۲۰۱۶.۰۵.۰۹ «آموزش عمومی» گاز کوره‌های فولادسازی، گاز کوره‌های بلند، گاز کوره‌های تبدیل

Thread Content

۱. گاز کوره بلند: با استفاده از پمپ‌های فشار بالا، هوا وارد کوره می‌شود؛ سپس این هوا در کوره توسط بخاری‌های گرمایشی گرم می‌گردد. این هوای گرم به همراه کک، به احتراق کمک می‌کنند و در نتیجه دی‌اکسید کربن و کربن مونوکسید تولید می‌شوند. دی‌اکسید کربن نیز در تماس با کک داغ، کربن مونوکسید تولید می‌کند. کربن مونوکسید در حین صعود، عنصر آهن موجود در سنگ آهن را کاهش داده و آن را به آهن خام تبدیل می‌کند؛ این همان فرآیند شیمیایی فولادسازی است. مذاب آهن به طور موقت در ته کوره نگهداری می‌شود و به طور منظم برای فولادسازی مستقیم یا ریخته‌گری قالب‌ها استفاده می‌گردد. در این زمان، در گازهای داخل کوره بلند، مقدار زیادی کربن مونوکسید اضافی نیز وجود دارد؛ این گاز مخلوط، همان گاز کوره بلند است. با فرآوری هر تن آهن، می‌توان ۲۱۰۰ تا ۲۲۰۰ متر مکعب گاز کوره بلند تولید کرد. این گاز که حاوی مونوکسید کربن قابل اشتعال است، یک سوخت گازی با ارزش انرژی پایین محسوب می‌شود و می‌توان از آن برای مصارف داخلی کارخانه‌های فلزکاری استفاده کرد، مانند گرم کردن تکه‌های فولاد در فرآیند رول‌کردن و پیش‌گرم کردن مخازن فولاد مذاب. همچنین می‌توان آن را برای استفاده مدنی تأمین کرد؛ اگر بتوان گاز کوره فولادسازی را به آن اضافه کرد، به آن «گاز مخلوط» گفته می‌شود و در نتیجه ارزش انرژی آن افزایش می‌یابد. گاز کوره بلند، محصول فرعی حاصل از فرآیند تولید آهن است؛ اجزای اصلی آن عبارتند از: CO، CO2، N2، H2، CH4 و غیره. در این گاز، مقدار CO که قابل اشتعال است، حدود ۲۵٪ است؛ مقدار H2 و CH4 بسیار کم است. مقادیر CO2 و N2 به ترتیب ۱۵٪ و ۵۵٪ می‌باشد. ارزش انرژی این گاز نیز حدود ۳۵۰۰ کیلوجول بر متر مکعب است. ترکیب و ارزش انرژی گاز کوره بلند، مرتبط با سوخت مورد استفاده در کوره، نوع آهن خام تولید شده و فرآیند فرآوری است. در تولید مدرن آهن، از فرآیندهایی با حجم بالا، دمای بالای هوا، شدت بالای فرآوری و مقدار بالای پودر زغال‌سنگ مورد استفاده قرار می‌گیرد. استفاده از این فرآیندهای پیشرفته، بهره‌وری کار را افزایش داده و مصرف انرژی را کاهش می‌دهد؛ اما ارزش انرژی گاز کوره بلند تولید شده، کمتر می‌شود و این امر استفاده از آن را دشوارتر می‌کند. در گاز حاصل از کوره‌های بلند، CO2 و N2 هم در فرآیند احتراق برای تولید گرما مشارکت ندارند و هم نمی‌توانند به احتراق کمک کنند؛ بلکه مقدار زیادی از گرمای تولید شده در فرآیند احتراق را جذب می‌کنند. این امر باعث می‌شود دمای احتراق تئوریک گاز حاصل از کوره‌های بلند پایین باشد. نقطه اشتعال گاز زغال‌سنگ کوره‌های بلند چندان بالا نیست و به نظر می‌رسد مانعی برای اشتعال وجود ندارد، اما در فرآیند احتراق واقعی، تحت تأثیر عوامل مختلف، دمای گاز مخلوط باید بسیار بالاتر از نقطه اشتعال باشد تا پایداری احتراق تضمین شود. دمای احتراق تئوری گاز زغال‌سنگ کوره بلند پایین است و مقدار زیادی از این گاز در فرآیند احتراق شرکت می‌کند؛ به همین دلیل سرعت افزایش دمای گاز مخلوط بسیار کند بوده، دما بالا نمی‌رود و پایداری احتراق مناسبی ندارد. شرط دیگر برای وقوع واکنش احتراق، امکان برخورد مؤثر بین مولکول‌های گازی است؛ یعنی برخوردهایی که بین مولکول‌هایی رخ دهد که انرژی کافی برای واکنش اکسیداسیون را داشته باشند. وجود مقادیر زیادی CO2 و N2، شانس برخورد مؤثر بین مولکول‌ها را کاهش می‌دهد؛ در نتیجه، سرعت احتراق کمتر شده و احتراق ناپایدار می‌گردد. در گاز حاصل از کوره‌های بلند، مقدار زیادی CO2 و N2 وجود دارد؛ این گازها در فرآیند احتراق تقریباً در هیچ واکنش شیمیایی شرکت نمی‌کنند و تقریباً به مقدار یکسانی به دود حاصل از احتراق منتقل می‌شوند. مقدار دود تولید شده از احتراق گاز حاصل از کوره‌های بلند، بسیار بیشتر از دود تولید شده از احتراق زغال سنگ است. ----------------------------------------------------- ۲. گاز کوره تبدیل: در فرآیند تولید فولاد در کوره‌های تبدیل، کربن موجود در آهن مذاب در دمای بالا با اکسیژن وارد شده، گازی مخلوط از مونوکسید کربن و مقدار کمی دی‌اکسید کربن تولید می‌کند. گاز حاصل از کوره‌های اکسیژنی با تزریق از بالا، پس از بازیابی، حاوی ۶۰ تا ۸۰ درصد کربن مونوکسید، ۱۵ تا ۲۰ درصد دی‌اکسید کربن، و همچنین نیتروژن، هیدروژن و مقادیر کمی اکسیژن است. میزان تولید گاز زغال‌سنگ در کوره‌های تغلیظ، در طول فرآیند فلزکاری یکنواخت نیست و ترکیب آن نیز تغییر می‌کند (به شکل مراجعه کنید). معمولاً گاز حاصل از فرآیندهای متعدد ذوب در کوره، در یک مخزن گاز ذخیره می‌شود؛ پس از مخلوط شدن، به مشتریان تحویل داده می‌گردد. هنگامی که گاز کوره دریچه کوره خارج می‌شود، دمای آن به ۱۴۵۰ تا ۱۵۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسد و حاوی مقدار زیادی گرد و غبار آهن(III) اکسید است؛ بنابراین برای استفاده، نیاز به کاهش دما و جداسازی گرد و غبار دارد. تصفیه دو نوع، مرطوب و خشک، دارد. ①فرآیند معمول سیستم تصفیه خیس به این صورت است: پس از خروج گاز متانول از کوره، آن در کولر تبخیری سرد شده و دمای آن به ۸۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسد. سپس، گاز به ترتیب از یک ونوس اول، دستگاه خشک‌کن با پیچ اول، یک ونوس دوم و دستگاه خشک‌کن با پیچ دوم عبور می‌کند. در دهانه ونوس‌ها، آب شستشویی پاشیده می‌شود تا دمای گاز به حدود ۳۵ درجه سانتی‌گراد کاهش یابد و میزان گرد و غبار موجود در گاز نیز به حدود ۱۰۰ میلی‌گرم بر متر مکعب برسد. سپس، گاز تصفیه‌شده با استفاده از پمپ، به مخزن ذخیره‌سازی گاز فرستاده می‌شود. فرآیند مرطوب در سراسر جهان رایج است؛ از هر تن فولاد، می‌توان ۶۰ تا ۸۰ متر مکعب گاز بازیافت کرد. ارزش حرارتی متوسط این گاز، حدود ۲۰۰۰ تا ۲۲۰۰ کیلوکالری بر متر مکعب است. ②برخی از کارخانه‌ها در کشورهایی مانند ایالات متحده و آلمان فدرال، از سیستم‌های تصفیه خشک برای حذف گرد و غبار الکتریکی استفاده می‌کنند. دمای گاز طبیعی از طریق دودکش‌های خنک‌کننده به ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد کاهش می‌یابد؛ سپس با استفاده از برج‌های خنک‌کننده تبخیری، دمای آن به ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد کاهش می‌یابد. پس از آن، گرد و غبار موجود در گاز با استفاده از دستگاه‌های جداسازی الکتریکی حذف می‌شود و گاز خالص با میزان گرد و غبار کمتر از ۵۰ میلی‌گرم بر متر مکعب، از طریق پمپ‌ها به مخازن ذخیره‌سازی گاز منتقل می‌شود. سیستم خشک نسبت به سیستم مرطوب، حدود ۱۲ تا ۱۵ درصد هزینه بیشتری دارد ； اما نیازی به ساخت تأسیسات تصفیه فاضلاب نیست، مصرف انرژی کم است، اما باید اقدامات لازم برای جلوگیری از ترکیب گازهای متان و هوا و ایجاد گازهای منفجره انجام شود. گاز کوره تبدیل، سوخت گازی با ارزش انرژی متوسط در کارخانه‌های فولادسازی است. می‌توان آن را به تنهایی به عنوان سوخت برای کوره‌های صنعتی استفاده کرد، یا آن را در ترکیب با گاز کوره‌های کوک، گاز کوره‌های بلند و گاز کوره‌های تولیدکننده گاز، برای ایجاد گازهای مخلوط با ارزش حرارتی متفاوت، به کار برد. گاز کوره تبدیل‌کننده حاوی مقدار زیادی کربن مونوکسید است که بسیار سمی است؛ بنابراین در فرآیندهای ذخیره‌سازی، حمل و نقل و استفاده از آن، باید از نشت آن به شدت جلوگیری شود. --------------------------------------------------- سوم، گاز کوره کک‌سازی: گاز کوره کک‌سازی به گاز قابل احتراقی گفته می‌شود که از ترکیب چند نوع زغال سنگ برای کک‌سازی به دست می‌آید؛ پس از فرآیند کک‌سازی در دمای بالا، همراه با تولید کک و روغن کک، این گاز نیز تولید می‌شود. این گاز، محصول جانبی فرآیند کک‌سازی است. عمدتاً به عنوان سوخت و ماده اولیه شیمیایی استفاده می‌شود. هر تن کک تولید شده، می‌تواند ۳۰۰ تا ۳۲۰ متر مکعب گاز کوره کک‌سازی تولید کند. گاز کوره فولادسازی عمدتاً از هیدروژن و متان تشکیل شده است که به ترتیب ۵۶٪ و ۲۷٪ را تشکیل می‌دهند، و مقدار کمی از کربن مونوکسید، دی‌اکسید کربن، نیتروژن، اکسیژن و سایر هیدروکربن‌ها نیز در آن وجود دارد ； مقدار انرژی حرارتی پایین آن ۱۸۲۵۰ کیلوجول بر نانومتر مکعب است، چگالی آن بین ۰.۴ تا ۰.۵ کیلوگرم بر نانومتر مکعب می‌باشد و سرعت جابجایی ذرات آن ۲۵×۱۰^(-۶) متر مربع بر ثانیه است. بر اساس نمودار فرآیند کوره‌های کک‌سازی و سیستم خنک‌کننده، گاز خامی که از کوره‌های کک‌سازی خارج می‌شود، پیش از ورود، تا حد زیادی به حالت مایع درمی‌آید. همچنین، گرد زغال و ذرات کک موجود در گاز نیز جذب می‌شوند؛ اجزای محلول در آب موجود در گاز نیز در آمونیا حل می‌شوند. تار، آمونیاک و همچنین گرد و غبار و باقی‌مانده‌های تار، به همراه یکدیگر وارد مخزن جداسازی مکانیکی تار و آمونیاک می‌شوند. پس از جداسازی، آمونیاک برای استفاده مجدد بازگردانده می‌شود؛ تار عطر به مراکز فرآوری ارسال می‌گردد و پسماندهای تار عطر را می‌توان دوباره در سوخت زغال‌سنگ استفاده کرد. گاز حاصل از فرآیند تولید زغال‌سنگ، ابتدا در دستگاه‌های خنک‌کننده به صورت مستقیم یا غیرمستقیم به دمای اتاق خنک می‌شود؛ در این مرحله، رطوبت و تار عطر موجود در گاز نیز به طور کامل حذف می‌شوند. گاز خروجی از خنک‌کن اولیه، از طریق دستگاه‌های جداساز روغن، مه روغن معلق در گاز را به روش مکانیکی حذف می‌کند؛ سپس وارد پمپ می‌شود تا فشار آن به حدود ۱۹۶۰۰ پاسکال (۲۰۰۰ میلی‌متر ستون آب) برسد. برای جلوگیری از تأثیر بر عملیات‌های بعدی تصفیه گاز، مانند رنگدانه‌دار شدن آمونیوم گوگرد و پیر شدن محلول گوگردزدایی، گاز از طریق دستگاه جذب الکتریکی بنزین، از مه باقی‌مانده بنزین خالی می‌شود. برای جلوگیری از تبلور و جدا شدن نافتالن از گاز طبیعی در دماهای پایین، قبل از