Pagpapataas ng Oxygen sa Blast Furnaces

Ang Kalamangan ng Oxygen sa Modernong Steelmaking

Ang paggawa ng bakal sa blast furnace ay hindi pa nagbabago nang pangunahin sa loob ng daan-daang taon. Ang coke, iron ore, at flux ay ipinapasok sa itaas; ang molten iron at slag ay lumalabas sa ibaba; at ang mainit na hangin ay pumapasok sa pamamagitan ng mga tuyeres. Ngunit ang mga detalye ay malaki ang naitagana, at ang pagpapayaman ng oxygen ay kabilang sa pinakamaimpluwensyang mga pagbabago sa nakalipas na limampung taon.

Ang pagpapasok ng oxygen sa blast furnace—ang pagtaas ng nilalaman ng oxygen sa hangin na ginagamit sa pagsunog mula sa 21% patungo sa 25% o higit pa—ay nagbabago sa thermal at chemical na pag-uugali ng furnace. Ang agad na epekto ay mas mataas na temperatura ng apoy, na nagpapabilis sa mga reduction reaction na nagpapalit ng iron oxide tungo sa metallic iron. Ang mga sekondaryong epekto ay kasama ang mas mataas na produksyon, mas mababang paggamit ng coke, at mas mababang emisyon ng CO₂ bawat tonelada ng naitanim na bakal.

Paano Binabago ng Oxygen ang Thermodynamics ng Furnace

Ang matematika ay simple, ngunit ang mga implikasyon ay malalim. Ang hangin ay mayroong humigit-kumulang na 79% na nitrogen, na dumaan sa furnace nang hindi sumasali sa anumang reaksyon. Ang nitrogen na ito ay sumusuko ng init—na init na sana ay maaaring gamitin sa pagbawas ng iron ore. Kapag pinalitan ng oxygen ang nitrogen sa blast, mas kaunti ang init na nabubuhos sa pagpainit ng inert na gas. Ang temperatura ng apoy ay tumataas, at ang furnace ay kayang magproseso ng higit pang ore gamit ang parehong rate ng coke.

Para sa bawat 1% na pagtaas sa pagsisilbi ng oksiheno, ang temperatura ng apoy ay tumataas ng humigit-kumulang 50°C. Sa 25% na nilalaman ng oksiheno, ang temperatura ng apoy ay umaabot sa halos 2,200°C, kumpara sa mga 2,000°C sa 21%. Ang mas mainit na apoy na ito ay nagpapahintulot ng ilang pagpapabuti sa operasyon: mas mataas na rate ng pag-inject ng pulverized coal, mas kaunting paggamit ng coke, at mas mataas na bilis ng produksyon.

Ang kapalit nito ay ang pagtaas din ng sensitibidad ng furnace sa mga pagkakagambala dahil sa pagsisilbi ng oksiheno. Ang isang furnace na tumatakbo sa 25% na oksiheno ay may mas mababang thermal inertia kaysa sa isang nasa 21%. Kailangan ng mga operator na mas mahigpit na kontrolin ang distribusyon ng burden, temperatura ng blast, at nilalaman ng kahalumigmigan upang mapanatili ang istable na operasyon.

Mga Benepisyo sa Produktibidad: Ano ang Ipinapakita ng mga Datos

Ang epekto ng pagpapadami ng oxygen sa produksyon ay lubos nang naipapaliwanag. Ang datos mula sa mga integrated steel mill sa industriya ay nagpapakita na ang bawat 1% na pagtaas sa pagpapadami ng oxygen ay nagdudulot ng humigit-kumulang 3 hanggang 4% na pagtaas sa bilis ng produksyon, kung ang blast temperature ay pare-pareho at ang kalidad ng burden ay konstante. Sa 25% na oxygen, ito ay katumbas ng 12 hanggang 16% na pagtaas sa kahusayan kumpara sa operasyon gamit ang likas na hangin.

