2015. október: jegyzet, robotika, portré, tudomány, it, öntészet, egyetem, anyagtudomány, innováció, paragrafus, kiállítás/konferencia, disszemináció, megújuló energia, zöldkörnyezet, vízgazdálkodás, lézer
2015. október 9.

Szerzők:
Dr. Móger Róbert
Dr. Szlivka Ferenc
Felföldiné Kovács Ágnes

A nagyolvasztói lég­hevítők hevítése oxigénnel dúsított égéslevegő felhasználásával

A léghevítők fűtése kohógáz és valamely nagy fűtőértékű dúsítógáz (földgáz, kamragáz) keverékével történik. Annak érdekében, hogy a léghevítőkben felhasznált energiahordozók költségét csökkentsük, újszerű megoldás megvalósítását javasoljuk. A léghevítőket tisztán kohógáztüzelésre állítanánk át, melyhez oxigénnel dúsított égéslevegőt vezetnénk. A cikkben a javasolt módosítások hatásait részletezzük.


A TÁMOP-4.2.1.C-14/1/Konv-2015-0009 azonosítószámú pá­lyá­zattal az Európai Szociális Alap és Magyarország költségvetése társfinanszírozásával a Dunaújvárosi Főiskola konzorciumi partnereivel közösen Tudástranszfer-tevékenységek kibővítése Dunaújvárosra és térségére címmel pályázatot valósít meg.
A cikk a TÁMOP-4.2.1.C-14/1/Konv-2015-0009 azonosítószámú pályázat keretében megvalósult kutatómunka eredményeként született meg.

A nagyolvasztói léghevítők biztosítják a nyersvasgyártáshoz szükséges forró (>1000 °C) levegőt, kohógáz és kamragáz vagy földgáz keverékének elégetésével. A léghevítőknek fontos szerepük van a nyersvasgyártás energetikai rendszerében, mivel a nagyolvasztóban felhasznált hőmennyiség több mint 10%-át a kohókba befújt forró levegő biztosítja.
A léghevítők az egyik legnagyobb energiafelhasználó berendezések az acélipari vállalatoknál, ezért a tüzelőanyag fajtájának és költségének optimalizálása alapvető fontosságú a nyersvasgyártás önköltsége szempontjából. A forrószél hőmérsékletének növelésével fajlagos tüzelőanyag-megtakarítás érhető el, ezáltal a légkörbe kibocsátott CO2-tartalom mérséklődik.

Léghevítők felépítése, modernizálása

Az ISD Dunaferr Zrt. esetében a 2 db nagyolvasztónál 4-4 db léghevítő biztosítja a szükséges forrószél-hőmérsékletet. A léghevítők regeneratív kialakítású tüzelőberendezések, amelyek a nagy­olvasztók forrószélellátását biztosítják. A felfűtési periódus során a tűzaknában történik meg a kohógáz-kamragáz (kohógáz-földgáz) keverék elégetése, a képződött füstgáz a kupolán keresztüláramolva a tűzálló rácsozatot felmelegíti. A léghevítő felfűtött állapotát a kupola-hőmérséklet és a füstgázhőmérséklet együttesen határozza meg. A felfűtést követően a léghevítőt fúvatási periódusba állítják, ennek során a turbófúvó felől érkező hideg (100 °C) levegőt a felhevített rácsozaton vezetik át. Az így felhevített forrószél (max. 1100 °C-os) biztosítja a nagyolvasztók levegőellátását. A léghevítők működési elvét az 1. ábra mutatja.

1. ábra. A léghevítők felfűtési és fúvatási periódusa

A léghevítők egyik legfontosabb része a gáz-levegő keverék előállítására szolgáló keramikus égő. Megfelelő égővel biztosítható a nagy hatásfok, és ezzel minimálisra csökkenthető a károsanyag-kibocsátás.
1996 és 2008 között mindkét nagyolvasztó léghevítőinek teljes tűzálló falazatát átépítették. A korábban alkalmazott Didier-típusú égőt a Hoogovens cég által tervezett keramikus égő váltotta fel (2. ábra).

2. ábra. A Hoogovens keramikus égő metszeti képe és működési vázlata

2007-ben megtörtént a léghevítők auto­ma­tikus tüzelésszabályozásának kiépítése, ezzel biztosítottá vált a léghevítők szigorodó környezetvédelmi előírások szerinti működése.
Az elvégzett fejlesztéseknek köszönhetően a léghevítők biztosítani tudják a nagyolvasztók üzemeltetéséhez szükséges forrószél-hőmérsékletet. Mivel a nyersvasgyártás önköltségében a léghevítőkben felhasznált tüzelőanyagok jelentős részarányt képviselnek, így azok felhasználási mértékének optimalizálása elengedhetetlen a nyersvasgyártás gazdaságos működtetéséhez.
Természetesen a léghevítőkben felhasználható gázok szoros kapcsolatban vannak a vállalaton belül keletkező és felhasznált gázok arányával, mennyiségével, ezek összefüggéseit a 3. ábra mutatja.

