Optimalisatie van Energie-efficiëntie in IJzer- & Staalproductie

Energie-efficiëntie en IJzer- en Staalproductie

In de recente jaren is de noodzaak voor een meer rationeel en efficiënt energiegebruik opgekomen als een strategisch en dringend punt. Een dergelijke noodzaak wordt met name waargenomen in de ijzer- en staalproductie, niet alleen vanwege de stijgende energiekosten, maar ook als gevolg van de concurrentie, die sommige kenmerken van het proces en zijn eindproducten benadrukt (bijv. kosten en kwaliteit). Ook kan het rationele gebruik van de energiebron worden beschouwd als een tweevoudig punt, een eerste aspect gerelateerd aan het bereikte bewustzijn van de beperkte beschikbaarheid van energie, beschouwd als een bron, en het tweede vertegenwoordigd door een rijpe waardering van de kosten gemaakt om energie te verkrijgen.

Wereldwijd is de stijgende energieverbruik Hand in hand gegaan met opkomende zorgen over de behoud ervan. Naast duur en gevoelig voor plotselinge prijsfluctuaties, is de overwegende meerderheid van energiebronnen niet hernieuwbaar. Daarom wordt energiebesparing als vitaal beschouwd niet alleen om verspilling van een kostbare hulpbron te voorkomen, maar ook om de snelle uputting van steenkool, olie, en aardgas hulpbronnen te vertragen. Echter, met de milieu-beweging die de afgelopen 30 jaar aan bod kwam, zijn de gevolgen van onduurzaam energiegebruik niet meer beperkt tot economie alleen. Aangezien het merendeel van broeikasgas (BKG) uitstoot het resultaat is van fossiele brandstofverbranding, is energiebesparing vandaag de dag intrinsiek verbonden met de klimaatkwestie. Aangezien het stoppen van fossiele brandstofgebruik geen optie is zonder de levensvatbaarheid van alternatieve bronnen, is de enige manier om energiegebruik te verminderen en uitstoot te managen dus om de efficiëntie ervan te maximaliseren.

Aangezien de ijzer- en staalindustrie een van de meest energie-intensieve sectoren binnen de economie van elk land presenteert, is het daarom van bijzonder belang in de context van zowel lokale als mondiale milieudiscussies.

Het profiel van energie-efficiëntie is recent gestegen, door verhoogde zorgen over lokale en mondiale milieueffecten van energiegebruik. Uitdagingen voor energiezekerheid hebben ook energie-efficiëntie naar voren gebracht, omdat ze direct bijdragen aan het verminderen van energiegebruik.

Energie-efficiëntie in ijzer- en staalproductie is cruciaal, om reductie in productiekosten, de concurrentiekracht van de staalproducten en om milieueffecten te minimaliseren, zoals BKG-uitstoot. Het merendeel van de energie-input in een geïntegreerde staalfabriek komt van brandstof en elektriciteit. De energie uit brandstof komt voornamelijk van vast brandstof (voornamelijk steenkool) en slechts een kleine input komt van vloeibare en gasvormige brandstoffen. Brandstof in de ijzer- en staalproductie wordt gebruikt om warmte-energie te leveren. Het wordt ook gebruikt als reductant om ijzererts te reduceren om ijzer te produceren. Elektrische energie wordt gebruikt om procesbehoeftes te voldoen, motoren en verlichting van de faciliteiten te draaien.

De persoon die het idee van energie-efficiëntie de eerste vorm gaf, was de Amerikaanse natuurkundige en milieu-activist Amory Lovins. Geschokt door de oliecrisis van 1973, postuleerde en populariseerde Lovins het concept van 'negawatts', een systeem om de energievereisten te voldoen niet door grotere hoeveelheden energie te exploiteren, maar door de efficiëntie van bestaande hoeveelheden te verhogen. Met andere woorden, om een Amerikaanse uitdrukking te gebruiken, 'het meest knal voor de dollar'. Sindsdien werkt iedereen over de hele wereld aan het finetunen van bestaande technologie of het bedenken van volledig nieuwe oplossingen die de waarde afgeleid van elke eenheid energie maximaliseren. Deze inspanningen zijn gesteund door steun van mensen in autoriteit, die een stimulerende omgeving hebben gecreërd voor motivatie om energie efficiënt te gebruiken.

