Способ утилизации конвертерных газов для производства водорода

Способ утилизации конвертерных газов для производства водорода

Реферат

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к кислородно-конвертерному производству.

Известен способ утилизации конвертерных газов, включающий подачу конвертерного газа через слой железорудной шихты, отличающийся тем, что с целью повышения эффективности использования химической энергии конвертерного газа в отходящий конвертерный газ с температурой 1500-1700°С подают природный газ в количестве 0,08-0,12 м³/м³ кг, затем полученной смесью газов восстанавливают железорудную шихту в виде обожженных окатышей в количестве 1,0-1,5 кг на 1 м³ полученной смеси газов, а образованным после восстановления обожженных окатышей газом ведут обжиг сырых окатышей из железорудной шихты, при этом обожженные окатыши подают на восстановление горячими (см. Патент на способ утилизации конвертерных газов RU 20002812 C1, С21С 5/38, опубл. 15.11.1993 г.)

Недостатком известного способа использования конвертерного газа является отсутствие процесса утилизации отходящих газов после процесса обжига окатышей.

Наиболее близким аналогом к заявляемому способу является способ, который включает отвод газа, образующегося при продувке металла в конвертере, его охлаждение и очистку в скруббере с трубами Вентури, накопление и усреднение в газгольдере, доочистку в электрофильтре мокрого типа до концентрации пыли 10 мг/м³. Охлажденный и очищенный конвертерный газ подают в газосмесительную станцию. Одновременно отводят коксовый газ из камеры сухого тушения кокса. После охлаждения и очистки его от пыли осуществляют химическое отделение продуктов коксования с получением обратного коксового газа. Обратный коксовый газ подают в блок короткоцикловой адсорбции, в котором под переменным давлением из него выделяют водород. Водород подают в вышеуказанную газосмесительную станцию, в которой конвертерный газ смешивают с водородом в объемном соотношении (0,50-0,65) (см. Патент на способ использования конвертерного газа для производства топлива RU 2525012, С21С 5/38, С10В 57/00, опубл. 10.08.2014 г.).

Основным недостатком известного способа использования конвертерного газа для производства топлива является наличие шламообразования в связи с охлаждением и очисткой конвертерного газа в скруббере и возникновения при этом потерь металла и тепла.

Техническая задача, решаемая предлагаемым способом, состоит в исключении процесса шламообразования при снижении потерь металла и тепла и достигается тем, что в известном способе утилизации конвертерных газов, включающем отвод конвертерного газа, образующегося при продувке металла в конвертере, его охлаждение, очистку и выделение водорода методом короткоцикловой адсорбции, согласно изобретению охлаждение и очистку конвертерных газов ведут путем энергохимической аккумуляции природным газом с возвратом металлосодержащего уноса в конвертерный процесс, а газ после энергохимической аккумуляции смешивают с водяным паром, направляют в реактор пароводяной конверсии оксида углерода, повторно охлаждают, сепарируют технологический конденсат, выделяют водород и во время отсутствия выхода конвертерных газов используют водородсодержащий газ, полученный методом пароводяной конверсии природного газа.

Предлагаемый способ реализуется по схеме, изображенной на чертеже. Схема включает в себя конвертор 1, уплотнительное устройство 2, газоход отходящих конвертерных газов 3, трубопровод 4 природного газа к реактору энегохимической аккумуляции ЭХА 5, реактор ЭХА 5, котел-утилизатор 6, сепаратор пара 7, смеситель для газа ЭХА и пара 8, реактор паровой конверсии оксида углерода 9, подогреватель питательной воды 10, холодильник 11, питательный насос 12, сепаратор 13, узел короткоцикловой адсорбции 14, реактор пароводяной конверсии природного газа 15, подогреватель природного газа 16, смеситель природного газа и пара 17.

Схема работает следующим образом. Конвертерный газ, образующий в процессе продувки конвертера 1 с температурой 1500-1700°С, проходит через уплотнительное устройство 2 в газоход отходящих конвертерных газов 3 и поступает в реактор ЭХА 5, к реактору ЭХА 5 подведен трубопровод природного газа 4. В процессе смешения конвертерного газа и природного газа в реакторе ЭХА 5 происходит химическая реакция между метаном природного газа и двуокисью углерода конвертерного газа:

СO₂+СН₄=2СО+2Н₂.

В результате этой реакции температура полученного газа составит 900-1000°С, в результате чего возрастает содержание оксида углерода СО, происходит появление водорода Н₂, что приводит к снижению диоксида СO₂. Также в реакторе ЭХА 5 в связи со снижением температуры до 900-1000°С происходят отвердевание и отделение металлосодержащего уноса, содержащегося в конверторных газах. Унос возвращается в конвертерный процесс производства стали.

Из реактора ЭХА 5 полученный газ ЭХА поступает в котел-утилизатор 6 для охлаждения до температуры 250-400°С для получения пара с температурой 500-550°С. Пар, полученный в котле утилизаторе 6, поступает в сепаратор пара 7, а затем в смеситель газа ЭХА и пара 8, где смешивается с газом ЭХА после котла-утилизатора 6. После смесителя 8 парогазовая смесь поступает в реактор пароводяной конверсии оксида углерода 9, где происходит следующая химическая реакция:

СО+Н₂O=СO₂+Н₂.

В результате этой реакции происходит получение водорода Н₂, снижение оксида углерода СО и увеличение диоксида углерода СO₂. Температура синтез-газа после реактора пароводяной конверсии оксида углерода составляет 200-400°С, в процессе данной реакции производится отвод теплоты за счет нагрева питательной воды перед котлом утилизатором. Дополнительное охлаждение синтез-газа после реактора паровой конверсии оксида углерода производится в подогревателе питательной воды 10, при необходимости окончательное охлаждения синтез-газа происходит в холодильнике 11 оборотной водой. Подача питательной воды осуществляется за счет использования питательного насоса 12. После охлаждения синтез-газа в холодильнике 11 газ поступает сепаратор 13 для отделения технологического конденсата, а затем поступает в узел короткоцикловой адсорбции для выделения водорода с отводом отдувочного газа.

Для постоянного производства водорода во время отсутствия выхода конвертерных газов во время слива стали и загрузки конвертера 1 производство водорода производят за счет использования процесса пароводяной конверсии природного газа в реакторе 15. Природный газ для конверсии предварительно подогревают в подогревателе природного газа 16 водородсодержащим газов, полученным пароводяной конверсией природного газа, и затем смешивают с паром в смесителе 17. Процесс пароводяной конверсии природного газа в реакторе 15 идет с подводом теплоты за счет сжигания природного газа в качестве топлива, при этом в качестве окислителя используют воздух. Отходящие газы и водородсодержащий газ пароводяной конверсии природного газа охлаждаются в котле-утилизаторе 6. Далее синтез-газ поступает на производство водорода по описанной ранее схеме.

Таким образом, в заявляемом способе утилизации конвертерных газов для производства водорода возможно получение водорода при переработке конвертерного газа без процесса шламообразования за счет использования процесса энергохимической аккумуляции конвертерных газов, постоянный выход водорода обеспечивается за счет использования процесса пароводяной конверсии природного газа.

Пример

В 350-тонный конвертер загружают металлический лом, заливают жидкий чугун, опускают фурму и продувают расплав. Образующийся при окислении углерода конвертерный газ с учетом уплотнительного азота имеет содержание компонентов в %: 57,35% СО, 23,52% СO₂, 4,22% O₂, 14,62% N₂, 0,29% Н₂ и усредненную температуру 1600°С, проходит последовательно через горловину конвертера, уплотнительное устройство 2 и через газоход отходящих конвертерных газов 3 попадает в реактор ЭХА 5, куда подают природный газ по трубопроводу природного газа 4, удельный объем природного газа составляет 0,11 м³/м³ конвертерного газа, в процессе ЭХА получается газ ЭХА с содержанием компонентов в %: 61,96% СО; 11,45% СO₂; 9,84% N₂; 13,11% Н₂; 3,64% Н₂O при температуре 1000°С в количестве 1,36 м³/м³ конвертерного газа. В процессе ЭХА конвертерных газов идет отделение и возврат металлосодержащего уноса в конвертерный процесс до 30 кг/т стали. Далее газ ЭХА охлаждают в котле-утилизаторе 6, подают в сепаратор 7 и смешивают с охлажденным газом ЭХА в смесителе 8, получается газопаровая смесь с содержанием компонентов в %: 28,60% СО; 5,29% СO₂; 4,54% N₂; 6,05% Н₂; 55,52% Н₂O при температуре 400°С в количестве 2,95 м³/м³ конвертерного газа. Парогазовую смесь подают в реактор пароводяной конверсии оксида углерода 9, охлаждая питательной водой для котла-утилизатора, и получают газ с содержанием компонентов в %: 0,44% СО; 33,45% СO₂; 4,54% N₂; 34,21% Н₂; 27,36% Н₂O при температуре 250°С. Полученный газ охлаждают в подогревателе питательной воды 10 и холодильнике 11 до температуры 25°С, направляют в сепаратор 13 для отделения технологического конденсата и подают в узел короткоцикловой адсорбции 14 для выделения водорода в количестве 0,74 м³/м³ конвертерного газа при температуре 25°С. Таким образом, производство водорода при выплавке 350 т стали может составить до 22,7 тыс. м³ водорода. С учетом работы конвертерного цикла производство водорода при использовании одного 350-тонного конвертера может составить 40-45 тыс. м³/час, при этом затраты природного газа на производство водорода при отсутствии конверторного газа составят 18,4-20,7 тыс. м³/час. При использовании в конвертерном производстве двух и более кислородных конвертеров затраты природного газа на производство водорода могут быть сведены к нулю.

Способ утилизации конвертерных газов, включающий отвод конвертерного газа, образующегося при продувке металла в конвертере, его охлаждение, очистку и выделение водорода методом короткоцикловой адсорбции, отличающийся тем, что охлаждение и очистку конвертерных газов ведут путем энергохимической аккумуляции природным газом с возвратом металлосодержащего уноса в конвертерный процесс, при этом газ после энергохимической аккумуляции смешивают с водяным паром, направляют в реактор пароводяной конверсии оксида углерода, повторно охлаждают, сепарируют технологический конденсат, выделяют водород и во время отсутствия выхода конвертерных газов используют водородсодержащий газ, полученный методом пароводяной конверсии природного газа.