Tăng cường oxy trong lò cao

Lợi thế của oxy trong sản xuất thép hiện đại

Quy trình luyện sắt trong lò cao về cơ bản chưa thay đổi trong hàng thế kỷ. Than cốc, quặng sắt và chất trợ dung được đưa vào từ phía trên; gang lỏng và xỉ chảy ra từ phía dưới; không khí nóng được thổi vào qua các vòi phun. Tuy nhiên, các chi tiết vận hành đã thay đổi đáng kể, và việc tăng hàm lượng oxy là một trong những cải tiến có tác động mạnh nhất trong năm mươi năm qua.

Tiêm oxy vào luồng gió nạp của lò cao—nâng hàm lượng oxy trong không khí cháy từ 21% lên 25% hoặc cao hơn—làm thay đổi đáng kể đặc tính nhiệt học và hóa học của lò. Hiệu ứng tức thời là nhiệt độ ngọn lửa tăng cao, từ đó đẩy nhanh các phản ứng khử chuyển oxit sắt thành sắt kim loại. Các hiệu ứng thứ cấp bao gồm năng suất tăng, mức tiêu thụ than cốc giảm và lượng phát thải CO₂ thấp hơn trên mỗi tấn sắt sản xuất.

Cách oxy làm thay đổi nhiệt động lực học của lò

Phép tính thì đơn giản nhưng hệ quả lại sâu sắc. Không khí chứa khoảng 79% nitơ, loại khí này đi qua lò cao mà không tham gia vào các phản ứng hóa học. Nitơ hấp thụ nhiệt — tức là nhiệt lượng vốn có thể dùng để khử quặng sắt. Khi oxy thay thế nitơ trong luồng gió nung, lượng nhiệt bị lãng phí để đốt nóng khí trơ sẽ giảm đi. Nhiệt độ ngọn lửa tăng lên và lò có thể xử lý nhiều quặng hơn với cùng mức tiêu thụ than cốc.

Cứ tăng 1% độ giàu oxy thì nhiệt độ ngọn lửa tăng khoảng 50°C. Ở hàm lượng oxy 25%, nhiệt độ ngọn lửa đạt gần 2.200°C, so với khoảng 2.000°C ở mức 21%. Ngọn lửa nóng hơn này cho phép cải thiện một số thông số vận hành: tăng tốc độ phun than nghiền, giảm mức tiêu thụ than cốc và nâng cao năng lực sản xuất.

Sự đánh đổi là việc làm giàu oxy cũng làm tăng độ nhạy của lò đối với các nhiễu loạn. Một lò vận hành ở mức 25% oxy có độ quán tính nhiệt thấp hơn so với lò vận hành ở mức 21%. Các vận hành viên cần kiểm soát chặt chẽ hơn việc phân bố nguyên liệu, nhiệt độ gió nóng và hàm lượng độ ẩm để duy trì hoạt động ổn định.

Các lợi ích về năng suất: Dữ liệu cho thấy điều gì

Tác động của việc làm giàu oxy đến năng suất đã được ghi nhận rõ ràng. Dữ liệu từ các nhà máy thép tích hợp cho thấy mỗi lần tăng 1% tỷ lệ làm giàu oxy sẽ mang lại mức tăng khoảng 3–4% về tốc độ sản xuất, với giả định nhiệt độ gió nóng ổn định và chất lượng nguyên liệu đồng đều. Ở mức 25% oxy, điều này tương đương với mức tăng năng suất từ 12–16% so với vận hành bằng không khí tự nhiên.

Việc giảm tỷ lệ than cốc đặc biệt có giá trị. Than cốc là nguyên liệu thô đắt nhất trong quy trình lò cao, và việc sản xuất than cốc tạo ra lượng lớn khí thải CO₂. Giảm mức tiêu thụ than cốc 5% tại một nhà máy thép có công suất 2 triệu tấn mỗi năm tương đương với khoản tiết kiệm hàng năm khoảng 5 triệu USD chi phí than cốc và giảm tương ứng lượng phát thải carbon.

Một Dự Án Triển Khai Thực Tế: Nhà Máy Thép Tích Hợp ở Bắc Trung Quốc

Một nhà máy thép tích hợp quy mô lớn ở Bắc Trung Quốc đã triển khai chương trình tăng cường oxy theo từng giai đoạn trong thời gian 18 tháng. Cơ sở này đã có sẵn một đơn vị tách không khí để sản xuất oxy phục vụ các quy trình khác, nhưng trước đây chưa bao giờ tiêm oxy vào luồng gió nóng của lò cao. Dự án bao gồm việc lắp đặt các vòi phun oxy ở mức độ cổng gió (tuyere), nâng cấp hệ thống điều khiển để xử lý lưu lượng oxy bổ sung và đào tạo nhân viên vận hành về các thông số vận hành mới.

Các kết quả đã có thể đo lường được trong quý đầu tiên. Sản lượng sản xuất tăng 11% nhờ bổ sung oxy lên mức 24,5%, trong khi tỷ lệ than cốc giảm 7%. Nhà máy đạt được những cải thiện này mà không cần đầu tư vốn lớn — oxy đã được sản xuất sẵn, và các điều chỉnh đối với lò cao tương đối khiêm tốn. Thời gian hoàn vốn, được tính dựa trên chi phí sản xuất và tiêm oxy so với khoản tiết kiệm từ than cốc và giá trị gia tăng từ sản lượng tăng thêm, dưới mười hai tháng.

Đã phát sinh một số thách thức vận hành. Lò yêu cầu giám sát thường xuyên hơn về phân bố nguyên liệu để ngăn ngừa hiện tượng kênh hóa — tình trạng dòng khí ưu tiên đi qua một số khu vực nhất định, gây ra quá trình khử không đồng đều và có khả năng hình thành cấu trúc giàn giáo. Đội ngũ vận hành đã điều chỉnh các mô hình nạp liệu kiểu không có chuông ở phần đỉnh để bù đắp, và lò ổn định trở lại trong vòng sáu tuần kể từ lần tiêm oxy đầu tiên.

Các yếu tố liên quan đến nguồn cung oxy cho việc tiêm vào lò cao

Oxy cho việc làm giàu lò cao thường được cung cấp từ một đơn vị tách khí tại chỗ hoặc từ nguồn cung cấp qua đường ống. Yêu cầu độ tinh khiết ở mức khiêm tốn so với các ứng dụng oxy khác—oxy có độ tinh khiết từ 90 đến 95% là đủ cho việc phun vào lò cao, trong khi các ứng dụng y tế hoặc bán dẫn đòi hỏi độ tinh khiết từ 99,5% trở lên .

Yêu cầu độ tinh khiết thấp hơn này mở rộng các lựa chọn cung cấp. Các hệ thống hấp phụ dao động áp suất chân không (VPSA) có thể sản xuất oxy độ tinh khiết 90–95% với chi phí đầu tư và vận hành thấp hơn so với phương pháp tách khí bằng cryogenic, dù chúng thường bị giới hạn ở công suất nhỏ hơn. Đối với các nhà máy luyện kim quy mô lớn, các đơn vị tách khí cryogenic (ASU) vẫn là tiêu chuẩn, sản xuất oxy có độ tinh khiết trên 99,5% và có khả năng linh hoạt đồng thời sản xuất nitơ và agon.

Hệ thống tiêm oxy đòi hỏi thiết kế kỹ thuật cẩn thận. Oxy phải được cung cấp ở áp suất đủ cao để vượt qua áp lực ngược từ lò cao, thường vào khoảng 3–5 bar. Các vòi tiêm phải được thiết kế để chịu được nhiệt độ cao tại vị trí cổ gió—khoảng 2.000°C—và lưu lượng oxy phải được điều khiển chính xác nhằm duy trì mức độ giàu oxy mong muốn.

Các yếu tố an toàn trong xử lý oxy

Việc làm giàu oxy đặt ra các vấn đề an toàn cần được quan tâm đặc biệt. Oxy hỗ trợ quá trình cháy mạnh hơn không khí, và bất kỳ rò rỉ nào hoặc tiếp xúc không chủ ý với hydrocarbon đều có thể gây nguy cơ cháy. Đường ống tiêm oxy phải được thiết kế theo tiêu chuẩn phục vụ oxy, với yêu cầu làm sạch nghiêm ngặt và vật liệu chế tạo phù hợp.

Các tiêu chuẩn ngành giải quyết trực tiếp những mối quan ngại này. Tài liệu CGA G-4.1 của Hiệp hội Khí nén (Compressed Gas Association) cung cấp hướng dẫn toàn diện về việc làm sạch và thiết kế hệ thống oxy. Tiêu chuẩn ASME B31.3 quy định các yêu cầu đối với đường ống phục vụ oxy, bao gồm lựa chọn vật liệu và thiết kế mối nối.

Các cơ sở áp dụng tăng cường oxy cần tiến hành đánh giá rủi ro kỹ lưỡng trước khi vận hành, bao trùm các tình huống rò rỉ tiềm ẩn, quy trình tắt khẩn cấp và đào tạo người vận hành. Các rủi ro này có thể kiểm soát được nếu áp dụng đúng các biện pháp kiểm soát kỹ thuật và quy trình vận hành.

Khi nào tăng cường oxy là hợp lý — và khi nào thì không

Tăng cường oxy không mang lại lợi ích trong mọi trường hợp. Tính khả thi kinh tế phụ thuộc vào chi phí oxy, giá coke và giá trị sản lượng gia tăng. Các nhà máy có hệ thống sản xuất oxy tại chỗ — đặc biệt là những nhà máy có công suất dư thừa từ đơn vị sản xuất khí không khí (ASU) — là ứng viên tự nhiên. Còn các nhà máy chưa có nguồn cung oxy sẵn có sẽ phải ra quyết định đầu tư: lắp đặt hệ thống ASU hoặc hệ thống hấp phụ áp suất biến đổi (VPSA), hoặc chấp nhận năng suất thấp hơn khi vận hành bằng không khí tự nhiên.

Cũng có những yếu tố đặc thù riêng cho từng loại lò. Các lò cao vận hành gần công suất sản xuất tối đa có thể đạt được ít lợi ích hơn từ việc làm giàu oxy—nút thắt chuyển sang các quy trình phía sau như lò ôxy cơ bản hoặc đúc liên tục. Trong những trường hợp này, việc làm giàu oxy có thể không mang lại mức gia tăng năng suất như kỳ vọng.

Đối với các lò gặp hạn chế về nguồn cung than cốc hoặc giá than cốc cao, hiệu quả kinh tế trở nên hấp dẫn hơn. Mỗi tấn than cốc được tiết kiệm là một tấn không cần mua, vận chuyển hay nạp vào lò.

GreenFir cung cấp thiết bị tách khí cryogenic để sản xuất ôxy cho nhà máy thép, với hồ sơ đã triển khai tại các cơ sở luyện thép tích hợp trên khắp châu Á.