Challenges und potentials for material flow analyses at plant level - : case study: Blast furnace process

Abstract

Die Methode der Stoffflussanalyse (SFA) ermöglicht die Beschreibung von Güter- und Stoffflüssen auf unterschiedlichen Ebenen: SFA werden einerseits auf einer regionalen, nationalen und globalen Ebene angewendet, um die Nutzung von Ressourcen und damit im Zusammenhang stehenden Änderungen geogener und anthropogener Materiallager zu untersuchen. Andererseits können SFA auch für Industrieprozesse angewendet werden. Dabei steht die Optimierung der Material- und Stoffflüsse innerhalb des Betriebes im Vordergrund, jedoch können auch Emissionspfade untersucht werden. Der größte Unterschied zwischen den beiden Anwendungsgebieten stellen die verfügbaren Datenquellen dar. Während für SFA auf Makroebene zumeist sehr heterogene Datenquellen (offizielle Statistiken, mathematische Modelle, Expertenschätzungen) herangezogen werden, beruhen SFA auf betrieblicher Ebene auf gemessenen Daten. Trotz der meist umfangreichen Messdaten bringt auch die Anwendung der SFA auf betrieblicher Ebene unterschiedliche Herausforderungen mit sich. Ziel dieser Arbeit ist es, verschiedene Aspekte, die die Qualität von betrieblichen SFA negativ beeinflussen können, aufzuzeigen, zu diskutieren und Lösungsvorschläge abzuleiten. Dafür wird der Hochofenprozess als Fallstudie herangezogen und die Schwermetallflüsse Cd, Cr, Hg, Ni, Pb und Zn werden erforscht. Zu Beginn wird auf Basis einer umfangreichen Literaturstudie das Verhalten dieser Elemente im Hochofen untersucht (Paper I). Basierend auf diesen Untersuchungen wurden der Hochofenschlamm (aus der Abgasreinigung) und das Roheisen als wichtige Outputflüsse für Zn und Pb identifiziert und detaillierter charakterisiert (Paper II bzw. Paper III). Des Weiteren ist auf Grund der Literaturstudie ersichtlich, dass Pb und Zn sich im Hochofen (Ausmauerung) anreichern können. Daher wurde deren Konzentrationen in der Schamotte untersucht (Paper IV) und die im Hochofen verbleibende Menge abgeschätzt. Zusätzlich wurde die Anwendbarkeit von Transferkoeffizienten für niedrig konzentrierte Outputflüsse untersucht (Paper V). Die Ergebnisse zeigen, dass das Verhalten der untersuchten Schwermetalle sich unterscheidet und häufig Bilanzdifferenzen (Gesamtinput ist ungleich Gesamtoutput) auftreten. Als wichtigste Outputflüsse des Hochofenprozesses für Pb und Zn konnten der Hochofenschlamm und das Roheisen charakterisiert werden. Eine detaillierte Charakterisierung des Hochofenschlammes zeigt, dass es sich dabei um ein sehr heterogenes Material handelt (Partikelgrößenverteilung zwischen 20 und 250 m; Pb, Zn Konzentrationen nehmen mit abnehmender Partikelgröße zu), das während der Beprobung bzw. Probenaufbereitung zur Entmischung neigt. Dieser Aspekt konnte auch durch den Vergleich der Ergebnisse von zwei unterschiedlichen Messstellen für den Hochofenschlamm bestätigt werden. Die Untersuchungen für das Roheisen zeigen, dass Pb in den Proben ungleichmäßig verteilt ist und die aktuell verwendete Messmethode (inkl. Probenaufbereitung) zu einer systematischen Überschätzung des Pb Gehaltes führt. Daher bedarf es einer detaillierten Untersuchung der Pb Verteilung in der Roheisenprobe sowie einer Änderung im Messverfahren. Die Untersuchungen hinsichtlich des Verbleibs der Elemente Zn und Pb im Hochofen zeigen, dass dieser Effekt sich nicht signifikant auf die Differenz zwischen Gesamtinput und ¿output auswirkt. Die durchgeführten Analysen zur Anwendbarkeit von Transferkoeffizienten zeigen, dass zwischen Input- und Outputflüssen, die nur sehr geringe Anteile (< 1% zum Gesamtoutput beitragen, kein identifizierbarer Zusammenhang besteht. Die Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen zeigen Verbesserungspotentiale für SFA für den Hochofenprozess auf (z.B. Verbesserung der Probenahme für den Hochofenschlamm) und sprechen weitere Forschungsfragen, wie z.B. thermodynamische Modellierung, verbesserte Probenahme, Probenvorbereitung und Messmethoden für Roheisenproben an. Des Weiteren können allgemeine Schlüsselaspekte für die SFA auf betrieblicher Ebene abgeleitet werden. Diese umfassen u.a. die Notwendigkeit von geschlossenen Bilanzen zur Durchführung von Datenausgleichsberechnungen und die Anwendung von statistischen Methoden für Datensätze, die Messwerte unter der Bestimmungsgrenze aufweisen.

