Technical and economical optimisation of the compression stage in the context of a new syngas generation process for the iron- and steelmaking industry
No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Author
Date
2021-08-23
Department
Major/Subject
Sustainable Energy Conversion Processes
Mcode
ENG3069
Degree programme
Master's Programme in Advanced Energy Solutions (AAE)
Language
en
Pages
59
Series
Abstract
Iron and steel industry today is in a transformation phase, currently it is the heavy industry with the highest overall carbon dioxide emissions. Solutions for emission reductions are needed in the short term as well as long term to reduce environmental impact of the sector. In this thesis the compression stage of a novel technology for the blast furnace process is studied. The novel technology is a new syngas generation process which is based on the dry reforming reaction, wherein overall blast furnace emissions are reduced by coke usage reduction. Compression of syngas reforming gasses as well as cooling gasses is required in this process, opening the potential for further efficiency improvements through an improved compression stage process. The use of different compressor and driver types as well as technologies are explored in this thesis at a conceptual level. Concepts for different compression processes are created and analysed with calculation models created through AVEVA Process Simulation software. Low- and high-pressure blast furnace scenarios, among other scenarios, are examined separately. An economic analysis including price quote requests was carried out. The results show that compressor-loaded expansion turbines can be used in the blast furnace process when employing the new syngas generation process to reduce overall energy consumption. By using top gas internal energy for compression, energy transformation losses are reduced, thus electricity generation in the top pressure recovery turbine can be increased and overall running costs and carbon dioxide emissions decreased. The use of a compressor unit with a high discharge temperature before the dry reforming stoves is of paramount importance. Capital investment cost analysis of the compressor-expander solution was inconclusive, requiring additional research.Nykypäivän rauta- ja terästeollisuus on kovassa muutosvaiheessa, tällä hetkellä sillä onkin raskaista teollisuuksista suurimmat hiilidioksidipäästöt. Sekä lyhyellä että pitkällä aikavälillä rauta- ja terästeollisuus tarvitsee keinoja päästöjen vähennykseen teollisuuden ympäristövaikutusten vähentämiseksi. Tässä opinnäytetyössä tutkitaan uraauurtavan masuuniprosessin puristusvaihetta. Uusi masuuniprosessi on synteesikaasun tuotantoprosessi, joka perustuu kuivareformointireaktioon, minkä avulla masuunin koksin käyttöä ja näin ollen päästöjä voidaan vähentää. Prosessissa vaaditaan synteesikaasua reformoivien kaasujen, sekä jäähdytyskaasujen puristamista masuunin painetasoa korkeammalle. Parantamalla tätä puristusvaihetta ja käyttämällä terästeollisuudelle uusia teknologioita, voimme parantaa prosessin kokonaisenergiatehokkuutta. Erilaisten kompressori- ja moottorityyppien sekä teknologioiden käyttöä prosessissa tutkittiin opinnäytetyössä konseptitasolla. Puristusvaihetta varten kehiteltiin konsepteja, joita analysoitiin AVEVA Process Simulation ohjelmiston avulla luoduilla laskentamalleilla. Näitä konsepteja verrattiin referenssi tapaukseen, joka edustaa matalimman kynnyksen ratkaisua. Matala- ja korkeapaine masuuniskenaarioita tarkasteltiin erikseen laskelmissa, johtuen prosessien suurista eroista. Konsepteja tarkasteltiin sekä tekniseltä että taloudelliselta kannalta, joita varten myös tehtiin hintatarjouspyyntöjä tavarantoimittajille. Turbiinimoottorijärjestelmissä, joissa laajenemissykliä käytetään kompressorin vääntömomentin luomiseen, on potentiaalia prosessin energiatehokkuuden parantamiseen, minkä takia tämän työn konsepteissa keskityttiin tähän teknologiaan. Laskentamallien tulokset osoittavat, että turbiinimoottorijärjestelmiä käyttö voi parantaa synteesikaasuprosessin energiatehokkuutta ja vähentää kokonaissähkön kulutusta. Käyttämällä masuunin huippukaasun sisältämää sisäenergiaa kaasun komprimointiin, energian muuntamisen hävikkiä voidaan vähentää ja täten masuunin huippukaasun paineenalennusturbiinin sähköntuotantoa voidaan lisätä. Täten hiilidioksidipäästöjä ja puristusvaiheen käyttökustannuksia voidaan vähentää. Uudessa synteesikaasuprosessissa on ensiarvoisen tärkeä, että kompressorissa, joka sijaitsee ennen kuivareformointireaktoria, on korkea ulostulolämpötila. Välijäähdyttimien käyttöä ei tästä syystä suositella. Turbiinimoottorijärjestelmän investointikustannusten analyysi ei tuottanut toivottua tulosta, minkä takia lisätutkimusta systeemin lisäkustannuksista tarvitaan jatkossa.Description
Supervisor
Järvinen, MikaThesis advisor
Tschirhart, FrédéricKeywords
blast furnace, syngas, dry reforming process, compressor-expander, turbocharger, top pressure recovery turbine