3. ábra. Az ISD Dunaferr 2013. évi vállalati gázmérlege, valamint főbb termelési mutatói

Az ábrán feltüntetett gázmennyiségek Nm3/h mértékegységben értendők.

A léghevítőkben felhasznált tüzelőanyag-típusok optimalizálása

Annak érdekében, hogy a léghevítőkben felhasznált gázok költségét csökkentsük, többféle lehetőség adódik, ezek a következők:

  • a felhasznált gázok részarányának optimalizálása;
  • az elégetés hatásfokának javítása (a léghevítő átépítése);
  • a keletkezett füstgáz hőmérsékletének hasznosítása (füstgáz-hőhasznosítás).

A fenti felsorolásból egyértelműen látható, hogy a léghevítők üzemeltetési költségét jelentős beruházás nélkül csak és kizárólag a felhasznált gázok részarányának optimalizálásával lehet csökkenteni.

Az 1. táblázatban a II. sz. nagyolvasztó léghevítőiben 2013-ban felhasznált gázok egymáshoz viszonyított, GJ-ra vetített költségaránya, fűtőértéke, felhasznált mennyisége és ezek részaránya látható.

A táblázatból kitűnik, hogy a dúsítógázok GJ-ra vetített ára lényegesen magasabb, mint a kohógáz ára, amiből az a következtetés vonható le, hogy minél nagyobb a kohógáz-felhasználás mértéke, annál kisebb lesz a léghevítők üzemeltetési költsége.
A kohógáz fűtőértéke, mint az a fenti táblázatból jól látható, egy nagyságrenddel kisebb, mint a dúsítógázok (földgáz, kamragáz) fűtőértéke. Amennyiben a kohógázhoz a fenti dúsítógázokat hozzákeverjük, a kevertgáz fűtőértéke nő.
Abban az esetben, ha a léghevítői tüzelőanyag-költségek csökkentése érdekében a dúsítógázokat nem használjuk fel a léghevítőkben, azaz tisztán kohógázzal tüzelünk, akkor a kisebb fűtőértékből adódóan az elméleti lánghőmérséklet csökken. Ez azt eredményezi, hogy a léghevítők kupola-hőmérséklete és rácsozata alacsonyabb hőmérsékletű lesz, így a forrószél-hőmérséklet csökken, ami növeli a nagyolvasztó fajlagos kokszfelhasználásának mértékét és így a nyersvasgyártás önköltségét.
A nagyolvasztóba befújt forrószél hő­mérsékletének állandó értéken tartásához tehát az szükséges, hogy a léghevítőkben felhasznált gázok elégetésével bevitt hőmennyiség és a gázok égése során kialakuló elméleti lánghőmérséklet állandó értékű legyen.

Az ISD Dunaferr Zrt. nagyolvasztóinál az előírt kupola-hőmérséklet 1250 °C, melyet az alábbi eszközök felhasználásával érhetünk el:

  • a kohógáz mellett dúsítógázokat használunk fel (jelenlegi állapot);
  • növeljük a tüzelőanyagok és az égéslevegő hőmérsékletét (füstgáz-hőhasznosító berendezés szükséges, amely komoly beruházási költséget jelent);
  • a kohógázt oxigénnel dúsított égéslevegőt felhasználva tüzeljük el.

Vizsgálataink szerint az ISD Dunaferr Zrt.-ben a léghevítők tisztán kohógázzal történő tüzelése során a szükséges égéshőmérsékletet – jelentősebb beruházás nélkül – kizárólag az égéslevegő oxigénnel történő dúsításával is fenn tudjuk tartani.
A nagyolvasztói léghevítők égéslevegőjének oxigénnel történő dúsítása során tehát a léghevítőkben felhasznált kevertgázt teljes egészében kohógázzal váltjuk ki. Az elméleti égéshőmérséklet fenntartásához meghatározott mértékű oxigéngázt keverünk az égéslevegőbe. A léghevítőkbe bevitt hőmennyiség nem fog változni, mivel a kohógáz mennyiségét arányaiban megnöveljük. Ezekkel a változtatásokkal biztosítható a léghevítők változatlan teljesítménye, és így az állandó forrószél-hőmérséklet.

