DE60011486T2 - Verfahren zur Behandlung von Abgasen in der Stahlindustrie - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Gasen aus der Eisen- und Stahlerzeugung, die bei Anlagen zur Metallverarbeitung produziert werden.
  • Die Gase aus der Eisen- und Stahlerzeugung (Gase aus Hochöfen, Gase aus Koksöfen, Gase aus Konvertern) werden derzeit in herkömmlichen Kesseln verbrannt, indem Umgebungsluft als Sauerstoffträger verwendet wird. Diese Anordnung erlaubt es nicht, erhebliche thermische und/oder elektrische Leistungen zu erreichen. Kürzlich wurde es vorgeschlagen, die Gase aus der Eisen- und Stahlerzeugung in Gasturbinen zu verbrennen, was kostspielige Vorbehandlungen (Staubbefreiung, Kompression auf Drücke bis 30 Bar) dieser Gase und dementsprechend die Anpassung der Kompressoren und Brennkammern der Turbinen bedingt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein neues Verfahren zur Behandlung von Gasen aus der Eisen- und Stahlerzeugung vorzuschlagen, das es erlaubt, sie zu behandeln und auf optimale Weise zu verwerten, indem sie in einer Nachverbrennung in einer Gasturbine und stromaufwärts von einem Rückgewinnungskessel verbrannt werden, wobei auf diese Weise zur Produktion von Elektrizität durch die Turbine und zur Produktion von Wärmeenergie im Rückgewinnungskessel mit gutem Wirkungsgrad beigetragen wird.
  • Hierzu ist gemäß einem Merkmal der Erfindung das Verfahren zur Behandlung von Gas aus der Eisen- und Stahlerzeugung dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst: Zuführen des Gases aus der Eisen- und Stahlerzeugung in zumindest einen Verbrennungsabschnitt zwischen dem Gasauslass einer Gasturbine und dem Gaseinlass eines Rückgewinnungskessels und das Verbrennen des Gases aus der Eisen- und Stahlerzeugung in dem Verbrennungsabschnitt, um in dem Rückgewinnungskessel Dampf zu erzeugen.
  • Ein derartiges Verfahren bietet zudem eine große Verwendungsflexibilität, die zu Anlagen passt, bei denen der Durchfluss und/oder der Wärmegehalt der Gase aus der Eisen- und Stahlerzeugung stark variieren.
  • Diese Art von Verfahren erlaubt es auch, große Volumen von Gasen aus der Eisen- und Stahlerzeugung zu behandeln und entsprechend beträchtliche installierte Leistungen zu erzielen, die 200 MW überschreiten.
  • Gemäß weiteren Merkmalen der Erfindung:
    • – umfasst das Verfahren außerdem den Schritt des zumindest lokalen Einführens eines Durchflusses von Frischluft in den Verbrennungsabschnitt, um die Verbrennung des Gases aus der Eisen- und Stahlerzeugung zu gewährleisten;
    • – umfasst das Verfahren außerdem den Schritt des zumindest lokalen Einführens eines Durchflusses von brennbarem Gas in den Verbrennungsabschnitt, um die Verbrennung des Gases aus der Eisen- und Stahlerzeugung zu gewährleisten, insbesondere wenn sein Wärmegehalt sehr niedrig ist.
  • Die einzige Figur gibt schematisch eine Kombinationsanlage für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens wieder.
  • In der einzigen Figur ist eine Gasturbineneinheit 1 zu erkennen, die mit gasförmigem oder flüssigem brennbarem Gas 2, zum Beispiel Erdgas, gespeist wird und einen elektrische Energie liefernden Generator 3 antreibt.
  • Die Abgase der Turbine der Gasturbineneinheit 1 werden in einer Leitung befördert, die mit einem Abgaskanal 5 versehen ist. Die Leitung 4 mündet erfindungsgemäß jedoch in einen Nachverbrennungsabschnitt 6 mit sich aufweitendem Profil, der seinerseits in einen Einlassabschnitt eines Rückgewinnungskessels 7 mündet, der mit einem Abgaskanal 8 und einer Dampfausgangsleitung 9 versehen ist.