Lubos na kapaki-pakinabang ang pababa ng paggamit ng coke. Ang coke ang pinakamahal na hilaw na materyales sa proseso ng blast furnace, at ang produksyon nito ay lumilikha ng malaking halaga ng CO₂ emissions. Ang pagbawas ng pagkonsumo ng coke ng 5% sa isang steel plant na may kapasidad na 2 milyong tonelada kada taon ay nagreresulta sa taunang pagtitipid na humigit-kumulang $5 milyon sa gastos sa coke at katumbas na pagbawas sa carbon footprint.

Isang Tunay na Implementasyon: Northern China Integrated Mill

Isang malaking integrated steel mill sa hilagang Tsina ang nagpapatupad ng isang hakbang-hakbang na programa sa pagpapayaman ng oxygen sa loob ng 18 buwan. Ang pasilidad ay mayroon nang isang umiiral na air separation unit na gumagawa ng oxygen para sa iba pang proseso, ngunit hindi pa ito nag-iinject ng oxygen sa blast furnace blast. Ang proyekto ay kasali ang pag-install ng mga oxygen injection lances sa antas ng tuyere, pag-upgrade ng control system upang maproseso ang dagdag na daloy ng oxygen, at pagsasanay sa mga operator tungkol sa mga bagong parameter ng operasyon.

Ang mga resulta ay nasukat sa loob ng unang quarter. Ang produksyon ay tumaas ng 11% kasama ang pagpapayaman ng oxygen hanggang sa 24.5%, habang ang coke rate ay bumaba ng 7%. Ang mill ay nakamit ang mga ganitong gantimpala nang walang malaking capital investment—ang oxygen ay ginagawa na, at ang mga modipikasyon sa blast furnace ay medyo maliit lamang. Ang payback period, na kinukwenta batay sa gastos sa paggawa at pag-iinject ng oxygen laban sa mga savings sa coke at sa halaga ng dagdag na produksyon, ay wala pang labindalawang buwan.

May mga hamon sa operasyon. Kailangan ng hurno ng mas madalas na pagsubaybay sa distribusyon ng burden upang maiwasan ang channeling—ang kondisyon kung saan ang gas ay dumadaloy nang piling-pili sa ilang lugar, na nagdudulot ng hindi pantay na reduction at posibleng pagbuo ng scaffold. Ang koponan ng operasyon ay inadapte ang mga pattern ng bell-less top charging upang kompensahin ito, at natatag ang hurno sa loob ng anim na linggo mula sa unang pag-inject ng oxygen.

Mga Pagsasaalang-alang sa Suplay ng Oxygen para sa Pag-inject sa Blast Furnace

Ang oxygen para sa enrichment ng blast furnace ay karaniwang galing sa isang on-site air separation unit o mula sa pipeline supply. Ang kinakailangang purity ay medyo mababa kumpara sa iba pang aplikasyon ng oxygen—90 hanggang 95% na oxygen ang sapat para sa pag-inject sa blast furnace, samantalang ang medical o semiconductor na aplikasyon ay nangangailangan ng 99.5% o mas mataas .

Ang mas mababang kailangan sa kalinisan na ito ay nagbubukas ng mga opsyon sa suplay. Ang mga sistema ng vacuum pressure swing adsorption (VPSA) ay nakakapag-produce ng 90-95% na oxygen nang may mas mababang capital at operating costs kumpara sa cryogenic air separation, bagaman karaniwang limitado ang kapasidad nila sa mas maliit na sukat. Para sa mas malalaking mill, nananatiling pamantayan ang cryogenic ASU, na nakakapag-produce ng oxygen na may kalinisan na higit sa 99.5%, kasama ang kakayahang mag-produce rin ng nitrogen at argon.

Ang mismong sistema ng oxygen injection ay nangangailangan ng maingat na engineering. Dapat ipadala ang oxygen sa sapat na presyon upang labanan ang blast furnace backpressure—karaniwang 3 hanggang 5 bar. Ang mga injection lance ay dapat idisenyo upang tumagal sa mataas na temperatura sa lebel ng tuyere—halos 2,000°C—at ang daloy ng oxygen ay dapat kontrolin nang eksakto upang mapanatili ang ninanais na antas ng enrichment.

Mga Pagsasaalang-alang sa Kaligtasan sa Pagkamkam ng Oxygen

Ang pagpapadagdag ng oksiheno ay nagdudulot ng mga konsiderasyon sa kaligtasan na kailangang bigyan ng pansin. Ang oksiheno ay sumusuporta sa pagsusunog nang mas mabilis kaysa hangin, at ang anumang sira o hindi sinasadyang kontak nito sa mga hidrokarbon ay maaaring magdulot ng panganib na sunog. Dapat idisenyo ang mga tubo para sa ineksyon ng oksiheno ayon sa mga pamantayan para sa serbisyo ng oksiheno, kasama ang mahigpit na mga kinakailangan sa kalinisan at ang angkop na mga materyales para sa konstruksyon.

Ang mga pamantayan ng industriya ay tumutugon nang direkta sa mga konsiderasyong ito. Ang CGA G-4.1 ng Compressed Gas Association ay nagbibigay ng komprehensibong gabay tungkol sa paglilinis at disenyo ng mga sistemang oksiheno. Ang ASME B31.3 naman ay sumasaklaw sa mga kinakailangan sa mga tubo para sa serbisyo ng oksiheno, kabilang ang pagpili ng materyales at disenyo ng mga sambungan.

Ang mga pasilidad na nagpapatupad ng pagpapadagdag ng oksiheno ay dapat magpatupad ng isang lubos na pagsusuri sa panganib bago ang pagsisimula, na sumasaklaw sa mga posibleng senaryo ng sira, mga prosedura para sa emergency shutdown, at pagsasanay sa mga operator. Ang mga panganib ay madidiskarte nang maayos gamit ang angkop na engineering controls at operating procedures.

Kung kailan ang Pagpapadagdag ng Oksiheno ay Makatuwiran—at Kung Kailan Hindi

Ang pagpapayaman ng oxygen ay hindi laging kapaki-pakinabang. Ang ekonomiya nito ay nakasalalay sa presyo ng oxygen, presyo ng coke, at halaga ng karagdagang produksyon. Ang mga pabrika na may sariling produksyon ng oxygen—lalo na ang mga may sobrang kakayahan sa ASU—ay natural na kandidato. Ang mga pabrika na walang umiiral na suplay ng oxygen ay kailangang gumawa ng desisyon tungkol sa kapital: i-install ang isang ASU o VPSA system, o tanggapin ang mas mababang produktibidad ng operasyon gamit ang likas na hangin.

Mayroon ding mga konsiderasyon na partikular sa bawat hurno. Ang mga blast furnace na gumagana malapit sa kanilang pinakamataas na kapasidad sa produksyon ay maaaring may limitadong benepisyo mula sa pagpapayaman ng oxygen—ang bottleneck ay lumilipat sa mga proseso sa sumunod na yugto tulad ng basic oxygen furnaces o continuous casting. Sa mga ganitong kaso, ang pagpapayaman ng oxygen ay maaaring hindi magbigay ng inaasahang pagtaas sa produktibidad.

Para sa mga hurno na may limitasyon sa suplay ng coke o mataas na presyo ng coke, mas kaakit-akit ang ekonomiya. Ang bawat toneladang coke na na-save ay isang tonelada na hindi kailangang bilhin, i-transport, o ilagay sa hurno.

GreenFir nagbibigay ng kriyogenikong kagamitan para sa paghihiwalay ng hangin para sa produksyon ng oksiheno sa mga planta ng bakal, na may nakapagawa nang mga instalasyon sa mga integrated na operasyon ng paggawa ng bakal sa buong Asya.