หน่วยแยกอากาศสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมเหล็ก

เหตุใดโรงถลุงเหล็กแบบบูรณาการจึงพึ่งพาการผลิตภายในสถานที่ หน่วยแยกอากาศ

ปัจจัยขับเคลื่อนด้านการปฏิบัติงาน: ความต้องการออกซิเจน ไนโตรเจน และอาร์กอน ปริมาณสูงและคุณภาพสูง

โรงหลอมเหล็กต้องการก๊าซอุตสาหกรรมในปริมาณมหาศาล ซึ่งต้องมีความบริสุทธิ์ตามมาตรฐานที่เข้มงวดมาก ยกตัวอย่างเช่น ถ้าพิจารณาเตาหลอมแบบเบลาส์ฟอร์นิซ (blast furnace) ขนาดใหญ่ เตาดังกล่าวอาจใช้ออกซิเจนได้มากกว่า 300 ตันต่อชั่วโมง สำหรับกระบวนการเตาหลอมแบบออกซิเจนพื้นฐาน (Basic Oxygen Furnace) จำเป็นต้องใช้ออกซิเจนที่มีความบริสุทธิ์ไม่น้อยกว่า 99.5% เพื่อให้เกิดการเผาไหม้ที่มีประสิทธิภาพและควบคุมการเกิดสแลก (slag) ได้อย่างเหมาะสม ส่วนในการดำเนินการหล่อต่อเนื่อง (continuous casting) จำเป็นต้องใช้อาร์กอนที่มีความบริสุทธิ์สูงกว่า 99.999% สำหรับกระบวนการล้างไนโตรเจน (nitrogen flushing) เพื่อป้องกันข้อบกพร่องจากการออกซิเดชัน (oxidation defects) ที่อาจเกิดขึ้นในแผ่นเหล็ก (steel slabs) ด้วยความต้องการปริมาณก๊าซมหาศาลและข้อกำหนดทางเทคนิคที่แม่นยำเช่นนี้ การจัดส่งก๊าซทั้งหมดในรูปแบบแบล็ค (bulk) จึงไม่สามารถทำได้จริงในทางปฏิบัติ ด้วยเหตุนี้ โรงงานส่วนใหญ่จึงเลือกติดตั้งระบบผลิตก๊าซภายในสถานที่ (on-site) หน่วยแยกอากาศ (ASUs) ระบบเหล่านี้ให้ผู้ปฏิบัติการโรงงานสามารถควบคุมปริมาณก๊าซที่ผลิต ความดันของก๊าซ และที่สำคัญที่สุดคือ ความบริสุทธิ์ของก๊าซได้ทันที ความยืดหยุ่นในลักษณะนี้ช่วยให้พวกเขาสามารถจัดหาปริมาณก๊าซให้สอดคล้องกับความต้องการของสายการผลิตได้อย่างแม่นยำ ไม่ว่าจะมีการเปลี่ยนแปลงใดๆ ในแต่ละวัน

ข้อได้เปรียบด้านเศรษฐกิจและความน่าเชื่อถือของ ASU แบบไครโอเจนิก เมื่อเทียบกับการจัดส่งก๊าซแบบแบล็ก (Bulk Gas Delivery)

หน่วยแยกอากาศแบบไครโอเจนิก (Cryogenic air separation units) มอบประโยชน์ระยะยาวที่สำคัญอย่างยิ่ง เมื่อเปรียบเทียบกับการจัดหาแก๊สจากผู้จัดจำหน่ายภายนอก บริษัทที่ผลิตแก๊สภายในสถานที่จะสามารถลดต้นทุนเพิ่มเติมทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับการขนส่งวัสดุไครโอเจนิก รวมทั้งไม่จำเป็นต้องใช้ระบบจัดการพิเศษหรือสถานที่จัดเก็บเฉพาะอีกต่อไป และแน่นอนว่า ไม่มีใครอยากให้การดำเนินงานของตนถูกควบคุมโดยปัญหาในห่วงโซ่อุปทาน สำหรับโรงงานที่ต้องการออกซิเจนมากกว่า 2,000 ตันต่อวัน มักพบว่าการลงทุนในหน่วยแยกอากาศแบบไครโอเจนิก (cryogenic ASU) ให้ผลตอบแทนที่คุ้มค่าอย่างมาก งานศึกษาต่างๆ ชี้ว่า โรงงานประเภทนี้สามารถประหยัดค่าใช้จ่ายด้านแก๊สได้ระหว่าง 40 ถึง 60 เปอร์เซ็นต์ภายในระยะเวลาสิบปี เมื่อเทียบกับการพึ่งพาการจัดส่งแบบจำนวนมาก (bulk deliveries) บางระบบที่ทันสมัยยังสามารถกู้คืนพลังงานได้ผ่านกระบวนการต่างๆ เช่น การนำความร้อนกลับมาใช้ใหม่ (heat recuperation) ระหว่างขั้นตอนการอัดแรง (compression processes) ซึ่งช่วยลดการใช้พลังงานโดยรวมลงประมาณ 15% แต่สิ่งที่สำคัญที่สุดคือ การมีแหล่งจัดหาแก๊สที่เชื่อถือได้ ณ จุดที่ใช้งานจริง โรงงานที่ผสานระบบดังกล่าวเข้าด้วยกันจะสามารถหลีกเลี่ยงเหตุการณ์หยุดเดินเครื่องเตาหลอมแบบลุกลาม (catastrophic blast furnace shutdowns) ซึ่งอาจสูญเสียค่าใช้จ่ายหลายล้านบาทต่อชั่วโมงที่ระบบหยุดทำงาน

การใช้งานหลักของหน่วยแยกอากาศในกระบวนการผลิตเหล็ก

การเพิ่มความเข้มข้นของออกซิเจนในเตาถลุง: เพิ่มประสิทธิภาพการผลิตและลดการใช้โค้ก

ปัจจุบันเตาถลุงเหล็กสมัยใหม่มักใช้อากาศที่เสริมออกซิเจนซึ่งมีความเข้มข้นของ O2 ประมาณร้อยละ 25 ถึง 30 ซึ่งช่วยเพิ่มอัตราการเผาไหม้ของโค้กภายในเตาอย่างมาก ผลที่ได้คือ ปริมาณการผลิตเหล็กหลอมเหลวเพิ่มขึ้นระหว่างร้อยละ 15 ถึง 25 แต่ในขณะเดียวกันก็ใช้โค้กน้อยลงประมาณ 200 ถึง 300 กิโลกรัมต่อการผลิตเหล็กหนึ่งตัน ส่งผลให้ต้นทุนในการดำเนินงานเตาลดลง และปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์น้อยลงต่อการผลิตเหล็กหนึ่งตัน เมื่อบริษัทติดตั้งหน่วยแยกอากาศ (Air Separation Units) ของตนเองไว้ภายในโรงงาน จะสามารถควบคุมกระบวนการเสริมออกซิเจนนี้ได้ดียิ่งขึ้น ระบบเหล่านี้ช่วยรักษาเปลวไฟที่ร้อนแรงให้คงที่อยู่เหนืออุณหภูมิ 2,200 องศาเซลเซียส โดยไม่เกิดปัญหาจากความผันผวนของอุณหภูมิ การควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยำยิ่งขึ้นนี้ส่งผลให้สลากระบายได้ลื่นไหลดีขึ้น และลดการสึกหรอของวัสดุบุผนังเตาลง ผู้เชี่ยวชาญด้านอุตสาหกรรมจากองค์กรต่าง ๆ เช่น สถาบันเหล็กและเหล็กกล้าแห่งสหรัฐอเมริกา (American Iron and Steel Institute) ได้ระบุประโยชน์เหล่านี้ไว้ในแนวทางปฏิบัติการของตน ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเหตุใดผู้ผลิตเหล็กจำนวนมากจึงหันมาใช้เทคโนโลยีนี้

การเป่าออกซิเจนในเตาหลอมออกซิเจนพื้นฐาน (BOF): การควบคุมอย่างแม่นยำด้วยความบริสุทธิ์ของออกซิเจนร้อยละ 99.5

กระบวนการผลิตเหล็กด้วยเตาหลอมออกซิเจนพื้นฐาน (BOF) ต้องใช้ออกซิเจนที่มีความบริสุทธิ์สูงมาก โดยทั่วไปต้องสูงกว่าร้อยละ 99.5 เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ของการกำจัดคาร์บอนที่สม่ำเสมอและมีประสิทธิภาพ ปริมาณสิ่งเจือปนเพียงเล็กน้อย เช่น ไนโตรเจนหรือความชื้น อาจก่อให้เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันที่ไม่สามารถทำนายได้ ซึ่งกลับลดอัตราผลผลิตและส่งผลเสียต่อคุณภาพผิวของผลิตภัณฑ์ หน่วยแยกอากาศแบบคริโอเจนิก (Cryogenic air separation units) จัดหาออกซิเจนที่มีความบริสุทธิ์สูงนี้ภายใต้แรงดันประมาณ 12 ถึง 15 บาร์ ผ่านหัวเป่า (lances) ที่ออกแบบพิเศษ หัวเป่าเหล่านี้ช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานสามารถควบคุมรูปแบบและตำแหน่งของการเป่าได้อย่างแม่นยำยิ่งขึ้น ความแม่นยำที่ดีขึ้นนี้ช่วยลดการสูญเสียเหล็กจากการถูกออกซิเดชันโดยไม่ตั้งใจลงประมาณร้อยละ 3 ถึง 5 เมื่อเทียบกับการใช้ออกซิเจนที่มีความบริสุทธิ์ต่ำกว่า ประเด็นนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการผลิตเหล็กที่ต้องสอดคล้องตามข้อกำหนดทางเคมีที่เข้มงวดสำหรับการใช้งานเฉพาะ เช่น ชิ้นส่วนยานยนต์และวัสดุสำหรับท่อส่งน้ำมันและก๊าซ ซึ่งความสม่ำเสมอนั้นถือเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่ง

อาร์กอนสำหรับการหล่อต่อเนื่องและการถลุงโลหะขั้นที่สอง: การควบคุมสิ่งสกปรกโดยใช้ก๊าซความบริสุทธิ์สูงพิเศษ (99.999%)

สำหรับการปฏิบัติการทางโลหะวิทยาด้วยถังตัก (ladle metallurgy) และการหล่อแบบต่อเนื่อง (continuous casting) แล้ว อาร์กอนที่มีความบริสุทธิ์สูงพิเศษ (ultra high purity argon) ที่ระดับสูงกว่า 99.999% นั้นเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่ง ไม่สามารถดำเนินการได้โดยปราศจากก๊าซชนิดนี้ การฉีดก๊าซนี้ลงในเหล็กหลอมเหลวช่วยขจัดไฮโดรเจนและไนโตรเจนที่ไม่ต้องการออกได้ ในขณะเดียวกัน ก๊าซนี้ยังผลักสิ่งสกปรกที่เป็นสารประกอบอินทรีย์ไม่ใช่โลหะ (non-metallic inclusions) ที่น่ารำคาญ เช่น อลูมินาและซิลิเกต ให้ลอยขึ้นสู่ผิวหน้า ซึ่งจะถูกกักเก็บไว้ในชั้นสลาค (slag layer) ตัวเลขก็มีความสำคัญเช่นกัน การควบคุมปริมาณสิ่งเจือปนทั้งหมดให้อยู่ต่ำกว่า 10 ส่วนต่อล้านส่วน (parts per million) นั้นสร้างความแตกต่างอย่างมาก แม้แต่ปริมาณไนโตรเจนเพียงเล็กน้อยก็อาจก่อให้เกิดแผลพุพองใต้ผิว (subsurface blisters) ที่น่ารำคาญบนเหล็กกล้าไร้สนิม (stainless steel) และเหล็กกล้าเกรดไฟฟ้า (electrical grade steels) ได้ โรงงานที่เปลี่ยนมาใช้อาร์กอนที่ผลิตจากหน่วยแยกอากาศ (air separation units) จะเห็นการปรับปรุงประสิทธิภาพอย่างชัดเจน บางโรงงานรายงานว่าสามารถลดจำนวนการปฏิเสธผลิตภัณฑ์เนื่องจากสิ่งสกปรกที่เป็นสารประกอบอินทรีย์ไม่ใช่โลหะได้มากกว่า 40% ทั้งในแท่งหล่อสำเร็จรูป (finished slabs) และแท่งหล่อรูปทรงยาว (billets) ผลลัพธ์เหล่านี้สอดคล้องกับที่สถาบันเหล็กและเหล็กกล้าระหว่างประเทศ (International Iron and Steel Institute) พบในการศึกษาการประเมินมาตรฐานคุณภาพล่าสุดเมื่อปี 2023

ความท้าทายด้านประสิทธิภาพการใช้พลังงานและการผสานรวมระบบสำหรับหน่วยแยกอากาศในโรงงานผลิตเหล็ก

แหล่งการสูญเสียพลังงานหลัก: การทำลายเอกซ์เนอร์จีของคอมเพรสเซอร์อากาศหลักและโอกาสในการกู้คืนความร้อน

หน่วยแยกอากาศ (Air separation units) หรือที่มักเรียกกันว่า ASUs มีปัญหาด้านประสิทธิภาพการใช้พลังงานเมื่อถูกผสานเข้ากับโรงงานผลิตเหล็ก ส่วนสำคัญของปัญหานี้เกิดจากหลักการทำงานพื้นฐานของระบบเหล่านี้ โดยบางส่วนสูญเสียประสิทธิภาพเนื่องจากความสูญเสียเชิงเทอร์โมไดนามิกส์ที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ ตัวอย่างเช่น คอมเพรสเซอร์อากาศหลัก ซึ่งใช้ไฟฟ้าประมาณ 40% ของปริมาณทั้งหมดที่ ASU ใช้ เมื่อพิจารณาให้ลึกขึ้น จะพบว่าพลังงานส่วนใหญ่ที่สูญเสียนั้นเกิดขึ้นระหว่างกระบวนการอัดอากาศเอง ซึ่งพลังงานที่มีค่าส่วนใหญ่สูญเสียไปในรูปของความร้อน ที่ตามมาหลังจากนั้นก็ค่อนข้างสิ้นเปลืองเช่นกัน ระบบที่ว่าจะสร้างความร้อนทิ้งที่มีอุณหภูมิสูงระหว่าง 150 ถึง 300 องศาเซลเซียส แต่สถานประกอบการส่วนใหญ่กลับปล่อยความร้อนทิ้งเหล่านี้ออกสู่ชั้นบรรยากาศโดยไม่นำไปใช้ประโยชน์อย่างเหมาะสม ขณะนี้บริษัทที่มีแนวคิดก้าวหน้าบางแห่งเริ่มติดตั้งระบบกู้คืนความร้อน เช่น วงจรออร์แกนิกแรนคิน (organic Rankine cycles) หรือการผลิตไอน้ำแรงดันต่ำจากความร้อนทิ้งเหล่านี้ แนวทางเหล่านี้สามารถกู้คืนพลังงานความร้อนที่สูญเสียไปได้ประมาณสองในสามของปริมาณทั้งหมดทั่วทั้งโรงงาน ซึ่งไม่เพียงแต่ทำให้กระบวนการผลิตออกซิเจนใช้พลังงานลดลงประมาณ 20% เท่านั้น แต่ยังลดความต้องการน้ำสำหรับการระบายความร้อนลงอย่างมีนัยสำคัญด้วย อย่างไรก็ตาม การทำให้ระบบที่ว่าทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพยังคงเป็นเรื่องที่ท้าทาย ระบบควบคุมจำเป็นต้องมีการประสานงานอย่างรอบคอบ เพื่อให้ ASU สามารถปรับกำลังการผลิตให้สอดคล้องกับความต้องการที่เปลี่ยนแปลงไปในกระบวนการผลิตเหล็ก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงเวลาที่ท้าทาย เช่น เมื่อเตาถลุงแบบเบลาส์ฟอร์นิซ (blast furnaces) เปลี่ยนแคมเปญ หรือเมื่อมีการเปลี่ยนแม่พิมพ์หล่อ (casters) แม้แต่การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของความดันก็อาจส่งผลกระทบต่อการผลิตทั้งสายได้

คำถามที่พบบ่อย

ทำไมโรงหลอมเหล็กจึงต้องการก๊าซที่มีความบริสุทธิ์สูงมากเป็นพิเศษ?

โรงหลอมเหล็กต้องการก๊าซที่มีความบริสุทธิ์สูงเพื่อการควบคุมความแม่นยำและคุณภาพในกระบวนการผลิต ก๊าซออกซิเจน ไนโตรเจน และอาร์กอนที่มีความบริสุทธิ์สูงช่วยให้การเผาไหม้เกิดขึ้นอย่างเหมาะสม การจัดการสลากรวดเร็วและมีประสิทธิภาพ รวมทั้งป้องกันข้อบกพร่องจากการออกซิเดชันในแผ่นเหล็ก

เครื่องผลิตก๊าซอากาศแบบคริโอเจนิก (ASU) มีข้อได้เปรียบเหนือการจัดส่งก๊าซแบบถังใหญ่ (bulk gas delivery) อย่างไร?

เครื่องผลิตก๊าซอากาศแบบคริโอเจนิก (ASU) ให้ความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพด้านต้นทุน สถานประกอบการสามารถประหยัดค่าใช้จ่ายด้านการขนส่งและการจัดเก็บ หลีกเลี่ยงความผิดปกติของห่วงโซ่อุปทาน นอกจากนี้ ASU ยังช่วยประหยัดพลังงานและจัดหาแก๊สที่มีความบริสุทธิ์สูงอย่างสม่ำเสมอ

อาร์กอนช่วยปรับปรุงกระบวนการหล่อต่อเนื่อง (continuous casting) อย่างไร?

อาร์กอนที่มีความบริสุทธิ์สูงมากช่วยลดสิ่งสกปรกและสารไม่ใช่โลหะที่ปนอยู่ในเหล็กหลอมละลาย ผลักดันสิ่งสกปรกเหล่านี้ให้เข้าไปอยู่ในชั้นสลากรวมทั้งช่วยรักษาคุณภาพของเหล็ก ซึ่งจะลดอัตราการปฏิเสธผลิตภัณฑ์และเพิ่มความสม่ำเสมอในการผลิต

เครื่องผลิตก๊าซอากาศ (ASU) ประสบปัญหาด้านประสิทธิภาพการใช้พลังงานอย่างไร?

หน่วยแยกอากาศ เผชิญกับปัญหาประสิทธิภาพการใช้พลังงานเนื่องจากความสูญเสียเชิงเทอร์โมไดนามิก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในคอมเพรสเซอร์อากาศหลัก จึงมีการนำโซลูชันการกู้คืนความร้อนมาใช้เพื่อลดการสูญเสียพลังงานและปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมของโรงงาน