Установка розділення повітря для застосування в сталеплавильній промисловості

Чому інтегровані сталеплавильні комбінати покладаються на виробництво безпосередньо на місці Установки розділення повітря

Фактори експлуатаційного попиту: високий обсяг та висока чистота кисню, азоту та аргону

Сталеплавильним заводам потрібні величезні обсяги промислових газів, які мають відповідати дуже суворим стандартам чистоти. Наприклад, велика доменна піч може споживати понад 300 тонн кисню щогодини. Для методу конвертерного виробництва сталі (Basic Oxygen Furnace) необхідний кисень із чистотою щонайменше 99,5 %, щоб забезпечити ефективне згоряння й належне управління шлаком. У процесах безперервного лиття, зокрема під час азотного продування, вимагається аргон із чистотою понад 99,999 %. Це допомагає запобігти утворенню небажаних окисних дефектів у сталевих заготовках. З огляду на такі масштабні обсяги споживання й надзвичайно жорсткі вимоги до якості, доставка всього цього газу у великій кількості просто непрактична. Саме тому більшість підприємств встановлюють газові установки безпосередньо на місці. установки розділення повітря (АСУ). Ці системи надають операторам установи негайний контроль над обсягом виробленого газу, тиском, під яким він подається, і, найважливіше, його чистотою. Така гнучкість дозволяє точно узгоджувати потреби в газі з вимогами виробничої лінії щодня.

Економічні та експлуатаційні переваги кріогенних АСУ порівняно з доставкою газу наливом

Кріогенні установки розділення повітря забезпечують значні довгострокові переваги порівняно з закупівлею газів у зовнішніх постачальників. Коли компанії виробляють гази на місці, вони скорочують усі додаткові витрати, пов’язані з транспортуванням кріогенних матеріалів, а також більше не потребують спеціальних обладнань для їхнього оброблення чи зберігання. І, чесно кажучи, ніхто не хоче, щоб його виробничі процеси залежали від проблем у ланцюзі поставок. Підприємства, яким потрібно понад 2000 тонн кисню щодня, зазвичай виявляють, що інвестиції в кріогенну установку розділення повітря виправдовують себе з величезним прибутком. Дослідження показують, що такі установки можуть зекономити від 40 до 60 відсотків витрат на газ протягом десяти років порівняно зі споживанням партійних поставок. Деякі новіші системи навіть відновлюють енергію за рахунок таких процесів, як рекуперація тепла під час стиснення, скорочуючи загальні витрати електроенергії приблизно на 15 %. Але найважливіше — це надійне постачання газу саме там, де він потрібен. Підприємства, інтегровані таким чином, уникують катастрофічних зупинок доменних печей, які можуть коштувати мільйони доларів щогодини простої.

Основні застосування установок розділення повітря в сталеплавильному виробництві

Збагачення киснем доменної печі: підвищення продуктивності та зниження витрат коксу

Сучасні доменні печі зазвичай вдувають повітря, збагачене киснем, із концентрацією кисню приблизно 25–30 %, що суттєво підвищує інтенсивність спалювання коксу всередині печі. Який ефект? Виробництво чавуну зростає на 15–25 %, але водночас на кожну тонну виробленого чавуну витрачається на 200–300 кілограмів менше коксу. Це означає зниження експлуатаційних витрат печі та скорочення обсягів викидів двоокису вуглецю на кожну тонну виробленого заліза. Коли компанії встановлюють власні установки розділення повітря безпосередньо на місці, вони отримують кращий контроль над процесом збагачення повітря киснем. Такі системи забезпечують стабільне горіння інтенсивного полум’я при температурі понад 2200 °C без проблем, пов’язаних із коливаннями температури. Кращий контроль температури сприяє більш рівномірному розплавленню шлаку та зменшенню зносу матеріалів футеровки печі. Експерти галузі з організацій, таких як Американський інститут заліза та сталі, відзначили ці переваги у своїх експлуатаційних рекомендаціях, що пояснює, чому багато сталеварних підприємств переходять на цю технологію.

Кисневе продування у конвертері з основним киснем (BOF): точне регулювання кисню з чистотою 99,5 %

У процесі виробництва сталі у конвертері з основним киснем (BOF) потрібен дуже чистий кисень, як правило, з чистотою понад 99,5 %, щоб отримати стабільні та ефективні результати декарбонізації. Навіть незначні домішки, такі як азот або волога, можуть спричинити непередбачувані реакції окиснення, що фактично знижують вихід продукту та негативно впливають на якість поверхні. Кріогенні установки розділення повітря забезпечують кисень такої високої чистоти під тиском близько 12–15 бар за допомогою спеціально розроблених фурм. Ці фурми дають операторам змогу набагато точніше контролювати форму та положення струменя кисню. Покращена точність зменшує втрати заліза внаслідок випадкового окиснення приблизно на 3–5 % порівняно з використанням кисню нижчої чистоти. Це має велике значення під час виробництва сталей, що відповідають суворим хімічним вимогам для застосування в таких галузях, як виготовлення автокомпонентів і матеріалів для трубопроводів, де стабільність характеристик є абсолютно критичною.

