ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ СТАЛЕЛИТЕЙНЫЙ КОМПЛЕКС И СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО КОМПЛЕКСА
PRODUCTION STEEL COMPLEX AND OPERATING METHOD OF PRODUCTION COMPLEX

Изобретение относится к производственному сталелитейному комплексу и способу эксплуатации производственного комплекса.
Производственный сталелитейный комплекс включает доменную печь для производства чугуна, конвертер для производства нерафинированной стали, газоотводную систему для газов, возникающих при производстве чугуна и/или нерафинированной стали, и также энергетическую установку для производства электроэнергии. Энергетическая установка конструктивно выполнена как газо-турбинная энергетическая установка или газо-турбинная и паротурбинная энергетическая установка и работает на газе, который содержит по меньшей мере часть колошникового газа, который возникает в доменной печи при производстве чугуна и/или часть конвертерного газа, который возникает в конвертер для производства стали.
2
2
2
2
Чугун получают в доменной печи из железной руды, добавок и также кокса и других восстановителей, таких как уголь, нефть, газ, биомасса, переработанные отходы пластмасс или другие вещества, содержащие углерод и/или водород. СО, СО, водород и пары воды неизбежно возникают в качестве продуктов реакций восстановления. Помимо вышеуказанных составляющих, колошниковый газ, получаемый в доменном процессе, часто имеет высокое содержание азота. Количество и состав колошникового газа зависят от исходного сырья и режима работы и подвержены колебаниям. Однако обычно колошниковый газ содержит 35-60% об. N, 20-30% об. СО, 20-30% об. CO и 2-15% об. Н. Около 30-40% колошникового газа, получаемого при производстве чугуна, обычно используется для нагрева горячего воздуха для доменного процесса в воздухонагревателях; оставшееся количество колошникового газа может быть использовано в других установках для нагрева или для выработки электроэнергии.
2
2
2
2
В конвертере для производства стали, который расположен после доменного процесса по технологической схеме, чугун превращается в нерафинированную сталь. Продувкой кислорода в жидкий чугун удаляются вредные примеси, такие как углерод, кремний, сера и фосфор. Так как процессы окисления вызывают интенсивное выделение тепла, часто добавляют лом в количестве до 25% по отношению к передельному чугуну в качестве охлаждающего вещества. Кроме того, добавляют известь для образования шлака и легирующей добавки. Конвертерный газ, который имеет высокое содержание СО, а также содержит азот, водород и CO удаляют из конвертера для производства стали. Типичный состав конвертерного газа включает 50-70% об. СО, 10-20% об. N, около 15% об. СО и около 2% об. Н. Конвертерный газ либо сжигают или, в случае современных металлургических заводов, улавливают и передают для использования для производства энергии.
4
2
4
2
2
3
2
4
Производственный комплекс необязательно может работать вместе с коксовой батарей. В этом случае производственный комплекс, описанный вначале, дополнительно включает коксовую батарею, в которой уголь превращается в кокс с помощью процесса коксования. При коксовании угля в кокс образуется коксовый газ, с высоким содержанием водорода и значительных количеств СН. Обычно коксовый газ содержит 55-70% об. Н, 20-30% об. СН, 5-10% об. N и 5-10% об. СО. Кроме того, коксовый газ включает фракции СО, NH и HS. На практике коксовый газ используется в различных областях для нагрева и в процессе выработки энергии для производства электроэнергии. Кроме того, известно использование коксового газа вместе с колошниковым газом или с конвертерным газом для производства синтез-газов. В соответствии со способом, известным из WO 2010/136313 А1, коксовый газ разделяют на поток газа, богатый по водороду, и остаточный поток газа, содержащий СН и СО, остаточный поток газа подают в доменный процесс и поток газа, богатый по водороду, смешивают с колошниковым газом и далее перерабатывают в синтез-газ. Известно из ЕР 0200880 А2 смешивание конвертерного газа и коксового газа и их использование в качестве синтез-газа для синтеза метанола.
