Energi- och exergiflöden i stålframställningsprocesser vid SSAB Tunnplåt AB i Luleå

2007:080 CIV

E X A M E N S A R B E T E

Energi- och exergiflöden i stålframställningsprocesser vid SSAB Tunnplåt AB i Luleå

Marina Verbova

Luleå tekniska universitet Civilingenjörsprogrammet

Rymdteknik

Institutionen för Tillämpad fysik, maskin- och materialteknik

Avdelningen för Energiteknik

Energi- och exergiflöden i

stålframställningsprocesser vid SSAB Tunnplåt AB i Luleå

Marina Verbova

Copyright c Marina Verbova (2006). This document is freely available by con- tacting Marina Verbova, marina@segfault.se. The document may be freely dis- tributed in its original form including the current author’s name.

This document was typeset in Times 12pt, in L

TEX 2ε .

Förord

Detta examensarbete utgör sista momentet på civilingenjörsutbildningen i rymd- teknik med inriktning atmosfärsfysik. Examensarbetet omfattar 20 högskolepoäng och är utfört inom institutionen för tillämpad fysik, maskin och materialteknik, avdelningen för energiteknik vid Luleå tekniska universitet.

Examensarbetet har utförts på uppdrag av SSAB Tunnplåt AB i Luleå, under vårterminen 2006. Dess målsättning är att studera energiflöden på SSAB Tunnplåt i Luleå och att skapa modeller för att lättare överblicka dessa.

Tiden på SSAB var rolig, intressant och lärorik. Det var ett smakprov på ett riktigt ingenjörsarbete. Och i början kändes det även lite pirrigt eftersom jag fick fria händer i mitt arbete.

Jag vill tacka alla som har varit inblandade i detta examensarbete. De som de- lade med sig av sin tid och kunskap och de som gav mig sitt stöd är framförallt mi- na handledare Jan Dahl (Luleå tekniska universitet), Kjell Andersson (FoU SSAB Tunnplåt AB, Luleå) och Carl-Erik Grip (FoU SSAB Tunnplåt AB, Luleå), mfl.

Det har varit ett nöje att jobba med er.

En ros till min familj och Fredrik.

Luleå, december 2006.

Marina Verbova

Sammanfattning

Energi kostar idag mycket och därför behöver energianvändningen effektiviseras i de flesta företag. För att effektivisera energianvändningen på en industri behö- ver energiflöden kartläggas, undersökas och kontinuerligt mätas och bevakas. En metod som kan användas för detta är energibalansberäkning. Metoden ger möjlig- het att särskilja mellan olika energiflöden och visa vart varje energiflöde går. En annan metod som innehåller allt detta men också tar hänsyn till energins kvalité är exergibalansberäkning. Exergiberäkning ger oss möjlighet att uppskatta hur ef- fektivt ett system är och även finna brister i systemet, vilket är grundmotivationen för förbättringar. Syftet med detta examensarbete är att studera energiflöden ur mängd- och nyttighetsperspektiv vid SSAB Tunnplåt AB i Luleå. Syftet är också att skapa en modell som kan användas för beräkning av energi- och exergiflöden vid olika processer på verket.

Genomförandet av denna uppgift inkluderade problem- och literaturstudier, analys av processer vid verket, val av systemgränser, bred datainsamling, skapan- de av balanser med hjälp av termodynamiska samband och att ta fram en modell i form av ett kalkylbladsystem.

Den färdiga modellen, som också härleds i rapporten, testades för en typisk

vintermånad. Resultatet av denna beräkning redovisas i rapporten som ett exempel

på modellanvändning. Resultatet jämförs också med en analys från en liknande

studie från 1989.

Abstract

Energy costs are high nowadays and that is the reason why the energy consump- tion needs to become as small as possible in most of the companies. To accomplish the small energy usage one needs to map the energy flows, study them and moni- tor them. One method that can be used for this is energy balance calculation. The method gives an opportunity to separate different energy flows and see where each flow is heading. There is also another method which is more advanced than energy balance calculation. This method is called exergy balance calculation; it contains everything of the energy balance calculation and also takes the quality of energy into account. Calculation of exergy gives a possibility to estimate how effective a system is in terms of energy consumption and to find deficiencies which is the basic motivation for improvements. The purpose with this Master’s Thesis is to study the energy flows within the scope of amount and quality at SSAB Tunnplåt in Luleå, Sweden. The purpose is also to create a model which can be used in energy and exergy balance calculations for different processes at the ironworks.

The realization of this assignment included problem investigations as well as literature surveys. The processes at the ironworks were analyzed. The system boundaries were defined. An extensive data collection was made. The balances were created with help of thermodynamic relations. And a model in the form of a spreadsheet was made.

The finished model, which is derived in this report, was tested for a typical

winter month. The results from this calculation are shown in the report as an ex-

ample of the model usage. The result is also compared with a similar study from

1989.

Innehåll

1 Introduktion 1

1.1 SSAB Tunnplåt i Luleå . . . . 1

1.2 Allmänt om uppgiften . . . . 1

1.2.1 Syfte . . . . 1

1.2.2 Bakgrund för energistudier . . . . 2

1.2.3 Tidigare arbeten . . . . 2

2 Teori och metod 5 2.1 Energi och exergi . . . . 5

2.2 Metod och antaganden . . . . 6

2.3 Tillvägagångsätt . . . . 7

2.4 Teori . . . . 8

3 Processbeskrivning av anläggningarna 13 3.1 Introduktion . . . . 13

3.2 Koksverk . . . . 13

3.2.1 Ugnsbatteriet . . . . 14

3.2.2 Gasreningsanläggningen . . . . 15

3.2.3 Släcktornet . . . . 15

3.2.4 Ångpannor . . . . 16

3.3 Hyttanläggningen . . . . 16

3.3.1 Råmaterialhanteringen . . . . 16

3.3.2 Kolinjektionsanläggningen . . . . 17

3.3.3 Blåsmaskinen . . . . 18

3.3.4 Cowprarna . . . . 18

3.3.5 Masugnen och gasbehandlingen . . . . 18

3.4 Stålverket . . . . 20

3.4.1 Svavelrening . . . . 20

3.4.2 LD-konverter . . . . 21

3.4.3 CAS-OB och RH . . . . 21

3.4.4 Stränggjutning . . . . 21

4 Resultat 23 4.1 Inledning . . . . 23

4.2 Koksverk . . . . 25

4.2.1 Batteri . . . . 28

4.2.2 Gasrening . . . . 34

4.2.3 Släckning . . . . 38

4.2.4 Ångpannor . . . . 41

4.3 Hyttanläggning . . . . 44

4.3.1 Masugn 3 . . . . 47

4.3.2 Cowprar . . . . 52

4.3.3 Blåsmaskin . . . . 56

4.4 Modellens utseende . . . . 58

5 Diskussion 62 5.1 Allmänt . . . . 62

5.2 Jämförelse med en liknande utredning från 1989 . . . . 63

5.3 Framtida arbete . . . . 64

5.4 Slutsatser . . . . 65

Referenser 67

Symbolförteckning

ρ Densitet kg/m

c

Specifik värmekapacitivitet vid konstant tryck J/(kgK)

E Energi J,Wh

E

Kinetisk energi J,Wh

E

Potentiell energi J,Wh

Ex Exergi J,Wh

H Entalpi J,Wh

h Entalpi per massenhet J/kg

H

Undre värmevärde J/kg, J/m

H

Övre värmevärde J/kg, J/m

m Massa kg

m

Viktandel %

p Tryck bar, Pa, mmVp, atm

p

Referenstryck bar, Pa, mmVp, atm

Q Värmemängd J/Wh

R Gaskonstant J/(kgK)

S Entropi J/kg

T Temperatur

C, K

T

Referenstemperatur

C, K

U Inre energi J,Wh

V Volym m

v

Volymandel %

V

Normalvolym m

W Arbete J,Wh

1 Introduktion

Detta examensarbete är utfört på ett uppdrag av SSAB Tunnplåt AB i Luleå under vår-sommar 2006.

