A Economia de Combustão da Purificação de CO do Gás de Alto-forno por Adsorção por Oscilação de Pressão

Resumo: Devido ao seu baixo poder calorífico e eficiência de combustão, grande parte do gás de alto-forno (BFG) é desperdiçado na China. Neste artigo, a tecnologia de adsorção por oscilação de pressão (PSA) foi aplicada para purificar o BFG, o que pode melhorar significativamente o poder calorífico e a eficiência de combustão. A viabilidade técnica, eficiência de combustão e análise de engenharia econômica mostraram que o BFG purificado por PSA foi a forma mais eficaz de economia de energia e possui ampla perspectiva de aplicação.

Palavras-chave: Gás de Alto-forno, Adsorção por Oscilação de Pressão, economia de combustão.

1. Introdução

O Gás de Alto-forno (BFG) é um subproduto do processo de fabricação de ferro em alto-forno, e sua emissão ocupa a maior proporção no gás subproduto da indústria siderúrgica. Consiste principalmente em N₂, CO, CO₂, H₂, CH₄, etc., com a composição específica mostrada na Tabela 1. Como o poder calorífico do gás de alto-forno é geralmente de apenas cerca de 3.000-3.800 kJ/Nm³, ele não pode atender ao requisito de temperatura de combustão teórica do forno industrial em relação ao poder calorífico. A maioria das usinas siderúrgicas tem excedente de gás de alto-forno; há diferentes graus de fenômeno de emissão, resultando em poluição ambiental e desperdício de energia.

Nos últimos anos, devido à atenção nacional às tecnologias de economia de energia das empresas siderúrgicas, a emissão de gás de alto-forno pelas empresas diminuiu. A forma de uso do gás de alto-forno é principalmente a queima, sendo os principais usos: 1) uso direto no forno de ar quente; 2) uso direto em forno de coque térmico complexo; 3) uso misto com gás de alto poder calorífico em forno de aquecimento e poço de imersão; 4) uso de tecnologia de combustão regenerativa em forno de laminação; 5) geração de caldeira com BFG puro; 6) usina de ciclo combinado (CCPP) de turbina a gás e turbina a vapor com gás de alto-forno como combustível principal.

Tabela 1 Principais componentes do gás de alto-forno comumgaz fornel st

Se o componente eficaz CO do gás de alto-forno puder ser concentrado e utilizado, não só pode reduzir bastante a taxa de emissão, mas também economizará o custo do combustível, e até fornecerá matérias-primas para produtos químicos. Quando o CO é concentrado para 65%-70%, o valor do combustível pode chegar a 8.200-9.000 kJ/Nm³, e o gás produto pode ser queimado diretamente como combustível de alto poder calorífico^[1], ou usado como gás redutor para injeção em alto-forno^[2]. Quando o CO é concentrado para 98,5% ou mais, o gás produto de CO de alta pureza pode ser ainda mais utilizado para a produção de produtos químicos de alto valor agregado^[3].

2. Purificação do gás de alto-forno da Hengyang Steel por PSA

A Hengyang Valin Steel Pipe Co., Ltd. (doravante denominada "Hengyang Steel") é uma fabricante especializada de tubos de aço sem costura com capacidade de produção anual de 1 milhão de toneladas de ferro, 1,2 milhão de toneladas de aço e 1,5 milhão de toneladas de tubos. A produção anual de BFG é de cerca de 21×10⁸m³, principalmente para forno de ar quente (cerca de 35%), forno de sinterização (cerca de 2%), misturado com gás natural para forno de laminação (cerca de 38%), e a maior parte do restante é emitida; a maior taxa de emissão de BFG chega a 29%, e a menor só pode ser reduzida para cerca de 23%^[4]. Para atender às necessidades de combustíveis com alto poder calorífico, a Hengyang Steel precisa comprar gás e misturá-lo com gás de alto-forno, para melhorar o poder calorífico do gás de alto-forno, para uso no forno de aquecimento de laminação de aço. Isso resultou em uma grave contradição entre a grande demanda da Hengyang Steel por gás de alto poder calorífico e a falha no uso eficaz de gás de baixo poder calorífico. Purificar o BFG para obter gás de alto poder calorífico tornou-se uma escolha sábia para a eficiência energética da Hengyang Steel.

