Prima PRO process mass spectrometer - Improving product quality and process efficiency in basic oxygen steelmaking

Význam tématu

Basic Oxygen Steelmaking (BOS) představuje přes 70 % globální produkce surové oceli a je energeticky i ekonomicky kritickým článkem ocelářské výroby. Rychlé a spolehlivé sledování složení odpadních plynů z konvertoru je zásadní pro řízení dekaburkace, prevenci sloppingu, optimalizaci polohy kyslíkového lancu, zvýšení návratnosti plynu a zajištění bezpečnosti (např. včasná detekce vodíku způsobeného vnikem vody). Moderní vícekomponentní analýza plynů umožňuje zlepšit kvalitu produktu, snížit spotřebu kyslíku a zkrátit dobu mezi výpustěmi, což vede k rychlé návratnosti investic.

Cíle a přehled článku

Cílem aplikované poznámky je popsat přínosy nasazení průmyslového procesního hmotnostního spektrometru Prima PRO (Thermo Scientific) pro on-line analýzu odpadních plynů v BOF/LD konvertorech. Text shrnuje schopnosti systému při sledování klíčových složek (CO, CO2, O2, H2, N2, Ar), jeho rychlost, přesnost, využití pro dynamické řízení dekaburkace, detekci sloppingu, řízení polohy lancu a zvýšení efektivity zpětného získávání plynu.

Použitá metodika a instrumentace

Analyzátor: Prima PRO procesní hmotnostní spektrometr s magnetickým sektorem.

• Princip: elektronové ionizace a separace iontů v proměnném magnetickém poli (magnetický sektor).
• Rychlost měření: data aktualizovaná za ≤2 s; plný analytický cyklus až 1,6 s pro standardní sestavu složek.
• Přesnost a opakovatelnost: měření přes certifikované kalibrační lahve během 8 hodin (viz níže).
• Analytické rozsahy a typické standardní odchylky: H2 0–10 % (≤0,01 %), CO 0–85 % (≤0,1 %), N2 0–100 % (≤0,1 %), O2 0–25 % (≤0,02 %), Ar 0–10 % (≤0,01 %), CO2 0–40 % (≤0,04 %).
• Provozní konstrukce: uzavřený kabinet se filtrací prachu, klimatizací udržující teplotu ±0,5 °C, provozní rozsah okolní teploty 12–40 °C.
• Vzorkovací systém: dva vzorkovací sondy (střídavé čištění a automatické přepínání), běžné kondicionování vzorku zahrnuje odstranění prachu a vlhkosti.
• Komunikace a integrace: vestavěný procesor pro samostatný provoz, GUI přes lokální/remote PC, standardní Modbus RTU; volitelně Profibus DP a Modbus TCP/IP; 13 DI/DO digitálních kanálů a možnosti analogových vstupů/výstupů.

Hlavní výsledky a diskuse

Rychlost a vícekomponentní analýza: Prima PRO poskytuje kompletní složení odpadního plynu (CO, CO2, O2, H2, N2, Ar) v reálném čase, což umožňuje aktualizace dat rychleji než u konvenčních NDIR a samostatných O2/H2 analyzátorů (2 s vs. až 20 s u IR/konvenčních technik).

• Dekarburace: poměr CO/CO2 a rychlé snímání retenčního O2 umožňuje spolehlivé odhadování rychlosti dekaburkace a přesné určení začátku a konce dekaburkace. V terénních nasazeních byly hlášeny úspěšnosti predikce cílového obsahu uhlíku >95 % pro hodnoty pod 0,1 % (součást dynamických řídicích modelů).
• Detekce sloppingu: přímé měření dusíku pro určení úniku vzduchu přes kapuci a přesné stanovení zbývajícího O2 v konvertoru umožňují modelování nástupu sloppingu. Nasazení přístroje umožnilo v praxi předikci sloppingu s úspěšností >81 %.
• Úspora paliva a recovery plynu: díky rychlé odezvě lze zahájit sběr použitelného plynu až o ~20 s dříve a prodloužit sběr o ~20 s na konci procesu. Při typickém průtoku 150 000 Nm3/h to odpovídá úspoře přibližně 1 600 Nm3 na jeden kus (charge), což významně snižuje náklady na palivo.
• Hydrogen monitoring a bezpečnost: magnetický sektor eliminuje problémy spojené s 'zero blast' a lepší analýzou lehkých plynů; to umožňuje rychlou detekci vodíku vzniklého při vniknutí vody do kovářského nádobí a přispívá k prevenci explozí.
• Analýza palivového plynu: v testu přijatelnosti pro využití BOF plynu jako paliva (analýza certifikované kalibrační lahve po 8 h) přístroj přesně reprodukoval složení a odvozené energetické parametry (spodní a horní výhřevnost, Wobbe index, specifická gravitace, hustota). Během osmihodinového záznamu byla průměrná koncentrace O2 v recyklovaném plynu <0,2 %, zajišťující bezpečné využití jako paliva.

Přínosy a praktické využití metody

• Redukce počtu diskrétních analyzátorů díky jednomu přístroji schopnému měřit více složek současně.
• Vylepšené řízení procesu: přesnější koncové stanovení, méně re-blowů, optimalizace spotřeby kyslíku a časování muncí operací (lance, přídavky tavidel).
• Zvýšení produkční efektivity: zkrácení tap-to-tap času a zvýšení průtoku, přímo ovlivňující finanční výkonnost (příklad: 1% navýšení průtoku u závodu s 10 000 t/den má značnou denní hodnotu).
• Zvýšená bezpečnost: rychlé rozpoznání přítomnosti H2 a přesné měření O2 brání nebezpečným podmínkám.
• Energetické úspory: rychlejší zahájení a prodloužení období recovery plynu zvyšuje množství plynného paliva dostupného pro spalování v podniku.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace s pokročilými dynamickými řídicími systémy a modely (digital twins) pro automatické rozhodování o konci foukání a řízení doplňků tavidel.
• Rozšíření využití procesních MS na další části ocelářské výroby (blast furnace top gas, coke oven gas, direct reduction) a konsolidace měření do jednotného online řešení.
• Zvýšení využití dat z MS pro prediktivní údržbu (detekce abnormálních emisí, úniků a poruch vzorkovacích systémů).
• Další optimalizace energetiky závodu pomocí přesnějších údajů o výhřevnosti a složení recyklovaného plynu v reálném čase.
• Možné kombinace s technologiemi s nízkou emisí CO2 a SEP (snaha o dekarbonizaci procesů) při využití dat pro lepší řízení spalování a recovery.

Závěr

Nasazení procesního hmotnostního spektrometru Prima PRO přináší provozovateli BOF výrazné operační i ekonomické přínosy: rychlejší a přesnější vícekomponentní analýza odpadních plynů, spolehlivá detekce sloppingu a vodíkových rizik, lepší predikce koncového obsahu uhlíku, a vyšší návratnost využití recyklovaného plynu. Díky robustní konstrukci magnetického sektoru a rychlému datovému toku je technologie vhodná pro integraci do moderních dynamických řídicích systémů oceláren.

Reference

1. World Steel Association, statistiky produkce oceli (2015).
2. Process Mass Spectrometry in Iron & Steel, Thermo Fisher Scientific, 2010.
3. Hu Zhi-Gang et al., A dynamic off-gas model on a 150t BOF, Steel Times International, April/May 2003.
4. D. Merriman, Mass spectrometry for oxygen steelmaking control, Steel Times, November 1997.
5. D. Merriman & G. Lewis, Fast On-Line Monitoring of Fuel Gases with the Thermo Scientific Prima PRO Process Mass Spectrometer, Thermo Fisher Scientific, 2016.