L'économie de combustion de la purification du CO du gaz de haut fourneau par adsorption à pression alternée

Résumé : En raison de son faible pouvoir calorifique et de son efficacité de combustion, une grande quantité de gaz de haut fourneau (BFG) est gaspillée en Chine. Dans cet article, la technologie d'adsorption à pression alternée (PSA) a été appliquée pour purifier le BFG, ce qui peut améliorer significativement le pouvoir calorifique et l'efficacité de combustion. L'analyse de la faisabilité technique, de l'efficacité de combustion et de l'économie d'ingénierie a montré que le BFG purifié par PSA était le moyen le plus efficace pour économiser l'énergie et avait une large perspective d'application.

Mots-clés : Gaz de haut fourneau, Adsorption à pression alternée, Économie de combustion.

1. Introduction

Le gaz de haut fourneau (BFG) est un sous-produit du processus de fabrication de la fonte en haut fourneau, et son émission occupe la plus grande proportion dans le gaz sous-produit de l'industrie sidérurgique. Il se compose principalement de N₂, CO, CO₂, H₂, CH₄, etc., avec la composition spécifique indiquée dans le Tableau 1. Parce que le pouvoir calorifique du gaz de haut fourneau n'est généralement que d'environ 3 000 à 3 800 kJ/Nm³, il ne peut pas satisfaire aux exigences de température de combustion théorique des fours industriels en matière de pouvoir calorifique. La plupart des aciéries ont un excédent de gaz de haut fourneau ; il existe différents degrés de phénomènes d'émission, entraînant une pollution environnementale et un gaspillage d'énergie.

Ces dernières années, en raison de l'attention nationale portée aux technologies d'économie d'énergie dans les entreprises sidérurgiques, les émissions de gaz de haut fourneau ont diminué. Le mode d'utilisation du gaz de haut fourneau est principalement la combustion, les principales utilisations sont : 1) utilisation directe dans le poêle à chaud ; 2) utilisation directe dans le four à coke thermique complexe ; 3) utilisation mixte avec du gaz à haut pouvoir calorifique dans le four de chauffage et la fosse de trempage ; 4) utilisation de la technologie de combustion régénérative dans le four de laminage ; 5) génération de chaudière à BFG pur ; 6) centrale électrique à cycle combiné (CCPP) de turbine à gaz et turbine à vapeur avec le gaz de haut fourneau comme combustible principal.

Tableau 1 Principaux composants du gaz de haut fourneau courantst furnace gas

Si le composant efficace CO du gaz de haut fourneau peut être concentré et utilisé, cela peut non seulement réduire considérablement le taux d'émission, mais aussi économiser le coût du combustible, et même fournir des matières premières pour les produits chimiques. Lorsque le CO est concentré à 65 %-70 %, la valeur du combustible peut atteindre 8 200-9 000 kJ/Nm³, et le gaz produit peut être directement brûlé comme combustible à haut pouvoir calorifique^[1], ou utilisé comme gaz réducteur pour l'injection dans le haut fourneau^[2]. Lorsque le CO est concentré à 98,5 % ou plus, le gaz produit à haute pureté en CO peut être utilisé pour la production de produits chimiques à haute valeur ajoutée^[3].

2. Purification du gaz de haut fourneau de Hengyang Steel par PSA

Hengyang Valin Steel Pipe Co., Ltd. (ci-après dénommée « Hengyang Steel ») est un fabricant spécialisé de tubes en acier sans soudure avec une capacité de production annuelle de 1 million de tonnes de fer, 1,2 million de tonnes d'acier et 1,5 million de tonnes de tubes. La production annuelle de BFG est d'environ 21×10⁸m³, principalement pour le poêle à chaud (environ 35 %), le four de frittage (environ 2 %), mélangé avec du gaz naturel pour le four de laminage (environ 38 %), et la majeure partie du reste est émise ; le taux d'émission de BFG le plus élevé atteint 29 %, et le plus bas ne peut être réduit qu'à environ 23 %^[4]. Afin de répondre aux besoins en combustibles à haut pouvoir calorifique, Hengyang Steel doit acheter du gaz et le mélanger avec du gaz de haut fourneau, pour améliorer le pouvoir calorifique du gaz de haut fourneau, pour utilisation dans le four de chauffage de laminage. Cela a entraîné une grave contradiction entre la forte demande de gaz à haut pouvoir calorifique de Hengyang Steel et l'incapacité à utiliser efficacement le gaz à faible pouvoir calorifique. Purifier le BFG pour obtenir du gaz à haut pouvoir calorifique est devenu un choix judicieux pour l'efficacité énergétique de Hengyang Steel.

En 2012, Beijing Peking University Pioneer Technology Co., Ltd. (« PIONEER ») et Valin Hengyang Steel ont conclu un accord de coopération pour la conception et la construction d'une usine de purification du CO du gaz de haut fourneau. Actuellement, l'usine a été mise en service avec succès, avec un fonctionnement stable, des indicateurs excellents, une consommation moyenne de gaz brut atteignant 60 000 Nm³/h, un volume moyen de gaz produit de 18 000 Nm³/h, et un rendement en CO d'environ 93 %. La concentration de CO dans le gaz produit peut être ajustée dans la plage de 60 % à 70 % selon les besoins, le gaz produit peut répondre pleinement aux besoins des utilisateurs en aval de Hengyang Steel en matière de pouvoir calorifique, et l'effet d'économie d'énergie et d'augmentation des revenus est remarquable. La composition moyenne du gaz et le volume de gaz de l'usine sont indiqués dans le Tableau 2.

Tableau 2 Composition moyenne du gaz et volume de gaz

3. Analyse des avantages économiques3.1 Calcul des coûts

Le coût d'utilisation du dispositif PSA-CO pour purifier le gaz de haut fourneau est la question la plus importante pour les utilisateurs. Les coûts du gaz produit PSA-CO comprennent les coûts fixes et les coûts variables. Calculés sur la base d'un prix du gaz d'alimentation BFG de 0,04 RMB par mètre cube, d'un volume de gaz produit de 18 000 Nm³/h, d'une période d'exploitation prévue de l'usine de 10 ans et d'un taux d'utilisation annuel de la capacité de 94 %, les résultats du calcul des coûts fixes du gaz produit PSA-CO sont énumérés dans le Tableau 3, les coûts variables sont indiqués dans le Tableau 4, le coût total du gaz produit s'élève à environ 0,5225 RMB/Nm³. Si le coût du gaz brut BFG n'est pas compté, alors le coût total du gaz produit PSA-CO est de 0,3921 RMB/Nm³.

Tableau 3 Coûts fixes du gaz produit par mètre cube unitaire

Tableau 4 Consommation et coûts d'exploitation du gaz produit par mètre cube unitaire

3.2 Analyse de l'économie de combustion

Parce que le gaz de haut fourneau et le gaz produit après concentration sont utilisés comme combustible pour la combustion, leur analyse de l'économie de combustion est essentielle. Les données de combustion de 60 000 Nm³/h de gaz de haut fourneau avec une concentration en CO de 22,4 % et les données de combustion de 18 000 Nm³/h de gaz produit riche en CO à une concentration de 70 % sont dans le Tableau 5. La base de calcul dans le Tableau 5 est les trois conditions restrictives suivantes : 1) en supposant que les deux gaz sont complètement brûlés dans des conditions adiabatiques, et en utilisant le même four de combustion ; 2) en supposant que les deux gaz sont des gaz secs, et que l'air est de l'air sec ; 3) la teneur de chaque composant du gaz de haut fourneau et du gaz produit riche en CO est calculée conformément aux données du Tableau 2, la quantité d'oxygène est approximativement nulle.

Tableau 5 Calcul du processus de combustion du gaz de haut fourneau et du gaz produit PSA-CO

Remarque :H_i: pouvoir calorifique inférieur d'un composant combustible dans le gaz, kJ/Nm³, CO : 12640 kJ/m³, H₂: 18790 kJ/m³, CH₄: 35880 kJ/m³;

r_i: pourcentage volumique d'un composant combustible dans le gaz ;

x_i: pourcentage volumique d'un composant combustible dans les fumées ;

V_i: volume d'un composant produit par la combustion complète du gaz sec par unité de temps, Nm³/h ;

c_i,c_g,c_a: capacité thermique volumique moyenne d'un gaz composant, gaz, air à 0-t_f℃, 0-t_g℃, 0-t_a℃, kJ/(Nm³·K), les données peuvent être obtenues à partir du tableau ;

T_f,T_g,T_a: température absolue K de la fumée, du gaz et de l'air, respectivement, 423 K, 313 K, 313 K ;

Q₄: calories kJ/h consommées par CO₂et H₂O dans les fumées par décomposition à haute température, les données peuvent être obtenues à partir du tableau

Les résultats du calcul du processus de combustion dans le Tableau 5 montrent que le pouvoir calorifique du gaz de haut fourneau est de 3199 kJ/Nm³, la température de combustion théorique n'est que de 1 315 °C ; le pouvoir calorifique du gaz produit riche en CO est de 8 970 kJ/Nm³, et la température de combustion théorique atteint 2 095 °C, répondant aux exigences des fours industriels de Hengyang Steel en matière de combustible, et peut être directement utilisée pour la combustion.

On peut constater, par comparaison de la chaleur produite par la combustion de 60 000 Nm³/h de gaz de haut fourneau et de 18 000 Nm³/h de gaz produit riche en CO, qu'en raison du rendement en CO après purification d'environ 93 % et de la perte partielle de CH₄et H₂, la chaleur générée par la combustion du gaz produit est d'environ 84 % de celle du gaz de haut fourneau ; la comparaison de la chaleur sortante de la combustion des deux fumées montre que, lorsque la température des gaz d'échappement est de 150 °C, le taux de perte des gaz d'échappement provenant de la combustion des produits riches en CO est de 16,3 %, significativement inférieur au taux de perte des gaz d'échappement de 27,5 % du gaz de haut fourneau (voir Figure 1), et l'efficacité de combustion s'est améliorée de manière significative.

Sur la base de l'analyse de calcul ci-dessus, le gaz produit riche en CO a un pouvoir calorifique, une température de combustion théorique et une efficacité de combustion plus élevés que le charbon, il a donc une meilleure économie de combustion.

Figure 1 Perte de chaleur des fumées du gaz de haut fourneau et des produits PSA-CO

3.3 Analyse des avantages

Après l'achèvement du projet fin 2013, Hengyang Steel transmet 18 000 Nm³/h de 70 % de produit CO purifié à partir d'environ 60 000 Nm³/h de gaz de haut fourneau directement au four pour utilisation. L'équivalent en gaz naturel du produit PSA-CO peut être estimé en fonction des calories de combustion. Sur la base du coût total du gaz produit PSA-CO et des prix régionaux du gaz de Hengyang Steel, le montant des revenus annuels de l'usine de purification peut être calculé ; et les résultats sont présentés dans le Tableau 6 ci-dessous.

Tableau 6 Équivalent en gaz naturel et avantage économique du gaz produit PSA-CO

Il ressort du Tableau 6 que le produit PSA-CO peut remplacer environ 4 537 Nm³de gaz naturel par heure, le volume annuel de substitution atteint 3 974×10⁴Nm³, équivalent à environ un tiers de la consommation originale de gaz naturel de Hengyang Steel, ce qui soulagera et équilibrera largement la demande serrée de Hengyang Steel en gaz naturel. Selon les conditions d'exploitation réelles, après déduction du coût total du dispositif, le projet peut directement créer un revenu d'environ 29,46 millions de RMB pour Hengyang Steel chaque année.

4. Perspectives

La technologie de purification (concentration) du BFG développée par PIONEER a résolu le problème des émissions de gaz de haut fourneau qui a toujours troublé l'industrie sidérurgique chinoise, réduisant considérablement le gaspillage d'énergie et créant des avantages économiques significatifs pour les entreprises. Le produit CO enrichi à environ 70 % peut être utilisé comme gaz de combustion ou gaz réducteur à haut pouvoir calorifique, pour réduire l'utilisation de charbon, de gaz naturel ou de charbon et de coke ; le CO enrichi à plus de 98,5 % peut être utilisé dans la production chimique, pour la synthèse d'éthylène glycol, de carbonate de diméthyle, d'acide acétique, de méthanol, de TDI, de DMF, etc. Cette technologie est très adaptée aux émissions de gaz de haut fourneau et aux entreprises sidérurgiques dont l'approvisionnement en gaz naturel, gaz de pétrole liquéfié et autres énergies est tendu ; surtout aujourd'hui, avec la concurrence féroce sur le marché de l'acier et les problèmes environnementaux croissants, elle a des avantages sociaux et économiques importants.

Références

1 Geng Yunfeng, et al. Un procédé de fabrication de fonte en haut fourneau : CN 101463398 A

2 Geng Yunfeng, et al. Un procédé d'enrichissement du gaz de haut fourneau : CN102643681A

3 Tang Hongqing, Introduction de la nouvelle technologie chimique du carbone, Pékin : Chemical Industry Press, 2009

4 Zhou Weihan, et al, Analyse de l'état actuel et contre-mesures de l'utilisation du gaz de haut fourneau par Hengyang Steel, Conférence nationale sur l'énergie et le génie thermique 2010