  • In dem Nachverbrennungsabschnitt 6 sind Brennerreihen 10 angeordnet, die zum einen durch zumindest eine Zufuhrleitung für Gase aus der Eisen- und Stahlerzeugung 11a, 11b, 11c gespeist werden, die von diversen Eisen- und Stahlerzeugungsanlagen kommen, typischerweise Hochöfen und/oder Koksöfen. Bei einer besonderen Ausführungsform können die Brenner 10 oder Hilfsbrenner dieser letzteren, mit gasförmigem Brennstoff, typischerweise Erdgas, durch eine Zufuhrleitung 12 gespeist werden.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst der Nachverbrennungsabschnitt 6 zudem stromaufwärts von den Brennerreihen 10 Verteilerleitungen oder -kanäle 13 zur Einleitung von Sauerstoffträgergas, das durch ein Gebläse 14 geringfügig komprimiert wird. Das Sauerstoffträgergas ist typischerweise Umgebungsluft und/oder Umgebungsluft kombiniert mit einem Teil der Abgase aus dem Rückgewinnungskessel 7, die durch eine Leitung 15 herangeführt werden.
  • Um Schwankungen des Durchflusses und des Heizwertes der in die Brenner 10 injizierten Gase aus der Eisen- und Stahlerzeugung zu berücksichtigen, sind die Wärmetauscherbündel des Kessels 7 gemäß einem besonderen Aspekt der Erfindung zumindest in dem Teil vor diesem letzteren selektiv durch Wärmeschilde 16, zum Beispiel von der Art mit Wasserfilmen, teilweise schützbar.
  • Der am Ausgang (9) des Rückgewinnungskessel 7 verfügbare Dampf wird herkömmlicherweise zumindest teilweise in einer einen Generator 18 antreibenden Turbine 17 entspannt, während ein anderer Teil 19 des Dampfes für andere industrielle Prozesse verwendet wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren findet bei Anlagen der Eisen- und Stahlerzeugung Anwendung, die es erfordern, erhebliche und variable Mengen von Gasen aus der Eisen- und Stahlerzeugung zu verbrennen, die einen geringen PCI (spezifischer Heizwert) aufweisen, der typischerweise in der Größenordnung von 3500 kJ/Nm3 liegt, aber auf Werte zwischen 3100 und 3200 kJ/Nm3 abnehmen kann. Wenn der PCI sehr niedrig wird, wird die Flammenerhaltung der Brenner 10 durch einen zusätzlichen Durchfluss von Erdgas 12 sichergestellt, der 3 und 10% des Energiegehalts der Gase aus der Eisen- und Stahlerzeugung 11a, b, c entspricht.
  • Im Falle eines Stopps der Gasturbine oder von Produktionsspitzen der Gase aus der Eisen- und Stahlerzeugung erfolgt die Verbrennung der letzteren durch Hinzufügung von Luft oder Luft und recyceltem Gas, die durch die Verteilerleitungen 13 eingeleitet werden, um die Emission von Stickstoffoxid und Kohlenmonoxyd am Ausgang des Kamins 8 auf niedrigen Werten zu halten.
  • Auf symmetrische Weise kann die Gasturbine 1 autonom, ohne Nachverbrennung dieser Abgase funktionieren, wobei eine Struktur aus schwenkenden Klappen 20 den Zutritt der Gase zu dem Nachverbrennungsabschnitt 6 blockiert und sie zu dem der Turbine 1 eigenen Abgaskanal 5 umleitet.
