تعزيز الأكسجين في أفران الانفجار

الميزة التنافسية للأكسجين في صناعة الصلب الحديثة

لم تتغير عملية إنتاج الحديد في أفران الانفجار جوهريًّا منذ قرون. فالفحم الحجري، وخام الحديد، والمواد المُذيبة تُضاف من الأعلى؛ بينما يخرج الحديد المنصهر والخبث من الأسفل؛ وتُنفخ الهواء الساخن عبر الفتحات القصيرة (التوييرات). لكن التفاصيل شهدت تطورًا كبيرًا، ويُعد إثراء الأكسجين من أبرز التعديلات المؤثرة خلال الخمسين عامًا الماضية.

إدخال الأكسجين إلى تيار الفرن العالي — ورفع نسبة الأكسجين في هواء الاحتراق من ٢١٪ إلى ٢٥٪ أو أكثر — يُغيّر السلوك الحراري والكيميائي للفرن جذريًّا. والنتيجة الفورية هي ارتفاع درجة حرارة اللهب، ما يُسرّع تفاعلات الاختزال التي تحوّل أكسيد الحديد إلى حديدٍ معدني. أما الآثار الثانوية فتشمل زيادة الإنتاجية، وانخفاض استهلاك الكوك، وانخفاض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون لكل طن من الحديد المنتج.

كيف يُغيّر الأكسجين الديناميكا الحرارية للفرن

الحساب بسيطٌ رياضيًّا، لكن تأثيراته عميقةٌ جدًّا. فالهواء يحتوي على نحو ٧٩٪ نيتروجين، يمرّ عبر الفرن دون أن يشارك في أي تفاعل. ويقوم هذا النيتروجين باستيعاب الحرارة — أي الحرارة التي كان يمكن أن تُستثمر في اختزال خام الحديد. وعندما يحلّ الأكسجين محلّ النيتروجين في التيار الداخل، تقلّ كمية الحرارة المهدرة في تسخين الغاز الخامل. ونتيجةً لذلك، ترتفع درجة حرارة اللهب، ويمكن للفرن معالجة كمية أكبر من الخام باستخدام نفس معدل استهلاك الكوك.

مع كل زيادة بنسبة ١٪ في تثبيت الأكسجين، ترتفع درجة حرارة اللهب بحوالي ٥٠°م. وعند محتوى أكسجين نسبته ٢٥٪، تقترب درجة حرارة اللهب من ٢٢٠٠°م، مقارنةً بحوالي ٢٠٠٠°م عند نسبة ٢١٪. ويُمكّن هذا اللهب الأشد حرارة من تحقيق عدة تحسينات تشغيلية: زيادة معدلات حقن الفحم المطحون، وتقليل استهلاك الكوك، وزيادة الإنتاجية.

أما المقابل لهذا التحسين فهو أن تثبيت الأكسجين يزيد أيضًا من حساسية الفرن للتقلبات. فالفرن العامل عند نسبة أكسجين ٢٥٪ يمتلك قدرة أقل على الاحتفاظ بالحرارة مقارنةً بالفرن العامل عند نسبة ٢١٪. ولذلك، يجب على المشغلين التحكم بدقة أكبر في توزيع الحمولة ودرجة حرارة الهواء المُنفَث ومحتوى الرطوبة للحفاظ على استقرار التشغيل.

المكاسب في الإنتاجية: ما تُظهره البيانات

أُثْبِتَ تأثير تحسين الإنتاجية الناتج عن إثراء الأكسجين جيدًا. وتُظهر بيانات الصناعة من مصانع الصلب المتكاملة أن كل زيادة بنسبة ١٪ في إثراء الأكسجين تؤدي إلى ارتفاعٍ تقريبيٍّ في معدل الإنتاج يتراوح بين ٣٪ و٤٪، بافتراض ثبات درجة حرارة الهواء المُنفَخَث واتساق جودة الحمولة. وبتركيز ٢٥٪ أكسجين، يعادل ذلك ارتفاعًا في الإنتاجية يتراوح بين ١٢٪ و١٦٪ مقارنةً بالتشغيل باستخدام الهواء الطبيعي.

