Applying exergetic life cycle analysis for evaluating the efficiency of metallurgical processes - Case: Copper smelting

Thumbnail Image

Files

master_lehtonen_karri_matias_2013.pdf (4.86 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Chemical Technology | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2013

Department

Department of Biotechnology and Chemical Technology
Biotekniikan ja kemian tekniikan laitos

Major/Subject

Plant design

Mcode

Ke-107.

Degree programme

Language

en

Pages

95+app. 33

Series

Abstract

This thesis tested and debugged the software link between the the HSC-Sim ™ and environmental software GaBi while enhancing the HSC-Sim ™ with an exergetic calculation functionality for flow sheets. Copper metallurgy was used as a test example to check the software compatibility and calculations. While various data are presented as a result of the simulations, the main focus of this thesis was rather on the development of HSC-Sim™ functionality and further developments are required in order to be able to make definitive statements on coppermaking technologies. The literature part of Thesis reviewed the footprinting, the concept and scope of Life Cycle Assessment (LCA) were generally described and its current problems were presented. In connection to these exergy was introduced. The motivation for connecting exergy to LCA was expressed and the findings of articles connecting exergy to LCA were summarized. The life cycle of copper was introduced including the alternative process steps of Copper production from ore to high grade metal. Similarly the principle chemical reactions and description of compositions in these steps were introduced as a reference for simulations. Finally the simulation programs used for analyzing processes were presented in general. The Experimental part of Thesis consists of simulation of two different Copper production process’s including Flash Smelting with Peirce-Smith Converter and Flash Smelting with Flash Converter using Outotec’s HSC-Sim ™ software linked together with PE International’s GABI software to perform Life Cycle Assesment (LCA). An Exergetic Life Cycle Assesment (ELCA) was demonstrated using the HSC-Sim ™. In order to do this the exergy calculation methods of HSC were revised and corrected accordingly and debugging for LCA tool of the HSC-Sim ™ was done. The novelty of Thesis was a demonstration of in-depth LCA and ELCA of different copper production processes by using simulation tools and proper process data as compared to traditional LCA’s that are based typically on average values giving a significant source for inaccuracy for results on specific processes. This gives the possibility to better understand the weak points of processes and to find ways to improve the processes to more thermodynamically efficient and environmentally friendly level. The results of this Thesis suggest that the link between the programs is working and the tools are adequate for performing proper assessment. The HSC-SimTM proved also its compatibility for performing an ELCA. When the models are considered, as the fugitive emissions and acid plants are not fully included within the models, no statement regarding the technology could be made. None the less it was possible to conclude that the units where most exergy efficiency improvement seems to exist are those with greatest temperature differences from the reference temperature such as the hot slag and anode copper as well as the matte granulation. Numerous suggestions on exergy calculations on HSC-Sim ™ have been made, especially on mixing exergies. These suggestions have been summarized in appendix Q with sample calculation on non-ideal mixing. All the data and results can be found in accompanying memory stick.

