Die Verbrennungswirtschaftlichkeit der Reinigung von CO aus Hochofengas mittels Druckwechseladsorption

Zusammenfassung: Aufgrund seines niedrigen Heizwerts und der geringen Verbrennungseffizienz wird in China viel Hochofengas (BFG) verschwendet. In diesem Artikel wurde die Druckwechseladsorptionstechnologie (PSA) zur Reinigung von BFG eingesetzt, wodurch Heizwert und Verbrennungseffizienz erheblich verbessert werden können. Die technische Machbarkeit, die Verbrennungseffizienz und die technisch-wirtschaftliche Analyse zeigten, dass mittels PSA gereinigtes BFG der effektivste Weg zur Energieeinsparung ist und ein breites Anwendungspotenzial hat.

Schlüsselwörter: Hochofengas, Druckwechseladsorption, Verbrennungswirtschaftlichkeit

1. Einleitung

Hochofengas (BFG) ist ein Nebenprodukt des Hochofenprozesses zur Roheisenerzeugung, und seine Emission nimmt den höchsten Anteil am Nebengas der Stahlindustrie ein. Es besteht hauptsächlich aus N₂, CO, CO₂, H₂, CH₄, usw., mit der spezifischen Zusammensetzung gemäß Tabelle 1. Da der Heizwert von Hochofengas in der Regel nur etwa 3.000-3.800 kJ/Nm³beträgt, kann es die Anforderungen der theoretischen Verbrennungstemperatur von Industrieöfen an den Heizwert nicht erfüllen. Die meisten Stahlwerke haben einen Überschuss an Hochofengas; es gibt in unterschiedlichem Maße Emissionsphänomene, was zu Umweltverschmutzung und Energieverschwendung führt.

In den letzten Jahren ist die Emission von Hochofengas durch Unternehmen aufgrund der nationalen Aufmerksamkeit für Energiespartechnologien in Eisen- und Stahlunternehmen zurückgegangen. Die Hauptnutzungsweise von Hochofengas ist die Verbrennung, mit den Hauptanwendungen: 1) direkte Nutzung im Heißwindofen; 2) direkte Nutzung in der komplexen Wärmekoksofenanlage; 3) gemischte Nutzung mit Gasen hohen Heizwerts im Erwärmungsofen und Tiefofen; 4) Nutzung der regenerativen Verbrennungstechnologie im Walzwerksofen; 5) Kesselerzeugung mit reinem BFG; 6) Kombikraftwerk (GuD) mit Gasturbine und Dampfturbine mit Hochofengas als Hauptbrennstoff.

Tabelle 1 Hauptbestandteile des üblichen Hochofengases

Wenn die wirksame Komponente CO des Hochofengases konzentriert und genutzt werden kann, kann dies nicht nur die Emissionsrate erheblich senken, sondern auch Brennstoffkosten sparen und sogar Rohstoffe für chemische Produkte liefern. Wenn CO auf 65%-70% konzentriert wird, kann der Brennwert bis zu 8.200-9.000 kJ/Nm³betragen, und das Produktgas kann direkt als Brennstoff mit hohem Heizwert verbrannt werden^[1], oder als Reduktionsgas für die Hochofeneinblasung verwendet werden^[2]. Wenn CO auf 98,5% oder mehr konzentriert wird, kann das hochreine CO-Produktgas weiter für die Herstellung von chemischen Produkten mit hohem Mehrwert genutzt werden^[3].

2. Reinigung des Hochofengases der Hengyang Steel mittels PSA

Die Hengyang Valin Steel Pipe Co., Ltd. (im Folgenden "Hengyang Steel" genannt) ist ein spezialisierter Hersteller von nahtlosen Stahlrohren mit einer Produktionskapazität von jährlich 1 Million Tonnen Roheisen, 1,2 Millionen Tonnen Stahl und 1,5 Millionen Tonnen Rohren. Die jährliche BFG-Produktion beträgt etwa 21×10⁸m³, hauptsächlich für den Heißwindofen (ca. 35%), den Sinterofen (ca. 2%), gemischt mit Erdgas für den Walzofen (ca. 38%), und der größte Teil des Restes wird emittiert; die höchste BFG-Emissionsrate beträgt bis zu 29%, und die niedrigste kann nur auf etwa 23% reduziert werden^[4]. Um den Bedarf an Brennstoffen mit hohem Heizwert zu decken, muss Hengyang Steel Gas kaufen und mit Hochofengas mischen, um den Heizwert des Hochofengases für die Verwendung im Walzwerks-Erwärmungsofen zu verbessern. Dies hat zu einem ernsthaften Widerspruch zwischen dem großen Bedarf von Hengyang Steel an Gas mit hohem Heizwert und der fehlenden effektiven Nutzung von Gas mit niedrigem Heizwert geführt. Die Reinigung von BFG zur Gewinnung von Gas mit hohem Heizwert wurde zur klugen Wahl für die Energieeffizienz von Hengyang Steel.

Im Jahr 2012 einigten sich die Beijing Peking University Pioneer Technology Co., Ltd. ("PIONEER") und Valin Hengyang Steel auf die Planung und den Bau einer Anlage zur CO-Reinigung von Hochofengas. Derzeit ist die Anlage erfolgreich in Betrieb, mit stabilem Betrieb, ausgezeichneten Kennzahlen, einem durchschnittlichen Rohgasverbrauch von 60.000 Nm³/h, einem durchschnittlichen Produktgasvolumen von 18.000 Nm³/h und einer CO-Ausbeute von etwa 93%. Die Konzentration von CO im Produktgas kann je nach Bedarf im Bereich von 60% bis 70% eingestellt werden. Das Produktgas kann den Bedarf der nachgelagerten Anwender von Hengyang Steel an Heizwert vollständig decken, und die Wirkung von Energieeinsparung und Einkommenssteigerung ist bemerkenswert. Die durchschnittliche Gaszusammensetzung und das Gasvolumen der Anlage sind in Tabelle 2 dargestellt.

Tabelle 2 Durchschnittliche Gaszusammensetzung und Gasvolumen

3. Wirtschaftlichkeitsanalyse3.1 Kostenrechnung

Die Kosten für den Einsatz der PSA-CO-Anlage zur Reinigung von Hochofengas sind das wichtigste Thema für die Anwender. Die Kosten für PSA-CO-Produktgas umfassen Fixkosten und variable Kosten. Berechnet nach einem BFG-Einspeisegaspreis von 0,04 RMB pro Kubikmeter, einem Produktgasvolumen von 18000 Nm³/h, Anlagenauslegungsbetriebsdauer von 10 Jahren und jährlicher Kapazitätsauslastung von 94%. Die Ergebnisse der Fixkostenberechnung für PSA-CO-Produktgas sind in Tabelle 3 aufgeführt, die variablen Kosten in Tabelle 4. Die Gesamtkosten des Produktgases belaufen sich auf etwa 0,5225 RMB/Nm³. Wenn die Kosten des BFG-Rohgases nicht berücksichtigt werden, betragen die Gesamtkosten des PSA-CO-Produktgases 0,3921 RMB/Nm³.

Tabelle 3 Fixkostenrechnung pro Kubikmeter Produktgas

Tabelle 4 Verbrauch und Betriebskosten pro Kubikmeter Produktgas

3.2 Verbrennungswirtschaftlichkeitsanalyse

Da Hochofengas und Produktgas nach der Anreicherung als Brennstoff für die Verbrennung verwendet werden, ist deren verbrennungswirtschaftliche Analyse unerlässlich. Verbrennungsdaten von 60,000 Nm³/h Hochofengas mit einer CO-Konzentration von 22,4% und Verbrennungsdaten von 18,000 Nm³/h CO-reichem Produktgas mit einer Konzentration von 70% sind in Tabelle 5. Berechnungsgrundlage in Tabelle 5 sind die folgenden drei Randbedingungen: 1) Annahme, dass beide Gase unter adiabaten Bedingungen vollständig verbrannt werden und derselbe Verbrennungsofen verwendet wird; 2) Annahme, dass die beiden Gase trockene Gase und die Luft trockene Luft ist; 3) Der Gehalt jeder Komponente des Hochofengases und des CO-reichen Produktgases wird gemäß den Daten in Tabelle 2 berechnet, die Sauerstoffmenge beträgt ungefähr null.

Tabelle 5 Berechnung des Verbrennungsprozesses von Hochofengas und PSA-CO-Produktgas

Anmerkung:H_i:niedriger Heizwert einer brennbaren Komponente im Gas, kJ/Nm³, CO: 12640 kJ/m³, H₂: 18790 kJ/m³, CH₄: 35880 kJ/m³;

r_i:Volumenprozentsatz einer brennbaren Komponente im Gas

x_i:Volumenprozentsatz einer brennbaren Komponente im Rauchgas

V_i:Volumen einer Komponente, die durch vollständige Verbrennung von trockenem Gas pro Zeiteinheit entsteht, Nm³/h;

c_i,c_g,c_a:Durchschnittliche volumetrische Wärmekapazität eines Komponentengases, Gases, Luft bei 0-t_f℃, 0-t_g℃, 0-t_a℃, kJ/(Nm³·K), die Daten können der Tabelle entnommen werden;

T_f,T_g,T_a:Absolute Temperatur K von Rauch, Gas und Luft, jeweils 423 K, 313 K, 313 K;

Q₄:Kalorien kJ/h, verbraucht durch CO₂und H₂O im Rauchgas durch Zersetzung bei hoher Temperatur, die Daten können der Tabelle entnommen werden

Die Berechnungsergebnisse des Verbrennungsprozesses in Tabelle 5 zeigen, dass der Heizwert des Hochofengases 3199 kJ/Nm beträgt³, die theoretische Verbrennungstemperatur beträgt nur 1.315 °C; der Heizwert des CO-reichen Produktgases beträgt 8.970 kJ/Nm³, und die theoretische Verbrennungstemperatur erreicht 2.095 °C, erfüllt die Anforderungen des Industrieofens der Hengyang Steel an Brennstoff und kann direkt zur Verbrennung verwendet werden.

