Левицкая
Елена Александровна
коксового газа в горн доменной печи"
Автореферат
|
|
Введение
Основной задачей доменного производства является обеспечение народного хозяйства требуемым количеством металла заданного качества при максимальном коксо- и энергосбережении в условиях возрастающих требований по экологии.
Коксовый газ имеет наибольшую теплоту сгорания из всех искусственных (доменного, конверторного, генераторного и других). На необходимость широкого его применения в металлургическом производстве указывал еще в конце прошлого века Д. И. Менделеев.
Предложение об использовании коксового газа для вдувания в горн доменной печи совместно с кислородным дутьем было высказано М. А. Шаповаловым в 1938г., а первые опыты применения такой технологии были проведены под руководством Б. Н. Жеребина на Кузнецком металлургическом комбинате в 1957 – 1958гг. и продолжены в 1962 году.
В связи с высокой эффективностью применения природного газа в доменных печах и сравнительной технической простатой реализации этой технологии, начиная с 1957г., основное внимание доменщиков было уделено расширению ее использования в отрасли, в том числе с глубоким обогащением дутья кислородом.
По мере возрастания ценности природного газа как химического сырья и осложнений в эффективном использовании последующих его порции в доменных печах повышался интерес к использованию коксового газа. Вдувание коксового газа в горн доменной печи будет способствовать росту косвенного восстановления железа с соответственным уменьшением потребности печи в тепле, а следовательно, и в коксе.
Так как в нашей стране нет собственных ресурсов природного газа, а коксовый газ сгорает на свечах коксовых батарей и загрязняет окружающую среду, данная технология является актуальной. Опыты вдувания коксового газа были на Украине в 1962 - 1989гг. В настоящее время коксовый газ не применяют в доменных печах, потому что для вдувания коксового газа в доменную печь необходима специальная очистка коксового газа от сероводорода и нафталина.
Целью магистерской работы является разработка внедрения технологии вдувания коксового газа в горн доменной печи с целью экономии кокса и улучшению экологической обстановки коксохимических предприятий.
Задачи: исследование влияния вдувания коксового газа на расход кокса, производительность доменной печи и расход природного газа, а также разработка рациональной схемы очистки коксового газа перед подачей в доменную печь. В настоящей работе рассматриваются основные аспекты новой технологии – технические, технологические, экономические и экологические, а также представлены эффективные методы очистки коксового газа.
Характеристика коксового газа
Основные компоненты коксового газа характеризуются следующими свойствами.
Сероводород H2S – бесцветный газ с сильным запахом тухлых яиц, молекулярная масса 34,07, плотность – 1,52 кг/м3, низшая теплота сгорания – 23,4 МДж/м3, пределы взрываемости – 4,3 – 45,5%, температура воспламенения 3640С. Хорошо растворим в воде, растворимость повышается с понижением температуры воды. Вязкость 1,177*10-5 Па*с. Очень ядовит, предельно допустимая концентрация его в помещениях – 0,01 г/м3 воздуха; при концентрациях 0,04 г/м3 вреден, при 0,1 г/м3 – смертелен[1].
По техническим условиям, действующим в настоящее время, допустимое содержание H2S в коксовом газе для вдувания в доменные печи – 300 см3/м3, фактическое – от 100 до 300 см3/м3, или от 0,152 до 0,456 г/м3.
Водород H2 – бесцветный газ без запаха, молекулярная масса 2,016, плотность – 0,0899 кг/м3. Является самым легким газом – в 14,5 раза легче воздуха, плохо растворим в воде. Вязкость 0,866*10-5 Па*с, низшая теплота сгорания – 10,8 МДж/м3, температура воспламенения – 580 – 590 0С. Высшая скорость воспламенения в смеси с воздухом – 267 см/с, что превосходит скорость горения других газов, пределы взрываемости – от 4,2 до 74%.
Метан СН4 – бесцветный газ, обладающий в чистом виде слабым запахом лука, молекулярная масса – 16,04, плотность – 0,717 кг/м3, плохо растворим в воде, вязкость – 1,057*10-6 Па*с, низшая теплота сгорания – 35,84 МДж/м3, пределы взрываемости – 5,4 – 15%.
Оксид углерода СО – газ без цвета и запаха, молекулярная масса – 28, плотность – 1,25 кг/м3, слабо растворим в воде, низшая теплотворная способность – 12,73 МДж/м3, пределы взрываемости в смеси с воздухом от 12 до 75%, температура воспламенения 644 – 6580С. Температуру воспламенения снижают небольшие количества паров Н2О в смеси газов, скорость воспламенения с воздухом – 33 см/с, вязкость – 1,686*10-5 Па*с, очень ядовит.
Этан С2Н6 – газ без цвета и запаха, молекулярная масса – 30,07, плотность – 1,356 кг/м3, плохо растворим в воде, температура воспламенения – 520 – 630 0С. Горит бесцветным слабо светящимся пламенем, пределы взрываемости с воздухом – 3 – 15%, низшая теплота сгорания – 64МДж/м3.
Металлургическая ценность коксового газа, вдуваемого в доменные печи, может быть определена по его химическому составу, свойствам и параметрам вдувания.
Коксовый газ содержит в 3,5 раза меньшее количество углеводородов, чем природный газ (25 – 29%), что способствует более полному протеканию процесса конверсии в фурменных очагах и позволяет увеличить общее количество подаваемых печь восстановительных компонентов. Химические составы коксового и природного газа представлены в таблице 1[1].
Таблица 1 – Химический состав коксового и природного газов
| Компоненты газа | Содержание компонентов в газе, % | |||||
коксовом |
природном | |||||
| Диоксид углерода | 1,8 |
0,19 | ||||
| Кислород | 1,9 |
1,58 | ||||
| Оксид углерода | 5,4 |
---- | ||||
| Водород | 62,8 |
---- | ||||
| Метан | 25,6 |
92,58 | ||||
| Тяжелые углеводороды | 2,1 |
5,9 | ||||
| Влага | 5 |
---- | ||||
| Сероводород | 0,5 |
---- | ||||
| Теплота сгорания, МДж/м3 | 20 |
39,15 | ||||
Это преимущество может реализовано в двух направлениях. При подаче 1,9 – 2 м3 коксового газа взамен каждого 1 м3 природного, когда количество восстановительных компонентов дутьевых добавок сохраняется на одном уровне, сокращается расход кислорода дутья на сжигание углеводородов и возрастает доля его, расходуемая на сжигание кокса. В результате этого повышается скорость опускания кокса в фурменные очаги и разрыхляется коксовая насадка в этой области – явление, аналогичное наблюдаемому при повышении концентрации кислорода в дутье. Разрыхление коксовой насадки способствует лучшей работе газового потока и повышению интенсивности плавки.
Если увеличить расход коксового газа до 2 – 3,5 м3 взамен каждого 1 м3 природного газа количество кислорода увеличивается на сжигание углеводородов и разрыхленность коксовой насадки повышается в меньшей мере. Однако за счет ввода в печь большего количества восстановителей может быть получена дополнительная экономия кокса.
Другим преимуществом коксового газа над природным является его больший исходный объем, приходящийся на единицу образующихся в печи восстановителей. Это определяет более высокую энергию истечения струи коксового газа в поток дутья по сравнению со струей природного газа, что способствует лучшему внедрению ее в дутьевой поток. Это может дать дополнительный положительный эффект от замены природного газа коксовым газом.
Подготовка коксового газа к подаче в доменную печь
Коксовый газ перед подачей в доменную печь необходимо подвергнуть дополнительной очистки от сероводорода и нафталина. Некоторые методы очистки коксового газа представлены ниже.
Известные в настоящее время методы очистки коксового газа можно разделить на две группы: Очистка коксового газа для использования в доменном производстве относится ко второй группе методов очистки. Некоторые методы очистки коксового газа представлены ниже. Процесс очистки коксового газа от смолы и нафталина исследовали в промышленных условиях первичного охлаждения газа до 30 – 200С в холодильниках с горизонтальными трубами, а также последующей промывки газа в скрубберах Вентури. Промывку осуществляли циркулирующей надсмольной водой в одну или две ступени при обмене цикла газовым конденсатом, освобожденным от смолы (содержание смолы в циркулирующей воде 2,5 г/дм3). Скрубберы работали практически в изотермическом или незначительном испарительном режимах (газ нагревался в скрубберах Вентури на 2 – 30С). На ОАО «Кокс» (Кемеровский коксохимический завод) в межтрубное пространство холодильников с горизонтальными трубами подавали смоловодяную эмульсию обычным способом. Для его упрощения провели отборы проб смолы и надсмольной воды по высоте механизированного осветлителя объемом 650м3 с целью определения наличия и толщины эмульсионного слоя воды со смолой; из этого слоя насосом подавали эмульсию на орошение наружной поверхности труб холодильников. Эмульсионный слой в механизированных осветлителях содержит от 20 до 25% смолы плотностью 1,17 – 1,19г/дм3 и зольностью 0,4 – 0,5%. При подаче 5 – 7 м3/ч этой эмульсии на один холодильник отложений нафталина на трубах холодильников не наблюдалось при охлаждении газа до 200С[3]. Эффективность очистки газа от нафталина в холодильниках с горизонтальными трубами зависит, по-видимому, прежде всего от температуры охлажденного газа, состава и содержания капель смолы и паровой фазы органических соединений в газе до и после холодильников, состава смолы, подаваемой на поверхность труб со смоловодяной эмульсией. Снижение температуры газа после холодильников с горизонтальными трубами до 200С следует считать определяющим фактором высокоэффективной очистки коксового газа от смолы и нафталина в последовательно включенных каплеуловителях: холодильник – скруббер Вентури – нагнетатель. Содержание нафталина после нагнетателя составляет 0,4 – 0,45 г/м3. Существуют также различные способы обессеривания коксового газа. В 1971 году компания Ниппон Стил приступила к конкретному исследованию и изучению различных процессов с целью поисков наиболее надежных методов обессеривания коксового газа, выделяемого из коксовых батарей. Ряд опытов и исследований показал, что с точки зрения характеристик, эксплуатационной рентабельности и других факторов наиболее эффективным процессом является процесс ТАКАНАХ. Кроме того Ниппон Стил разработала собственную технологию процесса в мокрой среде – процесс обработки отработанного раствора. Дальнейшие активные разработки, опыт проектирования, комплектация и эксплуатации оборудования обессеривания обеспечили компании Ниппон Стил разработку превосходной технологии обессеривания коксового газа крупных коксовых печей и приобретение ноу-хау и инженерных данных по инженерно-техническим вопросам, отвечающим любым требованиям потребителей[4]. В процессе ТАКАНАХ применяется 1,4 нафтахином, 2-сульфокислота в качестве окислительно-восстановительного катализатора. Окисленный газ удаляется из коксового газа путем абсорбции жидким раствором таких щелочей как карбонат натрия или аммиак. В зависимости от разницы щелочных источников процесс разделяется на процесс Na-ТАКАНАХ или процесс NH3-ТАКАНАХ. Технологическая схема процесса представлена на рисунке 1. Метод обессеривания коксового газа коксовых печей Ниппон Стил включает, во-первых, удаление сероводорода (Н2S) и цианистого водорода (HCN) из коксового газа путем абсорбции за счет щелочного жидкого раствора, содержащего катализатор и, во-вторых, процесс обработки отработанного раствора за счет поглотительной способности. При обессеривании коксового газа в больших объемах, в частности, процесс обработки отработанных растворов проявляет высокие характеристики предотвращения загрязнения окружающей среды. Оборудование обессеривания коксового газа, проектируемое и изготовляемое компанией. Рисунок 1 - Технологическая схема процесса ТАКАНАХ Описание: сероводород и цианистый водород, содержащиеся в коксовом газе удаляются путем абсорбции поглотителем. Сероводород превращается коллоидальную серу под воздействием катализатора, причем катализатор преобразуется в 1,4-нафтогидрохинон, 2-сульфокислоту. Цианистый водород превращается в тиоцианат. Катализатор регенерируется обратно в 1,4-нафтохинон, 2-сульфокислоту посредством окисления в регенераторе. В процессе NH3 – ТАКАНАХ компания Ниппон Стил имеет ноу-хау метода преобразования всего объема регенерированной серы в тиоцианат или тиосульфат за счет уменьшения образования коллоидной серы. Особенности: Можно использовать двухступенчатую последовательную по газу и параллельную по раствору моноэтаноламиновую сероочистку коксового газа с вакуум-разгонной установкой рабочих растворов моноэтаноламина. Сущность способа заключается в том, что газ подлежащий очистки от H2S и CO2, промывается 15%-ным водным раствором моноэтаноламина; при