La economía de combustión de la purificación de CO del gas de alto horno mediante adsorción por oscilación de presión

Resumen: Debido a su bajo poder calorífico y eficiencia de combustión, una gran cantidad de gas de alto horno (BFG) se desperdicia en China. En este artículo, se aplicó la tecnología de adsorción por oscilación de presión (PSA) para purificar el BFG, lo que puede mejorar significativamente el poder calorífico y la eficiencia de combustión. El análisis de viabilidad técnica, eficiencia de combustión y economía de ingeniería mostró que el BFG purificado por PSA era la forma más efectiva de ahorro de energía y tenía una amplia perspectiva de aplicación.

Palabras clave: Gas de alto horno, Adsorción por oscilación de presión, Economía de combustión.

1. Introducción

El gas de alto horno (BFG) es un subproducto del proceso de fabricación de arrabio en altos hornos, y su emisión ocupa la mayor proporción en el gas subproducto de la industria siderúrgica. Consiste principalmente en N₂, CO, CO₂, H₂, CH₄, etc., con la composición específica que se muestra en la Tabla 1. Debido a que el poder calorífico del gas de alto horno generalmente es solo de aproximadamente 3000-3800 kJ/Nm³, no puede cumplir con el requisito de temperatura de combustión teórica del horno industrial en cuanto al poder calorífico. La mayoría de las plantas siderúrgicas tienen excedentes de gas de alto horno; existen diferentes grados de fenómenos de emisión, lo que resulta en contaminación ambiental y desperdicio de energía.

En los últimos años, debido a la atención nacional a la tecnología de ahorro de energía de las empresas siderúrgicas, las emisiones de gas de alto horno de las empresas han disminuido. La forma de uso del gas de alto horno es principalmente la combustión; los usos principales son: 1) uso directo en el calentador de aire; 2) uso directo en el horno de coque térmico complejo; 3) uso mixto con gas de alto poder calorífico en el horno de calentamiento y el foso de remojo; 4) uso de tecnología de combustión regenerativa en el horno de laminación; 5) generación de calderas de BFG puro; 6) central eléctrica de ciclo combinado (CCPP) de turbina de gas y turbina de vapor con gas de alto horno como combustible principal.

Tabla 1 Componentes principales del gas de alto horno comúngas de alto horno

Si el componente efectivo CO del gas de alto horno puede concentrarse y utilizarse, no solo puede reducir en gran medida la tasa de emisión, sino que también ahorrará el costo del combustible e incluso proporcionará materias primas para productos químicos. Cuando el CO se concentra al 65%-70%, el valor del combustible puede alcanzar hasta 8200-9000 kJ/Nm³, y el gas producto puede quemarse directamente como combustible de alto poder calorífico^[1], o utilizarse como gas reductor para la inyección en altos hornos^[2]. Cuando el CO se concentra al 98,5% o más, el gas producto de CO de alta pureza puede utilizarse además para la producción de productos químicos de alto valor añadido^[3].

2. Purificación del gas de alto horno de Hengyang Steel mediante PSA

Hengyang Valin Steel Pipe Co., Ltd. (en adelante, "Hengyang Steel") es un fabricante especializado de tubos de acero sin costura con⁸m³, principalmente para estufa de aire caliente (aproximadamente 35%), horno de sinterización (aproximadamente 2%), mezclado con gas natural para horno de laminación (aproximadamente 38%), y la mayor parte del resto se emite; la tasa de emisión más alta de GAS (BFG) es de hasta 29%, y la más baja solo puede reducirse a aproximadamente 23%^[4]. Para satisfacer las necesidades de combustibles con alto poder calorífico, Hengyang Steel necesita comprar gas y mezclarlo con gas de alto horno, para mejorar el poder calorífico del gas de alto horno, para su uso en el horno de calentamiento de laminación de acero. Esto ha resultado en una grave contradicción entre la gran demanda de gas con alto poder calorífico de Hengyang Steel y la falta de utilización efectiva del gas con bajo poder calorífico. Purificar el GAS (BFG) para obtener gas de alto poder calorífico se ha convertido en una opción inteligente para la eficiencia energética de Hengyang Steel.

En 2012, Beijing Peking University Pioneer Technology Co., Ltd. (“PIONEER”) y Valin Hengyang Steel alcanzaron un acuerdo de cooperación para el diseño y construcción de la planta de purificación de CO de gas de alto horno, actualmente la planta ha sido puesta en operación exitosamente, con operación estable, excelentes indicadores, consumo promedio de gas bruto que alcanza los 60,000 Nm³/h, volumen promedio de gas producto de 18,000 Nm³/h, y un rendimiento de CO de aproximadamente 93%. La concentración de CO en el gas producto se puede ajustar en el rango de 60% a 70% según sea necesario, el gas producto puede satisfacer completamente las necesidades de poder calorífico de los usuarios posteriores de Hengyang Steel, y el efecto de ahorro de energía y aumento de ingresos es notable. La composición promedio del gas y el volumen de gas de la planta se muestran en la Tabla 2.

Tabla 2 Composición promedio del gas y volumen de gas

3. Análisis de beneficio económico3.1 Costeo

El costo de usar el dispositivo PSA-CO para purificar el gas de alto horno es el tema más importante para los usuarios. Los costos del gas producto PSA-CO incluyen costos fijos y costos variables. Calculado según el precio del gas de alimentación BFG de RMB0.04 por metro cúbico, volumen de gas producto de 18000 Nm³/h, período de operación diseñado de la planta de 10 años, y tasa de utilización de capacidad anual del 94%, los resultados del cálculo de costos fijos del gas producto PSA-CO se enumeran en la Tabla 3, los costos variables se muestran en la Tabla 4, los costos totales del gas producto ascienden aproximadamente a RMB0.5225/Nm³. Si no se cuenta el costo del gas bruto BFG, entonces el costo total del gas producto PSA-CO es de RMB0.3921/Nm³.

Tabla 3 Costeo fijo por metro cúbico de gas producto

Tabla 4 Consumo y costos operativos por metro cúbico de gas producto

3.2 Análisis de economía de combustión

Debido a que el gas de alto horno y el gas producto después de la concentración se utilizan como combustible para la combustión, su análisis de economía de combustión es esencial. Datos³/h gas de alto horno con concentración de CO del 22,4 % y datos de combustión de 18 000 Nm³/h de gas rico en CO con concentración del 70 % se encuentran en la Tabla 5. La base de cálculo en la Tabla 5 son las siguientes tres condiciones restrictivas: 1) suponiendo que ambos gases se queman completamente en condiciones adiabáticas y utilizando el mismo horno de combustión; 2) suponiendo que los dos gases son gases secos y el aire es aire seco; 3) el contenido de cada componente del gas de alto horno y del gas rico en CO se calcula de acuerdo con los datos de la Tabla 2, la cantidad de oxígeno es aproximadamente cero.

Tabla 5 Cálculo del proceso de combustión del gas de alto horno y del gas producto PSA-CO

Nota:H_i:bajo poder calorífico de un componente combustible en el gas, kJ/Nm³, CO: 12640 kJ/m³, H₂: 18790 kJ/m³, CH₄: 35880 kJ/m³;

r_i:Porcentaje volumétrico de un componente combustible en el gas;

x_i:Porcentaje volumétrico de un componente combustible en el gas de combustión;

V_i:Volumen de un componente producido por la combustión completa de gas seco por unidad de tiempo, Nm³/h;

c_i,c_g,c_a:Capacidad calorífica volumétrica media de un gas componente, gas, aire a 0-t_f℃, 0-t_g℃, 0-t_a℃, kJ/(Nm³·K), los datos se pueden obtener de la tabla;

T_f,T_g,T_a:Temperatura absoluta K del humo, gas y aire, respectivamente, 423 K, 313 K, 313 K;

Q₄:Calorías kJ/h consumidas por CO₂y H₂O en el gas de combustión mediante descomposición a alta temperatura, los datos se pueden obtener de la tabla

Los resultados del cálculo del proceso de combustión en la Tabla 5 muestran que el poder calorífico del gas de alto horno es de 3199 kJ/Nm³, la temperatura de combustión teórica es solo de 1 315 °C; el poder calorífico del gas rico en CO es de 8 970 kJ/Nm³, y la temperatura de combustión teórica alcanza los 2 095 °C, cumpliendo con los requisitos de combustible de los hornos industriales de Hengyang Steel, y se puede usar directamente para la combustión.

Se puede observar mediante la comparación del calor producido por la combustión de 60 000 Nm³/h de gas de alto horno y 18 000 Nm³/h de gas rico en CO, debido a que el rendimiento de CO después de la purificación es aproximadamente del 93 %, y parte del CH₄y H₂se perderá, por lo que el calor generado por la combustión del gas producto es aproximadamente el 84 % del del gas de alto horno; la comparación del calor de salida de la combustión de los dos gases de combustión muestra que, cuando la temperatura de los gases de escape es de 150 °C, la tasa de pérdida de gases de escape por la combustión de productos ricos en CO es del 16,3 %, significativamente menor que la tasa de pérdida de gases de escape del 27,5 % del gas de alto horno (ver Figura 1), y la eficiencia de combustión ha mejorado significativamente.

Con base en el análisis de cálculo anterior, el gas rico en CO tiene un poder calorífico, una temperatura de combustión teórica y una eficiencia de combustión más altos que el horno de carbón, por lo que tiene una mejor economía de combustión.

Figura 1 Pérdida de calor de los gases de combustión del gas de alto horno y los productos PSA-CO

3.3 Análisis de beneficios

Tras la finalización del proyecto a finales de 2013, Hengyang Steel transmite 18000 Nm³/h de un producto de CO al 70% purificado a partir de aproximadamente 60000 Nm³/h de gas de alto horno directamente al horno para su uso. El equivalente en gas natural del producto PSA-CO se puede estimar según las calorías de combustión. Basándose en el costo total del gas producto PSA-CO y los precios regionales del gas de Hengyang Steel, se puede calcular el ingreso anual de la planta de purificación; los resultados se muestran en la siguiente Tabla 6.

Tabla 6 Equivalente en gas natural y beneficio económico del gas producto PSA-CO

De la Tabla 6 se obtiene que el producto PSA-CO puede reemplazar aproximadamente 4537 Nm³de gas natural por hora, y el volumen anual de sustitución alcanza 3974 × 10⁴Nm³, equivalente a aproximadamente un tercio del consumo original de gas natural de Hengyang Steel, lo que aliviará y equilibrará en gran medida la demanda ajustada de gas natural de Hengyang Steel. Según las condiciones operativas reales, después de deducir el costo total del dispositivo, el proyecto puede generar directamente ingresos de aproximadamente 29.46 millones de RMB para Hengyang Steel cada año.

4. Perspectivas

La tecnología de purificación (concentración) de GAF desarrollada por PIONEER ha resuelto el problema de la emisión de gas de alto horno que siempre ha afectado a la industria siderúrgica de China, reduciendo significativamente el desperdicio de energía y creando importantes beneficios económicos para las empresas. El producto de CO enriquecido hasta aproximadamente el 70% puede utilizarse como gas de combustión o gas reductor de alto poder calorífico, para reducir el uso de carbón, gas natural o carbón y coque; el CO enriquecido a más del 98.5% puede utilizarse adicionalmente en la producción química, para la síntesis de etilenglicol, carbonato de dimetilo, ácido acético, metanol, TDI, DMF y similares. Esta tecnología es muy adecuada para la emisión de gas de alto horno y para empresas siderúrgicas con suministro ajustado de gas natural, gas licuado de petróleo y otras energías; especialmente hoy en día, con la feroz competencia en el mercado del acero y los crecientes problemas ambientales, tiene importantes beneficios sociales y económicos.

Referencias

1 Geng Yunfeng, et al. Un método de fabricación de hierro en alto horno: CN 101463398 A

2 Geng Yunfeng, et al. Un proceso de enriquecimiento de gas de alto horno: CN102643681A

3 Tang Hongqing, Introducción de carbono - Nueva tecnología química, Pekín: Chemical Industry Press, 2009

4 Zhou Weihan, et al, Análisis de la situación actual y contramedidas del uso del gas de alto horno en Hengyang Steel, Conferencia Académica Nacional de Energía e Ingeniería Térmica 2010