Herausforderungen für die Stoffflussanalyse auf betrieblicher Ebene

摘要

Die Stoffflussanalyse (SFA) ermöglicht nicht nur eine Beschreibung von Güter- und Stoffbilanzen auf regionaler, nationaler oder globaler Ebene, sondern auch für betriebliche Prozesse. Am Beispiel des Hochofenprozesses wird die Anwendung der SFA auf betrieblicher Ebene diskutiert. Im Konkreten werden dabei Schwermetallflüsse durch den Hochofenprozess mittels SFA modelliert. Dazu werden zuerst die Transferkoeffizienten (TK) für das erstellte SFA-Hochofenmodell für ein Bilanzjahr (2008) berechnet und auf Plau-sibilität überprüft. Im Anschluss erfolgen die Anwendung der ermittelten TK für die Bilanzjahre 2009 und 2011 und der Vergleich der auf Basis von TK berechneten Outputflüsse an Schwermetallen mit jenen, die auf Grundlage der Messdaten ermittelt wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass für den Hochofenprozess die Anwendung der SFA mit konstanten TK für Ni plausible Outputflüsse liefert. Für Cd können die TK ebenfalls angewendet werden, jedoch lassen sich relativ große Bilanzdifferenzen zwischen In- und Out- put beobachten. Diese resultieren von teils sehr geringen und dadurch nicht messbaren Konzentrationen in einigen Hauptinputflüssen. Für Zn erweist sich die Anwendung von TK als problematisch, da sich die durch TK ermittelten Outputflüsse deutlich von jenen, die auf Basis der Messwerte berechnet wurden. unterscheiden (z. B. für Zn im Roheisen ergibt sich für die beiden Varianten ein Unterschied von bis zu 100%). Des Weiteren zeigt eine nähere Betrachtung der Zn-Bilanz, dass die Bilanzdifferenzen sich für die untersuchten Jahre stark unterscheiden und sowohl positive (Input ＞ Output) als auch negative Bilanzdifferenzen auftreten. Aufgrundlage der durchgeführten Untersuchungen konnten somit folgende Herausforderungen für die SFA auf betrieblicher Ebene identifiziert werden: Die Anwendbarkeit von TK ist elementabhängig und hängt somit mit dem Verhalten des jeweiligen Elements im Prozess zusammen. Auch wenn die Anwendbarkeit von TK gegeben ist, sollte das System genauer betrachtet werden (z. B. Cd). Große Bilanzdifferenzen zeigen auf, dass entweder der Input oder der Output stark unter- oder überschätzt wird. Als Ursache dafür können beispielsweise Konzentrationen imter der Bestimmungsgrenze oder nicht repräsentative Probenahmestellen genannt werden. Resultieren aus den TK gänzlich unterschiedliche Outputflüsse im Vergleich zu jenen, die mit den Messdaten ermittelt vmrden, muss zusätzlich noch das Verhalten des jeweiligen Elements im Prozess betrachtet werden, um feststellen zu können, welches Ergebnis plausibler erscheint.%The method of Material Flow Analysis (MFA) allows tracing flows and stocks of gods and substances within a system, defined in time and space. The analysis hence can be conducted at regional scale, at national scale, at global scale, but also on the level of an enterprise, in the present paper the application of MFA to a blast furnace process is discussed. In particular heavy metal flows through the blast furnace plant are modelled using MFA. Thereto, in a first step transfer coefficients (TC) of heavy metals have been determined for one particular year (2008) and checked for plausibility. In the second step, these TC have been applied to simulate heavy metal flows in the outputs of the plant for the years 2009 and 2011. These flows have subsequently been compared with measured data. The results show that the application of TC for Ni delivers plausible results. Also for Cd the application of the TC seems to be reasonable, although a detailed investigation of the Cd balance indicates significant differences between the total input and output of Cd. As amounts of Cd detected in the output are larger than in the input, this difference originates most likely from non-detectable Cd contents (＜LOD limit of determination) in different input flows (lump ores, pellets). Moreover, it has been shown that constant TC for Zn may not be applicable, as some output flows of Zn determined by TC are significantly different to observed data (e.g. differences in the Zn content of the hot metal of up to 100%). Additionally, the results show that differences in total input and output flow of Zn may vary over time, as the differences can be positive (Input ＞ Output) as well as negative. Based on the results of the investigations the following challenges for applying MFA on an enterprise level could be identified: The applicability of TC is depending on the respective element. Thus, it is also depending on the behavior of the element in the process. However, the system modelled should be investigated in detail even If the application of TC delivers possible results. In the case of Cd, the application of TC was reasonable, although big differences in the balance (input vs. output) are observable. Such differences might occur because the concentrations of the input or the output flows are underestimated. Another reason might be that samples taken and analyzed are not representative for the flow of interest. In case that significant differences between simulated results (based on TC) and measured data are observed (like for Zn), the thermochemical behavior of the respective element should be considered within the investigations and subsequently also with MFA.