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Università degli Studi di Udine Dipartimento di ingegneria elettrica, gestionale e meccanica
STATO DELL’ARTE DEL RECUPERO ENERGETICO DA FORNO ELETTRICO AD
ARCO E SISTEMI INNOVATIVI
3E – Energy, Efficiency and Environment
Efficienza energetica e cogenerazione:
Quali prospettive per l’industria italiana nei nuovi mercati energetici
Milano
11 luglio 2013
Prof. Ing. Gioacchino Nardin
Dott. Ing. Fabio Dal Magro
Cenni storici L’innovazione tecnologica italiana nella siderurgia
Il forno Stassano
Ernesto Stassano inventa questo forno nel 1898,
modificando un forno elettrico per la produzione
di carburo di calcio. Utilizza rottame (80%) e
ghisa (20%) al posto del minerale di ferro
riuscendo così a ottenere acciaio di alta qualità a
costi concorrenziali rispetto all’acciaio
d’importazione.
Le ricerche di Stassano nascono da un ideale:
raggiungere l’indipendenza industriale italiana.
Per lui, l’elettrosiderurgia è il mezzo per liberare
il Paese dalla necessità di rifornimenti stranieri,
soprattutto per un bene strategico come
l’acciaio.
Nel 1992 il forno vince il premio “Pietra Miliare nello sviluppo della metallurgia” dell’American Society for Materials International che riconosce le eccellenze nella scoperta e nello sviluppo dei metalli e della metallurgia.
Introduzione
Industria siderurgica Settore altamente energivoro (fonte IEA)
• 2° maggior consumatore di energia elettrica
(24 EJ ≈ 573,2 MTep nel 2006 )
• uno dei principali produttori di gas serra
(2,16 Gt di CO2 nel 2006)
Produzione mondiale acciaio Aumentata da 28 milioni di tonnellate nel 1950
a 1.48 miliardi di tonnellate nel 2011
Potenziale recupero
energetico del 20%
Potenziale risparmio energetico pari a
4,7 EJ ≈ 112,25 MTep
Potenziale riduzione emissioni CO2 pari a 350 Mt Nota:
1 EJ = 1018 J = 23,884 MTep
Scenario energetico associato
Crescita della domanda energetica
Aumento costi produttivi
Inquinamento
Sviluppo sostenibile Maggior uso razionale dell’energia
Migliorare l’efficienza energetica nella produzione acciaio
Recupero energetico
Fattori di stimolo all’efficientamento energetico
• Aumento dei costi dei vettori energetici
• Incentivi economici
• Disincentivazione economica all’emissione di CO2
• Richiesta di mercato di una linea di recupero energetico
Possibilità di recupero: bilancio energetico per un EAF
INPUT EXPLOITABLE ENERGY
25 - 55%
Andamento temperature tipico in un EAF
Diametro
EAF 5 m 8 m
Portata fumi 50000 Nm3/h 200000 Nm3/h
Potenza
termica fumi 12 MW 48 MW
Temperatura
limite per il
recupero
200°C 200°C
Potenza
termica
recuperabile
8 MW 32MW
Potenza
elettrica
producibile
(con ηe=20%)
1,6 MW 6,4 MW 0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Tem
pe
ratu
ra [
°C]
Tempo [min]
Temperaturamedia indicativa
Potenzialità del recupero
kWh/t %
Energia totale fornita al forno 750 100
Entalpia dell’acciaio fuso 361 48
Entalpia dei fumi a trattamento
(a 200 °C) 110 15
Entalpia off-gas + perdite per
raffreddamento 279 37
Potenzialità del recupero
Bilancio energetico per un EAF con recupero energia termica degli off gas
Criticità del recupero
Caratteristiche dei fumi
• Temperature estremamente variabili
• Portate variabili
• Potenze variabili
• Polverosità dei fumi
Problemi tecnologici
• Dimensionamento scambiatore
• Parzializzazioni
• Regolazioni
• Usura
• Sporcamento
• Inquinanti
• Sicurezza (alte pressioni)
• Modifica dei criteri
Classificazione tecnologie di recupero energetico
Recupero per preriscaldamento del rottame ad alta/bassa temperatura
nel processo produttivo
Il preriscaldamento del rottame è divenuto una tecnica comunemente impiegata negli ultimi 30 anni. Il
rottame può essere preriscaldato a bassa temperatura mediamente attorno ai 300-400 °C con sistemi di
carica continua (es. Consteel®) e ad alta temperatura a 800-1000 °C con sistemi di carica discontinua
(es. ceste di carico, Shaft Furnace).
Vantaggi Riduzione del consumo energetico durante un ciclo
TTT; Incremento della produttività del forno;
Riduzione del consumo degli elettrodi e loro rottura;
Riduzione del consumo dei refrattari del forno; Riduzione dell’umidità del rottame prevenendo in tal
modo eventuali esplosioni nel forno; Riduzione del consumo dell’ossigeno necessario al
processo;
Riduzione delle emissioni in atmosfera (CO2 in
particolare) in abbinamento a un avanzato sistema di
trattamento e depurazione dei fumi;
Riduzione delle polveri: infatti, i fumi, attraversando il
rottame, si legano ad esso che funziona come un “filtro”; Riduzione della volumetria de gas emessi e conseguente
possibile riduzione delle sezioni di passaggio con benefici
sugli ingombri e sui costi relativi;
Riduzione delle operazioni di manutenzione del forno;
Riduzione dei costi del processo.
Problematiche tecnologiche Il problema principale dovuto al preriscaldamento è
insito nella composizione dei fumi: infatti, nel rottame
possono trovarsi sostanze organiche come oli, materie
plastiche e altre sostanze organiche, la cui incompleta
combustione porta alla formazione di ulteriori
sostanze tossiche. Con riferimento particolare alle
diossine, i sistemi di carica continua associati a rapidi
sistemi di raffreddamento dei fumi sembrano garantire
il rispetto dei limiti normativi (<0,1 ng I-TEQ/Nm3);
tuttavia in almeno due impianti che utilizzano tale
tecnologia sono stati registrati valori maggiori. Inoltre,
in un sistema di preriscaldamento tradizionale (ceste di
carico) sono stati misurati fino a 9,2 ng I-TEQ/Nm3.
Per ovviare al problema è necessario utilizzare le
camere di post-combustione con bruciatori a
combustibile fossile oltre ai sistemi tipo QT per evitare
il processo di De Novo Sintesi; questo riduce in parte
il problema e inoltre l’efficienza del recupero è
ridimensionata dall’energia spesa per bruciare le
diossine.
Recupero per preriscaldamento del rottame ad alta/bassa temperatura nel processo produttivo
Preriscaldamento tradizionale
Il preriscaldo avviene a temperature
tipicamente di 315-450 °C con un
risparmio energetico di 40-60 kWh/t
Si è lontani dalle condizioni ritenute
ottimali per un conseguimento di massimo
risparmio energetico (540-650 °C)
Alimentazione discontinua del flusso di
fumi alle ceste a causa dell’alta variabilità
di temperature e portate dei fumi stessi
Breve durata delle ceste per problemi di
deformazione strutturale; oneri tecnici e
manutentivi
emissione diossine che può
raggiungere valori elevati (fino a 9,2 ng
ITEQ/Nm3 )
Tali inconvenienti sembrano siano stati
superati tramite le due principali
tecnologie Shaft e Consteel®.
consiste nell’utilizzo di un tino
supplementare
sistema di carica discontinuo. Con questa
tecnologia almeno il 50% del rottame viene
preriscaldato a temperature molto elevate,
800-1000 °C.