1.1 SSAB Tunnplåt i Luleå

SSAB Tunnplåt AB i Luleå är det största dotterbolaget i Svenskt Stål AB. Kon- cernen är ett av Sveriges största företag och världsledande inom tillverkning av höghållfasta stål och kylda stål.

SSAB Tunnplåt är Nordens största tillverkare av tunnplåt. Bolaget har totalt ca 4 300 anställda i tillverkningsorterna Borlänge, Luleå, Finspång, Ronneby samt i utländska dotterbolag. I Luleå arbetar ca 1 300 personer.

I Luleå finns den metallurgiska produktionen inom bolaget med koksverk, ma- sugn, stålverk och stränggjutning. Kol till koksverket importeras bland annat från Australien, USA och Kanada. Malmen utgörs av pellets från LKAB i Malmberget och Kiruna.

Luleå levererar årligen ca två miljoner ton stålämnen till Borlänge för vidare- förädling. Ämnen skickas vanligtvis fyra gånger per dygn via järnväg.

1.2 Allmänt om uppgiften

1.2.1 Syfte

Syftet med detta examensarbete är att studera energiflöden ur mängd- och nyttig- hetsperspektiv vid SSAB Tunnplåt AB i Luleå. Syftet är också att skapa en modell som kan användas för beräkning av energi- och exergiflöden vid olika processer på verket. Modellen skall vara:

• lätthanterlig

• väldokumenterad

• lätt att förstå

Modellen har testats för en vintermånad och resultatet har redovisats som ett ex-

empel för modellanvändning. Som testmånad valdes februari 2005. Denna månad

valdes eftersom den anses vara en typisk vintermånad då energiåtgången är som

störst.

1.2.2 Bakgrund för energistudier

Utnyttjande av energi är ett nödvändigt villkor för att få en process att fungera.

Av Sveriges totala energianvändning enligt energimyndigheten stod industrin för 38 procent år 2004, medan bostäder och servicesektorn står för 39 respektive 23 procent. Av den totala industriella energin utgör stålverken en stor konsument. Det är också mycket energi som kan förloras via olika processer, tex energi i facklade gaser och avgaser och värme i kylvatten. Med dagens kostnader på energi anses låg energiförbrukning vara en förutsättning till ekonomisk välstånd.

SSAB Tunnplåt har följande miljöpolicy:

“Inom bolaget ska all verksamhet bedrivas på ett resurssnålt och effektivt sätt vad avser användning av råvaror, energi och andra na- turresurser. Den affärsmässiga verksamheten förutsätter ett miljöar- bete som bidrar till en varaktig och hållbar utveckling av stålanvänd- ningen i samhället.”

För att utveckla och behålla så effektiv energianvändning som möjligt på en industri, behöver energiflöden undersökas och kanske till och med kontinuerligt mätas och bevakas. En metod som kan användas för detta är energibalansberäk- ning. Metoden ger möjlighet att särskilja mellan olika energiflöden och visa var varje flöde går. En annan metod som innehåller allt detta men också tar hänsyn till energins kvalité är exergibalansberäkning. Exergiberäkning ger oss möjlighet att uppskatta hur effektivt ett system är och även finna brister i systemet, vilket är grundmotivation för förbättringar.

Både energi- och exergibalansuträkningar är riktade mot beräkning av mini- malt resursbehov inom ett system. De visar hur effektivt material- och energiut- nyttjandet är i olika teknologiska processer. De kan även visa var potential finns för ytterligare resurssparanden. Mer om energi- och exergibalanser kommer i näs- ta kapitel.

1.2.3 Tidigare arbeten

Det är vanligt att ställa upp energibalanser på SSAB Tunnplåt. Energibalanser ställs upp vid behov både för enskilda anläggningar och för hela verket. De som ställer upp balanser är tex examensarbetare, doktorander och personal som har intresse av energiflöden. Exempel av sådant jobb kan ses i [1] och [2].

Exergiflöden beräknas däremot inte alls lika ofta. Det finns ett examensarbete

som gjordes år 1989 av L. Zetterberg [3]. Detta examensarbete berör exergiba-

lansberäkningar på hela verket för januari månad 1989. Jämförelse med de gamla

resultaten kan vara intressant nu, flera år senare. Jag kommer att jämföra våra

resultat i avsnitt 5.2.

Det finns en tydlig tendens: energibalanserna som ställs upp brukar vara olika

på grund av olika val av system och systemgränser på verket. Detta leder till att

man måste göra om allt jobb från början istället för att utveckla det som redan

finns. Då man har en modell med välbestämda förutsättningar kan man änvända

tiden till förbättring av den. Till exempel genom att forska om hur energiflöden

ändras vid olika årstider eller vad händer om ett systemet ändras teknologiskt.

2 Teori och metod

I detta kapitel jämförs begreppen energi och exergi, de energiformer som är in- tressanta i balansberäkningen beskrivs, metoden som används i arbetet definieras, förutsättningar för valet av systemgränser visas, referenstillstånd och dess val dis- kuteras och termodynamiska samband som används i beräkningar sammanfattas.

Det mesta av materialet är en sammanfattning av information från referenser [4, 5, 6, 7, 8, 9, 3, 1].

2.1 Energi och exergi

Energi är en rörelse eller förmåga till rörelse. Enligt energilagen: Energi kan varken produceras eller konsumeras. Detta visas matematiskt med hjälp av termo- dynamikens första huvudsats.

Det finns flera olika energiformer runt oss. Den dominerande energiformen som används i ståltillverkningsprocesser är kemisk energi, som först och främst kommer från kol, och tillför oftast den värmeenergi som behövs för att utföra olika processer. Stora mängder värmeenergi krävs till exempel för att reducera kol till koks, eller för reaktionerna i masugnen för att få råjärn av malm. Kemisk energi och värmeenergi är av intresse för sammanställning av energibalanser.

Dessutom används på verket en del andra sorters energi som till exempel bränsle för transporter och elektricitet. Stora mängder elektricitet används för bla förflyttning av material på verket, belysning och uppvärmning av lokaler och lik- nande. Ibland framgår även elanvändning i balanserna.

Energi kan endast omvandlas mellan olika former. Under energiformomvand- ligar förbrukas en del ordnad energi i ett energiflöde. För att kunna skilja på energi och ordnad energi används begreppet exergi.

Exergi är arbete (ordnad energi) eller förmåga till arbete. Man kan säga att till exempel elektricitet innehåller 100 procent exergi eftersom den är ordnad till 100 procent och den går att omvandla till alla möjliga sorters energi. Kemisk energi innehåller omkring 100 procent exergi, fjärrvärme - cirka 30 procent exergi, osv.

Enligt exergilagen: Exergi är den förgängliga drivkraft som får allting att ske.

Exergi hos ett system i en viss omgivning definieras som den mängd arbete som maximalt kan utvinnas ur systemet i denna omgivning.

När ordning minskar, ökar oordning, med andra ord ökar entropi. Detta visas

i fig. 1. Energi går genom systemet oförändrad, exergi minskar då entropi ökar.

Figur 1: Energi-, exergi- och entropiflöde genom systemet.

2.2 Metod och antaganden

Det är vanligt med periodiska processer i industrin. Med en periodisk process menas att varje steg av processen upprepar sig efter ett visst tidsintervall. Tack vare denna upprepning kan periodiska processer behandlas som stationära. Med en stationär process menas att alla parametrar av systemets in- och utflöden och inre parametrar av systemet inte förändras med tiden. I stationära system är inflöde av massa lika stort som utflöde.

För att beräkna energi- och exergiinnehåll i olika flöden i ett valt teknologiskt system bortsett från dess svårighetsgrad (separat maskin eller ett helt verk) kan man använda sig av en s.k. “svart låda koncept”. Detta innebär att systemgränser och information om flöden av material och energi in och ut ur lådan definieras väl.

Startprodukter med total massa m kommer in i systemet och bildar under någon process slutprodukter med lika stor massa som startprodukter. Under processen övergår startprodukterna från ett termodynamisk tillstånd till ett annat. Man ska också känna till vad som händer med materialströmmen mellan två identifierade gränser.

Referenstillstånd måste också väljas med omtanke eftersom exergi utgör mått på avvikelsen från en referensomgivning. För praktiska beräkningar kan antas att omgivningen har konstanta parametrar. Det finns alltså inga temperatur- och tryck- gradienter i omgivningen, inte heller förändringar i dess kemiska sammansättning.

Om alla dessa parametrar är lika stora med det analyserade systemets parametrar innebär det att systemet har ingen exergi kvar och kan då inte längre utföra något nyttigt arbete.

Valda referensvärden:

• Referenstemperatur T

= 0 grader Celsius.

• Referenstryck p

= 1 atm (karakteristisk tryck i standard atmosfär på havs- nivå)

Temperaturen valdes med hjälp av följande frågeställningar:

• Vad är det för medeltemperatur i Norrbotten?

• Vilken referenstemperatur används i liknande utredningar?

• Ska alla energi- och exergiflöden framgå om man sätter referenstemperatu- ren till tex 100 grader Celsius?

2.3 Tillvägagångsätt

Arbetet med uppgiften har delats upp i några steg:

1. Studier av teknologiska objekt på verket och processer som sker vid varje objekt.

För att kunna utföra uppdraget behövde man få en bra kännedom om proces- serna. Därför inleddes arbetet med personliga intervjuer av processansvarig personal samt studiebesök. Detta kombinerades med studier av processerna med hjälp av interna rapporter tex utbildningshäften och gamla examensar- beten, men också med literaturstudier av teori bakom energi- och exergiba- lanser.

2. Välja de system som ska analyseras.

Processerna som beskrivs i avsnitt 3 analyserades ur energiperspektiv. De processer som ansågs mest energikrävande valdes ut för modellering. Dessa processer visas i avsnitt 4.1.

3. Sätta tydliga systemgränser.

Systemgränser för varje system valdes utifrån följande aspekt:

• Var mätningar finns.

• Rådgivning med processkunniga anställda.

• Jämförelse med tidigare och relaterade jobb.

4. Samla data.

Detta steg var mest tidskrävande. Vägar för datainsamlingen var varierande:

• Använda verkets databaser som kontinuerligt samlar in mer eller mind- re noggrann mätdata från olika processer. Det finns 3 databaser på verket: MÖSS (masugn och stålverket), ABB (för koksverkets batteri) och FIX (för koksverkets gasbehandling).

• Kontakt med processkunnig personal på verket.

• Utföra mätningar.

• Använda data från liknande utredningar.

• Använda leveransdata.

• Läsa facklitteratur.

5. Skapa balanser.

Teori och metod som har använts för beräkning av energi- och exergiinne- håll i olika materieströmmar, som sedan används för sammanställning av balanserna beskrivs i detta avsnitt.

6. Skapa modell.

Alla balansrelaterade beräkningar dokumenterades i modellen. Modellen har termodynamisk teori i grunden. Dataverktyg som har använts för mo- delleringen är Microsoft Excel.

2.4 Teori

Energi. För att kunna beräkna värmeenergi i ett flöde krävs några enkla termo- dynamiska samband. Till exempel kan termodynamikens första huvudsats använ- das:

Q −W = ∆ E, (1)

där Q är värmemängd, W är arbete och E är den totala energin och

∆ E = ∆ U + ∆ E

+ ∆ E

. (2) För stationära system är ändringarna i E

och E

så små att de kan försummas.

Första termodynamikens huvudsats blir då:

Q −W = ∆U. (3)

Detta kan skrivas om med hjälp av entalpi H = U + pV :

Q = ∆H − p∆V +W. (4)

De flesta metallurgiska processer sker under konstant tryck, alltså arbete W är bara expantionsarbete W = P∆V , vilket ger:

Q = ∆H, (5)

eller

Q = mh. (6)

Med andra ord är det bara entalpiändringen som kan vara av intresse för ener- gibalansuträkningar. När inga kemiska reaktioner uppträder i systemet, kan ental- pin uttryckas med hjälp av tryck och temperatur:

dH =  ∂H

∂T



p

dT +  ∂H

∂p



T

d p. (7)

För konstant tryck gäller:

∆H = mc

∆T. (8)

När kemiska reaktioner uppträder i ett system definieras den totala entalpiändring- en då på följande sätt:

∆ H

= ∆ H + ∆ H

, (9) där H

är kemisk entalpi.

Exergikonceptet tillåter att energi behandlas mer konkret eftersom man tar hän- syn till entropi i beräkningar av den. Exergi kan delas upp i två sorter: exergi som bestäms utifrån de energier som inte påverkas av entropi, och exergi som bestäms utifrån energier som karakteriseras av entropi. Exergi för materialflöden kan delas upp i följande komponent:

Ex = Ex

+ Ex

+ Ex

+ Ex

, (10) där Ex

= kinetisk exergi, Ex

= potentiell exergi, Ex

= fysisk exergi och Ex

= kemisk exergi. De potentiella och kinetiska energierna är ordnade energiformer och omvandlas fullt till arbete, med andra ord är kinetisk exergi lika stor som kinetisk energi och potentiell exergi är lika stor som potentiell energi. På grund av detta behöver man inte ta hänsyn till de här exergiformerna vid beräkningar av exergibalanser. Det är de oordnade exergiformer, alltså är det kemisk och fysisk exergi som är av intresse. Ekvationen för exergi blir:

Ex = Ex

+ Ex

= ∆H

− T

∆S. (11) För fastfas och vätskefas gäller:

∆S = mc

ln T T

. (12)

För en ideal gas gäller:

∆ S = m

 c

ln T

T

+ Rln p

p



. (13)

Andra uttryck kan användas för att räkna ut exergimängd av ett flöde. Till exempel i en process där värmeenergi är känd:

Ex = Q



1 − T

T − T

ln T

T



, (14)

vilket kan vara användbart då vi vill bestämma exergimängd i tex ytförluster.

Förångninsexergi beräknas med hjälp av denna ekvation:

Ex = Q  T − T

T



. (15)

Balanser. För en stationär process definieras energibalansen som

E

= E

. (16)

För exergibalansen utifrån samma förutsättningar gäller:

Ex

− Ex

= Ex

. (17)

Med andra ord är energibalansen av ett system ett tankesätt som vill visa att energi som kommer in i systemet är lika stor som den energi som lämnar systemet.

På grund av komplexiteten i ståltillverkningsprocesser brukar det behövas fler flö- den än ett för att åstadkomma en process. Energibalansen visar hur energi ändrar form under processen, till exempel kemisk energi i en bränslegas blir till värme efter en förbränningsprocess. Exergibalansen visar i sin tur hur mycket energi vi kan ta reda på efter processen.

Energibalanserna är kvantitativa mått inom processer och exergibalanserna är kvalitativa mått.

Förbränning. Förbränning är en process då bränslets ingående ämnen (huvud- sakligen C och H

) förenar sig med syre som vanligtviss kommer från luften.

Avgas och aska bildas vid reaktionen. Avgasens sammansättning beror på bräns- lets sammansättning. Enligt förbränningslära kan man räkna ut mängd av luft som krävs för förbränning av ett bränsle och mängd avgas som man får i processen.

Man kan också räkna ut avgasens sammansättning och förbränningsenergi.

Värmevärde. Värmevärde är karakteristik av ett bränsle och säger oss hur myc- ket värme kommer att utvinnas när man förbränner bränslet fullständigt, med and- ra ord hur mycket kemisk energi bränslet innehåller. Värmevärdet delas upp i övre och undre värmevärde. Undre värmevärde H

som också kallas effektivt värme- värde bestäms för bränsle som innehåller fukt i ångform.

För beräkning av värmevärde för ett bränsle kan Dulongs formel [4] användas:

H

= 0, 339 · c + 0, 105 · s + 1, 21 · (h − o

8 ) − 0, 0251 · f , (18) där c, s, h, o och f står för bränslets viktsprocent av kol, svavel, väte, syre och fukt.

Bränsle som innehåller fukt i vätskeform karakteriseras av det övre värmevär- det som också kallas kalorimetriskt och räknas ut på följande sätt [4]:

H

= H

+ 0, 025 · (9 · h + f ) (19) Kemisk energi tas fram med hjälp av ekv. (6), där värmevärdet ska användas istäl- let för entalpi h:

E

= H

· m (20)

Observera att h i ekv. (18) och ekv. (19) står för viktprocent av väte och inte för entalpi.

Gasblandningar. Gasflöden utgör en stor del av energiflöden på verket. Koks- gas, masugnsgas, LD-gas och även luft är gasblandningar. För att kunna beräkna fysiska parametrar för gasblandningar behövs ekvationer som beskrivs i detta av- snitt.

Gaskonstant för en gasblandning definieras på följande sätt:

R = 1

∑

, (21) där v

= volymandel av gas i i gasblandningen och R

= gaskonstant av gas i.

För beräkning av gasblandningens specifika värmekapacitet per normal kubik- meter används följande ekvation:

c

=

∑

v

· c

, (22)

där C

är tillhörande specifika värmekapacitet.

Specifik värmekapacitet c

av en ideal gas beräknas som

c

= a

+ b

· T + c

· T

+ d

· T

, (23)

där a, b, c och d är tabellerade koefficienter och T är gasens temperatur och c

har enhet J/(molK).

Gasblandningens densitet beräknas med hjälp av följande ekvation:

ρ =

∑

v

· M

V

, (24)

där v

= volymandel av gas i i gasblandningen, M

= molekylvikt av en gaskompo- nent och V

= volym vid normaltillstånd, alltså vid 0

C och normalt lufttryck.

Kemisk bunden energi i råjärn. För att få råjärn av järnmalm måste man re- ducera den, med andra ord få bort syre från malmen. Den energi som går åt kallas för reduktionsenergi och motsvarar den kemiska energi som är bunden i råjärn.

Reduktionsenergi är lika stor som oxideringsenergi, alltså den energi som frigörs vid oxidering. Kemisk bunden energi i råjärn beräknas med hjälp av följande ek- vation:

Q = m · Q

=

∑

m

· Q

, (25)

där m är råjärnets massa, Q

är oxideringsenergi, m

är råjärnets biståndsdelens massa och Q

är bildningsenergi för biståndsdelens oxid. Q

fås ur termodynamis- ka tabeller.

Ytförluster. Höga temperaturer i ståltillverkningsprocesser ger upphov till yt-

förluster. Ytförlusterna kan härledas från konvektion och strålningsförluster.

3 Processbeskrivning av anläggningarna

3.1 Introduktion

På SSAB Tunnplåt i Luleå produceras stål av järnmalm som köps från LKAB i Kiruna och Malmberget. Verket är integrerat och består av eget koksverk, hyttan- läggning och stålverk. För att jag skulle kunna utföra min uppgift behövde jag en bra kännedom över teknologiska objekt och processer på verket. Beskrivning av anläggningar som visas i fig. 2 gjordes med hjälp av intervjuer och verkets kompendier.

Koksverk

Stålverk Hytt-

anläggning

Figur 2: Översikt över SSAB.

3.2 Koksverk

SSAB’s koksverk byggdes 1975 och har genomgått några reparationer under åren.

Koksverkets funktion är att tillverka koks av inköpt kol och genom produktion av eget koks kunna bidra till ett mer integrerat stålverk.

Verket består av ett flertal olika anläggningar: kollager, ugnsbatteri, gasre- ningsanläggning, släcktorn och ångpannor. Logistiken börjar med att olika sorters kol och köpkoks anländer med fartyg till Luleå och lossas i Victoriahamnen. De lagras i ett stort lager, varje kvalité var för sig. Före behandling i ugnen krossas kolet, blandas till en önskad kolmix och transporteras till ett ugnsbatteri, se fig. 3, där kol blir till koks med hjälp av uppvärmning.

Gaser från reaktionerna inne i ugnarna samlas upp och blir så kallad rågas, som

skickas vidare till gasbehandlingsanläggningen. Där renas rågasen från samtliga

biprodukter i form av främst tjära, råbensen och svavel och ren koksgas erhålles.

Biprodukterna och en del av koksgasen säljs, medan den största delen av koksga- sen återanvänds som bränsle inom verket.

Avgaser från förbränningen leds ut och lämnar ugnen genom skorstenen.

Varm koks släcks i släcktornet.

Släcktorn

Ugnsbatteri Gasrenings-

anläggning

Koksgas- klocka

Figur 3: Överikt över några delenheter på koksverket.

3.2.1 Ugnsbatteriet

Ugnsbatteriet består av 54 smala höga bränsleeldade ugnar där kolet omvandlas till koks under en lång upphettningsprocess utan syretillförsel. Denna process kal- las torrdestillering.

För upphettningen av batteriugnarna används koksverkets eget bränsle i form av koksgas. Förbränning sker då koksgasen blandas med förvärmd luft (närmare bestämt bränslets kol med luftens syre). Förbränningsgaserna släpps genom skor- stenen ut i atmosfären.

Mellan varje ugn i batteriet finns det en keramisk vägg som innehåller 30 förbränningsrum grupperade parvis. Koksgasen leds genom keramiska ledningar in i förbränningskammaren dit också den förvärmda förbränningsluften kommer in genom en regenerator.

Förbränningsluften sugs in i systemet på grund av självdrag under batteriet.

Självdraget uppstår genom tryckskillnad mellan omgivningen dvs uteluft och bat- teriets undersida. Uppvärmningen av luften sker i två steg. Först i en ångförvärma- re ungefär till 35

C och sedan i tillhörande regenerator med hjälp av avgasernas värme.

Kolet matas in i ugnarna och trycks ut efter några timmar i form av het koks.

Under processen produceras det förutom koks även rågas som leds ut genom sti-

garrör till ett förlag, där gasen kyls ner med kylvatten tills gasens daggpunkt har

uppnåtts. Stor del av tjäran faller ut på botten av förlaget.

Hela koksningsprocessen tar ca 16 timmar.

3.2.2 Gasreningsanläggningen

Rågas som produceras under koksningen skickas vidare till en gasreningsanlägg- ning. Vad som händer med rågasen i anläggningen framgår av fig. 12. Rågasen renas för att få bort ämnen som kan vara skadliga både för utrustningen och mil- jön. Ämnen som tas bort är tjära, svavel, ammoniak och råbensen. Exempel på skador som de kan åstadkomma är:

-svavel orsakar korrosionsproblem;

-tjäran sätter igen dysor, som blåser in koksgas till bränslekammaren i ugns- batteriet, och förorsakar ojämn undereldning, vilket i sin tur orsakar dålig kvalité på koks.

Biprodukterna säljs och svarar för en stor del av koksverkets intäkter. Allt utsläpp från koksverket är myndighetskontrollerat.

Gasreningen börjar med att man separerar tjära från rågasen. Här använder man sig av tre viktiga steg, ett av dessa (förlaget) diskuteras i avsnitt avsnitt 3.2.1.

Efter förlaget följer förkylaren som använder sig av kondensbehandling för att skilja tjära från processgasen, d.v.s. rågasen kyls med ammoniakvatten från cirka 80 grader Celsius till cirka 20. Detta görs för att åstadkomma utfall av vissa äm- nen. Kall gas kan inte bära lika mycket tjära som varm gas. Resten av tjäran (de minsta partiklarna) tas bort med hjälp av ett elektrofilter.

Rengöring från råbensen sker i naftalintvätt och bensentvättanläggningar. Där dysas tvättolja på gas, naftalin och bensen löser sig i oljan. Mixen skickas till bensenanläggningen där naftalin och bensen kokas ut med hjälp av ånga. Oljan återanvänds.

Svavel och ammoniakbeståndsdelar av processgasen dysas med ammoniakvat- ten i H

S/NH

tvätten. I en så kallad svavel- och ammoniakrening skiljs de åt.

Ammoniakdelen förgasas och blandas med koksgasen.

Vatten renas i biologisk rening. Det renas på cyanider och fenoler med hjälp av kemikalier och mikroorganismer. Det renade vattnet släpps ut i Bottenviken.

Koksgas sugs genom gasreningsanläggningen med hjälp av en så kallad gas- sugare. När koksgas går igenom gassugaren komprimeras den och får en högre temperatur. Sedan skickas den rena koksgasen vidare. En del går till en gasklocka och lagras, resten säljs eller transporteras till andra ställen på verket.

3.2.3 Släcktornet

Färdig glödande koks trycks ut från ugnarna och ner i vagnar. Dessa körs auto-

matiskt in i ett släcktorn, där stora mängder vatten spolas på koksen under ca 60

sekunder. Vattenmängd väljs utifrån följande punkter:

• Tillräckligt mycket för att släcka koksen.

• Tillräckligt lite för att inte göra den för fuktig.

Den kalla koksen är färdig för leverans till masugnen.

3.2.4 Ångpannor

Ånga som används vid koksverkets olika processer produceras lokalt. Orsaken till lokal produktion av ånga är det långa avståndet (ca 3 km) till andra anläggningar inom verket.

Det finns två identiska ångpannor på koksverket, deras funktion är att om- vandla vatten till ånga. För att åstadkomma detta tillför man vatten och en mängd värme som uppkommer från förbränning av koksgas med luft.

3.3 Hyttanläggningen

SSAB’s hyttanläggning också känd som Masugn 3 är en nybyggd anläggning.

Den började användas år 2000. Trean förklarar masugnens utvecklingshistorik.

På jakt efter bättre kvalitet och resultat har masugnarna 1 och 2 ersatts med den nya konkurenskraftiga anläggningen. Treans kapacitet ligger på ca 2 400 000 ton råjärn per år, och den producerar mer järn än när man körde ettan och tvåan sam- tidigt. Anläggningen kan delas upp i följande delanläggningar: råmaterialhante- ring, kolinjektionsanläggning, blåsmaskin, varmapparater (cowprar), masugn och en gasanläggning, några av de visas i fig. 4.

3.3.1 Råmaterialhanteringen

Hantering av alla råvaror som ska till ugnen sker i råmaterialanläggningen. Varje dag transporteras det hundratals ton olika material genom den. Där sorteras, vägs och mäts de på viktiga parametrar såsom temperatur och fukthalt som är funda- mentala då det gäller bränsleanvändning i masugnen och jämnare masugnsdrift.

Den största viktandelen som passerar råmaterialanläggningen är järnmalm.

SSAB köper järnmalm i form av olivin-pellets, som kommer med tåg från gru- vorna i Kiruna och Malmberget. Järnmalm består till cirka 95 procent av järnoxid.

De vanligaste järnbärande mineral som används på verket är hematit, den innehål- ler ca 67 procent järn som är oxiderad till Fe

O

.

För att producera råjärn behövs syret reduceras bort. Som reduktionsmedel används koks. Masugnsprocessen går ut på att förbränna koks. Koks transporteras från koksverket till råmaterialhuset via ett antal transportband.

Som alternativa järnbärare används på verket skrot och briketter. Briketter be-

står av stoft som med hjälp av filtersystem sugits upp. Stoftet innehåller en stor del

Blåsmaskin

Cowprar

Masugn

Gasrening

Figur 4: Överikt över några delenheter på hyttanläggningen

järn, cirka 35-40 procent, men kan inte chargeras (tillsättas) i ugnen som det är, eftersom det finns en stor risk att pulvret skulle blåsa bort. Stoftet transporteras till en liten intern brikettfabrik där det pressas till hexagonala klossar. Den hexagona- la formen har visat sig vara fördelaktig i transporthänseende då den inte stockar sig som andra geometriska former kan göra. Cirka 90 000 ton briketter charge- ras i masugnen per år. Detta visar hur mycket material man sparar och samtidigt hur stor mängd föroreningar som inte släpps ut i naturen. Stoftutsläpp bevakas kontinuerligt av miljöverket.

För att få högre verkningsgrad i ugnen och bättre kvalitet hos råjärn används också tillsatser som till exempel mangan och slaggbildare, närmare bestämt kalk- sten och LD-slagg.

Från materialhuset skickas materialen vidare via transportbanden till själva masungen där de tillsätts uppifrån på ca 70 m höjd.

3.3.2 Kolinjektionsanläggningen

Kolinjektionsanläggningens uppgift är att trycksända kolet till masugnen. Råkolet

lastas in i en ficka därifrån det sedan transporteras till en kolkvarn där det mals

ner och torkas. Kolpulvret fungerar som bränsle i masugnen och ersätter en del

koks som är förhållandevis dyrare att tillverka. Man injicerar det i masugnen till-

sammans med blästerluften genom så kallade formor. Injektionsmängd är ca 135

kg/ton råjärn.

3.3.3 Blåsmaskinen

Blåsmaskinens funktion är att suga in vanlig uteluft för att tillföra syre till masug- nen. Syret är en viktig del i masugnsprocesser.

Blåsmaskinen består av en huvudfläkt som suger in uteluft och komprimerar den med en temperaturökning till cirka 160 grader Celsius som följd. Denna luft skickas sedan vidare till cowprarna. På vägen till cowprarna berikas luften med syre och ånga. Den luften kallas för kallbläster.

3.3.4 Cowprarna

Cowprarna förvärmer blästerluften ytterligare till cirka 1000 grader Celsius och på grund av detta minskas koksförbrukningen i ugnen. Varje 100 grader uppskattas minska koksförbrukningen med 10-20 kg/ton råjärn. Den varma luften som också kallas varm bläster är en förutsättning för jämnare masugnsdrift vilket innebär flera fördelar.

Det finns fyra värmeapparater som tillhör masungen. Tre började köras redan på 70-talet och de skiljer sig lite ifrån den fjärde som gick igång 1998. Den äldre modellen är av Koppers system vilket skiljer sig från den nya modellen av Davis system både i design och i verkningsgrad. Koppers design karakteriseras av att man har ett externt förbränningschakt, och Davis ett internt. Alltså kräver Davis- cowper mindre yta, men samtidigt produceras mindre mängd varm blästerluft.

Själva funktionen går ut på att man värmer upp cowprar på insidan. Inneväggarna i apparaterna är täckta med tegel som har bra absorbtionsförmåga av värmenergi.

Under uppvärmningen förbränner man masugnsgas och koksgas med syre i luf- ten (förbränningsluften). Efter eldningen, då man har fått tillräckligt med värme i apparaterna, släpper man blästerluft igenom. I början av körningen får luften mycket värmeenergi som avtar med tiden. Direkt efter cowprarna blandar man luft och späder den lite med den 160-gradiga luften för att få jämn temperatur på varm blästerluft som ska blåsas in i masungen.

3.3.5 Masugnen och gasbehandlingen

Den viktigaste funktionen i järnproduktionen fyller själva masugnen. Ugnen står för alla processer som omvandlar järnbärare till råjärn. Masugn 3 i Luleå produ- cerar i genomsnitt 6400 ton råjärn per dygn. De största masugnarna som finns i världen idag har kapacitet att tillverka 12000-13000 ton råjärn per dygn.

Masugnens uppbyggnad är komplicerad. Ugnen ska klara extremt höga tem- peraturer och en hel del kemiska reaktioner. Masugn 3 består av ett schakt med en inrevolym på 2540 kubikmeter, ställdiameter på 11,4 m och cirka 35 meters höjd.

Materialet som täcker schaktet på utsidan är stål, manteln är 30-60 mm tjock.

På insidan är den täckt av antigen tegel eller så kallade staves som representeras av vertikala koppar- eller järnplattor som är vattenkylda. Det finns ca 40 staves- plattor i ugnen.

Kylvattnet används också på andra ställen i ugnen, tex för att kyla så kallade formor genom vilka varm blästerluft sprutas in. I cowprarna används kylvatten för att kyla blästerventiler.

Allt material i form av järnbärare, slaggbildare, tillsatser och koks charge- ras från toppen av masugnschaktet. I nedre delen blåser man in varm bläster- luft och injicerar kolpulver genom formor. I fig. 5 framgår allt from material och gas in- och utflöden tom värmefördelningen i masugnen. Koks sjunker ner i ugnen med nästan opåverkade egenskaper tack vare sin hållbarhet. När den har nått botten där man har hög temperatur reagerar den direkt med varm blästerluft och bildar koldioxid. reaktionen sker på följande sätt: C + O

= CO

+ värme.

Men eftersom det finns överskott av kol i nedre delen av ugnen så följs den- na reaktion av reduktionsreaktion: CO

+ C+ värme = 2CO. Värme och kolox- id strömmar uppåt i schaktet och träffar det nedsjunkande materialet. Vid cirka 450

C börjar viktiga reaktioner ske. Då börjar hematiten reagera med koloxiden:

3Fe

O

+CO = 2Fe

O

(magnetit)+CO

. Vid ca 600

C oxideras magnetiten och man får wüstit FeO som resultat. Efter 700

C får vi ren järn: FeO +CO + värme = CO

+ Fe eller också FeO +C + värme = CO + Fe. Övriga oxidföreningar sådana som SiO

, MnO, P

O

osv som pellets innehåller i små mängder, reduceras också.

150^oC

1400 − 1800^oC malmen smälter

2200^oC koks förbränns

1500^oC råjärn tappas ut

Figur 5: Värmefördelning i masugnen.

Medan de kemiska reaktionerna tar plats mjuknar järnbärare och smälts. Som

resultat fås råjärn och slagg som skiljs åt på vägen ut ur ugnen, i rännan. För

råmaterialet tar det 6-8 timmar att sjunka ner, för den varma luften däremot tar det bara 6-8 sekunder att nå toppen. Förbränningsgaser som lämnar toppen leds till en gasreningsanläggning, som består av en sotsäck och ett elektrofilter. Den rena masugnsgasen används antingen i interna processer, till exempel för förbränning i cowprar, eller skickas till en masugnsklocka som rymmer 100 000 m

gas. Om man får ett överskott av masugnsgas så måste den facklas.

3.4 Stålverket

Stålverket står för produktion av olika sorters stål och stålämnen som skickas vidare till Borlänge för att valsas. Råjärn renas från ämnen som kan påverka stålets egenskaper negativt såsom svavel, fosfor och färskas (sänker kolhalten i järnet) till stål. Sedan tillsätter man legeringar för att få rätt sorts stål. Överikt över delenheter på stålverket visas i fig. 6.

Svavelrening Torpedo

Stränggjutning

RH Vakuumbehandling Skänk-

metallurgi CAS-OB

LD-konvertrar

Figur 6: Överikt över några delenheter på stålverket

3.4.1 Svavelrening

Första behandlingen som råjärn utsätts för på stålverket är svavelrening. För att ta

bort svavel injicerar man kalciumkarbid. Kalcium reagerar med svavel och bildar

slagg som flytar upp till ytan. Slaggen rensas bort och en del av den återanvänds inom verket.

3.4.2 LD-konverter

Råjärn innehåller mycket kol, ca 4,5 procent. Kolet gör materialet bräckligt, därför är nästa steg i ståltillverkningen att bli av med så mycket kol som möjligt från det varma järnet. För det används LD-konverter. LD står för två österikiska städer som heter Linz och Donawitz.

Processen börjar med att man tillsätter stålskrot som kylmedel till LD-konver- tern och sedan häller över det varma råjärnet från skänken till konvertern. Sedan genom en lans blåser man syrgas med högt tryck mot smältans yta. Syret reagerar med kol och bildar koloxid. Koloxidmolekyler i sin tur bildar bubblor som ström- mar upp till järnytan och lämnar den. På vägen plockar koloxid med sig en liten del av andra gaser som tex väte. Denna gas renas till LD-gas och transporteras till LD-gasklockan via gasledningar och säljs, först och främst till Luleå Energi.

Lägre än 2 procent kolhalt brukar definieras som skillnaden mellan råjärn och stål. På verket i Luleå kan kolhalten sänkas till cirka 0,05 procent beroende på vilken sort stål som ska framställas.

Efter färskningen tillsätter man i det varma stålet slaggbildare och legeringar.

LD-slagget tar man vara på och återanvänder en stor del av, ca 60 procent, som råmaterial för råjärnproduktion.

3.4.3 CAS-OB och RH

För att erhålla ännu bättre egenskaper behöver stålet behandlas ytterligare. Detta sker i skänkbehandlingsstationer:

• CAS-OB. Denna teknologi går ut på att man tillsätter i stålet olika legeringar beroende på vilket stålsort som man ska tillverka. Samtidigt blåser man igenom stålet en neutral argongas eller kväve som avskiljer slaggen och skyddar stålet från luftens syre.

• RH. Denna teknologi tillåter tillverkning av de mest avancerade stålsorter- na. Under vakuum förgasas kol och syre från stålet och man får fram mycket rent stål med kolhalter på runt 0,002 procent.

3.4.4 Stränggjutning

Det varma färdigbehandlade stålet formas till ca 11 meter långa strängar som kal-

las ämnen. Processen tappning, formning och kylning av stål sker kontinuerligt.

Varje sträng får ett nummer och transporteras till en avsvalningshall där de sval-

nar. Efter att ämnena kylts ner kontrollerar man deras kvalité och de som motsva-

rar kvalitetskriterier lastas på ett tåg och skickas till Borlänge. Dåliga ämnen blir

till skrot.

4 Resultat

4.1 Inledning

Det viktigaste resultatet av jobbet är en modell som har gjorts för att hantera energi- och exergibalansberäkningar för flera separata enheter på SSAB Tunn- plåt för längre tidsperioder. SSAB Tunnplåt indelades i flera enheter som beskrivs i avsnitt 3 och finns representerade i en blockdiagram i fig. 7. De behandlade enheterna markeras med blå färg. De enheterna som är markerade med grå färg framgår inte i modellen. Det är viktigt att märka att kolinjektionsanläggningen och råmaterialhanteringen valdes bort på grund av obefintliga energiflöden. Stål- verkets delenheter däremot behandlades inte på grund av tidsbegränsning för exa- mensjobbet.

Denna modell används för är att beräkna energi- och exergibalanser för febru- ari 2005. Resultat för det kommer att redovisas i avsnitt 4.2 – 4.3. Upplägget av varje avsnitt innehåller följande punkter:

• Valt system visas med hjälp av en låda. I lådan visas processer som sker innanför systemgränser och materieströmmar som tillhör varje process.

• Systemgränser betecknas med en streckad linje. De förtydligas där det be- hövs, detta sker med hjälp av blå bollar och förklaring för varje boll.

• Identifierade materieflöden visas med tillhörande energi- och exergiinnehåll i motsvarande tabell.

• Beräkningar för varje energi- och exergiflöde beskrivs kortfattat. Dessa be- räkningar ligger till grund för modellen.

• För varje beräkning beskrivs var datat härrör.

• Sankeydiagram för varje balans visas.

• En liten diskussion angående varje balans ingår.

Detta kapitel kommer att handla om de tankegångar och beräkningar som lig-

ger till grund för modellen. Modellens utseende visas i avsnitt 4.4 och balanserna

för februari 2005 kommer också att redovisas.

SSAB Tunnplåt Luleå

Koksverk

Ugnsbatteri

Gasrening

Släckning

Ångpannor

Hytta

Blåsmaskin

Cowprar

Masugn + gasrening

Stålverk

Svavelrening

LD-konverter

CAS-OB

RH

Sträng- gjutning Kolinjektions-

anläggning

Råmaterial- hantering

Figur 7: Indelning av SSAB Tunnplåt i delsystem. Med blå färg markeras de enheter

som behandlas i modellen och de obehandlade delenheterna markeras med grå färg.

4.2 Koksverk

Det är flera processer som sker i systemet. I fig. 8 framgår processerna med tillhö- rande flöden. För den processmässiga beskrivningen av koksverkets anläggningar se avsnitt 3.2.

Gasrening

Koksning

Släckning

Strålning & konvektion

Kokgas 2

1

Avgaser 5

Ångmoln

Ytförluster 7

Kolmix 4

Vatten

Vatten Vatten

Rågas

Släckt koks 6

6

6 Varm koks

Tjära, råbensen, svavel 3

3

Figur 8: Systemgränser vid koksverket.

Den totala systemgränsen för koksverket betecknas i fig. 8 med en röd streckad linje. På grund av systemets komplexitet behöver systemgränser förtydligas för varje flöde, eftersom de har olika in- och utvägar. Sådana systemgränser kan ses i fig. 8, där de betecknas med blå bollar. Här kommer förtydligande:

1.Pumpstation vid hamnen

2.Koksgasledningar efter gasreningen

3.Efter respektive delanläggning i gasreningen, se fig. 12 4.Kollager

5.Batteriskorsten 6.Släcktorn 7.Batterikroppen

Energi- och exergibalanser för system koksverket är redovisade i tabell 1 och tabell 2. Energiflöden listas nedan. Varje energiflöde har tillhörande exergimängd.

Tillhörande beräkningar redovisas kortfattat i avsnitten om separata enheter på koksverket.

Inflöde av energi i systemet:

Tabell 1: Materialflöden in och ut ur koksverket med tillhörande energier.

Inflöde Energi [TJ] Utflöde Energi [TJ]

Kolmix 2351 Koks 1748

Vatten 12 Koksgas 242

Vatten 20

Tjära 79

Svavel 1

Råbensen 28

Ytförluster (batteriet) 30 Ångmoln (släckningen) 93

Avgaser 36

Facklad koksgas 3

Totalt 2364 Totalt 2280

Tabell 2: Materialflöden in och ut ur koksverket med tillhörande exergier.

Inflöde Exergi [TJ] Utflöde Exergi [TJ]

Kolmix 2351 Koks 1748

Vatten 1 Koksgas 239

Vatten 0

Tjära 79

Svavel 1

Råbensen 28

Ytförluster (batteriet) 6 Ångmoln (släckningen) 23

Avgaser 11

Facklad koksgas 3

Totalt 2353 Totalt 2138

• Värme i kyl- och processvatten.

• Kemisk energi i kolmix.

Utflöde av energi:

• Energi i koksgas (kemisk och termisk).

• Värme i kyl- och processvatten.

• Kemisk energi i tjära, svavel och råbensen.

• Värme i avgaser.

• Energi i ångmoln (värme och förångningsenergi).

• Energi i koks (kemisk och termisk).

• Värme i ytförluster.

Kolmix

Ångmoln Facklad koksgas Avgaser Vatten Vatten

Ytförluster

Oidentifierade förluster 3.6 % Koksgas Tjära Råbensen Svavel Koks In

100 %

Export 88.7 %

Förlust 11.3 %

(a) Energiflöde

Kolmix

Ångmoln Facklad koksgas Avgaser Vatten Vatten

Ytförluster Koksgas Tjära Råbensen Svavel Koks In

100 %

Export 89.0 %

Förlust 1.9 % Förstörd

exergi 9.1 %

(b) Exergiflöde

Figur 9: Energi- och exergiflödet genom koksverket.

För att kunna behandla energi- och exergibalanserna visuellt används Sankey

diagram, se fig. 9. Enligt fig. 9(a) förloras 11,3% av energi i flöden av avgaser,

ytförluster, ångmoln, vatten och facklad koksgas; 3,6% är oidentifierad energi-

förlust. Enligt fig. 9(b): i processerna på koksverket förbrukas 9,1% exergi och i

förlustflöden finns det inte så stort innehåll av nyttig energi.

4.2.1 Batteri

För den processmässiga beskrivningen av koksverkets anläggningar se avsnitt 3.2.1. Alla processer med tillhörande materieflöden finns sammanfattade i fig. 10.

Batteriets systemgräns är markerad med en röd streckad linje. Systemet är kom- plicerat och därför behöver alla systemgränser förtydligas ytterligare, vilket görs med hjälp av de blå bollarna och beskrivningen av varje boll efter figuren.

Nerkylning av rågas

Koksning

Förbränning

Strålning & konvektion

Rågas

1 Kylvatten

Kylvatten

2 2

Varm koks 4

Avgaser 7

Ytförluster 8

Kolmix 3

Koksgas 5

Förbrän- ningsluft

6

Varm rågas

Figur 10: Systemgränser vid ugnsbatteriet.

Resultatet gäller för följande systemgränser:

1. Strax före förlaget 2. Strax efter förlaget

3. Matningsområde (fyllvagn) 4. Tryckningsområde (släckvagn) 5. Gasledningar

6. Strax före regeneratorn 7. Batteriskorsten

8. Batterikroppen

Energi- och exergibalanser för ugnsbatteriet för februari 2005 redovisas i tabell 3 och tabell 4. Kortfattade beskrivningar av energi- och exergiberäkningar med- följer tabellerna.

Inflöde av energi består av:

Tabell 3: Materialflöden in och ut ur batteriet med tillhörande energier.

Inflöde Energi [TJ] Utflöde Energi [TJ]

Kolmix 2354 Varm koks 1813

Koksgas 199 Rågas 652

Förbränningsluft 3 Avgas 34

Kylvatten 10 Kylvatten 11

Ytförluster 30

Totalt 2566 Totalt 2540

• Kemisk energi i kolmix. Denna energi beräknas med hjälp av ekv. (20), där m = massa torrt kol. Det är lätt att få tag på kolets massa från koksverkets personal. Det övre värmevärdet behöver däremot beräknas och för denna beräkning används information om vilka sorters kol som ingår i kolmixet, deras volymandel i kolmixet [10] och vilka övre värmevärden de har (leve- rantörsdata).

• Termisk energi i kolmix. Beräknas mha ekv. (5) och ekv. (8), där c

är me- delvärde mellan c

för torrt kol som tas från [11] och c

för fukt som finns tabellerad; m = massa av fuktigt kol [12]. c

är tagen från [11].

• Kemisk energi i koksgas. Räknas ut mha ekv. (20), där m = flöde koksgas multiplicerat med tiden och H = koksgasens värmevärde. Alla dessa värden finns i databaser.

• Termisk energi i koksgas. Beräknas mha ekv. (5) och ekv. (8), där flöde av koksgas och T finns i databaserna. c

måste däremot beräknas. För det- ta behövs koksgasens sammansättning. Denna sammansättning mäts inte. I mitt jobb använde jag mig av en gammal mätning från 1996. c

för koksgas räknas ut för varje beståndsdel i gasen mha ekv. (22) och ekv. (23).

• Värme i förbränningsluft. Beräknas mha ekv. (5) och ekv. (8), där luftens mängd beräknas med hjälp av stökiometri. Enligt muntlig uppgift kan föl- jande uppskattning göras: mängd luft = 5 × mängd koksgas. c

för luft räknas ut för varje beståndsdel mha ekv. (22) och ekv. (23). T kommer från [2]. Luftens antas ha standardsammansättning: 79% kväve och 21% syre.

Syremängd i avgaser finns lagrade.

• Värme i kylvatten. Beräknas mha ekv. (5) och ekv. (8), mängd vatten och T

kan fås från koksverkets personal. Allt annat finns tabellerat.

Utflöde av energi består av:

• Kemisk energi i koks. Denna energi beräknas med hjälp av ekv. (20). Kok- sen vägs strax efter tryckningen, koksverkets personal håller koll på mängd av rampkoksproduktion. I samråd med personalen antogs det att koksen som lämnar koksugnen innehåller 0% fukt. Koksens värmevärde bestämdes mha ekv. (18). Viktprocent av kol, syre och väte är framtagna ur MÖSS. Det beräknade värmevärdet visade sig att vara lika stor som ett värde som be- stämdes genom värmevärdesprov på laboratorium år 2001, se [2].