TiivistelmäDiplomityön tarkoituksena oli HSC-Sim ™ simulointiohjelman ja elinkaarilaskentaohjelma GaBi:n välisen yhteensopivuuden testaaminen ja virheiden etsintä, ja toisaalta HSC-Sim ™ ohjelman exergialaskennan tarkastaminen ja kehittäminen prosessikaavioita hyödyntäen. Kuparin valmistusta käytettiin testauksessa esimerkkinä yhteensopivuuden testaamisessa ja exergialaskennassa. Vaikka simuloinnin tuloksia on esitelty laajalti, pääaiheena oli kuitenkin HSC-Sim ™ ohjelman toiminnallisuuksien testaaminen ja eräitä lisätutkimuksia vaaditaan kupariteknologioiden arvioimiseksi. Diplomityön kirjallisuusosuus esittelee tuotantoon liittyviä jalanjälkilaskentaan kytköksissä olevia metodeja kuten elinkaarianalyysin (LCA) konseptin, jonka laajuus ja tämän hetkiset heikkoudet käydään läpi. LCA:n heikkouksien korjaamiseksi exergian käsite tehdään tutuksi. Exergian ja LCA:n yhdistämisen edut tehdään selviksi. Exergian ja LCA:n yhdistämiseen liittyvien artikkeleiden löydökset esitellään. Kuparin elinkaari käydään läpi ja vaihtoehtoiset prosessivaihtoehdot kuparimalmista metalliseksi kupariksi esitellään samalla. Kuparinvalmistukseen liittyvät tärkeimmät kemialliset reaktiot esitellään. Lopulta esitellään käytetyt simulointiohjelmat. Työn kokeellinen osuus koostuu Outotec Oyj:n kehittämien kuparin liekkisulatusprosessien, liekkisulatus-liekkikonvertoinnin ja liekkisulatus-Peirce-Smith-konvertoinnin, simuloinnista ja analysoinnista käyttäen apuna Outotecin kaupallista HSC-Sim ™ prosessisimulointiohjelmaa yhdessä PE-International ltd:n LCA-ohjelman GaBi:n kanssa. Ohjelmia apuna käyttäen suoritettiin elinkaarianalyysi ja tämän lisäksi myös tehtiin exergeettinen elinkaarianalyysi. HSC-Sim ™ in exergian laskennan virheitä korjattiin ja LCA työkalun käytössä ilmenneitä virheitä korjattiin. Saatujen tulosten perusteella prosessin termodynaamisen tehokkuuden parantamisen ongelmakohdat pyrittiin tunnistamaan. Työn uutuus on poikkeuksellisen yksityiskohtaisen kuparin valmistusprosessin elinkaarianalyysin mahdollistuminen simulointityökalujen linkittämisen kautta, joka mahdollistaa tavanomaista keskiarvoihin perustuvaa elinkaarianalyysimenetelmää huomattavasti yksityiskohtaisemman analyysin tekemisen. Aiempaa suurempi yksityiskohtaisuus ja exergialaskennan mukaan tuominen analyysiin antaa myös mahdollisuuden tunnistaa prosessin termodynamiikan kannalta ongelmallisimmat kohdat aiempaa tarkemmin. Diplomityön tulokset osoittavat, että ohjelmien yhdistämisestä saatavat edut LCA:n tekemisessä on realisoitavissa. HSC-SimTM osoittautui myös oivalliseksi työkaluksi ELCA:n suorittamiseksi. Demonstraatio kuparinvalmistusprosessilla osoittaa, että entistä tarkempi analyysi on mahdollista, jos prosessimalleihin sisällytetään vielä karanneet päästöt, jotka liittyvät Peirce-Smith prosessiin, ja toisaalta happotehtaaseen liittyvät mahdolliset exergiatappiot. Täsmällistä vertailua kuparinvalmistusprosessimallien välillä ei voitu kuitenkaan suorittaa edellisistä puutteista johtuen. Alustavien tulosten perusteella merkittäviä mahdollisuuksia exergiatehokkuuden parantamiseksi löydettiin erityisesti suurien lämpötilaerojen, erityisesti kuuman kuonan, anodikuparin lämmön ja pelletöinnissä kuparikiven lämmön hyödyntämisessä. Useita ehdotuksia HSC-Sim ™:in exergialaskennan tarkkuuden parantamiseksi tehtiin liitteessä Q, erityisesti sekoittumisen exergialle. Liitteestä löytyy myös esimerkki epäideaalin seoksen exergian laskemiseksi HSC-Sim ™:issä. Kaikki data ja esimerkit löytyvät ohessa olevalta muistitikulta.

Description

Supervisor

Koskinen, Jukka

Thesis advisor

Reuter, Markus

Keywords

exergy, LCA, ELCA, copper, copper production process, energy efficiency, HSC-Sim TM, exergia, LCA, ELCA, kupari, kupariprosessi, energia tehokkuus, HSC-Sim TM

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201306116487

Collections

[dipl] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM