Результат интеллектуальной деятельности: КОМПЛЕКС УСТАНОВОК ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ И СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ КОМПЛЕКСА УСТАНОВОК

Изобретение относится к комплексу установок для производства стали, а также к способу эксплуатации комплекса установок.

Комплекс установок для производства стали содержит по меньшей мере доменную печь для производства чугуна, конвертерную сталеплавильную установку для производства сырой стали и газопроводную систему для газов, выделяемых при производстве чугуна и/или при производстве сырой стали. Комплекс установок может иметь, кроме того, электростанцию для выработки электроэнергии, сконструированную как газотурбинная электростанция или газопаротурбинная электростанция и эксплуатируемую при помощи газа, содержащего по меньшей мере выделяющуюся при производстве чугуна в доменной печи порцию смеси колошникового газа доменной печи и/или порцию смеси выделяющегося в конвертерной сталеплавильной установке конвертерного газа.

В доменной печи чугун добывают из железных руд, флюсов, а также кокса и других восстановителей, таких, как уголь, мазут, газ, биомассы, подготовленных утилизированных полимерных материалов или содержащих прочие углеводороды материалов. В качестве продуктов реакций восстановления неизбежно возникают СО, СО₂, водород и водяной пар. Оттянутый из процесса доменной печи колошниковый газ доменной печи часто имеет, наряду с вышеупомянутыми составными частями, высокое содержание азота. Объем газа и состав колошникового газа доменной печи зависит от используемой печи и от режима ее эксплуатации и подвержен колебаниям. Хотя обычно колошниковый газ доменной печи содержит от 35 до 60% объема N₂, от 20 до 30% объема СО, от 20 до 30% объема СО₂ и от 2 до 15% объема Н₂. Примерно от 30 до 40% возникающего при производстве чугуна колошникового газа доменной печи используются, как правило, для разогрева горячего воздуха для процесса доменной печи в воздухонагревателях; остающийся объем колошникового газа может использоваться на других внешних заводских участках в целях нагревания или для выработки электроэнергии.

В конвертерной сталеплавильной установке, подключенной к процессу доменной печи, чугун превращается в сырую сталь. Такие мешающие процессу загрязнения, как углерод, кремний, сера и фосфор удаляют при нагнетании кислорода на жидкий чугун. Так как процессы окисления вызывают сильное тепловыделение, в качестве охлаждающего агента часто добавляют металлолом в объемах до 25% по отношению к чугуну. Кроме того, добавляют известь для образования шлаков и легирующих компонентов. Из конвертера для производства стали оттягивается конверторный газ, имеющий высокое содержание СО, а, кроме того, он содержит азот, водород и СО₂. Типичный состав конвертерного газа имеет от 50 до 70% объема СО, от 10 до 20% объема N₂, примерно, 15% объема CO₂ и, примерно, 2% объема Н₂. Конверторный газ либо сжигают в факеле, либо, - в современных сталеплавильных комбинатах, - улавливают и подводят для энергетического использования.

Комплекс установок опционально может эксплуатироваться в соединении с коксовальной установкой. В этом случае прежде описанный комплекс установок дополнительно содержит установку коксовой печи, в которой уголь превращают посредством процесса коксования в кокс. При коксовании угля в кокс выделяется коксовый газ, имеющий высокое содержание водорода и значительные объемы СН₄. Обычно коксовый газ содержит от 55 до 70% объема Н₂, от 20 до 30% объема СН₄, около 10% объема N₂ и от 5 до 10% объема СО. Дополнительно коксовый газ имеет части СО₂, NH₃ и H₂S. На практике коксовый газ используют на различных заводских участках в нагревательным целях и в процессе работы электростанции для выработки электроэнергии. Кроме того, известно, что коксовый газ вместе с колошниковым газом доменной печи или с конвертерным газом используют для производства синтез-газа. Согласно известному из WO 2010/136313 А1 способу коксовый газ разделяют на обогащенный водородом поток газа и на содержащий СН₄ и СО поток остаточного газа, причем поток остаточного газа подводят к процессу доменной печи, а обогащенный водородом поток газа смешивают с колошниковым газом доменной печи и перерабатывают его в синтез-газ. Из ЕР 0200880 А2 известно смешивание конвертерного газа и коксового газа и использование в качестве синтез-газа для синтеза метанола.

