Optimalna raba energentov v obločni peči Optimal Energy Use in Electro Are Furnace Janez Bratina, Alojz Rozman , Železarna Ravne, Ravne na Koroškem Optimiranje stroškov uporabljenih energentov v obločni peči omogoča cenejšo proizvodnjo jekla. Poleg električne energije sta najpogostejša energenta kisik (z eventuelnim dodajanjem ogljika) in zemeljski plin. Za ekonomično uporabo energentov je poleg njihovih fizikalnih zakonitosti upoštevati tudi cene. Ključne besede: obločna peč, stroškovno energijsko optimiranje, energijska vrednost vpihanega kisika, cene energentov. With optimal energy use of different energy sources in an electeric are furnace we can produce steel economically. Besides electric energy, the most frequently used energents are oxygen (with optional carbon use) and natural gas. For maximum economic efficiency not only knovvn real energy values bat also energy prices, have to be considered. Key words: electric are furnace, energy cost optimum, oxygen energy value, energy prices. 1 Energijski delež energentov v obločni peči Klasična tehnologija izdelave jekla v obločni peči je zahtevala cca 70% delež električne energije v bilanci potrebne energije, medtem ko je ta delež pri modernih tehnologijah še samo 30% do 40%. Take rezultate so lahko zagotavljale močnostne obločne peči s specifičnimi transformatorskimi močmi nad 600 kVA /1 ter seveda uporaba dodatnih (neelektriških) energentov, kar vse je omogočilo doseganje šaržnih časov okrog 60 min. Vse ostrejši stroškovni pritiski pa so poleg energijskega maksimiranja za čim krajše izdelavne čase stavili v ospredje predvsem stroškovno energijsko optimiranje m to v vseh fazah izdelave jekla v obločni peči. "Izkoristek električne energije" kot razmerje med potrebno (W = 400 kWh/t) in dovedeno električno energijo (Wd = 400 - 500 kWh/t) je dosegel vrednost 100%, kar pomeni, da lahko v moderni obločni peči vse njene toplotne izgube pokrivamo z drugimi neelektriškimi ener-genti. 2 Energijska vrednost vpihanega kisika Energijska vrednost vpihovanja kisika v peč je odvisna od razpoložljivih oksidantov v vložku, od načina vpihovanja kisika in od količin v peč dovedene ga kisika. Maksimalno dosežene vrednosti, ki so bile dobljene pri dodajanju ogljika za penečo žlindro, so visoko nad 100 kWh/t m so bile dosežene pri specifični porabi kisik nad 45 kgO; /1. Bilančni pregled potreb po kisiku za tipično sestavo vložka podaja Tabela 1, iz katere je razvidno: - da je za prikazan prmier naravna t j. tehnološko nujna količina kisika med 25 kg02 /1 in 35 kg02 /1, - da je ustrezen energijski efekt med 80 kWh /1 in 100 kWh /1, - da je specifična energijska vrednost kisika med 2.9 kWh/t m 3.6 kWh/t. Pri tem so stroški tako pridobljene kWh odvisni od potrebnih energentov in njihovih cen; kalkulativni energijski stroški izhajajo iz sledečih vrednosti: Če predpostavimo, da nam z vpihavanjem kisika v talino peči da je 1 kg kisika z naravno oksidacijo odgornih elementov 3.2 kWh, dobimo pri ceni kisika med 15.7 Pf /kgO, in 24.3 Pf/kgO, strošek tako pridobljene kWh: (15.7 -24.3) Pf/kg02 : 3.2 kWh/kg = 4.9 - 7.6 Pf/kWh. Če presežemo količine kisika, ki so potrebne za naraven odgor, je potrebno v ceno kWh prišteti še ceno ogljika; pri ceni karburita 70 Pf / kg dobimo ceno kWh: - pri popolnem zgorevanju :(lx(15.7-24.3)Pf / kgO+0.3 5 5 x70 Pf/kgC) /3.2 kWh /kg = 12.7-16.4 Pf/kWh - pri nepopolnem zgorevanju: (lx(l5.7-24.3)Pf/kg02+ 0.75x70 Pf/kgC)/1.68 kWh/kg = 38.9-45.7Pf/kWh Energijska vrednost v peč vpihanega kisika je kot funkcija uporabljenih količin kvadratična parabola, ki kaže na znano dejstvo, da se z naraščajočo količino kisika na tipični način (z zasičenjem) zmanjšuje njegova energijska vrednost: Y (kWh / kg) = a.X2 (kg02 /1)2 - b.X ( kg02 /1) + c Po Inagaki1 so zgornji parametri a=0.138, b=8.382, c=520. Izmerjene