7
7.1
7.2
Cechy procesu zintegrowanego
PI.1 Bezpośredni wtrysk środków redukujących
PI.2 Odzysk energii z gazu wielkopiecowego
PI.3 Odzysk energii z gazu gardzielowego o podwyższonym ciśnieniu
PI.4 Oszczędności energii w nagrzewnicach wielkopiecowych
PI.5 Zastosowanie bezsmołowych wykładzin koryt spustowych
Techniki oczyszczania na wyjściu
EP.1 Oczyszczanie gazu wielkopiecowego
EP.2 Odpylanie otworów spustowych i koryt spustowych
EP.3 Usuwanie dymów podczas spustu
EP.4 Hydrocyklonowanie szlamu wielkopiecowego
EP.5 Oczyszczanie i powtórne wykorzystanie wody z mokrego oczyszczania
EP.6 Kondensacja dymów z procesu granulacji żużlu
Opis: Bezpośredni wtrysk środków redukujących oznacza zastąpienie części koksu innym źródłem węglowodorów, które są wtryskiwane do pieca na poziomie dysz dmuchowych. Węglowodory te mogą mieć postać ciężkiego oleju opałowego, szlamu olejowego, węgla ziarnistego lub pyłu węglowego, gazu ziemnego lub odpadów z tworzyw sztucznych. Aktualnie stosuje się węgiel ziarnisty lub pył węglowy i olej. Poprzez zmniejszenie zapotrzebowania na koks, zmniejsza się całkowite zanieczyszczenie i zapotrzebowanie na energię.
Należy podkreślić jednakże, że pewna ilość koksu jest dalej niezbędna w wielkim piecu dla umożliwienia jego prawidłowej pracy. Koks zapewnia wymaganą nośność- w celu podtrzymania wsadu wielkopiecowego i zapewnienia wystarczającej przenikalności gazu.
Teoretyczne maksimum dla ilości wydmuchiwanego pyłu węglowego na poziomie dysz wynosi 270 kg/t surówki. Ta wartość graniczna jest wyznaczana przez nośność koksu i warunki termomechaniczne w piecu. Wtrysk węglowodorów przez dysze wymaga dodatkowego wtrysku tlenu (w coraz większych ilościach w miarę jak wielkość wtrysku przez dysze zwiększa się) celem uzyskania wymaganych temperatur w samym piecu. Nie ma wielkiego doświadczenia, jeżeli chodzi o duże wielkości wtrysków z dysz (które są powodem podwyższonych poziomów tlenu), więc istotną kwestią staje się w tym przypadku, między innymi, bezpieczeństwo.
Rodzaj węgla i wpływ wdmuchiwania pyłu węglowego na jakość surówki również wpływają na maksymalną wielkość wejściową [Campbell, 1992; InfoMil, 1997].
Rodzaj Wielkość wtrysku Wielkość koksu resztkowego Całkowite zużycie
węgla*
(wtrysku) (kg/t surówki) (kg/t surówki) (kg/t surówki)
Brak 0 500 625
Typowy 180 310 568
Najlepsze
doświadczenie 210 270-300 547-585
___________________________________________________________________________* zakłada się, że 1 kg koksu jest wyprodukowany z 1,25 kg węgla.
Tabela 7.10: Porównanie minimalnego zużycia koksu i całkowitego zużycia węgla przy różnych poziomach bezpośredniego wdmuchiwania pyłu węglowego
Główna uzyskana oszczędność energii: Oszczędność energii netto przy wdmuchiwaniu pyłu węglowego została obliczona na 3,76 GJ/t wdmuchiwanego pyłu węglowego. Przy wielkości wtrysku 180 kg/t surówki, oszczędności energii liczy się na 0,68 GJ/t surówki lub 3,6% zużycia energii brutto wielkiego pieca (patrz tabela 7.9). Taka oszczędność energii jest uzyskana pośrednio w konsekwencji zmniejszonego zużycia koksu. Wyższe wielkości wejściowe umożliwią wyższe oszczędności energii.
Oddziaływanie na środowisko: Bezpośredni wtrysk środków redukujących zmniejsza zapotrzebowanie na produkowany koks. Dlatego też unika się emisji z zakładów koksowniczych. Na każdym kilogramie wtryśniętego pyłu węglowego oszczędza się około 0,85-0,95 kg produkowanego koksu.
Zastosowanie: Bezpośredni wtrysk środków redukujących jest stosowany zarówno w nowych, jak i w istniejących wielkich piecach. Należy zauważyć, że ta cecha wysoko zintegrowanego procesu jest blisko związana z pracą samego wielkiego pieca i daje w rezultacie stabilną pracę urządzenia oraz odpowiednią jakość surówki i żużlu.
Zakłady referencyjne: Wtrysk pyłu węglowego lub oleju do wielkiego pieca jest obecnie szeroko stosowaną technologią w Europie i na całym świecie (np. wtrysk pyłu węglowego do wielkich pieców w Hoogovens IJmuiden, Holandia – IJmuiden; Sidmar, Belgia – Gent; Thyssen AG, Niemcy – Duisburg, a wtrysk oleju w British Steel, Zjednoczone Królestwo WB i IP– Teeside; Voest Alpine, Austria – Linz).
Dane eksploatacyjne: W Hoogovens IJmuiden pył węglowy jest wtryskiwany na skalę przemysłową. Standardowa wielkość wtrysku wynosiła 170 kg węgla/t ciekłej surówki w wielkim piecu nr 6 w 1996 roku, jednakże próby przeprowadzane w tym wielkim piecu przyniosły pozytywne efekty dla wtrysku o wielkości 210 kg pyłu węglowego/t surówki przy zużyciu koksu wynoszącym 270 kg/t surówki. Wielkości te nie wydają się jednak jeszcze możliwe do utrzymania przez dłuższe okresy. Pomiary wykazały, że mniej niż 1% wtryskiwanego pyłu węglowego ulatuje przez gardziel wielkiego pieca [Steeghs, 1994].
Przy wysokich wielkościach wtrysku pyłu węglowego piec dąży do niższego obciążenia ścian i zwiększenia wytrzymałości wielkiego pieca. Pokazuje to, że niezbędna jest dokładna kontrola rozkładu skały płonnej, połączona z niewielkimi dodatkami koksu i utrzymywanie delikatnej równowagi między strumieniem gazu przy ścianach i w środku pieca [Steeghs, 1994].
Aspekty ekonomiczne: Istnieją zachęty ekonomiczne do stosowania wysokich wielkości wtrysku pyłu węglowego w celu osiągnięcia większych oszczędności kosztów, szczególnie w zakładach, które mogą stanąć przed wyborem między wydatkami inwestycyjnymi na przebudowę pieców koksowniczych lub na zakupy koksu. Ponadto wtrysk pyłu węglowego może umożliwić stosowanie węgli o niższej jakości w porównaniu do węgli koksujących. Może to również zmniejszyć koszty.
W 1988 roku zanotowano koszty w wysokości 10 ecu1996/GJ [InfoMil, 1997]. Jednakże [Campbell, 1992] wskazuje, że koszty zmniejszono ze względu na niższe zużycie koksu. Koszt inwestycyjny założenia instalacji wtrysku pyłu węglowego w British Steel, Zjednoczone Królestwo WB i IP – Port Talbot, wielki piec nr 4, w 1997 roku wynosił około 24 mln ecu (łącznie z niektórymi częściami rezerwowymi z innego miejsca).
Bibliografia: [Campbell, 1992; Steeghs, 1994; InfoMil, 1997]
PI.2 Odzysk energii z gazu wielkopiecowego (gazu BF)
Opis: Typowy wielki piec produkuje około 1200 do 2000 Nm³ gazu BF na tonę surówki. Gaz BF składa się w 20-28% z tlenku węgla (CO) i 1-5% z wodoru (patrz tabela 7.3 i tabela 7.4). Tlenek węgla powstaje podczas utleniania węgla w wielkim piecu. Większość CO jest tam następnie dalej utleniana na CO2. Tlenek węgla i wodór stanowią potencjalne źródło energii i we wszystkich wielkich piecach na świecie podjęto działania mające na celu odzyskanie tej energii.
Z tego powodu gaz gardzielowy wielkiego pieca jest oczyszczany i magazynowany w zbiornikach gazu, w celu przyszłego wykorzystania go jako paliwa. Biorąc pod uwagę niską zawartość opałową gazu BF na Nm³, jest on często wzbogacany gazem koksowniczym lub gazem ziemnym przed zastosowaniem go jako paliwa.
Główne osiągnięte oszczędności energii: Zawartość energii w gazie BF wynosi typowo od 2,7 do 4,0 MJ/Nm³, w zależności od stężenia tlenku węgla. Jest to tylko 10% zawartości energetycznej gazu ziemnego. Niemniej jednak duże ilości wytwarzanego gazu BF oznaczają, że potencjał odzysku energii jest bardzo wysoki. Całkowita ilość energii wytwarzana przez wielki piec to 5 GJ/t surówki, co równa się 30% zużycia energii brutto wielkiego pieca.
Zastosowanie: Stosuje się we wszystkich nowych i istniejących zakładach.
Oddziaływanie na środowisko: Oczyszczanie gazu BF jest nieuniknione i powoduje powstawanie ścieków i odpadów stałych.
Zakłady referencyjne: Stosuje się w wielu nowych i istniejących wielkich piecach na świecie.
Dane eksploatacyjne: Nie są wymagane określone dane eksploatacyjne.
Aspekty ekonomiczne: Uzyskano znaczące oszczędności dzięki oszczędnościom energii.
Bibliografia: Niedostępna
PI.3 Odzysk energii z gazu gardzielowego pod ciśnieniem
Opis: Wielkie piece z gazem gardzielowym wysoko ciśnieniowym dają idealną możliwość odzysku energii z dużych objętości gazu gardzielowego pod ciśnieniem, który one wytwarzają. Energia jest odzyskiwana za pomocą rozprężnej turbiny, zainstalowanej za urządzeniem oczyszczającym gaz gardzielowy.
Główne osiągnięte oszczędności energii: Ilość energii, która może być odzyskana z gazu gardzielowego ciśnieniowego, zależy od objętości gazu gardzielowego, gradientu ciśnienia i temperatury wlotu. Odzysk energii w ten sposób jest możliwy, gdy urządzenie oczyszczające gaz BF i sieć dystrybucyjna wykazują niski spadek ciśnienia.
Ciśnienie gazu gardzielowego w nowoczesnych wielkich piecach wynosi około 0,25-2,5 bara. Ciśnienie gazu BF w głównym rurociągu zbierającym wynosi około 0,05-0,1 bara. Część gazu gardzielowego ciśnieniowego jest „zużywana” przez urządzenie oczyszczające gaz.
Wytwarzana energia elektryczna wynosi aż 15 MW w nowoczesnym wielkim piecu przy ciśnieniu gazu gardzielowego 2-2,5 bara.
Szacuje się, że oszczędności energii wynoszą do 0,4 GJ/t surówki dla turbiny 15 MW. Oszczędności ocenia się na 2% zapotrzebowania energetycznego brutto wielkiego pieca. Zastosowanie odzysku gazu gardzielowego ciśnieniowego w wielkich piecach jest powszechne w tego typu instalacjach.
Zastosowanie: Odzysk gazu gardzielowego ciśnieniowego może być stosowany w nowych zakładach i w niektórych warunkach w zakładach istniejących, chociaż przy większych trudnościach i dodatkowych kosztach.
W nowych zakładach turbina gazu gardzielowego i urządzenie oczyszczające gaz BF mogą być zaadaptowane do współpracy ze sobą, aby osiągnąć wysoką skuteczność zarówno przy procesie odpylania mokrego jak i odzysku energii.
