เศรษฐศาสตร์การเผาไหม้ของการทำให้ CO บริสุทธิ์จากก๊าซเตาหลอมเหล็กโดยการดูดซับด้วยแรงดันสวิง

บทคัดย่อ: เนื่องจากมีค่าความร้อนและประสิทธิภาพการเผาไหม้ต่ำ ก๊าซเตาหลอมเหล็ก (BFG) จำนวนมากจึงถูกทิ้งในประเทศจีน ในบทความนี้ เทคโนโลยีการดูดซับด้วยแรงดันสวิง (PSA) ถูกนำมาใช้เพื่อทำให้ BFG บริสุทธิ์ ซึ่งสามารถปรับปรุงค่าความร้อนและประสิทธิภาพการเผาไหม้ได้อย่างมีนัยสำคัญ การวิเคราะห์ความเป็นไปได้ทางเทคนิค ประสิทธิภาพการเผาไหม้ และเศรษฐศาสตร์ทางวิศวกรรมแสดงให้เห็นว่า BFG ที่ทำให้บริสุทธิ์ด้วย PSA เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพที่สุดในการประหยัดพลังงานและมีแนวโน้มการประยุกต์ใช้ในวงกว้าง

คำสำคัญ: ก๊าซเตาหลอมเหล็ก, การดูดซับด้วยแรงดันสวิง, เศรษฐศาสตร์การเผาไหม้

1. บทนำ

ก๊าซเตาถลุงเหล็ก (BFG) เป็นผลิตภัณฑ์พลอยได้จากกระบวนการผลิตเหล็กในเตาถลุง และการปล่อยก๊าซนี้มีสัดส่วนสูงที่สุดในกลุ่มก๊าซพลอยได้ของอุตสาหกรรมเหล็ก ประกอบด้วยหลักๆ คือ N₂, CO, CO₂, H₂, CH₄เป็นต้น โดยมีองค์ประกอบเฉพาะดังแสดงในตารางที่ 1 เนื่องจากค่าความร้อนของก๊าซเตาถลุงโดยทั่วไปอยู่ที่ประมาณ 3,000-3,800 กิโลจูล/ลูกบาศก์เมตร³จึงไม่สามารถตอบสนองความต้องการค่าความร้อนสำหรับอุณหภูมิการเผาไหม้ตามทฤษฎีของเตาเผาอุตสาหกรรมได้ โรงงานเหล็กส่วนใหญ่มีก๊าซเตาถลุงส่วนเกิน และมีการปล่อยทิ้งในระดับที่แตกต่างกัน ทำให้เกิดมลพิษทางสิ่งแวดล้อมและการสิ้นเปลืองพลังงาน

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เนื่องจากการให้ความสำคัญระดับชาติต่อเทคโนโลยีประหยัดพลังงานในวิสาหกิจเหล็ก การปล่อยก๊าซเตาถลุงของวิสาหกิจจึงลดลง วิธีการใช้ก๊าซเตาถลุงส่วนใหญ่คือการเผาไหม้ โดยการใช้งานหลักได้แก่: 1) ใช้โดยตรงในเตาลมร้อน 2) ใช้โดยตรงในเตาอบโค้กแบบความร้อนรวม 3) ใช้ผสมกับก๊าซค่าความร้อนสูงในเตาให้ความร้อนและบ่อแช่ 4) ใช้เทคโนโลยีการเผาไหม้แบบสร้างใหม่ในเตาหมุนโรงงานรีด 5) การผลิตไฟฟ้าจากหม้อไอน้ำด้วย BFG บริสุทธิ์ 6) โรงไฟฟ้าพลังงานร่วม (CCPP) ของกังหันก๊าซและกังหันไอน้ำโดยใช้ก๊าซเตาถลุงเป็นเชื้อเพลิงหลัก

ตารางที่ 1 องค์ประกอบหลักของก๊าซเตาถลุงทั่วไปก๊าซเตาเผา st

หากสามารถทำให้ CO ซึ่งเป็นองค์ประกอบที่มีประสิทธิผลของก๊าซเตาถลุงเข้มข้นและนำมาใช้ได้ จะไม่เพียงลดอัตราการปล่อยทิ้งลงอย่างมาก แต่ยังช่วยประหยัดต้นทุนเชื้อเพลิง และอาจเป็นวัตถุดิบสำหรับผลิตภัณฑ์เคมีด้วย เมื่อ CO เข้มข้นถึง 65%-70% ค่าเชื้อเพลิงจะสูงถึง 8,200-9,000 กิโลจูล/ลูกบาศก์เมตร³และก๊าซผลิตภัณฑ์สามารถเผาไหม้โดยตรงเป็นเชื้อเพลิงที่มีค่าความร้อนสูง^[1]หรือใช้เป็นก๊าซรีดิวซ์สำหรับการฉีดเข้าเตาถลุง^[2]เมื่อ CO เข้มข้นถึง 98.5% ขึ้นไป ก๊าซผลิตภัณฑ์ CO ที่มีความบริสุทธิ์สูงสามารถนำไปใช้ในการผลิตผลิตภัณฑ์เคมีที่มีมูลค่าเพิ่มสูงได้^[3].

2. การทำให้ก๊าซเตาถลุงของเหล็กเหิงหยางบริสุทธิ์ด้วย PSA

บริษัท เหิงหยาง หวาลิน สตีล ไพพ์ จำกัด (ต่อไปนี้เรียกว่า "เหล็กเหิงหยาง") เป็นผู้ผลิตท่อเหล็กไร้ตะเข็บเฉพาะทาง โดยมีกำลังการผลิตเหล็กดิบ 1 ล้านตัน เหล็กกล้า 1.2 ล้านตัน และท่อ 1.5 ล้านตันต่อปี ปริมาณ BFG ต่อปีอยู่ที่ประมาณ 21×10⁸ลูกบาศก์เมตร³โดยหลักใช้ในเตาลมร้อน (ประมาณ 35%) เตาเผาผนึก (ประมาณ 2%) ผสมกับก๊าซธรรมชาติสำหรับเตารีด (ประมาณ 38%) และส่วนที่เหลือส่วนใหญ่ถูกปล่อยทิ้ง อัตราการปล่อย BFG สูงสุดถึง 29% และต่ำสุดสามารถลดลงได้เพียงประมาณ 23%^[4]เพื่อตอบสนองความต้องการเชื้อเพลิงที่มีค่าความร้อนสูง เหล็กเหิงหยางต้องซื้อก๊าซและผสมกับก๊าซเตาถลุงเพื่อเพิ่มค่าความร้อนของก๊าซเตาถลุงสำหรับใช้ในเตาให้ความร้อนรีดเหล็ก ส่งผลให้เกิดความขัดแย้งรุนแรงระหว่างความต้องการก๊าซค่าความร้อนสูงจำนวนมากของเหล็กเหิงหยางกับการไม่สามารถใช้ประโยชน์ก๊าซค่าความร้อนต่ำได้อย่างมีประสิทธิภาพ การทำให้ BFG บริสุทธิ์เพื่อให้ได้ก๊าซค่าความร้อนสูงจึงกลายเป็นทางเลือกที่ชาญฉลาดสำหรับประสิทธิภาพพลังงานของเหล็กเหิงหยาง

ในปี 2012 บริษัท ปักกิ่ง ปักกิ่ง ยูนิเวอร์ซิตี้ ไพโอเนียร์ เทคโนโลยี จำกัด ("PIONEER") และ หวาลิน เหิงหยาง สตีล ได้บรรลุข้อตกลงความร่วมมือในการออกแบบและก่อสร้างโรงงานทำให้ CO จากก๊าซเตาถลุงบริสุทธิ์ ปัจจุบันโรงงานได้เริ่มดำเนินการสำเร็จแล้ว ด้วยการทำงานที่เสถียร ตัวชี้วัดที่ยอดเยี่ยม การใช้ก๊าซดิบเฉลี่ยถึง 60,000 ลูกบาศก์เมตร³ต่อชั่วโมง ปริมาณก๊าซผลิตภัณฑ์เฉลี่ย 18,000 ลูกบาศก์เมตร³ต่อชั่วโมง และผลผลิต CO ประมาณ 93% ความเข้มข้นของ CO ในก๊าซผลิตภัณฑ์สามารถปรับได้ในช่วง 60% ถึง 70% ตามความต้องการ ก๊าซผลิตภัณฑ์สามารถตอบสนองความต้องการค่าความร้อนของผู้ใช้ปลายทางของเหล็กเหิงหยางได้อย่างเต็มที่ และผลการประหยัดพลังงานและเพิ่มรายได้นั้นโดดเด่น องค์ประกอบก๊าซเฉลี่ยและปริมาตรก๊าซของโรงงานแสดงในตารางที่ 2