В интегрированном металлургическом заводе, эксплуатируемым в соединении с коксовальной установкой, почти от 40 до 50% неочищенного газа, выделяющегося в виде колошникового газа доменной печи, конвертерного газа и коксового газа, используют для технологических процессов. Почти от 50 до 60% возникающих газов подводят в электростанцию и используют для выработки электроэнергии. Произведенный в электростанции электрический ток покрывает потребность электрического тока для производства чугуна и производства сырой стали. В идеальном случае энергобаланс замкнут, поэтому, не считая железную руду и углерод в виде угля и кокса в качестве энергоносителя, не требуется никакой другой ввод энергии, а кроме сырой стали и шлака из комплекса установок не выходят никакие другие продукты.

Учитывая вышеизложенное, в основе изобретения лежит задача дальнейшего усовершенствования экономичности всего процесса и предлагается комплекс установок, при помощи которого можно уменьшить издержки на производство стали. Кроме того, целью является снижение выбросов СО₂ при производстве сырой стали.

Исходя из комплекса установок для производства стали с доменной печью для производства чугуна, конвертерной сталеплавильной установкой для производства сырой стали и с газопроводной системой для газов, выделяющихся при производстве чугуна и/или при производстве сырой стали, согласно изобретению предусмотрено, что комплекс установок дополнительно имеет подключенную к газопроводной системе химическую установку или биотехнологическую установку, а также накопитель энергии для покрытия по меньшей мере части потребности электрического тока для комплекса установок. Предпочтительные варианты исполнения согласно предложенному комплексу установок описываются в п.п. 2-4 формулы изобретения.

Предметом изобретения также является способ согласно пункту 5 формулы изобретения эксплуатации комплекса установок для производства стали, имеющего по меньшей мере доменную печь для производства чугуна, конвертерную сталеплавильную установку и химическую или биотехнологическую установку. Согласно предложенному изобретением способу первоначально порцию смеси выделяемого при производстве чугуна в доменной печи колошникового газа доменной печи и/или порцию смеси выделяющегося при производстве сырой стали конвертерного газа используют после кондиционирования газа в качестве полезного газа для производства химических продуктов или подводят после кондиционирования газа в биотехнологическую установку и используют для биохимических процессов. Для покрытия по меньшей мере части потребности комплекса установок в электрическом токе предусмотрен накопитель энергии. Накопитель энергии питается электрическим током, вырабатываемым, по меньшей мере частично из возобновляемой энергии и он повторно отдает аккумулированную энергию со смещением по времени электрическим потребителям комплекса установок.

Поставка электрического тока из возобновляемой энергии, например, от солнечных батарей или ветросиловых установок, подвержена временным колебаниям. В периоды, в которые электрический ток из возобновляемой энергии доступен в достаточном объеме и по выгодным ценам, накопитель энергии заряжают, чтобы при недостаточной поставке электроэнергии и в периоды высоких тарифов на электроэнергию из накопителя энергии можно было отбирать электрический ток, достаточный для эксплуатации комплекса установок. Интеграция накопителя энергии в комплекс установок обеспечивает равномерное производство чугуна и сырой стали, а также непрерывную работу эксплуатируемых в соединении с установками для производства чугуна и производства сырой стали химической или биотехнологической установки. Согласно изобретению, комплекс установок может обеспечивать для химической или биотехнологической установки в качестве питания, по существу, равномерный поток газа, выделяемый при производстве чугуна и/или производстве сырой стали. По сравнению с разъясненным прежде уровнем техники, при котором от 50 до 60% выделяющихся неочищенных газов в виде колошникового газа доменной печи, конвертерного газа, а при необходимости, коксового газа, используют в электростанции для выработки электроэнергии, посредством заявленного способа можно уменьшить выброс СО₂, если газы не сжигают, а превращают при химических реакциях или при биохимическом процессе в более ценные продукты. Экологическая польза тем больше, чем больше электрического тока из возобновляемой энергии используется для питания накопителя энергии и снабжения электрических потребителей. При этом польза изобретения также состоит в том, что степень эффективности химической установки, в которой выделяющиеся при производстве чугуна и/или производстве сырой стали газы превращаются в химические продукты, значительно выше, чем степень эффективности процесса работы электростанции, в которой неочищенные газы используются для выработки электроэнергии.

Электростанция для энергопитания комплекса установок может использоваться как постоянная электростанция для обеспечения энергопитанием комплекса установок, когда химическая установка или биотехнологическая установка не работают, или, когда они не поставляют аккумулированную энергию для эксплуатации производственных установок для производства чугуна и производства сырой стали с желаемой мощностью.

В химической установке химические продукты могут производиться из синтез-газа, содержащего соответственно компоненты конечной продукции. Химическими продуктами может быть, например, аммиак или метанол, или также другие углеводородные соединения.

Для производства аммиака необходимо подготовить синтез-газ, содержащий в правильном соотношении азот и водород. Азот можно добывать из колошникового газа доменной печи. В качестве источника водорода можно использовать колошниковый газ доменной печи или конверторный газ, причем водород производят посредством процесса конверсии водяного газа составной части СО . Для производства углеводородных соединений, например, метанола, нужно подготовить состоящий, по существу, из СО и/или двуокиси углерода и Н₂ синтез-газ, содержащий в правильном соотношении компоненты окиси углерода и/или двуокиси углерода и водорода. Соотношение описывается часто модулем (Н₂-СО₂)/(СО+СО₂). Водород можно производить, например, посредством реакции конверсии водяного газа составной части СО в колошниковом газе доменной печи. Для подготовки СО можно задействовать конверторный газ. В качестве источника СО₂ может служить колошниковый газ доменной печи и/или конверторный газ.

В описанных выше решениях нельзя полностью использовать содержание С или N смешанного газа, так как существует дефицит водорода. Для возможности полного использования содержания С или N выделяющихся при производстве чугуна и/или производстве сырой стали газов для изготовления химических продуктов, согласно другому варианту выполнения согласно изобретению способа, добавляют водород, образующийся в установке для производства водорода. Производство водорода осуществляют предпочтительно посредством электролиза воды, причем электролиз воды можно проводить при помощи электрического тока из регенеративных источников. Предпочтительно, если установка для электролиза электрически соединена с накопителем энергии и по меньшей мере часть необходимой для электролиза воды электрической энергии отбирают из накопителя энергии. При электролизе воды образуется также кислород, который можно использовать в доменной печи для производства чугуна и/или в конвертерной сталеплавильной установке для производства сырой стали.

В рамках изобретения вместо химической установки для производства продуктов из синтез-газа также может использоваться биотехнологическая установка (биотехнологическая установка). При этом речь идет об установке для ферментации синтез-газа. Синтез-газ используют при помощи ферментации биохимически, причем можно изготавливать такие продукты, как спирты (этанол, бутанол), ацетон или органическую кислоту. Эти продукты, изготовленные посредством ферментации синтез-газа, в данном случае названы только в качестве примера.

Комплекс установок дополнительно может иметь установку коксовальной печи. Если производство чугуна и производство сырой стали осуществляют в соединении с коксовальной установкой, порцию смеси выделяющегося при производстве чугуна колошникового газа доменной печи и/или порцию смеси выделяющегося в конвертерной сталеплавильной установке конвертерного газа можно смешивать с порцией смеси возникающего в установке коксовальной печи коксового газа, а смешанный газ использовать как полезный газ. Для производства синтез-газа, например, для синтеза аммиака можно использовать, как полезный газ, смесь из коксового газа и колошникового газа доменной печи или смешанный газ из коксового газа, конвертерного газа и колошникового газа доменной печи. Для производства углеводородных соединений подходит смешанный газ из коксового газа и конвертерного газа или смешанный газ из коксового газа, конвертерного газа и колошникового газа доменной печи. При этом описанные химические продукты, которые могут изготавливаться в химической установке из колошникового газа доменной печи, конвертерного газа и коксового газа, - это только примеры использования для разъяснения описанных в пунктах формулы изобретения вариантов способа.

Неочищенные газы: коксовый газ, конверторный газ/или колошниковый газ доменной печи - могут подготавливаться по отдельности или в комбинациях в качестве смешанного газа, а затем подводиться как синтез-газ в химическую установку. Подготовка, в частности, газа коксовой печи, содержит очистку газа для отделения мешающих процессу ингредиентов, в частности, смолы, серы и соединений серы, ароматических углеводородов (ВТХ) и высококипящих углеводородов. Кроме того, необходимо кондиционирование газа для производства синтез-газа. В рамках кондиционирования газа изменяется доля компонентов СО, СО₂, Н₂ внутри неочищенного газа. Кондиционирование газа содержит, например, адсорбцию с изменением давления для отделения и обогащения Н₂ и/или реакцию конверсии водяного газа для преобразования СО в водород и/или паровой реформинг для преобразования доли СН₄ в СО и водорода в коксовом газе.

Накопитель энергии можно эксплуатировать в электрическом соединении с электростанцией, сконструированной как газотурбинная электростанция или пароазотурбинная электростанция и эксплуатировать с целью производства электроэнергии при помощи колошникового газа доменной печи, конвертерного газа или коксового газа, или образованного по меньшей мере из двух этих газовых компонентов смешанного газа. Электростанция и химическая установка или биотехнологическая установка подключены в отношении газопровода параллельно. Подводимые, с одной стороны, к электростанции, а, с другой стороны, - к химической установке или биотехнологической установке потоки газа можно регулировать.

Кроме того, под изобретение подпадает, кроме того, применение электрохимического или химического накопителя энергии для интеграции в комплекс установок для производства стали согласно пункту 12 формулы изобретения.

Далее приводится разъяснение изобретений посредством изображающего только один пример варианта выполнения чертежа. На фигурах схематически показаны:

фиг. 1. - упрощенная блок-схема комплекса установок для производства стали с доменной печью для производства чугуна, конвертерной сталеплавильной установкой для производства сырой стали, установкой коксовой печи для производства кокса, накопителем энергии, электростанцией и химической установкой;

фиг. 2. - упрощенная блок-схема комплекса установок, имеющего дополнительно к изображенному на фиг. 1 компоненту установок установку для производства водорода.

Изображенный на фиг. 1 комплекс установок для производства стали содержит доменную печь 1 для производства чугуна, конвертерную сталеплавильную установку 2 для производства сырой стали и опционально установку 17 коксовой печи для производства кокса 19, необходимого для производства чугуна. Кроме того, может быть предусмотрена электростанция 3, сконструированная как газотурбинная электростанция или газопаротурбинная электростанция и эксплуатируемая при помощи газа, выделяемого при производстве чугуна, производстве сырой стали и/или в установке коксовой печи. Для направления газов предусмотрена газопроводная система.

В доменной печи 1 чугун добывают, по существу, из железной руды 4 и восстановителей 5, в частности, кокса и угля. Посредством реакций восстановления образуется колошниковый газ 7 доменной печи, содержащий в качестве основных компонентов азот, СО, СО₂ и Н₂. В конвертерной сталеплавильной установке 2, подсоединенной к процессу доменной печи, чугун 6 превращают в сырую сталь 8. Мешающие процессу загрязнения, в частности, углерод, кремний и фосфор удаляют посредством нагнетания кислорода на жидкий чугун. Для охлаждения может подводиться металлолом в объемах до 25% по отношению к объему чугуна. Затем добавляют известь для образования шлаков и легирующее средство. В головной части конвертера конверторный газ 9, имеющий очень большую составную часть СО, оттягивается. Если комплекс установок дополнительно содержит установку 17 коксовой печи, то при коксовании угля 18 в кокс 19, образуется, кроме того, коксовый газ 20, содержащий большую долю водорода и СН₄. Части коксового газа 20 могут использоваться для нагревания воздухонагревателей в доменной печи 1.

Согласно изображенному на фиг. 1 общему итогу, в комплекс установок подводят углерод в качестве восстановителя 5 в виде угля и кокса, а также железную руду 4. В качестве продуктов выходят сырая сталь 8 и неочищенные газы 7, 9, отличающиеся по объему, составу и по теплоте сгорания и чистоте и которые повторно используются в различных местах в комплексе установок. При общем рассмотрении от 40 до 50%, предпочтительно, почти 45%, неочищенных газов 7, 9 повторно возвращаются в металлургический процесс для производства чугуна или для производства сырой стали. От 50% до 60%, предпочтительно, около 55%, неочищенных газов 7, 9 подводят в химическую установку 12 или их можно использовать для эксплуатации электростанции 3. Вместо химической установки 12 также может быть предусмотрена биотехнологическая установка.

Химическая установка 12 или биотехнологическая установка подключена к газопроводной системе, а в отношении снабжения газом - параллельно к электростанции 3. Газопроводная система имеет газовую стрелку 13 с возможностью управления при эксплуатации для распределения подводимых к электростанции 3 и химической установке 12 или биотехнологической установке объемов потоков газа. В направлении потока, перед газовой стрелкой 13, предусмотрено смесительное устройство 14 для производства смешанных газов 11, состоящих из колошникового газа 7 доменной печи, конвертерного газа 9 и/или коксового газа 20.

В изображенном на фиг. 1 комплексе установок по меньшей мере одну порцию неочищенного газа, выделяющегося в комплексе установок в виде колошникового газа доменной печи, конвертерного газа, а при необходимости - газа коксовой печи используют после подготовки газа в качестве полезного газа для производства химических продуктов. Для покрытия потребности в электрическом токе комплекса установок привлекается получаемый из внешних источников электрический ток 15, вырабатываемый по меньшей мере частично из возобновляемой энергии и исходящий, например, из ветросиловых установок, солнечных батарей, гидроэлектростанций и так далее. Дополнительно может использоваться электрический ток электростанции 16.

Комплекс установок содержит накопитель 25 энергии. Он питается электрическим током 26, вырабатываемым по меньшей мере частично из возобновляемой энергии, и повторно передает аккумулированную энергию со смещением по времени потребителям электричества в комплексе установок. Накопитель 25 энергии эксплуатируется, кроме того, в электрическом соединении с электростанцией 3. Для достижения непрерывной эксплуатации установок для производства чугуна и производства сырой стали и химической установки 12 в качестве питания для химической установки 12 постоянно должен находиться в распоряжении смешанный газ. И наоборот, чтобы комплекс установок, в свою очередь, всегда имел для производства чугуна и производства сырой стали необходимый объем электрического тока, в периоды низких тарифов на электроэнергию и достаточного количества имеющейся в распоряжении возобновляемой энергии, электрическую энергию аккумулируют в накопителе 25 энергии. При отсутствии в распоряжении достаточного объема возобновляемой энергии из внешних источников по приемлемым ценам, электрический ток отбирают из накопителя 25 энергии. Комплекс установок с интегрированной электростанцией 3 сконструирован так, что электростанцию 3 можно использовать в постоянном режиме эксплуатация и выключать по меньшей мере время от времени. Электростанцию 3 используют тогда, когда химическая установка 12 не работает или не поставляет аккумулированную энергию для обеспечения эксплуатации комплекса установок. В этом случае комплекс установок эксплуатируется по меньшей мере частично при помощи электрического тока электростанции 16. Благодаря этому, предотвращается работа химической установки 12 в режиме частичной нагрузки или ее перевод на совсем низкие режимные параметры. Накопитель 25 энергии выполнен в виде химического или электрохимического накопителя. Это же соответствует, когда вместо химической установки 12 используют биотехнологическую установку.

В примере выполнения на фиг. 2 комплекс установок дополнительно содержит установку 21 для производства водорода, соединенную с газопроводной системой подающим водород трубопроводом 22. Установка 21 для производства водорода может быть, в частности, установкой для электролиза воды. Проведение электролиза воды энергоемкое. По меньшей мере часть необходимой для электролиза воды электрической энергии забирается из накопителя 25 энергии. Дополнительно может использоваться внешний электрический ток 26, происходящий предпочтительно из регенеративных источников. Произведенный электролизом воды водород подводят в химическую установку 12 вместе с полезным газом в виде синтез-газа. Благодаря этому можно значительно увеличить производственную мощность химической установки 12. Соответствующее имеет место, если вместо химической установки 12 предусмотрена биотехнологическая установка.

Колошниковый газ 7 доменной печи, конверторный газ 9 и газ 20 коксовой печи могут как угодно комбинироваться друг с другом. Комбинацию потоков 7, 9, 20 газа ориентируют в соответствии с желаемым синтез-газом или продуктом, который должен изготавливаться из синтез-газа в химической установке 12 или в биотехнологической установке.