يكتسب خفض معدل الفحم الحيوي أهميةً خاصةً. فالفحم الحيوي هو أغلى مادة خام مستخدمة في عملية الفرن العالي، كما أن إنتاجه يولّد انبعاثات كبيرة من غاز ثاني أكسيد الكربون. ويؤدي خفض استهلاك الفحم الحيوي بنسبة ٥٪ في مصنع للصلب طاقته الإنتاجية السنوية مليونا طن إلى وفورات سنوية تبلغ نحو ٥ ملايين دولار أمريكي في تكاليف الفحم الحيوي، مع انخفاضٍ متناظرٍ في البصمة الكربونية.

تطبيق عملي في مصنع متكامل في شمال الصين

نفَّذَ مصنعٌ كبيرٌ متكاملٌ للصلب في شمال الصين برنامجًا تدريجيًّا لإثراء الهواء بالأكسجين على مدى ١٨ شهرًا. وكان المصنع يمتلك وحدةً قائمةً لفصل الهواء تُنتج الأكسجين لعملياتٍ أخرى، لكنه لم يكن يحقن الأكسجين سابقًا في تيار الهواء المُوجَّه إلى فرن الانفجار. وشمل المشروع تركيب أنابيب حقن للأكسجين عند مستوى الفتحات (التوييرات)، وترقية نظام التحكم ليتولى تنظيم تدفق الأكسجين الإضافي، وتدريب المشغِّلين على المعايير التشغيلية الجديدة.

وظهرت النتائج بشكلٍ ملموسٍ خلال الربع الأول. فازداد الإنتاج بنسبة ١١٪ مع إثراء الهواء بالأكسجين حتى ٢٤,٥٪، بينما انخفض معدل استهلاك الكوك بنسبة ٧٪. وحقق المصنع هذه المكاسب دون استثمار رأسمالي كبير؛ إذ كان الأكسجين يُنتَج بالفعل، وكانت التعديلات المطلوبة على فرن الانفجار محدودة نسبيًّا. أما فترة الاسترداد، التي حُسبت بناءً على تكاليف إنتاج الأكسجين وحقنه مقابل وفورات استهلاك الكوك والقيمة المضافة من الزيادة في الإنتاج، فكانت أقل من اثني عشر شهرًا.

كانت هناك تحديات تشغيلية. وتطلّب الفرن مراقبة أكثر تكرارًا لتوزيع الحمولة لمنع التصريف القنوي، وهي حالةٌ يتدفّق فيها الغاز بشكل تفضيلي عبر مناطق معينة، ما يؤدي إلى اختزال غير متجانس واحتمال تشكُّل هياكل داعمة. وقام فريق التشغيل بتعديل أنماط التحميل العلوي الخالية من الجرس للتعويض عن ذلك، واستقر الفرن خلال ستة أسابيع من بدء حقن الأكسجين الأولي.

اعتبارات إمداد الأكسجين لحقن الأفران اللافحة

يأتي الأكسجين المستخدم في تحسين الأفران اللافحة عادةً من وحدة فصل الهواء المركبة في الموقع أو من خط أنابيب توريد. ومتطلبات النقاء معتدلة مقارنةً بالتطبيقات الأخرى للأكسجين؛ إذ يكفي أن يتراوح نقاء الأكسجين بين ٩٠٪ و٩٥٪ لحقن الأفران اللافحة، بينما تتطلب التطبيقات الطبية أو صناعة أشباه الموصلات نقاءً لا يقل عن ٩٩,٥٪. .

هذا المتطلب الأدنى لنقاء الأكسجين يوسع خيارات التوريد. ويمكن لأنظمة الامتزاز بالضغط المفرغ (VPSA) أن تُنتج أكسجينًا بنسبة نقاء تتراوح بين ٩٠٪ و٩٥٪ وبتكاليف رأسمالية وتشغيلية أقل مقارنةً بفصل الهواء بالتبريد، رغم أن سعتها عادةً ما تكون محدودة في المنشآت الصغيرة. أما في المصانع الكبيرة، فتظل وحدات فصل الهواء بالتبريد هي المعيار السائد، حيث تُنتج أكسجينًا بنقاء يفوق ٩٩,٥٪ مع إمكانية مرنة لإنتاج النيتروجين والأرجون أيضًا.