vrednosti na UHP 45 t na Ravnah potrjujejo japonske ugotovitve. Potek funkcije po navedeni kvadrati- Tabela 1: Energijska vrednost odgora elementov v obločni peči Table 1 :Elements yield energy value C Si Mn Cr Fe Skupaj Odgor % 0.45 0.25 0.2 0.05 2.0-4.0 - kg/t 4.5 2.5 2.0 0.5 20-40 kg/kg 02 12/32 =0.375 28/32 = 0.875 55/16 = 3.438 104/48 = 2.167 110/48 = 2.292 kg02 /1 12.00 2.86 0.581 0.231 8.72-17.45 24.4-33.1 kWh /kg02 3.5 7.9 2.5 3.27-3.54 kVVh /1 42.0 22.6 21.8-43.6 86.4-108.2 02 (kg/t) Slika 1: Energijska vrednost kisika v obločni peči Figure 1: Oxygen energy value in electro are furnace čni paraboli kaže slika 1; vidimo, da obstoja neka količina kisika, pri kateri postane njegova energijska vrednost nič: X0 = b / (2.a) = 30.4 kg02 /1 Stroškovno optimalna količina kisika kotenergijskega nosilca, s katerim nadomeščamo električno energijo, je odvisna tako od cene električne energije Ce (Pf / kWh) kot od cene kisika Ck (Pf / kgOJ; najnižje skupne energijske stroške bomo dobili pri: X00 = (b-Ck/Ce)/(2.a) (kg02 / t) Na sliki 2 je prikazana stroškovno optunalna poraba kisika v odvisnosti od razmerja cen kisika in električne energije. Razpon današnjih cen kisika in električne energije je glede na veljaven tarifni sistem za električno energijo odvisen 012345678 0.5 1.5 2.5 3.5 4 5 5.5 6.5 7.5 (DEM/kg02)/(DEM/kWh) Slika 2: Optimalne količine kisike v obločni peči Figure 2: Optimum energy use in electro are furnace predvsem od časa, v katerem obratuje ob ločna peč (ponoči-podnevi, pozimi-poleti), ter od možnosti v oskrbi s kisikom; razpon razmerij cen se giblje med 2 in 7 in daje optimalne količine kisika med 25 kgC> /1 in 5 kgO; /1. Če v stroškovno energijsko optimiranje vključimo še obračun stalnih stroškov, ki jih je potrebno zajeti v toni proizvoda, nam moč dodatnega energijskega vira s skrajšanjem izdelovalnih časov zmanjšuje tudi njihov delež v skupnih stroških; količina kisika, kije potrebna za doseganje najnižjih skupnih stroškov, je poleg razmerja cen kisika in električne energije odvisna še od višine stalnih stroškov A(Pf / kWh), preračunanih na teoretično potrebno električno energijo za izdelavo jekla: Xoo= (b - Ck / (Ce+A) / (2.a) (kg02 /1) Naprave z velikimi stalnimi stroški bodo torej zahtevale večjo porabo kisika, kot bi ga sicer določalo le razmerje cen. Iz podane enačbe tudi sledi, da obstoja mejno razmerje cen energentov, pri katerem se nahaja stroškovni opti-mum pri količini kisika nič. Ob tem je pripomniti, da zgornjo izvajanje velja le za obratovanje, pri katerem pomeni skrajšanje izdelovalnih časov povečanje prodaje. Pri nespremenjenem obsegu prodaje ima skrajšanje izde-lavnih časov bistveno manjši vpliv na zmanjšanje skupnih stroškov: deleži stalnih stroškov se ne spreminjajo, zmanjšujejo se le vsi časovno odvisni specifični potroški. Relativne stroške izdelave jekla pri uporabi kisika in pri upoštevanju stalnih stroškov kaže slika 3 . Razpon stalnih stroškov, ki se pri domačih proizvajalcih giblje od 15 DEM /1 do 120 DEM/t, daje vrednosti stalnih stroškov A=3,75-30.00 Pf/kWh. tS i 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Q: 02 (kg/t) Slika 3: Optimalne količine kisika v obločni peči z upoštevanjem stalnih stroškov Figure 3: Optimum oxygen use in electric are furnace with regard to fixed costs 3 Energijska vrednost zemeljskega plina Energijska vrednost zemeljskega plina se pri njegovem zgorevanju s pomočjo oxy-fuel-air gorilcev v prostor obločne peči računa s cc 7 kWh/Sm3, kar predstavlja pri gorilni vrednosti zemeljskega plina 9,47 kWh/Sm3 za toplotno tehnično neugodno konstrukcijo obločne peči visok povprečni toplotni izkoristek (74%) zgorevanja plina v peči. Vendar je ta podatek le navidezno tako ugoden, saj običajni referenčni toplotni efekt zgorevanja zemeljskega plina, ki ga omogoča