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Process modelling for the production of hydrogen-based direct reduced iron in shaft furnaces using different ore grades

铁矿石 冶金 生产(经济) 生铁 过程(计算) 工艺工程 材料科学 环境科学 工程类 化学 计算机科学 操作系统 宏观经济学 经济 有机化学
作者
M. Shahabuddin,Alireza Rahbari,Shabnam Sabah,Geoffrey Brooks,John Pye,M. Akbar Rhamdhani
出处
期刊:Ironmaking & Steelmaking [Taylor & Francis]
标识
DOI:10.1177/03019233241254666
摘要

This process modelling study explored the behaviour of hydrogen-based direct reduced iron (DRI) manufacturing in a shaft furnace. Various performance parameters such as metallisation ratio (MR), consumption of hydrogen per tonne of DRI, production of by-products, reactor energy demand and total energy demands for the process have been analysed with respect to temperature, ore grade (gangue content), and reactant conditions. The HSC Chemistry (H: enthalpy, S: entropy and C: heat capacity) SIM (simulation) module was employed for the modelling coupled with the Gibbs energy minimisation calculation. The shaft furnace was divided into three zones to model the three-step reduction of iron ore in a counterflow arrangement. Results show that temperature and hydrogen supply have a significant effect on the metallisation of DRI. Increasing temperature and hydrogen flow rate were predicted to increase the MR or reducibility. A full metallisation can be achieved with hydrogen supply of 130, 110, 100 and 90 kg/tDRI at 700, 800, 900 and 1000°C, respectively, using the best-grade ore (Fe 69 wt.%, gangue 5.2 wt.%). However, the hydrogen consumption in full metallisation was calculated to be 54 kg/tDRI (tonne of DRI). At full MR, the reactor energy consumption (supplementary electrical energy) was calculated to be 0.56 to 0.59 MWh/t Fe feed using the reactor temperature from 700 to 1000°C. Ore grade or gangue content has a significant impact on reactor energy demand. For example, at 900°C, the top-grade ore was calculated to consume 0.69 MWh/tDRI compared to 0.88 MWh/tDRI using the lowest grade ore. A certain percentage of CO (i.e. 15%) blended with hydrogen was predicted to be beneficial for metallisation, hydrogen consumption, and overall energy demand. However, increasing CO would increase CO 2 emissions significantly.
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