Способ и устройство для отделения газообразного компонента - RU2519482C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для отделения по меньшей мере одного газообразного компонента из отработанного газа установки для изготовления жидкого чугуна, жидкого стального полуфабриката или губчатого железа.

Более конкретно, настоящее изобретение относится к способу для отделения по меньшей мере одного газообразного компонента из отработанного газа установки для изготовления жидкого чугуна, жидкого стального полуфабриката или губчатого железа, причем на первом этапе поток отработанного газа при первом давлении проходит через по меньшей мере один адсорбционный сепаратор, посредством чего газообразный компонент преобладающим образом отделяется из отработанного газа, и на втором этапе газообразный компонент при втором давлении, которое ниже, чем первое давление, преобладающим образом удаляется из адсорбционного сепаратора.

Устройство для реализации этого способа содержит по меньшей мере один адсорбционный сепаратор и по меньшей мере одно устройство для создания давления десорбции.

Из АТ 41796 А известно устройство для отделения двуокиси углерода из отработанного газа установки для изготовления губчатого железа, которое содержит адсорбционный сепаратор и устройство для создания давления десорбции, причем устройство для создания давления десорбции выполнено как компрессор.

Применение компрессора для создания по возможности низкого давления десорбции не является предпочтительным, потому что компрессор должен проходить техническое обслуживание, обуславливает высокие инвестиционные затраты и затраты энергии, характеризуется большой занимаемой площадью и, кроме того, обуславливает высокую шумовую нагрузку.

Задачей изобретения является создать способ и устройство для отделения по меньшей мере одного газообразного компонента из отработанного газа установки для изготовления жидкого чугуна, жидкого стального полуфабриката или губчатого железа, которое не требует технического обслуживания, обуславливает низкие инвестиционные затраты и затраты энергии и характеризуется незначительной занимаемой площадью.

Указанная задача решается способом, при котором второе давление или давление десорбции вырабатывается по меньшей мере одним струйным насосом, к которому подается поток эжектирующего газа при третьем давлении, которое выше, чем второе давление.

За счет совокупности признаков настоящего изобретения обеспечивается использование отработанного газа установки для изготовления жидкого чугуна, жидкого стального полуфабриката или губчатого железа для создания давления десорбции для адсорбционного сепаратора, обеспечивающего отделение по меньшей мере одного газообразного компонента из упомянутого отработанного газа. Таким образом, энергия отработанного газа эффективно используется для создания давления десорбции и для отделения газообразного компонента из упомянутого отработанного газа.

При отделении по меньшей мере одного газообразного компонента, например двуокиси углерода (CO₂) и/или водяного пара (H₂O) из отработанного газа установки для изготовления жидкого чугуна, жидкого стального полуфабриката или губчатого железа, согласно уровню техники используются, в числе прочего, адсорбционные установки с изменением давления (англ. PSA - адсорбция при переменном давлении или VPSA - вакуумная адсорбция при переменном давлении). Компонентами отработанного газа являются доменный (колошниковый) газ, отходящий газ, избыточный газ или любая смесь этих газов. Термином «доменный газ» обозначается использованный восстановительный газ из доменной печи или восстановительной шахты. Термином «отходящий газ» обозначается использованный восстановительный газ из одного или более реакторов с псевдоожиженным (кипящим) слоем. Под избыточным газом понимается требуемый для регулирования регулирующий газ из правильного газификатора. На первом этапе, так называемой фазе адсорбции, отработанный газ проходит при первом давлении p₁, так называемом давлении адсорбции, через по меньшей мере один адсорбционный сепаратор, благодаря чему газообразный компонент большей частью отделяется из отработанного газа. При этом отделение функционирует тем лучше, чем выше может быть установлено первое давление. Так как поглотительная способность адсорбента, содержащегося в адсорбционном сепараторе, ограничена, то необходимо газообразный компонент на втором этапе, так называемой фазе десорбции, при втором давлении p₂, так называемом давлении десорбции, удалить из адсорбционного сепаратора. Удаление газообразного компонента из адсорбционного сепаратора функционирует тем лучше, чем ниже может быть установлено второе давление.

Согласно соответствующему изобретению способу второе давление создается по меньшей мере одним струйным насосом, причем в патрубок эжектирующего газа струйного насоса подается поток эжектирующего газа при третьем давлении p₃, которое выше, чем второе давление. Впускной патрубок струйного насоса посредством соединительного трубопровода соединен с патрубком десорбции адсорбционного сепаратора; газ, который в фазе десорбции удаляется из одного или более адсорбционных сепараторов, обозначается как остаточный газ. Специалисту известны струйные насосы, часто называемые также эжекторами, инжекторами или соплами Вентури (см., например, http://de.Wikipedia.org/wiki/Strahlpumpe). Применение струйных насосов по сравнению с компрессором для создания давления десорбции имеет следующие преимущества: меньшие затраты на приобретение и энергию, меньшая занимаемая площадь и отсутствие необходимости в техническом обслуживании струйного насоса.

Предпочтительная форма выполнения состоит в том, что в качестве эжектирующего газа для струйного насоса используются либо доменный газ, отходящий газ, избыточный газ, либо смесь из по меньшей мере двух из этих газов. Так как эти газы в типовом случае имеют уровень давления от 0,5 до 5 бар, и это давление согласно уровню техники и без того должно дросселироваться, является предпочтительным применять имеющуюся в эжектирующем газе энергию давления для создания давления десорбции, результатом чего - по сравнению с PSA-установками с компрессорами - являются существенно более низкие эксплуатационные и инвестиционные затраты.

В одной форме выполнения в качестве отработанного газа применяется либо доменный газ, отходящий газ, избыточный газ, либо смесь из по меньшей мере двух этих газов. Является предпочтительным, из отработанного газа отделять двуокись углерода (CO₂) и/или водяной пар (H₂O), за счет чего повышается восстановительный потенциал и/или теплота сгорания отработанного газа. В установках прямого восстановления существенным является повышение восстановительного потенциала отработанного газа, а в доменных печах - как повышение восстановительного потенциала, так и повышение теплоты сгорания отработанного газа.

Для отделения двуокиси углерода и/или водяного пара является предпочтительным применять в адсорбционном сепараторе адсорбент из группы, включающей в себя цеолит, активированную окись кремния, силикагель, активированную окись алюминия, активированный уголь или смесь из по меньшей мере двух из этих веществ.

Содержащаяся в эжектирующем газе энергия давления может непосредственно применяться для десорбции адсорбционного сепаратора, если эжектирующий газ подается под давлением от 0,5 до 5 бар выше давления окружающей среды струйного насоса. Тем самым не требуется никакого согласования уровня давления эжектирующего газа (p₃) с давлением десорбции (p₂); установка давления десорбции осуществляется либо через расход эжектирующего газа, через соотношение площадей струйного насоса, либо через определение параметров и размещение одного или более (например, последовательных) струйных насосов.

При особенно низком давлении десорбции и, тем самым, особенно глубокой десорбции адсорбционного сепаратора и, тем самым, низком остаточном количестве удаляемых газовых компонентов (например, CO₂ и/или H₂O), может быть реализовано то, что эжектирующий газ подается к нескольким размещенным согласно последовательной схеме соединения струйным насосам, благодаря чему газообразный компонент удаляется из адсорбционного сепаратора при пониженном втором давлении.

В другом варианте возможно, что эжектирующий газ подается к нескольким размещенным согласно параллельной схеме соединения струйным насосам, благодаря чему газообразный компонент удаляется из адсорбционного сепаратора при пониженном втором давлении. За счет такого расположения струйных насосов является возможным применение нескольких меньших струйных насосов вместо одного большого струйного насоса.

Для работы адсорбционной установки с изменением давления является предпочтительным нагружать адсорбционный сепаратор в фазе адсорбции первым давлением, понижать давление в адсорбционном сепараторе на первой переходной фазе с одним или несколькими промежуточными давлениями от первого на второе давление или давление, которое несколько выше второго давления, нагружать адсорбционный сепаратор в фазе десорбции вторым давлением и затем давление на второй переходной фазе в адсорбционном сепараторе повышать с одним или несколькими промежуточными давлениями от второго до первого давления. Тем самым предотвращается быстрое изменение давления, что положительно действует на эффективность адсорбции, так как меньше газовых компонентов, состоящих из окиси углерода (CO) и водорода (H₂), теряются в остаточном газе, и, кроме того, снижается нагрузка давлением адсорбционного сепаратора, а также нагрузка изменяющимся давлением распределительных оснований и генерация шума.

Особенно предпочтительным является непрерывное изменение давления десорбции в адсорбционном сепараторе. В качестве альтернативы, давление также может изменяться дискретно, то есть ступенчато, например, посредством регулирования подачи эжектирующего газа в струйный насос.

Давление можно особенно точно установить, если второе давление или давление десорбции определяется посредством измерительного устройства и подается на регулятор, регулятор на основе закона регулирования и с учетом заданного значения определяет параметр регулирования и подает на элемент регулирования, при этом поток эжектирующего газа для струйного насоса изменяется таким образом, что давление по возможности соответствует заданному значению для давления десорбции.

Для того чтобы обеспечить по возможности непосредственную реализацию соответствующего изобретению способа, которая решает задачу, лежащую в основе изобретения, является предпочтительным, что устройство для создания давления десорбции выполнено как струйный насос с соединительным трубопроводом между патрубком десорбции адсорбционного сепаратора и впускным патрубком струйного насоса.

В предпочтительной форме выполнения патрубок эжектирующего газа струйного насоса соединен с трубопроводом для доменного газа, отходящего газа, избыточного газа или смеси из по меньшей мере двух этих газов установки для изготовления жидкого чугуна, жидкого стального полуфабриката или губчатого железа.

Особенно низкое давление десорбции и, тем самым, особенно глубокая десорбция адсорбционного сепаратора может быть реализована, если несколько струйных насосов расположены по схеме последовательного соединения, причем впускной патрубок первого струйного насоса соединен с патрубком десорбции адсорбционного сепаратора, соответствующий патрубок, находящийся под давлением предыдущего струйного насоса, соединен с впускным патрубком последующего струйного насоса, и все патрубки эжектирующего газа соединены с трубопроводом для доменного газа, отходящего газа, избыточного газа или смеси из по меньшей мере двух этих газов установки для изготовления жидкого чугуна, жидкого стального полуфабриката или губчатого железа.

Другой вариант осуществления состоит в том, что несколько струйных насосов расположены по схеме параллельного соединения, причем все впускные патрубки соединены с патрубком десорбции адсорбционного сепаратора, а все патрубки эжектирующего газа - с трубопроводом для доменного газа, отходящего газа, избыточного газа или смеси из по меньшей мере двух этих газов установки для изготовления жидкого чугуна, жидкого стального полуфабриката или губчатого железа.

Разумеется, также возможно, что устройство содержит комбинацию схем последовательного и параллельного соединения струйных насосов. В возможной форме выполнения эжектирующий газ подается к нескольким, расположенным по схеме последовательного соединения струйных насосов, причем каждый элемент схемы последовательного соединения состоит из нескольких расположенных по схеме параллельного соединения струйных насосов. В этом случае эжектирующий газ, поданный на один элемент схемы последовательного соединения, распределяется по струйным насосам, включенным в схему параллельного соединения. Посредством параллельного соединения нескольких струйных насосов повышается общая скорость откачки, благодаря чему становится возможным применять меньшие струйные насосы, без необходимости согласования их величины с требуемой общей скоростью откачки (масштабируемость). За счет последовательного соединения нескольких струйных насосов снижается достижимая общая скорость откачки.

Для того чтобы на переходной фазе иметь возможность устанавливать давление в адсорбционном сепараторе особенно точно, является предпочтительным, что устройство дополнительно содержит устройство измерения для определения давления десорбции, устройство регулирования и элемент регулирования в трубопроводе эжектирующего газа струйного насоса.

Другие преимущества и признаки настоящего изобретения следуют из последующего описания неограничительных вариантов выполнения со ссылками на чертежи, где показано следующее:

Фиг.1 - схематичное представление плавильно-восстановительной установки на основе рудной мелочи с адсорбционной установкой с изменением давления для отделения CO₂ и H₂O,

Фиг.2 - схематичное представление адсорбционной установки с изменением давления для отделения CO₂ и H₂O,

Фиг.3 - схематичное представление доменной печи с адсорбционной установкой с изменением давления для отделения CO₂ и H₂O,

Фиг.4 - два схематичных представления струйных насосов,

Фиг.5 - схематичное представление последовательного соединения струйных насосов,

Фиг.6 - схематичное представление параллельного соединения струйных насосов.

На фиг.1 показана плавильно-восстановительная установка для выработки жидкого чугуна на основе рудной мелочи. При этом рудная мелочь предварительно восстанавливается, при необходимости с инертными добавками, в каскаде из нескольких реакторов 3 для предварительного восстановления (показаны четыре реактора с псевдоожиженным слоем, также возможны два или три реактора) и затем загружается в восстановительный реактор 2. В восстановительном реакторе 2 осуществляется дополнительное восстановление и предварительный нагрев загруженных веществ. Однако также возможно отказаться от дополнительного восстановления в восстановительном реакторе 2, благодаря чему газопромыватель 4 и трубопровод для доменного газа 13 могут отсутствовать. Предварительное восстановление в реакторе 3 для предварительного восстановления или восстановление в восстановительном реакторе 2 осуществляется посредством генерируемого в плавильном газификаторе 1 восстановительного газа 9, который после удаления пыли направляется в восстановительный реактор 2 и последовательно друг за другом через отдельные реакторы 3 для предварительного восстановления. Превышающее количество газа либо после промывки газа в газопромывателе 4b и сжатия с помощью компрессора 5b как охлаждающий газ 18 смешивается с очищенным отработанным газом 15, либо вновь после промывки газа в газопромывателе 4с применяется как избыточный газ 11. Чтобы повысить энергетическую эффективность всего процесса, трубопровод для охлаждающего газа 18 с газопромывателем 4b и компрессором 5b может отсутствовать. Отходящий газ 10 в его направлении истечения выводится из последнего реактора 3 для предварительного восстановления и промывается в газопромывателе 4a.

Отработанный газ 14 плавильно-восстановительной установки состоит из первого частичного количества отходящего газа 10, который ответвляется перед регулятором 23 давления, из доменного газа 13 и из избыточного газа 11. Регулятор 23 давления имеет задачу поддерживать постоянным давление отходящего газа 10 и регулировать предварительное давление для компрессора 5a и эжектирующего газа; второе частичное количество отходящего газа 10 подается на струйный насос 7 в качестве эжектирующего газа. Отработанный газ 14 сжимается с помощью компрессора 5a, охлаждается посредством газоохладителя 26 и при первом давлении p₁ подается на по меньшей мере один адсорбционный сепаратор адсорбционной установки 6 с изменением давления для отделения двуокиси углерода (CO₂) и/или водяного пара (H₂O). Отработанный газ 15, очищенный путем отделения CO₂ и/или H₂O, затем смешивается с восстановительным газом 9 и далее применяется в процессе; при этом не играет никакой роли, добавляется ли очищенный отработанный газ 15 перед или после циклона (очистителя) горячего газа.

В не показанной на чертежах форме выполнения очищенный отработанный газ 15 или частичное его количество может нагреваться с помощью нагревательного устройства. Посредством протекания эжектирующего газа через струйный насос 7 под третьим давлением p₃ вырабатывается второе давление p₂ или давление десорбции (p₂3 и p₂1), которое применяется для удаления отделенных двуокиси углерода и/или водяного пара из адсорбционного сепаратора адсорбционной установки 6 с изменением давления. Для этого патрубок десорбции адсорбционного сепаратора через соединительный трубопровод 8 для остаточного газа соединен с впускным патрубком струйного насоса. В не показанной на чертежах форме выполнения может быть предусмотрен трубопровод с запорным элементом между соединительным трубопроводом 8 и трубопроводом для отводимого газа в зоне после струйного насоса 7, который, например, при запуске плавильно-восстановительной установки запирается, за счет чего при запуске получается более низкое давление отводимого газа 12; в нормальном режиме этот трубопровод заперт.

Выработка давления десорбции за счет протекания через струйный насос 7 эжектирующего газа имеет следующие преимущества: отсутствие обслуживания струйного насоса, в частности отсутствие подвижных частей, меньшая занимаемая площадь и меньшие затраты на приобретение по сравнению с компрессором и, кроме того, отсутствие энергетических затрат. Другое преимущество состоит в том, что отходящий газ, или доменный газ, или избыточный газ в установке согласно уровню техники и без того должен дросселироваться до давления окружающей среды. В соответствующем изобретению способе энергия давления отработанного газа применяется для того, чтобы вырабатывать давление десорбции, и предоставляется в распоряжение как отводимый газ 12.

Фиг.2 показывает форму выполнения адсорбционной установки 6 с изменением давления с двумя адсорбционными сепараторами 16a и 16b. Подаваемый в адсорбционную установку 6 с изменением давления отработанный газ 14 состоит, как и в случае фиг.1, из частичного количества отходящего газа 10, избыточного газа 11 и доменного газа 13. Как показано, вентили 17a и 17b открыты, и вентиль 17f закрыт, то есть адсорбционный сепаратор 16a находится в фазе адсорбции и отделяет CO₂ и/или H₂O из сжатого отработанного газа 14. Очищенный таким образом отработанный газ 15 может, как показано на фиг.1, смешиваться с восстановительным газом или применяться, при необходимости после нагрева, как восстановительный газ. Вентили 17c и 17d закрыты, и вентиль 17e открыт, то есть адсорбционный сепаратор 16b находится в фазе десорбции. Выработка давления десорбции осуществляется посредством струйного насоса 7, через который протекает эжектирующий газ 28 (частичный поток отходящего газа 10). После протекания через струйный насос 7 отходящий газ 10 и полученный через соединительный трубопровод 8 остаточный газ предоставляются в распоряжение в качестве отводимого газа. Если поглощающая способность адсорбента в адсорбционном сепараторе существенно истощена и/или адсорбционный сепаратор 16b существенно десорбирован, то вентили 17a, 17b и 17e запираются, а вентили 17c, 17d и 17f отпираются. Отпирание или запирание вентилей может осуществляться быстро или дискретно, либо также медленно или непрерывно. За счет переключения вентилей адсорбционный сепаратор 16a переводится в фазу десорбции, а адсорбционный сепаратор 16b - в фазу адсорбции. На чертеже представлены места сопряжения с другими частями установки посредством штрихпунктирных линий.

Фиг.3 показывает представление доменной печи 24 для изготовления чугуна с адсорбционной установкой 6 с изменением давления. Чугун изготавливается в доменной печи 24 при подаче кислородсодержащего газа (предпочтительно >80% O₂) и загрузке кокса и руды. Частичное количество отработанного газа 10 доменной печи 24, так называемый доменный газ 13, ответвляется перед регулятором 23 давления и после повышения давления посредством компрессора 5 и охлаждения в газоохладителе 26 подается в адсорбционную установку 6 с изменением давления при первом давлении p₁. Частичное количество доменного газа 13 подается в качестве эжектирующего газа 28 в струйный насос 7 при третьем давлении p₃, который вырабатывает второе давление p₂ или давление десорбции для удаления CO₂ и/или H₂O из адсорбционного сепаратора адсорбционной установки 6 с изменением давления. При этом вновь справедливы соотношения p₂1 и p₂3.

Адсорбционная установка 6 с изменением давления отделяет от отработанного газа CO₂ и/или H₂O, так что очищенный отработанный газ 15 имеет более высокий восстановительный потенциал и более высокую теплоту сгорания. Этот газ после необязательного предварительного нагрева подается в восстановительную газовую печь 25 и доменную печь 24, например, через фурмы или кислородные форсунки или в шахту доменной печи выше зоны сцепления. Выводимый газ 12, состоящий из эжектирующего газа 28, остаточного газа в соединительном трубопроводе 8 и остающегося отработанного газа, промежуточным образом сохраняется в газгольдере 27, откуда он подается на термическую утилизацию. Относительно деталей адсорбционной установки 6 с изменением давления можно сослаться на фиг.2. Выработка давления десорбции посредством протекания через струйный насос 7 эжектирующего газа 28 имеет вновь следующие преимущества: отсутствие обслуживания струйного насоса, в частности отсутствие подвижных частей, меньшая занимаемая площадь и меньшие затраты на приобретение по сравнению с компрессором и, кроме того, отсутствие энергетических затрат.

Фиг.4 показывает два схематичных представления струйных насосов. Левое представление показывает струйный насос 7, причем патрубок 21 эжектирующего газа и патрубок 19, находящийся под давлением, расположены на одной оси. Впускной парубок 20 расположен под прямым углом к оси патрубка эжектирующего газа - патрубка, находящегося под давлением. На правом представлении впускной патрубок 20 и патрубок 19, находящийся под давлением, расположены на одной оси, а патрубок 21 эжектирующего газа расположен под прямым углом к этой оси. Для обоих представлений имеет место то, что впускной патрубок 20 соединен с зоной наиболее узкого поперечного сечения потока струйного насоса и что патрубок 21 эжектирующего газа нагружается эжектирующим газом под давлением p₃, за счет чего во впускном патрубке 20 устанавливается давление p₂, для которого справедливо p₂3.

Фиг.5 показывает схематичное представление схемы последовательного соединения двух струйных насосов 7a и 7b. Соединительный трубопровод 8 для остаточного газа соединяет впускной патрубок 20 струйного насоса 7a с патрубком 22 десорбции адсорбционного сепаратора 16. Патрубок, находящийся под давлением струйного насоса 7a, соединен с впускным патрубком струйного насоса 7b, за счет чего может достигаться особенно низкое давление десорбции. Оба струйных насоса 7a и 7b посредством патрубка 21 эжектирующего газа снабжаются эжектирующим газом.

На фиг.6 показано схематичное представление схемы параллельного соединения двух струйных насосов 7. Два соединительных трубопровода 8 для остаточного газа соединяют соответствующий впускной патрубок 20 обоих струйных насосов 7 с патрубком 22 десорбции адсорбционного сепаратора 16. Оба струйных насоса 7 посредством их патрубков 21 эжектирующего газа снабжаются эжектирующим газом, за счет чего эжектирующий газ 28 распределяется на два меньших струйных насоса. К тому же возможна более простая установка (управление или регулирование) давления десорбции за счет изменения количества эжектирующего газа.

Соответствующий изобретению способ или применение соответствующего изобретению устройства не ограничивается установками FINEX® (фиг.1) или доменными печами (фиг.3); напротив, также является полезным применение в установках прямого восстановления на природном газе (например, типа HYL® (или FINMET®), в установках COREX®, а также в комбинированных установках прямого восстановления.

Перечень ссылочных позиций

1 плавильный газогенератор

2 восстановительный реактор

3 каскад реакторов для предварительного восстановления

4 газопромыватель

5 компрессор

6 адсорбционная установка с изменением давления

7 струйный насос

8 соединительный трубопровод

9 восстановительный газ

10 отходящий газ

11 избыточный газ

12 выводимый газ

13 доменный газ

14 отработанный газ

15 очищенный газ

16 адсорбционный сепаратор

17 вентиль

18 охлаждающий газ

19 патрубок, находящийся под давлением

20 впускной патрубок

21 патрубок эжектирующего газа

22 патрубок десорбции

23 регулятор давления

24 доменная печь

25 восстановительная газовая печь

26 газоохладитель

27 газгольдер

28 эжектирующий газ

Реферат

Изобретение относится к способу и устройству для отделения по меньшей мере одного газообразного компонента из отработанного газа установки для изготовления жидкого чугуна, жидкого стального полуфабриката или губчатого железа. На первом этапе поток отработанного газа при первом давлении проходит через, по меньшей мере, один адсорбционный сепаратор, посредством чего газообразный компонент преобладающим образом отделяется из отработанного газа. На втором этапе газообразный компонент при втором давлении, которое ниже, чем первое давление, преобладающим образом удаляется из адсорбционного сепаратора. Изобретение позволяет создать способ и устройство, которое не требует технического обслуживания, обуславливает низкие инвестиционные затраты и затраты энергии и характеризуется незначительной занимаемой площадью. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула