Raw materials in hydrogen direct reduction-electric arc furnace process – simulation and scenario analysis

Abstract

Majority of the steel produced globally is from the blast furnace – basic oxygen furnace process, which accounts for approximately 7-9% of the global carbon dioxide emissions. Consequently, steel producers are shifting towards new processes to reduce their emissions. This study examines the effects of raw materials in hydrogen direct reduction–electric arc furnace process. Which has not been demonstrated utilizing only hydrogen on an industrial scale. The purpose of this thesis is to gain understanding on raw material charges and the criteria for the selection of a suitable charge and by means of modelling examine how different charges effects the process and its product.

The literature review of the thesis introduces current processes in steelmaking and presents the used raw materials for the researched process concept. Additionally, the chemical and thermodynamical basis, as well as the implementation are discussed together with some of the possible challenges that the process concept might face. In the experimental part, the process is modelled by HSC simulation software and the main results of the model are presented and benchmarked to the existing processes. Different scenarios with varying iron ore pellet quality and the charged ratio of scrap and direct reduced iron were simulated with the model. The study examines how raw materials affect, among other things, the produced amount of slag, energy consumption, emissions and the product’s purity. The obtained results show that it is beneficial for the process to utilize good-quality iron ore pellets and steel scrap to the extent that it is available, and the product specifications allow it. The HSC software is suitable for a simple mass and energy balance-based process simulation. However, a more rigorous modelling would require data from an industrial scale plant and possibly a more advanced modelling software.

Suurin osa maailmassa tuotetusta teräksestä on peräisin masuuni-happikonvertteriprosessista, joka aiheuttaa noin 7-9% maapallon hiilidioksidipäästöistä. Tästä johtuen teräksen valmistajat siirtyvät kohti uusia prosessivaihtoehtoja päästöjen vähentämiseksi. Työssä tutkitaan raaka-ainepanosten vaikutusta täysin vetypohjaiseen suorapelkistys-valokaariuuniprosessiin, jota ei ole vielä toteutettu teollisessa mittakaavassa. Työn tarkoituksena on saada ymmärrystä raaka-ainepanoksista ja reunaehdoista sopivan panoksen valitsemiseksi sekä mallinnuksen avulla tutkia eri panosten vaikutusta prosessiin sekä sen lopputuotteeseen.

Työn kirjallisuusosiossa esitellään teräksen nykyiset tuotantoprosessit sekä tutkittavan prosessikonseptin raaka-aineet sekä suorapelkistyksen kemiallinen perusta ja toteutusmahdollisuudet. Myös mahdollisia teknisiä haasteita esitellään työn kirjallisuusosiossa. Työn kokeellisessa osuudessa mallinnetaan prosessi HSC-simulointiohjelmistolla sekä esitellään mallin tuottamat tärkeimmät tulokset ja verrataan niitä nykyisiin prosesseihin. Mallilla simuloitiin eri skenaarioita, joissa muutettiin rautaoksidipellettien laatua sekä panostetun romun suhdetta panostettuun rautasieneen. Työssä tarkastellaan raaka-ainepanosten vaikutusta muun muassa syntyvän kuonan määrään, energiankulutukseen, hiilidioksidipäästöihin ja tuotteen puhtauteen. Saadut tulokset osoittavat, että prosessille on hyödyllistä käyttää hyvälaatuisia pellettejä sekä rautaromua siinä määrin kuin sitä on saatavilla ja kun tuotteen vaatimukset sen sallivat. HSC-ohjelmisto soveltuu prosessin yksinkertaiseen massa- ja energiatase pohjaiseen mallinnukseen, mutta prosessin tarkempi mallinnus vaatisi enemmän teollisen mittakaavan tietoja prosessista sekä mahdollisesti kehittyneemmän simulointiohjelmiston.