Em 2012, a Beijing Peking University Pioneer Technology Co., Ltd. ("PIONEER") e a Valin Hengyang Steel chegaram a um acordo de cooperação para o projeto e construção de uma planta de purificação de CO de gás de alto-forno; atualmente, a planta foi colocada em operação com sucesso, com operação estável, indicadores excelentes, consumo médio de gás bruto atingindo 60.000 Nm³/h, volume médio de gás produto de 18.000 Nm³/h, e rendimento de CO de cerca de 93%. A concentração de CO no gás produto pode ser ajustada na faixa de 60% a 70% conforme necessário; o gás produto pode atender plenamente às necessidades dos usuários downstream da Hengyang Steel quanto ao poder calorífico, e o efeito de economia de energia e aumento de receita é notável. A composição média do gás e o volume de gás da planta são mostrados na Tabela 2.

Tabela 2 Composição média do gás e volume de gás

3. Análise de benefício econômico 3.1 Custeio

O custo de usar o dispositivo PSA-CO para purificar gás de alto-forno é a questão mais importante para os usuários. Os custos do gás produto PSA-CO incluem custos fixos e custos variáveis. Calculado com base no preço do gás de alimentação BFG de RMB0,04 por metro cúbico, volume de gás produto de 18.000 Nm³/h, período de operação projetado da planta de 10 anos e taxa de utilização da capacidade anual de 94%, os resultados do cálculo dos custos fixos do gás produto PSA-CO estão listados na Tabela 3, os custos variáveis são mostrados na Tabela 4, os custos totais do gás produto totalizam aproximadamente RMB0,5225/Nm³. Se o custo do gás bruto BFG não for contabilizado, então o custo total do gás produto PSA-CO é de RMB0,3921/Nm³.

Tabela 3 Custeio fixo por metro cúbico de gás produto

Tabela 4 Consumo e custos operacionais por metro cúbico de gás produto

3.2 Análise da economia de combustão

Como o gás de alto-forno e o gás produto após concentração são usados como combustível para combustão, sua análise de economia de combustão é essencial. Os dados de combustão de 60.000 Nm³/h de gás de alto-forno com concentração de CO de 22,4% e os dados de combustão de 18.000 Nm³/h de gás produto rico em CO a uma concentração de 70% estão na Tabela 5. A base de cálculo na Tabela 5 são as três condições restritivas a seguir: 1) assumindo que ambos os gases são completamente queimados sob condições adiabáticas, e usando o mesmo forno de combustão; 2) assumindo que os dois gases são gases secos, e o ar é ar seco; 3) o teor de cada componente do gás de alto-forno e do gás produto rico em CO é calculado de acordo com os dados da Tabela 2, a quantidade de oxigênio é aproximadamente zero.

Tabela 5 Cálculo do processo de combustão do gás de alto-forno e do gás produto PSA-CO

Nota:H_i:talvoud kalor izel un elfenn loskadus en gaz, kJ/Nm³, CO: 12640 kJ/m³, H₂: 18790 kJ/m³, CH₄: 35880 kJ/m³;

r_i:Dregantad volumen un elfenn loskadus en gaz;

x_i:Dregantad volumen un elfenn loskadus e moged;

V_i:Volumenn un elfenn kenderc'het dre devidigezh klok gaz sec'h dre unanenn amzer, Nm³/h;

c_i,c_g,c_a:Kenderc'hel gwrezvolumenn etre un elfenn gaz, gaz, aer e 0-t_f℃, 0-t_g℃, 0-t_a℃, kJ/(Nm³·K), an data a c'haller kavout en daolenn;

T_f,T_g,T_a:Kelc'hverk gwrezverk K ar moged, gaz, hag aer, 423K, 313K, 313K;

Q₄:Kaloriezhioù kJ/h debret gant CO₂hag H₂O er moged dre zivuntunadur e gwreztommder, an data a c'haller kavout en daolenn

Disoc'hoù jedadur ar gondiñ e Taolenn 5 a ziskouez ez eo talvoud kalor gaz forn uhel 3199 kJ/Nm³, ha 1 315°C eo ar wrezverk deviñ teorikel nemetken; talvoud kalor ar gaz produadur pinvidik e CO a zo 8 970 kJ/Nm³, hag ez eo 2 095°C ar wrezverk deviñ teorikel, o tont a-benn da ezhommoù Hengyang Steel e-keñver loskadur greantel, ha gallout a ra bezañ implijet war-eeun evit deviñ.

