STATO DELL’ARTE DEL RECUPERO ENERGETICO DA …animp.it/animp_/images/PDF_archivio/UNI UDINE_Nardin.pdf · ARCO E SISTEMI INNOVATIVI 3E ... Quali prospettive per l’industria italiana

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.


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.


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.


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;


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 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.


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


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.


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


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


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).


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 per la moderazione della varianza dei flussi termici e recupero

energia termica da off gas


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.


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


ΔT max [°C] 727.9 272.7 231.9


Load losses [Pa] - 257 257

INPUT OUTPUT

2” 2"

FOULING NO FOULING

Max Temperature [°C] 950.8 719.8 719.8


ΔT max [°C] 727.9 272.7 272.7


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%)

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