Double Shaft Furnace massimizza gli
effetti positivi della Shaft
Finger Shaft Furnace ottiene una
sostanziale riduzione del ciclo TTT a ben 35
minuti
Tecnologia Shaft
Vantaggi Aumento della produttività del forno
fino al 20%;
Aumento del rendimento fino al 2%;
Riduzione delle emissioni di polvere di
circa il 20%;
Riduzione del consumo degli elettrodi;
Riduzione dei problemi di armoniche e
flicker e dei costi legati al processo.
Recupero per preriscaldamento del rottame ad alta/bassa temperatura nel processo produttivo
Sviluppata da Tenova
Sistema di alimentazione diretta e in
continuo nel forno del rottame che viene
preriscaldato a una temperatura media di
300-400 °C, che superficialmente può
raggiungere i 600 °C e oltre.
Tecnologia Consteel®
Vantaggi Riduce consumo energia fino a 50 kWh per ton di
metallo liquido
Aumento della produttività del 33%;
Riduzione dell’emissione di polveri del 20% e fino
al 30%;
Riduzione delle emissioni di CO2 del 10-30%;
Minor consumo di ossigeno;
Emissioni di diossina, CO e NOx nel rispetto delle
normative tedesche, giapponesi e americane;
Minor consumo degli elettrodi del 40% e minor
rischio della loro rottura;
Abbattimento del rumore < 95 dB;
Riduzione dei problemi di armoniche e flicker;
Payback contenuto;
Flessibilità.
Recupero per preriscaldamento del rottame ad alta/bassa temperatura nel processo produttivo
Sviluppato da CVS MAKINA, in
collaborazione con KR Tec GmbH
Unirebbe i vantaggi di efficienza del
preriscaldamento totale della carica
(tecnologia Shaft) con quelli
dell’alimentazione continua dello scrap
(tecnologia Consteel®).
Il consumo di energia è ridotto di
circa 100 kWh/t
EPC® System EAF
Vantaggi Aumento della produttività del 20%;
Riduzione delle emissioni di polvere
del 30%;
Riduzione del volume degli off-gas del
30%;
Alti ritorni sugli investimenti.
Caricamento dello scrap indipendente;
Sistema compatto.
Recupero per preriscaldamento del rottame ad alta/bassa temperatura nel processo produttivo
Sviluppato da JP Steel P Lantech Co.
Alimentazione in continuo del tino di
preriscaldamento (Shaft) in contatto diretto
con l’acciaio fuso nel forno
Il consumo elettrico è di circa 200
kWh/t, livello non raggiunto dagli altri
sistemi finora menzionati.
Forno ECOARC™®
Vantaggi Aumento della produttività del 40%;
Riduzione delle emissioni di polveri del
40%
Riduzione delle emissioni di diossina nel
rispetto dei limiti normativi;
Riduzione del volume degli off-gas;
Riduzione del consumo degli elettrodi fino
al 50%;
Riduzione del flicker (del 40%);
Assenza di odore o fumo bianco anche dal
preriscaldamento dello scrap;
Recupero per preriscaldamento del rottame ad alta/bassa temperatura nel processo produttivo
Altri sistemi di preriscaldamento
Si citano per completezza della ricerca altri sistemi di
preriscaldamento non considerati in questa trattazione, rimandando a
testi specifici:
Processo a forno rotante BBS Brusa;
Forno Shaft IHI;
Sistema Endless Charging System (ESC) Danieli;
Forno Twin-shell.
Recupero per preriscaldamento del rottame ad alta/bassa temperatura nel processo produttivo
Recupero e produzione di energia elettrica fuori dal processo
produttivo
Il recupero di calore avviene mediante
scambio termico fumi/acqua con
l’eventuale produzione di vapore (ciclo
Rankine a vapore d’acqua) per generare
energia elettrica.
Problematiche
Il recupero risulta difficoltoso a causa
della grande variabilità della temperatura
dei fumi. Questo problema è difficilmente
superabile anche con l’adozione di
bruciatori di integrazione per smorzare le
oscillazioni termiche della corrente.
Permette di operare a temperature più basse
con idonei fluidi di lavoro (olio diatermico e
fluidi organici) permette di collocare i sistemi
di scambio in sezioni dell’impianto di
estrazione/convogliamento fumi dalla ridotta
polverosità, con benefici sulla durata dei fasci
tubieri.
Vantaggi
Alta affidabilità ed efficienza del ciclo e
del recupero effettuato
Funzionamento continuo e autonomo.
Tecnologie utilizzate per la produzione di energia elettrica
Ciclo Rankine a vapore d’acqua Tecnologia ORC
Produzione di Vapore dai fumi di EAF e recenti sviluppi tecnologici
La pratica del recupero di energia dai fumi per la produzione di vapore è un
processo ormai conosciuto e adottato largamente nei BOF, mentre negli EAF
attualmente esistono diversi studi e alcune realizzazioni tecnologiche
Nei forno elettrici, il vapore viene generalmente accumulato in un serbatoio
per ridurre la variabilità nella fornitura del vapore a diverse possibili
applicazioni, soprattutto internamente all’acciaieria, quali l’impianto di
degasaggio (processo VD/VOD), la refrigerazione, la produzione d’ossigeno,
ecc.
Produzione di Vapore dai fumi di EAF e recenti sviluppi tecnologici
Tecnica proposta da SMS
SIEMAG AG
Consiste nel raffreddare il
condotto dei gas primari con
vapore anziché acqua
Nel caso della generazione di
energia elettrica mediante
turbina si potrebbe arrivare fino
a 1 MW di potenza con 7 t/h di
vapore prodotto
Produzione di Vapore dai fumi di EAF e recenti sviluppi tecnologici
Tecnologia SIMETAL EAF
Quantum™
Sviluppata da SIEMENS VAI MT
Unisce i benefici delle operazioni a
bagno piatto al recupero di energia
direttamente dagli off-gas del forno per
il preriscaldamento del 100% dello
scrap
Consumo di energia, sotto i 280
kWh/t.
Il sistema comprende una caldaia di recupero dei gas (WHB, Waste Heat Boiler) per la
produzione del vapore, un serbatoio di accumulo del vapore per calmierarne l’intermittenza
del flusso fornito alla turbina e un accumulatore con sali che immagazzino il calore dei fumi
in uscita dal forno così da surriscaldare il vapore nei periodi di power-off del forno
garantendo una fornitura costante alla turbina.
Produzione di Vapore dai fumi di EAF e recenti sviluppi tecnologici
Tecnologia iRecovery®
Sviluppata da Tenova
Prevede un condotto uguale al WCD
tradizionale, ma con temperature
dell’acqua maggiori, 180-230 °C
(rispetto ai 35-45 °C dei WCD) che
viene immessa in circolo ad alta
pressione (15-40 bar);
è previsto un accumulatore del
vapore per cercare di sopperire alle
interruzioni di fornitura del calore dei
fumi durante il ciclo TTT
Integrato con la tecnologia EFSOP®
(monitoraggio continuo processo di
fusione)
Recupero di circa il 25% dell’energia
totale fornita
Produzione di Vapore dai fumi di EAF e recenti sviluppi tecnologici
Tecnica proposta da JP Steel
Plantech Co.
Ancora fase di studio
Il condotto degli off-gas è utilizzato
come caldaia per la generazione di vapore,
accumulato in un serbatoio per sopperire
al fabbisogno durante le fasi intermittenti
del ciclo fusorio.
Possono venire recuperati circa 130
kWh/t (efficienza del 30%);
Se il recupero è utilizzato
• per produrre vapor saturo si
possono ottenere 2,8 MWh/anno di
energia elettrica;
• con vapor surriscaldato si possono
raggiungere 15,1 MWh/anno di
energia
Produzione di Vapore dai fumi di EAF e recenti sviluppi tecnologici
Progetto H-REII (Heat Recovery in Energy Intensive Industries)
•Progetto co-finanziato
dal programma LIFE+
della commissione
europea
• il primo impianto
prototipale di recupero
di calore con ORC
verrà installato in
Germania dal gruppo
Feralpi
•L’entrata in esercizio
dell’impianto è
prevista per il primo
semestre del 2013
Sistemi innovativi di recupero energetico a masse termiche inerziali
Definizione e caratteristiche masse termiche inerziali
Una massa termica inerziale, o PCM dall’inglese Phase Change Material, sfrutta il
fenomeno della transizione di fase per assorbire i flussi energetici entranti,
immagazzinando una grande quantità di energia.
Se il PCM si trova in fase solida ad una determinata temperatura, quando questa sale
superando una certa soglia (che varia a seconda del materiale), esso passa allo stato
liquido accumulando calore sotto forma di calore latente di fusione, sottratto
all’ambiente in cui il materiale è posto. Allo stesso modo, quando la temperatura
scende, il materiale solidifica cedendo calore (calore latente di solidificazione).
Sistemi innovativi di recupero energetico a masse termiche inerziali
Recupero e produzione di
energia chimica fuori dal
processo produttivo
Questa tecnica prevede
l’accumulazione dell’energia
contenuta nei fumi in uscita
dal forno mediante PCM;
questo funge da fonte di
calore per la reazione
endotermica di steam-
reforming del metano per la
produzione di idrogeno
Sistemi innovativi di recupero energetico a masse termiche inerziali
Sistemi per la moderazione della varianza dei flussi termici e recupero
energia termica da off gas
Sistemi innovativi di recupero energetico a masse termiche inerziali
Moderatore di energia termica
a materiali a cambiamento di
fase (MET a PCM)
La principale funzione del sistema
passivo è appunto quella di ridurre la
variabilità delle temperature degli off
gas ai fini di un successivo recupero
termico
Gli studi condotti a riguardo hanno
dimostrato che la riduzione della varianza
dei gradienti termici degli effluenti
gassosi è molto elevata, tale da
giustificare una sua applicazione a livello
industriale.
Sistemi innovativi di recupero energetico a masse termiche inerziali
Trasferitore di energia termica a
materiali a cambiamento di fase (TET
a PCM)
Svolge due funzioni:
La prima è di calmierare le temperature dei
fumi per un successivo recupero termico;
La seconda è quella di permettere un ulteriore
recupero tramite uno scambiatore di calore a
diretto contatto con il sistema a PCM.
L’apparato ha la possibilità di:
Utilizzare come fluido termovettore acqua
surriscaldata, vapore, sali fusi, o CO2 in
pressione,
Consente di realizzare cicli termodinamici
Rankine completi particolarmente potenti e ad
alto rendimento, oppure, in alternativa, che
consentano di realizzare la sola fase di
surriscaldamento
The PCM-based recovery concept
EAF
LINEA PRIMARIA
CAPACITY [tons/TTT] 120
TTT CYCLE TIME [min] 68
•TYPICAL EAF STEEL PLANT CHARACTERISTICS
• OFF-GAS CLEANING SECTION
OFF-GAS PROPERTIES
Average temperature [°C] 600
Speed (settlingchamber) [m/s] 10
Normalized volumetric flow [Nm3/h] 100,000
Mass flow [kg/s] 36.11
Normalized density [Kg/Nm3] 1.3
Specific heat capacity J/(Nm3K) 1330
Thermal conductivity W/(mK) 0.051
INPUT Max Temperature [°C] 950.8
Min Temperature [°C] 223.0
ΔT max [°C] 727.9
Standard deviation [°C] 203.7
• OFF-GAS EXPERIMENTAL DATA: TEMPERATURE PROFILE AND PROPERTIES
OFF-GAS HIGHT TEMPERATURE AND FLOW VARIABILITY DUE TO THE CHARACTERISTICS
PHASES OF A MELTING CYCLE
CHARGING PHASE
FIRST BUCKET MELTING
SECOND BUCKET MELTING
TAPPING PHASE
To achieve an efficient energy recovery, the OFF-GAS temperature variability range should be reduced
Adoption of a PCM-BASE DEVICE acting as a heat accumulator
OFF-GAS HIGHT TEMPERATURE PHASES
Toff-gas > TPCMfusion
OFF GAS ENERGY
OFF-GAS LOW TEMPERATURE PHASES
Toff-gas < TPCMfusion
PCM TRANSITION from SOLID STATE to LIQUID STATE +
latent heat of fusion ACCUMULATION
PCM TRANSITION from LIQUID STATE to SOLIDSTATE +
latent heat of solidification RELEASE
• PCM-BASED SMOOTHING DEVICE
SUBTRACTED FROM THE OFF-GAS
ACCUMULATED BY THE PCM
RELEASED BY THE PCM
RECEIVED FROM THE OFF-GAS
• MELTING AND BOILING TEMPERATURE AND ECONOMIC COMPARISON
PCM selection
• PHISICAL CHARACTERISTIC
The PCM-based smoothing module
lenght [m] 10
width [m] 5.5
height [m] 4
• LOCATION OF THE PCM SMOOTHING MODULE: SETTLING CHAMBER (16 m2)
POSITIVES - off-gas hight temperature
- easy insertion of the device
- no modifications to the existing plant structure
- no additional dust removal equipment
NEGATIVES - possible alteration of the material properties
- problem of fouling
• CONTAINMENT OF THE PCM: HOLLOW CYLINDERS OF STAINLESS STEEL (3.5 m)
MATERIAL CONTAINMENT - high thermal resistance, conductivity
- low chemical reactivity
- stable chemical-physical characteristics
- melting temperature greater that maximum off-gas temperature
- no interference with the PCM transition process
CYLINDRICAL GEOMETRY - increase of the heat exchanged surfaces
- optimization of the process (efficiency and costs)
- no sharp edges, creeks, concavities
Smoothing system optimization
• COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS SIMULATIONS were performed
Stainless steel tubes with commercial diameters of
2” 1” ¾”
External diameter, De [mm] 60.3 33.4 26.7
Internal diameter, Di [mm] 52.3 28.4 22.7
Thickness [mm] 4.0 2.5 2.0
Longitudinal pitch, Sl [mm] 121.2 66.7 53.3
Transversal pitch, St [mm] 121.2 66.7 53.3
Aluminum column height [m] 3.0 3.0 3.0
Number of cylinders - 1089 3600 5625
Steel mass/Al mass - 1.11 1.29 1.31
Cylinder surface/volume [m-1] 66.67 120.09 150.1
• The simulations are related LAYOUT SPECIFICATIONS
1”
System width [m] 4.0
System length [m] 4.0
Number of cylinders - 3486
Total steel mass [t] 20.35
Total Aluminum mass [t] 15.76
Total system mass [t] 36.11
STAGGERED
ALIGNED
- software FLUENT - preprocessor GAMBIT properly design - constant volumetric off-gas flow - averge values of material properties near the melting temperature
STAGGERED LAYOUT
ALIGNED LAYOUT
• SIMULATION RESULTS
more uniform temperature profile
increased load losses
INPUT OUTPUT 2” 1” ¾”
Max Temperature [°C] 950.8 719.8 681.0 679.2
Min Temperature [°C] 223.0 447.2 455.9 441.3
ΔT max [°C] 727.9 272.7 225.1 237.9
Standard deviation [°C] 203.7 80.3 71.5 77.5
Load losses [Pa] - 257 459 592
significant smoothing effect
increased device reactivity with higher surface-volume ratio
aluminum overheating above the fusion point in smaller cylinders
more significant load losses for smaller diameters
good exchange also in the last row
INPUT OUTPUT 1”
ALIGNED 1”
STAGGERED Max Temperature [°C] 950.8 681.0 674.2
Min Temperature [°C] 223.0 455.9 439.2
ΔT max [°C] 727.9 225.1 235.0
Standard deviation [°C] 203.7 71.5 77.6
Load losses [Pa] - 459 973.0
• INFLUENCE OF FOULING
minor impact on performance of the smoothing system
10 mm LAYER OF FOULING ON THE SURFACE OF ALL CYLINDERS - ALIGNED LAYOUT
10 mm LAYER OF FOULING ON THE SURFACE OF THE FIRST 10 ROWS - ALIGNED LAYOUT
minor impact on performance of the smoothing system
INPUT OUTPUT
2” 2”
FOULING NO FOULING
Max Temperature [°C] 950.8 719.8 710.8
Min Temperature [°C] 223.0 447.2 478.9
ΔT max [°C] 727.9 272.7 231.9
Standard deviation [°C] 203.7 80.3 68.7
Load losses [Pa] - 257 257
INPUT OUTPUT
2” 2"
FOULING NO FOULING
Max Temperature [°C] 950.8 719.8 719.8
Min Temperature [°C] 223.0 447.2 447.2
ΔT max [°C] 727.9 272.7 272.7
Standard deviation [°C] 203.7 80.3 80.3
Load losses [Pa] - 257 257
The recovery system
Maximum steam flow rate [t/h] 49
Steam temperature [°C] 400
Turbine inlet pressure [bar] 40
Condenser pressure [bar] 0.08
• BOILER
SECOND SECTION FIRST SECTION 2 PARALLEL CYCLONES
off-gas speed HIGH (12-14 m/s)
fouling factor LOW
off-gas speed LOW (8-10 m/s)
fouling factor HIGH
• OFF-GAS AND WATER/STEAM HEAT EXCHANGE
OFF-GAS 720°C
STEAM/WATER 105°C
199°C
420°C
OFF-GAS 447°C
STEAM/WATER 105°C
216°C
385°C
THE STEAM PRODUCED ALLOWS THE TURBINE TO WORK NEAR NOMINAL CONDITIONS
TRADITIONAL PLANT
SMOOTHING SYSTEM PLANT
GOOD THERMODYNAMICS PROPERTIES OF THE PRODUCED STEEM
HIGHT TURBINE ELECTRICAL EFFICIENCY
• PROPER HEAT EXCHANGE
• The off-gas temperature is NOT higher than the superheated steam temperature along the whole TTT cycle • A heat backflow from the working fluid to the off-gas occurs during charging and stand by phases
PROPER HEAT EXCHANGE
DECREASE OF THERMODYNAMICS PROPERTIES OF THE PRODUCED STEEM
• The off-gas temperature is NOT higher than the superheated steam temperature along the whole TTT cycle • A heat backflow from the working fluid tothe off-gas occurs during charging and stand by phases
DECREASE OF THE TURBINE ELECTRICAL EFFICIENCY
THERMAL POWER FROM OFF-GAS TO WORKING FLUID
THERMAL POWER FROM WORKING FLUID TO OFF-GAS
THERMAL POWER FROM OFF-GAS TO WORKING FLUID
TRADITIONAL PLANT
52,0efficiency
• STEAM TURBINE ELECTRICAL EFFICIENCY
77,0efficiency
SMOOTHING SYSTEM PLANT
+30%
TURBOGENERATOR
NOMINAL POWER
NET ELECTRICAL POWER
11.5 MWe 6 MWe
PRODUCED ENERGY
SPECIFIC PRODUCED ENERGY
15 MWhe 5 MWhe/t
MAXIMUM POTENTIAL ENERGY 43 MWht (38 MWt)
ACTUALLY EXCHANGED
ENERGY 33 MWht (29 MWt)
NOT EXPLOITED ENERGY
11 MWht (56 MWt)
MAXIMUM POTENTIAL ENERGY 64 MWht (56 MWt)
ACTUALLY EXCHANGED
ENERGY 33 MWht (29 MWt)
NOT EXPLOITED ENERGY
31MWht (56 MWt)
TURBOGENERATOR
NOMINAL POWER
NET ELECTRICAL POWER
15 MWe 5 MWe
PRODUCED ENERGY
SPECIFIC PRODUCED ENERGY
15 MWhe 5 MWhe/t
Economic analysis
INCOMES
ELECTRICAL ENERGY SAVINGS [€/yr] 3,840,000 • energy recovery = 48,000 MWhe/year • power supply cost = 80 €/MWhe
ELECTRICAL EFFICIENCY CERTIFICATES
[€/yr] 924,528
REVENUE • white certificate italian value = 19.26 €/MWhe • 5 years
INVESTMENT COSTS
PCM-BASED SMOOTHING SYSTEM [€] 300,000 • installation incuded
BOILER AND STEAM TURBINE GROUP
[€] 13,800,000
• Plant not equipped with the PCM-based system: - investment cost for a15 MWe turbine is € 16,500,000 - installation cost increase of € 2,700,000 - additional costs for heat storage - reduction of energy savings
OTHER COSTS [€] 1,070,000 • design, safety, etc.
OPERATION COSTS
MAINTENANCE COST [€/yr] 758,500
PERSONELL COST [€/yr] 150,000
SIMLE PAY-BACK PERIOD 3.9 YEARS
• CASH FLOWS OF THE ENERGY RECOVERY SYSTEM
Conclusions
• NATIONAL ANALYSIS: ITALIAN EAF STEEL PANT 2011
• LOCAL ANALYSIS: EAF STEEL PLANT
ITALIAN STEEL PRODUCTION BY EAFS [Mt/yr] 18.8
ITALIAN ENERGY CONSUMPTION [GWhe/yr] 8270
POTENTIAL ENERGY SAVING [GWhe/yr] 1065 (12.9%)
PCM–BASED RECOVERY SYSTEM
0.34 % WHOLE ITALIAN ELECTRICITY CONSUMPTION
TRADITIONAL PLANT [GWhe/yr] 400
PCM-BASED DEVICE PLANT [GWhe/yr] 300
TRADITIONAL PLANT [KWhe/t] 400
PCM-BASED DEVICE PLANT [KWhe/t] 300
-12.9 %
-12.9 %
THE INCLUSION OF THE PCM-BASED SMOOTHING SYSTEM INTO THE SETTLING CHAMBER OF AN EAF ENEABLES ENERGY RECOVERY WHICH IS PARTICULARLY
SIGNIFICANT IN AN ENERGY INTENSIVE INDUSTRY
ENERGETIC CONSUMPTION
ENERGETIC SPECIFIC CONSUMPTION
Conclusions
• CHALLENGE FOR THE FUTURE: with reference to 2011
ITALIAN STEEL PRODUCTION BY EAFS [Mt/yr] 18.8
ITALIAN ENERGY CONSUMPTION [GWhe/yr] 8270
0.34 % WHOLE ITALIAN ELECTRICITY CONSUMPTION
• AIM OF THE STUDY: address the problem of energy recovery in electric arc furnace process of steel industry
• RECOVERY POSSIBILITIES: a significant part of energy required for steel production is dissipated by the off-gas
• NOT EFFICIENT ENERGY RECOVERY: production process characterized by high variability of off-gas temperatures and flows and high concentration of dust
• NEW PCM-BASED RECOVERY SYSTEM: reduce the variability of off-gas temperatures and thermal powers exploiting the Phase Change Materials characteristics
• INNOVATIVE AND WINNING SOLUTION: efficient energy recovery with traditional tecnologies, simple structure, low cost of operation
POTENTIAL ENERGY SAVING WITH PCM-BASED RECOVERY SYSTEM
[GWhe/yr] 1065
(12.9%)