افزایش اکسیژن در کوره‌های بلند

مزیت اکسیژن در تولید مدرن فولاد

تولید آهن در کوره‌های بلند از قرن‌ها پیش تغییر اساسی نداشته است. کک، سنگ آهن و مواد افزودنی از بالا وارد می‌شوند؛ آهن مذاب و سلاگ از پایین خارج می‌شوند؛ و هوای گرم از طریق نازل‌ها وارد می‌گردد. اما جزئیات فرآیند به‌طور قابل توجهی توسعه یافته‌اند و غنی‌سازی اکسیژن یکی از مؤثرترین اصلاحات اعمال‌شده در پنجاه سال گذشته است.

تزریق اکسیژن به جریان هوا در کوره بلند — افزایش محتوای اکسیژن در هوای احتراق از ۲۱٪ به ۲۵٪ یا بیشتر — رفتار حرارتی و شیمیایی کوره را دگرگون می‌کند. اثر فوری، افزایش دمای شعله است که واکنش‌های کاهشی تبدیل اکسید آهن به آهن فلزی را تسریع می‌کند. اثرات ثانویه شامل افزایش بهره‌وری، کاهش مصرف کک و کاهش انتشار دی‌اکسیدکربن به ازای هر تن آهن تولیدشده می‌شود.

چگونه اکسیژن ترمودینامیک کوره را تغییر می‌دهد

محاسبات ساده‌اند، اما پیامدهایشان عمیق است. هوای اتمسفر تقریباً ۷۹٪ نیتروژن دارد که بدون شرکت در واکنش‌ها از کوره عبور می‌کند. این نیتروژن گرما را جذب می‌کند — گرمایی که در غیر این صورت برای کاهش سنگ‌آهن مصرف می‌شد. وقتی اکسیژن جای نیتروژن در جریان هوا را می‌گیرد، گرمای کمتری برای گرم کردن گاز بی‌اثر هدر می‌رود. دمای شعله افزایش می‌یابد و کوره می‌تواند با نرخ مصرف ککی ثابت، سنگ‌آهن بیشتری را پردازش کند.

برای هر افزایش ۱ درصدی در غنی‌سازی اکسیژن، دمای شعله تقریباً ۵۰ درجه سانتی‌گراد افزایش می‌یابد. در صورت داشتن ۲۵ درصد اکسیژن، دمای شعله به حدود ۲۲۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسد، در حالی که این مقدار در ۲۱ درصد اکسیژن حدود ۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد است. این شعله گرم‌تر امکان بهبودهای عملیاتی متعددی را فراهم می‌کند: نرخ تزریق بالاتر زغال سنگ آسیاب‌شده، کاهش مصرف کُک و افزایش ظرفیت تولید.

اما این مزیت با یک معایب همراه است: غنی‌سازی اکسیژن حساسیت کوره نسبت به اختلالات را نیز افزایش می‌دهد. کوره‌ای که با ۲۵ درصد اکسیژن کار می‌کند، اینرسی حرارتی کمتری نسبت به کوره‌ای با ۲۱ درصد اکسیژن دارد. بنابراین، برای حفظ پایداری عملیات، اپراتورها باید کنترل دقیق‌تری بر توزیع بار، دمای جریان هوای دمش و محتوای رطوبت اعمال کنند.

افزایش بهره‌وری: آنچه داده‌ها نشان می‌دهند

تأثیر افزایش اکسیژن بر بهره‌وری به‌خوبی مستند شده است. داده‌های صنعتی از کارخانه‌های فولاد تلفیقی نشان می‌دهد که هر افزایش ۱ درصدی در غلظت اکسیژن، با فرض ثابت بودن دمای جریان هوای دمش و کیفیت یکنواخت بار، منجر به افزایش ۳ تا ۴ درصدی نرخ تولید می‌شود. در سطح ۲۵ درصد اکسیژن، این امر معادل افزایش ۱۲ تا ۱۶ درصدی بهره‌وری نسبت به کارکرد با هوای طبیعی است.