Material Flow Analysis (MFA) is a widely used tool for tracing material flows on different scales. On the one hand, there are macro scale level MFA which are utilized to investigate, e.g., the use pattern of materials and the development of the material stocks. On the other hand, MFA at a plant level is applied for optimizing material flows in processes and for tracing environmentally relevant substance flows. The main difference between these two types of applications are the data sources. Macro scale MFA are often based on heterogeneous data sources, such as official statistics, mathematical models, and expert estimations. For MFA on plant level, in contrast, typically extensive measurement data sets are available. Nevertheless, MFA on a plant level faces different challenges in its application. The aim of this thesis is to investigate different aspects influencing the data quality and thus also the quality of the results of MFA. To do so, MFA is applied to the blast furnace process in order to trace the heavy metals Cd, Cr, Hg, Ni, Pb and Zn, which appear in minor amounts in the inputs and outputs of the furnace. The principal behavior of the respective elements is investigated in an extensive literature study (Paper I). Based on these investigations, the blast furnace sludge is identified as one of the main output flows for Pb and Zn and is investigated in terms of the particle size and metal distribution (Paper II). As the Hot Metal (HM) also constitutes an important output flow, especially for the Pb, it is characterized in detail (Paper III). Observed differences between metal input and output flows resulted in investigations of the blast furnace lining as a potential sink for Pb und Zn (Paper IV). Finally, the applicability of Transfer Coefficients (TCs) for low concentrated output flows is investigated (Paper V). The results show that the heavy metals investigated behave differently under blast I Abstract furnace conditions. Furthermore, differences in balances (total input is unequal to total output) for the heavy metals can be recognized. It can also be seen that the resulting output paths are strongly dependent on their physical and chemical characteristics. Due to the fact that Pb and Zn are the most important elements in terms of process stability, their main output flows (blast furnace sludge and the HM) have been characterized in detail. These investigations show that the blast furnace sludge is extremely heterogeneous. The particle size ranges from less than 20 m to 250 m and the particles show different heavy metal concentrations depending on the size (e.g., higher Zn concentrations for smaller particles). Thus, a representative sampling of the sludge is challenging, which has been also confirmed by comparing two different sampling points for the blast furnace sludge. The investigations on the determination of Pb in the HM indicate that the currently applied method needs to be improved (e.g. sample preparation) or replaced by a more suitable analytical method. Furthermore it has been shown that HM samples are heterogeneous regarding their Pb content (Pb is unequally distributed and shows its concentration in the surface layers of the sample). The accumulation of Pb and Zn in the blast furnace process, however, should not affect the balances for these elements. In addition, the applicability of TCs to low concentrated output flows seems to be restricted mainly due to the fact that no linear correlation between the total input and minor output flows could have been identified. The results obtained allow potentials for improving MFA for the blast furnace process with respect to sampling, analytical efforts as well as the uncertainty of results to be identified. Moreover, further research questions, such as the need for thermodynamic modeling and improved sampling, sample preparation and measurement of HM samples, have been developed. Besides case study specific recommendations, general aspects for the application of MFA at a plant level are also derived. These include, e.g., the need of closed balances in order to conduct data reconciliation, which is necessary to obtain high quality MFA results. In this context further research questions such as, e.g., the determination of data uncertainty and the application of statistical methods for censored data are also addressed.