В объединенном металлургическом заводе, который работает вместе с коксовой батарей, около 40-50% исходных газов, которые формируются в виде колошникового газа, конвертерного газа и коксового газа, используются для химических технологических процессов. Около 50-60% образующихся газов направляют в процесс выработки энергии и используют для выработки электроэнергии. Электроэнергия, произведенная в процессе выработки энергии, покрывает потребность в электроэнергии для производства чугуна и нерафинированной стали. В идеальном случае энергетический баланс замкнут, так что, кроме железной руды и углерода в виде угля и кокса в качестве источников энергии, никаких дополнительных затрат энергии не требуется и кроме нерафинированной стали и шлака никакие продукты не выходят из производственного комплекса.
На этом фоне, в основу настоящего изобретения была поставлена задача дальнейшего повышения экономической эффективности всего процесса и создания производственного комплекса, с помощью которого можно сократить расходы на производство стали.
Исходя из производственного комплекса по производству стали, включающего доменную печь для производства чугуна, конвертер для производства нерафинированной стали, газо-отводную систему для газов, возникающих при производстве чугуна и/или нерафинированной стали, и энергетическую установку для производства электроэнергии, в соответствии с изобретением химическая и биотехнологическая установки соединены с газо-отводящей системой, энергетическая, химическая и биотехнологическая установки расположены параллельно относительно подачи газа. В соответствии с изобретением, газ-отводящая система включает функционально контролируемое газораспределительное устройство для разделения потоков газа, которые подаются в энергетическую установку, химическую и биотехнологическую установки. Преимущественные модификации производственного комплекса согласно изобретению, описаны в пп. 2-4.
Задачей изобретения также является способ по п. 5 функционирования производственного комплекса, который включает доменную печь для производства чугуна, конвертер для производства стали, химическую установку, биотехнологическую установку и энергетическую установку. В соответствии со способом согласно изобретению по меньшей мере часть количества колошникового газа, который возникает при производстве чугуна в доменной печи и/или часть количества конвертерного газа, который возникает при производстве нерафинированной стали, используют в качестве газа пригодного для работы энергетической установки, химической и биотехнологической установок. Первая часть потока полезного газа подают в химическую установку и используют после операции обработки газа в качестве синтез-газа для производства химических продуктов. Вторую часть потока полезного газа используют в энергетическую установку для производства электроэнергии. Третью часть потока полезного газа подают в биотехнологическую установку и используют в биохимических процессах. Третья часть потока может быть использована для биохимических процессов с проведением или без проведения обработки газа. В случае изменения газового потока, подаваемого в энергетическую установку, вторая часть потока и третья часть потока полезного газа меняются поочередно, так что химическая установка может работать с частичным потоком полезного газа, который меньше подвержен технологическим колебаниям, чем часть потока полезного газа, которую используют в биотехнологической установке. Третья часть потока полезного газа соответственно регулируется так, что первая часть потока полезного газа, используемого в химической установке, подается постоянно с диапазоном колебаний ±20%.
В химической установке химические продукты получаются из синтез-газов, которые соответственно содержат компоненты реагирующих веществ. Химические продукты могут быть, например, аммиаком или метанолом или же другими углеводородными соединениями.
2
Под биотехнологической установкой понимается установка ферментации синтез-газа, содержащего СО и Н в качестве основных компонентов. Углеводородные соединения, например, этанол, ацетон и т.п., также могут быть получены из этого синтез-газа. Однако доля водорода в этом случае в основном образуется из воды, которую используют в качестве среды в процессе ферментации. Таким образом, газ, который имеет высокое содержание СО, требуется для получения синтез-газа. Предпочтительно используют конвертерный газ или смешанный газ, который содержит конвертерный газ и колошниковый газ.
