EN
היתרון של החמצן בייצור פלדה מודרני
תהליך ייצור הברזל בכבשנים לא השתנה באופן עקרוני במשך מאות שנים. פחמן, אבן ברזל וספיגת נכנסת מהחלק העליון; ברזל נוזלי וסיגים יוצאים מהחלק התחתון; ואויר חם נושף דרך החרירים. עם זאת, הפרטים התפתחו במידה רבה, והגברה של רמת החמצן היא אחת השינויים המשפיעים ביותר בחמשים השנים האחרונות.
הזרמת חמצן לתוך כבשן הפליטה — הגברת ריכוז החמצן באוויר להבערה מ-21% ל-25% או יותר — משנה את ההתנהגות התרמית והכימית של הכבשן. האפקט המיידי הוא עלייה בטמפרטורת להבה, מה שמאיץ את תגובות ההחזרה הממירות את אוקסיד הברזל לברזל מתכתי. האפקטים המשניים כוללים הגברת היצרנות, הפחתת צריכת הקוקס והפחתת פליטת דו-תחמוצת הפחמן לטון ברזל מיוצר.
איך החמצן משנה את תרמודינמיקת הכבשן
החשבון פשוט, אך ההשלכות עמוקות. באוויר יש בערך 79% חנקן, אשר עובר דרך הכבשן ללא השתתפות בתגובות. החנקן הזה סופג חום — חום שיכול היה אחרת לשמש להחזרת אבן הברזל. כאשר חמצן מחליף את החנקן בפליטה, פחות חום מבוזבז על חימום גז אינרטי. טמפרטורת הלהבה עולה, והכבשן מסוגל לעבד כמות גדולה יותר של אבן ברזל באותו קצב צריכה של קוקס.
לכל עלייה של 1% באשובה החמצנית, טמפרטורת הלבה עולה ב-50 מעלות צלזיוס. בטמפרטורה של 25% חמצן, טמפרטורת הלבה מגיעה ל-2,200 מעלות צלזיוס, לעומת כ-2,000 מעלות צלזיוס ב-21%. הלבה החמה יותר מאפשרת שיפורים תפעוליים אחדים: קצב הזרקה גבוה יותר של פחם דקיק, ירידה בשימוש בקוקס ועלייה בתפוקת הייצור.
ההחלפה היא שגיזום החמצן גם מגביר את רגישות הכבשן להפרעות. כבשן שפועל עם 25% חמצן יש לו אינרציה תרמית נמוכה יותר מאשר כבשן שפועל עם 21%. המפעילים צריכים שליטה הדוקה יותר על הפצת המטען, טמפרטורת הזרימה והרhumidity של המטען כדי לשמור על פעילות יציבה.
השתפרויות בתפוקה: מה שהנתונים מראים
השפעת העשירון בחמצן על היעילות מוכחת היטב. נתונים תעשייתיים ממפעלי פלדה משולבים מראים שכל עלייה של 1% בעשירון החמצן מביאה לעלייה של כ-3–4% בקצב הייצור, בהנחה שטמפרטורת הזרימה נותרת יציבה ואיכות המטען עקבייה. בעשירון של 25% חמצן, זה מתורגם לעלייה של 12–16% ביעילות לעומת הפעלה באוויר טבעי.
| רמת העשירון בחמצן | טמפרטורת להבה | רווחי תפוקה | הפחתת קצב הפיח |
|---|---|---|---|
| 21% (בסיס) | כ-2,000° צלזיוס | — | — |
| 23% | כ-2,100° צלזיוס | ~6–8% | ~3–5% |
| 25% | כ-2,200° צלזיוס | ~12–16% | ~6–10% |
| 27% | כ-2,300° צלזיוס | ~18–24% | ~10–15% |
הפחתת קצב הפיח היא במיוחד מועילה. הפיח הוא החומר הגלמי היקר ביותר בתהליך הכבשן הנותן, ותהליך ייצורו יוצר כמויות משמעותיות של פליטות CO₂. הפחתת הצריכה של פיח ב-5% במפעל פלדה שמייצר 2 מיליון טון בשנה, תביא לחיסכון שנתי של כ-5 מיליון דולר בעלויות הפיח, ופחת מתואם בגודל הרגל הפחמנית.
יישום במציאות: מפעל פלדה משולב בצפון סין
מפעל פלדה מتكامل גדול בצפון סין יישם תכנית הדרגתית להעשרת החמצן במשך תקופה של 18 חודשים. במפעל היה יחידת הפרדת אוויר קיימת שייצרה חמצן לתהליכים אחרים, אך לא הזרימה חמצן לזרם האוויר במתכת המנפחת. התוכנית כללה התקנת מצבי הזרקת חמצן ברמה של ה־tuyeres, שדרוג מערכת הבקרה כדי להתמודד עם זרימת החמצן הנוספת, והדרכת מפעילים על פרמטרי הפעלה חדשים.
התוצאות היו מדידות כבר ברבעון הראשון. התפוקה עלתה ב־11% בהעשרת חמצן ל־24.5%, בעוד ששיעור הפחמן הדק ירד ב־7%. המפעל השיג את ההישגים האלה ללא השקעה גדולה בכסף – החמצן כבר יוצר, והשינויים במתכת המנפחת היו יחסית מינימליים. זמן החזר ההשקעה, שחושב על סמך עלות ייצור וזריקת החמצן לעומת חיסכון בפחמן דק והערך המוסף מתפוקה מוגדלת, היה פחות מ־12 חודשים.
