Oy Linde Gas Ab toteutti kesällä 2023 Ovako Imatran tehtaalla bloomien kuumennusuunin poltinlaitteiden uudistuksen. Nyt Linde on julkaissut projektiin pohjautuvan tutkimusartikkelin, jossa käsitellään simulaatiotyökalujen käyttöä kuumennusuunin muuntamisessa täyteen happipolttotekniikkaan. Muunnettu uuni on Suomen ensimmäinen suuri kuumennusuuni, joka käyttää täysin liekitöntä happipolttoteknologiaa.
Teräksen kuumennusuunit soveltuvat erityisen hyvin täyteen happipolttotekniikkaan niiden suuren energiansäästöpotentiaalin vuoksi. Happipolttotekniikka tukee terästeollisuutta myös hiilidioksidipäästöjen vähentämisessä, kun polttoainetta voidaan käyttää aiempaa tehokkaammin.
Kuumennusuunien edelläkävijä
Imatran tehtaan bloomien kuumennusuuni on malliltaan askelpalkkiuuni, jossa on kahdeksan lämmitysvyöhykettä. Polttimia uunissa on 27 kappaletta. Aiemmat polttimet olivat ilma-kaasupolttimia ja pystyivät käyttämään energialähteenään vain fossiilista maakaasua. Uudet polttimet ovat yhdistelmäpolttimia eli niillä voidaan polttaa muitakin kaasuja, kuten vetyä. Palamisreaktion tukena käytetty polttoilma korvattiin samassa yhteydessä puhtaalla hapella.
Vastaavia uuneja ei ole Suomessa aiemmin muutettu kokonaisuudessaan happipoltto-tekniikalle, joten Linde hyödynsi polttimien mitoituksessa ja poltintekniikoiden kehittämisessä edistyksellisiä simulaatiotyökaluja.
Simulaatioiden avulla polttoaineen käyttöä on mahdollista optimoida ja uunin suorituskykyä ennakoida tarkasti. Simulointityökaluja on Ovakon tapauksessa hyödynnetty muun muassa erilaisten käyttöskenaarioiden ja säätöjen testaamiseen. Simulaation konservatiivinen ennuste oli noin 17 prosentin energiansäästö.
”Simulaatio onnistui poltintekniikan osalta erinomaisesti, samoin itse fyysinen poltinmuutos. Uunin hyötysuhde parani merkittävästi: energiansäästö on datan perusteella noin 27 prosenttia. Tämä johtuu muun muassa merkittävästi pienemmistä savukaasuhäviöistä”, sanoo osastoinsinööri Otto Kankaanpää Ovakolta.
”Muutoksen myötä uunin maakaasun kulutus väheni 25 prosenttia ja CO2-päästöt vähenivät merkittävästi. Myös typenoksidi päästöt puolittuivat, mikä on tärkeä lisäarvo projektin onnistumiselle”, hän jatkaa.
Kyse on merkittävästä säästöstä, sillä Imatran tehtaan bloomiuuni kuluttaa noin kolmanneksen kaikesta tehtaalla käytettävästä maakaasusta.
Mittausdata Ovakolta
Tutkimuksessa Ovakon kuumennusuunia analysoitiin aluksi ilmaseos-simulointiasetuksilla, jonka jälkeen suoritettiin happipoltto-simulaatiot poltinten suunnittelua ja energiansäästöarvioiden laatimista varten. Ovako tarjosi Lindelle dataa läpi koko projektin ajan.
”Olemme tehneet referenssimittauksia ennen ja jälkeen projektin. Tämä data oli olennaisessa osassa simulaatioita ja poltinten kehittämistä”, Kankaanpää sanoo.
Uunin tuotantoteho vaihtelee jonkin verran sen mukaan, panostetaanko uuniin kuumia vai kylmiä teräsaihioita. Tässä tapauksessa happipolttojärjestelmät ovat ketterämpiä kuin perinteiset ilmaseosjärjestelmät, koska niissä lämmönsiirtokyky on parempi. Tutkimuksen mukaan energiansäästöpotentiaali kylmien aihioiden ja keskitehoisen tuotannon jaksoilla on jopa hieman suurempi, noin 30 prosenttia.
”Olemme erittäin tyytyväisiä saavutettuihin säästöihin ja teknisiin ratkaisuihin. Tämä muutos on konkreettinen esimerkki siitä, kuinka teollisuus voi siirtyä kohti kestävämpiä energiaratkaisuja”.
Tutkimustuloksia on esitelty syksyllä 2024 Oulussa järjestetyssä SIMS EUROSIM -konferenssissa, joka keskittyy simulaatio- ja mallinnusaiheisiin teollisuudessa. Konferenssin järjesti Oulun yliopisto yhdessä Suomen Automaatioseuran ja Skandinaavisen simulointiyhdistyksen kanssa. Kyseessä oli Skandinaavisen simulointiyhdistyksen 65. vuosittainen SIMS EUROSIM -konferenssi.
Tutkimuspaperi ”Using an advanced simulation tool for successful conversion of reheating furnace to full oxyfuel operation” on nyt julkaistu kokonaisuudessaan Skandinaavisen simulointiydistyksen nettisivuilla: https://ecp.ep.liu.se/index.php/sims/article/view/1089
