بخشی از مقاله
راهکارهای بهینه سازی مصرف انرژی در صنعت فولاد کشور
چکیده : صنعت فولاد در مقایسه با سایر صنایع از نظر انرژی مورد نیاز، پرمصرف ترین صنعت در جهان به شمار میرود. روند رو به زوال منابع طبیعی و انرژی های فسیلی و ذخایر گاز، دانشمندان و پژوهشگران این عرصه را واداشته تا در جهت کاهش مصرف انرژی در این صنعت، با تشکیل تیمهای تخصصی و بررسی های علمی و با در نظر گرفتن سیر تاریخی و تجربیات طراحی و بهره برداری از کارخانجات تولید فولاد در نقاط گوناگون جهان، روش های عملی در زمینه بهینه سازی مصرف انرژی را ارائه دهند. این تلاش ها در بسیاری از موارد منجر به برداشتن گامهای موثر و مفیدی در این راستا گردیده و در برخی موارد شاخص های عملکردی خوبی بر جای گذاشته است.
در کشور ما نیز هم اکنون چندین واحد تولید فولاد، در حال ساخت و بهره برداری میباشد. با توجه به لزوم نگاه آینده محور به منابع زیرزمینی کشور و نیاز روزافزون بسیاری از صنایع تولیدی به صنعت پایه فولاد و نیز نامگذاری هوشمندانه سال جاری از سوی رهبری معظم کشور به سال اصلاح الگوی مصرف، اهمیت بهینه سازی مصرف انرژی در این ت، بیش از پیش نمود پیدا کرده است.
۱ - مقدمه
چون بالاترین میزان مصرف گاز در فرایند احیاء مستقیم (DRI) و بالاترین میزان مصرف برق در کوره قوس الکتریکی (EAF) میباشد، جهت گیری اصلی این مقاله نیز در جهت کاهش مصارف انرژی برق و گاز در چرخه فرایندی فولاد، به سوی این دو بخش می باشد.
همچنین به جهت ترسیم توسعه آینده دو فرایند کوره قوس الکتریکی و احیاء مستقیم MidreX، تلاش شده است تا کلیه نوآوریها و تکنیکهای جدید جهت کاهش مصارف انرژی ارائه شوند. (شکل های 1و.2
شاخص های پیشنهادی این مقاله می توانند در یک دوره ۵ تا ۱۰ ساله، مبنای مناسبی جهت مقایسه و ارزیابی عملکرد تولید کنندگان فولاد کشور باشد.
۲- روش تحقیقی در این مقاله سعی شده است تا با استفاده از روش تطبیقی و بررسی علمی عملکرد مجتمعهای فولادی موفق جهان، روش های کاربردی در این راستا را مشخص کرده و با بومی سازی آنها برای صنایع فولاد کشورمان، به عنوان راهکارهایی قابل حصول ارائه گردد. پیشفرض های در نظر گرفته شده در این تحقیق به شرح زیر میباشند: اعداد ارائه شده از عملکردهای واقعی استخراج شده و مبنای محاسباتی ندارند. برای کیفیت قراضه، طبقه بندی خاصی در نظر گرفته نشده است. - برای کیفیت آهن اسفنجی (DRI)، درجه فلزی معادل ۹۲٪ و کربن ۵/۱٪ پیش بینی گردیده است. - میزان بار فلزی آهن اسفنجی (DRI) در کوره قوس الکتریکی معادل ۹۰٪ می باشد. اعداد ارائه شده، شاخص بهترین عملکردها در سطح جهان نمی باشند. سعی شده است که آنها نشان دهنده عملکرد ۵۰-۷۰ درصد بهترین تولید کنندگان در سطح جهان باشند.
چون بالاترین میزان مصرف گاز در احیاء مستقیم و بالاترین میزان مصرف برق در کوره قوس الکتریکی می باشد، این دو فرایند بیشتر توضیح داده شده اند و جهت کاهش مصارف انرژی برق و گاز می باید جهت گیری اصلی به سوی بهینه سازی این دو فرایند باشد.
