СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ CO ПРИ РАБОТЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ЗАВОДА Российский патент 2019 года по МПК C21B5/06 C21C5/38 F27D17/00 

Изобретение относится к способу снижения выбросов CO₂ в атмосферу при работе металлургического завода, который содержит по меньшей мере одну доменную печь для производства чугуна и конвертерный цех для производства нерафинированной стали.

Чугун получают в доменной печи из железной руды, добавок и, кроме того, кокса и других восстанавливающих агентов, таких как уголь, нефть, газ, биомассы, переработанные отходы из пластмассы или другие материалы, содержащие углерод и/или водород. В качестве продуктов реакции восстановления неизбежно образуются СО, CO₂, водород и водяной пар. Помимо вышеупомянутых компонентов, колошниковый газ доменной печи, отводимый в ходе доменного процесса, часто имеет высокое содержание азота. Количество газа и состав колошникового газа доменной печи зависят от исходного сырья, а также режима работы печи и подвержены изменениям. Обычно колошниковый газ доменной печи содержит от 35 до 60 объем. % N₂, от 20 до 30 объем. % СО, от 20 до 30 объем. % CO₂ и от 2 до 15 объем. % Н₂. Приблизительно от 30 до 40 объем. % колошникового газа доменной печи, образованного при производстве чугуна, как правило, используют в воздухонагревателях для нагревания горячего воздуха в доменном процессе. Остальное количество колошникового газа может быть использовано на других участках завода в целях нагревания или для генерирования электрической энергии.

В конвертерном цехе, который расположен ниже по ходу проведения доменного процесса, чугун перерабатывают в нерафинированную сталь. С помощью продувки жидкого чугуна кислородом удаляются нежелательные примеси, такие как углерод, кремний, сера и фосфор. Поскольку окислительные процессы приводят к выделению теплоты, в качестве охлаждающего материала часто добавляют металлические отходы в количествах до 25% по отношению к количеству чугуна. Кроме того, для образования шлака добавляют известь и легирующий элемент. Из конвертера для выплавки стали отводят конвертерный газ, который имеет высокое содержание СО и, кроме того, содержит азот, водород и СО₂. Типичный состав конвертерного газа включает от 50 до 70 объем. % СО, от 10 до 20 объем. % N₂, приблизительно 15 объем. % CO₂ и приблизительно 2 объем. % Н₂. Конвертерный газ или сжигают или, на современных сталеплавильных заводах, улавливают и транспортируют для последующего использования с целью обеспечения тепловой энергией.

Процесс производства чугуна в доменной печи и нерафинированной стали в конвертерном цехе неизбежно приводит к связанным с этим процессом постоянным выбросам в атмосферу CO₂. После использования запаса исходного сырья в процессе металлургического производства в доменной печи и после использования остаточного содержания, в частности, моноксида углерода, неизбежного по причинам термодинамического характера, для снабжения тепловой энергией, весь введенный углерод, в конце концов, выбрасывается в виде диоксида углерода. Задача изобретения заключается в снижении выбросов в атмосферу вредного, с точки зрения климата, газообразного СО₂. Возможно использование предварительно восстановленного или металлического материала, но это дает преимущества только при меньшем количестве выбросов CO₂, которые происходят при производстве этих материалов. Использование возобновляемых источников энергии, например, древесного угля или рапсового масла в качестве углеродсодержащих веществ для доменного процесса способствует решению поставленной задачи, если только одновременно нейтрализуется потребление CO₂ прибыльными концами слитка во время его роста. В источнике информации P. . Stahl und Eisen [сталь и чугун] 124 2004, No. 5, p. 27-32 отмечено, что при вдувании в фурмы доменных печей продуктов, полученных на металлургическом заводе, таких, например, как коксовый газ, меньшие выбросы CO₂ могут быть реализованы в том случае, если предполагается, что металлургический завод имеет закрытый энергетический баланс, расходуемая в доменной печи энергия коксового газа компенсируется получением электрической энергии от возобновляемых источников энергии.

Согласно широко распространенной идее улучшение баланса CO₂ при производстве чугуна и нерафинированной стали предполагает изменения в технологическом процессе, которые относятся к работе доменной печи. Эти изменения включают, например, работу доменной печи без азота, при которой вместо горячего воздуха вдувают холодный кислород на уровне фурм, и большую часть колошникового газа направляют на очистку от CO₂. Было предложено нагревать доменную печь с помощью плазмы. Процесс работы доменной печи с плазменным нагревом не требует использования ни горячего воздуха, ни кислорода, ни любого другого заменяющего восстанавливающего агента. Однако внедрение новых способов работы доменных печей является серьезным вмешательством в проверенную на практике технологию производства чугуна и нерафинированной стали и влечет за собой значительные потенциальные риски.

В связи с вышеизложенным настоящее изобретение основано на решении задачи улучшения баланса СО₂ на металлургическом заводе, который использует традиционно работающую доменную печь для производства чугуна и традиционно работающие конвертерные цеха.

Объектом изобретения и решением поставленной задачи является способ в соответствии с п. 1 формулы изобретения. Предпочтительные модификации способа изложены в п.п. 2-9 формулы изобретения.

В соответствии с изобретением по меньшей мере частичное количество колошникового газа доменной печи, который образуется в доменной печи в процессе производства чугуна, и/или частичное количество конвертерного газа, образующегося в процессе производства нерафинированной стали, отбирают для получения синтез-газа, который используется для производства химической продукции. Если для получения синтез-газа используют сырые неочищенные газы, энергия, необходимая для металлургического завода, обеспечивается не во всех случаях, и в соответствии с изобретением обеспечивается по меньшей мере частично за счет использования электрической энергии, которую получают от возобновляемого источника энергии. Использование части неочищенных газов, образующихся при производстве чугуна и нерафинированной стали, для получения химической продукции, и использование электрической энергии, подводимой от возобновляемого источника энергии, для выравнивания баланса энергии находятся в определенном комбинационном соотношении и обуславливают снижение выбросов CO₂ в атмосферу при работе металлургического завода, поскольку углерод связан в химических продуктах и не выделяется в виде CO₂.

Если металлургический завод работает совместно с коксогазовым заводом (или батареей коксовых печей) по меньшей мере частичное количество коксового газа, который образуется на коксогазовом заводе, кроме того, эффективно используется для производства синтез-газа.

Способ снижения выбросов CO₂, соответствующий изобретению, создает большие возможности, поскольку на металлургическом заводе, который работает совместно с коксогазовым заводом, лишь приблизительно от 40 до 50% неочищенных газов, образующихся в виде колошникового газа доменной печи, конвертерного газа и коксового газа, используется в процессах химической технологии, и от 50 до 60% упомянутых производимых газов может быть направлено для использования в других областях применения. На практике эту последнюю часть использовали ранее, главным образом, для генерирования электроэнергии. Если в соответствии со способом согласно настоящему изобретению эта часть газов используется для производства химических продуктов посредством получения синтез-газа, и необходимая электрическая энергия, потребность в которой, следовательно, не удовлетворяется, обеспечивается за счет подачи электрической энергии от возобновляемого источника энергии, то в результате возможно значительное снижение выбросов CO₂ в атмосферу металлургическим заводом.

В пределах замысла изобретения для производства синтез-газа предусматривается использование от 1% до 60%, предпочтительно от 10 до 60% неочищенных газов, которые образуются в виде колошникового газа доменной печи и конвертерного газа или в виде колошникового газа доменной печи, конвертерного газа и коксового газа.

Производство синтез-газа надлежащим образом включает операцию очистки газа и операцию предварительной подготовки (с доведением до необходимого состояния), при этом можно, например, для предварительной подготовки использовать паровой риформинг, проводимый с помощью водяного пара, и/или частичное окисление с использованием воздуха или кислорода и/или реакцию конверсии водяного газа, осуществляемую для конверсии СО. Указанные выше стадии подготовки могут быть проведены по отдельности или в комбинации. Синтез-газ, полученный по способу согласно настоящему изобретению, представляет собой газовую смесь, которую используют в процессе синтеза. Термин «синтез-газ» включает, например, газовые смеси N₂ и Н₂ для синтеза аммиака и, в частности, газовые смеси, которые содержат, главным образом, СО и Н₂ или СО₂ и Н₂ или СО, CO₂ и Н₂. Из синтез-газов на химическом заводе могут быть произведены химические продукты, содержащие соответствующие компоненты этого реагента. Химическими продуктами могут быть, например, аммиак или метанол или иные другие углеводородные соединения.

Для производства аммиака, например, должен быть использован синтез-газ, который содержит азот и водород в подходящем соотношении. Азот может быть получен из колошникового газа доменной печи. Колошниковый газ доменной печи или конвертерный газ может быть использован, в частности, в качестве источника водорода, при этом водород получают посредством конверсии составляющей газа, включающей СО, путем проведения реакции конверсии водяного газа: (СО+Н₂ОCO₂+Н₂). Смесь коксового газа и колошникового газа доменной печи или газовая смесь, содержащая коксовый газ, конвертерный газ и колошниковый газ доменной печи, также может быть использована с целью получения синтез-газа для синтеза аммиака. Для получения углеводородных соединений, например, метанола необходимо получить синтез-газ, состоящий по существу из СО и/или CO₂ и Н₂, который содержит компоненты: моноксид углерода и/или диоксид углерода и водород в подходящем правильно выбранном соотношении. Вышеупомянутое соотношение часто имеет вид (Н₂-CO₂)/(СО+CO₂). Водород может быть получен, например, путем конверсии составляющей газа, включающей СО, в колошниковом газе доменной печи с помощью реакции конверсии водяного газа. Для получения СО может быть также использован конвертерный газ. Колошниковый газ доменной печи или конвертерный газ могут служить в качестве источника СО₂. Газовая смесь, содержащая коксовый газ и конвертерный газ, или газовая смесь, содержащая коксовый газ, конвертерный газ и колошниковый газ доменной печи, является походящей для получения углеводородных соединений.

В пределах объема изобретения вместо химического завода для производства химических продуктов из синтез-газа может быть также использована установка биотехнологического производства. Установка, о которой идет речь, представляет собой биореактор для ферментации синтез-газа. Под синтез-газом в этом случае следует понимать смеси СО и Н₂, предпочтительно с высоким содержанием СО, с помощью которых могут быть получены спирты, ацетон или органические кислоты. В случае использования биохимического процесса водород образуется, главным образом, из воды, которую используют в качестве сбраживаемой среды при ферментации. Источником СО предпочтительно служит конвертерный газ. Точно также возможно использование колошникового газа доменной печи или газовой смеси, содержащей конвертерный газ и колошниковый газ доменной печи. В отличие от вышеуказанных газов, использование коксового газа является неблагоприятным для биотехнологического процесса. Таким образом, с помощью биотехнологического процесса могут быть получены продукты, содержащие углерод из составляющей неочищенных газов, содержащей СО, которые образуются на металлургическом заводе, и водород из воды, используемой в процессе ферментации.

В соответствии с другой модификацией способа, соответствующего настоящему изобретению, синтез-газ обогащают водородом, который получают путем электролиза воды, при этом для электролиза воды также используют электрическую энергию от возобновляемого источника энергии.

Кроме того, металлургический завод может работать в электрической сети вместе с аккумулятором электроэнергии, который питается электрической энергией от возобновляемого источника энергии и впоследствии отдает запасенную энергию электрической нагрузке металлургического завода.

Получаемая извне электрическая энергия, которую по меньшей мере частично и предпочтительно полностью получают от возобновляемого источника энергии, например, от ветряной электростанции, солнечной электростанции, гидроэлектростанции и тому подобного источника, используется для обеспечения электрической энергией, необходимой для работы металлургического завода. Не следует исключать возможность работы металлургического завода совместно с энергетической установкой, выполненной в виде газотурбинной генераторной станции или комбинированной газотурбинной и паротурбинной генераторной станции, причем возможность работы с использованием части газов, образующихся на металлургическом заводе в виде колошникового газа доменной печи, конвертерного газа и коксового газа. Такое комплексное предприятие, включающее энергетическую установку, спроектировано таким образом, что энергетическая установка может быть использована в режиме ожидания и выключается по меньшей мере в определенные периоды времени. Энергетическая установка может быть использована в том случае, если химический завод или биотехнологическая установка не работают, или энергия, поступающая от регенеративных источников энергии или запасенная в аккумуляторе энергии, является недостаточной в течение какого-то времени для покрытия потребности металлургического завода. Для того чтобы комплексное предприятие располагало электрической мощностью, необходимой для производства чугуна и производства нерафинированной стали, в периоды достаточного количества электрической энергии, подводимой от возобновляемых источников, электрическую энергию накапливают в аккумуляторе энергии. Если количество энергии, подводимой при доступной цене извне от возобновляемого источника, является недостаточным, необходимую электрическую энергию получают от аккумулятора энергии. Аккумулятор энергии может быть выполнен в виде химического или электрохимического аккумулятора.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для производства чугуна и нерафинированной стали на металлургическом заводе с использованием неочищенных отходящих газов, в качестве которых используют по меньшей мере частичное количество колошникового газа доменной печи, образующегося в доменной печи при производстве чугуна, и частичное количество конвертерного газа, образующегося при производстве нерафинированной стали, которые отбирают для получения синтез-газа, используемого для производства химических продуктов, причем для получения синтез-газа используют от 1% до 60%, предпочтительно от 10% до 60% неочищенных газов, образующихся в виде колошникового газа доменной печи и конвертерного газа. При этом энергия, необходимая для металлургического завода, по меньшей мере частично обеспечивается за счет использования электрической энергии, которую получают от возобновляемого источника энергии. Изобретение позволяет улучшить баланс углекислого газа на металлургическом заводе за счет снижения его выбросов в атмосферу. 17 з.п. ф-лы.

1. Способ производства чугуна и нерафинированной стали на металлургическом заводе, включающий получение чугуна в по меньшей мере одной доменной печи и нерафинированной стали в конвертерном цеху с использованием неочищенных отходящих газов, при этом необходимую электрическую энергию по меньшей мере частично обеспечивают за счет подключения металлургического завода к электрической сети вместе с аккумулятором энергии, который питается электрической энергией от возобновляемого источника энергии и затем отдает накопленную энергию электрическим нагрузкам металлургического завода, отличающийся тем, что в качестве неочищенных отходящих газов используют по меньшей мере частичное количество колошникового газа доменной печи, образующегося в доменной печи при производстве чугуна, и частичное количество конвертерного газа, образующегося при производстве нерафинированной стали, которые отбирают для получения синтез-газа, используемого для производства химических продуктов, причем для получения синтез-газа используют от 1% до 60%, предпочтительно от 10% до 60% неочищенных газов, образующихся в виде колошникового газа доменной печи и конвертерного газа.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что металлургический завод работает совместно с коксогазовым заводом и по меньшей мере частичное количество коксового газа, полученного на коксогазовом заводе, используют для получения синтез-газа.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что для получения синтез-газа используют от 1% до 60%, предпочтительно от 10% до 60% неочищенных газов, образующихся в виде колошникового газа доменной печи, конвертерного газа и коксового газа.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что производство синтез-газа включает операцию очистки газа и операцию подготовки газа.

5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что производство синтез-газа включает операцию очистки газа и операцию подготовки газа.

6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что указанная подготовка газа включает проведение операции парового риформинга, осуществляемого с помощью водяного пара, и/или частичное окисление с использованием воздуха или кислорода и/или реакцию конверсии водяного газа.

7. Способ по п. 5, отличающийся тем, что указанная подготовка газа включает проведение операции парового риформинга, осуществляемого с помощью водяного пара, и/или частичное окисление с использованием воздуха или кислорода и/или реакцию конверсии водяного газа.

8. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что синтез-газ, используемый для производства химических продуктов на биотехнологическом предприятии, получают из конвертерного газа или колошникового газа доменной печи или смеси газов, содержащей конвертерный газ и колошниковый газ доменной печи.

9. Способ по п. 3, отличающийся тем, что синтез-газ, используемый для производства химических продуктов на биотехнологическом предприятии, получают из конвертерного газа или колошникового газа доменной печи или смеси газов, содержащей конвертерный газ и колошниковый газ доменной печи.

10. Способ по любому из пп. 1, 2, 5–7, 9, отличающийся тем, что синтез-газ обогащают водородом, который получают с помощью электролиза воды, при этом для проведения электролиза воды используют электрическую энергию, подводимую от возобновляемого источника энергии.

11. Способ по п. 3, отличающийся тем, что синтез-газ обогащают водородом, который получают с помощью электролиза воды, при этом для проведения электролиза воды используют электрическую энергию, подводимую от возобновляемого источника энергии.

12. Способ по п. 4, отличающийся тем, что синтез-газ обогащают водородом, который получают с помощью электролиза воды, при этом для проведения электролиза воды используют электрическую энергию, подводимую от возобновляемого источника энергии.

13. Способ по п. 8, отличающийся тем, что синтез-газ обогащают водородом, который получают с помощью электролиза воды, при этом для проведения электролиза воды используют электрическую энергию, подводимую от возобновляемого источника энергии.

14. Способ по любому из пп. 1, 2, 5–7, 9, 11–13, отличающийся тем, что металлургический завод подключают к электрической сети вместе с аккумулятором энергии, который питается электрической энергией от возобновляемого источника энергии и затем отдает накопленную энергию электрическим нагрузкам металлургического завода и/или для электролиза воды.

15. Способ по п. 3, отличающийся тем, что металлургический завод подключают к электрической сети вместе с аккумулятором энергии, который питается электрической энергией от возобновляемого источника энергии и затем отдает накопленную энергию электрическим нагрузкам металлургического завода и/или для электролиза воды.

16. Способ по п. 4, отличающийся тем, что металлургический завод подключают к электрической сети вместе с аккумулятором энергии, который питается электрической энергией от возобновляемого источника энергии и затем отдает накопленную энергию электрическим нагрузкам металлургического завода и/или для электролиза воды.

17. Способ по п. 8, отличающийся тем, что металлургический завод подключают к электрической сети вместе с аккумулятором энергии, который питается электрической энергией от возобновляемого источника энергии и затем отдает накопленную энергию электрическим нагрузкам металлургического завода и/или для электролиза воды.

18. Способ по п. 10, отличающийся тем, что металлургический завод подключают к электрической сети вместе с аккумулятором энергии, который питается электрической энергией от возобновляемого источника энергии и затем отдает накопленную энергию электрическим нагрузкам металлургического завода и/или для электролиза воды.