TOVERS VAN HELDER. Aanmaaktover 9 AANMAKEN 1 TON STAAL PRIJS Vraag Wat is de prijs van het aanmaken en leveren van 1 ton staal?

Transcriptie

1 TOVERS VAN HELDER Aanmaaktover 9 AANMAKEN 1 TON STAAL PRIJS Vraag Wat is de prijs van het aanmaken en leveren van 1 ton staal? Antwoord Recept ΔSσ ΔScf ΔSθ [kj/ K] [kj/ K] [kj/ K] 1 4 transportbanden 2,, 1 kooksfabriek 3,, 1 hoogoven 4,, 6 goederentreinen 5,, 1 zuurstoffabriek 6,, 1 staalfabriek 7,, 2 walserijen 8,, 1 b.vaartschip 9,, 1 vrachtwagen 10,, mensen ,E+19 m³ lucht ,7 ton kolen ,, 2,E+05 kj stroom ,, 34,0 kg aardgas ,, 12,1 kg dieselolie in 18 16,, 1 ton ijzerertspellets ,, 0,3 ton schroot in 19 18,, 1204 kg zuurstof nvt nvt 19 0,3 ton schroot ,, kg zuurstof ton staal maken ,, 0,30 kg fijnstof spreiden 0 nihil nihil 23,, 1 dampkring ton staal walsen ,, 570 tonkm doen AMT 9 1 ton staal klaar Gereedschappen

2 1 4 transportbanden Er wordt gewerkt met 4 transportbanden die elk over 1000 m horizontaal en 100 m verticaal kolen, kooks, ertspellets en schroot van de losplaatsen naar de fabrieken verplaatsen. De banden draaien 365 dagen per jaar. kolenband C kolenband = 500 kg/s schatting Per ton staal is 700 kg kolen nodig. 12 Ti1a = 700 / C = 1,4 s/ton staal Tid = 20 jaar = 6,E+08 s qi kband/tonstaal = Ti1/Tid = 2,E-09 ΔS inzet k.band / ton staal = 2,E-09. Eigentover Gereedschap [kj/ K]. kooksband C kooksband = 500 kg/s Per ton staal is 560 kg kooks nodig. 12 Ti1b = 560 / C = 1,1 s/ton staal Tid = 20 jaar = 6,E+08 s qi kkband/tonstaal = Ti1/Tid = 2,E-09 ΔS inzet kk.band / ton staal = 2,E-09. Eigentover Gereedschap [kj/ K]. pelletsband C pelletsband = 500 kg/s Per ton staal is kg pellets nodig 16 Ti1c = 1111 / C = 2 s/ton staal Tid = 20 jaar = 6,E+08 s qi p.band/tonstaal = Ti1/Tid = 4,E-09 ΔS inzet p.band / ton staal = 4,E-09. Eigentover Gereedschap [kj/ K]. schrootband C schrootband = 500 kg/s schatting Per ton staal is 300 kg schroot nodig 17 Ti1d = 300 / C = 0,6 s/ton staal Td = 20 jaar = 6,E+08 s qi sband/tonstaal = Ti1/Td = 1,E-09 ΔS inzet s.band / ton staal = 1,E-09. Eigentover Gereedschap [kj/ K].

