燃燒技術在鋼鐵廠的應用 - 陳俊達 組長

燃燒技術在鋼鐵廠的應用 - 陳俊達 組長

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1. 1 1 燃燒技術在鋼鐵廠的應用 陳俊達 能源開發與應用發展組 綠能與系統整合研究發展處 中鋼公司，高雄市 07-8021111ext.2844 122390@mail.csc.com.tw 簡報大綱 燃燒在鋼鐵生產的重要性 鋼廠主要燃燒技術 結語
2. 2 燃燒在鋼鐵生產的重要性
3. 3 3 Iron Ore Limestone Coal 煉焦爐 COG COG COG COG BFG BFG BFG BFG LDG LDG O 2 連鑄 鋼 胚 熱軋 加熱爐 連續鍍鋅線 連續退火線 成品 鋼捲 COG COG ◦ 轉爐 ◦ ◦ 轉爐 燒結 工場 冷軋 煉焦工場 燒結工場 熱風爐 鐵水 乾式淬火爐 濕式淬火爐 高爐 燒结礦 焦炭 煉焦工場 燒結工場 熱風爐 鐵水 乾式淬火爐 濕式淬火爐 高爐 燒结礦 焦炭 煉焦煤 鐵礦 石灰石 煉焦工場 燒結工場 熱風爐 鐵水 乾式淬火爐 濕式淬火爐 高爐 燒结礦 焦炭 煉焦煤 鐵礦 石灰石 煉焦工場 燒結工場 熱風爐 鐵水 乾式淬火爐 濕式淬火爐 高爐 燒结礦 焦炭 PCI PCI 熱風爐 動力工場 魚雷車 魚雷車 軋鋼 煉鋼 原料 煉鐵 一貫作業鋼廠之生產流程
4. 4 4 一貫作業鋼廠能源系統 ➢ 既需外購一次能源、又產出二次能源的複雜系統； ➢ 二次能源以「公共流料(utility)」串流在各製程間；存在生產 、輸送/儲存、分配/調度、使用等營運問題； ➢ 營運問題與社會氛圍、政策法規、能源價格密切相關； Coal Coke Oven BF BOF Rolling H.M coke COG BFG 上游(Upstream) 下游(Downstream) Slab Product LDG Heat Chemical Energy Gas Elec. Boundry of ISMP 燃燒 (Combustion) 載能體 90% 10% Electricity Furnace Utility 能源轉換 (Transform)
5. 5 5 煉焦爐Coke Oven 燒結爐Sinter Plan 加熱爐Reheating Furnace 高爐BF (Blast Furnace) 轉爐 BOF 鋼鐵生產製程主要耗能設備
6. 6 鋼鐵生產製程自產燃氣特性 Fuel 燃料 H2 O2 N2 CO CO2 CH4 C2H 4 C2H 6 C3H 6 焦爐氣 (COG) 56.2 0.1 2.3 6.3 2.5 29.3 2.5 0.8 0.1 轉爐氣 (LDG) 1.1 0.1 13.9 70.9 14.1 高爐氣 (BFG) 3.9 0.0 52.2 22.5 21.4 燃氣 理論空氣量 (Nm3/Nm3) 理論火焰溫度 (℃) 產出量 (Nm3/Year) 熱值 (kcal/Nm3) COG 4.2 2100~2130 1.995×109 4100 LDG 1.47 2000~2100 9.161×108 1674~1967 BFG 0.59 1200~1300 1.400×1010 781 6
7. 7 減少外購-自產燃氣高效率燃燒利用 ⚫ 熱風爐及鍋爐少用COG，減少下游工業爐外購天然氣成本， 估計能源效益達4.2億元。 熱風爐 動力工場 下游工業爐 自 產 燃 氣 COG BFG COG BFG LDG COG 不足 外購 天然氣 外購 電力 COG 自產燃氣調度 自產燃氣調度
8. 8 燃燒效率提升方法演進 source：https://www.sanken-sangyo.co.jp/en/products/energy-saving/index.html
9. 9 鋼廠主要燃燒技術 2-1 燃燒設備操作與控制 2-2 先進燃燒技術 2-3 燃料替代技術 2-4 工業爐優化操作技術
10. 10 2-1 燃燒設備操作與控制 (1) Pilot點火異常排除 點火異常排除順序 ➢ UV燈泡髒污、鬆脫、故障 ➢ Relay故障 ➢ 點火點位置錯誤(點火棒錯位) ➢ Orifice未正確安裝 ➢ 燃料、空氣壓力配比錯誤 Air NG Relay 高壓點火線圈 Pa PNG 確認設 備正常 進行燃 燒調整
11. 11 Pilot點火範圍寬廣 • P air 提升→P NG 須同步提升→增加NG耗用，火焰穩定與Pair壓力無關 • 調整後Pilot火焰穩定性佳、冷爐點火容易、NG消耗量降低 UV sensor電壓<1 系統視為未點燃 壓力表限制，不具有參考性 可點火的操作區間 Pilot入口空氣壓力 入 口 NG 壓 力 調整前 操作點 調整後 操作點
12. 12 建立pilot異常診斷工具 ◼ 善用PI系統資訊，建立pilot異常診斷工具，可一眼 辨識出異常pilot!
13. 13 13 燃燒器狀態智能監診系統 Recuperator Steel Radiant tube Burner Air COG Exhaust gas Annealing Furnace 開發無線量測設備與IoT Safety 由廢氣壓力健診輻射管 Diagnosis 由廢氣溫度診斷燃燒效率 Efficiency 監測殘氧達成最佳空燃比 Air Quality Wireless Communication Cloud Platform iBurner Smart sensing
14. 14 2-2 先進燃燒技術 來源：分離式蓄熱燃燒系統應用於精密鑄造燒結爐，金屬中心，陳建成博士 •Energy saving 25%，NOx reduction70%，throughput increased 20% (1) Regenerative Combustion System
15. 15 15 Applications of Regenerative combustion system in CSC Ladle Dryer/Preheater Slab reheating furnace 鋁熔爐 2B 2A 1B 1A 燃燒器 進料門 稀釋空氣 廢氣Ⅰ 廢 氣 Ⅱ 廢 氣 Ⅲ 煙 囪 O2 測點 排氣風扇 天然氣 空氣 空氣 天然氣 Aluminum Melting Furnace
16. 16 16 More precise temperature control, less energy consumption. (2)Pulse Firing control ➢ Operating burners by ON/OFF mode. ➢ Modulating load by ON time schedule of burners. Burner #1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Burner #2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Burner #3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Burner #4 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 燃燒時間(秒) 10 20 30 40 50 60 70 80 10 20 30 40 50 60 70 80 10 20 30 40 50 60 70 80 同時點燃數量 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 燃燒器佔比(%) 25 25 25 25 25 25 25 25 25 50 50 50 50 50 50 50 50 75 75 75 75 75 75 75 25%負載需求 50%負載需求 75%負載需求
17. 17 17 Bell furnace with Pulse firing control Control panel Applications of Pulse Firing Control Rod mill Reheating Furnace
18. 18 (3)Oxygen Enrichment/Oxyfuel Combustion Fuel Air (21%O2 +79N2 ) CO2 H2 O N2 Fuel O2 CO2 H2 O Fuel O2 +RFG(CO2 ) CO2 H2 O Air Combustion Oxyfuel Combustion Fuel Air+O2 (>21%O2 +N2 ) CO2 H2 O N2 Oxygen Enrichment CO2 H2 O CO2 H2 O Internal RFG External RFG
19. 19 19 Oxyfuel ladle preheater in CSC Bright flame from oxyfuel burner Preheated ladle
20. 20 (1) 鍋爐COG減量 技術瓶頸 解決對策 1.BFG取代COG之熱能轉換問題 2.燃燒穩定性問題 1. BFG與COG熱能轉換特性理論分析 2.開發BFG+COG可燃極限計算模式 3.開發燃燒試驗系統確認火焰穩定性 2-3 燃料替代技術 蒸汽 冷鼓風 COG 、BFG LDG、天然氣 鍋爐 電力 汽輪鼓風機 汽輪發電機 蒸汽 冷鼓風 COG 、BFG LDG、天然氣 鍋爐 電力 汽輪鼓風機 汽輪發電機
21. 21 21 (b)設計開發燃燒試驗系統確認火焰穩定性 確認BFG單燒所需之空氣或BFG預熱溫度>180℃。 COG 9.1% COG 8.4% COG 0% COG 9.1% COG 8.4% COG 0% BFG穩定燃燒機制確認 確認現場BFG操作濃度範圍，符合單燒最低濃度下限。 (a)開發BFG+COG可燃極限計算模式 BFG之理論可燃下限為47%，現場正常操作條件下BFG濃度 約為56%。
22. 22 22 (C) 鍋爐實爐測試 鍋爐在空氣預熱溫度~200℃時，隨著COG流量調降，BFG火焰燃燒情形。 COG BFG 2.6% COG 1.84% COG 0.87% COG 5000 10000 15000 20000 COG (Nm3/h) ~2007 Sep. 2007 Oct.~Dec. Present 2009 Oct. 13500Nm3/h 2008 Jan.~Dec. 2009 Jan.~Sep. 輔助COG使用於動力工 場之已節省約 25~30% ，整體效益可達5000萬 元/年以上。 (d) 動力工場鍋爐應用實績
23. 23 23 (2)煉焦加料汙染排集系統燃燒機混燒生質油 ◼系統主要功能：燃燒 柴油處理加焦過程逸 散粉塵及焦爐氣 ◼主要作業流程：煤倉 接料、昇騰管開蓋、 行車至加料爐、煉焦 爐加料口取蓋及加料 、燃燒器點火、加料 口覆蓋、行車回至料 倉加焦周期10分鐘。 煉焦爐加料口
24. 24 24 裂解乳化油與柴油霧化特性 ◼ 裂解乳化油摻混量10w%以內時， ◼ 就霧化特性，霧化粒徑之變異可控制在<3.3% ◼ 熱值變異<3.43%，完全蒸發裂解之溫度與柴油相較變異<5.41%。
25. 25 生質油 Microemulsion 燃燒技術 IWI廢木材 ➢壓力式霧化燃燒機 ➢雙流體(空氣/柴油)霧化燃燒 機 ◼於燃燒試驗平台以實場壓力式燃燒器完成5wt%裂解乳化油41.5小時測試(操作壓力0.8 Mpa，CO排氣濃度為2.8 PPM)； ◼並曾針對混20%之裂解乳化油進行短暫試燒。
26. 26 26 柴油燃燒機混燒生質油測試結果 ◼試驗初期出現未於試驗平台發 生的燃燒機pump堵塞問題。 ◼新增一線上沉降槽控制回油品 質，並修改管線讓泵浦回油經 沉降槽後回至日用油槽，降低 回油品質變異對燃燒之影響， 生質油上線應用一切正常。 ◼ 上線測試生質乳化油(生質油 熱值介於1104 - 5131 cal/g) ，排氣微粒濃度與燃用柴油 時無明顯差異，皆遠低於二 階煉焦CECS粒狀物排放標準 153 mg/Nm3)。 ◼ 操作目標為5000爐次，累計 操 作 時 數 達 199.16 小 時 (1195爐次)，最高連續操作 50.33小時。 採樣日期 生質乳化油 比例(%) 排氣微粒濃度 (mg/Nm3) 排氣溫度(℃) 備註 20140304 0 1.03 46 乾煤料 /baseline 20140304 0 N.D. 46 乾煤料 /baseline 20140305 0 N.D. 48.3 乾煤料 /baseline 20140305 0 1.65 48.3 乾煤料 /baseline 20140312 1 N.D. 54.3 濕煤料/生質油 20140312 1 N.D. 54.3 濕煤料/生質油 20140417 2.4 2.718 52.5 乾煤料/生質油 20140417 2.4 3.434 52.5 乾煤料/生質油 20150107 0.83 3.09 48.0 濕煤料/生質油 20150107 0.83 3.09 48.0 濕煤料/生質油 20150114 0 2.58 50.1 濕煤料 /baseline 20150114 0 3.10 56.5 濕煤料 /baseline
27. 27 空氣 預熱器 節煤器 廢氣 鍋爐飼水 鍋爐 送風機 F.D.fan 空氣 EP FGD 煙囪 過熱蒸汽 燃料 (3) 燃煤鍋爐混燒生質煤測試 煙氣特性 排氣溫 度(℃) SO 2 (ppm) NOx (ppm) OPAC.(%) Adaro 煤 116 80.4 69.6 15.7 煤+10%生質煤 113 78.0 65.4 14.2 煤+20%生質煤 116 66.0 75.0 13.9 產汽特性 蒸汽產量 Adaro 煤 183.3 t/h 煤+10%生質煤 181.0 t/h 煤+20%生質煤 179.6 t/h 品質：@510℃,92.4 kg/cm2 ➢ 燃料輸送研磨特性 ➢ 燃燒特性 ➢ 煙囪排氣空污物 關鍵評估技術 燃料 熱值 (kcal/kg) Adaro煤 4436 生質煤 4752 ➢混燒生質煤磨煤機耗電較高， 可能與生質煤產品夾雜有關； 可降低飛灰未燃炭比例，EP未 出現火花。
28. 28 28 ➢ Design features: Staging air combustion & Intelligent temperature control system (4) 爐石乾燥線燃煤熱風爐改燒木顆粒 The relationship between the excess air ratios and the average temperatures of the main combustion chamber Grate firing stove with the design of staging air combustion y = 303.73x + 588.95 R² = 0.92 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Temperature(℃) Excess air ratio of the grate firing system Main combustion chamber EFB pellet EFB pellet burner
29. 29 2-4 工業爐優化操作 (1) 熱風爐操作優化 廢氣 加熱製程 BFG、COG 熱鼓風 燃燒空氣 冷鼓風 送風製程 蓄 熱 室 燃 燒 室 蓄 熱 室 燃 燒 室 製程切換 廢氣 加熱製程 BFG、COG 熱鼓風 燃燒空氣 冷鼓風 送風製程 蓄 熱 室 燃 燒 室 蓄 熱 室 燃 燒 室 製程切換 ➢ 引進廢熱回收設備預熱BFG/燃燒空氣，減少穩焰COG 需求量，實現燃料結構改變目標； ➢ 須兼顧系統效率與熱風品質。
30. 30 30 熱風爐優化操作(續) 開發熱風爐燃燒模擬技術 30 3663 3580 3496 0.86 0.85 0.84 0.83 0.82 95000 92500 90000 1310 1285 1260 0.86 0.85 0.84 0.83 0.82 1.15 1.10 1.05 A.混合燃氣熱值(kJ/Nm3) Mean of Means B.混合燃氣流量(Nm3/h) C. Dome溫度(℃) D.過剩空氣比 Main Effects Plot for Means Data Means Optimal operation parameter combination Optimal operation parameter combination 3663 3580 3496 0.86 0.85 0.84 0.83 0.82 95000 92500 90000 1310 1285 1260 0.86 0.85 0.84 0.83 0.82 1.15 1.10 1.05 A.混合燃氣熱值(kJ/Nm3) Mean of Means B.混合燃氣流量(Nm3/h) C. Dome溫度(℃) D.過剩空氣比 Main Effects Plot for Means Data Means Optimal operation parameter combination Optimal operation parameter combination ⚫ 熱風爐空氣及BFG皆預熱至260℃可穩定燃燒。 ⚫ BFG預熱至260 ℃、COG 1.3%可達穩焰效果。 以田口法建立高效率操作基準 ⚫ 根據統計及理論分析找出關鍵因子及合理操作範 圍。(混合燃氣流量、熱值、Dome溫度、過剩 空氣比) ⚫ 以田口法試驗找出高效率操作參數組合。 ⚫ #2BF熱風爐系統效率達84%以上。 ⚫ COG減量54.3%、CO 2 減排13,130公噸/年。 改善前 系 統 效 率 (%) 83 先進鋼廠目標水準 84.21% 82.35% 79.61% 廢熱回 收上線 運轉 系統整合 改善成效
31. 31 31 智能加熱爐(iFurnace) 【Pressure Control】 【Real-Time Temperature Monitoring】 【Trend chart】 【3D temperature calculation】 【Oxygen Control】 【Process Monitoring & PreWarning】 ⚫ Energy saving 12% (Energy consumption from 309 to 272Mcal/ton)
32. 32 結語 燃燒是鋼鐵製程燃料利用最主要手段，與 能源成本及碳排量密切相關。 鋼鐵業從設備系統與操作，已應用多項燃 燒技術，追求更潔淨、高效率、低排碳的 未來。 陳俊達 能源開發與應用發展組 綠能與系統整合研究發展處 中鋼公司，高雄市 07-8021111ext.2844 122390@mail.csc.com.tw