zgorevanje z visokim presežkom kisika, povečuje "naravno" zgorevanje oksidantov v vložku, česar seveda ne moremo in ne smemo pripisovati uporabi zemeljskega plina. Za popolno zgorevanje zemeljskega plma s kisikom potrebujemo za 1 Sm3 zemeljskega plina 2.736 Skg kisika in pri tem dobimo 7 kWh.Energijski strošek je: - pri 100% uporabi kisika: (28 0 Pf / Sm3 + 2.736x (15.7-24.3 (Pf/kg02)))/7.0= 10.13 -13.49Pf/kWh - pri 50% uporabi kisika pa: 7.57 - 8.75 Pf/kWh Upoštevanje energijske vrednosti naravnega odgora vložka pomeni dejansko zmanjšanje energijske vrednosti zemeljskega plina: realne vrednosti zemeljskega plina so pri termičnem izkoristku obločne peči 50% le okrog 5 kWh / Sm3. Seveda je pri obravnavi gospodarnosti uporabe zemeljskega plina v obločni peči potrebno poudariti še njegove druge pomembne prednosti: enakomernejše taljenja vložka, preprečevanje sesutja vložka v krater pod elektrodo, doseganje enakomernejše temperature žlindre po površini, kontrolirano zgorevanje plina in oksidantov vložka z vodenjem presežka kisika in z vodenjem oblike m temperature plamena, ki ga omogoča zvezna nastavitev razmerja kisik / zrak. Upoštevati je tudi druge tehnološke posebnosti obločnih peči, ki uporabljajo zemeljski plin, kot so izkoriščanje toplote dimnih plmov za sušenje in predgrevanje vložka ali izkoriščanje toplote iz vodnega hladilnega sistema. 4 Zaključek Stroškovno optimiranje različnih energentov v elektrooblo-čni peči mora poleg fizikalnih zakonitosti pri prenosu toplote na vložek upoštevati stroške, ki nastajajo pri njihovi uporabi. Pri uporabi električne energije in vpihovanjukisika v talino so optimalne količine kisika lahko določljive in so odvisne izključno od razmerja cene kisik / električna energija. Ker se cena električne energije skladno s tarifnim sistemom menja tako v teku dneva oziroma tedna kakor tudi glede na sezone, se optimalne količine kisika spremmjajo sorazmerno s ceno električne energije: čim nižja je cena električne energije, tem manjša je optimalna količina kisika in obratno. Cena kWh različnih energentov v EOP Vplhovanje 02 + dodajanje ogljika Vpihovanje 02: 24.3 Pf/kg02 Vplhovanje 02: 15.7 Pt/kg02 Zgorevanje ZP + 02 Zgorevanje ZP + 02 + zrak Električna energija MT VS Električna energija MT NS 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 kg02/t Slika 4: Pregled cen energentov Figure 4: Energy priče overview Pospeševanje potrebe po kisiku z dodajanjem karburita v talino obločne peči je s čisto energetskega vidika zaradi njegove visoke cene neupravičeno; da bi veljal kot pomembnejši energent v obločni peči, bi morala biti njegova cena vsaj trikratnižja od sedanje vrednosti. Uporaba zemeljskega plina kot tretjega energenta v obločni peči je odvisna * predvsem od razmerja njegove cene proti cenam kisika in električne energije; za intenzivnejšo uporabo zemeljskega plina v obločni peči je ta v naših domačih razmerah še vedno predrag, saj je cena preko zemeljskega plina dobljene kWh reda velikosti cene električne energije, zato ga uporabljamo v primerih potrebnega inenziviranja proizvodnje jekla ter za zmanjšanje koničnih obremenitev v odjemu električne energije. Dolgoletna neuspešna slovenska prizadevanja, da bi pričeli zemeljski plin uporabljati za sicer ekološko sprejemljivo kogeneracijsko proizvodnjo električne energije, le dokazujejo njegovo nespremenljivo ceno, ki jo bremenijo visoki stalni stroški slabo izkoriščenega omrežja Aktualna cenovna razmerja med energenti elektroobločne peči prikazuje slika 4. S Literatura ' E. Inagaki: Integrated Oxygen Enrichment Control to attain Maximum Overall Economy m Steelmaking Are Furnaces; UIE Malaga 1988 2 G. Gitman, V. Sver: Pyretron System for the DC EAF; 14th Annual Symposium Process Control System For Electric Furnace Steelmaking; Atlanta, Georgia, November 1992