Енергийна ефективност в стоманодобива

Енергийна ефективностСп. Енерджи ревю - брой 6, 2020 • 20.11.2020

Предприятията от стоманодобивната индустрия активно управляват енергопотреблението си. Пестенето на енергиен ресурс в сектора е от критично значение за гарантиране на конкурентоспособността на промишления отрасъл и минимизиране на въздействията върху околната среда, например генерирането на емисии от парникови газове. Пряката въглеродна интензивност на стоманодобива е относително непроменлива (в границите на 20%), като в рамките на последните няколко години стойността на този показател се доближава до нивата от периода между 2000 и 2008 г. За да се постигне съответствие със Сценария за устойчиво развитие (SDS) на Международната агенция по енергетика (IEA), въглеродната интензивност на производството на сурова стомана трябва да намалява средно с 2,5% годишно до 2030 г.

Реализирането на тази цел и поддържането на резултатите след 2030 г. няма да бъде лесна задача. 

Благодарение на подобрения в енергийната ефективност въглеродната интензивност на стоманопроизводството спада значително, но експерти смятат, че скоро възможностите за допълнителна оптимизация на ефективността ще бъдат изчерпани. Затова, за да се осъществи необходимата дългосрочна промяна, от критично значение ще бъдат иновациите, насочени към комерсиализацията на нискоемисионни методи за преработка, включително такива, интегриращи водород и улавяне, използване и съхранение на въглероден диоксид. Постигането на тази цел изисква осигуряване на финансиране за научноизследователска и развойна дейност, създаване на пазар за стоманопроизводство с почти нулеви емисии, внедряване на разпоредби за задължително редуциране на емисиите на CO2, разширяване на международното сътрудничество и развитие на поддържаща инфраструктура.

 

Пазар и енергопотребление

Търсенето на стомана е ключов определящ фактор за енергопотреблението и отделянето на емисии на въглероден диоксид от стоманената индустрия. През 2018 г. производството на стомана в световен мащаб бележи ръст от 5%, достигайки 1817 Mt след регистриран ръст от 6% през 2017 г. Тъй като Китай държи почти половината от глобалното стоманопроизводство, страната се счита за една от движещите сили на глобалните тенденции. След стагнация между 2013 и 2016 г., през периода 2017-2019 г. производството нараства с 6-8% годишно. От няколко години насам Китай полага усилия да затвори излишния производствен капацитет, включително нелегални предприятия. Това отчасти обяснява ръста на производството в официалната статистика, тъй като законните инсталации поемат донякъде поръчките на вече затворените заводи. Очаква се поради ръста на населението и брутния вътрешен продукт търсенето на стомана да продължи да се увеличава, особено заради икономическото развитие в Индия, държавите от Асоциацията на страните от Югоизточна Азия (АСЕАН) и Африка.

Внедряването на стратегии за ресурсна ефективност и редуциране на загубите и оптимизирано използване на стоманата в рамките на веригата на стойността може да допринесе за ограничаване на търсенето, което ще позволи на сектора да постигне съответствие с SDS. Тези стратегии включват увеличаване на стоманодобива и производството, директно повторно използване на стоманата (без претопяване), удължаване на периода на експлоатация на сградите и др.

През 2018 г. енергийната интензивност на сектора пада с 3,6% в сравнение със средните годишни отклонения от 1,3% между 2010 и 2017 г. Въпреки че тези намаления са положителни, те произлизат предимно от подобрения в енергийната ефективност на конвенционални процеси, както и от малкото увеличение в производството на стомана от скрап, а не от прехода към нисковъглеродни производствени методи. Стоманеният сектор все още е силно зависим от въглищата, които задоволяват 75% от енергийните потребности. Енергийната ефективност е важна за постигането на съответствие с SDS, но сама по себе си не може да доведе до декарбонизация на сектора. Необходима е промяна с цел цялостна трансформация, като основата за технологичните иновации в това направление трябва да бъде поставена преди 2030 г., смятат от IEA.

 

Производство от скрап

Производството на стомана от скрап осигурява възможност за намаляване на енергопотреблението и емисиите на CO2, тъй като процесът е със значително по-ниска енергийна интензивност в сравнение с първичното производство от желязна руда. Скрап се използва като основна суровина предимно в електродъгови пещи, в по-малка степен и в индукционни пещи. През 2018 г. производството на стомана от скрап в електродъгови и индукционни пещи възлиза на 20%, аналогично на предходните години.

Скрап се използва и с рудна суровина при конверторно производство, обикновено при нива от 15 – 20%, като това води до увеличаване на енергийната ефективност. Освен това около 10% скрап се прибавя и при производството на директно редуцирано желязо. Като цяло около 35% от суровината за производството на общото количество сурова стомана в света е скрап.

Въпреки че разходите за базираното на скрап производство често са по-ниски в сравнение с първичното производство, наличието на достатъчно суровина може да се окаже проблем. Понастоящем в световен мащаб нивото на събираемост на скрап е около 85%, като този процент варира в зависимост от приложението на материала – от 50% за структурна стомана до 97% за индустриално оборудване. За да се постигне съответствие с SDS до 2030 г., глобалният пазарен дял на работещите със скрап електродъгови и индукционни пещи трябва да надхвърли 28%, дори като се вземе предвид нарастването на общото количество продукция. Използването на скрап суровина трябва да заеме дял от 40% от общото производство на сурова стомана. Постигането на това ниво ще бъде опосредствано от увеличаващата се наличност на скрап, дължаща се на достигането на края на експлоатационния живот на стоманата, произведена през последните няколко десетилетия. За да се гарантира оползотворяването на целия наличен скрап обаче, са необходими подобрения в методите за събиране и сортиране.

