Geri Dön

Optimization of energy consuption in iron steelmaking process by use of second law of thermodyynamics

Başlık çevirisi mevcut değil.

  1. Tez No: 55950
  2. Yazar: EMRULLAH ÇAYIR
  3. Danışmanlar: PROF.DR. A. NİLÜFER EĞRİCAN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 1996
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 248

Özet

demir ve çelik üretiminde termodinamiğin ikinci kanununu kullanarak enerji optimizasyonu yapılması ÖZET Demir ve çelik sanayi ülkelerin kalkınmasında lokomotif görevi görmektedir. 1994 yılında Dünya sıvı çelik üretimi 724 milyon ton/yıl olarak gerçekleşmiştir [6]. Türkiye'de ise sıvı çelik üretimi 1994 yılında yaklaşık 12 milyon ton/yıl olmuştur [54, 55]. Genel olarak dört çeşit çelik üretim prosesi bulunmaktadır [5]. Bu prosesler şöyledir :. Yüksek finn - bazik oksijen finn prosesi. Yüksek finn - Siemens Martin ocağı prosesi. Hurdaya dayalı elektrik ark ocağı prosesi. Direkt indirgeme finm-elektrik ark ocağı prosesi Dünya sıvı çelik üretiminin önemli bir kısmı yüksek finn - bazik oksijen prosesi ile yapılmaktadır. 1994 yılında, dünyada bazik oksijen prosesi ile üretilen çelik miktannın, toplam çelik üretimi içerisindeki payı % 59 olmuştur [4]. Demir ve çelik sanayinde enerji tüketimi oldukça önemli bir yer tutar. Çelik üreten ülkelerde, demir-çelik sanayinde harcanan enerji, o ülkelerdeki toplam tüketilen enerjinin % 10'u olabilmektedir [5]. Bir entegre demir-çelik tesisinde, enerjinin toplam üretim maliyeti içerisindeki payı yaklaşık % 30 civanndadır. Dolayısı ile, demir ve çelik sanayinde yapılabilecek enerji tasarruflan, gerek çelik ürünlerinin üretim maliyetini ve gerekse o ülkenin toplam enerji tüketimini olumlu yönde etkileyecektir. Yüksek finn - bazik oksijen finn prosesli bir entegre demir-çelik tesisinde, ton ürün başına enerji tüketimini etkileyen ana faktörler şunlardır [5].. Yüksek finn prosesinde, bir ton sıcak maden için harcanan kok tüketim miktan,. Bazik oksijen finn prosesinde ise hurda/sıcak maden miktan, diğer bir deyişle, bir ton sıcak maden girdisi için elde edilen sıvı çelik üretim miktandır. Bir entegre demir ve çelik tesisinde tüketilen toplam enerjinin kalori cinsinden %55-65'i yüksek finn ve bazik oksijen proseslerinde tüketilmektedir. Kok, yüksek finn prosesi için vazgeçilmez bir enerji kaynağıdır. 1994 yılında Dünya' da 322 milyon ton/yıl kok üretimi yapılmıştır [6]. - xxı-Kokun yüksek firm prosesinde gördüğü ana fonksiyonlar şunlardır :. Yüksek finn prosesi için gerekli enerjiyi sağlar,. Girdi malzemelerdeki demir oksit ve metal oksitlerin indirgenmesini sağlayan karbonmonoksitin (CO) oluşumu için gerekli karbonu sağlar,. Sıcak maden içerisindeki karbonu sağlar,. Kok; sıcak madenin ve cürufun ergime sıcaklıklarının üzerinde de mukavemetini kaybetmediğinden, yüksek firma şarj edilen malzeme yığınını taşır ve yeterli düzeyde sıvı ve gaz geçirgenliği sağlar. Kok üretimi için gerekli olan metalurjik kömür, değerli ve pahalı bir yakıttır. Bu nedenle kokun sıcak maden üretim maliyeti içerisindeki payı önemli miktardadır. Yüksek firm işletme parametrelerine bağlı olarak, kokun sıcak maden üretim maliyetindeki payı yaklaşık % 35-40 civarındadır. Bu yüzden, bir demir-çelik işletmesinde ton ürün başına kok tüketimini azaltmak, üretim maliyeti ve enerji tasarrufu açısından o işletme için önemli bir avantaj olacaktır. Bu tez çalışmasında, termodinamiğin ikinci kanununun analizi; yüksek firm ve bazik oksijen finn prosesleri için yapılmış ve enerji optimizasyonu için bir ton sıcak maden başına kok tüketiminin azaltılması ve sıvı çelik miktarının artırılması amaçlanmıştır. Yüksek finn prosesinde kok tüketiminin azaltılmasına ve optimizasyonuna yönelik olarak incelenen parametreler şunlardır : Yüksek finn havasınm sıcaklığı, flaks malzeme içerisindeki yanmış kireç miktannın yanmamış kireç miktarına oranı, zengin ve fakir demir cevherlerinin etkisi, yüksek finn girdi malzemeleri içerisindeki sinter ve/veya peletin yüzde miktarlan, cürufun bazikliği ve kok içerisindaki nem miktarı, olarak seçilmiştir. Bazik oksijen finn prosesinde ise, bir ton sıcak maden başına sıvı çelik üretiminin artınlmasma yönelik olarak incelenen parametreler şunlardır : Dökümden döküme geçen süre, hurdanın ön ısıtılması, üflenen oksijenin ön ısıtılması, sıcak madenin torpedo arabası ile taşınması esnasında meydana gelen ısı kayıplannın azaltılması, konvertörden çevreye yayılan ısı kayıplannın azaltılması ve sıvı çelik sıcaklığının mümkün olduğu kadar düşük düzeyde tutulması, olarak seçilmiştir. Yüksek finn ve bazik oksijen finn proseslerinde enerjinin hangi verimlilikte kullanıldığının belirlenmesi ve yukanda belirtilen parametrelerin bu verimliliği nasıl etkilediklerini tespit etmek için, termodinamiğin ikinci kanunu ile ilgili şu iki tanım yapılmıştır.. Yüksek finn prosesi için, ikinci kanunun kok verimi, (eCk). Bazik oksijen finn prosesi için, ikinci kanunun sıvı çelik verimi, (s,*). Tanımlanan bu ifadeler şu şekilde formüle edilebilirler : XX11İkinci kanunun kok verimi; Sck - niclcrev / mck,act (1) mCk,rev '. Tersinir yüksek finn prosesinde bir ton sıcak maden için tüketilen kok miktarı nicicact : Gerçek yüksek finn prosesinde bir ton sıcak maden için tüketilen kok miktarı İkinci kanunun sıvı çelik verimi; Est = mst,act / mst, rev (2) mst>rev : Tersinir bazik oksijen finn prosesinde bir ton sıcak maden için üretilen sıvı çelik miktan mst,act : Gerçek bazik oksijen finn prosesinde bir ton sıcak maden için üretilen sıvı çelik miktan. Bir ton sıcak maden başına yüksek finn prosesinde tüketilen kok miktarlanm ve bazik oksijen prosesinde üretilen sıvı çelik miktarlanm bilgisayar programı yardımı ile hesaplamak için matematik modeller geliştirilmiştir. Yüksek finn prosesi ve bazik oksijen prosesinin simülasyonu için geliştirilen modeller için şu kabuller edilmiştir.. Yüksek finn ve bazik oksijen firını ayn ayn açık sistemler olarak değerlendirilmiştir.. Yüksek finn ve bazik oksijen fınnı, sürekli akışlı sürekli açık sistemler (SASA) olarak kabul edilmiştir.. Her iki prosesteki girdi ve çıktı malzemelerindeki kinetik ve potansiyel enerjilerin farkı küçük olduğundan ihmal edilmiştir.. Her iki finnda sabit duvarlara (sabit sistem sınırlanna) sahip olduklanndan, bu prosesler için iş miktarlan sıfir olarak alınmıştır.. Her iki prosesteki girdi ve çıktı malzemeleri uniform olarak kabul edilmiştir. Yukanda belirtilen kabuller ışığında, yüksek finn ve bazik oksijen finn prosesleri için şu termodinamik denklemler yazılabilir. Süreklilik denklemi :Birinci kanun denklemi : Q +£ mg. hg = Zniç. h. (4) Ekserji denklemi; çevre ile ısı alışverişini sıfir kabul ederek (Q = 0), tersinir sürekli akışlı sürekli açık sistemler için şu şekilde yazılabilir. Img (hg - To. sg) = Emç (hç - T0. sç) (5) Yüksek firm ve bazik oksijen firm prosesleri için malzeme akış şemaları ve kimyasal reaksiyonlar Şekil 1 ve 2 'de verilmiştir. Şekil 1. Yüksek finn prosesi malzeme akış şemasıŞekil 2. Bazik oksijen firın prosesi malzeme akış şeması Şekil l'den görüldüğü üzere, yüksek firın reaksiyonları genel olarak; karbonun kısmi yanması sonucu karbonmonoksit oluşumu, demir ve diğer metal oksitlerin direkt ve endirekt indirgenmesi, kireç taşının bozunması, kükürtün giderilmesi ve Bouduard reaksiyonlarından oluşmaktadır. Şekil 2' den görüldüğü üzere, bazik oksijen firın reaksiyonları ise genel olarak; sıcak maden ve hurda içerisindeki karbon ve diğer empüritelerin oksidasyonlan ve kükürtün giderilmesinden oluşmaktadır. Yüksek firın ve bazik oksijen firın proseslerinin girdi ve çıktı maddelerinin miktarlarını hesap etmek için, bu proseslerin bilgisayar simülasyonu yapılmıştır. Yapılan kabuller ve geliştirilen modellerin ışığı altında; ikinci kanunun kok verimi, ikinci kanun sıvı çelik verimi, bir ton sıcak maden için kok tüketimi ve sıvı çelik üretim miktarları bilgisayar programı yardımı ile hesaplanmıştır. Bilgisayar programı hem tersinir prosesler için, hemde gerçek prosesler için hesap yapabilmektedir. Ayrıca, yazılan bilgisayar programı yardımı ile, prosesteki diğer girdi ve çıktı maddelerinin miktarları, taşıdıkları enerji değerleri ile birlikte hesap edilebilmektedir. Bilgisayar programında proseslerin simülasyonu için yapılan kabuller, Erdemir işletme değerlerinden ve literatürden alınmıştır. Tersinir yüksek firın ve bazik oksijen firın proseslerinde; sıcak maden ve sıvı çelik sıcaklıklarının ergime noktasındaki sıcaklıklarda olduğu düşünülmüş, herbir prosesteki cüruf ve çıktı gazların kullanılabilir enerjilerinin tamamının kendi prosesleri için kullanıldığı kabul edilmiştir. Bu kabule göre, tersinir proseslerdeki cüruf ve gazların çıkış sıcaklıkları atmosfer sıcaklığında olup, gazların içerisinde yanabilir komponent bulunmamaktadır. Bilgisayar programı genel olarak şu alt programlardan meydana gelmiştir:. Veri tabanı oluşturulması,. Kütle hesaplamaları ve balansı için alt programlar,. Enerji hesaplamaları ve balansı için alt programlar. Termodinamiğin ikinci kanununun analizi ile ilgili alt programlar. XXV-Bilindiği üzere, yüksek finnın ana çıktı maddesi olan sıcak maden, bazik oksijen fırınının ana girdi maddesidir. Bu nedenle, bilgisayar programı yardımı ile isteğe bağlı olarak, yüksek firm ve bazik oksijen firın proseslerinin girdi ve çıktı değerleri, birbirlerine bağımlı veya birbirlerinden bağımsız olarak hesaplanabilmektedir. Bilgisayar programı yardımı ile elde edilen sonuçlar, gerek literatür ve gerekse Erdemir değerleri ile karşılaştınlmıştır. Karşılaştırma sonucunda, programdan elde edilen değerler gerçek değerlere ± % 5 sınırlan içerisinde yakınsaklık göstermiştir. Bu karşılaştırmanın sonucu, geliştirilen model ve yapılan kabullerin geçerliliğini göstermektedir. Bir ton sıcak maden için yüksek Arında yapılacak kok tüketimi ve bazik oksijen fırınında elde edilecek sıvı çelik üretimini hesap etmek için, yüksek firın ve bazik oksijen firm prosesleri için geliştirilen bilgisayar akış şemaları, çok özet olarak Şekil 3 ve Şekil 4'te verilmiştir. BAŞLA Demir cevheri, sinter, pelet, kok ve flaksın kimyasal kompozisyonu Sıcak madenin kimyasal kompozisyonu ve sıcaklığı Yüksek fırın havasının sıcaklığı ve cürufun bazikliği Gerçek ve tersinir yüksek fırın prosesleri için, kütle ve enerji hesaplamaları yardımı ile, bir ton sıcak maden için yüksek firm girdi ve çıktı maddelerinin tespit edimesi. ikinci kanunun kok veriminin hesaplanması. Bir ton sıcak maden için yüksek fırın kok tüketimi, girdi ve çıktı maddelerinin miktarları ve taşıdıkları enerji değerleri İkinci kanunun kok verimi @ Şekil 3. Yüksek firm prosesinin simülasyonu ve kok tüketiminin tespiti için, bilgisayar programına ait özet akış şeması. - XXVI(^başla) Sıcak maden ve sıvı çeliğin kimyasal kompozisyonları ve sıcaklıkları Flaks malzemenin ve hurdanın kompozisyonu ve sıcaklıkları Gerçek ve tersinir bazik oksijen firm prosesleri için, kütle ve enerji hesaplamaları yardımı ile, bir ton sıcak maden için girdi ve çıktı maddelerinin tespit edilmesi. İkinci kanunun sıvı çelik veriminin hesaplanması. 1. Bir ton sıcak maden için sıvı çelik üretimi Bazik oksijen fırın girdi ve çıktı maddelerinin miktarları ve taşıdıkları enerji değerleri İkinci kanunun sıvı çelik verimi SON Şekil 4. Bazik oksijen finn prosesinin simülasyonu ve sıvı çelik üretiminin tespiti için, bilgisayar programına ait özet akış şeması. Yüksek finn prosesinde ana enerji kaynağı koktur. Bu nedenle; yüksek finn prosesinde enerji optimizasyonunun anlamı, kok optimizasyonu, yani bir ton sıcak maden için minimum kok tüketimi demektir. Bazik oksijen prosesinde gerekli enerji, sıcak maden içerisindeki karbon ve diğer empüritelerin oksidasyonu ile sağlanır. Oksidasyon sonucu açığa çıkan bu enerji, hurdanın ergitilmesinde kullanılır. Bazik oksijen finn prosesinde ise enerji optimizasyonu, bir ton sıcak maden için maksimum hurda girdisini gerektirir ve dolayısı ile maksimum sıvı çelik üretimini sağlar. Bu nedenle bazik oksijen prosesinde enerji optimizasyonu, sıvı çelik üretim optimizasyonu, yani bir ton sıcak maden için maksimum sıvı çelik üretimi demektir. Yüksek finn ve bazik oksijen firımnda çeşitli parametreler için, bilgisayar programı yardımı ile kok tüketim ve sıvı çelik üretim miktarlannm optimizasyonu yapılmıştır. Aynca bu parametrelerin kok tüketimine ve sıvı çelik üretimine etkileri ayn ayn incelenmiştir.Yüksek firm parametreleri :. Yüksek firm havasının sıcaklığı (700 K - 1600 K),. Flaks malzeme içerisindeki yanmış kireç miktarının, yanmamış kireç miktarına oranı (0 - %100),. Zengin ve fakir demir cevherlerinin etkisi,. Yüksek firın girdi malzemeleri içerisindeki sinter ve/veya peletin yüzde miktarları (0-% 100),. Cüruf bazikliği (0.8-1.3),. Kok içerisindaki nem miktarı ( 0 - %6). Bazik oksijen finn parametreleri :. Sıcak madenin torpedo arabası ile taşınması esnasında meydana gelen ısı kayıplarının azaltılması (Sıcak maden sıcaklığı: 1473 K - 1723 K),. Sıvı çelik sıcaklığının mümkün olduğu kadar düşük düzeyde tutulması (2023 K- 1873 K),. Hurdanın ön ısıtılması (298 K - 1098 K),. Üflenen oksijenin ön ısıtılması (298 K - 1298 K),. Dökümden döküme geçen süre (30 dakika - 90 dakika),. Convertörden çevreye yayılan ısı kayıplarının azaltılması. Yukanda verilen parametrelerin alt ve üst limit değerleri, Erdemir işletme pratiklerinden ve literatürden seçilmiştir. Bu çalışmada; yüksek finn havasının sıcaklığının artırılması olayının, yüksek finn gazlarının ve/veya yüksek finn cürufunun enerjilerinin geri kazanılması ile oluştuğu kabul edilmiştir. Bazik oksijen finnına şarj edilen hurdanın ve üflenen oksijenin ön ısıtılmasının ise, bazik oksijen finn gazlannın ve/veya bazik oksijen finn cürufunun enerjilerinin geri kazanılması ile yapıldığı kabul edilmiştir. Bilgisayar program çıktılanna göre, şu sonuçlar elde edilmiştir. Yüksek finn hava sıcaklığının artınlması, şarj malzemesi içerisindeki sinter ve pelet yüzdelerinin artınlması, fakir demir cevheri yerine zengin cevher kullanımı, flaks malzeme içerisindeki yanmış kireç miktarının artınlması, kok içerisindeki nem miktannın azaltılması ve yüksek finn ısı kayıplannın azaltılması; yüksek finnda kok tüketimini azaltmakta ve ikinci kanunun kok verimini artırmaktadır. Hurda ön ısıtma sıcaklığının artınlması, oksijenin ön ısıtılması, torpedo arabasındaki sıcak madenden çevreye ısı kayıplannın azaltılması, konvertörden çevreye ısı kayıplannın azaltılması, dökümden döküme geçen sürenin azaltılması ve sıvı çelik sıcaklığının olabilecek minimum seviyede seçilmesi; ikinci kanunun sıvı çelik verimini ve ton sıcak maden basma sıvı çelik üretimini artırmaktadır. Yapılan analizler sonucunda; yüksek finn prosesinde bir ton sıcak maden için kok tüketimi azaldığında, ikinci kanunun kok verimininde artış gözlenmiştir. Bazik oksijen finn prosesinde ise; bir ton sıcak maden için sıvı çelik üretim miktannın artışına bağlı olarak, ikinci kanunun sıvı çelik veriminde artış görülmektedir. - XXV111Seçilen parametrelerin limit sınırlan içerisinde; yüksek finn prosesinde minimum kok tüketimi ve ikinci kanunun maksimum kok verimi; 1600 K hava sıcaklığında, % 100 pelet şarjında, flux içerisindeki yanmış kireç miktarı %100, kok içerisindeki nem miktarı sıfir, cüruf bazikliği 0.8 şartlarında elde edilmiştir. Bu şartlar altında, minimum kok tüketimi 435 kg/TSM, ikinci kanunun maksimum kok verimi ise % 64 olarak tespit edilmiştir. Bazik oksijen firm prosesinde ise seçilen limit sınırlan içerisinde; ikinci kanunun maksimum sıvı çelik verimi ve ton sıcak maden basma (TSM) maksimum sıvı çelik üretimi; sıcak maden sıcaklığı: 1723 K, sıvı çelik sıcaklığı: 1873 K, ön ısıtma sonrası hurda sıcaklığı: 1098 K, oksijen sıcaklığı: 1298 K, dökümden döküme geçen süre: 30 dakika, şartlannda elde edilmiştir. Bu şartlar altında, bazik oksijen firm prosesinde maksimum sıvı çelik üretimi 1770 kg/TSM, maksimum hurda / sıcak maden oranı: 0.870 ve ikinci kanunun maksimum sıvı çelik verimi ise % 48 olarak tespit edilmiştir. Bu değerler seçilen limit sınırlan içerisindeki maksimum ön ısıtma sıcaklıklan, minimum sıvı çelik sıcaklığı ve ısı kayıplanmn minimum olduğu şartlarda elde edilmiştir. Çoğu işletmelerde kullanılan aşağıdaki parametreler için sıvı çelik üretimi, hurda / sıcak maden oram ve ikinci kanunun verimleri şöyledir: Sıcak maden sıcaklığı: 1573 K, sıvı çelik sıcaklığı: 1948 K, hurda sıcaklığı: 298 K, oksijen sıcaklığı: 298 K, dökümden döküme geçen süre: 45 dakika şartlannda, sıvı çelik üretimi: 1152 kg/TSM, hurda / sıcak maden oranı: 0.245 ve ikinci kanunun sıvı çelik verimi ise % 3 1 olarak bulunmuştur. - XXIX

Özet (Çeviri)

ABSTRACT Iron and Steel industry accounts for up to 10 % or more of total energy in steel producing countries. The second law of thermodynamics is very powerful tool in energy optimization of the systems. In an integrated iron and steel plant, the main factors decreasing energy consumption are;. Decreasing coke (fuel) rate in blast furnace.. Increasing amount of liquid steel production per ton of hot metal in basic oxygen furnace. In this study, mathematical models have been developed for prediction of coke consumption and liquid steel production through computer simulation of blast furnace and basic oxygen furnace processes. For the simulation of the processes, the following main submodels have been built up: submodel for data base creation, mass balance submodels, energy balance submodels and submodels for second law analysis. To examine how efficiently energy is consumed in the processes, the following second law efficiencies have been defined: Second law coke efficiency for blast furnace process and second law liquid steel efficiency for basic oxygen furnace process. For present study, parameters which have been investigated on the reduction of blast furnace coke consumption are: blast temperature, ratio of burnt lime to unburned lime in the flux, types of iron ore, sinter and pellet percentages in burden, slag basicity and moisture in coke. Parameters which have been investigated to increase basic oxygen furnace liquid steel production are: tap to tap time, preheating of scrap, preheating of oxygen, decreasing heat losses from torpedo car and temperature of liquid steel. A computer program has been developed for optimization of coke consumption, liquid steel production and the second law efficiencies under the chosen parameters. -xx

Benzer Tezler

  1. Tez No

    511803

    Demir çelik endüstrisindeki elektrik ark ocaklarının kimyasal bileşimine dayalı kütle ve enerji analizi

    Mass and energy analysis of electric arc furnace based on chemical compound in the iron and steel industry

    ENVER ONUR ÖZDEŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Makine Mühendisliğiİskenderun Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ERTUĞRUL BALTACIOĞLU

  2. Tez No

    93090

    Energy optimization of the yankee-hood dryer

    Yankee-Hood kurutucusunda enerji optimizasyonu

    SELİS ÖNEL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2000

    Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜNİZ GÜRÜZ

  3. Tez No

    21965

    Karbotermik ferrobor üretim parametrelerinin optimizasyonu

    The optimization of parameters for the carbothermic production of ferroboron

    ONURALP YÜCEL

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    1992

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF. DR. OKAN ADDEMİR

  4. Tez No

    119097

    Energy analysis and the multi-variable energy optimization of a Yankee Hood dryer

    Yankee Hood kurutucusunun enerji analiz ve çok-değişkenli enerji optimizasyonu

    AKIN SALİH TOPPARE

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2002

    Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜNİZ GÜRÜZ

  5. Tez No

    467295

    Çimento öğütme prosesinin doğrusal olmayan sistem tanılama yöntemleri ile modellenmesi

    Non-linear modeling of cement grinding process

    ERMAN ÇEVİKKALP

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞENİZ ERTUĞRUL

Geri Dön