СПОСОБ ОБРАБОТКИ ОТХОДЯЩЕГО ГАЗА, СОДЕРЖАЩЕГО ДИОКСИД УГЛЕРОДА Российский патент 2015 года по МПК F27D17/00 C21C5/38 F23J15/00 

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

В промышленных процессах, в частности при производстве стали, часто образуются горячие отходящие газы, которые имеют высокое содержание CO₂. Это встречается, например, при эксплуатации так называемого конвертера (BOF=Basic Oxygen Furnace - кислородный конвертер). При этом горячие отходящие газы выходят с температурой примерно 1700°C. Отходящее тепло частично используется в паровом котле. Остальное тепло отбирается в испарительном охладителе. Затем отходящие газы путем фильтрации очищаются от частиц пыли. Для прохождения через фильтровальную установку температура отходящего газа не должна превышать 180°C.

Отходящий газ, скапливающийся, в частности, в конвертере, имеет на многих стадиях процесса высокое содержание диоксида углерода (CO₂). Этот диоксид углерода при попадании в окружающую среду вызывает так называемый парниковый эффект.

В соответствии с этим задача изобретения состоит в том, чтобы разработать способ обработки содержащего диоксид углерода отходящего газа, посредством которого можно снизить долю диоксида углерода, попадающего в верхние слои атмосферы.

Эта задача решена способом с отличительными признаками согласно п.1 формулы изобретения.

В соответствии с предлагаемым изобретением способом обработки отходящего газа, содержащего диоксид углерода, в отходящий газ подают газ, содержащий углеводороды. Этот углеводородсодержащий газ по меньшей мере частично химически реагирует с диоксидом углерода из отходящего газа, образуя продукты реакции моноксид углерода (CO) и водород (H₂). Отходящий газ, который содержит смесь моноксид углерода/водород в подходящей концентрации, применяют в дополнительном процессе горения. До этого он может при необходимости где-то временно храниться. Этот дополнительный процесс горения может, но не обязательно должен, быть неизбежным компонентом способа, в котором аккумулируется обработанный отходящий газ.

Смесь моноксид углерода/водород (далее упрощенно называемая горючим газом) в предпочтительном варианте осуществления имеет более высокую теплотворную способность, чем введенный углеводородсодержащий газ (далее называемый газом риформинга). Это, в свою очередь, означает, что реакция, идущая между газом риформинга и диоксидом углерода, является эндотермической реакцией, то есть реакцией, которая отбирает тепло из окружающей среды.

Таким образом, благодаря изобретению существенная часть экологически вредного диоксида углерода удаляется из отходящего газа и может в преобразованной форме подаваться в качестве горючего газа на следующий процесс горения. При этом тепловая энергия отходящего газа превращается в химическую энергию образованного горючего газа.

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

Предпочтительно, способ согласно изобретению применяется в производстве стали, так как при получении стали часто образуется содержащий много диоксида углерода отходящий газ с высокой температурой. В частности, отходящий газ конвертера для производства стали подходит для обработки способом согласно изобретению. Конвертер в производстве стали служит для снижения содержания углерода в жидком чугуне.

В одном варианте осуществления изобретения в отходящий газ можно, помимо газа риформинга, добавлять также воду, предпочтительно в форме пара. Подвод дополнительной воды изменяет отношение моноксида углерода к водороду, что целесообразно при различных применениях в качестве горючего газа.

Так как содержание углерода в отходящем газе не в каждый момент времени процесса постоянно, отходящий газ целесообразно контролировать. В частности, введя газовый датчик, можно отслеживать содержание диоксида углерода в отходящем газе и в соответствии с этим регулировать введение газа риформинга.

Может быть также целесообразным установить на конвертере регулировочное кольцо, которое во многих обычных установках уже имеется и которое снижает подсос воздуха через неплотности, то есть нежелательного окружающего воздуха, чтобы тем самым никакая дополнительная реакция между кислородом и газом риформинга не могла иметь места.

Горючий газ может, кроме того, временно храниться в (предпочтительно) уже имеющемся газовом резервуаре. Далее, горючий газ может применяться в различных дальнейших процессах, в частности, в сталеплавильной промышленности. Он может применяться, например, для производства электроэнергии на электростанции или для образования технологического пара (при необходимости в комбинации с производством электроэнергии). Кроме того, горючий газ может использоваться для предварительного нагрева слябов, болванок и слитков в элеваторной печи или методической печи и в горелках. Это справедливо, например, для сушки и нагрева ковшей, для нагревательных участков или для распределителей в установках непрерывной разливки.

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

При этом показано:

фиг. 1: схематическое изображение отдельного этапа способа при обработке отходящего газа из конвертера,

фиг. 2: блок-схема процесса изначальной обработки отходящего газа в сталеплавильной промышленности, согласно уровню техники, и

фиг. 3: блок-схема процесса согласно фиг. 2 с дополнительным риформингом отходящего газа.

Далее способ обработки отходящего газа будет пояснен, согласно фиг. 1, на примере конвертера, применяющегося при производстве стали. Конвертер 4 служит для того, чтобы удалять избыточный углерод из расплавленного чугуна. Для этого в чугун вводится кислород, и углерод, который находится в жидком чугуне, окисляется до диоксида углерода. Поэтому отходящий газ 2 конвертера 4 содержит существенную долю диоксида углерода.

Содержание диоксида углерода в отходящем газе конвертера зависит от его рабочих параметров. В зависимости от подвода кислорода и рабочей температуры содержание диоксида углерода по отношению кмоноксиду углерода в отходящем газе 2 подвержено колебаниям. Отходящий газ 2 течет в канал отходящего газа и там проверяется зондом 3 на содержание в нем диоксида углерода. Если содержание диоксида углерода выше заранее заданного порогового уровня, то по подающий линии 6 газ риформинга 5 проводится в канал 11 отходящего газа. Газ риформинга 5, в качестве которого может применяться, например, природный газ с высоким содержанием метана, по меньшей мере частично реагирует с диоксидом углерода из отходящего газа согласно следующему уравнению реакции (сухой риформинг 7, ср. фиг. 3)

CH₄+CO₂->2CO+2H₂ ΔH=+250 кДж/моль

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 7 (CO+H₂, называемый также синтез-газом) как химическая энергия. Таким образом, тепловая энергия превращается в химическую энергию, так как горючий газ 9, образующийся согласно уравнению 1, имеет более высокую теплотворную способность, чем использовавшийся первоначально газ риформинга (метан).

Частные 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), из которого образуется горючий газ 7, 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 7 может иметь смысл сдвинуть отношение CO:H₂ в пользу водорода. В этом случае вводят также воду (предпочтительно в форме пара) при необходимости в линию 6 подачи газа риформинга. Тем самым возможна экзотермическая реакция сдвига CO

H₂O+CO->CO₂+H₂ ΔH=H-42 кДж/моль

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 7, 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 получается повышенное содержание воды, которая благодаря ее широкому диапазону излучения благоприятствует теплопереносу.

В настоящем примере конвертера, в частности конвертера с регулировочным кольцом 13, эту конверсионную обработку отходящего газа 2 диоксидом углерода разумно использовать в двух разных технологических режимах процесса риформинга. С одной стороны, это случай так называемых фаз пуска и останова, на которых отходящий газ до сих пор никогда не использовался, так как содержание CO₂ в отходящем газе слишком высокое, а содержание CO слишком низкое. В результате описанного сухого риформинга получается полезный горючий газ согласно уравнению 1 с достаточной теплотворной способностью, который еще будет описан подробнее в отношении дальнейшего хода процесса и который может храниться в газохранилище.

С другой стороны, сухой риформинг может также применяться, чтобы еще больше повысить теплотворную способность газа, обогащенного CO, который и так собирают согласно уровню техники, если этот газ с высоким содержанием горючих компонентов должен смешиваться с низкокалорийными газами с других участков сталеплавильного производства, и смесь для дальнейших процессов горения не обладает достаточной теплотворной способностью.

Применение регулировочного кольца 13 целесообразно, чтобы избежать подсоса воздуха через неплотности, что могло бы привести к сжиганию метана или природного газа, то есть газа риформинга 7, вместо осуществления описанного риформинга согласно уравнению 1. Кроме того, высокое содержание азота в воздухе привело бы к разбавлению конвертерного газа и горючего газа.

После процесса риформинга отходящий газ охлаждается в паровом котле 8, при этом там образуется пар, который в свою очередь можно использовать для производства электроэнергии.

Далее следует грубое обеспыливание 10 отходящего газа 2, который проводится дальше в испарительный охладитель 12. Этот испарительный охладитель 12 необходим, так как для следующей сухой электрофильтрации 14, на которой из отходящего газа 2 удаляется оставшаяся тонкая пыль, отходящий газ должен иметь температуру не выше 180°C. После отделения тонкой пыли отходящий газ 2 через газодувку 10 или сжигается на факельной трубе 18, или после дальнейшего охлаждения проводится в газоохладитель 20 газового резервуара 22.

Ответ на вопрос, будут ли горючие компоненты отходящего газа 2 сжигаться на факельной трубе или высококалорийный отходящий газ со смесью СО-Н₂ будет храниться как горючий газ 9 в газовом резервуаре 22, зависит от содержания диоксида углерода в отходящем газе 2. Описанный риформинг отходящего газа 2 газом риформинга метаном ведет при подходящем управлении риформинга, например, с помощью датчика 3, к тому, что содержание смеси СО-Н₂ в отходящем газе после фильтрации так высоко, что максимальную долю отходящего газа, соответственно моноксида углерода и водорода, можно хранить в газовом резервуаре 22 и использовать дальше как горючий газ 9. Сжигание на факеле 18 отходящего газа в результате этих мер снижено до очень малой доли в сравнении с уровнем техники.

На фиг. 2 и 3 еще раз схематически посредством блок-схемы показана разница между способом обработки отходящего газа конвертера согласно уровню техники для и описываемым здесь способом.

На фиг. 2 (способ согласно уровню техники) в самой левой части находится участок процесса, на котором образуется содержащий CO₂ отходящий газ, здесь показанный на примере конвертера 4′, в котором образуется отходящий газ 2. Содержащий диоксид углерода отходящий газ 2 охлаждается в паровом котле 8′ , причем образуется пар для дальнейшего применения. За ним идет испарительный охладитель 12′ , в котором образуется отходящее тепло Q1, которое в этом случае больше не используется. Далее следует сухой электрофильтр 14′ , причем затем в зависимости от содержания диоксида углерода в отходящем газе 2 он или сжигается на факельной трубе 18′ , или хранится в газовом резервуаре 22′ для дальнейшего применения как горючий газ 9.

Способ, описываемый здесь согласно фиг. 3, отличается от способа уровня техники, представленного на фиг. 2, тем, что между конвертером 4 и парогенератором 8 протекает процесс риформинга 7 в форме сухого риформинга, при этом по подающей линии 6 в процесс подводится газ 5 риформинга, который, как описано уравнением 1, обрабатывает отходящий газ 2.

Оба способа, помимо описанного введения сухого риформинга 7, отличаются, кроме того, тем, что количество тепла Q2, отобранное в испарительном охладителе 12, меньше, чем количество тепла Q1 из испарительного охладителя 12 согласно фиг. 2, и тем, что количество m2 газа 2, который сжигается в факельной трубе 18, меньше, чем количество m1, которое сжигается в факельной трубе 18' согласно уровню техники.

Так как смесь горючего газа может повторно использоваться в подходящих установках сталеплавильного завода, производственные стадии, в которых согласно уровню техники дожигание проводится в факеле 18, уменьшаются или сокращаются. Таким образом, внутренняя энергия горючих компонентов отходящего газа вместе с образованным горючим газом используется выгодным образом с аккумуляцией отходящего тепла. Благодаря сокращению времени работы факела удлиняется время сбора газа и снижаются выбросы диоксида углерода из конвертера или через факел.

Изобретение относится к способу обработки отходящего газа, содержащего диоксид углерода, и используется при пуске и останове конвертера. К отходящему газу подводится углеводородсодержащий газ, и диоксид углерода отходящего газа в реакции с углеводородом, по меньшей мере, частично превращается в моноксид углерода и водород, при этом содержание диоксида углерода в отходящем газе контролируется газовым датчиком для управления подачей углеводородсодержащего газа. Углеводородсодержащий газ подают, когда содержание диоксида углерода в отходящем газе оказывается выше заранее заданного значения. Отходящий газ вместе со смесью “моноксид углерода/водород” применяется в дополнительном процессе горения. В конвертере предусмотрено регулировочное кольцо для предотвращения подсоса воздуха через неплотности. Технический результат изобретения - возможность удаления диоксида углерода из отходящего газа и использования его в горючем газе. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ обработки содержащего диоксид углерода отходящего газа (2), который образуется в процессе производства стали в конвертере (4) при удалении избыточного углерода из расплавленного чугуна, причем в отходящий газ подводят углеводородсодержащий газ (5), и диоксид углерода отходящего газа при взаимодействии с углеводородом по меньшей мере частично превращается в моноксид углерода и водород, и отходящий газ вместе со смесью (9) моноксид углерода/водород применяется затем в процессе горения, отличающийся тем, что в конвертере (4) предусмотрено регулировочное кольцо для предотвращения подсоса воздуха через неплотности, и что содержание диоксида углерода в отходящем газе контролируется газовым датчиком для управления подачей углеводородсодержащего газа (5), и углеводородсодержащий газ подводят в отходящий газ, когда содержание диоксида углерода в отходящем газе оказывается выше заранее заданного порогового уровня,
и при этом углеводородсодержащий газ подается в конвертер в процессе пуска и/или процессе останова.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что диоксид углерода в отходящем газе вступает с углеводородсодержащим газом (7) в эндотермическую реакцию, и отходящий газ (2) в результате этой реакции охлаждается.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что углеводородсодержащий газ (5) содержит метан.

4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в отходящий газ (2) помимо углеводородсодержащего газа (5) подводят воду.

5. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что смесь (9) моноксидуглерода/водород временно хранится в газовом резервуаре.

6. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что смесь (9) моноксид углерода/водород используется как горючий газ.