Promiljø For et bedre indre og ytre miljø ved smelteverkene 22. sept. 2011

Transkript

1 Promiljø For et bedre indre og ytre miljø ved smelteverkene 22. sept Prosjekt resultater Bernd Wittgens SINTEF

2 Oversikt presentasjon Hvorfor prosjektet? Målsetting Prosjektets struktur Metodikk Utvalgte Resultater

3 ProMiljø er et tverrfaglig samarbeid mellom: Ferrolegeringsindustriens Forskningsforening Materialer og kjemi og IKT 5-års prosjekt fra totalramme 26 mill.

4 Utfordringer til industrien: Reduksjon av miljømessige konsekvenser Reduksjon av forbrenningsrelaterte emisjoner (NO x, SO x, ) Restriksjoner for deponering av avfallstoffer Krav om økt energiutnyttelse Krav om forbedret indre miljø Reduksjon av diffuse utslipp Avgifter på utslipp av klimagasser (CO 2 )

5 Oversikt over delprosjekter Aktivitet År A2. Dr. Ing. 2 Tappehullsproblematikk x x x A3. Kartlegging og kvantifisering (indre miljø) x A4. Undersøkelse av uidentifiserte forurensninger i avgass x A5. Multikomponent optisk gassmåler x x x x x A6. Forhold mellom energistrømmer, massestrømmer og ytre miljø (IPPC) A7. Modellbasert forståelse: NOx-danning og reburning A8. Modellbasert forståelse: Charge-modell og strømning i ovn under tapping A9. Modellbasert forståelse: Pyrolyse og produktivitet x x x x x x x x x x x A10. Konseptstudie sterkt reduserte utslipp x x x x x A11. Industriell uttesting av del-konsepter x x x x A12. Tapperøyk: Mn tapping x x x A13. Tapperøyk: Si tapping x x x A14. Utblåsning og ras x x x x x

6 Målsetning med Promiljø: Fra råstoff til produkt... Prosess optimalisering og Prosesskontroll Kontroll på utslippskilder (gass, partikler og energi) Utslipp etter rensing Redusere tap av materialer og energi Videreutvikling av optisk måleutstyr Prosessforståelse chargering og pyrolyse Indre miljø: utslipp under tapping Materialbalanse

7 Leveranser fra Promiljø Ytre miljø Utvikling av teknologikonsepter som resulterer i: Redusert NO x utslipp med 30% i forhold til 2004 Redusert SO x utslipp med 90% i forhold til 2004 Oppsamlet 90% av fossil CO 2 Redusert karbontap skal gir 5% lavere CO 2 -utslipp Økt energigjenvinning: ca. 40% av ovns elektriske effekt kan gjenvinnes som elektrisk kraft Modellbasert forståelse for sammenheng prosess og miljø Ny optisk multikomponent målemetode Indre miljø Diffuse utslipp Beskytt ansatte for belastninger Unngå utslipp og/eller samle opp utslipp Personlig verneutstyr

8 Ytre miljø Grunnlegende forståelse av prosessen vha. iterasjonen mellom målinger og modellering Strømningsforhold i ovn inkl. termodynamiske forhold Konserveringsligninger for flerfase systemer: faststoff, smelte og gassfaser og overgang mellom fasene Kinetiske modeller Maksimal energigjenvinning Redusert falskluft inntak Resirkulering av røykgass reburning Konvertering av termisk til elektrisk energi Mimimale utslipp av støv, støvbundene stoffer og miljøskadelige gasser

9 Indre miljø Studere og løse miljøprobleme pga. Avgang av tapperøyk: røyklegging av verket og påfølgende helserisiko respektive flammeutvikling Modellbasert forståelse av fenomener i ovn Utvikling og anvendelse av nye måle- /overvåkningsteknikker Utforming av tappehull Avdamping av metall Hvilke mekanismer styre mengden og sammensetning Utslipp fra røykhette og kanalsystem Overvåkning av røykdanning i ovn (eksessiv ved ras) og strømningsmekanisk modellering Overvåkning av driften til ovn Optimering avtrekksystem

10 Modellering: Fra krater til skorstein... FEEDSTOCK EMISSIONS MÅLINGER HETEROGENEOUS REACTIONS DRYING CO, CO 2, H 2, H 2 O,,,NO x PYROLYSE PYROLYSIS H 2 O FORBRENNING NO x DANNELSE HOMOGENEOUS REACTIONS CO 2, H 2 O,,,NO x REACTIVITY Char, Tar, CO, CO 2, H 2, H 2 O, C x H y,no x, HCN, NH 3 FeMn, FeSi, Si, SiMn

11 A7. Modellbasert forståelse: NO x -danning og reburning Reduser O 2 konsentrasjon i flamme sonen Reduser maksimum temperaturer gjennom oppvarming av inerte forbrenningsprodukter i resirkulert røykgass Oppdatering av eksisterende modeller og evaluering Storskala turbulensmodellering Gir injeksjon av resirkulert røykgass redusert NO x? Korrelasjon mellom NO x og SiO 2 -danning? O 2 + CO O + CO 2 2OH O + H 2 O OH + CO H + CO 2 N + NO N 2 + O N + O 2 NO + O N + OH NO + H H + O 2 O + O O + H + M OH + M 2O + M O 2 + M O + CO +M CO 2 +M H + OH + M H 2 O +M 11

12 Resirkulering implementert i FLUENT Tilførsel gjennom ovnstaket Reduksjon av frisk luft tilførsel Konstant røykgassmassestrøm (73 kg/s). Resirkluert kg/s 0 % % % % % % % % %

13 Temperaturreduksjon fra 2035 til 1700 K Recirculation = 0% Recirculation = 40% 13

14 Konklusjon NO x For mindre en 10% resirkulert røykgass Netto temperatur økning registrert; ingen reduksjon i NO x -utslipp For mer enn 10% resirkulert røykgass Nox-danningsrate er redusert siden det er mindre oksygen for en forbrenning tilgjenglig Effekt av mindre oksygen er større en temperatur økning i ovn Maksimal mengde resirkulert røykgass ca. 40% 14

15 Sammenligning: Måling og Modellering Anlegg 1 Anlegg 2 Model Si dryss Si dryss Mass flow Nm3/h Off-gas o C O2 %vol CO2 %vol NO ppm v

16 Effekt av forbrenning med CO og SiO (eks. Resirk.) Si + O 2 SiO 2 Si + O SiO SiO + O SiO 2 Case 1 Case 2 CO CO SiO Mass flow kg/s Mass flow Nm 3 /h Off gas o C 640 NO ppmv

17 Modellbasert forståelse: A8. Charge-modell & A9. Pyrolyse Visualisere massestrømmer i chargen Utviklete modeller for pyrolyse av enkeltpartikler disse kombineres til makroskala modeller Innføring av gasstrømmer og interaksjoner mellom partikler Calculation of massflow using A3 and A4 40 MW Si furnace Area for each pipe (supply of material) 6.4 m2 (=A3 divided by the number of charging pipes) Massflow each pipe 1626 kg/h Massflow 0.07 kg/s/m2 Model A m2 Massflow kg/s Activ area for each pipe 1.9 m2 (assumes that 30 % of the area is used for 70 % of the mass) Massflow each pipe 1138 kg/h Massflow 0.17 kg/s/m2 Model A m2 Massflow kg/s 17

18 Partikkelstrøm visualisert Uniform transport av partikkler til krater Farger iht. oppholdstid Video 1 18

19 Kombinasjon FLUENT model for gasstrømmer og EDEM for partikkelstrømmer Problem: Ikke mulig å løse selv for meget korte tidsskritt (med dagens model og regnekraft) 19

20 A10) Konseptstudie sterk reduserte utslipp Benchmark: Avfallsforbrenningsanlegg Mulige tiltak: Støv: forbedret filter SO 2 : sjøvannsvasker Dioxin/Furane/PAH: som regel mindre enn ved avfallsforbrenningsanlegg NO x : Resirkulering av røykgass / SCR eller SNCR som DeNO x CO 2 : Lukket FeSi-ovn / Carbon Capture and Storage Produksjon av alger

21 A10 & A11) Fra konseptuell design til installasjon

22 Forbedret tapperøksavsug- en kombinasjon av måling, prosessforståelse og CFD 1578,0 C 119,7 C FØR ETTER 22

23 A12. Tapperøyk: Mn tapping / A13. Tapperøyk: Si tapping Systematiske målinger som skal avdekke hvilke effekter styrer avgang av tapperøyk Bedre tildekking i tappeområdet 23

24 Sammendrag resultater Økt forståelse av prosessen vha. iterasjonen mellom målinger og modellering Forståelse om danningsmekanismer for utslipp og hvordan disse kan påvirkes Forbedret innsikt i materialbalanse Innsikt i krav for effektiv l energigjenvinning Optimering ventilasjons og avgass system Ser mulige tekniske løsninger for forbedret emisjonskontroll Ett nytt måleinstrument utviklet og testet Økt anvendelse av avansert måleinstrumenter Forbedret overvåkning av smelteovn Bedre oversikt over utslipp (mengder og type) Tekniske løsninger for forbedret indre miljø er under installasjon 24

25 Takk for oppmerksomheten!