Конвертерный газ

Конвертерный газ — это технологический газ, образующийся в процессе переработки чугуна в сталь в кислородных конвертерах. Он представляет собой смесь газообразных продуктов окисления примесей чугуна (углерода, кремния, марганца, фосфора) и остаточных компонентов дутья. Конвертерный газ является побочным продуктом сталеплавильного производства и обладает высокой теплотворной способностью, что позволяет использовать его в качестве вторичного энергетического ресурса.

Состав и свойства

Конвертерный газ образуется в результате продувки жидкого чугуна кислородом через фурму. Основные компоненты газовой смеси — оксид углерода (CO) и диоксид углерода (CO₂), а также азот (N₂), водород (H₂) и незначительные количества других газов. Типичный состав конвертерного газа (в процентах по объёму) варьируется в зависимости от режима плавки и состава шихты:

Основные физико-химические характеристики конвертерного газа:

• Теплотворная способность: 7–10 МДж/м³ (низшая), что сопоставимо с генераторным газом.
• Плотность: примерно 1,2–1,4 кг/м³ при нормальных условиях.
• Температура на выходе из конвертера: 1400–1600 °C.
• Взрывоопасность: смесь CO с воздухом (в диапазоне 12–75 % CO) взрывоопасна; газ токсичен из-за высокого содержания угарного газа.

Образование в процессе плавки

Конвертерный газ выделяется в ходе кислородно-конвертерного процесса, который является основным способом выплавки стали в современной металлургии. Процесс заключается в продувке жидкого чугуна технически чистым кислородом (содержание O₂ — 99,5 % и выше) через водоохлаждаемую фурму, опущенную в расплав.

При продувке происходит окисление примесей чугуна:

• Углерод окисляется до CO и CO₂ по реакциям: C + O₂ → CO₂ и 2C + O₂ → 2CO. В условиях высокой температуры (выше 1400 °C) и недостатка кислорода преимущественно образуется CO.
• Кремний, марганец, фосфор и другие элементы окисляются до соответствующих оксидов, которые переходят в шлак, а газообразные продукты (например, SiO₂ — твёрдый) не выделяются.
• Водород и азот попадают в газ из шихты и дутья.

Газ выделяется в течение всей продувки (обычно 15–20 минут), при этом его состав меняется: в начале плавки преобладает CO₂, затем доля CO возрастает, а к концу процесса содержание CO снижается. Максимальное количество газа приходится на середину продувки.

Сбор и очистка

Выходящий из конвертера газ имеет высокую температуру и содержит взвешенные частицы — конвертерную пыль (оксиды железа, кремния, марганца). Для утилизации и использования газа применяют системы газоочистки, которые включают:

1. Охлаждение — газ охлаждают в радиационных или конвективных газоходах до температуры 200–300 °C.
2. Грубая очистка — осаждение крупных частиц пыли в циклонах или скрубберах.
3. Тонкая очистка — электрофильтры или рукавные фильтры, обеспечивающие остаточную запылённость менее 10 мг/м³.
4. Сжигание или утилизация — после очистки газ либо направляется в газгольдеры для хранения, либо сжигается в факелах.

Современные конвертерные цеха оснащаются системами «бездымной» работы, при которых конвертерный газ отводится без подсоса воздуха, что предотвращает его разбавление азотом и сохраняет теплотворную способность.

Использование

Конвертерный газ является ценным вторичным энергоресурсом. Основные направления его применения:

• Топливо для нагревательных печей — газ используется для нагрева заготовок в прокатных цехах, а также в энергетических котлах для производства пара и электроэнергии.
• Химическая переработка — из конвертерного газа выделяют CO, который применяется в органическом синтезе (например, для получения метанола, уксусной кислоты, фосгена).
• Производство водорода — путём конверсии CO с водяным паром получают водородсодержащий газ.
• Энергоснабжение — после очистки газ может подаваться в общезаводские газовые сети для сжигания в теплоэлектроцентралях.

В России конвертерный газ используется на крупных металлургических комбинатах, таких как «Северсталь», Магнитогорский металлургический комбинат (ММК), Новолипецкий металлургический комбинат (НЛМК) и других. На этих предприятиях доля конвертерного газа в топливном балансе достигает 10–15 %, что позволяет снизить потребление природного газа и уменьшить выбросы парниковых газов.

Экологические аспекты

Конвертерный газ содержит токсичный угарный газ (CO), поэтому его выброс в атмосферу без очистки запрещён. В прошлом сжигание газа в факелах приводило к значительным выбросам CO₂ и тепловому загрязнению. Современные системы утилизации позволяют сократить выбросы CO на 95–98 % и использовать энергию газа.

Кроме того, при очистке газа образуется конвертерная пыль, которая содержит оксиды железа (FeO, Fe₂O₃) и может быть возвращена в шихту после агломерации или брикетирования. Это снижает расход сырья и уменьшает количество отходов.

Сравнение с другими технологическими газами

Конвертерный газ по составу и свойствам близок к доменному газу, но отличается более высоким содержанием CO (60–85 % против 25–30 %) и меньшим содержанием азота. Теплотворная способность конвертерного газа примерно в 2–3 раза выше, чем у доменного. В отличие от коксового газа, конвертерный газ не содержит метана и тяжёлых углеводородов, а также не имеет запаха.

Безопасность

Ввиду высокой токсичности и взрывоопасности конвертерного газа на металлургических предприятиях действуют строгие правила безопасности:

• Все газоходы и газгольдеры находятся под избыточным давлением, чтобы исключить подсос воздуха.
• Работы в газоопасных зонах проводятся с использованием противогазов и газоанализаторов.
• Для обнаружения утечек CO применяются стационарные и переносные газосигнализаторы.
• Перед ремонтом оборудования газопроводы продувают инертным газом (азотом) до полного вытеснения CO.

Интересные факты

• В СССР и России разработаны технологии «сухой» газоочистки конвертерного газа, которые позволяют улавливать до 99,5 % пыли и сохранять теплоту газа для выработки электроэнергии.
• В 1970-х годах на Череповецком металлургическом комбинате (ныне «Северсталь») впервые в мире была внедрена система сбора и утилизации конвертерного газа без сжигания, что позволило полностью отказаться от факелов.
• Конвертерный газ может содержать до 0,5 % водорода, что делает его потенциальным сырьём для производства «зелёного» водорода при условии улавливания CO₂.

Источники

• Металлургия стали: учебник для вузов / под ред. В. И. Явойского. — М.: Металлургия, 1982.
• Кудрин В. А. Теория и технология производства стали. — М.: Мир, 2003.
• Технология производства стали в конвертерах / А. М. Поживанов, В. И. Довгопол, В. И. Жаворонков. — М.: Металлургия, 1991.
• Справочник по газоочистке в металлургии / под ред. В. В. Степанова. — М.: Металлургия, 1985.
• Нормативные документы по безопасности в газовом хозяйстве металлургических предприятий (ПБ 12-529-03).