Yüksek Fırınlarda Oksijen Artırımı

Modern Çelik Üretiminde Oksijen Avantajı

Yüksek fırın demir üretimi yüzyıllardır temelde değişmemiştir. Kömür, demir cevheri ve akışkanlaştırıcı tepeden yüklenir; sıvı demir ve cüruf alttan çıkar; sıcak hava damaklıklardan içeri üflenir. Ancak detaylar önemli ölçüde gelişmiştir ve son ellilikte yapılan en etkili iyileştirmelerden biri oksijen zenginleştirmedir.

Oksijenin yüksek fırına üflenmesi—yanma havasındaki oksijen oranını %21’den %25’e veya daha yüksek seviyeye çıkarmak—fırının termal ve kimyasal davranışını dönüştürür. Anında etki, demir oksitleri metalik demire dönüştüren indirgeme reaksiyonlarını hızlandıran daha yüksek alev sıcaklığıdır. İkincil etkiler arasında verim artışı, kok tüketiminin azalması ve üretilen her ton demir başına CO₂ emisyonlarının düşmesi yer alır.

Oksijenin Fırın Termodinamiğini Nasıl Değiştirdiği

Hesaplama basittir ama sonuçları derindir. Hava yaklaşık %79 azot içerir ve bu azot reaksiyonlara katılmadan fırından geçer. Bu azot ısı emer—oysa bu ısı, demir cevherinin indirgenmesine yönlendirilebilirdi. Oksijen, üfleme havasındaki azotun yerini aldığında, inert gazların ısıtılması için harcanan ısı miktarı azalır. Alev sıcaklığı yükselir ve fırın, aynı kok oranı ile daha fazla cevher işleyebilir.

Oksijen zenginleşmesindeki her %1’lik artış, alev sıcaklığını yaklaşık 50 °C artırır. Oksijen içeriği %25’e ulaştığında alev sıcaklığı 2.200 °C’ye yaklaşır; bu değer, %21 oksijen içeriğinde yaklaşık 2.000 °C’ye karşılık gelir. Daha yüksek bu alev sıcaklığı, birkaç işlem iyileştirmesine olanak tanır: toz haline getirilmiş kömürün daha yüksek püskürtme oranları, kok kullanımı azalması ve üretim kapasitesinde artış.

Takas, oksijen zenginleşmesinin aynı zamanda fırının bozulmalara karşı hassasiyetini artırmasıdır. %25 oksijenle çalışan bir fırın, %21 oksijenle çalışan bir fırına kıyasla daha düşük termal eylemsizliğe sahiptir. İşletim personeli, kararlı işletimi sürdürmek için yük dağılımı, üfleme sıcaklığı ve nem içeriği üzerinde daha sıkı bir kontrol uygulamalıdır.

Verimlilik Kazanımları: Veriler Ne Gösteriyor?

Oksijen zenginleşmesinin verimlilik üzerindeki etkisi iyi belgelenmiştir. Entegre çelik fabrikalarından elde edilen sektör verileri, sabit üfleme sıcaklığı ve tutarlı yük kalitesi varsayımıyla her %1'lik oksijen zenginleşmesinin üretim hızında yaklaşık %3 ila %4 artışa yol açtığını göstermektedir. %25 oksijen seviyesinde bu, doğal hava ile çalışmadan %12 ila %16'lık bir verimlilik kazancına karşılık gelir.

Kok oranı azaltımı özellikle değerlidir. Kok, yüksek fırın sürecinde en pahalı ham maddedir ve üretimi önemli miktarda CO₂ emisyonu yaratır. Yıllık 2 milyon ton çelik üreten bir fabrikada kok tüketiminin %5 azaltılması, yıllık yaklaşık 5 milyon ABD doları değerinde kok maliyeti tasarrufuna ve buna paralel olarak karbon ayak izinde azalmaya yol açar.

Gerçek Dünyadan Bir Uygulama: Kuzey Çin Entegre Fabrikası

Kuzey Çin'de bulunan büyük entegre bir çelik fabrikası, 18 aylık bir süre içinde aşamalı bir oksijen zenginleştirme programı uyguladı. Tesis, diğer süreçler için oksijen üreten mevcut bir hava ayırma ünitesine sahipti; ancak daha önce yüksek fırın havasına oksijen enjekte etmemişti. Proje, ocak seviyesinde oksijen enjeksiyonu uçları kurmayı, ek oksijen akışını yönetebilmek için kontrol sistemini güncellemeyi ve operatörleri yeni işletme parametreleri konusunda eğitmeyi içeriyordu.

Sonuçlar ilk çeyrekte ölçülebilir düzeydeydi. Oksijen zenginleştirme oranı %24,5'e çıkarıldığında üretim %11 arttı, kömür tüketimi ise %7 azaldı. Fabrika, bu kazanımları büyük sermaye yatırımı yapmadan elde etti—oksijen zaten üretiliyordu ve yüksek fırına yapılan değişiklikler görece sınırlıydı. Geri ödeme süresi, oksijen üretimi ve enjeksiyon maliyetleri ile kömür tasarrufu ve artırılmış üretim değeri arasındaki farka göre hesaplandığında on iki aydan azdı.

İşletimsel zorluklar yaşandı. Ocak, kanallanmayı önlemek için yük dağılımının daha sık izlenmesini gerektirdi; bu durum, gaz akışının belirli alanlardan tercihen geçmesine neden olur ve eşit olmayan indirgemeye ve potansiyel olarak iskelet oluşumuna yol açar. İşletim ekibi, bu duruma karşı çansız üst yükleme desenlerini ayarladı ve ocak, ilk oksijen enjeksiyonundan itibaren altı hafta içinde istikrar kazandı.

Yüksek Fırın Enjeksiyonu İçin Oksijen Tedariki Konuları

Yüksek fırın zenginleştirmesi için gerekli oksijen genellikle sahada bulunan bir hava ayırma ünitesinden veya bir boru hattı tedarikinden sağlanır. Diğer oksijen uygulamalarına kıyasla, yüksek fırın enjeksiyonu için gerekli saflık derecesi düşüktür: yüksek fırın enjeksiyonu için %90–%95 oksijen yeterlidir; buna karşılık tıbbi veya yarı iletken uygulamalar %99,5 veya üzeri saflık gerektirir. .

Bu daha düşük saflık gereksinimi, tedarik seçeneklerini genişletir. Vakum basınç dalgalı adsorpsiyon (VPSA) sistemleri, kriyojenik hava ayrıştırmasına kıyasla daha düşük sermaye ve işletme maliyetleriyle %90–%95 aralığında oksijen üretir; ancak genellikle daha küçük kapasitelerle sınırlıdır. Daha büyük ocaklar için kriyojenik ASU’lar standart olarak kalmaya devam eder ve %99,5’in üzerinde saflıkta oksijen üretirken aynı zamanda azot ve argon üretimine de esneklik sağlar.

Oksijen enjeksiyon sisteminin kendisi dikkatli bir mühendislik gerektirir. Oksijen, yüksek fırın geri basıncını yenmek için yeterli basınçta iletilmelidir; bu genellikle 3 ila 5 bar arasındadır. Enjeksiyon uçları, damlatma seviyesindeki yüksek sıcaklıklara—yaklaşık 2000 °C’ye—dayanacak şekilde tasarlanmalıdır ve oksijen akışı, istenen zenginleştirme düzeyini korumak için tam olarak kontrol edilmelidir.

Oksijen İşleme Güvenliği

Oksijen zenginleştirme, dikkat edilmesi gereken güvenlik hususları doğurur. Oksijen, havaya kıyasla yanmayı daha şiddetli destekler ve herhangi bir sızıntı veya hidrokarbonlarla istemsiz temas yangın riski yaratabilir. Oksijen enjeksiyon boruları, oksijen servisi standartlarına uygun olarak tasarlanmalı; sıkı temizlik gereksinimleri ve uygun yapı malzemeleriyle birlikte olmalıdır.

Sektör standartları bu konulara doğrudan değinir. Sıkıştırılmış Gazlar Birliği’nin (Compressed Gas Association) CGA G-4.1 standardı, oksijen sistemlerinin temizliği ve tasarımıyla ilgili kapsamlı rehberlik sağlar. ASME B31.3 ise oksijen servisi için boru hatları gereksinimlerini —malzeme seçimi ve bağlantı tasarımı dahil— kapsar.

Oksijen zenginleştirme uygulayan tesisler, işletme başlamadan önce potansiyel sızıntı senaryolarını, acil durdurma prosedürlerini ve operatör eğitimini içeren kapsamlı bir tehdit incelemesi gerçekleştirmelidir. Riskler, uygun mühendislik kontrolleri ve işletme prosedürleriyle yönetilebilir.

Oksijen Zenginleştirme Ne Zaman Mantıklıdır — ve Ne Zaman Değildir

Oksijen zenginleştirme her zaman faydalı değildir. Ekonomik avantaj, oksijen maliyetine, kok kömürü fiyatına ve ek üretim değerine bağlıdır. Sahada oksijen üretimi yapan fabrikalar—özellikle fazla ASU kapasitesine sahip olanlar—doğal adaylardır. Mevcut oksijen kaynağı olmayan fabrikalar ise sermaye yatırım kararı almak zorundadır: bir ASU veya VPSA sistemi kurmak ya da doğal hava ile çalışmanın daha düşük verimliliğini kabul etmek.

Ayrıca ocak özelinde dikkat edilmesi gereken hususlar da vardır. Maksimum üretim kapasitesine yakın çalışan yüksek fırınlar için oksijen zenginleştirmenin faydası sınırlı olabilir; darboğaz temel oksijen ocakları veya sürekli döküm gibi aşağı akış süreçlerine kayar. Bu durumlarda oksijen zenginleştirme beklenen verimlilik artışını sağlamayabilir.

Kok kömürü tedariki kısıtlı olan veya kok kömürü fiyatları yüksek olan ocaklar için ekonomik hesaplamalar daha cazip hale gelir. Tasarruf edilen her ton kok kömürü, satın alınmaması, taşınmaması ve ocakta yüklenmemesi gereken bir ton demektir.

GreenFir çelik fabrikalarında oksijen üretimi için kriyojenik hava ayırma ekipmanları sağlar ve Asya genelinde entegre çelik üretimi tesislerine yapılan kurulumlarla kanıtlanmış bir geçmişe sahiptir.