Een betere drukbeheersing van kooksovens

Henriëtte van Norel

Reductie geurbelasting en emissie

‘Een betere drukbeheersing van de kooksovens.’ Dit was het doel dat staalproducent Tata Steel in het kader van ‘emissievrij produceren’ wilde realiseren toen DotX Control Solutions bij de procesoptimalisatie van Kooks- en Gasfabriek 2 (KGF2) enkele jaren geleden werd ingeschakeld. DotX, specialist in geavanceerde regeltechnische oplossingen, nam deze uitdaging aan. En met resultaat. Zo zijn de drukvariaties in de gasverzamelleidingen met minimaal 50% afgenomen. Dit heeft geresulteerd in een positief effect op de milieubelasting, omdat bij minder drukvariaties de kans op ongewenste emissies kleiner wordt. Verder was de geplande investering in nieuwe hardware niet meer nodig en werd het proces voor de operators 100% inzichtelijk.

Tata Steel in IJmuiden heeft meerdere fabrieken op haar terrein staan, waarvan 2 kooks- en gasfabrieken en 2 productiefabrieken voor ijzererts. In de kooksfabrieken worden dagelijks van ruwe steenkolen ‘kooks’ gemaakt voor de hoogoven, om daar vervolgens in combinatie met ijzererts ruw ijzer van te maken voor de productie van vloeibaar staal. In de staalfabriek op datzelfde terrein wordt van dit ruwijzer met zuurstof en klantafhankelijke toevoegingen, staal gemaakt in de converters van de staalfabriek. Vervolgens wordt het hete vloeibare staal in plakvormen gegoten in de gietmachine, waarna deze plakken worden gewalst en verzinkt of vertind tot platen staal met specifieke eigenschappen, die opgerold op rollen, de fabriek verlaten op weg naar eindklanten als onder andere automobielfabrikanten en voedselproducenten.

Grondstoffen

De verschillende soorten steenkolen die benodigd zijn voor de productie van hoogwaardige kooks worden wekelijks per schip aangevoerd vanuit de hele wereld (van Australië tot Amerika) en op het binnenterrein bij Tata Steel op een menghoop geworpen met ongeveer 32 lagen. Zo’n menghoop bestaat uit circa 8 verschillende soorten steenkolen die hiervoor speciaal worden geselecteerd om uiteindelijk een bepaalde kwaliteit kooks te kunnen maken. Elmer van Ewijk, Manager Kwaliteit, Technologie en Ontwikkeling bij Tata Steel vertelt: “Door zo’n menghoop in laagjes op te bouwen en ook weer af te graven ontstaat er een homogeen mengsel. Standaard liggen er twee menghopen op het terrein. Steeds wordt één van de twee afgegraven en gebruikt voor de productie en de andere wordt opgebouwd. Achter de menghopen liggen de verschillende kolensoorten per batch gesorteerd. Van Ewijk: “Het is essentieel om deze goed gescheiden te houden, omdat het anders niet meer mogelijk is om het juiste mengsel samen te stellen voor onze benodigde kwaliteit. De samenstelling van de menghoop wordt steeds bepaald aan de hand van de kwaliteit kooks die nodig is voor de productie van de hoogovens. Over de benodigde kookskwaliteit worden dus van te voren ‘harde’ afspraken gemaakt. Met behulp van berekeningsmodellen wordt vervolgens bepaald uit welke steenkolensoorten de menghoop moet bestaan om aan de gevraagde eisen te kunnen voldoen.”