3 2 1 kooksfabriek De kooksfabriek heeft 40 batterijen, per stuk 35 ton kolen in 18 uur. C kooksfabriek = 22 kg/s Per ton staal is 560 kg kooks nodig 12 Ti2 = 210/C = 25,9 s/ton staal Td2 = 20 jaar = 6,E+08 s qi kfabriek/tonstaal = Ti2/Ti2 = 4,E-08 ΔS inzet k.fabriek / ton staal = 4,E-08. Eigentover Fabriek [kj/ K]. 3 1 hoogoven Twee hoogovens produceren ton ruwijzer/etmaal C hoogovens = 0,23 ton ruwijzer/s ofwel 4,E+06 ton ruwijzer/jaar Per ton staal is 0,7 ton ruwijzer nodig. 16 Ti3 = 0,7/C = 3,0 s/ton staal Td3 = 20 jaar = 6,E+08 s qi hoogoven/tonstaal = Ti3/Td3 = 5,E-09 ΔS inzet hoogoven / ton staal = 5,E-09. Eigentover Fabriek [kj/ K]. 4 5 goederentreinen Deze goederentreinen verplaatsen het ruwijzer van de hoogoven naar de staalfabriek, het staal van de staalfabriek naar de warmbandwalserij, dan naar de koudbandwalserij en dan naar de verzendopslag. Dit wordt verder doorberekend in zuurstoffabriek In de zuurstoffabriek wordt met behulp van het Linde-proces uit de lucht zuurstof gehaald en vloeibaar gemaakt. De zuurstoffabriek werkt per ton staal even lang als de staalfabriek zelf, dus Ti5 = Ti6 = 9 s/ton staal Td5 = 20 jaar = 6,E+08 s qi zstoffabriek/tonstaal = Ti5/Td5 = 1,E-08

4 ΔS inzet z.fabriek / ton staal = 1,E-08. Eigentover Fabriek [kj/ K]. 6 1 staalfabriek Het ruwijzer en het schroot worden met de staalfabriek opgewerkt tot staal. C staalfabriek = ton staal/etmaal 3 ofwel 0,12 ton staal/s Ti6 = 1/C = 8,6 s/ton staal Td6 = 20 jaar = 6,E+08 s qi sfabriek/tonstaal = Ti6/Td6 = 1,E-08 ΔS inzet s.fabriek / ton staal = 1,E-08. Eigentover Fabriek [kj/ K]. 7 2 walsstraten Het staal wordt in de warmbandwalserij uitgewalst tot platen. De koudbandwalserij doet dit nog eens dunnetjes over. C walserij = ton staal/etmaal ofwel 0,12 ton staal/s Ti7 = 1/C = 8,6 s/ton staal Td7 = 20 jaar = 6,E+08 s qi walserij/tonstaal = Ti7/Td7 = 1,E-08 ΔS inzet walserij / ton staal = 1,E-08. Eigentover Fabriek [kj/ K]. 8 1 binnenvaartschip Wordt ingezet voor het ophalen van 300 kg schroot afgelegde weg 300 km en voor het wegbrengen van 500 kg staal afgelegde weg 500 km Zie verder vrachtwagen Wordt ingezet voor wegbrengen eindproducten naar klant. Afgelegde weg 300 km Zie verder mensen Er werken werknemers schatting 200 dagen /jaar 8 uur/dag

5 ofwel s/jaar.werknemer pw = werknemers fu = 1,5 fk = 3 pm = mensen Tiw = / C h.oven = 1,6 s/ton staal Tdw = 1,E+09 sec 45 jaar qim = Tiw/Tdw = 1,E-09 ΔS levering pm per ton staal = qi. pm. Eigentover Helder ofwel 5,E-05. Eigentover Helder [ kj/ K ] Met ET Helder: ET Helder 1 Helder afspelen ,E-05 Helder doen ,E+19 m³ lucht De lucht is nodig voor het leveren van zuurstof, maar ook voor het opnemen van kooldioxide, stikstofoxiden en fijnstof. Zie verder onder 21 De prijzen voor de massa-overdrachten worden in de betreffende tovers verrekend. 12 0,7 ton kolen Er is nodig 560 kg kooks/ton staal T'overzicht Uit 1 ton vetkool haal je in de kooksfabriek 0,8 ton kooks Dus nodig 700 kg kolen/ton staal. Met HT 1 Kolen: Men Neme kg kolen klaar HT kg kolen halen ,E+07 kj stroom Het complex verbruikt ongeveer 20 GJ/ton ruwijzer ofwel 1,40E+07 kj/ton staal Intern wordt geleverd 0,6 x Hf vorming = -1,25E+07,, T'overzicht De externe behoefte wordt voor 10% gedekt door stroomenergie ofwel 2,E+05,, Met AMT 4 Fossielstroom: AMT 4 1 kj stroom klaar 8,E-03-9,E-05 7,E ,E+05 kj stroom doen kg aardgas De externe behoefte wordt voor 90% gedekt door aardgasenergie 13 ofwel 1,38E+06 kj/ton staal ofwel 34 kg aardgas/ton staal Zie verder ,09 kg dieselolie Goederentrein neemt 0,010 kg dieselolie/tonkm VT 5 Binnenvaartschip neemt 0,005 kg dieselolie/tonkm VT 14 Vrachtwagen neemt 0,046 kg dieselolie/tonkm VT 1 Totaal voor 570 tonkm 12,089 kg dieselolie 24 De prijs voor het nemen van dieselolie wordt doorberekend in ,11 ton ijzerertspellets De pellets komen per schip uit Narvik. Stel de pellets bestaan volledig uit Fe₂O₃.

