Model development of metallurgical unit operations for use in a process simulation tool

Abstract

Die Kombination Hochofen/Sauerstoff-Konverter stellt die Hauptroute der globalen Stahlerzeugung dar. Corex® und Finex® sind alternative Prozesse zur Eisenerzeugung mit geringeren Kosten und Emissionen im Vergleich zum Hochofenprozess. Prozesssimulation ist ein wichtiges Tool, um diese komplexen Prozesse besser zu verstehen und weiter zu optimieren. Das Ziel dieser Arbeit ist die mathematische Modellierung von Prozessschritten in der Eisen- und Stahlerzeugung. Diese Modelle werden in gPROMS implementiert und müssen miteinander kompatibel sein, um Fließbilder von gesamten metallurgischen Prozessen darstellen und lösen zu können. Im Zuge dieser Arbeit wurden die Modelle eines Einschmelzvergasers, eines Reduktionsschachts, einer Sintermaschine und eines Sauerstoffkonverters zur Stahlerzeugung in gPROMS implementiert. Die Modelle basieren auf Massen- und Energiebilanzen und verwenden vorwiegend empirische Koeffizienten zur Beschreibung der Vorgänge in den einzelnen Prozessen. Zur Erhöhung der numerischen Robustheit, werden Initialisierungsprozeduren eingesetzt, um eine stabile Lösung der zu berechnenden nicht-linear gekoppelten mathematischen Systeme zu ermöglichen. Die Modellvalidierung findet auf Basis von Bilanz- und Auslegungsdaten von Primetals Technologies statt. Die erhaltenen Simulationsergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit den Daten von Primetals Technologies. Nur für Komponenten involviert in die Wasser-Gas-Shift-Reaktion werden kleine Abweichungen bemerkt. Um das Modell des Einschmelzvergasers in Richtung prädiktive Simulation zu verbessern, wurden die thermodynamischen Routinen von FactSage und ChemApp zur Minimierung der Gibbs Freien Enthalpie eingesetzt, um das Gleichgewicht Metallschmelze/Schlacke zu berechnen. Die Simulation zeigt gute Ergebnisse für die Komponenten Fe, C, S, CaO, MgO, SiO2 und Al2O3. Abweichungen werden allerdings für die Elemente Si und Mn gefunden. Ursache hierfür liegt entweder im Nichterreichen des Gleichgewichts im realen System, oder in den hinterlegten thermodynamischen Parametern in den verwendeten Datenbanken der Berechnungsroutine. Auf Basis der entwickelten Modelle wurde die Stahlerzeugung als Kombination des Corex® bzw. Finex® Prozesses und eines Sauerstoff-Konverters in gPROMS implementiert und simuliert um die Prozessrouten zu vergleichen. Die Simulationsergebnisse sind ähnlich für beide Prozesse. Um die numerische Robustheit der Modelle in einem breiten Bereich von Einsatzparameter zu überprüfen, wurde zusätzlich eine Sensitivitätsanalyse zur Eisenerzqualität und zur spezifischen Brennstoffmenge durchgeführt. Die Simulationsrechnungen zeigten keine Konvergenzprobleme und ergeben das erwartete Analgenverhalten. Es konnte damit gezeigt werden, dass die entwickelten Modelle die Berechnung von Massen- und Energiebilanzen von komplexen Prozessen der Eisen- und Stahlerzeugung ermöglichen. Dadurch wird es auch möglich die einzelnen Prozessrouten hinsichtlich der benötigten Brennstoffmenge zu optimieren und damit die Betriebskosten und die CO2-Emissionen zu reduzieren.

The blast furnace and basic oxygen furnace process combination is the basic ironmaking and steelmaking technological route that accounts for most of the world hot metal and steel production. The Corex® and Finex® processes are the alternative commercial ironmaking steps that present lower cost and reduced emission characteristics. In order to gain better knowledge over the different processes and have the ability to optimise them, process simulation appears to be a very useful tool. The target of this thesis is the development of mathematical models of metallurgical unit operations for ironmaking and steelmaking processes. These models are implemented in the software environment of gPROMS and should be compatible with each other in order to be used in full scale plant flowsheets. The unit operation models developed in this work are the melter gasifier, the reduction shaft, the sinter plant and the basic oxygen furnace. These models are based on mass and energy balances and use empirical coefficients that describe well the plant operation. To make them numerically robust, initialisation procedures were developed which ensure that the mathematical solution is achieved. The validation of the simulation results took place with data provided by Primetals Technologies. The calculations showed a good agreement for all the test cases, with some minor deviations connected to the water-gas shift reaction components in the gas phase. For increasing the melter gasifier model fidelity, the FactSage and ChemApp Gibbs minimisation thermodynamic routines were used as a tool for the calculation of the hot metal/slag chemistry. The results proved to fit well the target values for components Fe, C, S, CaO, MgO, SiO2 and Al2O3. Deviation was observed in Si and Mn that can be explained by the fact that the process does not reach equilibrium, or by the non-accurate thermodynamic data used. Finally, the flowsheets of Corex® and Finex® processes were implemented and simulated in gPROMS in order to get an overview of the typical specific consumptions and productions. Both processes presented comparable specific values. In order to ensure that the system is numerically robust over a wide range of feed parameters, a sensitivity study took place. The varied parameters were the iron ore quality and specific fuel consumption. The flowsheets were calculated successfully and the change in the calculated flows proved to be in the sensible direction. The developed models in this thesis enable the accurate calculation of mass and energy balances of metallurgical processes. Based on the good reliability of the simulation results it is possible to optimise the plants towards lower fuel consumption. This can lead to lower operation costs as well as reduced CO2 production and environmental emissions.