Oddziaływanie na środowisko: Należy zauważyć, że zastosowanie turbin wymaga dokładnego oczyszczenia gazu BF. Problemy techniczne (korozja) wywołuje przede wszystkim wysoka zawartość alkaliów.
Zakłady referencyjne: Odzysk gazu gardzielowego ciśnieniowego jest stosowany na całym świecie w nowoczesnych wielkich piecach z gazem gardzielowym wysokociśnieniowym i o dużej objętości.
Dane eksploatacyjne: Zwykle proces przebiega automatycznie bez problemów. Można zastosować turbiny osiowe. Są one bardziej efektywne niż turbiny promieniowe. Punkt krytyczny występuje, gdy turbina ma zostać wyłączona i gradient ciśnienia jest przekazywany do urządzenia oczyszczania gazu. Specjalne działania „zabezpieczające” są zawsze podejmowane, aby uniknąć uszkodzenia urządzenia oczyszczania gazu i/lub rurociągu zbiorczego.
Aspekty ekonomiczne: Głównymi czynnikami wymuszającymi zainstalowanie turbiny wykorzystującej gaz gardzielowy ciśnieniowy są korzyści ekonomiczne. Turbina przynosi tym większe zyski, im większa ilość gazu gardzielowego przez nią przepływa i im większy jest gradient ciśnienia gazu gardzielowego oraz im wyższe są koszty energii. W nowoczesnym wielkim piecu możliwy jest okres zwrotu krótszy niż trzy lata, jednak w zależności od miejscowych warunków i ciśnienia gazu gardzielowego może on wynosić ponad 10 lat.
Bibliografia: [Arimitsu, 1995; Fischer, 1988; Joksch, 1995; InfoMil,1997]
PI.4 Oszczędności energii w nagrzewnicach dmuchu wielkopiecowego
Opis: Nagrzewnice dmuchu wielkopiecowego są opalane gazem BF (często wzbogaconym). Dostępnych jest kilka technologii optymalizujących efektywność wykorzystania energii nagrzewnicy dmuchu wielkopiecowego:
1. Praca nagrzewnicy dmuchu wielkopiecowego wspomagana komputerowo; unika się niepotrzebnych rezerw przez przystosowanie dostarczanej energii do aktualnego zapotrzebowania i minimalizuje się wielkość dodawanego gazu wzbogaconego (w przypadku, gdy wzbogacanie ma miejsce).
2. Podgrzewanie paliwa w połączeniu z izolowaniem przewodów zimnego dmuchu i kanałów spalin. Ciepło jawne ze spalin może być wykorzystane do podgrzania nośnika paliwa. Możliwość zastosowania tej metody zależy od wydajności nagrzewnic, ponieważ warunkuje ona wysokość temperatury spalin; np. przy temperaturach spalin poniżej 250 °C odzysk ciepła może nie być atrakcyjny z technicznego lub ekonomicznego punktu widzenia. Wymiennik ciepła z przyczyn ekonomicznych powinien składać się z obwodu nagrzewania oleju. W niektórych przypadkach można stosować ciepło z zewnątrz np. ciepło schładzania ze spiekalni, jeżeli odległości, z którymi mamy do czynienia nie są zbyt duże. Podgrzanie nośnika paliwa zmniejsza zużycie energii. W zakładach, które wykorzystują wzbogacony gaz wielkopiecowy, podgrzanie paliwa mogłoby oznaczać, że wzbogacenie nie będzie dłużej potrzebne.
3. Udoskonalenie procesu spalania przez zastosowanie odpowiednich palników.
4. Szybki pomiar O2 a następnie dostosowanie warunków spalania.
Główne osiągnięte oszczędności energii:
[Joksch, 1995] zarejestrował następujące oszczędności w zużyciu energii:
1. Wspomagana komputerowo praca nagrzewnic dmuchu wielkopiecowego prowadzi do poprawienia efektywności pracy nagrzewnicy wielkopiecowej o ponad 5 %. Równa się to oszczędności energii około 0,1 GJ/t surówki.