IJzer- en staalproductie is energie-intensief. Het is de grootste consument van energie onder alle industriële sectoren. Het is ook de grootste emittent van CO2-uitstoot. Het vormt een significant deel van de kosten van staalproductie. De kosten van energie als percentage van de totale kosten liggen in het bereik van 20% tot 40% afhankelijk van productieroute, type ijzererts en kolen gebruikt, het staalproductmix, operatiebesturingstechnologie, en materiaalefficiëntie.

Primaire energiebronnen benut in de ijzer- en staalproductie omvatten cokeskool, niet-cokeskool, vloeibare brandstofoliën, en elektriciteit. Waar ook altijd aardgas beschikbaar is, wordt het gebruikt in de ijzerproductie. Van de diverse typen primaire energiebronnen, houdt de cokeskool het grootste aandeel van gebruikt energie (65% tot 80%). Terwijl cokeskool, niet-cokeskool en vloeibare brandstofoliën primair gebruikt worden in geïntegreerde staalfabrieken, presenteert elektriciteit verreweg de grootste input voor staalvermaking in mini-fabrieken die boogovens of inductieovens gebruiken.

Energie-intensiteit wordt gemeten in fysieke termen als specifiek energieverbruik per eenheid van output (SEC).

Specifiek energieverbruik (SEC) is als volgt gedefinieerd. SEC wordt gemeten in GJ/ton product.

SEC = Energie gebruikt / product geproduceerd = (Energie geïmporteerd – Energie geëxporteerd) / product geproduceerd

Industriële processen gebruiken vaak energie in verschillende vormen, zoals brandstoffen, stoom en elektriciteit, en de SEC van dat soort proces wordt als volgt berekend:

SEC = E (brandstoffen) + E (stoom) + E (elektriciteit) / product geproduceerd

Waarbij E (brandstoffen) brandstofverbruik is, E (stoom) stoomverbruik is en E (elektriciteit) elektriciteitsverbruik is van het proces.

In de meeste gevallen wordt SEC vergeleken met best practice om het percentage reductie in energie per eenheid van output te bepalen dat bereikt kan worden door het aannemen van best practices. SEC voor ijzer- en staalproductie is in de laatste jaren aanzienlijk gedaald. Vandaag de dag varieert SEC in de energie-efficiënte fabrieken in de wereld die de hoogovens – basische zuurstofoven route gebruiken, van 17 GJ/ton ruw staal tot 23 GJ/ton ruw staal. In niet zo efficiënte fabrieken, ligt het in het bereik van 25 GJ/ton ruw staal tot 34 GJ/ton ruw staal.

Deze variatie van SEC wordt beïnvloed/afhangt van de ijzererts- en kolenkwaliteit, de staalsoort en de materiaalefficiëntie. De open haardoven route is meer energie-intensief en minder productief.

Momenteel is nog maar een heel kleine capaciteit in gebruik vanwege de vervanging van deze technologie door BOF technologie. De staalproductieroute die elektrische boogoven benut, vereist geen cokes- of sinterinstallatie maar het gerecyclede staalschroot. De energie-intensiteit van deze route varieert van 9,1 tot 12,5 GJ per ton ruw staal waar de input alleen het staalschroot is.

Een andere manier om ruw staal te produceren is door ijzererts direct te reduceren om direct gereduceerd ijzer (DRI) te produceren. De gemiddelde energie-intensiteit is typisch tussen 28,3 en 30,9 GJ per ton ruw staal. Deze technologie gebruikt meestal aardgas of niet-cokeskool. Deze dagen is er een aanzienlijk belang in de wereld om DRI te produceren door schelpgas te gebruiken in die gebieden waar het in overvloed beschikbaar is.

Typische SEC en specifieke CO2-uitstoot van verschillende afdelingen in ijzer- en staalfabrieken in Europa is gegeven in Tabel 1.

Energiestroom en Procesgasbenutting in Geïntegreerde Staalfabrieken

Energie-interdependantie in een geïntegreerde staalfabrieken is vrij complex. Afbeelding 1 illustreert een typisch voorbeeld van de in- en uitstroom van verschillende typen energie en reductiemiddelen samen met de interne energiestroom van een Japanse geïntegreerde ijzer- en staalfabriek.

