Способ обработки содержащего диоксид углерода отходящего газа с процесса электроплавки - RU2601981C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к способу обработки содержащего диоксид углерода отходящего газа с процесса электроплавки согласно пункту 1 формулы изобретения.

При работе традиционных электродуговых печей (EAF = electric arc furnace) выделяются горячие отходящие газы с температурой выше 1000°C. Для удаления вредных веществ и остатков горючих компонентов газ сначала подвергают дожиганию. Затем отходящие газы смешивают с воздухом из окружения печи, то есть с так называемым цеховым воздухом, который имеет очень высокое содержание пыли. В электростатическом пылеуловителе или в рукавной фильтрующей установке из отходящего газа удаляют всю пыль. Для этого отходящий газ перед фильтрацией должен быть охлажден до температуры ниже 180°.

В шахтной дуговой печи энтальпия печного газа используется для нагревания лома. В результате этого возникают высокие концентрации вредных веществ (например, VOC (летучие органические соединения), диоксин, фуран или подобное), так что необходимо дожигание для уничтожения этих вредных веществ. После этого отходящие газы нужно быстро охладить (погасить), чтобы предотвратить новое образование вредных веществ. Затем, как описано выше, проводится также обеспыливание. Согласно уровню техники, теплота у отходящего газа отбирается путем охлаждения водой и/или смешением с более холодным запыленным воздухом цеха и дальше не используется. Отходящее тепло отводится и в других процессах не применятся. В известных случаях на некоторых установках применяется теплообменник, чтобы использовать отходящий газ для генерации пара. В частности, содержащийся в отходящих газах диоксид углерода не подвергают конверсии, а выбрасывают через дымовую трубу в окружающую среду.

Японский патент JP 2010223573 раскрывает способ обработки отходящего газа с производства чугуна или стали, например, из электродуговой печи. Газ, содержащий диоксид углерода, в результате эндотермической реакции с углеводородсодержащим газом, например метаном, превращается в моноксид углерода и водород. Образующийся газ применяется дальше в качестве горючего газа.

Далее в документе US 3976472A раскрывается способ получения металла в электропечи. Газ, содержащий диоксид углерода, в результате реакции, например, с водой и/или углеводородами охлаждается с образованием монооксида углерода и водорода.

Задача изобретения состоит в том, чтобы лучше, по сравнению с уровнем техники, использовать отходящее тепло, образующееся при работе электродуговой печи, и одновременно снизить выброс образующегося в процессе CO₂.

Задача решена способом с отличительными признаками согласно п.1 формулы изобретения. После предлагаемого изобретением способа обработки содержащего диоксид углерода отходящего газа с процесса плавки железного лома в отходящий газ подают углеводородсодержащий газ. Этот углеводородсодержащий газ участвует в реакции, по меньшей мере частично, с диоксидом углерода, имеющимся в отходящем газе, с образованием моноксида углерода и водорода. Эту смесь моноксид углерода/водород предпочтительно без дополнительного разделения, вместе с остальными компонентами отходящего газа применяют в дополнительном процессе горения, причем до этого она может при необходимости где-то временно храниться. Этот дополнительный процесс горения может, но не обязательно должен, быть неизбежным компонентом способа, в котором образуется обработанный отходящий газ.

Благодаря способу согласно изобретению образующийся диоксид углерода (CO₂) восстанавливается и в химически преобразованной форме снова подается на процесс горения.

Этот способ целесообразен, в частности, тогда, когда диоксид углерода в отходящем газе вступает в эндотермическую реакцию с углеводородсодержащим газом, и отходящий газ в результате этой реакции охлаждается. Смесь моноксид углерода/водород (для простоты называемая далее горючим газом) имеет в предпочтительной форме осуществления более высокую теплотворную способность, чем введенный углеводородсодержащий газ (называемый далее газом риформинга). Это ведет к уже упоминавшейся выгодной эндотермической реакции.

Таким образом, благодаря изобретению существенная часть экологически вредного диоксида углерода удаляется из отходящего газа, и он может в преобразованной форме подаваться на следующий процесс горения как горючий газ. Тем самым тепловая энергия отходящего газа превращается в химическую энергию образованного горючего газа.

Оказалось целесообразным в качестве углеводородсодержащего газа риформинга использовать метан, в частности, в виде природного газа. При этом для улавливания диоксида углерода запускается сильно эндотермическая реакция, которая ведет к образованию моноксида углерода и водорода.

В следующей предпочтительной форме осуществления изобретения в описанном способе обработки отходящего газа используется электродуговая печь.

В следующей подробно описываемой форме осуществления способа он включает следующие этапы: в отходящий газ, предпочтительно с процесса электроплавки (например, электроплавки лома) подают воздух, далее проводится процесс дожигания с применением горючего газа, затем в отходящий газ добавляют углеводородсодержащий газ, то есть газ риформинга, и идет реакция превращения газа риформинга в смесь моноксид углерода/водород (далее называемая сухим риформингом). Далее следует охлаждение отходящего газа в процессе теплообмена, а также последующая фильтрация охлажденного отходящего газа.

В следующей форме осуществления изобретения горючий газ временно хранится в предусмотренном для этого газовом резервуаре. Таким образом, его можно использовать для различных других процессов горения, в том числе для процесса дожигания, и целенаправленно вводить по потребности.

В одной форме осуществления изобретения в отходящий газ, помимо газа риформинга, можно добавлять также воду, предпочтительно в виде пара. В результате добавления дополнительной воды изменяется отношение моноксида углерода к водороду, что целесообразно для различных применений в качестве горючего газа.

В следующей предпочтительной форме осуществления отходящий газ может контролироваться с помощью газового датчика в целях регулирования подачи газа риформинга.

Следующие выгодные варианты осуществления и отличительные признаки изобретения подробнее поясняются на следующих чертежах.

При этом показано:

фигура 1: схематическое изображение процесса плавки железного лома и обработки его отходящих газов с введением сухого риформинга,

фигура 2: блок-схема для иллюстрации процесса обработки отходящего газа при плавке железного лома, согласно уровню техники, и

фигура 3: блок-схема процесса обработки отходящего газа, включающего сухой риформинг, в сравнении с фигурой 2.

Далее посредством фигуры 1 подробнее поясняется последовательность обработки отходящего газа, которая применяется при плавке железного лома. После выхода из электродуговой печи 6 образованный в ней отходящий газ, содержащий CO₂, проводится в газоотводный канал. Датчик 14 отходящего газа отслеживает отдельные химические компоненты отходящего газа, в частности, содержание CO₂ в отходящем газе. Здесь не показано, но отходящий газ 2 применяется еще для того, чтобы нагревать следующий лом, подаваемый в электродуговую печь 6. При этом подводимые в отходящий газ ядовитые вещества, такие как диоксин, химически преобразуются в процессе дожигания 8 и тем самым становятся безвредными. Далее идет процесс сухого риформинга 16, в котором в отходящий газ 2 подается газ риформинга 4, при этом диоксид углерода восстанавливается до моноксида углерода. На этом процессе остановимся еще более детально позднее. После процесса риформинга 16 (называемого также сухим риформингом) идет процесс теплообмена 10, на котором отходящий газ 2 охлаждается. Горючий газ 5, как правило, без предшествующего отделения от других компонентов отходящего газа вместе с ними временно хранится в газовом резервуаре 12 и может снова подаваться, например, на процесс дожигания 8 как горючий газ 5. Равным образом горючий газ 12 может использоваться как аккумулятор энергии для дополнительных тепловых процессов, в частности, процессов, которые протекают при производстве стали.

Если никакой горючий газ не создается и не хранится, то отходящий газ 2 вместе с запыленным цеховым воздухом 20 смешивают в смесительной камере 18, и затем из отходящего газа 2 в фильтре 22 удаляется пыль. В различных фильтрующих установках температура газа не должна превышать 180°C. Газодувка 26 направляет отходящий газ 2 в дымовую печь 24.

Отходящий газ 2 после выхода из электродуговой печи имеет, в зависимости от рабочих параметров, разное содержание диоксида углерода. Поэтому датчиком 14 измеряют содержание диоксида углерода в отходящем газе 2 и тем самым регулируют добавление газа риформинга 4 в отходящий газ 2. Газ риформинга 4, в качестве которого может применяться, например, природный газ с высоким содержанием метана, по меньшей мере частично реагирует с диоксидом углерода из отходящего газа 2 согласно следующему уравнению реакции (сухой риформинг 16).

Эта реакция является эндотермической, на один моль отбирается 250 кДж тепловой энергии из окружающей среды, то есть из отходящего газа 2. Таким образом, тепловая энергия в результате реакции преобразуется и аккумулируется в образованном горючем газе 5 (CO+H₂, называемый также синтез-газом) как химическая энергия. Таким образом, тепловая энергия превращается в химическую энергию, так как горючий газ 7, образующийся согласно уравнению 1, имеет более высокую теплотворную способность, чем использовавшийся первоначально газ риформинга (метан).

Отдельные значения теплоты сгорания для исходных веществ и продуктов следующие:

CH₄: 55,5 МДж/кг=888 МДж/кмоль

CO: 10,1 МДж/кг=283 МДж/кмоль

H₂: 143 МДж/кг=286 МДж/кмоль.

Теплотворная способность смеси, состоящей из 2 молей моноксида углерода и 2 молей H₂, выше теплоты сгорания одного моля CH₄ (метан), на вышеназванную энтальпию реакции 250 кДж/моль. Повышение теплотворной способности составляет тем самым 28% от вносимой теплотворной способности метана (250 кДж/моль: 888 кДж/моль).

В зависимости от применения горючего газа 5 может иметь смысл сдвинуть отношение CO:H₂ в пользу водорода. В этом случае вводят воду (предпочтительно в форме пара), при необходимости также в линию 7 подачи газа риформинга. Тем самым возможна экзотермическая реакция сдвига CO

вследствие чего изменяется отношение H₂ к CO. Хотя из-за этого аккумулируется меньше отходящего тепла (так как здесь речь идет о экзотермической реакции), но достигается более высокое содержание H₂ в горючем газе 5, что в некоторых процессах горения выгодно. Это соответствует, в частности, случаю, когда в этих процессах горения теплоперенос происходит посредством излучения, а не конвекцией. В результате сгорания H₂ в отходящем газе 2 получается повышенное содержание воды, которая благодаря ее широкому диапазону излучения благоприятствует теплопереносу.

На фигурах 2 и 3 только что описанный способ обработки отходящего газа сравнивается на двух противопоставляемых блок-схемах. Фигура 2 показывает обработку отходящего газа согласно уровню техники, а фигура 3 показывает введение сухого риформинга и следующие из этого улучшения.

После выхода из электроплавильной печи 6 отходящий газ 2 проводят на дожигание 8, причем вместе с ним вводят воздух 3. В следующем процессе теплообмена 10 отдается энергия Q1 на теплообменную среду. В смесительной камере 18 проводится смешение с запыленным воздухом 20, причем весь отходящий газ фильтруется затем на фильтрующей установке 22 и выбрасывается через дымовую трубу в атмосферу со всем накопившимся содержанием диоксида.

Способ обработки отходящего газа с применением сухого риформинга, согласно фигуре 3, отличается от способа с фигуры 2 тем, что между процессом дожигания 8 и процессом теплообмена 10 введен процесс сухого риформинга 16, причем газ риформинга 4 добавляют в отходящий газ 2, и имеет место эндотермическая реакция с восстановлением диоксида углерода. Первое различие с фигурой 2 состоит в том, что количество теплоты Q2, отдаваемой в процессе теплообмена 10, меньше, чем количество теплоты Q1 согласно уровню техники. Это следует из того, что в результате эндотермического сухого риформинга 16 из отходящего газа 2 отбирается больше тепловой энергии, чем это имеет место согласно уровню техники.

Далее отходящий газ 2 временно хранится вместе с горючим газом 5 в газовом резервуаре 12. Горючий газ 5 можно использовать для процесса дожигания 8 и при этом по меньшей мере частично заменять применяющийся согласно уровню техники природный газ. Полное количество диоксида углерода, выделяемого через дымовую трубу 24, в настоящем способе заметно меньше, чем имеет место согласно уровню техники.

Отходящие газы электроплавильных печей 6 имеют при работе в длительном периоде (>50%) очень низкие концентрации моноксида углерода CO (~5%) и CO₂ (<10%). В этот период работы использование вышеописанного сухого риформинга природного газа оправдано лишь условно, так как нельзя образовать достаточно высокую долю горючих компонентов в отходящем газе. Причина этого в том, что электроплавильная печь 6 обычно подсасывает воздух через неплотности (например, через дверцу для шлака или через отверстия в электродах), и отходящий газ поэтому имеет относительно высокую концентрацию кислорода и азота. На других фазах производства отходящий газ перед дожиганием может содержать от 20% до 50% моноксида углерода и от 10% до 15% диоксида углерода. Затем после дожигания имеется достаточно диоксида углерода, чтобы в описанном процессе сухого риформинга 16 создать отходящий газ с достаточно высокой долей синтез-газа, который, как описано, подходит для использования для тепловых нужд на сталеплавильном заводе. Применение способа по изобретению особенно целесообразно в последней производственной фазе.

Внутренняя энергия образованного горючего газа (синтез-газа) может использоваться на подходящем оборудовании сталеплавильного завода. Он может применяться, например, для производства электроэнергии на электростанции, для образования технологического пара (при необходимости в комбинации с производством электроэнергии) или в качестве горючего газа для предварительного нагрева слябов, болванок и слитков в элеваторной печи или методической печи (EAF, сушка и нагрев слябов, нагревательные участки, распределители, установки непрерывной разливки).

Реферат

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при обработке содержащего диоксид углерода отходящего газа с процесса электроплавки. Способ включает дожигание отходящего газа с использованием горючего газа, добавление углеводородсодержащего газа в отходящий газ и конверсию диоксид углерода отходящего газа по меньшей мере частично в моноксид углерода и водород, охлаждение отходящего газа в процессе теплообмена и использование смеси моноксида углерода с водородом для тепловых нужд. Изобретение позволяет улучшить улавливание отходящего газа, образующегося при работе электродуговой печи и одновременно снизить выбросы образующегося в процессе плавки диоксида углерода. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула