Verstehen Sie, wie digitale Werkzeuge die Auswirkungen von Ereignissen mit hoher Wasserstoffkonzentration im BFG bewerten und mildern können, wodurch die Energieeffizienz verbessert und die Betriebskosten beim Betrieb von Gasturbinen gesenkt werden.
Von Giovanna Guzella, Kássio Nogueira Cançado, Lis Nunes Soares
Integrierte Stahlwerke stehen vor erheblichen Herausforderungen bei der Verwaltung des Energieverbrauchs und der Emissionen. Eine wirksame Strategie zur Stromerzeugung umfasst die Nutzung von Restgasen wie Hochofengas (BFG). Die Variabilität der BFG-Zusammensetzung, insbesondere Wasserstoffspitzen, stellt jedoch ein Risiko für die Integrität der Gasturbinen und die Effizienz der Stromerzeugung dar.
Dieser Artikel untersucht, wie die Fähigkeit, Ereignisse mit hohem Wasserstoffgehalt vorherzusehen und schnell darauf zu reagieren, durch die Nutzung von Echtzeitdaten und prädiktiven Analysen mithilfe digitaler Werkzeuge wie Viridis Performance zur Energieeffizienz und Kostenreduzierung beitragen kann, indem Stromausfälle vermieden und Wartungskosten minimiert werden. Er betont die Bedeutung der Digitalisierung in der modernen Stahlproduktion und zeigt, wie fortschrittliche Werkzeuge den Energieeinsatz optimieren und die Umweltauswirkungen reduzieren können.
Die Rolle von Restgasen in der Stahlproduktion
Die Stahlproduktion ist energieintensiv und stark von fossilen Brennstoffen abhängig. Der Sektor macht etwa 8 % der weltweiten Energienachfrage und 7 % der CO2-Emissionen des Energiesektors aus. Im Streben nach einer nachhaltigeren Produktion hat das Konzept des "grünen Stahls" in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen und kann als Stahl definiert werden, der durch nachhaltige Produktionsprozesse hergestellt wird, d. h. unter Nutzung alternativer Energiequellen, CO2-Abscheidung und -Wiederverwendung, Materialrecycling und der Implementierung von Praktiken und Technologien, die die Treibhausgasemissionen (THG) minimieren.
Die während der Upstream-Prozesse in integrierten Stahlwerken erzeugten Gase haben einen Brennwert, der als Wärme und/oder Strom wiederverwendet werden kann. Viele Werke nutzen diese Gase in Gas- oder Dampfkraftwerken zur Stromerzeugung. Diese Praxis macht den Stahlherstellungsprozess weniger umweltschädlich, da die Gase, die sonst entsorgt würden, wiederverwendet werden und teilweise zur Deckung des Energiebedarfs beitragen, wodurch die Nachfrage nach externen Energiequellen minimiert, die Treibhausgasemissionen reduziert und die Produktionskosten gesenkt werden. Diese und andere Praktiken haben dazu geführt, dass in den letzten 20 Jahren der Energiebedarf für die Stahlproduktion erheblich reduziert wurde.
Herausforderungen bei der Nutzung von Hochofengas in Gasturbinen
Im Hochofen entstehen bei der Reduktion von Eisenerz Roheisen, Schlacke, Staub und Hochofengas (BFG). BFG kann wiederum in nachgelagerten Prozessen wiederverwendet und als Brennstoff in Gasturbinen zur Stromerzeugung eingesetzt werden. BFG enthält 21-25 % CO, 18-22 % CO2 und 2-5 % H2 bei einem Brennwert von 700-800 kcal/Nm3. Seine Zusammensetzung variiert je nach den Betriebsparametern des Hochofens, einschließlich der Arten und Mengen an Rohstoffen sowie der Prozessbedingungen.
Eine der Herausforderungen beim Betrieb mit BFG ist die Variabilität seiner Zusammensetzung, wobei Wasserstoffspitzen eine besondere Sorge darstellen, da diese hochkonzentrierten Ereignisse die mechanische Struktur der Gasturbine beschädigen können. Dies lässt sich damit erklären, dass eine hohe Wasserstoffkonzentration die Flammentemperatur des Gases in der Brennkammer erhöht. Bei Wasserstoffspitzen, bei denen die Flammentemperatur über dem empfohlenen Grenzwert liegt, verfügt die Turbine über ein Reaktionssystem, das die Leistungsabgabe reduziert, um das Gerät zu schützen. In extremen Fällen, in denen diese Reduktion nicht ausreicht, wird die Turbine plötzlich abgeschaltet, was als „Trip“ bezeichnet wird. Wenn dieser Notfall ausgelöst wird, kommt es nicht nur zu einem vollständigen Stromausfall für einen bestimmten Zeitraum, sondern auch zu einer Verkürzung des Wartungsintervalls, was die Wartungskosten erhöht.
Methodik: Bewertung von Wasserstoffspitzen
Die Daten eines Hochofens der untersuchten Anlage wurden analysiert. Mit einem Echtzeitvorhersagemodell für die Zusammensetzung des Hochofengases wäre es möglich, das Ereignis mit hohem Wasserstoffgehalt im Voraus zu erkennen. Folglich könnte sich das Betriebsteam auf eine Reaktion vorbereiten, was aus zwei verschiedenen Perspektiven zu finanziellen Einsparungen führen würde: Wasserstoffspitzen verursachen enorme Kosten bei der Wartung von Turbinen, und dies könnte vermieden werden. Darüber hinaus würde die Turbine keinen Trip erleiden und weiterlaufen, auch wenn die Leistung reduziert wäre.
Diese Studie verwendet einen Massenbilanzansatz, um die Faktoren zu bewerten, die zu Wasserstoffspitzen im BFG beitragen. Durch die Analyse realer Prozessdaten eines Stahlwerks wurden Szenarien simuliert, um Verbesserungsmöglichkeiten zu identifizieren und die Stromerzeugung zu optimieren. Zwei Haupthypothesen wurden berücksichtigt: Der Wasserstoffgehalt könnte hauptsächlich auf die Feuchtigkeit im in die Regeneratoren eingespeisten Dampf zurückzuführen sein, der anschließend feuchte Luft in den Reaktor bläst, und die zweite Hypothese ist, dass die Einblasung von Kohlenstaub den größten Einfluss auf den Wasserstoffgehalt im Gas hat.
Erzielte Ergebnisse
Die Datenanalyse zeigte, dass Wasserstoffkonzentrationen, die 6,1 % der Betriebszeit über den Grenzwerten lagen, zu häufigen Turbinenausfällen und einer Reduzierung der Stromerzeugung führten. Im Durchschnitt führte jedes Wasserstoffspitzenereignis zu einem Verlust von 151 MWh Strom, wobei die Wartungsintervalle aufgrund ungeplanter Ausfälle um 23 Tage verkürzt wurden. Vier schwere Ereignisse führten zu einem durchschnittlichen Energieverlust von 17 GWh pro Ereignis. Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung der Entwicklung prädiktiver Methoden zur Minimierung dieser schädlichen Auswirkungen.
Auf Basis der analysierten Daten zu den Materialien und der Gebläseluft konnte festgestellt werden, dass die Einblasung von Kohlenstaub etwa dreimal stärker als die Gebläseluft zur Entstehung von Wasserstoffspitzen beiträgt. Daher wurden acht Szenarien entwickelt, in denen die Kohlenstaubeinblasrate über die Blasformen des Hochofens zwischen 190-260 kg/t Roheisen variiert wurde, um den Einfluss auf die endgültige Hochofengaszusammensetzung zu verstehen.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Einblasung von Kohlenstaub den Wasserstoffgehalt im BFG erheblich beeinflusst. Die Massenbilanzen für die Szenarien mit unterschiedlichen Kohlenstaubeinblasraten zeigten, dass höhere Einblasraten die Wasserstoffkonzentrationen erhöhen und die Hypothese bestätigten. Die Genauigkeit des Modells wurde mit Literaturdaten validiert, was Konsistenz in den vorhergesagten Gasmengen und -zusammensetzungen zeigte.
Implementierung prädiktiver Modelle
Die statische Massenbilanz hat einige Einschränkungen, da sie keine Schwankungen der Rohstoffzusammensetzung, der Feuchtigkeit der Heißluft und anderer Parameter berücksichtigt. Ein Echtzeitvorhersagemodell für die BFG-Zusammensetzung ermöglicht das proaktive Management von Wasserstoffspitzenereignissen. Die Integration dieses Modells mit digitalen Werkzeugen wie Viridis Performance ermöglicht eine kontinuierliche Überwachung und sofortige Anpassungen zur Vermeidung von Turbinenausfällen. Dieser Ansatz verbessert nicht nur die Energieeffizienz, sondern senkt auch die Wartungskosten und erhöht die Zuverlässigkeit des gesamten Prozesses.
Ein weiterer Vorteil der Nutzung des digitalen Tools Viridis besteht darin, dass mit Echtzeitdaten das Modell jedes Mal aktualisiert werden kann, wenn ein Parameter geändert wird, und mehr Parameter berücksichtigt werden können, um die Modellierung robuster zu gestalten. Kurzfristig kann das Betriebsteam Wasserstoffspitzen vorhersagen und angemessen reagieren, um Stromausfälle durch das Alarmsystem zu verhindern, das die Bediener auf das bevorstehende Problem hinweist.
Langfristig würde die Nutzung eines Vorhersagemodells für die Gaszusammensetzung die Bewertung von Änderungen der Betriebsparameter ermöglichen, wie beispielsweise die Nutzung unterschiedlicher Rohstofflieferanten wie Kohle, Eisen, Hämatit, Sinter und Pellets, die ebenfalls die Entstehung von Wasserstoffspitzen beeinflussen können.
Fazit
Der Einsatz digitaler Werkzeuge zur Vorhersage und Verwaltung von Wasserstoffspitzen im BFG kann die Energieeffizienz und die Betriebsstabilität in Stahlwerken erheblich verbessern. Indem sie Ereignisse mit hoher Wasserstoffkonzentration vorhersagen, können die Bediener rechtzeitig Maßnahmen ergreifen, um die Stromerzeugung aufrechtzuerhalten und hohe Wartungskosten zu vermeiden. Die Implementierung dieser prädiktiven Modelle stellt einen entscheidenden Schritt in Richtung einer nachhaltigeren und wirtschaftlich effizienteren Stahlproduktion dar.
Die Implementierung prädiktiver digitaler Werkzeuge wie Viridis Performance kann die Effizienz steigern, Kosten senken und Ihr Stahlwerk nachhaltiger machen. Möchten Sie die Herausforderungen des Hochofengases in Chancen zur Energieoptimierung verwandeln? Dann kontaktieren Sie uns und erfahren Sie, wie Sie diese innovativen Lösungen in Ihrem Betrieb anwenden können.