Regenerators for heat storage in Iron and Steel Industry - ATEE
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Regenerators for heat storage in Iron and Steel Industry • Gérard Griffay | Energy Program & Free Innovation Program Leader ArcelorMittal Global Research and Development Maizières Process Voie Romaine, BP 30320 - F-57283 Maizières-lès-Metz Cedex T +33 (0)3 87 70 43 83 | M +33 (0)6 27 45 85 19 February 28th, 2019 www.arcelormittal.com
ArcelorMittal:
leader in steel and mining industry
• 200,000 employees in more than 60 countries with an industrial
presence in 18 countries.
• Leader in all major global steel markets, including automotive,
construction, household appliances and packaging.
• The largest producer of steel in the EU, North and South America and
Africa, and a growing presence in Asia, including investments in
China and India
• Annual shipments of 85 Mt/year of steel, 70 MM$ (2017),
• One of the world’s largest producers of iron ore (90 Mt/year) and
metallurgical coal strategically positioned to serve our network of steel
plants and the external global market
Underpinning all our operations is a philosophy to produce safe, sustainable steel
2
Energy use in steelmaking
• World crude steel production reached 1691 Mt in 2017 33 820.1015 J/year
(50% in china, 10% in Europe, 1% in France). → 33 820 PJ/year
• About 50% of a steel plant energy input comes from coal, 35% from
electricity, 5% from natural gas and 5% from other gases (H2, O2, fuels).
• Steel production is energy intensive (20 GJ/t). However, improvements
in energy efficiency have led to reductions of about 60% in energy
required to produce a ton of crude steel since 1960.
More and more difficult to
improve energy efficiency
of existing processes
- 60% since 1960
3
Main existing technologies for waste
heat recovery in each process
4
–A–
Regenerators of coke ovens
February 28th, 2019
Typical Coking Plant view 120 ovens, 240 regenerators (silica) for air and BF Gas
Building of coke ovens The first bricks (silica)
OVENS
Empty regenerators Regenerators
just below the ovens
Ovens
Regenerators
Vue en coupe des régénérateurs
OVENS Regenerators
1000°C
SiO2
Al2O3
20°C
PositionOVENS
des régénérateursRegenerators
dans une cokerieCycle des inversions de chauffage
OVENS Regenerators
Inversions
toutes les 20 min
Température air
et gaz : 1000°C
Température
flamme 1300°C
Débit de gaz :
120 Nm3/h
(12000 Nm3/h pour une
batterie complète)
Rendement : 70 %–B–
Regenerators of hot stoves
February 28th, 2019OVENS
Hot stoves
RegeneratorsWhat is a hot blast hot stove?
Provides hot blast (hot air 900–1300ºC) to the blast furnace
Combination of a combustion chamber and checkerworks
~ 20 to 25 %
Thermal energy
Cyclic process: on gas stage followed by on blast stage consumed on site
On blast stage (20–40 min) :
On gas stage (30–60 min) : Cold blast (air) flows
Combustion gases flow through the checkerwork
down and transfer heat to and recovers heat
the checkerwork bricks
Checkerworks = Regenerative HEx
(honeycomb design refractory bricks)
30 m
Silica, High alumina, Fireclay
DateOVENS Regenerators
10 m
200 MWOVENS Regenerators
1300°C
SiO2
Brick’s composition in
function of
temperature levels
and cycles.
Al2O3
200°CA hot blast stove battery
Combination of 3 hot blast stoves to ensure hot blast flow rate & temperature
On gas On gas On blast
Stove dome T (~1280ºC)
Pinstalled~ 3 x 200 MW Efficiency: 80 %
Date
[1] Zetterholm et al. App.Energy 2017Ruchage (beehive) Canal section: s
CESSID Cowpers 20 à 22 /11/2000 la théorie du cowper
Ruchage (beehive)
s
s Porosité: = ( 30 à 40%)
s + sm
Diamètre 4.s
d=
p e hydraulique: p ( 35 à 45 mm)
1/2 épaisseur équivalente:
sm e=
sm
( 10 à 15 mm)
p
e
d Modélisation–C–
Regenerators of furnaces
(regenerative burners)
February 28th, 201921
Boostage de fours de réchauffage
des brames d'acier
Dégrossisseur
FinisseurLes fours à brames sidérurgiques
Réchauffage des brames d’acier à
plus de 1200°C.
Équipement de chauffe : brûleurs
à gaz de plusieurs Mégawatts (2 à 5).
35 m
Fours énergivores :
les plus gros consommateurs
d’énergie d’une usine intégrée
de production d’acier (150 MW).
01/03/201923
Vue Générale d’un four de réchauffage
Burners Hot air pipe system
Recuperator
“walking” system
Walking beams Fumes
35 m24
Principe des brûleurs régénératifs
cycle brûleur récupérateur : 30 secondes à 120 secondes
en fonction des technologies de récupérateurs
déstockage stockage
stockage déstockage
2 MW
Fumées
Fumées
Air
Air Matrice régénérative
Gaz
GazA changer en Affichage > En-tête et pied de page
25
Efficacité des régénérateurs en nid d’abeille
DT° moyen entre fumées extraites et air préchauffé : 50 - 300 °C en fonction des
différentes technologies de régénérateurs
T° moyenne de sortie des fumées : 150 - 300 °C (h de récupérateur > 80%)
01/03/2019Tests de brûleurs régénératifs
• Test de 2 brrûleurs
HRS-DL from NFK
26Vue générale
• Brûleur NFK HRS-DL
avec nids d’abeilles
• P = 2 MW
Gaz
Air
Gaz
2728 Brûleur régénératif dans le four d’essais
Quelques résultats :
effet T° four et facteur d’air sur NOx et rendement
Rendement de combustion > 80 %
NOx < 200 mg/Nm3 dans
nos domaines d’application
01/03/2019A changer en Affichage > En-tête et pied de page
30
Enjeux des brûleurs régénératifs
• sur four existant à puissance identique (remplacement des
brûleurs traditionnels par brûleurs régénératifs):
– augmentation de productivité + 17 %
associée à une diminution de la consommation de - 14%
• nouveau four tout régénératif à productivité constante (273 t/h)
– longueur four 33,7 m → 24,7 m ( - 24 % )
01/03/2019–D–
Remaining challenges
in Iron & Steel processes
February 28th, 2019Remaining challenges in Iron & Steel processes to recover energy from gases and liquids at very high temperature (1000 to 1600 °C) i.e. converter gas (1600 °C), EAF fumes (1500°C), variable streams → How to cool these processes with higher temperature fluids than cold water to allow efficient heat recovery and use? → How to store this variable heat generation to allow a regular use?
Remaining challenges in Iron & Steel processes to recover energy from solids at very high temperature (500 to 1000 °C) → How to recover, store and transfer energy with high global efficiency and low Capex from high temperature solids (500 to 1000 °C, like coke, sinter, slabs, coils) to produce high temperature gases or steam or endothermic chemical reactions? Coke Slab coil
Remaining challenges in Iron & Steel processes
to recover energy with low cost compact
systems, and store it before reusing it.
• Recovery of transient and high density energy sources
i.e. converter gas (1600 °C), EAF fumes (1500°C), gas flares
→ low inertia systems, direct contact exchangers, high
350.000
temperature fluidized
beds … 300.000
250.000
200.000
150.000
100.000
50.000
0.000
1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96
• Storage of high temperature waste heat
→ Static materials, particles, high temperature phase change materials
(> 500°C),
chemical reactions, CO2 transformation …MERCI
35You can also read