Dre geñveriañ ar wrez produet gant devidigezh 60 000 Nm³/h a gaz forn uhel ha 18 000 Nm³/h a gaz produadur pinvidik e CO, e c'heller gwelet, dre ma'z eo tost da 93% an eost CO goude puraat, ha kollet e vo darn eus CH₄hag H₂, ez eo tost da 84% an tommder deuet eus devidigezh ar gaz produadur e-keñver hini ar gaz forn uhel; keñveriadenn an tommder deuet eus devidigezh daou c'haz moged a ziskouez, pa'z eo 150°C gwrezverk ar gaz moged ezporzhiet, emañ ar feur kolldaol gaz moged eus devidigezh ar produadur pinvidik e CO er 16,3%, kalz izeloc'h evit feur kolldaol gaz moged 27,5% ar gaz forn uhel (gwelet Figure 1), hag ez eo gwellaet kalz an efedusted deviñ.

Diwar ar jedadur uhel, ez eus talvoud kalor uheloc'h, gwrezverk deviñ teorikel hag efedusted deviñ ouzhpenn e gaz produadur pinvidik e CO e-keñver ar forn glaou, hag ez eo gwelloc'h e wiriegezh deviñ.

Figure 1 Kolldaol tommder moged eus gaz forn uhel ha produadur PSA-CO

3.3 Dielfennadur talvoudegezh

Goude bezañ sevenet ar raktres e dibenn 2013, e tizgas Hengyang Steel 18 000 Nm³/h eus 70% eus produadur CO karget diwar war-dro 60000 Nm³/h eus gaz forn gret war-eeun d'ar forn evit implij. Kementad natur gaz a dalvez evit produadur PSA-CO a c'hall bezañ istimet hervez kaloriadoù djentlañ. Diazezet war goust hollek produadur gaz PSA-CO ha prizioù gaz rannvro Hengyang Steel, kementad ar gounidegezh vloaziek eus ar purlec'h a c'hall bezañ jedet; hag ar disoc'hoù a zo diskouezet e Taolenn 6 a-is.

Taolenn 6 Kementad natur gaz hag avantaj ekonomikel eus produadur gaz PSA-CO

Eus an daolenn 6 e c'haller tapout, produadur PSA-CO a c'hall kemer lec'h war-dro 4,537 Nm³a gaz naturel bep eur, ar c'hementad a vez kemeret e-lec'h bep bloaz a dizh 3,974×10⁴Nm³, kevatal da war-dro un drederenn eus ar c'hementad kentañ a gaz naturel implijet gant Hengyang Steel, a vo un digeri bras ha kevatal evit goulenn strizh gaz naturel Hengyang Steel. Hervez an divizoù gwirion labour, goude diouzh goust hollek an trevnad, ar raktres a c'hall krouiñ kounidegezh war-eeun a-walc'h a-werc'h RMB29.46 milion evit Hengyang Steel bep bloaz.

4. Gweledva

Teknologiezh purifiañ (kenderc'hiñ) BFG a zo bet diorroet gant PIONEER hag he deus diskoulmet kudenn troazhañ gaz forn gret a zo bet atahinet industriezh dir Sina, lezet gant ur c'holl energiezh pouezus, ha krouet avantajoù ekonomikel pouezus evit an embregerezhioù. Produadur CO karget da war-dro 70% a c'hall bezañ implijet evel gaz djentlañ pe gaz digreskiñ gant ur c'halor uhel, evit digreskiñ implij glaou, gaz naturel pe glaou ha kign; CO karget da vuioc'h eget 98.5% a c'hall bezañ implijet pelloc'h e produadur kimiek, evit sinañ ethylene glycol, dimethyl carbonate, acid acetic, methanol, TDI, DMF hag all. An teknologiezh-se a zo gwall a-brop evit troazhañ gaz forn gret, hag embregerezhioù dir gant pourvez strizh a gaz naturel, gaz petrol likid hag energiezhioù all; dreist-holl hiziv, gant ar c'henstrivadeg kreñv e marc'had an dir hag ar c'hudennoù endro o kreskiñ, he deus avantajoù sokial hag ekonomikel pouezus.

Daveenn

1 Geng Yunfeng, et al. Un Doare Sevel Houarn e Forn Gret: CN 101463398 A

2 Geng Yunfeng, et al. Un Treuzkas Pinvidikaat Gaz Forn Gret: CN102643681A

3 Tang Hongqing, Digoradur Karbon- eus Teknologiezh Kimiek Nevez, Beijing: Moullerezh Industriezh Kimiek, 2009

4 Zhou Weihan, et al, Analiz ar Stad a-vreman hag Eusadennoù Hengyang Steel eus Implij Gaz Forn Gret, Kendalc'h Akademiezh Broadel an Energiezh hag an Ijinerezh Termek – 2010