۳- نتایج و بحث
۱-۳ - روشهای بهینهسازی مصرف انرژی در واحد احیای مستقیم میدرکس
3-1-1 سیستم بازاریابی حرارت Recuperator Utilization
بهره وری سیستم حرارتی احیا مستقیم میدرکس به میزان زیادی به سیستم بازیابی حرارتی آن بستگی دارد. قابل ذکر است که در طراحی اولیه میدرکس چنین سیستمی وجود نداشت. در این سیستم حجم قابل توجهی از انرژی حرارتی گاز خروجی ریفورمر بازیابی شده و از آن جهت پیش گرم کردن سایر گازهای مصرفی در ریفورمر و سوخت مشعل ها استفاده می گردد. با ابداع و به کارگیری این سیستم، حدود ۲۵٪ کاهش مصرف انرژی در واحدهای جدید میدرکس نسبت به واحدهای اولیه حاصل گردید.
۱-۳ - ۲- تولید گاز احیایی در کوره - In Situ Reforming
به دلیل خاصیت کاتالیستی آهن اسفنجی داغ، با تزریق گاز طبیعی به منطقه داغ کوره احیا و شکست آن، میتوان گاز احیایی تولید نموده و تولید اسفنجی را افزایش داد. میزان این افزایش معادل ۷٪ تولید طراحی کوره می باشد.
۳- ۳-۱- افزایش کربن در آهن اسفنجی
برای کوره های قوسی که به میزان کم و یا متوسط از آهن اسفنجی استفاده می کنند، کربن موجود در آهن اسفنجی در مقایسه با مواد کربن دار مشابه نظیر آنتراسیت، یک منبع کربن کاملاً اقتصادی میباشد. کربن موجود در آهن اسفنجی علاوه بر تامین کربن مورد نیاز مذاب می تواند با ترکیب با اکسیژن تزریقی، به افزایش بهرهوری انرژی مصرفی کوره قوسی نیز کمک نماید.
۱-۳ - ۴- استفاده از Lump Ore در بار کوره
استفاده از سنگ آهن کلوخه هماتیتی در بار کوره احیا مستقیم، دو هدف اصلی را دنبال می کند. استفاده از این نوع سنگ آهن باعث کاهش روند چسبندگی گندلهها به یکدیگر شده و لذا می توان درجه حرارت گاز احیایی ورودی به کوره را از ۷۸۰ درجه سانتیگراد تا ۸۵۰ درجه سانتی گراد افزایش داد. این افزایش درجه حرارت حدود ۱۳٪ بهره وری کوره احیا را افزایش می دهد. نکته دیگر این است که قیمت سنگ آهن کلوخه از گندله ارزان تر می باشد. البته باید به این نکته نیز توجه داشت که استفاده از کلوخه باعث افزایش میزان نرمه و ریز دانه در محصول خروجی کوره احیا می گردد.
۱-۳ - ۵- افزایش دمای گاز ورودی به کوره
در طراحی های اولیه میدرکس، درجه حرارت گاز ورودی به کوره معادل 760 درجه سانتیگراد در نظر گرفته می شد. البته از همان زمان این نکته مشخص بود که افزایش حرارت گاز ورودی تاثیر تعیین کنندهای بر روی بهره وری کوره و افزایش نرخ تولید آن و کاهش مصرف گاز دارد.
میدرکس به تدریج دریافت که هر ۱۰ درجه سانتیگراد افزایش در درجه حرارت ورودی کوره، می تواند تولید کوره را معادل ۱/۵ تا ۲ درصد افزایش دهد، ولی افزایش درجه حرارت باعث چسبندگی گندله ها به یکدیگر و بروز مشکلات عملیاتی می گردید.
با توجه به ضرورت حیاتی افزایش درجه حرارت گاز ورودی، می بایست راه حلی برای جلوگیری از چسبندگی گندله ها پیدا می شد. پس از مطالعات بسیار سرانجام مشخص شد که استفاده از سنگ آهن کلوخه (Lump Ore) و نیز پوشش دادن گندله ها با موادی نظیر آهک و سیمان می تواند از چسبندگی گندله ها در درجه حرارت بالاتر جلوگیری نماید
3-1-6 تزریق اکسیژن (Oxygen Injection) برای افزایش دمای گاز ورودی به کوره از ۸۵۰ به ۹۲۰ درجه سانتیگراد، ضروری است که گاز اکسیژن به گاز ورودی به کوره تزریق گردد.