کاهش مصرف کُک به‌ویژه ارزشمند است. کُک گران‌ترین مواد اولیه در فرآیند کوره بلند است و تولید آن انتشار قابل‌توجهی از دی‌اکسید کربن ایجاد می‌کند. کاهش ۵ درصدی مصرف کُک در یک کارخانه فولاد با ظرفیت سالانه دو میلیون تن، منجر به صرفه‌جویی سالانه تقریبی ۵ میلیون دلار در هزینه‌های کُک و کاهش متناظر ردپای کربن می‌شود.

اجرا در دنیای واقعی: کارخانه فولاد تلفیقی شمال چین

یک کارخانهٔ بزرگ فولادسازی یکپارچه در شمال چین، طی دوره‌ای ۱۸ ماهه، برنامه‌ای پلکانی برای غنی‌سازی اکسیژن اجرا کرد. این تأسیسات دارای یک واحد جداسازی هوا بود که اکسیژن را برای فرآیندهای دیگر تولید می‌کرد، اما قبلاً اکسیژنی را به جریان هوای کورهٔ بلند تزریق نمی‌کرد. این پروژه شامل نصب شلاق‌های تزریق اکسیژن در سطح تیویرها، ارتقای سیستم کنترل برای مدیریت جریان اضافی اکسیژن و آموزش اپراتورها برای پارامترهای جدید عملیاتی بود.

نتایج در اولین سه‌ماهه قابل اندازه‌گیری بود. با غنی‌سازی اکسیژن تا ۲۴٫۵ درصد، تولید ۱۱ درصد افزایش یافت و میزان مصرف کُک ۷ درصد کاهش پیدا کرد. این کارخانه این بهبودها را بدون سرمایه‌گذاری عمده‌ای به‌دست آورد — زیرا اکسیژن قبلاً تولید می‌شد و تغییرات اعمال‌شده بر کورهٔ بلند نسبتاً جزئی بودند. دورهٔ بازگشت سرمایه، که بر اساس هزینه‌های تولید و تزریق اکسیژن در مقابل صرفه‌جویی در مصرف کُک و ارزش افزودهٔ تولید بیشتر محاسبه شد، کمتر از دوازده ماه بود.

چالش‌های عملیاتی وجود داشت. کوره نیازمند نظارت بیشتر بر توزیع بار برای جلوگیری از پدیدهٔ کانال‌سازی بود — شرایطی که در آن گاز به‌صورت ترجیحی از برخی مناطق عبور می‌کند و باعث کاهش نامساوی و احتمال تشکیل سازه‌های قفسه‌مانند می‌شود. تیم عملیات الگوهای باردهی از بالا بدون زنگ را تنظیم کرد تا این مشکل جبران شود و کوره ظرف شش هفته پس از اولین تزریق اکسیژن پایدار شد.

ملاحظات تأمین اکسیژن برای تزریق در کورهٔ بلند

اکسیژن مورد نیاز برای غنی‌سازی کورهٔ بلند معمولاً از واحد تفکیک هوای محلی یا از طریق خط لوله تأمین می‌شود. نیاز به خلوص اکسیژن در این کاربرد نسبت به سایر کاربردها ملایم‌تر است — برای تزریق در کورهٔ بلند، اکسیژنی با خلوص ۹۰ تا ۹۵ درصد کافی است، در حالی که کاربردهای پزشکی یا نیمه‌هادی‌ها به خلوص ۹۹/۵ درصد یا بالاتر نیاز دارند. .

این نیازمندی پایین‌تر به خلوص، گزینه‌های تأمین را گسترش می‌دهد. سیستم‌های جذب تغییر فشار در خلأ (VPSA) می‌توانند اکسیژنی با خلوص ۹۰ تا ۹۵ درصد تولید کنند که هزینه‌های سرمایه‌ای و عملیاتی آن کمتر از جداسازی هوای تبریدی است، هرچند معمولاً ظرفیت آن‌ها محدود به مقیاس‌های کوچک‌تر است. برای کارخانه‌های بزرگ‌تر، واحدهای جداسازی هوای تبریدی همچنان استاندارد باقی می‌مانند و اکسیژنی با خلوص بالاتر از ۹۹/۵ درصد تولید می‌کنند و امکان تولید نیتروژن و آرگون را نیز فراهم می‌سازند.

