Thermodynamic Analysis of Blast Furnace Production at a Metallurgical Plant

Authors

  • Nikita L. Budarin
  • Ekaterina V. Zhigulina
  • Valeriy G. Khromchenkov

DOI:

https://doi.org/10.24160/1993-6982-2026-2-75-85

Keywords:

thermodynamic analysis, blast furnace gas, blast furnace production, top pressure recovery turbine, scrubber, wet gas purification, dry gas purification

Abstract

The article presents a thermodynamic analysis of various process circuit solutions used to purify blast furnace gas in using a top pressure recovery turbine (TRT). A wet process circuit operating on cooled and heated blast furnace gas, and a dry process circuit including an evaporative scrubber are considered. By using the newly developed and tested methods for calculating wet saturated blast furnace gas and the gas expansion process in the TRT, the parameters of various energy carriers involved in the blast furnace technological processes have been determined. The results of calculating the primary and secondary energy resources consumed in the blast furnace, air blast heaters, and the plant’s combined heat and power station are presented. The amounts of energy consumed by various installations have been estimated, and the blast furnace gas, steam, and exhaust gas exergy fluxes have been determined. The material, energy (thermal), and exergy balances have been drawn up. Based on the material balance drawing up results, the raw materials, fuel, and air consumption values, as well as the cast iron output values, have been obtained. The energy balance is drawn up based on calculating the physical and chemical energy flows of individual energy resources and materials. In drawing up the exergy balance, losses resulted from the irreversible nature of combustion processes and heat transfer into the environment were taken into account. After determining the balances, the wet process circuits were compared with the proposed dry purification version option in terms of thermodynamic efficiency. The production exergetic efficiency has been determined. The results proving the high potential of dry blast furnace gas purification in the process circuit with TRT as an effective alternative to a rather costly conventional wet process circuit are presented.

Author Biographies

Nikita L. Budarin

Assistant of Industrial Heat Engineering System Dept., NRU MPEI, e-mail: BudarinNL@mpei.ru

Ekaterina V. Zhigulina

Ph.D. (Techn.), Assistant Professor of Industrial Heat Engineering System Dept., NRU MPEI, e-mail: ZhigulinaYV@mpei.ru

Valeriy G. Khromchenkov

Consultant, Worked at the Industrial Heat Engineering System Dept., NRU MPEI, until 2023, e-mail: valeryg@list.ru

References

1. ИТС 26—2022. Производство чугуна, стали и ферросплавов. Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям.

2. Равич М.Б. Упрощенная методика теплотехнических расчетов. М.: Наука, 1966.

3. APO Research Inc. [Офиц. сайт]. https://aporesearch.com/reports/machinery-equipment/top-pressure-recovery-turbine-trt-industry-research-report-2025 (дата обращения 27.03.2025).

4. Сперкач И.Е. Проблемы создания и применения газорасширительных турбин за доменными печами // Сталь. 2004. № 1. С. 82—86.

5. Старк C.Б. Пылеулавливание и очистка газов в металлургии. М.: Металлургия, 1977.

6. Сазанов Б.В. Доменные газотурбинные установки. М.: Металлургия, 1965.

7. Бударин Н.Л., Хромченков В.Г., Жигулина Е.В. Анализ эффективности сухой очистки доменного газа перед его использованием в газовой утилизационной бескомпрессорной турбине // Промышленная энергетика. 2022. № 7. С. 18—25.

8. Бударин Н.Л., Хромченков В.Г., Жигулина Е.В. Методика расчета процесса расширения влажного газа в газовой утилизационной бескомпрессорной турбине // Энергобезопасность и энергосбережение. 2022. № 4. С. 39—43.

9. А.с. № 759109 СССР. Сухой ротационный очиститель газа / Данилов Л.И., Теплицкий М.Г., Сиротин О.Н., Сазанов Б.В., Хромченков В.Г. // Бюл. 1980. № 32.

10. Пат. № 2405839 РФ. Способ очистки газа при повышенном давлении на колошнике / Сперкач И.Е., Мизин В.Г., Емельянов В.Л. // Бюл. изобрет. 2010. № 34.

11. Пат. № 2430971 РФ. Способ сухой очистки доменного газа / Осипенко В.В., Осипенко В.Д. // Бюл. изобрет. 2011. № 28.

12. Бударин Н.Л., Жигулина Е.В., Хромченков В.Г. Влияние различных способов газоочистки на эффективность потребителей доменного газа // Гидравлические и теплотехнические системы и агрегаты: Материалы докладов участников XXVIII Междунар. науч.-техн. конф. М.: Изд-во «Мир науки», 2024. С. 89—97.

13. Калинин Н.В. и др. Технологические энергоносители и энергосистемы предприятий. М.: Изд-во МЭИ, 2021.

14. Шаргут Я., Петела Р. Эксергия. М.: Энергия, 1968.

---

Для цитирования: Бударин Н.Л., Жигулина Е.В., Хромченков В.Г. Термодинамический анализ доменного производства металлургического комбината // Вестник МЭИ. 2026. № 2. С. 75—85. DOI: 10.24160/1993-6982-2026-2-75-85

---

Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов

#

1. ITS 26—2022. Proizvodstvo Chuguna, Stali i Ferrosplavov. Informatsionno-tekhnicheskiy Spravochnik po Nailuchshim Dostupnym Tekhnologiyam. (in Russian).

2. Ravich M.B. Uproshchennaya Metodika Teplotekhnicheskikh Raschetov. M.: Nauka, 1966. (in Russian).

3. APO Research Inc. [Ofits. Sayt]. https://aporesearch.com/reports/machinery-equipment/top-pressure-recovery-turbine-trt-industry-research-report-2025 (Data Obrashcheniya 27.03.2025).

4. Sperkach I.E. Problemy Sozdaniya i Primeneniya Gazorasshiritel'nykh Turbin za Domennymi Pechami. Stal'. 2004;1:82—86. (in Russian).

5. Stark C.B. Pyleulavlivanie i Ochistka Gazov v Metallurgii. M.: Metallurgiya, 1977. (in Russian).

6. Sazanov B.V. Domennye Gazoturbinnye Ustanovki. M.: Metallurgiya, 1965. (in Russian).

7. Budarin N.L., Khromchenkov V.G., Zhigulina E.V. Analiz Effektivnosti Sukhoy Ochistki Domennogo Gaza Pered Ego Ispol'zovaniem v Gazovoy Utilizatsionnoy Beskompressornoy Turbine. Promyshlennaya Energetika. 2022;7:18—25. (in Russian).

8. Budarin N.L., Khromchenkov V.G., Zhigulina E.V. Metodika Rascheta Protsessa Rasshireniya Vlazhnogo Gaza v Gazovoy Utilizatsionnoy Beskompressornoy Turbine. Energobezopasnost' i Energosberezhenie. 2022;4:39—43. (in Russian).

9. A.s. № 759109 SSSR. Sukhoy Rotatsionnyy Ochistitel' Gaza. Danilov L.I., Teplitskiy M.G., Sirotin O.N., Sazanov B.V., Khromchenkov V.G. Byul. 1980;32. (in Russian).

10. Pat. № 2405839 RF. Sposob Ochistki Gaza pri Povyshennom Davlenii na Koloshnike. Sperkach I.E., Mizin V.G., Emel'yanov V.L. Byul. Izobret. 2010;34. (in Russian).

11. Pat. № 2430971 RF. Sposob Sukhoy Ochistki Domennogo Gaza. Osipenko V.V., Osipenko V.D. Byul. Izobret. 2011;28. (in Russian).

12. Budarin N.L., Zhigulina E.V., Khromchenkov V.G. Vliyanie Razlichnykh Sposobov Gazoochistki na Effektivnost' Potrebiteley Domennogo Gaza. Gidravlicheskie i Teplotekhnicheskie Sistemy i Agregaty: Materialy Dokladov Uchastnikov XXVIII Mezhdunar. Nauch.-tekhn. Konf. M.: Izd-vo «Mir Nauki», 2024:89—97. (in Russian).

13. Kalinin N.V. i dr. Tekhnologicheskie Energonositeli i Energosistemy Predpriyatiy. M.: Izd-vo MEI, 2021. (in Russian).

14. Shargut Ya., Petela R. Eksergiya. M.: Energiya, 1968. (in Russian)

---

For citation: Budarin N.L, Zhigulina E.V., Khromchenkov V.G. Thermodynamic Analysis of Blast Furnace Production at a Metallurgical Plant. Bulletin of MPEI. 2026;2:75—85. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2026-2-75-85

---

Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest

Published

2026-04-20

Issue

Section

Theoretical and Applied Heat Engineering (Technical Sciences) (2.4.6)