Kooks- en Gasfabriek 2

Na het afgraven van de steenkolen gaan deze via een transportband naar de tussenbunkers in de kolentorens van de beide kooks- en gasfabrieken (KGF2 en KGF1). Vanuit de kolentorens wordt een vulwagen gevuld en die vult vervolgens de ovens van de beide kooksfabrieken. Bij KGF2 staan na de kolentoren 4 batterijen opgesteld en elke batterij bestaat uit 27 ovens. Elke oven kan per batch 31 ton steenkolen verwerken in circa 22 uur. De kolen worden indirect verwarmd zonder toevoeging van zuurstof, een droge destillatie. Gedurende de garingscyclus ontstaat er kooksgas, dit wordt intern afgevangen en verder behandeld en gereinigd in de gasreinigingsinstallatie. Dit gas wordt gereinigd tot een bruikbaar gas, wat in diverse installaties over de site wordt gebruikt als energiebron. Zodra de batch kooks klaar is, wordt de deur van de oven aan de voorzijde geopend door een onbemande uitstootmachine, die aan de voorzijde langs de ovens rijdt. Aan de achterzijde van de oven wordt ook de deur geopend en wordt een wagon, de bluswagen, op de juiste locatie gepositioneerd om de lading met kooks op te kunnen vangen. Na de garing van 22 uur wordt de lading kooks, die dan een temperatuur heeft van circa 1.000 °C, dan met behulp van een drukstang uit de oven gestoten. Deze lading valt in de reeds gepositioneerde bluswagen. De gloeiende kooks komt dan voor het eerst in 22 uur in aanraking met zuurstof waardoor deze kan gaan ontbranden. Om te voorkomen dat de lading kooks volledig verbrandt, rijdt de bluswagen naar de blustoren alwaar de lading wordt geblust met circa 30.000 m³ water zodat de kooks tot 250 °C worden afgekoeld. Daarna wordt de massa op een helling uitgestort om verder uit te dampen, alvorens het wordt afgegraven en het verder het proces in kan op weg naar de hoogovens.

Energie

De ovens worden in een bepaalde volgorde gevuld en behandeld. Dit heeft te maken met de energiebehoefte en gasproductie van iedere oven tijdens zijn garingscyclus. Ovens die net gevuld zijn vragen namelijk relatief veel energie en ovens die al verder zijn in het proces hebben daarentegen een warme kookskoek aan de binnenzijde, die weer bijdraagt aan het versnellen van het garingsproces van de naastgelegen oven. Door het specifieke behandelschema aan te houden kan de gaslast dus beter worden verdeeld over de gasreinigingsinstallatie. Alleen al bij KGF2 wordt per uur zo’n 35.000 tot 45.000 m³ gas geproduceerd en bij KGF1 ligt de gasproductie op zo’n 50.000 tot 60.000 normaal m³. De temperatuur van de ovens is afhankelijk van de productietijd (de gaartijd) die per oven beschikbaar is en de gewenste kwaliteit. Per batch wordt dus voortdurend gezocht naar de optimale balans tussen de gewenste temperatuur van de kooks enerzijds en het zo duurzaam mogelijk produceren anderzijds. Om dit proces in goede banen te leiden worden diverse temperaturen tijdens de cyclus gemeten. Ook worden er monsters genomen van de menghoop en na afloop van de kooks in het kader van kwaliteitsmonitoring.

DRUKSPREIDING 50% GEREDUCEERD”

Kooksgas

Bij het garen van de kolen in de ovens komen veel kooksgassen vrij. Gassen die niet in het milieu mogen eindigen, enerzijds vanwege geurbelasting en anderzijds vanwege de strenge milieu-eisen. Om dit proces zo goed mogelijk te beheersen en om ervoor te zorgen dat zo min mogelijk kooksgassen ontsnappen naar de buitenlucht moeten de drukken in de ovens ten opzichte van de omgevingsdruk op een vaste, extreem lage waarde van 1,3 mbar worden gehouden. Dat klinkt eenvoudiger dan het in de praktijk is, omdat de druk in de ovens aan de onderkant iets hoger is dan aan de bovenkant. Daarom wordt volcontinu de buitendruk en de druk in de ovens gemeten. Van Ewijk: “Alle vrijkomende gassen worden per oven afgezogen naar een eigen gasverzamelleiding. Alle afwijkingen in druk ten opzichte van de gewenste druk, kunnen een kans op ongewenste emissies met zich meebrengen. Om dit tegen te gaan is DotX in 2019 ingeschakeld, nadat Tata Steel eerst in eigen beheer het hele besturingssysteem van de KGF2 hardwarematig had vernieuwd.

Aanvang

DotX is gestart met het maken van een ‘Digital Twin’, waarin het afzuigproces van de kooksovens door middel van een simulatiemodel kon worden nagespeeld. Om hiertoe te komen zijn er identificatie-experimenten uitgevoerd op onder andere de klepstanden. Om een goede regeling te maken is het namelijk essentieel om te weten wat het effect van een verandering van de klepstand is op de hoeveelheid afzuiging, en daarmee de onderdruk. Jan Schuurmans, directeur/eigenaar van DotX: “Om de relatie tussen de klepstand en de afzuiging nauwkeurig te kunnen meten is de vlinderklep in de leiding softwarematig kortstondig (ongeveer 10 sec) een beetje verstoord met dusdanig kleine stappen, dat deze op de productie geen invloed hadden. Aan de hand van de data die tijdens dit experiment werden gegeneerd, kon vervolgens een simulatiemodel worden geïdentificeerd. Een simulatiemodel waarmee ook is na te gaan of een PID-regeling goed is ingesteld, wellicht anders moet worden ingesteld of dat meer geavanceerde methodieken meer waarde kunnen hebben. Na analyse van het simulatiemodel, bleek dat er grote verbeteringen mogelijk waren door gebruik te maken van zelflerende ‘feed forward’ Iterative Learning Control (ILC)) vanwege de repetitieve verstoringen in het proces (het vullen van de ovens). Zo kon de afzuiger al beginnen met extra afzuigen, nog voordat de drukpiek zelf optrad. Daarnaast bleek dat de afzuiging sterk gekoppeld was tussen de ovens (er is namelijk één centrale afzuigleiding, waar meerdere ovens op zijn aangesloten), waardoor ontkoppeling essentieel bleek om de drukvariaties sterk te verminderen.

Digital Twin

Om de Digital Twin te maken heeft DotX gebruik gemaakt van twee door DotX ontwikkelde softwarepakketten, te weten de PID-Tuner en de PID-Monitor. De PID-Tuner leest de hierboven beschreven experimentele data in en gebruikt deze om een model te identificeren. Bevoegden, waaronder DotX, kunnen te allen tijde, en overal, ook via een ‘smartphone’ of PID-Monitor deze data inzien en visualiseren (want deze applicatie draait in de Cloud). Wijken bepaalde indicatoren af dan is op de PID-Monitor een groen of rood stoplicht te zien. Is het stoplicht rood, dan dient actie te worden ondernomen door mensen op locatie. Een actie kan bijvoorbeeld zijn het veranderen van de ‘setpoints’, het anders ‘tunen’ van de regeling of het vervangen van een onderdeel. In totaal wordt op bovengenoemde wijze de informatie van zo’n 50 I/O’s elke seconde verwerkt. De AI-algoritmen in de PID-Monitor worden steeds slimmer, doordat ze blijven leren van het proces.

SIMULATIEMODEL OP MAAT”

Gasreiniging

Een kooksfabriek, zoals de KGF2, heeft behalve ovens ook nog een gasreinigingsinstallatie. Dit ruwe gas wordt in het kader van circulariteit voortdurend afgevangen, gereinigd en daarna gebruikt voor het stoken van de ovens. Het gas dat niet door de kooksfabriek of andere fabrieken op het terrain (zoals de warmband) wordt gebruikt, gaat door naar het energiebedrijf van Tata Steel elders op het terrein en wordt van daaruit verder verdeeld naar andere werkeenheden die ook gas nodig hebben. Zo wordt een combinatie van het kooksgas met hoogovengas bijvoorbeeld gebruikt bij de energiecentrale in Velsen voor de opwekking van energie.

Tenslotte

Van Ewijk: “Tijdens het bovenstaande is gebleken dat elke piek boven de gewenste druk in de gasverzamelleiding een risico op een emissie kan geven en elke piek onder het minimum zorgt voor kans op inzuiging van lucht. Door met hulp van DotX dit proces beter te beheersen, hadden we eind 2022 circa 50% van de drukspreiding gereduceerd. Dat was toen al een forse reductie en het afgelopen jaar hebben we op dit gebied nog verdere stappen gezet. Het is lastig om dit in geurklachten of emissies uit te drukken, maar we kunnen wel zeggen dat we met de optimalisatie van het huidige systeem een aanzienlijke verbetering hebben gerealiseerd op weg naar minder emissie en geurbelasting en dat het uit te voeren onderhoud effectiever is door het datagedreven model”. Schuurmans: “En dat is niet alleen een gevoel, maar is ook wetenschappelijk aangetoond.”