Modelling and simulation of alkali, halogen and trace metal flows in ironmaking processes

Abstract

Ironmaking processes such as the traditional blast furnace route as well as the alternative Corex® and Finex® processes are dependent on raw materials of natural origin. Apart from their main constituents, they also contain unwanted components which can accumulate inside equipment or entire process chains. Potential consequences of this are an increased refractory wear, a decreased fuel efficiency or even the emergence of unstable process conditions. The objective of this thesis was the development of process models for the blast furnace, the melter gasifier and the hot gas cyclone which were designed to simultaneously depict the main chemical reactions of ironmaking as well as the behaviour of alkali, halogen and trace metals. This broad scope allows for a simulation of complete ironmaking process chains while considering potential interdependencies between different aspects of the reaction systems inside and across different unit operations. As a basis for the selection of a proper modelling strategy, different digital design methods such as first-principle-based modelling, statistical analysis as well as novel data-driven approaches were evaluated. In addition to this, simulation environments and metallurgical models in the field of ironmaking were investigated. Several thermochemical modelling strategies and selected software programs were further evaluated in detail to determine their applicability for modelling of multiphase reaction systems. In accordance with this evaluation, extended reaction systems were developed and implemented for the melter gasifier, the hot gas cyclone and the blast furnace in order to describe the flow patterns of a large number of alkali, halogen and trace metals. The resulting process models have been applied to several test cases which have been provided by Primetals Technologies and voestalpine. These test cases were subsequently used for a detailed comparison to the results of well-established reference models from literature in order to test the predictive quality of the developed models. In addition to this, variance-based sensitivity analyses were conducted to quantify the potential effect of model uncertainties on the accuracy of the simulation outputs. Finally, two practical application examples were presented. The first example described the simulation of an existing Finex® processes using the extended melter gasifier and hot gas cyclone models. The results were compared to plant data and further used to visualise elemental flow patterns in the melter gasifier and the overlying process chain. In the second example, the extended blast furnace model was used to identify and quantify the main contributing factors to variability of the alkali load inside a blast furnace. The investigated system depicted the complete ironmaking route of an existing European steel plant. Based on the obtained findings, operational measures were developed aiming for a sizeable reduction of the alkali load while considering potential side effects to the overall process.The results of this thesis demonstrate the successful application of digital design methods to improve the understanding of the behaviour of problematic components within ironmaking process routes. The developed models are also part of a comprehensive model framework for metallurgical processes. In combination with the flexibility of the used simulation platform, this lays the foundation for a holistic examination of complex steel production chains.

Prozesse zur Roheisenherstellung wie die traditionelle Hochofenroute und die alternativen Corex® und Finex® Verfahren sind abhängig von Rohmaterialien natürlichen Ursprungs. Neben ihren eigentlichen Hauptbestandteilen enthalten diese auch unerwünschte Komponenten, welche sich im Inneren von Apparaturen oder gesamten Prozessketten anreichern können. Die möglichen Auswirkungen dieses Verhaltens reichen von einer verringerten Lebensdauer von Feuerfestmaterialien über eine geringere Brennstoffeffizienz bis hin zum Auftreten von instabilen Betriebszuständen. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung von Prozessmodellen für den Hochofen, den Einschmelzvergaser und den Heißgaszyklon zur gleichzeitigen Darstellung der chemischen Vorgänge während der Roheisenherstellung sowie der Verteilung von Alkalien, Halogeniden und Spurenelementen. Dieser umfangreiche Aufgabenbereich erlaubt eine Simulation von vollständigen Prozessketten zur Roheisenherstellung unter Berücksichtigung möglicher Wechselwirkungen zwischen den unterschiedlichen Reaktionssystemen. Dabei werden Effekte innerhalb einzelner aber auch übergreifend zwischen verschiedenen Grundoperationen erfasst. Als Basis für die Auswahl einer geeigneten Modellierungsstrategie wurden zu Beginn verschiedene digitale Methoden evaluiert. Dabei wurden die verschiedenen Möglichkeiten zur Modellentwicklung beruhend auf physikalischer Grundgleichungen, statistischer Analyse und mit Hilfe von neuartigen, daten-basierten Ansätzen begutachtet. Weiters wurde eine Recherche hinsichtlich Simulationsumgebungen und Prozessmodellen im Bereich der Roheisenherstellung durchgeführt. Dies umfasste tabellenkalkulations-basierte Programme mit unterschiedlichem Detaillierungsgrad, fortschrittliche Flowsheeting-Programme sowie klassische Strömungssimulation. Um ihre Tauglichkeit zur Modellierung von Mehrphasen-Reaktionssystemen zu bestimmen, wurden zudem eine Reihe von thermochemischen Modellierungsstrategien und Softwareprogrammen einer eingehenden Analyse unterzogen.Gemäß dieser Evaluierung wurden im Anschluss erweiterte Reaktionssysteme entwickelt und in Modelle für den Einschmelzvergaser, den Heißgaszyklon sowie den Hochofen implementiert, um das Verhalten von Alkalien, Halogeniden und Spurenelementen zu beschreiben. Die resultierenden Prozessmodelle wurden in mehreren Beispielszenarien eingesetzt, welche von Primetals Technologies und voestalpine zur Verfügung gestellt wurden. Diese Testfälle wurden in weiterer Folge für einen Abgleich mit gängigen Referenzmodellen aus der Literatur herangezogen, um die Vorhersagequalität der entwickelten Modelle zu bewerten. Zusätzlich wurden varianzbasierte Sensitivitätsanalysen durchgeführt, um mögliche Auswirkungen von Modellunsicherheiten auf die Genauigkeit der Simulationsergebnisse zu bewerten. Abschließend wurden zwei praktische Anwendungsfälle präsentiert. Das erste Beispiel beschreibt die Simulation einer bestehenden Finex® Anlage unter dem Einsatz der neu erweiterten Modelle für den Einschmelzvergaser und den Heißgaszyklon. Die Ergebnisse wurden mit Anlagendaten verglichen und zudem dazu verwendet, elementare Flüsse innerhalb des Einschmelzvergasers und der übergeordneten Prozesskette zu visualisieren. Im Zweiten Beispiel wurde das erweiterte Hochofenmodell dazu verwendet, um mögliche Einflussfaktoren auf die Variabilität der Alkalienbeladung innerhalb eines Hochofens zu identifizieren und gegeneinander abzuwägen. Das untersuchte System umfasste eine vollständige Roheisenherstellungsroute eines europäischen Stahlherstellers. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse wurden operative Maßnahmen entwickelt, um eine erhebliche Reduktion der Alkalienbeladung zu bewirken ohne dabei mögliche Nebeneffekte auf den Gesamtprozess außer Acht zu lassen. Die Ergebnisse dieser Arbeit veranschaulichen den erfolgreichen Einsatz digitaler Methoden, um das Verständnis des Verhaltens unerwünschter Stoffe in Roheisenproduktionsrouten zu verbessern. Die entwickelten Modelle sind darüber hinaus Teil eines umfassenden Modellportfolios für metallurgische Prozesse. In Kombination mit der flexiblen Simulationsplattform wird dadurch der Grundstein für eine ganzheitliche Betrachtung komplexer Stahlproduktionsketten gelegt.