Экономика сжигания при очистке CO из доменного газа методом короткоцикловой адсорбции

Аннотация: В данной статья была применена технология короткоцикловой адсорбции (PSA) для очистки доменного газа (BFG), что позволяет значительно повысить теплотворную способность и эффективность сжигания. Техническая осуществимость, эффективность сжигания и инженерно-экономический анализ показали, что BFG, очищенный с помощью PSA, является наиболее эффективным способом энергосбережения и имеет широкие перспективы применения.

Ключевые слова: Доменный газ, Короткоцикловая адсорбция, Экономика сжигания.

1. Введение

Доменный газ (BFG) является побочным продуктом процесса выплавки чугуна в доменной печи, и его выбросы занимают наибольшую долю среди побочных газов в сталелитейной промышленности. Он состоит в основном из N₂, CO, CO₂, H₂₂, CH₄₄и др., с конкретным составом, показанным в таблице 1. Поскольку теплотворная способность доменного газа обычно составляет лишь около 3000–3800 кДж/Нм³, она не может соответствовать требованиям теоретической температуры горения промышленных печей к теплотворной способности. На большинстве сталелитейных заводов имеется избыток доменного газа; наблюдаются разные степени его выброса, что приводит к загрязнению окружающей среды и потерям энергии.

В последние годы, благодаря вниманию государства к технологиям энергосбережения на предприятиях черной металлургии, выбросы доменного газа на предприятиях сократились. Основной способ использования доменного газа — сжигание, основные области применения: 1) прямое использование в воздухонагревателях; 2) прямое использование в комбинированных коксовых печах; 3) смешанное использование с газом высокой теплотворной способности в нагревательных печах и томильных ямах; 4) использование технологии регенеративного сжигания в прокатных печах; 5) выработка электроэнергии в котлах на чистом BFG; 6) парогазовые установки комбинированного цикла (CCPP) с газовой и паровой турбинами, использующие доменный газ в качестве основного топлива.

Таблица 1 Основные компоненты обычного доменного газа

Если эффективный компонент CO доменного газа можно сконцентрировать и использовать, это не только значительно снизит уровень выбросов, но и сэкономит затраты на топливо, и даже предоставит сырье для химической продукции. При концентрации CO до 65–70% теплотворная способность может достигать 8200–9000 кДж/Нм³, и полученный газ может напрямую сжигаться как топливо с высокой теплотворной способностью.^[1], или используется как восстановительный газ для вдувания в доменную печь^[2]. При концентрации CO до 98,5% и выше, высокочистый продукционный газ CO может быть дополнительно использован для производства высокодобавочных химических продуктов^[3].

2.Очистка доменного газа компании Hengyang Steel методом PSA

Компания Hengyang Valin Steel Pipe Co., Ltd. (далее именуемая «Hengyang Steel») является специализированным производителем бесшовных стальных труб с производственной мощностью годового производства 1 миллиона тонн чугуна, 1,2 миллиона тонн стали, и 1,5 миллиона тонн труб. Годовой объем ДГ составляет около 21×10⁸м³, в основном для воздухонагревателя (около 35%), агломерационной печи (около 2%), смешанный с природным газом для прокатной печи (около 38%), а большая часть остального выбрасывается; максимальный уровень выбросов ДГ составляет до 29%, а минимальный может быть снижен только до около 23%^[4]. Для удовлетворения потребностей в топливе с высокой теплотворной способностью, компании Hengyang Steel необходимо приобретать газ и смешивать его с доменным газом, чтобы повысить теплотворную способность доменного газа для использования в нагревательной печи прокатного стана. Это привело к серьезному противоречию между большим спросом Hengyang Steel на газ с высокой теплотворной способностью и неэффективным использованием газа с низкой теплотворной способностью. Очистка ДГ для получения газа с высокой теплотворной способностью стала разумным выбором для энергоэффективности Hengyang Steel.