Afbeelding 1: Voorbeeld van typische energiestroom in een geïntegreerde Japanse staalfabriek

De gebruikelijke dominante inputs zijn kolen, brandstofolie en, indien gekocht van een externe leverancier, cokes. Deze inputs worden hoofdzakelijk gebruikt voor de productie van cokes in de cokesoveninstallatie en als reductiemiddelen in de hoogovens. Het is gebruikelijk om alternatieve reductiemiddelen in de hoogovens te gebruiken, zoals kolen, koolteer of olie die geïnjiceerd worden in de hoogovens op het tuyereniveau. Gebruikte oliën, vetten, diverse gassen (bijv. cokesovengas) en andere koolwaterstoffen, zoals afvalkunststoffen, kunnen ook geïnjiceerd worden.

De kwaliteit (calorische waarde en zuiverheid) en volume van de verschillende gassen variëren significant en deze factoren hebben een impact op waar de brandstoffen nuttig gebruikt kunnen worden. Om de energie-efficiëntie te optimaliseren, is het nodig dat elk brandstofgas verbruikt wordt op de meest geschikte installatie. Energiemanagement speelt een belangrijke rol in dit opzicht. De primaire taak van energiemanagement is de efficiënte verdeling en gebruik van de procesgassen en aangekochte brandstoffen. Een goede fabrieksindeling kan deze taak verder vergemakkelijken.

Cokesovengas (COG), hoogovensgas (HO gas) en basische zuurstofovengas (BZO gas) vormen de basis van het energiestelsel in een geïntegreerde staalfabriek. Het merendeel van de energiebehoefte wordt voldaan door deze gassen; het overige deel moet gebalanceerd worden met aangekochte energie, normaal elektriciteitsenergie en andere brandstoffen zoals brandstofolie.

Potentiëlen voor energie-efficiëntieverbeteringen bouwen grotendeels op lopende veranderingen in de ijzer- en staalsector. Ze ontstaan uit verbetering in invoerfactoren, uit technologieomzetting en retrofitting alsook uit recycling en afvalwarmteherwinning. Het potentieel in afvalwarmteherwinning is bijvoorbeeld immens. Momenteel gaat meer dan 50% van de energie verloren in veel van de staalfabrieken. Verlies treedt op als uitlaat en bijproductgassen die niet gebruikt konden worden voor elektriciteitsopwekking of lage warmte stoomproductie.

Hoewel de meeste maatregelen voor energie-efficiëntieverbetering kosteneffectief zijn en netto voordelen bieden binnen een bepaalde tijdsperiode, zijn er slechts weinig maatregelen geïmplementeerd of worden momenteel geïmplementeerd in veel van de ijzer- en staalfabrieken. Belemmeringen voor energie-efficiëntieverbetering zijn hoofdzakelijk beschikbaarheid van kapitaal in deze ijzer- en staalfabrieken.

Verbetering van SEC

Verbetering van SEC wordt verkregen door het volgende:

• Door de energie-efficiëntie van het proces te verbeteren
• Door de juiste invoermaterialen van het proces te selecteren
• Door de energieverliezen uit het proces te verminderen of te dichten
• Door de afvalwarmte uit het proces te herwinnen.
• Door de monitoring van het energieverbruik te verbeteren door het energiemanagementsysteem.

De verbetergebieden worden geïdentificeerd door middel van juiste energie-audits. De audits kunnen ofwel intern of door gekwalificeerde externe instanties gedaan worden. De verbetergebieden moeten gecategoriseerd worden in drie categorieën:

• Korte termijn – Dit zijn die verbeteritems die geïmplementeerd kunnen worden met praktisch geen investering of heel weinig investering. Dit zijn meestal procesverbeteringen, verbeterde monitoring, recycling van afval, en verbeteringen in procesinputs etc.
• Middellange termijn – Deze verbeteringen hebben toevoeging/vervanging van bepaalde apparatuur/instrumenten nodig die een heel snelle terugverdientijd hebben.
• Lange termijn – Deze verbeteringen hebben substantiële investeringen nodig en kunnen het afbreken van de oude apparatuur/proces inhoud.

Voor het implementeren van een van de bovenstaande verbeteringen is managementondersteuning een essentieel ingrediënt. Zonder de steun van het management, kan een energie-efficiëntieverbeteringsprogramma niet slagen.