6 Het ijzergehalte van de pellets is 630 kg Fe/ton pellets Omdat voor iedere ton staal 300 kg schroot wordt hergebruikt is per ton staal is nodig 1,11 ton pellets Met HT 2 IJzererts (hier ijzerertspellets) HT 2 1 ton erts klaar ,11 ton ijzerertspellets ,3 ton schroot Benodigd 300 kg schroot/ton staal. Het schroot komt her en der uit Nederland. Voor het betalen van het schroot zie kg zuurstof van Omgeving T'overzicht Voor het onttrekken van de zuurstof uit de atmosfeer geldt met BT 5, alleen Sθ: BT 5 1 mol CO₂ klaar nvt -0,406 nvt 18,, mol O₂ doen nvt ,3 nvt Voor het betalen van het pandgeld voor de zuurstof zie 20 Het feitelijk onttrekken geschiedt in de zuurstoffabriek. Deze fabriek draait op electrische stroom, dit is begrepen in 13 De prijzen zijn doorberekend in 9.19 e.v, behalve: voor 0,3 ton schroot M Fe = 0,026 kg/mol Fe Het pandgeld van 0,3 ton schroot bereken je zo: Sσ ijzer = 0,027 kj/ K.mol Sσ m.o. 0,3 ton schroot = Sσ. 300/M = voor 1204 kg zuurstof van Omgeving 18 M O₂ = 0,032 kg/mol Fe De prijs voor de massa-overdracht van 80 kg zuurstof bereken je zo: Sσ zuurstof = 0,205 kj/ K.mol Sσ 80 kg zuurstof = Sσ. 80/M = ton staal maken Pandgeld Roeren & Mengen hoogovenslak zuurstof CO₂ CO₂ ijzerertspellets kolen kooks 3 Reductie 1500 ⁰C 1 Droge dest C ruwijzer gas warmte 4 Converteren 2 Verbranden ruwstaal kracht CO₂, H₂O Walsen Staal