Аргон для безперервного лиття та вторинної металургії: контроль включень за допомогою газу ультрависокої чистоти (99,999 %)

Для процесів металургії в ковші та безперервного лиття надвисокочистий аргон із рівнем чистоти понад 99,999 % є обов’язковим. Введення цього газу в розплавлену сталь сприяє видаленню зайвого водню та азоту. У той самий час він підштовхує неприємні неметалеві включення, такі як оксид алюмінію та силікати, угору, де вони затримуються в шлаковому шарі. Мають значення й цифри: загальна кількість домішок повинна бути меншою за 10 частин на мільйон — це має принципове значення. Навіть незначні кількості азоту можуть призвести до неприємних підповерхневих пухирців як у нержавіючій, так і в електротехнічній сталі. Підприємства, які переходять на використання аргону, отриманого з установок розділення повітря, відзначають значне покращення якості. Деякі заводи повідомляють про зниження відсотка браку через неметалеві включення більш ніж на 40 % у готових слябах та білетах. Ці результати узгоджуються з висновками, отриманими Міжнародним інститутом заліза та сталі в їхньому недавньому дослідженні з оцінки якості за 2023 рік.

Проблеми енергоефективності та інтеграції систем для установок розділення повітря на металургійних заводах

Основні джерела втрат енергії: руйнування ексергії в головному повітряному компресорі та можливості рекуперації тепла

Установки розділення повітря, які зазвичай називають ASU, стикаються з проблемами енергоефективності під час інтеграції в сталеплавильні заводи. Велика частина цієї проблеми пов’язана з фундаментальним принципом роботи таких систем: певні їхні компоненти втрачають ефективність через неминучі термодинамічні втрати. Наприклад, головний повітряний компресор споживає близько 40 % всієї електроенергії, що використовує ASU. Якщо розглянути це детальніше, значна частина цієї втраченої енергії походить саме від процесу стиснення, під час якого цінна енергія розсіюється у вигляді тепла. Подальші події також є досить неефективними. Система генерує високотемпературне відпрацьоване тепло в діапазоні від 150 до 300 °C, проте більшість підприємств просто випускають його в атмосферу замість того, щоб використати його з користю. Деякі передові компанії зараз встановлюють рішення для рекуперації тепла, наприклад, органічні цикли Ренкіна або виробництво низьконапірної пари з цього відпрацьованого тепла. Такі підходи дозволяють фактично відновити приблизно дві третини втраченої теплової енергії на всьому заводі. Це не лише зменшує енергоємність виробництва кисню приблизно на 20 %, але й суттєво скорочує потребу в охолоджувальній воді. Проте забезпечення правильного функціонування таких систем залишається складним завданням. Системи керування потребують ретельної координації, щоб ASU могла регулювати свою потужність залежно від змінних вимог сталеплавильного процесу. Зокрема, у тих складних періодах, коли доменні печі переходять на нові кампанії або змінюються машини безперервного лиття, навіть незначні коливання тиску можуть порушити весь виробничий цикл.

ЧаП

Чому сталеплавильним заводам потрібні гази надзвичайно високої чистоти?

Сталеплавильні заводи потребують газів високої чистоти для забезпечення точності та контролю якості під час виробництва. Кисень, азот і аргон високої чистоти забезпечують оптимальне згоряння, ефективне керування шлаком і запобігають окисним дефектам у сталевих заготовках.

Які переваги кріогенних повітряно-роздільних установок (ПРУ) порівняно з поставкою газів у великій кількості?

Кріогенні ПРУ забезпечують надійність і економічну ефективність. Підприємства економлять кошти на транспортуванні та зберіганні, уникнувши перебоїв у ланцюзі поставок. Крім того, ПРУ забезпечують енергозбереження та стабільну подачу газів високої чистоти.

Як аргон покращує процес безперервного лиття?

Аргон ультрависокої чистоти зменшує кількість домішок і неметалічних включень у розплавленій сталі, сприяє їх переміщенню до шлакового шару й допомагає зберегти якість сталі. Це знижує частку браку та покращує стабільність виробництва.

Які проблеми енергоефективності стоять перед ПРУ?

Установки розділення повітря стикуються з проблемами енергоефективності через термодинамічні втрати, зокрема в основному повітряному компресорі. Для зменшення втрат енергії та підвищення загальної ефективності установки застосовуються рішення щодо утилізації тепла.