يتطلب نظام حقن الأكسجين نفسه هندسة دقيقة. ويجب توصيل الأكسجين عند ضغط كافٍ لمواجهة الضغط العكسي للأفرن العالي، والذي يتراوح عادةً بين ٣ و٥ بار. كما يجب تصميم الفوهات الحقنية لتحمل درجات الحرارة المرتفعة عند مستوى الفتحات—والتي تبلغ نحو ٢٠٠٠°م—ويجب التحكم بدقة في تدفق الأكسجين للحفاظ على مستوى التخصيب المطلوب.

اعتبارات السلامة في التعامل مع الأكسجين

يُطرح تحسين تركيز الأكسجين اعتبارات تتعلق بالسلامة تستحق الانتباه. فالأكسجين يدعم الاشتعال بفعالية أكبر من الهواء، وأي تسربٍ له أو تماسٍ غير مقصود مع الهيدروكربونات قد يولّد خطر نشوب حريق. ويجب أن يُصمَّم أنبوب حقن الأكسجين وفق معايير الخدمة الخاصة بالأكسجين، مع متطلبات صرامة في النظافة واختيار مواد البناء المناسبة.

تتناول المعايير الصناعية هذه المخاوف مباشرةً. فدليل رابطة الغازات المضغوطة CGA G-4.1 يقدم إرشادات شاملة حول تنظيف أنظمة الأكسجين وتصميمها. أما معيار ASME B31.3 فيغطي متطلبات الأنابيب المستخدمة في خدمة الأكسجين، بما في ذلك اختيار المواد وتصميم الوصلات.

يجب أن تُجري المرافق التي تطبّق تحسين تركيز الأكسجين مراجعةً شاملةً للمخاطر قبل التشغيل، تشمل سيناريوهات التسرب المحتملة وإجراءات الإيقاف الطارئ للتشغيل وتدريب المشغلين. ويمكن التحكم في هذه المخاطر بكفاءة باستخدام ضوابط هندسية مناسبة وإجراءات تشغيلية سليمة.

متى يكون تحسين تركيز الأكسجين منطقيًّا — ومتى لا يكون كذلك

إن تحسين تركيز الأكسجين ليس مفيدًا في جميع الحالات. ويعتمد الجدوى الاقتصادية على تكلفة الأكسجين وسعر الفحم الحجري وقيمة الإنتاج الإضافي. أما المصانع التي تُنتج الأكسجين داخليًّا—وخاصةً تلك التي تمتلك طاقة زائدة في وحدات إنتاج الأكسجين الهوائي (ASU)—فهي المرشَّحات الطبيعية لذلك. أما المصانع التي لا تمتلك بالفعل إمدادًا بالأكسجين، فتواجه قرارًا استثماريًّا: إما تركيب وحدة إنتاج أكسجين هوائي (ASU) أو نظام امتصاص ضغطي متغير (VPSA)، أو قبول انخفاض الإنتاجية الناجم عن التشغيل بالهواء الطبيعي.

وهناك أيضًا اعتبارات خاصة بكل فرن على حدة. فقد يحقق الفرن العالي الذي يعمل بالقرب من أقصى طاقته الإنتاجية مكاسب محدودة من تحسين تركيز الأكسجين، لأن العائق ينتقل حينها إلى العمليات التالية مثل أفران الأكسجين الأساسية أو الصب المستمر. وفي هذه الحالات، قد لا يحقِّق تحسين تركيز الأكسجين المكاسب المتوقعة في الإنتاجية.

أما بالنسبة للأفران التي تواجه قيودًا في إمداد الفحم الحجري أو التي تدفع أسعارًا مرتفعةً له، فإن الجدوى الاقتصادية تصبح أكثر جاذبية. فكل طنٍّ من الفحم الحجري الذي يتم توفيره هو طنٌّ لا يلزم شراؤه ولا نقله ولا تحميله في الفرن.

GreenFir تُوفِّر معدات فصل الهواء التبريدية لإنتاج الأكسجين في مصانع الصلب، ولها سجل حافل من عمليات التركيب في عمليات صناعة الصلب المتكاملة عبر قارة آسيا.