Analisi energetica di un'acciaieria a ciclo integrale con cattura della CO2

The aim of the following thesis work is to develop a reference model through Aspen Plus V8.8 to simulate the operation of an integrated steel mill. This is the starting point for the subsequent considerations developed in the second part of the thesis: the use of steel gases in power plants and various solutions for the capture of CO2 contained in the exhaust gases of the various steel production sections. The first part of the work focuses on the modeling of the steelwork and in particular the coke oven plant, the blast furnace and the hot stove, ultimately the basic oxygen converter. Each section is characterized by mass balance and energy; the model is also validated by comparing the data provided by the IEA report "Iron and steel CCS study: techno-economics integrated steel mill". Integrated steelworks produces much process gas with low calorific value: a part of these gases is used to satisfy the heat demand in the steel industry, some are sent to a power plant for the production of electricity. The second part focuses on the description and modeling of steam cycles and combined cycle with Aspen Plus. The last part focuses on the study of different post-combustion capture methods of CO2 contained in the exhaust fumes of the steel production sections. The two techniques studied are based on the use of solvents such as monoetalamine (MEA) and piperazine (PZ). The comparison between two techniques was made in order to define the energy savings achievable with piperazine compared to MEA.

L’obiettivo del seguente lavoro di tesi è lo sviluppo di un modello di riferimento che permetta di simulare il funzionamento di un’acciaieria a ciclo integrale attraverso il software Aspen Plus V8.8. Questo rappresenta il punto di partenza per le successive considerazioni sviluppate nella seconda parte della tesi: l’uso dei gas di acciaieria in impianti di potenza e soluzioni diverse per la cattura della CO2 contenuta nei fumi di scarico delle varie sezioni di produzione dell’acciaio. Dunque la prima parte del lavoro si concentra sulla modellazione dell’acciaieria e in particolare del forno di cokefazione, dell’altoforno e delle hot stoves connesse e da ultimo del convertitore ad ossigeno. Ogni sezione è caratterizzata dal bilancio di massa ed energia; il modello inoltre viene validato attraverso il confronto con i dati forniti dal report di IEA " Iron and steel CCS study: techno-economics integrated steel mill”. L’acciaieria integrata produce molti gas di processo con basso potere calorifico: questi gas vengono utilizzati in parte per soddisfare le richieste termiche dell’acciaieria, in parte vengono inviati ad un impianto di potenza per la produzione di energia elettrica. La seconda parte si concentra proprio sulla descrizione e la modellizzazione di cicli a vapore e cicli combinati con Aspen Plus. L’ultima parte si concentra sullo studio di differenti metodi di cattura in post-combustione della CO2 contenuta nei fumi di scarico delle sezioni di produzione dell’impianto siderurgico. Le due tecniche studiate si basano sull’utilizzo di solventi come la monoetalammina (MEA) e la piperazina (PZ). Il confronto tra due tecniche è stato realizzato considerando gli stessi fumi trattati e la stessa efficienza di cattura in modo da poter definire il risparmio energetico conseguibile con la piperazina rispetto alla MEA.