• Termisk energi i koks. Värmemängd i koksen beräknas mha ekv. (5) och ekv. (8). T = temperatur vid tryckning. Det finns två oberoende mätningar för temperaturen att få tag på, en kommer från släckvagnspyrometer och den andra från 6 st styrvagnspyrometrar (på båda sidor av kokskakan: botten, mitten, toppen). Medelvärde för dessa mätningar används i beräkningarna.

c

räknas ut mha koksens sammansättning, tabellerade c

-värden för varje beståndsdel, ekv. (22) och ekv. (23).

• Värme i avgas. Här används ekv. (5) och ekv. (8), fast i stället för massa har vi volym och c

är volymbaserad enhet. c

räknas ut mha ekv. (22), ekv. (23) och rågasens sammansättning vilken i sin tur fås fram mha stö- kiometrisk beräkning då man har koksgasens sammansättning och mängd syre i avgasen. Mängd syre och avgasens temperatur mäts och lagras i da- tabaser. Avgasens volym är summan av koksgasens volym och volym av förbränningsluften.

• Kemisk energi i rågas. Det är summan av kemisk energi i rågas utan tjära och kemisk energi i tjära. För beräkning av kemisk energi används ekv. (20).

Massa av rågas utan tjära bestäms utifrån en materialbalans. Vi vet att rågas utan tjära består av koksgas, bensen, svavel och ammoniak. Dessa materi- al återanvänds eller sälj av SSAB. Därför vägs dessa andelar och bokförs i ekonomiska dokument. Värmevärdet av rågas utan tjära är plockad ur [2].

Tjärans massa finns att få tag på hos koksverkets personal. Tjärans värme- värde kommer från [1].

• Värme i rågas. Beräknas mha ekv. (5) och ekv. (8). Koks som kommer ur

batteriet är torr och eftersom kolet som används för att tillverka koks är fuk-

tig så måste fukt framkomma någonstans. Och det gör den i rågas. Också

i kemiska processer i själva batteriet tillverkas mer ånga som är ungefär

2,5% [10] av kolmixvikt. Termisk energi i rågas är summa av värme i torr

rågas, värme i fukt och ångbildningsvärme. Fuktens termiska energi mot-

svarar 0,2% av den totala energin i rågasen.

• Värme i kylvatten. Beräknas mha ekv. (5) och ekv. (8), mängd vatten är lika stor som i inflödet, temperaturökning är ca 5 grader. Allt annat finns tabellerat.

• Värme från batterikroppen. Det finns mätningar som genomfördes år 2001 [2]. De gick ut på att bestämma medelvärden på yttemperaturen för olika delar av batteriet. Mätutrustningen bestod av en logger som registrerade och lagrade information från ett tiotal givare. Man placerade givarna på en ugn i taget. Batteriet består av 54 st ugnar men mätningarna utfördes bara på fem utvalda. Enligt mätningarna kan ytförlusterna uppskattas grovt till 411,1 MJ/ton torrt kol. Detta värde användes i denna studie.

Tabell 4: Materialflöden in och ut ur batteriet med tillhörande exergier.

Inflöde Exergi [TJ] Utflöde Exergi [TJ]

Kolmix 2351 Varm koks 1778

Koksgas 198 Rågas 635

Förbränningsluft 0 Avgas 10

Kylvatten 1 Kylvatten 2

Ytförluster 6

Totalt 2551 Totalt 2430

Inflöde av exergi består av:

• Exergi i kolmix. Beräknas mha ekv. (11) och ekv. (12). Består till det mesta av kemisk exergi.

• Exergi i koksgas. Beräknas mha ekv. (11) och ekv. (13). För att bestämma R används ekv. (21), m = V · ρ, ρ beräknas med ekv. (24). För c

, T och m se ovan i detta avsnittet. Koksgasens tryck och värmevärde finns lagrade.

Består till det mesta av kemisk exergi.

• Exergi i förbränningsluft. Beräknas mha ekv. (11) och ekv. (13). För att bestämma R används ekv. (21), m = V · ρ, ρ beräknas med ekv. (24). För c

, T och m se ovan i detta avsnittet. Det finns ingen kontinuerlig mätning av trycket i det här fallet. Den utförda mätningen (med hjälp av en manometer) visade att trycket varierar mellan -16 och -17 mmVp. Observera: trycket behöver ej anges om man är inte intresserad i exergiuträkning.

• Exergi i kylvatten. Beräknas mha ekv. (11) och ekv. (12).

Utflöde av exergi består av:

• Exergi i varm koks. Beräknas mha ekv. (11) och ekv. (12). Kemisk exergi dominerar.

• Exergi i rågas. Består av kemisk exergi i rågas, kemisk exergi i tjära, ter- misk exergi i rågas utan tjära, termisk exergi i fukt och förångninsexergi.

Beräknas mha ekv. (11) och ekv. (13). För att bestämma R används ekv.

(21), m = V · ρ, ρ beräknas med ekv. (24). Trycket finns lagrat.

• Exergi i avgas. Beräknas mha ekv. (11) och ekv. (13). För att bestämma R används ekv. (21), m = V · ρ, ρ beräknas med ekv. (24). Trycket finns lagrat.

• Exergi i kylvatten. Beräknas mha ekv. (11) och ekv. (12).

• Exergi i ytförluster. Beräknas mha ekv. (14) och data från [2].

Alla andra värden som behövs för exergiberäkning nämndes tidigare i beskriv- ning av energiberäkningar.

Energi- och exergibalanser för batteriet visas med hjälp av Sankey diagram, se fig. 11. Enligt fig. 11(a) stämmer energiinflödet bra överens med energiutflödet.

Den energi som skickas vidare är den energi som varm koks och rågas innehåller.

4% energi förloras i flöden av avgaser, kylvattnet och ytrförluster, 1% av denna energi är oidintifierad.

Enligt fig. 11(b): exergi som har gått åt processer i batteriet är 4,7%. Förlust-

flöden innehåller en liten del exergi.

Kolmix Koksgas Förbränningsluft

Avgaser Ytförluster Kylvatten Kylvatten

Oidentifierade förluster 1.0 % Varm koks Rågas In

100 %

Export 96.0 %

Förlust 4.0 %

(a) Energiflöde

Kolmix Koksgas Förbränningsluft

Avgaser Ytförluster Kylvatten Kylvatten

Varm koks Rågas In

100 %

Export 94.6 %

Förlust 0.7 % Förstörd

exergi 4.7 %

(b) Exergiflöde

Figur 11: Energi- och exergiflödet genom ugnsbatteriet.

4.2.2 Gasrening

För den funktionsmässiga beskrivningen av anläggningen se avsnitt 3.2.2. Alla enheter i anläggningen visas i fig. 12. De valda systemgränserna är markerade i figuren med en rödstreckad linje.

Tjärkondensat- behandling

Svavel- &

amoniakrening

Biologisk rening Avdrivare Förlag

kylare

EGR tjärfilter

Naftalin- Svavel- vätetvätt

Amoniak- Bensen-

Bensen- tvätt tvätt

tvätt

Gas- Gas-

sugare

Blandgas- Fackla Koksgas-

klocka klocka Inexa

Hytt- anläggning

anläggning Stål-

verk

Luleå Energi Koksugnar

Tjära Svavel Renat

vatten

Bensen Vatten

Rågas

Koksgas Koksgas

Figur 12: Systemgränser vid gasreningsanläggningen.

Energi- och exergibalans för gasreningsanläggningen för februari 2005 visas i tabell 5 respektive tabell 6. Energi- och exergiberäkningarnas kortfattade beskriv- ningar medföljer tabellerna.

Inflöde av energi består av:

• Kemisk energi i rågas. Metod för beräkning av denna energi finns beskrivet i avsnitt 4.2.1.

• Värme i rågas. Se avsnitt 4.2.1. Ångbildningsnenergi är ointressant för ba- lansberäkning i detta fall.

• Termisk energi i vatten. Gasanläggningen omsätter så pass stora volymer

vatten att man kan försumma de övriga mängder vatten som kommer från