Durch den Vergleich der bei der Verbrennung von 60.000 Nm³/h Hochofengas und 18.000 Nm³/h CO-reichem Produktgas zeigt sich, dass aufgrund der Ausbeute an CO nach der Reinigung von etwa 93 % und teilweisem CH₄und H₂verloren geht, beträgt die bei der Verbrennung des Produktgases erzeugte Wärme etwa 84 % der des Hochofengases. Der Vergleich der Wärmeabfuhr aus der Verbrennung der beiden Rauchgase zeigt, dass bei einer Abgastemperatur von 150 °C die Abgasverlustrate bei der Verbrennung von CO-reichen Produkten 16,3 % beträgt, deutlich niedriger als die Abgasverlustrate von 27,5 % bei Hochofengas (siehe Abbildung 1), und die Verbrennungseffizienz hat sich deutlich verbessert.

Basierend auf der obigen Berechnungsanalyse hat CO-reiches Produktgas einen höheren Heizwert, eine höhere theoretische Verbrennungstemperatur und eine höhere Verbrennungseffizienz als Kohleöfen, daher weist es eine bessere Verbrennungswirtschaftlichkeit auf.

Abbildung 1 Abgaswärmeverlust von Hochofengas und PSA-CO-Produkten

3.3 Nutzenanalyse

Nach Abschluss des Projekts Ende 2013 überträgt Hengyang Steel 18.000 Nm³/h von 70 % CO-Produkt, gereinigt aus etwa 60.000 Nm³/h Hochofengas direkt in den Ofen zur Nutzung. Das Erdgasäquivalent des PSA-CO-Produkts kann anhand der Verbrennungskalorien geschätzt werden. Basierend auf den Gesamtkosten des PSA-CO-Produktgases und den regionalen Gaspreisen der Hengyang Steel kann die Höhe der jährlichen Einnahmen der Reinigungsanlage berechnet werden; die Ergebnisse sind in Tabelle 6 unten dargestellt.

Tabelle 6 Erdgasäquivalent und wirtschaftlicher Nutzen des PSA-CO-Produktgases

Aus Tabelle 6 ist ersichtlich, dass PSA-CO-Produkt etwa 4.537 Nm³Erdgas pro Stunde ersetzen kann, die jährliche Substitutionsmenge erreicht 3.974×10⁴Nm³, was etwa einem Drittel des ursprünglichen Erdgasverbrauchs der Hengyang Steel entspricht, was die angespannte Nachfrage der Hengyang Steel nach Erdgas weitgehend verringern und ausgleichen wird. Gemäß den tatsächlichen Betriebsbedingungen kann das Projekt nach Abzug der Gesamtkosten der Anlage direkt Einnahmen von etwa 29,46 Millionen RMB pro Jahr für Hengyang Steel generieren.

4. Ausblick

Die von PIONEER entwickelte BFG-Reinigungstechnologie (Konzentration) hat das Problem der Hochofengasemission gelöst, das die chinesische Stahlindustrie schon immer beschäftigt hat, den Energieabfall erheblich reduziert und bedeutende wirtschaftliche Vorteile für Unternehmen geschaffen. CO-Produkt, das auf etwa 70 % angereichert ist, kann als Brenngas oder Reduktionsgas mit hohem Heizwert verwendet werden, um den Einsatz von Kohle, Erdgas oder Kohle und Koks zu reduzieren; CO, das auf über 98,5 % angereichert ist, kann weiterhin in der chemischen Produktion verwendet werden, zur Synthese von Ethylenglykol, Dimethylcarbonat, Essigsäure, Methanol, TDI, DMF und ähnlichen Stoffen. Diese Technologie eignet sich sehr gut für die Emission von Hochofengas und für Stahlunternehmen mit knapper Versorgung mit Erdgas, Flüssiggas und anderen Energieträgern; insbesondere in der heutigen Zeit des intensiven Wettbewerbs auf dem Stahlmarkt und der zunehmenden Umweltprobleme hat sie wichtige soziale und wirtschaftliche Vorteile.

Referenz

1 Geng Yunfeng et al. Ein Hochofen-Eisenherstellungsverfahren: CN 101463398 A

2 Geng Yunfeng et al. Ein Verfahren zur Anreicherung von Hochofengas: CN102643681A

3 Tang Hongqing, Einführung in die neue chemische Technologie: Kohlenstoff, Peking: Chemical Industry Press, 2009

4 Zhou Weihan et al., Analyse des Ist-Zustands und Maßnahmen zur Nutzung von Hochofengas bei Hengyang Steel, Nationale Konferenz für Energie- und Wärmetechnik – 2010