۷-۱-۳- تجهیزات پوشش دهی گندله (Oxide Coating)
پوشش دادن این گندلهها با موادی نظیر سیمان، آهک و دولومیت از چسبیدن گندله ها در درجه حرارت های بالاتر کوره جلوگیری می نماید. کشف این موضوع باعث شد که به تدریج تجهیزات پوشش دهی گندله (Oxide Coating) به عنوان یک تجهیز استاندارد به سایر تجهیزات استاندارد واحدهای احیاء مستقیم میدرکس افزوده گردد. با افزودن این تجهیز در واحد میدرکس، درجه حرارت گاز ورودی می تواند بدون بروز هیچ مشکلی تا ۹۲۰ درجه سانتیگراد افزایش یابد.
برای افزایش حرارت تا ۸۵۰ درجه سانتیگراد در مرحله اول، فقط کافی است که خنک کننده گاز احیایی (Reformed Gas Cooler) از مدار خارج گردد، ولی برای تامین درجه حرارت بالاتر تا ۹۲۰°C، می باید تجهیزات تزریق گاز اکسیژن به گاز ورودی را نیز به تجهیزات واحد میدرکس اضافه نمود. (شکل های ۳، ۴ و ۵).
3-1-8 تزریق اهن اسفنجی داغ (Hot DRICharging-Hot Link)
به منظور بهینهسازی در تولید مجموعه کوره احیا و کوره قوس الکتریکی (DR/EAF) و کاهش مصرف انرژی مجموعه، یک قدم جدید با همکاری مشترک کوره احیا مستقیم میدرکس و کوره قوس الکتریکی برداشته شده است. ایده این قدم جدید در شکل شماره ۶ نشان داده شده است.
در این نوع ترکیب کوره احیاء و کوره قوسی، کوره احیاء در کنار دیوار کوره قوس نصب شده و خروجی کوره احیاء مستقیم به صورت کاملاً داغ و با درجه حرارتی بیش از ۷۰۰ درجه سانتیگراد، مستقیماً به مخزن ذخیره اسفنجی در بالای کوره قوس حمل میگردد. البته برای مواقعی که اسفنجی داغ مستقیماً مصرف نمیگردد، سیستم جداگانه ای به صورت موازی جهت خنک کردن آهن اسفنجی داغ در نظر گرفته شده است.
با استفاده از این روش و هنگامی که ۹۵٪ بار فلزی کوره به صورت آهن اسفنجی داغ باشد، محاسبات نشان می دهد که به میزان kWh ۱۲۰-۱۴۰ برای هر تن فولاد مذاب صرفهجویی انرژی الکتریکی خواهیم داشت.
۱-۳ - ۹- سیستم +OXY
سیستم +OXY به منظور شکست جزئی گاز طبیعی با اکسیژن و تولید گازهای CO و H2 ابداع شده است. گازهای تولیدی به گاز خروجی ریفورمر افزوده شده و به بهرهوری کوره می افزایند. قلب این سیستم، راکتور + OXY میباشد که در آن گاز طبیعی و اکسیژن مخلوط شده و در دو مرحله می سوزند. با عملکرد صحیح سیستم، تولید دوده حذف شده و گاز طبیعی به گازهای CO و H2 تبدیل میگردد.
مهمترین موضوع برای عملکرد موفق این سیستم، دقت کافی سیستم کنترل آن می باشد. سیستم کنترل می باید میزان هر یک از گازهای طبیعی و اکسیژن را به دقت اندازه گیری و مخلوط نماید. در صورت عملکرد دقیق سیستم کنترل، در گاز حاصل از + OXY، حدود ۹۵-۹۰٪ گاز CO و H2 خواهیم داشت. این سیستم می تواند تا حدود ۴٪ به تولید کوره بیافزاید (شکل های ۷ و ۸).
۳- ۲- روشهای بهینه سازی مصرف انرژی در کوره قوس الکتریکی
3-2-1 متالورژی ثانویه Secondary Metallurgy) )
منظور از متالورژی ثانویه، انجام عملیات متالورژیکی در خارج از کوره قوس الکتریکی می باشد. این عملیات شامل تصفیه مذاب، تنظیم ترکیب شیمیایی ذوب و نیز تنظیم درجه حرارت آن می گردد.