ورود گاز به برج حذف گوگرد، برج شستشوی نافتالن برای شستشوی روغن و جذب نافتالن تعبیه شده است. در برج خنثی‌سازی گوگرد، گوگرد دی‌هیدرید موجود در گاز توسط مواد خنثی‌کننده گوگرد جذب می‌شود؛ در همین حال، سیانید هیدرید موجود در گاز نیز جذب می‌گردد. آمونیا موجود در گاز، در برج جذب آمونیا توسط آب یا محلول‌های آبی جذب شده و آمونیا مایع یا آمونیوم سولفات تولید می‌شود. هنگامی که گاز طبیعی از برج جذب آمونیا عبور می‌کند، به دلیل اینکه واکنش جذب آمونیا توسط سولفوریک اسید یک واکنش تخلیه‌کننده گرما است، دمای گاز طبیعی افزایش می‌یابد. برای جلوگیری از تأثیر منفی بر فرآیند بازیابی بنزن خام، گاز پس از خنک شدن در برج خنک‌کننده نهایی، وارد برج شستشوی بنزن می‌شود؛ در این برج، روغن شستشو برای جذب بنزن، تولوئن، دی‌متیل‌بنزن و سایر هیدروکربن‌هایی با نقطه جوش پایین مانند سیکلوپنتادی‌ن، همچنین موادی با نقطه جوش بالا مانند استایرن و نافتالن استفاده می‌شود. در همین حین، ترکیبات سولفیدی آلی نیز از گاز حذف می‌شوند. ۱. دانش پایه ایمنی گاز ۱.۱ ویژگی‌های گاز ۱.۱.۱ ترکیبات گاز گازی که معمولاً منظورمان از آن است، گاز مصنوعی است که حاوی انواع گازها بوده و یک گاز مخلوط قابل اشتعال محسوب می‌شود. به دلیل تفاوت‌های موجود در مواد اولیه تولید گاز و روش‌های تولید و بازیابی گاز، ترکیبات مختلف گازها و درصدهای مربوط به آن‌ها نیز متفاوت است. از گازهای رایج می‌توان به گاز کوره‌های کوک، گاز کوره‌های تولید گاز، گاز کوره‌های کربن‌سازی مداوم، گاز کوره‌های بلند و گاز کوره‌های تبدیل اشاره کرد. ترکیبات گازهای معمولی در جدول ۱-۱ آمده است. ۱.۱.۲ ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی گاز زغال‌سنگ (۱) گاز کوره زغال‌سنگ: گاز کوره زغال‌سنگ پس از تصفیه، گازی بی‌رنگ، بدبو، سمی، قابل اشتعال و منفجره است؛ چگالی آن ۰.۳۶۲۳ است، ارزش انرژی آن ۱۶۸۰۰ تا ۱۸۹۰۰ کیلوجول بر متر مکعب، دمای اشتعال آن ۵۵۰ تا ۶۵۰ درجه سانتی‌گراد، محدوده انفجار آن ۴.۵٪ تا ۳۵.۸٪ و دمای احتراق تئوریک آن حدود ۲۱۵۰ درجه سانتی‌گراد است. میزان CO در گاز کوره فولادسازی نسبت به گاز کوره بلندتر است، اما می‌تواند باعث حوادث مسمومیت شود. (۲) گاز کوره بلند: گاز کوره بلند، گازی بی‌رنگ، بی‌بو و سمی است که قابل اشتعال و منفجر شدن می‌باشد. چگالی آن بین ۰.۹ تا ۱.۱ است؛ ارزش انرژی آن ۳۳۴۹ تا ۴۱۸۷ کیلوجول بر متر مکعب می‌باشد. دمای احتراق نظری آن حدود ۱۵۰۰ درجه سانتی‌گراد و دمای شعله‌ور شدن آن حدود ۷۳۰ درجه سانتی‌گراد است. محدوده انفجار آن بین ۳۰.۸٪ تا ۸۹.۵٪ است. میزان N2 و CO2 موجود در این گاز تقریباً ۷۰٪ است؛ این گاز می‌تواند باعث تنگی نفس (به دلیل کمبود اکسیژن) و خفگی شود. (۳) گاز کوره تبدیل: ترکیب گاز کوره تبدیل، در طول چرخه فرآیند، در مراحل مختلف متفاوت است و همچنین به تجهیزات بازیابی و شرایط عملیاتی آن بستگی دارد. گاز کوره تبدیل، گازی بی‌رنگ، بی‌بو و سمی است که قابل اشتعال و منفجر شدن می‌باشد؛ ارزش انرژی آن ۶۸۰۰ تا ۱۰۰۰۰ کیلوجول بر متر مکعب است، دمای اشتعال آن ۵۳۰ درجه سانتی‌گراد و حدود انفجار آن ۱۸.۲٪ تا ۸۳.۲٪ می‌باشد. دمای احتراق تئوری گاز زغال‌سنگ در کوره‌های تبدیل، بالاتر از گاز کوره‌های بلند است.