Optimalisatie van hoogovengas: productie, gebruik en efficiëntie

Het hoogovenproces (BF) is de leidende technologie voor productie van gietijzer (HM) voor staalmaking en gietijzerproductie. HM is het hoofdproduct. Tijdens HM-productie ontstaat continu hoogovengas (BF-gas) als bijproduct door de opwaartse stroom van blas lucht door de lading in de oven.

Hoewel deeltijds verbranding van koolstof in de BF dient om zuurstof (O2) uit de ertslading te verwijderen, maakt het gasvolume de BF ook een gasproducent. BF-gas is een belangrijke bron van chemische energie buiten het BF-proces en heeft grote impact op de gasbalans van een geïntegreerde staalcentrale. Allereerst wordt het overschot verbruikt in diverse ovens van de centrale en in de elektriciteitscentrale ketel samen met andere bijproductgassen (cokesovengas, omzettergas). De hoofdparameter voor bruikbaarheid is de calorische waarde.

Ontstaan van BF-gas

Bij HM-productie wordt hete blas lucht door tuyeres in de oven geblazen. O2 in blas lucht reageert met koolstof (cokes) tot CO2 en CO: (1) C + O2 = CO2, (2) CO2 + C = 2CO. De gas stroomt opwaarts door de ovenstaf (geladen met ertsen, fluxen, cokes). Na chemische reacties en ~25-30 m reis komt BF-gas uit de oven als verwarme, stofbeladen, lage calorische waarde brandgas.

Zowel C in cokes als CO zijn reducerende middelen voor ertslading (hematiet Fe2O3, wustiet FeO, magnetiet Fe3O4). Deze oxiden reduceren tot Fe en CO2. Voorbeeld hematietreductie: (1) Fe2O3 + 2C = 2Fe + CO + CO2, (2) Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2.

Extra gasvorming door ontbinding kalksteen en dolomiet (basische fluxen voor onzuiverheden): (1) CaCO3 = CaO + CO2, (2) MgCO3 = MgO + CO2.

Alle veranderingen in reactiezone. Chemisch evenwicht voor gassen wordt bepaald door Boudouard reversibele reactie (2CO = CO2 + C), waarbij een vaste verhouding CO/CO2 ontstaat voor gegeven temperatuur. Resultaat: grote hoeveelheden hete CO2, CO, N2 stijgen op terwijl verse lading naar beneden daalt in reactiezone.

Verdere bestanddelen mogelijk afhankelijk van systematische variabelen. Bijvoorbeeld: additionele reductiemiddelen geïnjiceerd in BF om cokesbehoefte te verminderen (gepulveriseerde steenkool, olie, aardgas, gerecyclede kunststoffen), verbetert ovenefficiëntie. Ladingintegriteit moet behouden blijven: stoom of O2 coinjectie bij additionele reductiemiddelen. Dit leidt tot wisselende H2 en H2O niveaus in blas lucht, en beïnvloedt water-gas shift reacties: (1) C + H2O = CO + H2, (2) CO + H2O = CO2 + H2.

De chemische samenstelling van BF-gas is dus dynamisch en afhankelijk van operationele parameters. Droge volumetrische samenstelling typische operatie in Afbeelding 2.

Specifiek volume BF-gas (m³/ton HM), samenstelling, en calorische waarde hangen af van operationele parameters: (1) ladingmateriaalkenmerken, (2) fluxhoeveelheid, (3) verdeling lading in ovenstaf, (4) gietijzerkwaliteit, (5) hoeveelheid additionele brandstof injectie, (6) blas lucht temperatuur, (7) O2-gehalte in blas. Parameters cruciaal voor energiemanagement geïntegreerde staalcentrale. Hoeveelheid BF-gas naar andere verbruikers hangt af van productie en verbruik in hoogoefnoverwarmers.

Totaal CO + CO2 in BF-gas aan ovenkop: 37-53% van totale gasvolume. CO/CO2 ratio: 1,25:1 tot 2,5:1. Hogere CO% = gevaarlijker gas. H2-gehalte: 1-7% afhankelijk van type/hoeveelheid geïnjiceerde brandstof. Rest: N2. CH4 tot 0,2%. HCN en CN2 kunnen vormen door reactie N2 (blas lucht) en C (cokes), gekatalyseerd door alkalioxiden. Zeer giftig. BF-gas: 200-2000 mg/m³ cyanverbindingen.

BF-gas verlaat ovenkop bij ~120-370 °C, druk 350-2500 mm Hg. Bevat 20-115 g/m³ waterdamp, 20-40 g/m³ stof ('rookstof'). Deeltjesgrootte: microns tot 6 mm. BF-gas: bijna kleurloos (licht wit), geurloos. Hoofdkenmerken: (1) lage CV: 700-850 kcal/m³, (2) hoge dichtheid: ~1,250 kg/m³ (STP: 0 °C, 1 atm), (3) lage theoretische vlamtemperatuur: ~1455 °C, (4) lage vlamvoorplantingssnelheid (lager dan alle gangbare gasbrandstoffen), (5) niet-luminieuze vlam, (6) zelfontbrandingspunt ~630 °C, (7) LEL 27%, UEL 75% in lucht-gasmengsel (normale T&P). Dichtheid hoogste van alle gasbrandstoffen; bij lekkage zakkt het op de bodem. Hoge CO-concentratie maakt gas gevaarlijk.

Hoge ovendruk wordt benut voor stroomopwekking via TRT (Top Gas Pressure Recovery Turbine). TRT levert tot 35 kWh/ton HM zonder brandstofverbranding. Droge TRT levert meer vermogen dan natte TRT.

Reiniging van BF-gas

BF-gas uit ovenkop bevat 20-40 g/m³ rookstof, niet direct bruikbaar. Stof: fijn deeltjes cokes, ladingmateriaal, chemische verbindingen uit ovenreacties. Reiniging in gasreinigingsinstallatie in twee stadia: (1) primaire reiniging, (2) secundaire reiniging.

Primaire reiniging

Stofvangers, cyclonen, of combinatie. Zwaartekrachtprincipe voor grove deeltjes (>0,8 mm). Gas door stofvanger: grove deeltjes verwijderd. Stofvanger: grote cylinder 20-30 m diameter, hoogte 20-30 m. Geïsoleerd tegen condensatie vocht (stof blijft droog, vloeit vrij naar kegel bodem voor periodieke verwijdering). Gas via enkele downcomer, binnenkomst bovenaan via verticale buis die gas naar beneden voert. Buis flares als omgekeerde trechter: snelheid daalt, grove stof valt uit, neert in kegel. Bodem gesloten, gasuitlaat bij top: stroomrichting keert 180°, meer stof neert.

Secundaire reiniging

Na stofvanger naar secundaire reiniging. Of droog type (zakfilters voor fijnstof) of nat type (wassers/scrubbers in meerdere stadia).

Toepassingen van BF-gas

Zinnewarme in BF-topgassen eerst benut in 1832 voor koude blas lucht verwarming. Oorspronkelijk warmtewisselaar op ovenkop gemonteerd. 1845: eerste pogingen verbrandingswarmte BF-gas benutten, maar pas 1857 succesvol. Voortgang waarschijnlijk vertraagd door hoge stofgehalte, reinigingsproblemen, lage vaste brandstofprijs. Stijgende brandstofprijzen en concurrentie dwingden tot gebruik.

Vroeger: beperkt tot verwarmen hoogoefnoverwarmers en multifuel ketels. Niet economisch voor ander gebruik. Recente jaren: uitgebreid gebruik door: (1) stijgende kosten aangekochte brandstoffen, (2) technische verbeteringen gasreiniging (schonere gas), (3) technologieontwikkeling BF-gas voorverhitting.

In geïntegreerde staalcentrales: BF-gas normaal gemengd met cokesovengas en/of omzettergas. Gemengde gas als brandstof in diverse ovens. BF-gas zonder menging/voorverhitting bruikbaar in: BF-verwarmers, weikputten, normaliseer/aanlaagovens, gieterij kernovens, gasmotoren voor blazen, ketels stroomopwekking, gasturbines stroomopwekking. Recente vooruitgang: direct gebruik in sinterovens.

Thermisch voordeel BF-gas in gasmotoren (blazen, stroom) moet zware investering/onderhoud compenseren. Moderne ketelhuis: hoge stoomdruk/temperatuur met efficiënte turbo-blazers/generatoren. Thermisch voordeel gasmotoren voldoende gereduceerd → moeilijk te rechtvaardigen. Sommige centrales in Azië/Europa succesvol met direct gekoppelde gasturbines voor generators. Voorverhit BF-gas met voorverhit lucht succesvol in: cokesovenverhitting, weikputten, herverhitovens.

Bij voorverhitting BF-gas: minimale zuiverheid 0,023 g/m³. Alle toepassingen: extra voorzorgsmaatregelen tegen ontweken onverbrande BF-gas (hoge giftige CO%).

Bij BF-operaties met calorische waarde naderend 700 kcal/m³: noodzakelijk BF-gas mengen met andere brandstofgassen voor hoge blasluchttemperatuur uit verwarmers.