Wzbogacanie tlenem pieców wielkopłytowych

Korzyści z zastosowania tlenu w nowoczesnej produkcji stali

Wytwarzanie żelaza w piecach wielkopłytowych nie uległo zasadniczej zmianie od stuleci. Do góry wprowadza się koksu, rudę żelaza i fluks; z dołu odpływa ciekłe żelazo i żużel; przez dysze wpływa gorące powietrze. Jednak szczegóły procesu ewoluowały znacznie, a wzbogacanie powietrza tlenem należy do najważniejszych modyfikacji wprowadzonych w ciągu ostatnich pięćdziesięciu lat.

Wprowadzanie tlenu do strumienia powietrza dopływającego do pieca wielkopłytowego – podnoszenie zawartości tlenu w powietrzu spalającym z 21% do 25% lub więcej – przekształca zachowanie termiczne i chemiczne pieca. Bezpośrednim skutkiem jest wyższa temperatura płomienia, która przyspiesza reakcje redukcyjne przekształcające tlenki żelaza w żelazo metaliczne. Skutkami ubocznymi są zwiększenie wydajności, obniżenie zużycia koksu oraz mniejsze emisje CO₂ na tonę wyprodukowanego żelaza.

Jak tlen wpływa na termodynamikę pieca

Obliczenia są proste, ale skutki są głębokie. Powietrze zawiera około 79% azotu, który przechodzi przez piec, nie uczestnicząc w reakcjach. Ten azot pochłania ciepło – ciepło, które mogłoby inaczej zostać wykorzystane do redukcji rudy żelaza. Gdy tlen zastępuje azot w dmuchawie, mniej ciepła jest marnowane na nagrzewanie gazu obojętnego. Temperatura płomienia rośnie, a piec może przetwarzać więcej rudy przy tym samym zużyciu koksu.

Przy każdym wzroście wzbogacenia tlenu o 1% temperatura płomienia rośnie o około 50°C. Przy zawartości tlenu 25% temperatura płomienia osiąga około 2200°C, w porównaniu do ok. 2000°C przy 21%. Wyższa temperatura płomienia umożliwia kilka ulepszeń operacyjnych: wyższe stawy wtrysku węgla mielonego, mniejsze zużycie koksu oraz zwiększoną wydajność produkcji.

Kompromisem jest to, że wzbogacanie tlenu zwiększa również wrażliwość pieca na zakłócenia. Piec pracujący przy stężeniu tlenu 25% ma mniejszą bezwładność cieplną niż piec pracujący przy stężeniu 21%. Operatorzy muszą ściślejszym kontrolować rozkład ładunku, temperaturę dmuchu oraz zawartość wilgoci, aby zapewnić stabilną pracę.

Zyski produkcyjności: co pokazują dane

Wpływ wzbogacania tlenu na produkcyjność jest dobrze udokumentowany. Dane branżowe ze zintegrowanych hut żelaza i stali wskazują, że każde 1-procentowe zwiększenie wzbogacania tlenu powoduje przyrost wydajności o około 3–4%, przy założeniu stałej temperatury dmuchu i spójnej jakości ładunku. Przy stężeniu tlenu 25% przekłada się to na wzrost produkcyjności o 12–16% w porównaniu do pracy na powietrzu naturalnym.

Zmniejszenie zużycia koksu ma szczególne znaczenie. Koksu jest najdroższym surowcem w procesie wielkopiecowym, a jego produkcja generuje znaczne emisje CO₂. Zmniejszenie zużycia koksu o 5% w hucie stalowniczej o rocznej mocy produkcyjnej 2 milionów ton przekłada się na roczne oszczędności w wysokości około 5 milionów dolarów amerykańskich na kosztach koksu oraz odpowiednie zmniejszenie śladu węglowego.

Realizacja w warunkach rzeczywistych: zintegrowana huta stalownicza w północnych Chinach

Duża zintegrowana huta stalownicza w północnych Chinach wdrożyła stopniowy program wzbogacania dmuchawy tlenem w ciągu 18-miesięcznego okresu. Zakład posiadał istniejącą jednostkę separacji powietrza produkującą tlen do innych procesów, ale wcześniej nie stosowano wtrysku tlenu do dmuchawy pieca wielkopiecowego. Projekt obejmował instalację wtryskowych rurek tlenu na poziomie tzw. dysz dmuchowych, modernizację systemu sterowania w celu obsługi dodatkowego przepływu tlenu oraz szkolenie operatorów w zakresie nowych parametrów eksploatacyjnych.

Wyniki były mierzalne już w pierwszym kwartale. Produkcja wzrosła o 11% przy wzbogaceniu tlenu do 24,5%, podczas gdy zużycie koksu spadło o 7%. Hutnia osiągnęła te korzyści bez znacznych inwestycji kapitałowych — tlen był już produkowany, a modyfikacje pieca wielkopłomieniowego były stosunkowo niewielkie. Okres zwrotu inwestycji, obliczony na podstawie kosztów produkcji i wtrysku tlenu w porównaniu z oszczędnościami na koksie oraz wartością dodatkowej produkcji, wyniósł mniej niż dwanaście miesięcy.

Wystąpiły wyzwania operacyjne. Piec wymagał częstszej kontroli rozkładu ładunku, aby zapobiec kanałkowaniu — zjawisku, przy którym gaz przepływa preferencyjnie przez określone obszary, powodując nieregularne redukowanie i potencjalne tworzenie się rusztów. Zespół operacyjny dostosował wzorce dozowania ładunku za pomocą systemu bezdzwonowego, a piec ustabilizował się w ciągu sześciu tygodni od rozpoczęcia wtrysku tlenu.

Uwagi dotyczące zaopatrzenia w tlen do wtrysku do pieca wielkopłomieniowego

Tlen do wzbogacania pieców wielkopłytowych pochodzi zazwyczaj z lokalnej jednostki separacji powietrza lub z dostawy rurociągiem. Wymagania dotyczące czystości są umiarkowane w porównaniu do innych zastosowań tlenu — do wtrysku w piecach wielkopłytowych wystarcza tlen o czystości 90–95%, podczas gdy zastosowania medyczne lub półprzewodnikowe wymagają czystości 99,5% lub wyższej. .

Niższe wymagania dotyczące czystości otwierają dodatkowe opcje dostawy. Systemy adsorpcji ciśnieniowej przy zmniejszonym ciśnieniu (VPSA) mogą produkować tlen o czystości 90–95% przy niższych kosztach inwestycyjnych i eksploatacyjnych niż kriogeniczne jednostki separacji powietrza, choć zwykle są one ograniczone do mniejszych zdolności produkcyjnych. Dla większych hut kriogeniczne jednostki ASU pozostają standardem, produkując tlen o czystości przekraczającej 99,5% oraz zapewniając elastyczność w produkcji azotu i argonu.

Sam system wtrysku tlenu wymaga starannej inżynierii. Tlen musi być dostarczany pod odpowiednim ciśnieniem, aby pokonać ciśnienie zwrotne pieca wielkiego – zwykle 3–5 barów. Wtryskowe rury muszą być zaprojektowane tak, aby wytrzymać wysokie temperatury na poziomie tulei – ok. 2000 °C – a przepływ tlenu musi być precyzyjnie kontrolowany, aby utrzymać pożądany poziom wzbogacenia.

Uwagi dotyczące bezpieczeństwa przy obsłudze tlenu

Wzbogacanie procesu tlenem wiąże się z zagadnieniami bezpieczeństwa, które wymagają szczególnej uwagi. Tlen wspomaga spalanie znacznie intensywniej niż powietrze, a jakikolwiek przeciek lub niezamierzone skontaktowanie się z węglowodorami może stworzyć zagrożenie pożądowe. Rurociągi do wtrysku tlenu muszą być zaprojektowane zgodnie ze standardami stosowanymi przy obsłudze tlenu, z surowymi wymaganiami dotyczącymi czystości oraz odpowiednimi materiałami konstrukcyjnymi.

Normy branżowe bezpośrednio poruszają te zagadnienia. Dokument CGA G-4.1 stowarzyszenia Compressed Gas Association zawiera szczegółowe wytyczne dotyczące czyszczenia i projektowania systemów tlenowych. Standard ASME B31.3 określa wymagania dotyczące rurociągów przeznaczonych do obsługi tlenu, w tym dobór materiałów oraz projektowanie połączeń.

Obiekty wprowadzające wzbogacanie powietrza tlenem powinny przeprowadzić szczegółową analizę zagrożeń przed uruchomieniem, obejmującą potencjalne scenariusze przecieków, procedury awaryjnego zatrzymania oraz szkolenie operatorów. Ryzyko można skutecznie kontrolować przy zastosowaniu odpowiednich rozwiązań inżynieryjnych i procedur eksploatacyjnych.

Kiedy wzbogacanie powietrza tlenem ma sens — a kiedy nie ma sensu

Wzbogacanie powietrza tlenem nie zawsze przynosi korzyści. Opłacalność zależy od kosztu tlenu, ceny koksu oraz wartości dodatkowej produkcji. Zakłady posiadające własne źródło tlenu — szczególnie te dysponujące nadmierną mocą jednostek ASU — są naturalnymi kandydatami. Zakłady bez istniejącego dostępu do tlenu stają przed decyzją inwestycyjną: zainstalować układ ASU lub VPSA albo zaakceptować niższą wydajność pracy na powietrzu atmosferycznym.

Istnieją również czynniki specyficzne dla danego typu pieca. W przypadku pieców wielkopiecowych pracujących w pobliżu maksymalnej zdolności produkcyjnej wzbogacanie powietrza tlenem może przynieść ograniczone korzyści — wąskim gardłem stają się wówczas procesy wtórne, takie jak piece konwertorowe typu BOF lub ciągła odlewania stali. W takich sytuacjach wzbogacanie powietrza tlenem może nie przynieść oczekiwanych zwiększeń wydajności.

W przypadku pieców ograniczonych pod względem dostaw koksu lub charakteryzujących się wysokimi cenami koksu opłacalność ekonomiczna staje się bardziej atrakcyjna. Każdy zaoszczędzony ton koksu to ton, którego nie trzeba zakupić, przetransportować ani załadować do pieca.

GreenFir dostarcza kriogenicznego sprzętu do separacji powietrza do produkcji tlenu w hucie stali, posiadając doświadczenie wynikające z licznych instalacji w zintegrowanych zakładach stalowniczych w Azji.