В 2012 году компания Beijing Peking University Pioneer Technology Co., Ltd. («PIONEER») и Valin Hengyang Steel достигли соглашения о сотрудничестве по проектированию и строительству установки очистки CO из доменного газа, в настоящее время установка успешно введена в эксплуатацию, работает стабильно, с отличными показателями, среднее потребление сырого газа достигает 60 000 Нм³/ч, средний объем продукционного газа 18 000 Нм³/ч, и выход CO около 93%. Концентрация CO в продукционном газе может регулироваться в диапазоне от 60% до 70% по мере необходимости, продукционный газ полностью удовлетворяет потребности нижестоящих пользователей Hengyang Steel в теплотворной способности, а эффект энергосбережения и увеличения дохода является значительным. Средний состав газа и объем газа установки приведены в таблице 2.

Таблица 2 Средний состав газа и объем газа

3. Анализ экономической выгоды3.1 Расчет затрат

Стоимость использования установки PSA-CO для очистки доменного газа является наиболее важным вопросом для пользователей. Затраты на продукционный газ PSA-CO включают постоянные и переменные затраты. Рассчитано исходя из цены подаваемого газа ДГ 0,04 юаня за кубический метр, объема продукционного газа 18 000 Нм³/ч, расчетный период эксплуатации установки 10 лет и коэффициент использования годовой мощности 94%, результаты расчета постоянных затрат на продукционный газ PSA-CO приведены в таблице 3, переменные затраты показаны в таблице 4, общие затраты на продукционный газ составляют приблизительно 0,5225 ю³. Если не учитывать стоимость сырого доменного газа, то общая стоимость продукта PSA-CO составляет 0,3921 юаня/Нм³³.

Таблица 3 Постоянные затраты на кубический метр продуктного газа

Таблица 4 Расход и эксплуатационные затраты на кубический метр продуктного газа

3.2 Анализ экономики сжигания

Поскольку доменный газ и продуктный газ после обогащения используются в качестве топлива для сжигания, анализ их экономики сжигания необходим. Данные по сжиганию 60 000 Нм³³/ч доменного газа с концентрацией CO 22,4% и данные по сжиганию 18 000 Нм³³/ч богатого CO продуктного газа с концентрацией 70% приведены в таблице 5. Основой для расчета в таблице 5 являются следующие три ограничения: 1) предполагается, что оба газа полностью сгорают в адиабатических условиях с использованием одной и той же печи сжигания; 2) предполагается, что оба газа являются сухими, а воздух - сухим; 3) содержание каждого компонента доменного газа и богатого CO продуктного газа рассчитывается в соответствии с данными таблицы 2, количество кислорода приблизительно равно нулю.

Таблица 5 Расчет процесса сжигания доменного газа и продуктного газа PSA-CO

Примечание:H_i:низшая теплотворная способность горючего компонента в газе, кДж/Нм³³, CO: 12640 кДж/м³³, H₂₂: 18790 кДж/м³³, CH₄₄: 35880 кДж/м³³;

r_i:Объемный процент горючего компонента в газе;

x_i:Объемный процент горючего компонента в дымовом газе;

V_i:Объем компонента, образующегося при полном сгорании сухого газа за единицу времени, Нм³³/ч;

c_i,c_g,c_a:Средняя объемная теплоемкость компонента газа, газа, воздуха при 0-t_f℃, 0-t_g℃, 0-t_a℃, кДж/(Нм³³·K), данные можно получить из таблицы;

T_f,T_g,T_a:Абсолютная температура дыма, газа и воздуха соответственно, 423 K, 313 K, 313 K;

Q₄:Теплота кДж/ч, потребляемая CO₂и H₂O в дымовом газе при разложении при высокой температуре, данные можно получить из таблицы

Результаты расчета процесса сжигания в таблице 5 показывают, что теплотворная способность доменного газа составляет 3199 кДж/Нм³³, теоретическая температура сжигания составляет всего 1315℃; теплотворная способность богатого CO продуктного газа составляет 8970 кДж/Нм³³, а теоретическая температура сжигания достигает 2095℃, что соответствует требованиям промышленных печей Hengyang Steel к топливу, и может использоваться непосредственно для сжигания.