2. Podgrzewanie nośnika paliwa może prowadzić również do oszczędności energii około 0,3 GJ/t surówki.
3/4. Kolejne 0,04 GJ/t surówki można zaoszczędzić przez usprawnienie spalania i przystosowanie się do istniejących warunków spalania.
Całkowite oszczędności energii możliwe przy połączeniu wymienionych technologii są rzędu 0,5 GJ/t wyprodukowanej surówki.
Zastosowanie: Stosuje się zarówno w nowych, jak i w istniejących zakładach.
Oddziaływanie na środowisko: Nie zanotowano oddziaływania na środowisko [Joksch,1995]. Można się spodziewać, że podgrzanie nośnika paliwa i zarejestrowany wzrost temperatury spalin prowadzi do wyższych emisji NOx z nagrzewnic dmuchu wielkopiecowego. Zastosowanie nowoczesnych palników może zredukować emisje NOx.
Zakłady referencyjne:
Thyssen Stahl AG, Niemcy – Duisburg;
Wielki Piec Nr.7; Hoogovens IJmuiden, Holandia – Ijmuiden;
Sidmar, Belgia – Gent;
Aceralia, Hiszpania – Gijon.
Dane eksploatacyjne: Niedostępne
Aspekty ekonomiczne: Przedstawione działania mogą być atrakcyjne z ekonomicznego punktu widzenia, ponieważ zużycie energii zostało zmniejszone i zaoszczędzono środki finansowe. Zyskowność zależy od ilości zaoszczędzonej energii oraz od kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych omawianych rozwiązań. Typowe koszty instalacji odzysku ciepła wynoszą 6 mln ecu1997 na zestaw nagrzewnic, tj. na wielki piec.
Wprowadzenie sterowania wspomaganego komputerowo może wymagać budowy czwartej nagrzewnicy w przypadku wielkich pieców z trzema nagrzewnicami (jeżeli jest to możliwe) aby doprowadzić do zmaksymalizowania zysków.
Bibliografia: [Joksch, 1995]
Opis: System koryt spustowych w hali lejniczej wielkiego pieca jest wykonany z ogniotrwałej warstwy zewnętrznej (np. betonu). Koryta są wyłożone materiałem żaroodpornym na bazie tlenku glinu osadzonego w osnowie węglowej. Jako spoiwo może być zastosowany pak węglowy.
Takie wykładziny chronią warstwę zewnętrzną przed żarem płynnego żelaza i (szczególnie) płynnego żużlu. Wykładziny zużywają się i są regenerowane co kilka tygodni. Jakość osnowy węglowej jest ważnym czynnikiem wpływającym na trwałość wykładzin koryt spustowych. Słaba osnowa nie utrzymuje tlenku glinowego i powoduje, że wykładzina szybciej się zużywa.
Wymagana wytrzymałość tego związku uzyskiwana jest tylko po trwającym kilka godzin nagrzewaniu przez palniki. Rozkład smoły podczas nagrzewania powoduje wzrost emisji węglowodorów (i WWA). Mniejsza emisja występuje podczas odlewania żużlu i surówki.
Opracowano i z powodzeniem stosuje się nowy rodzaj wykładziny koryt spustowych, który nie zawiera smoły. Przy nowych wykładzinach koryt spustowych emisje lotnych związków organicznych (VOC) i wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA) są znacznie niższe. Nowe tworzywo posiada taką samą odporność na oddziaływanie żużlu, a trwałość może być nawet lepsza, aniżeli tradycyjnych wykładzin koryt spustowych.
Główny osiągnięty poziom emisji:
Tabela 7.11 przedstawia dane dotyczące redukcji emisji wynikające z zastosowania bezsmołowych wykładzin koryt spustowych. Przedstawione dane są szacunkowe i zostały otrzymane w oparciu o model teoretyczny.
Składnik Tradyc. wykładzina Bezsmołowa wykładzina Redukcja emisji
...
Puchaczo_o