرن للاستخدام. يمكن تقدير مكافئ الغاز الطبيعي لمنتج PSA-CO وفقًا للسعرات الحرارية للاحتراق. بناءً على التكلفة الإجمالية لغاز منتج PSA-CO وأسعار الغاز في منطقة شركة هنغيانغ للصلب، يمكن حساب مبلغ الدخل السنوي لمحطة التنقية؛ وتظهر النتائج في الجدول 6 أدناه.

الجدول 6 مكافئ الغاز الطبيعي والفائدة الاقتصادية لغاز منتج PSA-CO

يمكن استنتاج من الجدول 6 أن منتج PSA-CO يمكن أن يحل محل حوالي 4,537 نيوتن متر مكعب³من الغاز الطبيعي في الساعة، ويصل الحجم السنوي المستبدل إلى 3,974×10⁴نيوتن متر مكعب³، وهو ما يعادل حوالي ثلث استهلاك الغاز الطبيعي الأصلي لشركة هنغيانغ للصلب، مما سيخفف ويوازن إلى حد كبير الطلب الشديد على الغاز الطبيعي لشركة هنغيانغ للصلب. وفقًا لظروف التشغيل الفعلية، بعد خصم التكلفة الإجمالية للجهاز، يمكن للمشروع أن يحقق إيرادات مباشرة تبلغ حوالي 29.46 مليون يوان صيني لشركة هنغيانغ للصلب سنويًا.

4. النظرة المستقبلية

لقد حلت تقنية تنقية (تركيز) غاز الفرن العالي التي طورتها شركة PIONEER مشكلة انبعاث غاز الفرن العالي التي طالما أزعجت صناعة الصلب في الصين، مما قلل بشكل كبير من هدر الطاقة، وخلق فوائد اقتصادية كبيرة للمؤسسات. يمكن استخدام غاز أول أكسيد الكربون المركز إلى حوالي 70% كغاز احتراق أو غاز اختزال ذو قيمة حرارية عالية، لتقليل استخدام الفحم أو الغاز الطبيعي أو الفحم وفحم الكوك؛ ويمكن استخدام غاز أول أكسيد الكربون المركز إلى أكثر من 98.5% بشكل أكبر في الإنتاج الكيميائي، لتخليق الإيثيلين جلايكول، ثنائي ميثيل كربونات، حمض الخليك، الميثانول، TDI، DMF وما شابه ذلك. هذه التقنية مناسبة جدًا لانبعاث غاز الفرن العالي، وشركات الصلب التي تعاني من ضعف إمدادات الغاز الطبيعي وغاز البترول المسال وغيرها من مصادر الطاقة؛ خاصة في الوقت الحالي، مع المنافسة الشرسة في سوق الصلب وتزايد المشاكل البيئية، فإن لها فوائد اجتماعية واقتصادية مهمة.

المراجع

1 قنغ يونفنغ، وآخرون. طريقة لصهر الحديد بالفرن العالي: CN 101463398 A

2 قنغ يونفنغ، وآخرون. عملية تركيز غاز الفرن العالي: CN102643681A

3 تانغ هونغتشينغ، مقدمة في تكنولوجيا الكربون الجديدة، بكين: دار الصناعة الكيميائية للنشر، 2009

4 تشو ويخان، وآخرون، تحليل الوضع الحالي واستراتيجيات مواجهة استخدام غاز الفرن العالي في شركة هنغيانغ للصلب، المؤتمر الأكاديمي الوطني للطاقة والهندسة الحرارية – 2010