A Hete hoogoven is een hoogoven voor de ijzerproductie die wordt gevoed met lucht die is voorverwarmd - doorgaans tot 900–1.300 ° C - voordat deze in de oven wordt geblazen via mondstukken die blaaspijpen worden genoemd, in plaats van dat er lucht op kamertemperatuur ("koude explosie") wordt toegevoerd. Het voorverwarmen zelf gebeurt in een apart apparaat dat een hete explosiekachel wordt genoemd (ook bekend als een Cowper-kachel), en de resulterende verwarmde lucht wordt de 'hete explosie' genoemd. Bijna elke hoogoven die vandaag de dag in bedrijf is, maakt gebruik van dit systeem, omdat voorverwarmde lucht het brandstofverbruik dramatisch verlaagt en de productie verhoogt in vergelijking met de koudhoogovens die vóór de jaren 1830 werden gebruikt.
Het onderscheid is van belang omdat hete ontploffing niet slechts een kleine aanpassing is; het is een van de weinige innovaties die grootschalige, door cokes aangedreven ijzerproductie in de eerste plaats economisch levensvatbaar hebben gemaakt. Hoogovens die worden gevoed met lucht die is voorverwarmd tot 900–1.250 °C, kunnen smelttemperaturen van ongeveer 1.650 °C genereren, waardoor het verbruik van cokes per ton geproduceerd ijzer aanzienlijk wordt verminderd. Begrijpen hoe het hete straalsysteem werkt – en waarom de temperatuur van die lucht zo belangrijk is – is de sleutel tot het begrijpen van de efficiëntie van moderne hoogovens.
Het hete hoogovensysteem is opgebouwd rond twee met elkaar verbonden apparaten die samenwerken: de hoogoven zelf, waar de smeltreactie plaatsvindt, en de hete hoogoven(s), waar de lucht wordt verwarmd voordat deze ooit de oven bereikt.
De kachel is in wezen een verticale cilindrische stalen schaal bekleed met vuurvaste baksteen, waarvan de binnenkant is gescheiden in twee kamers: een verbrandingskamer, waar gassen uit de hoogoven en andere brandstofbronnen worden verbrand, en een regeneratieve kamer gevuld met een schaakwerk van vuurvaste baksteen, verwarmd door het verbrande gas. Deze vuurvaste ‘ruitstenen’ zijn het medium voor warmteopslag: ze nemen warmte op tijdens de verbranding en geven deze later weer vrij als er frisse lucht doorheen wordt geperst.
Een heteluchtkachel werkt niet continu in één modus: hij wisselt tussen twee fasen. Tijdens de stookperiode wordt brandstofgas verbrand om de thermische opslag van geruite stenen op te warmen; tijdens de ontploffingsperiode wordt de lucht verwarmd door deze door de thermische opslag te laten stromen. Tijdens de ontladingsperiode wordt verse lucht door een ventilator met verhoogde druk over de verwarmde stenen gedreven, en nadat deze tot wel 1.200°C is verwarmd, wordt deze lucht – nu heetblazen genoemd – naar de bodem van de hoogoven gevoerd voor het smelten van ijzererts.
Omdat één kachel niet tegelijkertijd gas en lucht kan verwarmen, worden de meeste hoogovens bediend door drie kachels: terwijl er twee worden verwarmd, gaat de luchtstroom door de regeneratiekamer van de derde kachel op weg naar de hoogoven. Deze rotatie zorgt ervoor dat de hoogoven 24 uur per dag een continue, ononderbroken toevoer van hete lucht ontvangt.
De verwarmde lucht gaat van de kachel naar de oven via een drukpijp, die deze verdeelt naar de heetstraalmondstukken, of blaaspijpen, die rond de bodem van de oven zijn gemonteerd. Omdat de hete straaltemperatuur constant moet worden gehouden voor een goede efficiëntie van de oven, en de temperatuur op natuurlijke wijze daalt als een kachel afkoelt, wordt de hete straal gemengd met een gecontroleerde hoeveelheid koude straal in een mengkamer om de aanvoertemperatuur stabiel te houden, zelfs als de opgeslagen warmte van een individuele kachel wordt opgebruikt.
Hot blast is geen moderne uitvinding; het dateert uit het begin van de 19e eeuw en vertegenwoordigt een van de cruciale doorbraken in de geschiedenis van de industriële ijzerproductie. Tot de jaren 1820 werd aangenomen dat koude lucht ijzer van betere kwaliteit produceerde dan warme lucht, grotendeels omdat het verminderde vocht in koele winterlucht als gunstig werd beschouwd.
Hot blast werd uitgevonden en gepatenteerd voor ijzerovens door James Beaumont Neilson in 1828 bij Wilsontown Ironworks in Schotland. Neilson ontdekte dat door de explosietemperatuur te verhogen tot slechts 300 ° F (149 ° C), hij het brandstofverbruik kon verlagen van 8,06 ton steenkool naar 5,16 ton per ton geproduceerd ijzer, waarbij verdere reducties haalbaar waren bij hogere temperaturen. De resultaten waren dramatisch en snel verifieerbaar op grote schaal: Gedocumenteerde cijfers van de Clyde Iron Works tussen 1829 en 1833 laten zien dat bij het smelten van cokes door middel van koude explosies 8,2 ton steenkool per ton ijzer werd verbruikt en 37,5 ton ruwijzer per oven per week werd geproduceerd, terwijl bij het smelten van cokeskolen de productie werd verhoogd tot 54,9 ton per week.
De originele uitrusting van Neilson had echte beperkingen. De gietijzeren buizen die in een steenoven werden ondersteund, hadden verschillende uitzettingskenmerken, wat resulteerde in verschillende gescheurde buizen, en de leveringsapparatuur maakte gebruik van massieve blaaspijpen en flexibele lederen verbindingen die niet bestand waren tegen de hoge temperaturen. Pas in 1860 vond de Engelsman Edward Alfred Cowper de eerste succesvolle heteluchtkachel uit: het regeneratieve ontwerp van geruite baksteen dat, in verfijnde vorm, vandaag de dag nog steeds de industriestandaard is. De snelle acceptatie die volgde was opvallend: in 1835 was hete explosie algemeen in gebruik in Groot-Brittannië, slechts zeven jaar na de oorspronkelijke ontdekking van Neilson.
| Oventype | Gebruikte steenkool per ton ijzer | Ruwe ijzerproductie per week |
|---|---|---|
| Koude explosie met cola | 8,2 ton | 37,5 ton |
| Hete explosie met cola | 5,3 ton | 54,9 ton |
| Hete ontploffing met kolen | 3,0 ton | 62,2 ton |
De belangrijkste reden waarom hete ontploffing werkt is eenvoudige thermodynamica: koude lucht die een oven binnenkomt, moet worden opgewarmd door brandstof in de oven te verbranden voordat deze iets nuttigs kan doen, waarbij cokes wordt verspild door simpelweg de temperatuur van de binnenkomende lucht te verhogen. Door de luchtstroom voor te verwarmen voordat deze de oven binnengaat, neemt de warmte-inbreng toe in de vorm van voelbare warmte die de hoeveelheid cokes direct verlaagt.
Modern onderzoek bevestigt dat de relatie in een zeer voorspelbaar tempo standhoudt. Voor elke stijging van de uitlaatluchttemperatuur met 100 °C kan de cokesverhouding van de hoogoven met 4 à 7% worden verlaagd, kan de productie met 3 à 5% worden verhoogd en neemt de koleninjectiecapaciteit dienovereenkomstig toe. Een afzonderlijke schatting van de industrie formuleert het in absolute termen: elke stijging van de hete explosietemperatuur bij de bustle pipe met 10°C vermindert het cokesgehalte van de hoogoven met ongeveer 4 tot 6 kg per ton ruwijzer.
Dit is ook de reden waarom hete ontploffing essentieel is geworden in plaats van optioneel naarmate de oventechnologie zich verder heeft ontwikkeld. Een voorverwarming van ongeveer 1200 °C wordt nu als essentieel beschouwd wanneer poederkool door de blaaspijpen wordt geïnjecteerd, omdat de heteluchtstoot zorgt voor een snellere verwarming, pyrolyse van de steenkool en verbranding van de resulterende gasvormige producten.
Niet alle heteluchtkachels zijn op dezelfde manier gebouwd. Volgens de verschillende lay-outs en structuren van de verbrandingskamer en regenerator, worden heteblaaskachels over het algemeen verdeeld in drie structurele basisvormen: interne verbranding, externe verbranding en topverbranding. De keuze hiertussen is grotendeels een kwestie van hoeveel vloeroppervlak er beschikbaar is en op welke piektemperatuur de operatie zich richt.
Bij een ontwerp met interne verbranding bestaat de kachel uit een cilindrische vuurvaste wand met een interne verticale scheidingswand die de enkele schaal verdeelt in een verbrandingskamer en een geruite kamer met daarin de geruite stenen. Dit is de compactere, traditionele indeling, maar heeft een structurele beperking: het ontwerp van de verbrandingskamer met een scheidingswand heeft een bekende zwakke plek op de hoeken van de verbrandingskamer.
Externe verbrandingskachels bestaan uit een aparte controlekamer en verbrandingskamer, verbonden door een crossover in plaats van een gedeelde binnenwand. Door de twee kamers in verschillende schalen te scheiden, wordt het zwakke punt op de hoekspanning van het interne ontwerp verwijderd en worden doorgaans hogere piektemperaturen ondersteund.
Een nieuwere categorie kachels heeft helemaal geen verbrandingskamer in de conventionele zin - deze staan bekend als koepelverbrandingskachels, asloze kachels of Kalugin-kachels. Over het geheel genomen heeft de technologie van de hetestraalkachels, vooral het ontwerp en de kwaliteit van de vuurvaste materialen, de afgelopen jaren enorme verbeteringen ondergaan, waardoor een niveau van volwassenheid is bereikt dat een levensduur van meer dan 30 jaar garandeert voor een goed gebouwde kachel.
Omdat verschillende zones van de kachel zeer verschillende temperaturen ervaren, kan er niet overal één vuurvaste steen worden gebruikt. De materiaalkeuze is gelaagd op basis van hoe heet elke sectie van de geruite kamer daadwerkelijk wordt.
Deze gelaagde aanpak, waarbij de vuurvaste kwaliteit wordt afgestemd op de daadwerkelijke hitte die elke zone ervaart, zorgt ervoor dat een enkele kachel veilig kan omgaan met een temperatuurgradiënt die van boven naar beneden honderden graden beslaat.
Hete hoogovens besparen enorme hoeveelheden cokes, maar zijn zelf ook grote energieverbruikers – een feit dat vaak over het hoofd wordt gezien bij het beoordelen van de algehele efficiëntie van hoogovens. De hoeveelheid hoogovengas die de kachels nodig hebben, is goed voor ongeveer 40% van de totale productie van hoogovengas, en het energieverbruik van de kachel kan oplopen tot 25% van het totale energieverbruik van de centrale.
Per ton zijn de cijfers net zo veelzeggend: Op basis van gegevens van zes efficiënte hoogovensystemen wereldwijd bedraagt de gemiddelde totale primaire energiebehoefte 1,8 GJ per ton ruwijzer voor de hoogovens, vergeleken met 11,6 GJ per ton voor de hoogoven zelf. Dit betekent dat het kachelsysteem, hoewel kleiner in absolute energietermen dan de oven, nog steeds een betekenisvol en controleerbaar deel van het totale energieverbruik van de fabriek vertegenwoordigt – en een systeem waarbij efficiëntiewinsten zich direct vertalen in cokesbesparingen.
Praktische verbeteringen bij operationele installaties hebben dit in reële cijfers aangetoond in plaats van in theorie. Gedocumenteerde resultaten van de optimalisatie van de kachelbatterij bij Amerikaanse geïntegreerde staalproducenten omvatten een verlaging van het brandstofverbruik van de kachel met 8 tot 15 kg per ton ruwijzer en stijgingen van de temperatuur bij hete ontploffing van 15°C tot 30°C, wat zich vertaalt in een verlaging van de hoeveelheid cokes met grofweg 6 tot 12 kg per ton ruwijzer.
Voor iedereen die een hete hoogovensysteem bedient of evalueert, bepalen een handvol parameters consequent hoe goed de kachels presteren en waar efficiëntie wordt gewonnen of verloren.
OEM/ODM Fabrikanten van hoogwaardige verbrandings- en thermische apparatuur
