Exploration of H2 Enhanced Green-Steel Production with a New Computational Thermochemistry-Based Digital Twin Coupled Using Life Cycle Assessment

L’industrie sidérurgique est responsable d’une part importante des émissions mondiales de CO2. Dans ce contexte, les entreprises productrices d’acier doivent prendre des mesures pour limiter leur empreinte carbone d’ici 2050 afin de respecter les accords de Paris (Conference of Parties, COP21). Ce projet propose une nouvelle approche afin de simuler la réduction directe de l’oxyde de fer (DRI) par le procédé MIDREX en utilisant des bilans massiques et énergétiques globaux obtenus à partir de calculs de thermochimie numérique. Le diagramme d’écoulement du procédé est construit en utilisant la librairie dynamique ChemAppPy couplée aux bases de données FactSage qui fournissent la description énergétique de chaque phase présente dans le système. Cette simulation évalue la faisabilité de substituer partiellement le gaz naturel par de l’hydrogène et estime l’empreinte carbone associée. Les conditions de fonctionnement optimales sont analysées pour maximiser à la fois la qualité du produit et la réduction des émissions de CO2. Plusieurs paramètres sont analysés tels que : l’impact de l’injection d’hydrogène sur la métallisation des boulettes de DRI, la teneur en carbone ainsi que le bilan énergétique du four. D’autres configurations de conception impliquant des stratégies d’efficacité énergétique et de récupération des ressources sont conceptualisées en n’utilisant que l’hydrogène comme agent réducteur. Une analyse du cycle de vie (ACV) est réalisée avec le logiciel OpenLCA, la base de données Ecoinvent ainsi que par couplage avec ce modèle prédictif. L’intégration avec la méthodologie d’analyse du cycle de vie fournit un cadre précis pour évaluer les émissions de l’ensemble du cycle de vie de l’acier.

Abstract

The steel industry is responsible for a significant proportion of the worldwide CO2 emissions. The Paris agreements, signed during the Conference of the Parties (COP21), required steel companies to take actions before 2050 to reduce their greenhouse gas emissions. This thesis proposes a new approach strategy where H2 is injected during the MIDREX process instead of conventional natural gas to reduce CO2 emissions. To support this claim, the Direct Reduction of Iron (DRI) MIDREX process was simulated using the overall mass and en-ergy balances based on computational thermochemistry calculations. The process simulation flowsheet was constructed using the dynamic link library ChemAppPy coupled with special-ized FactSage databases for the energetic description of each phase present in the process. This simulation assesses the feasibility of partial methane substitution with hydrogen and estimates the associated carbon footprint. The operating conditions were iterated in the sim-ulation to maximize the product quality while minimizing the CO2 emissions. Moreover, the impact of the hydrogen injection on the pellet metallization, carbon content and the energy balance of the DRI furnace are analyzed and presented. Finally, other design configuration involving energy efficiency and resource recovery strategies are conceptualized using hydrogen as the only reducing agent. In the end, a Life Cycle Analysis (LCA) was conducted using a combination of the OpenLCA software, the Ecoinvent database and the simulation results. This analysis, coupled with LCA, provides an accurate framework assessing the emissions of the complete steel life cycle.