A léghevítői égés­levegő oxigén­dúsítása

Mivel a tüzelési periódus alatt a léghevítőkbe bevitt hőmennyiség nem csökkenhet, a léghevítői dúsítógáz (kamragáz vagy földgáz) elhagyásával a kieső hőmennyiséget a kohógázmennyiség növelésével kell kompenzálni. Az elméleti égéshőmérséklet fenntartása érdekében pedig az égéslevegőbe tiszta oxigént kell bekeverni, melynek hatására az égéslevegő mennyisége jelentős mértékben csökken.

A 2. táblázatban a „kevertgáz+levegő”, illetve a „kohógáz+le­ve­gő+oxigén” tüzelés legfontosabb paraméterei láthatók.

A „kohógáz+levegő+oxigén” tüzelésre vonatkozó kalkulációkhoz kiindulási alapként a 2013-ban a II. sz. nagyolvasztó léghevítőiben felhasznált kevert-gáztüzelés mért adatai szolgáltak. A táblázatban feltüntetett mennyiségek 2 db léghevítő tüzelésére vonatkoznak. A felhasznált gázmennyiség természetesen az elérni kívánt forrószél-hőmérséklettől jelentős mértékben függ. Abban az esetben, ha a forrószél-hőmér­sékletet emelni szükséges, akkor a kohógázmennyiség és az oxigénmennyiség is növekedni fog.
A táblázat alapján megállapítható, hogy a felhasznált kohógázmennyiség több mint 30%-kal növekedni fog (a kevertgáz-tüzeléssel történő üzemeléshez képest).
Az elméleti égéshőmérséklet fenntartása érdekében az égéslevegőbe 4,7% oxigéndúsítást kell végrehajtani. A felhasznált oxigén mennyiségének növekedésével az égéslevegő jelentős mértékben (30%-kal) csökken.
A keletkezett füstgáz mennyisége kismértékben csökken a kohógáz összetételéből adódó kisebb oxigénigény és inertgáz- (N2) tartalom miatt.
Az elégetett tüzelőanyag összetétele és az oxigéndúsítás miatt a füstgáz összetétele jelentősen változik. Annak vízgőz- és nitrogéntartalma csökken, míg CO2-tartalma növekszik. Ez utóbbi hozzájárul a füstgáz sugárzással történő hőátadásának javulásához.

Elkészítettük az ISD Dunaferr Zrt. 2013. évi adatainak felhasználásával a vállalati gázrendszer módosított változatát (4. ábra) arra az esetre, ha a léghevítői égéslevegő oxigénnel történő dúsítását megvalósítanánk a Nagyolvasztóműben, első lépésben csak egy nagyolvasztóra kiterjesztve. Az ábrán feltüntetett gázmennyiségek Nm3/h mértékegységben értendők.

4. ábra. Az ISD Dunaferr 2013. évi adatai alapján a léghevítők oxigéndúsítással történő működése esetén a módosított gázmérleg

A fenti ábrát a 3. ábrával összehasonlítva megállapítható, hogy az ISD Power felé átadott kamragázmen­nyiség annyival növekszik meg, amennyivel a léghevítői felhasználás csökken. Ugyanakkor a Nagyolvasztómű az általa termelt kohógázból nagyobb mennyiségben használ fel, ami csökkenti az erőmű felé átadott kohógázmennyiséget.
Az oxigénfelhasználás a vállalaton belül növekedni fog a léghevítői oxi­gén­felhasználás mértékével. Mindez azt jelenti, hogy hozzávetőleg az Acélmű jelenlegi acéltermeléséhez szükséges oxigén felét használnánk fel a léghevítők égés­levegőjének dúsításához.
Meg kell jegyezni, hogy abban az esetben, ha a javasolt fejlesztéseket mindkét nagyolvasztóra kiterjesztjük, a gázmérleg jelentősen átalakul, amit a projekt keretén belül kívánunk részletesen vizsgálni, különböző működési peremfeltételek felállításával.

Annak érdekében, hogy az égéslevegő oxigénnel történő dúsítása megvalósítható legyen, az alábbi átalakítások szükségesek:

  • az oxigénellátó rendszer kiépítése az oxigén gerincvezetéktől a léghevítők egyedi betáplálásáig (csővezeték, szerelvények, biztonsági berendezések);
  • a léghevítői tüzeléstechnikai szabályozási rendszer átalakítása (mérőműszerek, folyamatirányítási rendszer módosítása).

A gazdaságossági számítás eredménye és a beruházás tervezett költsége alapján a léghevítők égéslevegőjének oxigénnel történő dúsítása kevesebb mint 1/3 év alatt megtérülő beruházás lehet!

A kamragáz és földgáz részleges kiváltása

A 4. ábra szerinti módosított gázmérleg a léghevítői dúsítógáz (kamragáz és földgáz) teljes kiváltását feltételezi, ahol a kieső hőmennyiséget a kohógázmennyiség növelésével kell teljes mértékben kompenzálni. Az elméleti égéshőmérséklet fenntartása érdekében pedig az égéslevegőbe tiszta oxigént kell bekeverni, aminek hatására az égéslevegő mennyisége jelentős mértékben csökken.
A fenti elméleti meggondolás felté­telezi, hogy mindegyik berendezés égői, léghevítők hőátadó felületei, anyaga, a csővezetékek stb. a módosítás során a mostanihoz hasonlóan működnek, és semmiféle járulékos probléma nem lép fel.
Mivel a megtérülés nagyon rövid, 1/3 év nagyságrendű, ezért a beruházás még akkor is nagymértékben rentábilis marad, ha a dúsítógázok (kamragáz és földgáz) jelenlegi mennyiségét csökkentjük, de a kiváltás nem teljes mértékű.
A 2. táblázatban levezetett jelenlegi állapot és a teljes kiváltás között több olyan állapotban is működhet a léghevítés, amikor például a két dúsítógáz kiváltása csak részben valósul meg. Például a dú­sító­gázok felét vagy harmadát váltjuk csak ki többletkohógázzal és oxigéndúsítással. Ezek a megoldások is elméletileg lekövethetők adott esetben, és a gazdasági előnyök ilyenkor is jelentősek. A megtérülési idő természetesen kétszeresére, háromszorosára nő.

Az új üzemi körülményekre történő átálláshoz elengedhetetlen átalakításokat természetesen úgy kell megtervezni, tehát

  • az oxigénellátó rendszer kiépítését az oxigén gerincvezetéktől a léghevítők egyedi betáplálásáig a csővezetékeket, szerelvényeket, biztonsági berendezéseket, valamint
  • a léghevítői tüzeléstechnikai szabályozási rendszerének átalakítását, mérőműszereit, folyamatirányítási rendszerét, hogy alkalmas legyen a teljes és a részleges kiváltásra is.

Hő- és áramlástani folyamatok szimulációja

A projekt kivitelezése során az égéslevegőbe bevezetett oxigén keveredésére, illetve a füstgázra vonatkozó hő- és áramlástani szimulációt végzünk.
A hő- és áramlástani modellezésre az ANSYS CFX modellező programot kívánjuk használni. Ez az egyik legmodernebb és a legjobban használható, a véges térfogatok módszerének elvén működő szoftver. A CFD igazán nagy segítséget nyújt a tervezésben, mert a geometriák ismeretében teljes részletességgel ki lehet számítani a kialakuló hő- és áramlási képet, hőmérsékletteret, sebességteret, nyomásteret stb.
A mérés és a szimuláció során a kapott eredményekből a MATLAB program révén felületeket rajzoltatunk ki. A MATLAB-ban megírt program segítségével a nagy mennyiségű mérési adat kiértékelhető, dokumentálható.

Összefoglalás

A léghevítők égéslevegőjének oxigénnel történő dúsítása egy újszerű megoldás annak érdekében, hogy a vállalati energiaköltségeket csökkenteni lehessen. Ezt a megoldást ez idáig főként Kínában és az USA-ban alkalmazták.

A léghevítők égéslevegőjének oxigénnel történő dúsítása jelentős mértékben hozzájárulhat a metallurgiai fázis önköltségének csökkentéséhez. A legfontosabb előnyök az alábbiakban foglalhatók össze:

  • a léghevítők fűtése az oxigénnel dúsított levegő és kohógáz felhasználásával gazdaságosabban oldható meg, mint kevertgáz esetén;
  • a léghevítők oxigénnel dúsított levegővel történő üzemeltetése alatt is biztosítható a nagyolvasztó szükséges forrószél-hőmérséklete;
  • az ISD Dunaferr Zrt. gázrendszere rugalmasabbá válik;
  • a szükséges átalakítások beruházási igénye kicsi, a beruházás gyorsan megtérül.
Irodalom
Linde’s presentation: Oxygen enrichement for blast furnace stoves at FN Steel in Finland-2012.03.
Summaries of RFCS Projects 2003-2014 TGS1: Ore agglomeration and Ironmaking

A cikk az Európai Szociális Alap és Ma­gyarország költségvetése társfinanszí­rozásával a TÁMOP-4.2.1.C-14/1/Konv-2015-0009 azonosítószámú, „Tudástranszfer-tevékenységek kibővítése Dunaújvárosra és térségére” című pályázat támogatásával jelent meg.

 
Innotéka