University of Oulu

Bioreducer use in blast furnace ironmaking in Finland : techno-economic assessment and CO2 emission reduction potential

Saved in:
Author: Suopajärvi, Hannu
Organizations: University of Oulu Graduate School
University of Oulu, Faculty of Technology, Process Engineering
Format: eBook
Online Access: PDF Full Text (PDF, 1.7 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526207063
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2014
Publish Date: 2015-01-13
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in the OP auditorium (L10), Linnanmaa, on 23 January 2015, at 12 noon
Tutor: Professor Timo Fabritius
Docent Eva Pongarácz
Reviewer: Professor Risto Soukka
Doctor Chuan Wang
Opponent: Professor Margareta Wihersaari
Description:

Abstract

Most of the steel produced in the world is based on the integrated blast furnace-converter route, which is based on the use of virgin raw materials. Large amounts of fossil-based, carbon containing reductants are used in blast furnaces, which results in carbon dioxide emissions into the atmosphere. Fossil carbon dioxide emissions from steel production can be reduced by new technologies or moving from non-renewable to renewable energy sources. Biomass-based reductants could be one way to reduce the specific emissions from blast furnace-based steel production.

The aim of this thesis was to examine the techno-economic and CO2 mitigation potentials of using bioreducers in blast furnace ironmaking. Bioreducer feasibility was analyzed in the Finnish context, but the research methods used can be applied more widely. The metallurgical properties of bioreducers were evaluated and compared to fossil-based reductants. The impact of bioreducers on blast furnace behavior and on other steel plant processes was evaluated, with an emphasis on the reductions achieved in CO2 emissions at the plant scale. The CO2 emissions, energy consumption and production costs of bioreducers were evaluated, as was the availability of energy wood for bioreducer production.

The results show that solid, liquid and gaseous bioreducers can be produced with thermochemical conversion technologies. However, their suitability for blast furnace use varies greatly. The highest substitution of fossil-based reductants in a blast furnace is achieved with charcoal injection. The carbon footprint of torrefied wood, charcoal and Bio-SNG is moderate compared to fossil-based reducing agents and their production is energetically feasible. The economic feasibility of bioreducers is currently weak in comparison to fossil-based reducing agents, but competitive when compared to other CO2 emission reduction measures such as carbon capture and storage. The biomass availability assessment revealed that sufficient amount of energy wood could be available for bioreducer production in the areas where Finnish steel plants are situated. The feasibility of bioreducer production could be improved by producing a number of products from the biomass and taking advantage of the process of integration possibilities.


Tiivistelmä

Suurin osa maailmassa tuotetusta teräksestä valmistetaan integroidulla masuuni-konvertteri reitillä, joka perustuu neitseellisten raaka-aineiden käyttöön. Masuuniprosessissa käytetään suuri määrä fossiilisia, lähinnä hiilipohjaisia pelkistimiä, jotka aiheuttavat hiilidioksidipäästöjä ilmakehään. Fossiilisia hiilidioksidipäästöjä voidaan teräksenvalmistuksessa vähentää uusilla teknologioilla tai siirtymällä uusiutumattomista energialähteistä uusiutuviin. Biomassasta valmistetut pelkistimet voisivat olla yksi mahdollinen keino alentaa masuunipohjaisen teräksenvalmistuksen ominaispäästöjä.

Tämän työn tavoitteena oli tarkastella biopelkistimien käytön teknistaloudellista potentiaalia masuunikäytössä ja aikaansaatavia hiilidioksidipäästövähenemiä eri systeemirajauksilla. Työssä keskityttiin tarkastelemaan biopelkistimien hyödynnettävyyttä lähinnä Suomen tasolla, vaikka käytetyt tutkimusmetodit ovat sovellettavissa myös laajemmin. Työssä arvioitiin biopelkistimien metallurgisia ominaisuuksia, niiden vaikutusta masuuniprosessiin ja laajemmin muihin terästehtaan prosesseihin, pääpainon ollessa saavutettavan CO2 päästövähenemän tarkastelussa. Työssä tarkasteltiin biopelkistimien valmistuksen CO2 päästöjä, energiankulutusta ja tuotantokustannuksia sekä energiapuun saatavuutta biopelkistimien tuotantoon.

Tulokset osoittavat, että biomassasta voidaan valmistaa kiinteitä, nestemäisiä ja kaasumaisia pelkistimiä termokemiallisilla konversioteknologioilla, joiden soveltuvuus masuunikäyttöön vaihtelee suuresti. Masuuniprosessissa suurin fossiilisten pelkistimien korvaavuus saavutetaan käyttämällä puuhiili-injektiota. Torrefioidun puun, puuhiilen ja Bio-SNG:n hiilijalanjälki on varsin maltillinen verrattuna fossiilisiin pelkistimiin ja niiden tuotanto on energeettisesti järkevää. Biopelkistimien taloudellinen kannattavuus verrattuna fossiilisiin pelkistimiin on tällä hetkellä heikko, mutta kilpailukykyinen verrattuna muihin CO2 päästöjen vähennyskeinoihin, kuten hiilidioksidin talteenottoon ja -varastointiin. Energiapuun saatavuus biopelkistimien valmistukseen on suurin alueilla, jotka sijaitsevat lähellä Suomen terästehtaita. Biopelkistimien tuotannon kannattavuutta voitaisiin parantaa tuottamalla useita tuotteita ja hyödyntämällä prosessi-integraatiota.


Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-0706-3
ISBN Print: 978-952-62-0705-6
Issue: 513
Subjects:
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.