  • Es wird nun ein Ausführungsbeispiel einer Anlage zur Durchführung eines derartigen Verfahrens beschrieben:
  • Die Turbine 1 ist von einer Art, die eine elektrische Leistung von 70 MWe produzieren kann und in den Nachverbrennungsabschnitt 6 einen Abgasdurchfluss in der Größenordnung von 200 kg/s mit einer Temperatur zwischen 500 und 600°C ausstößt. Die Abgase der Turbine weisen einen Restsauerstoffgehalt zwischen 14 und 15% und einen Wassergehalt größer als 5% auf. Die Gase aus der Eisen- und Stahlerzeugung werden mit einer Temperatur typischerweise kleiner als 80°C in die Brenner 10 mit einem sehr geringen Druck kleiner als 1,5 × 105 Pa eingeleitet, der typischerweise zwischen 1,05 × 105 Pa und 1,3 × 105 Pa liegt. Diese Gase aus der Eisen- und Stahlerzeugung, mit einem PCI in der Größenordnung von 3400 kJ/Nm3, bestehen neben Stickstoff als Hauptbestandteil im Wesentlichen aus CO (mindestens 20%) und CO2 (bis zu 20%) mit einem Wasserstoff- und Wassergehalt jeweils kleiner als 2%. Die Turbine 1 ist dafür ausgelegt, einen Abgasmassendurchfluss von zumindest dem 2,5-fachen des maximalen Durchfluss der aufzubereitenden Gase aus der Eisen- und Stahlerzeugung zu liefern. Der Durchfluss von (reinem oder gemischten) Sauerstoffträger 13 ist im Falle eines Stopps der Turbine größer als 60% und typischerweise ungefähr 70% des Nenndurchflusses der Abgase der Turbine.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet es, bei den in der unten stehenden Tabelle angegebenen Bedingungen für einen Rückgewinnungskessel, der mit einem absoluten Dampfdruck von etwa 100 × 105 Pa und einer Dampftemperatur in der Größenordnung von 550°C arbeitet, eine Nachverbrennungsleistung zwischen 50 und 200 MWth zu liefern.
  • Figure 00050001
  • Auch wenn die vorliegende Erfindung bezüglich besonderen Ausführungsformen beschrieben wurde, ist sie nicht hierauf beschränkt, sondern ist im Gegenteil durch die Ansprüche definiert. Insbesondere je nach Volumen und Zahl der Quellen von Gasen aus der Eisen- und Stahlerzeugung können diese letzteren in zumindest zwei Anlagen der oben beschriebenen Art verbrannt werden, die parallel und/oder abwechselnd arbeiten.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Behandlung von Gas aus der Eisen- und Stahlerzeugung, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst: Zuführen des Gases aus der Eisen- und Stahlerzeugung in zumindest einen Verbrennungsabschnitt (6) zwischen dem Gasauslass (4) einer Gasturbine und dem Gaseinlass eines Rückgewinnungskessels (7) und das Verbrennen (10) des Gases aus der Eisen- und Stahlerzeugung in dem Verbrennungsabschnitt (6).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem den Schritt des zumindest lokalen Einführens eines Durchflusses von Luft (13) in den Verbrennungsabschnitt (6) umfasst, um die Verbrennung des Gases aus der Eisen- und Stahlerzeugung zu gewährleisten.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem den Schritt des zumindest lokalen Einführens eines Durchflusses von brennbarem Gas (12) in den Verbrennungsabschnitt (6) umfasst, um die Verbrennung des Gases aus der Eisen- und Stahlerzeugung zu gewährleisten.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchfluss des zusätzlichen brennbaren Gases 10% des Durchflusses des Gases aus der Eisen- und Stahlerzeugung nicht überschreitet.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas aus der Eisen- und Stahlerzeugung in die Verbrennungseinrichtung mit einem Druck kleiner als 1,3 × 105 Pa eingeführt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchfluss des Gases aus der Eisen- und Stahlerzeugung zwischen 15 und 100 kg/s variiert.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchfluss von Abgas aus der Turbine (1) zumindest das 2,5-fache des maximalen Durchflusses des Gases aus der Eisen- und Stahlerzeugung beträgt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchfluss von Luft größer als 60% des Nenndurchsatzes von Abgas aus der Turbine (1) ist.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennung der Gase aus der Eisen- und Stahlerzeugung eine Wärmeleistung zwischen 40 und 200 MWth liefert.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es den Schritt des zumindest zeitweisen Einbringens eines Wärmeschildes (16) zum Schutz der vorderen Austauschabschnitte des Rückgewinnungskessels (7) umfasst.
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