Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОБРАБОТКИ ОТХОДЯЩЕГО ГАЗА, СОДЕРЖАЩЕГО ДИОКСИД УГЛЕРОДА

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)

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

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.