Modelling of the blast furnace route in gPROMS

Abstract

Obwohl alternative Verfahrenswege wie Corex® und Finex® bereits erfolgreich auf industriellem Maßstab eingesetzt werden, ist die Hochofenroute weiterhin der bedeutendste Prozess zur Herstellung von Roheisen. Gemeinsame Bemühungen der Primetals Technologies Austria GmbH und der Technischen Universität Wien führten zur Entwicklung einer umfassenden metallurgischen Modellbibliothek für die Prozesssimulationsplattform gPROMS®. Das Ziel dieser Arbeit ist die Implementierung der Hochofenprozessroute in gPROMS® basierend auf den Kernaggregaten Hochofen, Winderhitzer und Kokerei. Das Hochofenmodell basiert auf dem Blackbox Modell des Corex® und Finex® Einschmelzvergasers. Um den speziellen Prozesscharakteristiken gerecht zu werden, wurden gezielte Modifikationen am Modell vorgenommen. Darüber hinaus wurden funktionelle Erweiterungen in Bezug auf thermodynamische Randbedingungen und betriebsrelevante Parameter implementiert. Die Modelle für Winderhitzer und Kokerei wurden von Grund auf basierend auf detaillierten Literaturstudien entwickelt. Dabei wurde auch auf bereits bestehende (Sub-)Modelle aus der Modellbibliothek der Primetals Technologies Austria GmbH zurückgegriffen. Zur Validierung der entwickelten Modelle wurden Simulationsergebnisse mit entsprechenden Zielwerten verglichen. Dafür wurden verschiedene Quellen wie MS Excel Berechnungsprogramme sowie Betriebsdaten eines bestehenden Eisenhüttenwerks herangezogen. Die erhaltenen Simulationsergebnisse wiesen nur unwesentliche Abweichungen auf. Die beobachteten Differenzen stehen im Falle der MS Excel Berechnungsprogramme im Zusammenhang mit Unterschieden in Bezug auf Modellansätze und Quellen für thermodynamische Stoffdaten. Genauere Untersuchungen der verfügbaren Betriebsdaten deckten darüber hinaus Abweichungen hinsichtlich Massenerhaltung auf. Eine Sensitivitätsanalyse wurde für bestimmte spezifische Modellparameter durchgeführt, um die numerische Stabilität und das Verhalten unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu untersuchen. Die angewandten Szenarien wurden auf Basis von theoretischen und praktischen Betriebsszenarien erstellt. Die erzielten Ergebnisse entsprechen im Wesentlichen den erwarteten Modell-Funktionsweisen. Die Modelle, welche im Zuge dieser Arbeit erstellt wurden, eröffnen die Möglichkeit, unterschiedliche Betriebsszenarien der Hochofenprozessroute in gPROMS® abzubilden. Damit ist der Grundstein für die Simulation von vollständigen Eisenhüttenwerken sowie umfassende und konsistente Vergleiche der verschiedenen Verfahrensrouten zur Roheisenerzeugung gelegt.

The blast furnace route continues to be the most important process used to produce pig iron, despite the fact that alternative processes such as Corex® and Finex® have already been established on industrial scale. Intensive development efforts at Primetals Technologies Austria GmbH and Vienna University of Technology resulted in a comprehensive metallurgical model library for the software platform gPROMS®. The objective of this thesis is the implementation of the blast furnace route process model in gPROMS®. This iron making route assembles the core unit operations blast furnace, hot blast stoves and coking plant. The blast furnace model is based on the Corex® and Finex® melter gasifier black box model. Selective modifications to this model were applied in order to meet the characteristics of the blast furnace process. Furthermore functional extensions were implemented regarding thermodynamic process boundaries and operating parameters. Based on detailed literature surveys, the hot blast stoves and coking plant models were developed from scratch and in part with the use of the pre-existing model library of Primetals Technologies Austria GmbH. Validation of the developed models was carried out through comparison of simulation results to given target values of various sources such as MS Excel calculation tools and plant data. The achieved simulation results showed only minor deviations. In the case of MS Excel calculation tools, the observed differences are related to different model approaches and different sources of thermodynamic material properties. Detailed examination of the provided plant data furthermore revealed inconsistencies regarding the conservation of mass. In order to investigate numerical robustness and behaviour in various operation conditions, sensitivity analyses were applied on specific model parameters. The scenarios chosen for this task were created based on theoretical and practical operation scenarios. The achieved results are in good accordance with the expected model behaviour. The models developed in the course of this thesis enable the simulation of various different blast furnace route setups in gPROMS®. They lay the ground for simulations of whole ironworks and moreover facilitate comprehensive and consistent comparisons of the main iron making routes.