Часть потока полезного газа, который используют в энергетической установке для производства электроэнергии, подвержена значительным технологическим колебаниям. Электроэнергия, вырабатываемая в энергетической установке, охватывает часть электроэнергии необходимой для производственного комплекса. Дополнительно получают электричество из внешних источников, предпочтительно получают полностью или по меньшей мере частично из возобновляемых источников энергии и производимого, например, ветряными турбинами генераторных установок, солнечными электростанциями, геотермальными энергетическими установками, гидроэлектростанциями, приливными энергетическими установками и т.п. Для достижения экономически эффективной насколько возможно работы производственного комплекса, работу энергетической установки ограничивают, если имеются внешние источники электричества в достаточном количестве и по выгодным ценам. Если электричество из возобновляемых источников не доступно в достаточной степени или электроэнергия из внешних источников имеет более высокую цену, чем электричество, которое может быть произведено энергетической установкой, мощность энергетической установки увеличивается, и большая часть полезного газа используется в процессе генерации энергии для производства электроэнергии. Поэтому доля полезного газа, который может быть использован в качестве синтез-газа для производства химических продуктов, в результате может быть подвержена существенным технологическим колебаниям, что обусловлено работой энергетической установки.
Динамический контроль химической установки при изменении нагрузки является технически сложным. Проблема, состоящая в том, что химическая установка, работающая вместе с энергетической установкой, не может реагировать достаточно гибко на изменение нагрузки энергетической установки, решается в соответствии с изобретением первоначально только мощность биотехнологической установки адаптируют при изменении нагрузки энергетической установки и поочередно изменяется часть потока полезного газа, который предназначен для биотехнологической установки и часть потока полезного газа, который используется в энергетическом установке, так что химическая установка может работать с частью потока полезного газа, который подвержен значительно меньшим технологическим колебаниям, чем часть потока полезного газа, который используется в биотехнологической установке. Идея в соответствии с изобретением, таким образом, использует тот факт, что биотехнологическая установка является гораздо более гибкой к изменению нагрузки по сравнению с химической установкой.
В соответствии с предпочтительным осуществлением изобретения производственный комплекс дополнительно включает в себя коксовую батарею. Если производство чугуна и производство нерафинированной стали работают вместе с коксовой батарей, часть колошникового газа, который возникает при производстве чугуна и/или часть конвертерного газа, который возникает в конвертере для производства стали, могут быть смешаны с частью коксового газа, который возникает в коксовой батарее, и смешанный газ может быть использован в качестве полезного газа. Смесь коксового газа и колошникового газа или смешанного газа, содержащего коксовый газ, конвертерный газ и колошниковый газ, может быть использована для получения синтез-газа, например, для синтеза аммиака. Смешанный газ, содержащий коксовый газ и конвертерный газ, или смешанный газ, содержащий коксовый газ, конвертерный газ и колошниковый газ, пригоден для получения углеводородных соединений.
Конвертерный газ, колошниковый газ или смешанный газ, содержащий эти два компонента газа, предпочтительно используют для работы биотехнологической установки. Коксовый газ не подходит или подходит в меньшей степени для биотехнической установки. В этом плане может быть целесообразным использовать в химической и в биотехнологической установке потоки полезного газа, которые различаются по своему составу.
2
2
2
4
Неочищенные газы - коксовый газ, конвертерный газ и/или колошниковый газ - могут быть обработаны по отдельности или совместно в виде смешанного газа и затем использованы в качестве синтез-газа в химической и биотехнологической установке. Обработка коксового газа, в частности, включает очистку газа для отделения вредных компонентов, в частности, смолы, серы и соединений серы, ароматических углеводородов (БТК) и высококипящих углеводородов. Операция обработки газа также необходима для получения синтез-газа. В ходе обработки газа доля компонентов СО, CO и Н в неочищенном газе изменяется. Обработка газа включает, например, адсорбцию при переменном давлении для отделения и обогащения Н и/или реакцию конверсии водяного газа для конверсии СО в водород и/или паровой риформинг для конверсии фракции CH в СО и водород в коксовом газе.
Первая часть потока полезного газа, используемого в химической установке, может быть обогащена водородом, который получается в дополнительной установке. Получение водорода предпочтительно выполняют электролизом воды, причем электролиз воды, может выполняться с использованием электроэнергии из возобновляемых источников. Кислород также образуется при электролизе воды и может быть использован в доменной печи для производства чугуна и/или в конвертере для производства нерафинированной стали.