היו קשיים תפעוליים. הכבשן דרש ניטור תכופות יותר של התפלגות המטען כדי למנוע תופעת ה"תעלות" — מצב שבו הגז זורם באופן מועדף באזורים מסוימים, מה שגורם להחזרה לא אחידה וליצירת מבנים דמויי מסגרת. צוות הפעולות התאים את תבניות הטעינה דרך הראש החף-פעמון כדי לפצות על כך, והכבשן התייצב תוך שישה שבועות מהתחלת הזרקת החמצן.
שקולות לגבי אספקת החמצן לזריקה לכבשן ידידתי
החמצן ללהטת כבשנים נלקח בדרך כלל מיחידה מקומית להפרדת אוויר או מאספקת צינור. דרישת הטהרה היא מתונה בהשוואה ליישומים אחרים של חמצן — 90–95% חמצן מספיקים ללהטת כבשנים, בעוד שapplications רפואיים או בתחום האלקטרוניקה דורשים 99.5% ומעלה. .
דרישת הטהרה הנמוכה יותר הזו פותחת אפשרויות אספקה. מערכות ספיגת לחץ ריק (VPSA) יכולות לייצר חמצן בריכוז של 90–95% עלות הון ועלות תפעול נמוכות יותר מאשר הפרדת אוויר קרוגנית, אף שברוב המקרים הן מוגבלות ליכולות קטנות יותר. למפעלים גדולים יותר, יחידות ההפרדה הקרוגניות (ASU) נשארות הסטנדרט, ויוצרות חמצן בריכוז גבוה מ-99.5%, עם גמישות לייצר גם חנקן וארגון.
מערכת הזרקת החמצן עצמה דורשת הנדסת דיוק. החמצן חייב להימסר בלחץ מספיק כדי להתגבר על הלחץ האחורי של כבשן הפליטה, בדרך כלל 3–5 בר. צינורות הזרקה חייבים להיות מעוצבים כדי לסבול את הטמפרטורות הגבוהות ברמת הפתחים — בערך 2,000°מ — וזרימת החמצן חייבת להיות מבוקרת במדויק כדי לשמור על רמת העושר הרצויה.
שקולות בטיחות בהתייחסות לחמצן
העשרה בחמצן מעוררת שיקולים של ביטחון warrants תשומת לב. חמצן תומך בעריפה בצורה חזקה יותר מאשר אוויר, וכל דליפת חמצן או מגע לא מתוכנן עם הידрокربונים עלול ליצור סיכון לשריפה. צינורות הזרקת החמצן חייבים להיות מעוצבים בהתאם לתקנים לשירות חמצן, עם דרישות נוקשות לניקיון ובחירת חומרים מתאימים לבנייה.
תקנים תעשייתיים עוסקים ישירות בשיקולים אלו. המדריך CGA G-4.1 של איגוד הגזים המכווצים מספק הנחיות מקיפות בנוגע לניקיון ולעיצוב מערכות חמצן. התקן ASME B31.3 מכסה את דרישות הצינורות לשירות חמצן, כולל בחירת החומרים ועיצוב המפרקים.
מתקנים המטמיעים העשרה בחמצן חייבים לבצע סקירת סיכונים מקיפה לפני ההפעלה, הכוללת ניתוח של סצנות דליפה אפשריות, הליכי עצירת חירום והדרכה של המפעילים. הסיכונים ניתנים לניהול באמצעות בקרות הנדסיות מתאימות והנחיות הפעלה נכונות.
מתי העשרה בחמצן היא הגיונית — ומתי היא אינה הגיונית
העשרה בחמצן אינה מועילה באופן אוניברסלי. היעילות הכלכלית תלויה במחיר החמצן, מחיר הפחם הקוקס וערך הייצור הנוסף. מפעלים שמייצרים חמצן באתר — במיוחד כאלה שיש להם קיבולת עודפת במערכות ייצור חמצן (ASU) — הם המועמדים הטבעיים לכך. מפעלים שאין להם אספקת חמצן קיימת עומדים בפני החלטה על השקעה: להתקין מערכת ייצור חמצן (ASU) או מערכת ניקוז לחץ משתנה (VPSA), או לאמץ את יעילות הייצור הנמוכה יותר של פעילות באוויר טבעי.
ישנם גם اعتרויות ספציפיות לפי כור: כורים פועלים קרוב למקסימום היכולת הייצורית שלהם עשויים להפיק עלייה מוגבלת בייעילות מהעשרה בחמצן — הצוואר הצבור עובר לתהליכים המשניים, כגון כורים חמצניים בסיסיים או יציקה רציפה. במקרים אלו, העשרה בחמצן עלולה שלא לספק את העלייה בצפיפות הייצור שנצפה.
בכורים שבהם יש מגבלות באספקת הפחם הקוקס או שמחירו גבוה, היעילות הכלכלית נעשית מושכת יותר. כל טון קוקס שנחסך הוא טון שלא צריך לקנות, לשלוח או לטעון לכור.
GreenFir מספק ציוד להפרדת אוויר קריר ליצירת חמצן במפעלי פלדה, עם רישום מוכחה של התקנות בפעולות ייצור פלדה משולבות באסיה.