7 Vorming Sσ : 1 5,3 C + 0,2 C₆H₆ 6,3 C + 0,2 CH₄ + 0,2 H₂ destillatie 2 0,2 CH₄ + 0,2 H₂ + 0,5 O₂ 0,2 CO₂ + 0,6 H₂O verbranden 3 2 C + 2 O₂ 2 CO₂ + warmte,,,, 1,5 C + 1,5 O₂ 1,5 CO₂(fe),,,, 1,5 CO₂(fe) + 1,5 C 3 CO Boudouard,, Fe₂O₃ + 3 CO + warmte 2 Fe + 3 CO₂ reductie 4 0,3 C + 0,3 O₂ 0,3 CO₂ conversie 4,3 C + 0,2 C₆H₆ + 4,3 O₂ + Fe₂O₃ 2 Fe + 5,5 CO₂ + 0,6 H₂O Gehanteerde molmassa's M C Fe O₂ H₂ 0,012 0,040 0,032 0,002 T'overzicht Termen M n m Sσ Sσ Hf Hf reactievgl [kg/mol] [kg] [kj/ K.mol] [kj/ K] [kj/mol] [kj] Vóór 4,3 C 0, , ,2 C₆H₆ 0, , ,3 O₂ 0, , Fe₂O₃ 0, , Na 2 Fe 0, , ,E+05 5,5 CO₂ 0, , ,E+07 0,6 H₂O 0, , ,E+06 Fe(schroot) 300 ΔSσ = ΔHf = -2,E+07 exotherm Bruto resultaat vorming ΔSσ 1 ton staal = kj/ K Toelichting: tvs 1 en 2 : stel de vetkool bestaat voor 80% uit kool en 20% uit benzeen. De benzeen wordt gekraakt in waterstof en methaan. Dit kooksgas wordt verbrand. De benodigde hoeveelheid vetkool per ton ruwijzer, inclusief de schroot, is gesteld op ca 60% van de benodigde hoeveelheid ijzerertspellets. Aangenomen dat de pelltets voor 100% bestaan uit Fe₂O₃. tvs 3 : de reductie van het ijzererts verloopt volgens het Boudouard-evenwicht. tvs 4 : In de convertor wordt in het vloeibare ijzer zuurstof geblazen om koolstofresten te oxyderen. 1 ton ruwijzer bevat 3 gewichtsprocent koolstof ofwel 30 kg koolstof ofwel 2500 mol C wordt geoxideerd met mol O₂ ofwel 80 kg O₂ Spreiding Scf en opwarming Sθ : kg CO₂ naar Omgeving Met Eindtover : ET 1 mol CO₂ -0,3 0,4 1,1 21,, cilinder lucht mol CO₂ cilinder lucht ,

8 Doen 34 kg aardgas 14 Met KT 4 Aardgas : KT 4 2,47 kg gas klaar ton gas doen ,3 kg fijnstof PM10 spreiden Spreiding fijnstof = 0,3 kg/ton staal Ø deeltje fijnstof = 1,0E-06 m PM10 ρ fijnstof = 600 kg/m³ schatting m deeltje fijnstof = 4/3. π. r³. ρ = 3,E-16 kg n deeltjes/ton staal = 0,3 / m = 1,E+15 deeltjes/ton staal Het entropisch effect van deze deeltjes emissie is nihil, zie VT 8 Vliegtuig 23 1 ton staal walsen Het staal krijgt verschillende walsbewerkingen. De aandrijving van de walsen is electrisch, dus geen lokaal entropisch effect. Zie verder tonkm doen Voor 1 ton staal worden kolen, kooks, pellets, ruwijzer en staal op het fabrieksterrein verplaatst per band en per trein. Stel de totale vervoersprestatie op 20 tonkm waarvan 50% per band en 50% per trein. De band wordt electrisch aangedreven, zie 13 goederentrein : Verplaatsen 0,5 ton ruwijzer ca over 20 km Met VT 5 Goederentrein: VT 5 1 treintonkm klaar 0,21-0,19 0, treintonkm doen De kant en klare staalrollen worden voor 50% per vrachtwagen en voor 50% per binnenvaartschip verplaatst naar bestemming. Over het water 500 km en over de weg 200 km. binnenvaartschip : 8 Verplaatsen 500 kg staalrollen over 300 km Verplaatsen 500 kg schroot over 500 km Met VT 14 Binnenvaartschip: VT 14 1 bvstonkm klaar 0,13-0,10 0, bvstonkm doen vrachtwagen : 9 Verplaatsen 0,5 ton staalrollen over 300 km Met VT 1 Vrachtwagen : VT 1 1 vwtonkm klaar 1,6-0,9 4, vwtonkm doen Klaar! Bron :

9