ตารางที่ 2 องค์ประกอบก๊าซเฉลี่ยและปริมาตรก๊าซ

3. การวิเคราะห์ผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจ 3.1 การคิดต้นทุน

ต้นทุนการใช้เครื่อง PSA-CO เพื่อทำให้ก๊าซเตาถลุงบริสุทธิ์เป็นประเด็นที่สำคัญที่สุดสำหรับผู้ใช้ ต้นทุนก๊าซผลิตภัณฑ์ PSA-CO รวมต้นทุนคงที่และต้นทุนผันแปร คำนวณตามราคาก๊าซป้อน BFG ที่ 0.04 หยวนต่อลูกบาศก์เมตร ปริมาตรก๊าซผลิตภัณฑ์ 18,000 ลูกบาศก์เมตร³ต่อชั่วโมง ระยะเวลาดำเนินการออกแบบของโรงงาน 10 ปี และอัตราการใช้กำลังการผลิตรายปี 94% ผลการคำนวณต้นทุนคงที่ของก๊าซผลิตภัณฑ์ PSA-CO แสดงในตารางที่ 3 ต้นทุนผันแปรแสดงในตารางที่ 4 ต้นทุนรวมก๊าซผลิตภัณฑ์ประมาณ 0.5225 หยวน/ลูกบาศก์เมตร³หากไม่นับต้นทุนก๊าซดิบ BFG ต้นทุนรวมของก๊าซผลิตภัณฑ์ PSA-CO จะเท่ากับ 0.3921 หยวน/ลูกบาศก์เมตร³.

ตารางที่ 3 ต้นทุนคงที่ต่อลูกบาศก์เมตรของก๊าซผลิตภัณฑ์

ตารางที่ 4 ปริมาณการใช้และต้นทุนการดำเนินงานต่อลูกบาศก์เมตรของก๊าซผลิตภัณฑ์

3.2 การวิเคราะห์เศรษฐกิจการเผาไหม้

เนื่องจากก๊าซเตาถลุงและก๊าซผลิตภัณฑ์หลังการทำให้เข้มข้นถูกใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับการเผาไหม้ การวิเคราะห์เศรษฐกิจการเผาไหม้จึงเป็นสิ่งจำเป็น ข้อมูลการเผาไหม้ของก๊าซเตาถลุง 60,000 ลูกบาศก์เมตร³ต่อชั่วโมง ที่มีความเข้มข้น CO 22.4% และข้อมูลการเผาไหม้ของก๊าซผลิตภัณฑ์ที่อุดมด้วย CO 18,000 ลูกบาศก์เมตร³ต่อชั่วโมง ที่ความเข้มข้น 70% แสดงในตารางที่ 5 หลักการคำนวณในตารางที่ 5 มีเงื่อนไขจำกัดสามข้อดังต่อไปนี้: 1) สมมติว่าก๊าซทั้งสองถูกเผาไหม้สมบูรณ์ภายใต้สภาวะอะเดียแบติก และใช้เตาเผาเดียวกัน 2) สมมติว่าก๊าซทั้งสองเป็นก๊าซแห้ง และอากาศเป็นอากาศแห้ง 3) ปริมาณของส่วนประกอบแต่ละส่วนของก๊าซเตาถลุงและก๊าซผลิตภัณฑ์ที่อุดมด้วย CO คำนวณตามข้อมูลในตารางที่ 2 ปริมาณออกซิเจนมีค่าใกล้เคียงศูนย์

ตารางที่ 5 การคำนวณกระบวนการเผาไหม้ของก๊าซเตาถลุงและก๊าซผลิตภัณฑ์ PSA-CO

หมายเหตุ:H_i: ค่าความร้อนต่ำของส่วนประกอบที่ติดไฟได้ในก๊าซ กิโลจูล/ลูกบาศก์เมตร³, CO: 12640 กิโลจูล/ลูกบาศก์เมตร³, H₂: 18790 กิโลจูล/ลูกบาศก์เมตร³, CH₄: 35880 กิโลจูล/ลูกบาศก์เมตร³;

r_i: ร้อยละโดยปริมาตรของส่วนประกอบที่ติดไฟได้ในก๊าซ

x_i:ร้อยละโดยปริมาตรขององค์ประกอบที่เผาไหม้ได้ในก๊าซไอเสีย;

V_i:ปริมาตรขององค์ประกอบที่เกิดจากการเผาไหม้สมบูรณ์ของก๊าซแห้งต่อหน่วยเวลา, Nm³/ชม.;

c_i,c_g,c_a:ความจุความร้อนเชิงปริมาตรเฉลี่ยของก๊าซองค์ประกอบ ก๊าซ อากาศ ที่ 0-t_f℃, 0-t_g℃, 0-t_a℃, กิโลจูล/(Nm³·K), ข้อมูลสามารถหาได้จากตาราง;

T_f,T_g,T_a:อุณหภูมิสัมบูรณ์ K ของควัน ก๊าซ และอากาศ ตามลำดับ 423K, 313K, 313K;

Q₄:ปริมาณความร้อน กิโลจูล/ชม. ที่ถูกใช้โดย CO₂และ H₂O ในก๊าซไอเสียผ่านการสลายตัวที่อุณหภูมิสูง ข้อมูลสามารถหาได้จากตาราง

ผลการคำนวณกระบวนการเผาไหม้ในตารางที่ 5 แสดงให้เห็นว่าค่าความร้อนของก๊าซเตาถลุงเหล็กคือ 3199 กิโลจูล/Nm³, อุณหภูมิการเผาไหม้ตามทฤษฎีเพียง 1,315℃; ค่าความร้อนของก๊าซผลิตภัณฑ์ที่อุดมด้วย CO คือ 8,970 กิโลจูล/Nm³, และอุณหภูมิการเผาไหม้ตามทฤษฎีถึง 2,095℃, ตรงตามข้อกำหนดของเตาเผาอุตสาหกรรมของเหิงหยาง สตีล สำหรับเชื้อเพลิง และสามารถใช้ในการเผาไหม้ได้โดยตรง

สามารถพบได้จากการเปรียบเทียบความร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้ของ 60,000 Nm³/ชม. ของก๊าซเตาถลุงเหล็ก และ 18,000 Nm³/ชม. ของก๊าซผลิตภัณฑ์ที่อุดมด้วย CO เนื่องจากผลผลิตของ CO หลังจากทำให้บริสุทธิ์มีค่าประมาณ 93% และ CH4 บางส่วน₄และ H₂จะสูญเสียไป ดังนั้นความร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้ของก๊าซผลิตภัณฑ์มีค่าประมาณ 84% ของก๊าซเตาถลุงเหล็ก; การเปรียบเทียบความร้อนที่ออกจากการเผาไหม้ของก๊าซไอเสียทั้งสองแสดงให้เห็นว่า เมื่ออุณหภูมิก๊าซไอเสียคือ 150℃ อัตราการสูญเสียก๊าซไอเสียจากการเผาไหม้ของผลิตภัณฑ์ที่อุดมด้วย CO คือ 16.3% ซึ่งต่ำกว่าอัตราการสูญเสียก๊าซไอเสียของก๊าซเตาถลุงเหล็กที่ 27.5% อย่างมีนัยสำคัญ (ดูรูปที่ 1) และประสิทธิภาพการเผาไหม้ก็ดีขึ้นอย่างมาก

จากการวิเคราะห์การคำนวณข้างต้น ก๊าซผลิตภัณฑ์ที่อุดมด้วย CO มีค่าความร้อน อุณหภูมิการเผาไหม้ตามทฤษฎี และประสิทธิภาพการเผาไหม้สูงกว่าเตาเผาถ่านหิน จึงมีความประหยัดในการเผาไหม้ที่ดีกว่า

รูปที่ 1 การสูญเสียความร้อนของก๊าซไอเสียของก๊าซเตาถลุงเหล็กและผลิตภัณฑ์ PSA-CO

3.3 การวิเคราะห์ผลประโยชน์

หลังจากโครงการเสร็จสิ้นภายในสิ้นปี 2556 เหิงหยาง สตีล ส่งก๊าซผลิตภัณฑ์ 70% CO ที่ผ่านการทำให้บริสุทธิ์จากประมาณ 60,000 Nm³/ชม. ของก๊าซเตาถลุงเหล็ก จำนวน 18,000 Nm³/ชม. ไปยังเตาเผาโดยตรงเพื่อใช้งาน ปริมาณก๊าซธรรมชาติเทียบเท่าของผลิตภัณฑ์ PSA-CO สามารถประมาณได้ตามค่าความร้อนจากการเผาไหม้ ขึ้นอยู่กับต้นทุนรวมของก๊าซผลิตภัณฑ์ PSA-CO และราคาก๊าซในภูมิภาคของเหิงหยาง สตีล สามารถคำนวณรายได้ต่อปีของโรงงานทำให้บริสุทธิ์ได้; และผลลัพธ์แสดงในตารางที่ 6 ด้านล่าง

ตารางที่ 6 ปริมาณก๊าซธรรมชาติเทียบเท่าและผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจของก๊าซผลิตภัณฑ์ PSA-CO

สามารถหาได้จากตารางที่ 6 ผลิตภัณฑ์ PSA-CO สามารถทดแทนก๊าซธรรมชาติได้ประมาณ 4,537 Nm³ต่อชั่วโมง ปริมาณทดแทนต่อปีถึง 3,974×10⁴Nm³เทียบเท่ากับประมาณหนึ่งในสามของปริมาณการใช้ก๊าซธรรมชาติเดิมของเหิงหยาง สตีล ซึ่งจะช่วยบรรเทาและปรับสมดุลความต้องการก๊าซธรรมชาติที่ตึงตัวของเหิงหยาง สตีลได้อย่างมาก ตามสภาวะการทำงานจริง หลังจากหักต้นทุนรวมของอุปกรณ์ โครงการนี้สามารถสร้างรายได้โดยตรงประมาณ 29.46 ล้านหยวนให้แก่เหิงหยาง สตีลในแต่ละปี

4. แนวโน้มในอนาคต

เทคโนโลยีการทำให้บริสุทธิ์ (การเพิ่มความเข้มข้น) ของก๊าซเตาถลุงเหล็กที่พัฒนาโดย PIONEER ได้แก้ปัญหาการปล่อยก๊าซเตาถลุงเหล็กที่สร้างปัญหาให้กับอุตสาหกรรมเหล็กของจีนมาโดยตลอด ลดการสูญเสียพลังงานอย่างมีนัยสำคัญ และสร้างผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจอย่างมากให้แก่กิจการ ผลิตภัณฑ์ CO ที่เพิ่มความเข้มข้นเป็นประมาณ 70% สามารถใช้เป็นก๊าซเผาไหม้หรือก๊าซรีดิวซ์ที่มีค่าความร้อนสูง เพื่อลดการใช้ถ่านหิน ก๊าซธรรมชาติ หรือถ่านหินและโค้ก; CO ที่เพิ่มความเข้มข้นมากกว่า 98.5% สามารถนำไปใช้ในการผลิตเคมีต่อไป เช่น สำหรับการสังเคราะห์เอทิลีนไกลคอล ไดเมทิลคาร์บอเนต กรดอะซิติก เมทานอล TDI DMF และอื่นๆ เทคโนโลยีนี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการปล่อยก๊าซเตาถลุงเหล็ก และบริษัทเหล็กที่มีการจัดหาก๊าซธรรมชาติ ก๊าซปิโตรเลียมเหลว และพลังงานอื่นๆ อย่างจำกัด; โดยเฉพาะอย่างยิ่งในปัจจุบันที่ตลาดเหล็กมีการแข่งขันสูงและปัญหาสิ่งแวดล้อมที่เพิ่มขึ้น เทคโนโลยีนี้มีผลประโยชน์ทางสังคมและเศรษฐกิจที่สำคัญ

อ้างอิง

1 Geng Yunfeng และคณะ วิธีการผลิตเหล็กในเตาหลอมแบบ Blast Furnace: CN 101463398 A

2 Geng Yunfeng และคณะ กระบวนการเพิ่มคุณภาพก๊าซ Blast Furnace: CN102643681A

Tang Hongqing, คาร์บอน- บทนำเทคโนโลยีเคมีใหม่, ปักกิ่ง: สำนักพิมพ์อุตสาหกรรมเคมี, 2009

Zhou Weihan และคณะ การวิเคราะห์สถานะปัจจุบันและมาตรการรับมือการใช้ก๊าซ Blast Furnace ของ Hengyang Steel, การประชุมวิชาการพลังงานและวิศวกรรมความร้อนแห่งชาติ–2010