خود سیستم تزریق اکسیژن نیازمند مهندسی دقیق است. اکسیژن باید با فشار کافی تحویل داده شود تا فشار معکوس کوره بلند را غلبه کند؛ معمولاً این فشار بین ۳ تا ۵ بار است. نیزه‌های تزریق باید طوری طراحی شوند که بتوانند در سطح لوله‌های دمش (تُیِیر) در برابر دماهای بسیار بالا — حدود ۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد — مقاومت کنند و جریان اکسیژن باید با دقت کامل کنترل شود تا سطح مطلوب غنی‌سازی حفظ گردد.

ملاحظات ایمنی در کار با اکسیژن

تقویت اکسیژن ملاحظات ایمنی‌ای را به همراه دارد که نیاز به توجه دارد. اکسیژن نسبت به هوا احتراق را به‌صورت شدیدتری پشتیبانی می‌کند و هرگونه نشت یا تماس غیرعمدی با هیدروکربن‌ها می‌تواند خطر آتش‌سوزی ایجاد کند. لوله‌کشی تزریق اکسیژن باید مطابق استانداردهای مربوط به سرویس اکسیژن طراحی شود و الزامات سخت‌گیرانه‌ای در زمینه پاکیزگی و انتخاب مواد مناسب برای ساخت داشته باشد.

استانداردهای segu صنعتی مستقیماً به این نگرانی‌ها پرداخته‌اند. سند CGA G-4.1 انجمن گازهای فشرده، راهنمایی جامعی درباره پاک‌سازی و طراحی سیستم‌های اکسیژن ارائه می‌کند. ASME B31.3 نیز الزامات لوله‌کشی برای سرویس اکسیژن، از جمله انتخاب مواد و طراحی اتصالات را پوشش می‌دهد.

تسهیلاتی که از تقویت اکسیژن استفاده می‌کنند، پیش از راه‌اندازی باید بررسی دقیق خطرات را انجام دهند که شامل سناریوهای احتمالی نشت، رویه‌های خاموش‌سازی اضطراری و آموزش اپراتورها می‌شود. این خطرات با کنترل‌های مهندسی مناسب و رویه‌های عملیاتی قابل مدیریت هستند.

در چه شرایطی تقویت اکسیژن منطقی است — و در چه شرایطی نیست

تقویت اکسیژن به‌طور کلی مفید نیست. اقتصاد آن به هزینه اکسیژن، قیمت کُک و ارزش تولید اضافی بستگی دارد. کارخانه‌هایی که اکسیژن را در محل تولید می‌کنند — به‌ویژه کارخانه‌هایی با ظرفیت اضافی واحد تولید اکسیژن (ASU) — گزینه‌های طبیعی‌تری هستند. کارخانه‌هایی که تأمین‌کننده اکسیژن موجود ندارند، باید تصمیم سرمایه‌گذاری بگیرند: نصب واحد تولید اکسیژن (ASU) یا سیستم جذب فشار متغیر (VPSA)، یا پذیرش بهره‌وری پایین‌تر در حالت کار با هوای طبیعی.

همچنین ملاحظات خاصی برای کوره‌ها وجود دارد. کوره‌های بلندی که نزدیک به حداکثر ظرفیت تولید خود کار می‌کنند، ممکن است از تقویت اکسیژن سود کمی ببرند — گلوگاه به فرآیندهای پایین‌دستی مانند کوره‌های اکسیژنی اصلی یا ریخته‌گری پیوسته منتقل می‌شود. در این موارد، تقویت اکسیژن ممکن است افزایش مورد انتظار بهره‌وری را فراهم نکند.

برای کوره‌هایی که عرضه کُک محدود است یا قیمت کُک در آن‌ها بالاست، اقتصاد این روش جذاب‌تر می‌شود. هر تن کُکی که صرفه‌جویی شود، یعنی یک تن کُک که نیازی به خرید، حمل‌ونقل یا بارگذاری در کوره ندارد.

گرین فیر تجهیزات جداسازی هوا در دمای بسیار پایین را برای تولید اکسیژن در کارخانه‌های فولاد عرضه می‌کند و سابقه‌ای از نصب در عملیات تولید فولاد یکپارچه در سراسر آسیا دارد.