Изобретение также включает применение химической установки вместе с биотехнологической установкой для объединения с металлургическим заводом по п. 14.
Изобретение ниже поясняется на основе фигур, которые представляют пример осуществления. Схематично,
Фиг. 1 представляет значительно упрощенную блок-схему производственного комплекса для производства стали, включающего доменную печь для производства чугуна и конвертер для производства нерафинированной стали, энергетическую установку, химическую установку и биотехнологическую установку,
Фиг. 2 представляет значительно упрощенную блок-схему производственного комплекса, который включает в дополнение к доменной печи для производства чугуна, конвертеру для производства нерафинированной стали, энергетической установке, химической установке и биотехнологической установке также коксовую батарею.
Производственный комплекс по производству стали, который представлен на фиг. 1, содержит доменную печь 1 для производства чугуна, конвертер 2 для производства нерафинированной стали и энергетическую установку 3 для выработки электроэнергии.
2
2
В доменной печи 1 получают чугун 6 по существу из железной руды 4 и восстановителей 5, в частности, кокса и угля. Реакции восстановления вызывают образование в доменной печи колошникового газа 7, который содержит азот, СО и CO в качестве основных компонентов и небольшую долю Н. В конвертере для производства стали 2, который расположен после доменной печи в технологической схеме, чугун 6 превращают в нерафинированную сталь 8. Продувкой кислорода в жидком чугуне удаляются вредные примеси, в частности, углерод, кремний и фосфор. Для охлаждения может быть добавлен лом в количестве до 25%, относительно количества чугуна. Кроме того, добавляют известь для образования шлака и легирующей добавки. В верхней части конвертера удаляется конвертерный газ 9, который содержит очень высокую долю СО.
Энергетическая установка 3 конструктивно выполнена как газо-турбинная энергетическая установка или газо-турбинная и паротурбинная энергетическая установка и работает на газе, который включает в себя по меньшей мере часть колошникового газа 7, который возникает при производстве чугуна в доменной печи 1 и/или часть конвертерного газа, который возникает в конвертер для производства стали 2. Газо-отводящая система предусмотрена для транспорта газов.
Согласно общему балансу, представленному на фиг. 1, углерод, подают в производственный комплекс в качестве восстановителя 5 в виде угля и кокса, а также железную руду 4. Получаемыми продуктами являются нерафинированная сталь 8 и неочищенные газы 7 и 9, которые различаются по количеству, составу, теплотворной способности и чистоте, и снова используются на различных участках производственного комплекса. В общем 40-50%, обычно около 45% необработанных газов 7 и 9 снова возвращаются в металлургический процесс производства чугуна или нерафинированной стали. 50-60%, обычно около 55%, неочищенных газов 7 и 9 могут быть использованы для работы энергетической установки 3.
Согласно схеме на фиг. 1, производственный комплекс дополнительно включает химическую установку 12 и биотехнологическую установку 3, энергетическую установку 3, химическую установку 12 и биотехнологическую установку 13, размещенные параллельно относительно подачи газа. Газоотводящая система имеет технологически контролируемое газораспределительного устройство 14 для разделения потоков газа, которые подаются на энергетическую установку 3, химическую установку 12 и биотехнологическую установку 13. Перед газораспределительным устройством 14 по потоку может быть расположено смешивающее устройство 21, для получения смешанного газа, состоящего из колошникового газа 7 и конвертерного газа 9.
Колошниковый газ 7 и конвертерный газ 9, могут быть объединены друг с другом любым необходимым образом. Объединение потоков газов 7, 9, зависит от искомого синтез-газа или продукта, который получается в химической установке 12. Кроме того, в объем притязаний настоящего изобретения входит подача в биотехнологическую установку 13 потока газа с составом, который отличается от состава газа, используемого в химической установке 12.
В случае производственного комплекса, представленного на фиг. 1 по меньшей мере часть колошникового газа 7, который возникает при производстве чугуна в доменной печи 3 и/или часть конвертерного газа 9, который возникает при производстве нерафинированной стали, используют для работы энергетической установки 3, химической установки 12 и биотехнологической установки 13. Первую часть потока 15.1 полезного газа подают в химическую установку 12 и используют после операции очистки газа в качестве синтез-газа для производства химических продуктов. Вторую часть потока 15.2 полезного газа используют в энергетической установке 3 для выработки электроэнергии. Третью часть потока 15.3 полезного газа подают в биотехнологическую установку 13 и используют в биохимических процессах.
Электричество 16, полученное из внешних источников, и электричество энергетической установки 17, которое производится с помощью энергетической установки 3 производственного комплекса, используют для покрытия потребности в электроэнергии производственного комплекса. Электричество 16, полученное из внешних источников, предпочтительно получают полностью или по меньшей мере частично из возобновляемых источников энергии и оно вырабатывается, например, ветряными турбинами генераторных установок, солнечными электростанциями, гидроэлектростанциями и т.п. Для достижения насколько это возможно экономически эффективного функционирования производственного комплекса электроэнергию покупают в качестве внешнего электричества 16 в периоды низких цен на электроэнергию и снижают процесс генерации электроэнергии. В периоды высоких цен на электроэнергию, увеличивается часть потока 15.2 полезного газа, который используется в энергетической установке 3 для производства электроэнергии.
В случае изменения потока газа, подаваемого в. энергетическую установку 3, поочередно меняются вторая часть потока 15.2 и третья часть потока 15.3 полезного газа, так что химическая установка 12 может работать с частью потока 15.1 полезного газа, который подвержен меньшим технологическим колебаниям, чем часть потока полезного газа 15.3, который используется в биотехнологической установке 13. Третья часть потока полезного газа 15,3 соответственно контролируется так, что первая часть потока полезного газа 15.1, используемого в химической установке 12, постоянно подается с диапазоном колебаний±20%.
4
В иллюстративном осуществлении фиг. 2, производственный комплекс дополнительно включает коксовую батарею 18. При коксовании угля в кокс возникает коксовый газ 20, содержащий большую долю водорода и CH. Часть коксового газа 20 может быть использована для нагрева воздухонагревателей в доменной печи 1. Газоотводная система включает распределение коксового газа 20. По технологической схеме перед газораспределительным устройством 14 в направлении потока может быть размещено смесительное устройство 21 для получения смешанного газа, состоящего из колошникового газа 7, конвертерного газа 9 и коксового газа 20.
Колошниковый газ 7, конвертерный газ 9 и коксовый газ 20 могут быть объединены друг с другом любым необходимым образом. Объединение газовых потоков 7, 9, 20, зависит от искомого синтез-газа или продукта, который производится в химической установке 12. Также в объеме притязаний настоящего изобретения в биотехнологическую установку 13 подают поток газа, состав которого отличается от состава газа, используемого в химической установке 12.
Также в случае концепции схемы, представленной на фиг. 2, первую часть потока 15.1 полезного газа подают в химическую установку 12 и используют после операции очистки газа в качестве синтез-газа для получения химических продуктов. Вторую часть потока 15.2 полезного газа используют в энергетической установке 3 для производства электроэнергии. Третью часть потока 15.3 полезного газа подают в биотехнологическую установку 13 и используют в биохимических процессах. В случае изменения потока газа, подаваемого в энергетическую установку 3, вторую часть потока 15.2 и третью часть потока 15.3 полезного газа поочередно меняют, так что химическая установка 12 может работать с частью потока 15.1 полезного газа, который подвержен в меньшей степени технологическим колебаниям, чем часть потока полезного газа 15.3, который используют в биотехнологической установке.
Первая часть потока 15.1 полезного газа, используемого в химической установке 12, также может быть обогащена водородом 22, который получают в дополнительной необязательно установленной установке для получения водорода 23.