Simulation and balancing of trace elements in the Sinter/Blast furnace process

Abstract

Iron and steel making is an integral part of the world’s heavy industry consuming large tonnes of raw materials and producing high amounts of emissions. In the last decade, besides the rising production rates the environmental awareness increased as well. This is why a focus was placed on different simulation platforms dealing with optimization of various process steps during iron and steel production recently. The main idea, by establishing such simulation tools, is an improvement of the process efficiency, a reduction of costs and a minimization of environmental pollution. Although there are several alternative processes such as Corex® and Finex®, the blast furnace route still is the most important process for pig iron production. Besides classical engineering applications the requirements on simulation models are rising. A desired detailed detection of trace elements inside a blast furnace requests an upgrade from already existing black box models to multizone models. A crucial part of this thesis deals with the evaluation of already existing approaches of multi – zone blast furnace models, comparing their special abilities and applications. After this evaluation the thesis gives insight in the new development of a 5 zone blast furnace model, programmed for the software platform gPROMS®. This new model combines the robustness of an already existing Black Box Model making it capable for the usage in holistic flow sheets with thermodynamic approaches. Moreover, it can be a backbone for implementation of the chemistry of various trace elements like the sulphur and alkali cycle. The validation of the new model was carried out through different steps. First, every single sub model (Zone 1 – 5) was compared with an existing excel tool, which was developed as a part of a dissertation at Montanuniversität Leoben. Then, the coverage of the results of the pre – existing black box model with the new multi zone model was proven. Finally, a calculation of 6 different real operational plant datasets was performed, delivering satisfying results with a hot metal’s relative mass flow deviation of below 0,5 %. To show the capability of the model even providing robust results of a more complex simulation case, an integrated blast furnace route consisting of a sinter plant, two blast furnaces, a desulphurization ladle and hot blast stoves was set up, which showed no significant deviations to the validation results of the single blast furnaces. This case shall be seen as a pioneer set up in the investigation of the behaviour of trace elements in a typical blast furnace route and even within the single process steps. In this particular case sulphur was selected to be an ambassador for further trace elements, which showed highly accurate results compared to the provided data.

Eisenund Stahlerzeugung ist nach wie vor ein essentieller Bestandteil der weltweiten Schwerindustrie. Durch die hohe Nachfrage an Stahl steigt auch der Bedarf von zur Erzeugung benötigten Ausgangsmaterialien, sowie der Ausstoß an umweltbelastenden Schadstoffen. Da in situ Experimente höchst riskant und kostenintensiv sind, verlegt sich der Fokus immer mehr auf die Etablierung diverser Simulationsplattformen. Die Simulation ermöglicht hierbei Prozessbedingungen zu erforschen, die eine Erhöhung der Produktionseffizienz, eine Senkung von Produktionskosten bei minimaler Umweltbelastung zur Folge haben, ohne dabei die Risiken von Untersuchungen an einer bestehenden Anlage tragen zu müssen. Obwohl es einige alternative Prozesse, wie Corex® und Finex®, zur Roheisenerzeugung gibt, ist der klassische Verfahrensweg der Hochofenroute nach wie vor nicht wegzudenken. Da oben genannte Simulationsmodelle neben klassischen Engineering Anwendungen in Zukunft auch die Möglichkeit von detaillierten Untersuchungen von Stoffkreislaufen bieten sollen, ist eine Weiterentwicklung von Blackbox – Modellen zu Mehrzonen – Modellen unumgänglich. Ein nicht unwesentlicher Teil dieser Arbeit beschäftigt sich daher mit verschiedenen Ansätzen und unterschiedlichen Zugängen zu Mehrzonen – Hochofen – Modellen. Mit Hilfe dieser Untersuchung wurde mit der Software gPROMS® ModelBuilder® ein 5 – Zonen – Hochofen – Modell entwickelt, mit dem Ziel geeignete untersuchte Ansätze miteinander zu vereinen. Das neu entwickelte Modell kombiniert die Möglichkeit robuster und flexibler Einsätze in umfassenden Flow Sheets mit den komplexen thermodynamischen Ansätzen der Mehrzonenmodelle. Dabei kann das entwickelte Modell jederzeit mit chemischen Reaktionen verschiedener Spurenelemente erweitert werden. Die Validierung des Modells erfolgte in mehreren Schritten. Zuerst wurden die einzelnen Zonen – Submodelle mit einem Excelmodell verglichen, welches im Rahmen einer Dissertation an der Montanuniversität Leoben entwickelt wurde. Eine weitere Anforderung ist die Übereinstimmung zum verfügbaren Blackbox Modell, die exakt nachgewiesen werden konnte. Im letzten Schritt wurden 6 zur Verfügung gestellte Betriebsdatensätze nachgerechnet und deren Abweichungen zu den Simulationsergebnissen überprüft. Mit einer relativen Abweichung des Roheisenflusses von maximal 0,5 % liefert das Modell valide Ergebnisse. Um zu zeigen, dass das entwickelte Modell ebenso fähig ist, komplexere Prozessabläufe abzubilden, wurde eine typische Hochofenroute, bestehend aus zwei Hochöfen, einer Sintermaschine, einer Roheisenentschwefelungsanlage und einem Winderhitzersystem aufgebaut. Die Ergebnisse der Hauptströme wiesen dabei keine signifikanten Unterschiede zu den Resultaten der Validierung der einzelnen Aggregate auf. Mit diesem Setup wurde der Schwefelkreislauf der gesamten Hochofenroute nachgerechnet und mit Prozessdaten verglichen. Die Abbildung des Schwefelkreislaufs soll hierbei eine Vorreiterstellung für die Machbarkeit der Bilanzierung von Spurenelementen einnehmen und somit Ausgangspunkt für weitere Entwicklungen sein.