Дори при високи нива на рециклиране, наличието на скрап ще зададе горна граница на потенциала за производство на стомана от рециклирани суровини. С оглед на това, декарбонизацията на сектора може да се осъществи и чрез увеличаване на базираното на газ производство на директно редуцирано желязо, при което се отделят по-малко емисии в сравнение с използването на въглища при конверторното производство. Допълнително предимство е, че в производството на директно редуцирано желязо по-лесно могат да бъдат внедрени технологии за улавяне, съхранение и използване на въглероден диоксид или да се премине към работа на водород.

 

Повишаване на енергоефективността на термичните процеси

Една от възможностите за увеличаване на енергийната ефективност в стоманодобива е подобряването на дизайна на пещите чрез оптимизиране на ключови техни характеристики (брой и вид горелки, въздухонепропускливост и изолация посредством подходящи огнеупорни материали), минимизиране на топлинните загуби при отварянето на съоръженията и свеждане до минимум на броя опорни структури във вътрешността на пещта.

Конструкцията на пещта и степента на изолация оказват значително въздействие върху топлинната ефективност. Пещта, заедно с броя и капацитета на горелките, се изчислява внимателно въз основа на няколко реалистични производствени сценария. Отчитат се различни температури на нагряване на суровината, различия в ритъма на производство, дължащи се на изменение на суровината или технологията и др.

Друг подход е предприемането на мерки, насочени към максимално увеличаване на ефективността на енергийното преобразуване в пещта и същевременно поддържане на минимални емисии, особено на въглероден оксид. Това се постига чрез комбинация от техники, включително подходяща конструкция на пещта, оптимизиране на температурата (т.е. ефективно смесване на горивото и горивния въздух) и времето на престой в горивната зона, както и използването на решения за автоматизация и управление на пещта.

Автоматизацията на пещта е насочена към управление на горивния процес, потреблението на енергия, манипулирането с материали, температурния контрол и безопасността. В допълнение се осигурява възможност за регулиране на съотношението въздух-гориво за постигането на оптимално горене, което, от своя страна, свежда до минимум емисиите на азотни оксиди.

В случай че налягането в пещта е по-ниско от атмосферното, през отворите в камерата ще постъпва студен въздух и обратно – ако е над атмосферното, горещите газове ще излизат през същите отвори. С цел поддържане на енергийна ефективност, експлоатационна стабилност и необходимото качество на продукцията пещите обикновено работят при леко положително налягане спрямо околния въздух. Друга причина за това е осигуряването на безопасност чрез предотвратяване на навлизането на въздух, който може да доведе до получаване на взривоопасна смес, особено при запалването на пещта.

Контролирането на съотношението въздух-гориво е необходимо за регулиране на качеството на горене, тъй като осигурява стабилност на пламъка и пълно изгаряне. Настройването на този параметър възможно най-близко до стехиометричните условия води до по-висока ефективност на горивото и намалени количества отработени газове и енергийни загуби. Измерването на концентрацията на кислород в горивните продукти в пещта може да се използва за индикатор на необходимост от регулиране на съотношението въздух-гориво.

Конвенционалното отгряване в пещи се провежда в условия на водородна/азотна атмосфера, състояща се от около 5% водород и 95% азот. В някои случаи може да се използват и до 7% водород. Високоефективното водородно отгряване на стоманени намотки включва използването на 100% водород и води до подобряване на производителността, механичните свойства, повърхността и качеството на продукта. По този начин се увеличава топлообменът чрез конвекция между газа и стоманената повърхност, което се дължи на относително по-високата топлопроводимост на водорода. Ефектът е приблизително 60% по-висок конвективен топлообмен. По-малкият размер на водородните молекули в сравнение с азотните позволява и по-лесно проникване на газа в малката междина между слоевете навита стоманена лента. Тъй като водородът има по-голяма способност да поглъща топлина, той увеличава аксиалната топлопроводимост в намотката с коефициент около 7.

В допълнение по-ниското специфично тегло на водорода дава възможност за по-висока циркулация на газа за топлообмена.

 

Оползотворяване на топлината от димните газове

Топлината от отработените газове от нагревателните пещи може да се оползотвори за предварително подгряване на суровината. Дори след регенеративни горелки и котел, работещ с отпадна топлина, енергията на газовете е достатъчна за нагряване на суровинния материал до 400°C. Проучвания установяват, че в резултат на този подход могат да бъдат реализирани енергийни спестявания в нагревателните пещи до 20%.

За да се подобри топлинната ефективност на пещите, отработените газове от пещта могат да се използват за предварително подгряване на горивния въздух. Топлинната ефективност нараства с повишаване на температурата на горивния въздух и понижаване на температурата на отпадъчните газове. Като цяло, за целта се използват два вида системи – регенеративни и рекуперативни горелки. Регенеративните системи включват набор от топлообменници. Когато едната горелка работи, пещните газове се подават към втората горелка. Отпадните газове преминават през регенератор, съдържащ пълнеж от огнеупорни или керамични материали, които се нагряват и съхраняват енергията, която впоследствие се използва за предварително подгряване на горивния въздух. Когато тези материали са нагрети до крайност, работещата горелка се изключва и се пуска регенеративната.

Рекуператорите са топлообменни апарати, оборудвани с отвор за изпускане на отработените газове, който дава възможност за непрекъснат топлопренос през нагревателните повърхности към постъпващия горивен въздух. Възможни са различни конструкции на оборудването за тези системи. Съществуват няколко вида рекуператори – излъчвателни, конвективни и др.

 

ЕКСКЛУЗИВНО


Top