Можно обнаружить, сравнивая теплоту, выделяемую при сжигании 60 000 Нм³/ч доменного газа и 18 000 Нм³³/ч обогащенного CO продукта, так как выход CO после очистки составляет примерно 93%, а часть CH₄₄и H₂будет потеряна, поэтому теплота сгорания продукта составляет примерно 84% от теплоты сгорания доменного газа; сравнение тепловыделения при сжигании двух дымовых газов показывает, что при температуре отходящих газов 150 °C доля потерь тепла с отходящими газами при сжигании продуктов, обогащенных CO, составляет 16,3%, что значительно ниже доли потерь в 27,5% для доменного газа (см. рисунок 1), а эффективность сгорания значительно повысилась.

На основе приведенного выше расчетного анализа, обогащенный CO продукт имеет более высокую теплотворную способность, теоретическую температуру сгорания и КПД сгорания по сравнению с доменным газом, поэтому он обладает лучшей экономичностью сжигания.

Рисунок 1 Потери тепла дымовых газов для доменного газа и продуктов ПСА-CO

3.3 Анализ выгоды

После завершения проекта к концу 2013 года компания Hengyang Steel передает 18 000 Нм³³/ч 70% CO-продукта, очищенного из примерно 60 000 Нм³³/ч доменного газа, непосредственно в печь для использования. Эквивалент природного газа для продукта ПСА-CO можно оценить по теплоте сгорания. Исходя из общей стоимости продукта ПСА-CO и региональных цен на газ для Hengyang Steel, можно рассчитать годовой доход установки по очистке; результаты приведены в таблице 6 ниже.

Таблица 6 Эквивалент природного газа и экономическая выгода продукта ПСА-CO

Из таблицы 6 видно, что продукт ПСА-CO может заменить около 4 537 Нм³³природного газа в час, годовой объем замещения достигает 3,974×10⁶ Нм³,⁴Нм³что составляет примерно одну треть от первоначального потребления природного газа компанией Hengyang Steel, что значительно облегчит и сбалансирует острый дефицит природного газа. Согласно фактическим условиям эксплуатации, после вычета общей стоимости установки проект может приносить компании Hengyang Steel прямой доход в размере около 29,46 млн юаней ежегодно.

4. Перспективы

Технология очистки (концентрирования) доменного газа, разработанная компанией PIONEER, решила проблему выбросов доменного газа, которая всегда беспокоила сталелитейную промышленность Китая, значительно сократила потери энергии и создала значительные экономические выгоды для предприятий. CO-продукт, обогащенный до примерно 70%, может использоваться как горючий или восстановительный газ с высокой теплотворной способностью, снижая потребление угля, природного газа или угля и кокса; CO, обогащенный до более чем 98,5%, может быть дополнительно использован в химическом производстве для синтеза этиленгликоля, диметилкарбоната, уксусной кислоты, метанола, ТДИ, ДМФ и других продуктов. Эта технология очень подходит для утилизации выбросов доменного газа и для сталелитейных компаний с дефицитом природного газа, сжиженного нефтяного газа и других энергоносителей; особенно в настоящее время, в условиях жесткой конкуренции на рынке стали и растущих экологических проблем, она имеет важное социальное и экономическое значение.

Ссылки

1 Geng Yunfeng, et al. A Blast Furnace Ironmaking Method: CN 101463398 A

2 Geng Yunfeng, et al. A Blast Furnace Gas Enrichment Process: CN102643681A

3 Tang Hongqing, Carbon- Introduction of New Chemical Technology, Beijing: Chemical Industry Press, 2009

4 Zhou Weihan, et al, Status Quo Analysis and Countermeasures of Hengyang Steel’s Utilization of Blast Furnace Gas, National Energy and Thermal Engineering–2010 Academic Conference