этом происходит связываниеH2S и CO2 (рисунок 2)[5]. Рисунок 2 - Схема моноэтаноламиновой сероочистки При кипячении насыщенного раствора реакции идут в обратном направлении с выделением из раствора поглощенных кислых газов. Кроме основных реакций, в связи с присутствием в коксовом газе цианистого водорода и кислорода в процессе абсорбции образуются побочные трудно регенерируемые и не регенерируемые соединения моноэтаноламина, частичное разрушение которых происходит на вакуум-разгонке. Коксовый газ проходит первую ступень очистки в абсорбере с провальными тарелками, где происходит улавливание сероводорода и углекислоты на 80 – 85%. Тонкая очистка коксового газа происходит во второй ступени в тарельчатом абсорбере до остаточного содержания сероводород («следы») 0,1%. Каждая ступень очистки работает на самостоятельном растворе, который регенерируется в отгонных колоннах. Газы регенерации, содержащие сероводород и углекислоту, используются для получения серной кислоты. С помощью программы расчета параметров доменного процесса по методу А. Н. Рамма приведен расчет влияния вдувания коксового газа на расход кокса и природного газа, а также на производительность доменной печи. На рисунке 3 представлены результаты расчетов. Кокс – расход кокса, кг/т чугуна; КГ – расход коксового газа, м3/т чугуна;П – производительность доменной печи, %; ПГ – расход природного газа, м3/т чугуна Рисунок 3 – Графики и таблицы результатов расчета (анимация) На рисунке 3 представлены три графика и три таблицы результатов. На каждом графике показано влияние увеличения расхода коксового газа на расход кокса, производительность печи и расход природного газа. Результаты расчетов показывают, что с увеличением расхода коксового газа до 219,9 м3/т чугуна и при расходе природного газа 73,3 м3/т чугуна расход кокса уменьшается на 11 кг/т чугуна, а при уменьшении расхода природного газа до 58 м3/т и увеличении расхода коксового газа до 273,6 м3/т расход кокса уменьшается на 5 кг/т чугуна. Производительность доменной печи уменьшается 6 – 7%. Таким образом, за счет вдувания коксового газа можно уменьшить расход природного газа и кокса. При использовании коксового газа в доменном производстве можно также оценить социально-экономический эффект от сокращения выбросов вредных веществ в атмосферу. Очистка коксового газа перед использованием позволяет не только резко снизить выбросы токсичных веществ в атмосферу, но и дополнительно получить химические продукты, крайне необходимые народному хозяйству, такие как серная кислота и бензол. За последние годы проблемы экологии приобрели исключительную актуальность. Сегодня черная металлургия и особенно ее подотрасль – коксохимическое производство – являются сильнейшим источником загрязнения окружающей среды. В регионах, где расположено коксохимическое производство, постоянно сохраняется экологическая напряженность, причем она подвержена сезонным колебаниям, резко ухудшаясь в летние месяцы года. Объясняется это тем, что в летние месяцы расход коксового газа на собственные нужды коксохимического производства значительно сокращается, поэтому высвободившиеся его ресурсы просто сжигаются на «свечах» или выбрасывается без дожигания в атмосферу. В частности, на Авдеевском, Ясиновском и Горловском коксохимических заводах такие выбросы в среднем достигают 20 – 30 тыс. м3/ч, на Череповецком металлургическом комбинате они в 2 раза больше. Для предотвращения ухудшения экологической обстановки представляется целесообразным оборудование всех коксохимических заводов газопередачей к доменным цехам, причем на перспективу компрессорные станции этих газопередач должны быть оборудованы винтовыми компрессорами. Целесообразность этого подтверждается зарубежным опытом (фирма «Солмерс» - Франция, «Рудгаз» - ФРГ). В данной работе была рассмотрена преимущества и недостатки технологии доменной плавки с вдуванием коксового газа. Предложенная технология может быть использована на многих предприятиях отрасли при появлении ресурсов коксового газа в результате ввода новых и реконструкции старых коксовых батарей, вывода из эксплуатации мартеновских цехов, перевода аммиачного производства с коксового на природный газ, а также при сокращении расхода коксового газа на ТЭЦ с заменой его твердым топливом и природным газом. При решении задачи использования ресурсов коксового газа на каждом предприятии следует особо учитывать экологические преимущества данной технологии. При сжигании коксового газа в различных агрегатах с выбросом продуктов в атмосферу последняя загрязняется серосодержащими компонентами. При вдувании же его в доменную печь серосодержащие и другие вредные компоненты удаляются из газа, а остатки их, фильтруясь через слой шихтовых материалов, поглощаются компонентами шихты и переходят в шлак. Тиражирование в отрасли технологии доменной плавки с вдуванием коксового газа взамен природного будет способствовать не только существенному улучшению экологической обстановки в районах расположения металлургических и коксохимических предприятий, но и экономии кокса, повышению производительности доменных печей и высвобождению ресурсов природного газа.
на начало страницы