Підвищення вмісту кисню у доменних печах

Переваги кисню у сучасному виробництві сталі

Виплавка чавуну у доменних печах принципово не змінювалася протягом століть. У верхню частину завантажують кокс, залізну руду та флюси; із нижньої частини виходить розплавлений чавун та шлак; гаряче повітря подається через фурми. Проте деталі технології значно еволюціонували, а збагачення повітря киснем є одним із найвпливовіших удосконалень останніх п’ятдесяти років.

Введення кисню в дуття доменної печі — підвищення вмісту кисню в повітрі для згоряння з 21 % до 25 % або більше — змінює теплову й хімічну поведінку печі. Негайним ефектом є підвищення температури полум’я, що прискорює реакції відновлення, у результаті яких оксид заліза перетворюється на металеве залізо. Додатковими ефектами є зростання продуктивності, зниження витрат коксу та зменшення викидів CO₂ на тонну виробленого заліза.

Як кисень змінює термодинаміку печі

Розрахунки прості, але наслідки глибокі. Повітря містить приблизно 79 % азоту, який проходить через піч, не беручи участі в реакціях. Цей азот поглинає тепло — тепло, яке інакше могло б витрачатися на відновлення залізної руди. Коли кисень замінює азот у дутті, менше тепла втрачається на нагрівання інертного газу. Температура полум’я підвищується, і піч може переробляти більше руди за той самий рівень витрат коксу.

Для кожного збільшення вмісту кисню на 1 % температура полум’я підвищується приблизно на 50 °C. При вмісті кисню 25 % температура полум’я наближається до 2200 °C порівняно з приблизно 2000 °C за вмісту 21 %. Це гарячіше полум’я забезпечує кілька експлуатаційних переваг: вищі швидкості подачі подрібненого вугілля, знижене споживання коксу та зростання продуктивності виробництва.

Однак компроміс полягає в тому, що збагачення киснем також підвищує чутливість печі до збурень. Піч, що працює при 25 % кисню, має меншу теплову інерцію, ніж при 21 %. Для забезпечення стабільної роботи операторам потрібно точніше контролювати розподіл шихти, температуру дування та вміст вологи.

Зростання продуктивності: що показують дані

Вплив збагачення киснем на продуктивність добре задокументований. Промислові дані інтегрованих металургійних комбінатів показують, що кожне збільшення збагачення киснем на 1 % призводить до підвищення темпу виробництва приблизно на 3–4 % за умови сталості температури дування та постійної якості шихти. При збагаченні киснем до 25 % це означає підвищення продуктивності на 12–16 % порівняно з роботою на природному повітрі.

Зниження витрат коксу є особливо цінним. Кокс — найдорожчий сировинний матеріал у процесі доменного виплавлення, а його виробництво призводить до значних викидів CO₂. Зменшення споживання коксу на 5 % на металургійному комбінаті потужністю 2 млн тонн сталі на рік забезпечує щорічну економію близько 5 млн дол. США на закупівлі коксу та відповідне зменшення вуглецевого сліду.

Практична реалізація: інтегрований металургійний комбінат у Північному Китаї

Великий інтегрований металургійний комбінат у північному Китаї реалізував багатоетапну програму збагачення повітря киснем протягом 18 місяців. На підприємстві вже була встановлена установка розділення повітря, що виробляла кисень для інших процесів, але раніше кисень не подавався в дутьовий потік доменної печі. Проект передбачав монтаж кисневих інжекторів на рівні фурм, модернізацію системи керування для обробки додаткового потоку кисню та навчання операторів новим параметрам експлуатації.

Результати стали помітними вже в першому кварталі. Виробництво зросло на 11 % за умови збагачення дутьового потоку киснем до 24,5 %, а витрата коксу зменшилася на 7 %. Підприємство досягло цих показників без значних капіталовкладень — кисень вже вироблявся, а модифікації доменної печі були порівняно незначними. Термін окупності, розрахований на основі витрат на виробництво й подачу кисню порівняно з економією на коксі та додатковою вартістю продукції, становив менше дванадцяти місяців.

Виникли експлуатаційні труднощі. Потрібно було частіше контролювати розподіл шихти у печі, щоб запобігти каналізації — явищу, при якому газ рухається переважно через певні ділянки, що призводить до нерівномірного відновлення й потенційного утворення каркасних структур. Експлуатаційна команда скоригувала схеми завантаження через бездзвінкову верхню систему, і піч стабілізувалася протягом шести тижнів після початку подачі кисню.

Аспекти забезпечення киснем для інжекції у доменну піч

Кисень для збагачення доменної печі зазвичай надходить із встановленої на місці установки розділення повітря або через трубопровідну мережу. Вимоги до чистоти є помірними порівняно з іншими застосуваннями кисню: для інжекції у доменну піч достатньо 90–95 % кисню, тоді як у медичних або напівпровідникових застосуваннях потрібно 99,5 % і вище .

Цей нижчий рівень чистоти розширює варіанти постачання. Системи вакуумної адсорбції зі змінним тиском (VPSA) можуть виробляти кисень із чистотою 90–95 % за нижчих капітальних та експлуатаційних витрат порівняно з кріогенним розділенням повітря, хоча зазвичай їх застосовують лише для менших потужностей. Для великих металургійних заводів кріогенні установки повітряного розділення (ASU) залишаються стандартом: вони виробляють кисень із чистотою понад 99,5 % й одночасно мають гнучкість у виробництві азоту та аргону.

Сама система введення кисню вимагає ретельного інженерного проектування. Кисень має подаватися під достатнім тиском, щоб подолати зворотний тиск у доменній печі — зазвичай 3–5 бар. Фурми для введення мають бути спроектовані так, щоб витримувати високі температури на рівні фурм — приблизно 2000 °C, — а потік кисню має регулюватися з високою точністю, щоб підтримувати бажаний рівень збагачення.

Засоби забезпечення безпеки під час роботи з киснем

Збагачення киснем викликає питання безпеки, які вимагають уваги. Кисень підтримує горіння інтенсивніше, ніж повітря, а будь-яка течка чи непередбачене зіткнення з вуглеводнями може створити пожежну небезпеку. Трубопровід для подачі кисню має бути спроектований відповідно до стандартів для роботи з киснем, зі суворими вимогами щодо чистоти та відповідними матеріалами виготовлення.

Галузеві стандарти безпосередньо враховують ці питання. Документ CGA G-4.1 Асоціації стиснених газів надає детальні рекомендації щодо очищення та проектування систем для роботи з киснем. Стандарт ASME B31.3 регулює вимоги до трубопроводів для роботи з киснем, у тому числі щодо вибору матеріалів та конструкції з’єднань.

Підприємства, що впроваджують збагачення киснем, мають провести ретельний аналіз небезпек перед введенням у експлуатацію, охоплюючи потенційні сценарії течок, процедури аварійного зупинення та підготовку операторів. Ризики є контрольованими за наявності відповідних інженерних заходів і експлуатаційних процедур.

Коли збагачення киснем є доцільним — і коли ні

Збагачення киснем не завжди є вигідним. Економічна доцільність залежить від вартості кисню, ціни на кокс та вартості додаткового виробництва. Заводи з власним виробництвом кисню — зокрема ті, що мають надлишкову потужність установок розділення повітря (ASU) — є природними кандидатами. Заводи без існуючого постачання кисню стикаються з капіталовкладним рішенням: встановити ASU або систему вакуумно-псорбційного збагачення повітря (VPSA), чи працювати з природним повітрям із нижчою продуктивністю.

Існують також специфічні для пічі фактори. Доменні печі, що працюють близько максимальної потужності, можуть мати обмежений ефект від збагачення киснем — вузьке місце зміщується на наступні процеси, наприклад, у конвертерах з основним кисневим дуванням або при безперервному литті. У таких випадках збагачення киснем може не забезпечити очікуваного зростання продуктивності.

Для печей із обмеженим постачанням коксу або високою ціною на кокс економічна вигода стає більш привабливою. Кожен збережений тонн коксу — це тонна, яку не потрібно закуповувати, транспортувати чи завантажувати в піч.

GreenFir поставляє кріогенне обладнання для розділення повітря з метою виробництва кисню на металургійних заводах і має досвід установки такого обладнання на комплексних металургійних підприємствах у Євразії.