КОМПЛЕКС УСТАНОВОК ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ И СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ КОМПЛЕКСА УСТАНОВОК
COMBINED SYSTEM FOR PRODUCING STEEL AND METHOD FOR OPERATING COMBINED SYSTEM

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.
2
2
2
2
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, CO, 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 N, от 20 до 30% объема СО, от 20 до 30% объема СО и от 2 до 15% объема H. 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.
2
2
2
2
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 в 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 конвертерный газ, имеющий высокое содержание СО, кроме того он содержит азот, водород и CO. Типичный состав конвертерного газа имеет от 50 до 70% объема СО, от 10 до 20% объема N, примерно, 15% объема CO и, примерно, 2% объема H. Конвертерный газ, либо сжигают в факеле, либо, - в современных сталеплавильных комбинатах, - улавливают и подводят для энергетического использования.
4
2
4
2
2
3
2
4
Комплекс установок опционально может эксплуатироваться в соединении с коксовальной установкой. В этом случае прежде описанный комплекс установок дополнительно содержит установку коксовальной 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 СН. Обычно коксовый газ содержит от 55 до 70% объема H, от 20 до 30% объема СН, около 10% объема N и от 5 до 10% объема СО. Дополнительно коксовый газ имеет части СО, NH и HS. На практике коксовый газ используют на различных заводских участках в нагревательных 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 СН 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
На основе комплекса установок для производства стали с доменной печью для производства чугуна, конвертерной сталеплавильной установкой для производства сырой стали и газопроводной системой для газов, выделяемых при производстве чугуна и/или при производстве сырой стали, согласно изобретению предусмотрена подключенная к газопроводной системе химическая или биотехнологическая установка, а также установка для производства водорода, причем установка для производства водорода соединена посредством подающего водород трубопровода с газопроводной системой. Предпочтительные варианты выполнения комплекса установок описываются в п.п. 2-6 формулы изобретения.
2
Предметом изобретения также является согласно п. 7 формулы изобретения способ эксплуатации комплекса установок для производства стали, имеющего по меньшей мере доменную печь для производства чугуна, конвертерную сталеплавильную установку, химическую или биотехнологическую установку, а также установку для производства водорода. Согласно предложенному способу порцию смеси выделяющегося 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 в химической или биотехнологической установке. При этом полезный газ перед его применением в качестве синтез-газа обогащают водородом, образующимся в установке для производства водорода. Из конвертерного газа или из колошникового газа доменной печи или смешанного газа, образованного из колошникового газа доменной печи и конвертерного газа, могут производиться состоящие, по существу, из СО и H синтез-газы, состав которых подогнан к последующему процессу в химической или биотехнологической установке. При целенаправленном добавлении водорода, производимого внутри комплекса установок, можно очень точно регулировать соотношение СО и водорода и изменять его в большом диапазоне параметров.
В химической установке могут производиться химические продукты из синтеза-газа, содержащие соответственно компоненты конечной продукции, Химическими продуктами могут быть, например, аммиак или метанол или также другие углеводородные соединения.
2
2
2
2
2
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 конвертерный газ, причем водород производят посредством процесса конверсии водяного газа составной части . Для производства углеводородных соединений, например, метанола, нужно подготовить состоящий, по существу, из СО и/или двуокиси углерода и Н синтез-газ, содержащий в правильном соотношении компоненты окиси углерода и/или двуокиси углерода и водорода. Соотношение описывается часто модулем (H-CO)/(СО+CO). Водород можно производить, например, посредством реакции конверсии водяного газа составной части СО в колошниковом газе доменной печи. Для подготовки СО можно задействовать конвертерный газ. В качестве источника CO может служить колошниковый газ доменной печи и/или конвертерный газ.
Правда, в выше описанных 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 предложенному способу, добавляют водород, образующийся в установке для производства водорода. Производство водорода осуществляют предпочтительно посредством электролиза воды, причем электролиз воды можно проводить при помощи электрического тока, выработанного из возобновляемой 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.
2
В рамки изобретения включено также, что синтез-газ производят из конвертерного газа и обогащают его водородом. Содержание H в конвертированном газе можно регулировать на любую желаемую величину посредством обогащения водородом, производимым внутри комплекса установок в соответствии с его потребностью.
Кроме того, имеется возможность изготавливать смешанный газ из колошникового газа доменной печи и конвертерного газа, используемого после кондиционирования газа и его обогащения водородом как синтез-газ для производства химических продуктов. При этом целесообразно производить водород посредством электролиза воды с применением электрического тока получаемого от возобновляемой энергии.
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.
Согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения комплекс установок дополнительно содержит установку коксовальной печи. При осуществлении производства чугуна и производства сырой стали 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.
2
2
2
4
Неочищенные газы: коксовый газ, конвертерный 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, CO, H внутри неочищенного газа. Кондиционирование газа содержит, например, адсорбцию с изменением давления для отделения и обогащения H и/или реакцию конверсии водяного газа для преобразования СО в водород и/или паровой реформинг для преобразования доли СН в СО и водорода в коксовом газе.
Согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения комплекс установок содержит электростанцию для выработки электрического тока, сконструированную как газотурбинная электростанция или, как газопаротурбинная электростанция и эксплуатируемую с помощью газа, содержащего по меньшей мере порцию смеси выделяющегося при производстве чугуна в доменной печи колошникового газа доменной печи и/или порцию смеси выделяющегося в конвертерной сталеплавильной установке конвертерного газа. Электростанция для выработки электроэнергии и химическая или биотехнологическая установка подключены параллельно по отношению к направлению потока газов. Подводимые, с одной стороны, к электростанции, а, с другой стороны, к химической или биотехнологической установке потоки газа можно регулировать.
В соответствующем изобретению способе по меньшей мере одну порцию смеси выделяющегося при производстве чугуна в доменной печи колошникового газа доменной печи и или порцию смеси выделяющегося в конвертерной сталеплавильной установке конвертерного газа используют в качестве сырого газа для производства из них посредством химических реакций в химической установке или биохимических процессов в биотехнологической установке продуктов, в частности, ценных материалов. Результатом использования части этих газов является отсутствие необходимости для комплекса установок в получении электрического тока из внешнего источника. Получаемый из внешнего источника электрический ток может поступать из обычных электростанций или добываться из возобновляемых источников энергии. Предпочтительно получаемый из внешнего источника электрический ток полностью или по меньшей мере частично добывают из возобновляемой энергии, и он поступает, например, из ветросиловых установок, солнечных батарей, геотермических электростанций, гидроэлектростанций, приливных электростанций и так далее. Для достижения возможно более экономической эксплуатации комплекса установок электрический ток дополнительно закупают в периоды низких тарифов на электроэнергию и используют для снабжения комплекса установок, а не использованную для выработки электроэнергии часть полезного объема газа используют после кондиционирования газа в химической установке или биотехнологической установке для производства химических продуктов. Напротив, в периоды высоких тарифов на электроэнергию полезный объем газа подводят полностью или по меньшей мере большей частью к электростанции для выработки электрического тока для снабжения комплекса установок. Химическая установка или биотехнологическая установка переходит соответствующим образом на более низкие режимные параметры в периоды высоких тарифов на электроэнергию. Это же относится к эксплуатируемой с помощью электрического тока установке для электролиза. Если при высоких тарифах на электроэнергию химическая установка переходится на более низкие режимные параметры, потребность в водороде также маленькая. И напротив, при эксплуатации химической установки при низких тарифах на электроэнергию с большей выработкой, водород также можно производить экономично посредством электролиза воды. Для осуществления способа предусматривается регулирование, задающее взаимную эксплуатацию электростанции, с одной стороны, и химической или биотехнологической установки, с другой стороны, в зависимости от изменяющейся величины управления процессом. Величина управления процессом определяется преимущественно как переменная величина, в зависимости от функции, содержащей стоимость получаемого от внешнего источника электрического тока и издержек на производство электрического тока электростанцией.
Заявленный способ обеспечивает экономичную эксплуатацию комплекса установок. При этом польза соответствующего изобретению способа состоит также, в частности, в том, что степень эффективности процесса работы электростанции для выработки электрического тока ниже, чем эффективность химической установки или биотехнологической установки, в которой из синтез-газа изготавливают химические продукты посредством химических реакций или биохимических процессов.
Мощность химической или биотехнологической установки регулируют в зависимости от подводимого к этим установкам смешанного объема синтез-газа. Существенным вызовом для химической установки является динамичное ведение процесса при переменных нагрузках установок. Режим эксплуатации при переменных нагрузках установок может реализовываться, в частности, посредством того, что химическая установка имеет множество параллельно подключенных небольших устройств, подключающихся и отключающихся по отдельности в зависимости от находящегося в распоряжении потока полезного объема газа.
Преимущество использования биотехнологической установки состоит в том, что биотехнологическая установка гибче относительно изменения нагрузки, чем химическая установка.
Кроме того, изобретением является также применение химической установки для подключения ее к металлургическому заводу согласно пункту 18 формулы изобретения.
Далее более подробно разъясняется изобретение посредством изображающего только один пример выполнения чертежа. На фигурах схематически показаны:
на фиг. 1 - упрощенная блок-схема комплекса установок для производства стали с доменной печью для производства чугуна и конвертерной сталеплавильной установкой для производства сырой стали, электростанцией и химической или биотехнологической установкой и установкой для производства водорода;
на фиг. 2 - упрощенная блок-схема комплекса установок, содержащего также дополнительно к доменной печи для производства чугуна и конвертерной сталеплавильной установке для производства сырой стали, электростанции и к химической или биотехнологической установке и установке для производства водорода -установку коксовой печи.
Изображенный на фиг. 1 комплекс установок для производства стали содержит доменную печь 1 для производства чугуна, конвертерную сталеплавильную установку 2 для производства сырой стали, электростанцию 3 для выработки электроэнергии и химическую или биотехнологическую установку 11.
2
2
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, CO и H. 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 в жидкий чугун. Для охлаждения может подводиться металлолом в объемах до 25% по отношению к объему чугуна. Затем добавляют известь для образования шлаков и легирующих компонентов. Из верхней части конвертера конвертерный газ 9, имеющий очень большую составную часть СО, оттягивают.
Электростанция 3 сконструирована как газотурбинная электростанция или газопаротурбинная электростанция и эксплуатируется с помощью газа, содержащего по меньшей мере порцию смеси выделяющегося при производстве чугуна в доменной печи 1 колошникового газа 7 доменной печи и порцию смеси выделяющихся в конвертерной сталеплавильной установке 2 конвертированных газов 9. Для транспортирования газов предусмотрена газопроводная система.
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 повторно используемые 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. Эксплуатируемая с помощью смешанного газа 10 из колошникового газа 7 доменной печи и конвертерного газа 9 электростанция 3 сконструирована так, что она может покрывать потребность комплекса установок в электрическом токе.
Согласно изображению на фиг. 1 предусмотрена химическая или биотехнологическая установка 11, присоединенная к газопроводной системе и параллельно подключенная в отношении снабжения газом к электростанции 3. Газопроводная система имеет газовую стрелку 12 с возможностью управления при эксплуатации для распределения подведенных потоков объема газа к электростанции 3 и химической или биотехнологической установке 11. В направлении потока перед газовой стрелкой предусмотрено смесительное устройство 13 для производства состоящих из колошникового газа 7 доменной печи и конвертерного газа 9 смешанных газов 10.
В изображенном на фиг. 1 комплексе установок по меньшей мере некоторое количество выделяющегося при производстве чугуна в доменной печи 1 колошникового газа 7 и некоторое количество выделяющегося при производстве сырой стали конвертерного газа 9 используют в качестве полезного газа для эксплуатации электростанции 3 и химической или биотехнологической установки 11. Для покрытия потребности в электрическом токе комплекса установок привлекается получаемый из внешнего источника электрический ток 14 и электрический ток 15 электростанции, вырабатываемый электростанцией 3 комплекса установок. Составляющая тока, получаемого из внешнего источника электрического тока 14 по отношению ко всей потребности в электрическом токе комплекса установок закладывается, как изменяемая величина управления процессом, а подводимый к электростанции 3 полезный объем N1 газа определяется в зависимости от этой величины управления процессом. Не использованную для выработки электроэнергии часть полезного объема N2 газа используют после конденсирования газа в качестве синтез-газа для производства химических продуктов 16 или подводят после кондиционирования газа к биотехнологической установке и используют для биохимических процессов.
Получаемый из внешнего источника электрический ток 14 добывают преимущественно полностью или по меньшей мере частично из возобновляемой энергии и он поступает, например, из ветросиловых установок, солнечных батарей, гидроэлектростанций и так далее. Величину управления процессом, на основу которой задают подводимый в процесс работы электростанции полезный объем N1 газа, определяют, как изменяемую величину в зависимости от функции, содержащей стоимость получаемого из внешнего источника электрического тока и издержки на производство электрического тока 15 электростанцией. Для достижения возможно более экономической эксплуатации комплекса установок электрический ток закупают в периоды низких тарифов на электроэнергию как внешний электрический ток 14 и используют для энергопитания комплекса установок, причем не используемая для выработки электроэнергии часть полезного объема N2 газа химической установки или биотехнологической установки 11 подводят и используют после кондиционирования газа как синтез-газ для производства химических продуктов 16. В периоды высоких тарифов на электроэнергию выделяющиеся при производстве чугуна и производстве сырой стали сырые газы 7, 9 подводят к электростанции 3 для выработки электрического тока для снабжения комплекса установок. Химическая установка 11 или альтернативно предусмотренная биотехнологическая установка соответствующим образом переходит на более низкие режимные параметры в периоды высоких тарифов на электроэнергию.
Для полного использования содержания углерода и содержание азота выделяющихся при эксплуатации комплекса установок сырых газов для производства химических продуктов, необходимо подводить водород для компенсации дефицита водорода. Поэтому комплекс установок дополнительно имеет установку 21 для производства водорода, соединенную посредством подающего водород трубопровода 22 с газопроводной системой. Установка 21 для производства водорода может быть, в частности, установкой для электролиза воды. Осуществление электролиза воды энергоемкое и поэтому его проводят прежде всего в периоды низких тарифов на электроэнергию, в которые также эксплуатируют химическую установку 11 или биотехнологическую установку, а электростанция 3 переходит на более низкие режимные параметры. Дополнительно произведенный водород подводят к химической установке 11 вместе с полезным объемом газа, такого как синтез-газ. Благодаря этому можно значительно увеличить производственную мощность химической установки 11. Это же имеет место, если вместо химической установки 11 предусмотрена биотехнологическая установка.
4
В примере выполнения по фиг. 2 комплекс установок содержит дополнительно установку 17 коксовальной печи. При коксовании угля 18 в кокс 19 выделяется газ 20 коксовальной печи, содержащий большую долю водорода и СН. Части газа 20 коксовальной печи могут использоваться для разогрева воздухонагревателей в доменной печи 1. Газопроводная система включает систему распределения газа для газа 20 коксовальной печи. В направлении потока перед газовой стрелкой 12 предусмотрено смесительное устройство 13 для производства смешанного газа 10, состоящего из колошникового газа 7 доменной печи, конвертерного газа 9 и газа 20 коксовальной печи. С помощью газовой стрелки можно управлять подводимыми к электростанции 3 и к химической установке или биотехнологической установке 11 потоками объемов газа.
При эксплуатации установки, изображенной на фиг. 2, порцию смеси выделяющегося при производстве чугуна колошникового газа 7 доменной печи и/или порцию смеси выделяющегося в конвертерной сталеплавильной установке конвертерного газа 9 смешивают с порцией смеси, возникающих в установке 17 коксовальной печи газов 20 коксовальной печи. Смешанный газ 10 используют для эксплуатации электростанции 3, а также для эксплуатации химической установки 11 или биотехнологической установки после операции кондиционирования газа и насыщения его водородом.
Колошниковый газ 7 доменной печи, конвертерный газ 9 и газ 20 коксовальной печи можно комбинировать как угодно друг с другом. Комбинацию потоков 7, 9, 20 газа ориентируют на желаемый синтез-газ или продукт, который должен изготавливаться в химической установке 11 или в биотехнологической установке при применении синтез-газа. При этом происходит дополнительное обогащение водородом, предпочтительно производимым в установке 21 посредством электролиза воды.