Midrex® shaft modelling in gPROMS

Abstract

Durch den Hochofen ist die Eisenerzeugung an Produktionsstätten mit Kohlevorkommen gebunden. Um unabhängiger von Kohle zu sein, wurden Alternativen zum Hochofen entwickelt. Zu diesen Alternativen gehört der Midrex-Prozess bei dem Erdgas zu Reduktionsgas reformiert wird. Da das Reduktionsgas außerhalb des Schachts produziert wird, gehört der Midrex-Prozess zu den Direktreduktionsverfahren. Primetals Technologies hat weltweit etwa 1/3 der bestehenden Midrex®-Anlagen gebaut. Um verschiedene Prozesse der Eisen- und Stahlerzeugung zu bilanzieren und zu evaluieren erstellt Primetals Technologies eine Bibliothek mit Modellen zur Eisen- und Stahlerzeugung in dem Modellier- und Simulationsprogram gPROMS. Um diese Bibliothek zu erweitern, werden in dieser Masterarbeit zwei Midrex®-Schachtmodelle in gPROMS implementiert: Ein Schachtmodell für heißes direkt reduziertes Eisen und ein Schachtmodell für gekühltes direkt reduziertes Eisen. Zur Modellierung wurde der Schacht in Zonen eingeteilt. Das Schachtmodel für heißes reduziertes Eisen besteht aus einer Aufwärmzone und einer Reduktionszone. Das Model für kaltes reduziertes Eisen enthält zusätzlich eine Kühlzone. Das Reduktionsgas, das hauptsächlich aus den Reduktionsmitteln H2 und CO besteht, und das Eisenerz werden nach dem Gegenstromverfahren durch den Schacht geleitet. Der Zusammenhang zwischen Ein- und Austrittsströmen wird über Reaktionsgrade, empirische Gleichungen sowie Massen- und Energiebilanzen hergestellt. Beide Modelle wurden mit Daten aus Massenbilanzen von Primetals Technologies validiert. Die Simulationsergebnisse stimmen gut mit den Daten von Primetals Technolgies überein. Für eine genauere Analyse des Midrex®-Prozesses wurde ein Modell des Rist Diagramms für die Verwendung mit dem Midrex®-Schacht entwickelt. Es dient dazu die Stabilität von metallischem Eisen und der Eisenoxid Phasen in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Reduktionsgases und der Temperatur darzustellen. Die Ergebnisse stützen die Resultate, welche mit Hilfe der Daten von Primetals Technologies erlangt wurden. Abschließend wurden die Modelle einer Sensitivitäts Analyse unterzogen um ihre Stabilität und Robustheit zu testen. Die Ergebnisse der Sensitivitäts Analyse zeigen, dass die Modelle auch für einen breiten Definitionsbereich der Haupteingangsströme einsetzbar sind. Die entwickelten Modelle für den Midrex®-Schacht erfüllen somit alle Voraussetzungen, um in die Modellbibliothek von Primetals Technologies aufgenommen zu werden.

With the blast furnace the iron production is bound to manufacturing sites with coal resources. To be more independent of coal, alternatives to the blast furnace have been developed in the last century. One of those alternatives is the Midrex (Midland Ross Experimental) process, where natural gas is reformed to reducing gas. Since the reducing gas is produced outside the shaft, the Midrex process belongs to the direct reduction processes. Primetals Technologies has built one third of all Midrex® plants worldwide. To represent and evaluate this process amongst several other iron and steel making processes, Primetals Technologies has been creating a library of iron- and steel making processes with the software gPROMS. To extend the library this work deals with the creation of two Midrex® shaft models: one for hot direct reduced iron and one for cold direct reduced iron. The shaft models are divided into zones: a heating and a reduction zone for the model of hot direct reduced iron and an additional cooling zone for the shaft model for cold direct reduced iron. The iron ore and the reducing gas mixture, which mainly contains H2 and CO, are led counter currently through the shaft. The correlations between input and output streams are formulated through mass and energy balances as well as conversion factors and empirical mathematical correlations. The developed models are valuated with mass balance data from Primetals Technologies. The simulation results show only small deviations from the provided mass balance data. Furthermore, a Rist diagram model is implemented to analyze the stability of iron and of iron oxide phases in dependence of the reducing gas mixture at a certain temperature. The results of the simulations with the Rist diagram model support the validation results. To test the robustness and stability of the shaft models, sensitivity analyses for the feed flow rate of lump ore, cooling gas and bustle gas are performed. Besides the feed flow rate also the influence of changes in bustle gas composition and temperature are investigated for bustle gas. The results of the sensitivity analysis prove, that the shaft models work within a broad range of parameters. The models fulfill all requirements to be included in the Primetals Technologies library for iron and steel production.