Einleitung
Prozess-Simulation ist ein essenzielles Werkzeug zur Auslegung, Verschaltung und Optimierung von verfahrenstechnischen Produktionsanlagen. Die in der petrochemischen, chemischen und pharmazeutischen Industrie eingesetzten Simulations-Werkzeuge kommen in der Eisen-metallurgischen Industrie aufgrund fehlender Modelle für Kernprozesse (z.B. Hochofen) und fehlender Stoffdaten wenig zum Einsatz. Oft werden hier isolierte Modelle für Teilprozesse erstellt, welche eine durchgängige, gesamtheitliche Simulation und Optimierung des integrierten Hüttenwerks erschweren.
Schwerpunkte von Projekt 3.4 sind die gesamtheitliche Simulation der Stahlerzeugung auf Basis verschiedener Anlagenkonzepte und Technologien sowie die Weiterentwicklung der bestehenden Modellbibliothek.
Ziele und Motivation
- Erforschung neuer Anlagenkonzepte zur Verringerung von CO2 Emissionen und effizienten Ressourcennutzung
- Bewertung des Einflusses von alternativen Rohstoffen sowie variablen Prozessparametern auf den Produktionsprozess
- Vorausberechnung des Betriebsverhaltens von metallurgischen Aggregaten und des Verbunds von Anlagen im integrierten Hüttenwerk/Minimill
- Weiterentwicklung von bestehenden metallurgischen Modellen und Validierung mit Prozessdaten
Vorgehensweise
In vorhergehenden Projekten wurde für die gleichungsorientierte Prozess-Simulationssoftware gPROMS eine Modellbibliothek erstellt, welche die Eisen-metallurgische Wertschöpfungskette, startend vom Rohstofflager bis zum fertigen Stahl, abbildet. Die Bibliothek enthält neben den Modellen zu metallurgischen Aggregaten auch Routinen für die Bereitstellung von Stoffdaten und Modelle zu nicht-metallurgischen Aggregaten, wie zum Beispiel Wärmetauscher, Brenner, Reformer, Gasaufbereitungssysteme, etc.
Im Projekt 3.4 wird der Betrieb unterschiedlicher Aggregate zur Eisen- und Stahlherstellung prozesstechnisch mit gPROMS nachgebildet und der Betrieb gesamtheitlich durch Variation der Prozessparameter simuliert bzw. bilanziert. Der Vergleich der Simulationsergebnisse mit repräsentativen Betriebsdaten validiert die Genauigkeit und Robustheit der Modelle. Weiters können dabei fehlerbehaftete Betriebsdaten identifiziert werden. Zur Erhöhung der Genauigkeit wird die Modellbibliothek verfeinert. Dies beinhaltet die Implementierung von abstrakten Prozessgrößen durch statistische Modelle (z.B. mechanische und metallurgische Parameter von Sinter und Koks) sowie die Vertiefung metallurgischer Prozessmodelle. Hierbei sind speziell die Aggregate LD Konverter, Elektrolichtbogenofen und der Bereich Sekundärmetallurgie im Fokus. Speziell für diese Implementierungen soll die instationäre Charakteristik der Prozesse auch in der Modellierung wiedergefunden werden. Zusätzlich sollen auch die Bereiche der Abwasseraufbereitung und Gasverteilung im integrierten Hüttenwerk implementiert werden, da die Verteilung von höheren Kohlenwasserstoffen und Spurenelementen von hohem Interesse ist.
Ergebnisse und Anwendung
Die Herausforderung der Gegenwart sind die Reduktion des Einsatzes fossiler Rohstoffe und die erhöhte Nutzung von internen Stoffkreisläufen. Projekt 3.4 untersucht spezifische Einsparungen beim Verbrauch von fossilen Rohstoffen und auch anderer Rohmaterialien, Auswirkungen auf Produktqualitäten und die Notwendigkeit der Anpassung von Betriebsweisen. Prozess-Optimierungen in Hinblick auf CO2 Footprint, Emissionsreduktion, Rohmaterial-Flexibilität uvm. können für die bestehenden Produktionsstandorte evaluiert werden. Neue Anlagenkonzepte wie zB der Betrieb des Hochofens mit Wasserstoff oder erhöhtem Sauerstoffgehalt im Heißwind, Gichtgas-Recycling, HBI-Einsatz, Direktreduktion auf Wasserstoff-Basis, Direktreduktions-Elektrolichtbogenofen Prozessroute, werden untersucht und zeigen das Potential von zukünftigen Technologien im Anlagenverbund der Stahlproduktion.
Die Simulationsergebnisse zu den integrierten Hüttenwerken können als Unterstützung zur Erstellung von Life Cycle Assessment Analysen herangezogen werden. Die nötigen Input Daten für Life Cycle Assessment Programme können zu weiten Teilen aus Prozess-Simulationen übernommen werden.