В статье приведен анализ одного из методов повышения энергетической эффективности конвертерного газа путем поочередного добавления в него водяного пара и природного газа с целью полного удаления балластного углекислого газа и обогащения его горючими монооксидом углерода и водородом на основе расчета теплотворной способности образовавшегося топлива на примере конкретного оборудования конвертерного производства металлургического комбината.
Ключевые слова: конвертерный газ, ВЭР, металлургия
Значительным резервом для энергосбережения в черной металлургии РФ является использование газов сталеплавильных конвертеров, потенциал оценивается в размере 1,25 млн. т. у. т. в год. В настоящее время конвертерные газы в качестве топлива не используются и сжигаются на свечах. [1, с. 101].
В настоящее время на российских металлургических предприятиях все чаще поднимается вопрос об использовании конвертерного газа в качестве топлива. В таком случае конвертерный газ после котлов-утилизаторов и последующей очистки и охлаждения поступает в газгольдер для усреднения его состава, и может использоваться на энергетических котлах утилизационной ТЭЦ для выработки пара.
Однако в таком случае необходимо рассмотреть возможные варианты повышения энергетической эффективности конвертерного газа для наиболее полного использования его потенциала как вторичного энергоресурса и выбора наиболее экономически оправданной схемы его утилизации.
Данную работу целесообразно провести на примере реально существующего конвертерного цеха современного металлургического комбината, в состав которого входит Конвертер № 1 емкостью 330 т. и Конвертеры № 2 и № 3 по 300 т. каждый.
Рассмотрев объемный состав конвертерного газа, который приведен в Таблице 1, можно увидеть, что вторым по содержанию компонентом является диоксид углерода, который по сути является балластом, не участвующим в процессе горения при использовании конвертерного газа в качестве топлива. Для повышения энергетической эффективности конвертерного газа требуется исключить из состава газа СО2 и заменить его на горючий элемент.
Таблица 1
Состав конвертерного газа
|
Компонент |
Объемная доля,% |
|
СО |
62 |
|
СО2 |
19,8 |
|
H2O |
0,9 |
|
H2 |
10,7 |
|
N2 |
6,6 |
|
Всего: |
100 |
Известны реакции углеводородов с диоксидом углерода, протекающие при высокой температуре (800–1600 0С):
; (1)
. (2)
Рассмотрев внимательно приведенные уравнения, можно сделать вывод, что чем больше диоксида углерода удаляется из газа, тем больше горючих оксида углерода и водорода образуется.
Рассмотрим следующую реакцию:
(3)
Согласно данной реакции при добавлении воды или водяного пара в конвертерный газ после ее реакции с оксидом углерода образуется горючий газ водород, а также диоксид углерода.
Таким образом, целесообразно рассмотреть способ повышения энергетической эффективности конвертерного газа путем поочередного добавления в него водяного пара для образования СО2 и H2, (согласно формуле 3) и природного газа для превращения всего объема образовавшегося углекислого газа в горючий монооксид углерода и водород (согласно формулам 1 и 2).
Для определения эффективности этого мероприятия имеет смысл рассмотреть несколько случаев:
– без добавления воды;
– добавление водяного пара для удаления 25 % монооксида углерода из исходного конвертерного газа;
– добавление водяного пара для удаления 50 % монооксида углерода из исходного конвертерного газа;
– добавление водяного пара для удаления 75 % монооксида углерода из исходного конвертерного газа;
– добавление водяного пара для удаления 100 % монооксида углерода из исходного конвертерного газа.
Каждую из указанных ситуаций имеет смысл сначала рассмотреть на примере работы Конвертера № 1, выход конвертерного газа из которого составляет 380 тыс. м3/час.
В случае № 1, при котором вода не добавляется, конвертерный газ, состав которого приведен в Таблице 1, вступает в реакцию с природным газом. Состав природного газа приведен в Таблице 2.
Таблица 2
Состав природного газа
|
Элемент |
Объемная доля,% |
|
CH4 |
95,55 |
|
C2H6 |
3,335 |
|
N2 |
0,85 |
|
CO2 |
0,26 |
|
О2 |
0,002 |
|
Н2 |
0,003 |
Зная состав конвертерного газа, можно в соответствии с процентным содержанием горючих элементов определить его теплоту сгорания, которая в данном случае составит:
Для получения газа с максимально возможной в данном случае энергетической эффективностью необходимо полностью удалить из его состава углекислый газ.
Из курса химии известно, что отношение объемов, участвующих в реакции газов, равно отношению их стехиометрических коэффициентов.
Тогда для реакции (1) справедливо следующее соотношение:
(4)
для реакции (2) аналогичное соотношение выглядит так:
(5)
где
и 
— стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции (1) (
);
и 
— стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции (2) (
);
и 
— объемы метана, этана и диоксида углерода, принимающих участие в реакциях (1) и (2) соответственно.
Воспользовавшись данными соотношениями, зная состав и объем конвертерного газа, можно определить необходимое количество природного газа, добавление которого позволит полностью исключить из состава углекислый газ.
При расходе конвертерного газа, равном 380 м3/ч, количество необходимого природного газа составит 73,6 тыс. м3/ч.
В таблице 3 приведен процентный и объемный состав газа, образующегося после добавления природного газа в конвертерный после Конвертера № 1
Таблица 3
Состав ипараметры образовавшегося газа (случай №1)
|
Компонент |
Объемная доля,% |
Объемный состав, м3 |
Теплота сгорания, кДж/м3 |
|
СО |
63,93 |
386 080,04 |
12 645 |
|
H2O |
0,57 |
3 420 |
0 |
|
H2 |
31,24 |
188 685,28 |
10 760 |
|
N2 |
4,26 |
25 705,65 |
0 |
|
O2 |
0,00 |
1,47 |
0 |
|
Всего: |
100 |
603 892,44 |
11 446,14 |
Теплоемкость в первом приближении рассчитана для температуры 9000С, т. к. при понижении температуры ниже указанной отметки, в реакциях углекислого газа с углеводородами (1) и (2) равновесие смещается влево.
Во втором рассматриваемом случае в конвертерный газ добавляется водяной пар в количестве, необходимом для удаления 25 % монооксида углерода.
Используя обозначенный выше метод стехиометрических коэффициентов для уравнения (3), можно составить следующее соотношение:
(6)
где
и 
— стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции (
);
и 
— объемы монооксида углерода и водяного пара, принимающих участие в реакции.
Воспользовавшись указанным соотношением, зная состав и объем конвертерного газа, аналогично предыдущим расчетам можно определить необходимое количество водяного пара, добавление которого в конвертерный газ позволит сократить количество монооксида углерода в его составе на 25 %, при этом увеличив содержание водорода и диоксида углерода, который в дальнейшем будет исключен полностью после добавления природного газа. В таблице 4 приведен состав газа, образовавшегося после добавления водяного пара и удаления 25 % монооксида углерода.
Таблица 4
Параметры газа после удаления 25% монооксида углерода
|
Компонент |
Объемная доля,% |
Объемный состав, м3 |
Теплота сгорания, МДж/м3 |
|
СО |
40,26 |
148 800 |
12,645 |
|
СО2 |
30,56 |
112 960 |
- |
|
H2O |
0,78 |
2 880 |
- |
|
H2 |
22,68 |
83 840 |
10,76 |
|
N2 |
5,71 |
21 120 |
- |
|
Всего: |
100 |
369 600 |
7,532 |
Основываясь на реакциях (1) и (2), а также используя соотношения (4) и (5), можно определить, что в таком случае для полного удаления диоксида углерода из состава газа потребуется 131 295,5 м3/ч природного газа. Состав, количество и параметры получившегося после смешения газа сведены в Таблицу 5.
Таблица 5
Состав параметры образовавшегося газа (случай №2)
|
Компонент |
Объемная доля,% |
Объемный состав, м3 |
Теплота сгорания, кДж/м3 |
|
СО |
53,1 |
444 980,05 |
12 645 |
|
H2O |
0,41 |
3 420 |
0 |
|
H2 |
43,37 |
363 463,64 |
10 760 |
|
N2 |
3,13 |
26 195,43 |
0 |
|
O2 |
0,00 |
2,62 |
0 |
|
Всего: |
100 |
838 061,75 |
11 380,6 |
Аналогичным образом можно рассчитать состав получившегося газа для случаев № 3–5, т. е. поочередно для случаев исключения из состава первоначального конвертерного газа монооксида углерода в количествах 50 %, 75 %, 100 % за счет добавления водяного пара и последующего добавления природного для удаления диоксида углерода. Полученные данные сведены в таблицы 6–8:
Таблица 6
Состав параметры образовавшегося газа (случай №3)
|
Компонент |
Объемная доля,% |
Объемный состав, м3 |
Теплота сгорания, кДж/м3 |
|
СО |
46,99 |
503 880,07 |
12 645 |
|
H2O |
0,32 |
3 240 |
0 |
|
H2 |
50,20 |
538 242 |
10 760 |
|
N2 |
2,49 |
26 685,2 |
0 |
|
O2 |
0,00 |
3,78 |
0 |
|
Всего: |
100 |
1 072 231,058 |
11 343,68 |
Таблица 7
Состав параметры образовавшегося газа (случай №4)
|
Компонент |
Объемная доля,% |
Объемный состав, м3 |
Теплота сгорания, кДж/м3 |
|
СО |
43,08 |
562 780,09 |
12 645 |
|
H2O |
0,26 |
3 240 |
0 |
|
H2 |
54,58 |
713 020,37 |
10 760 |
|
N2 |
2,08 |
27 174,98 |
0 |
|
O2 |
0,00 |
4,93 |
0 |
|
Всего: |
100 |
1 306 400,37 |
11 320 |
Таблица 8
Состав параметры образовавшегося газа (случай №5)
|
Компонент |
Объемная доля,% |
Объемный состав, м3 |
Теплота сгорания, кДж/м3 |
|
СО |
40,35 |
621 680,11 |
12 645 |
|
H2O |
0,22 |
3 240 |
0 |
|
H2 |
57,63 |
887 798,73 |
10 760 |
|
N2 |
1,80 |
27 664,76 |
0 |
|
O2 |
0,00 |
6,08 |
0 |
|
Всего: |
100 |
1 540 569,681 |
11 303,52 |
Как видно из приведенных таблиц, чем больше монооксида углерода удаляется из конвертерного газа после добавления водяного пара, тем ниже теплота сгорания газа после удаления из него диоксида углерода.
Рис. 1. Изменение теплоты сгорания газа при различном количестве удаляемого СО.
Кроме того, чем больше добавляется пара для удаления СО, тем больше требуется природного газа для удаления диоксида углерода, что значительным образом сказывается на величине затрат на реализацию описанного мероприятия. При этом неоправданно увеличивается объем требуемого хранилища газа (газгольдера).
Таким образом, очевидно, что наиболее оптимальным во всех отношениях является реализация режима № 1, когда природный газ добавляется сразу в конвертерный без предварительного удаления СО.
В результате расчета теплового расчета реакций (1) и (2) была рассчитана температура смешанного газа, которая при первоначальной температуре на выходе из конвертера 1600 0С будет составлять 1016 0С. Полученное значение температуры превышает 900 0С, что обеспечивает наиболее полное превращение газов в процессе реакций (1) и (2).
Таким образом, добавление природного газа в конвертерный для проведения углекислотной конверсии позволяет увеличить теплоту сгорания газа с 8,99 
до 11,446 .
Количество теплоты, которое может быть получено в таком случае при использовании газа от всех трех конвертеров, по результатам расчетов составляет:
,
в то время как суммарное количество теплоты, которое может быть получено от котлов-утилизаторов и энергетических котлов при сжигании конвертерного газа первоначального состава и рассчитанного количества природного газа в чистом виде, составит:
В таком случае увеличение количества теплоты, составит:
Таким образом, исходя из описанного выше, наиболее эффективным способом повышения энергетической эффективности конвертерного газа является добавление природного для осуществления углекислотной конверсии метана и этана и удаления 100 % углекислого газа без добавления водяного пара.
Литература:
- Максимов А. А. Совершенствование энергоэффективной схемы утилизации конвертерного газа / А. А. Максимов, Е. Б. Агапитов // Теплотехника и информатика в образовании, науке и производстве: сборник докладов IV Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Теплотехника и информатика в образовании, науке и производстве» (ТИМ’2015) с международным участием, посвящённой 95-летию основания кафедры и университета (г. Екатеринбург, 26–27 марта 2015 г.). — Екатеринбург: УрФУ, 2015. — С. 101–105.
