CFD-Analyse der Eindüsung von Schweröl und Kunststoffpartikeln in eine Raceway


Um die Eindüsung von Kunststoffpartikeln in die Raceway des Hochofens A der voestalpine Stahl GmbH (Linz/Österreich) zu simulieren, wurden CFD-Methoden angewandt. Mehrere zusätzliche Reduktionsmittel – wie Öl, Teer, Kohlestaub, Erdgas und Kunststoffabfälle – finden Anwendung in der Eindüsung in den Hochofen, um den Koksverbrauch zu reduzieren. Für ein besseres Verständnis der Auswirkungen der kombinierten Eindüsung wurde ein erweitertes Modell entwickelt, welches auf dem CFD-Modell für die Eindüsung von Kunststoffpartikeln eines früheren Projektes basiert.


Detaillierte Geometrie des Hochofens – simulierter Querschnitt des unteren Teils des Hochofens mit drei der 32 Windformen, sowie der Heißwindleitung

 

Das neue Modell nutzt die Fähigkeit, die Racewayform anhand eines neuen Ansatzes zu porösen Medien vorherzusagen, wodurch der hohe numerische Aufwand aller Eulerschen Mehrphasensimulation vermieden wird. Zudem wird ein vereinfachter Reaktionsmechanismus für die Berechnung der Kinetik der Reaktion bei hohen Temperaturen der eingedüsten Materialien berücksichtigt. Zusätzlich zu diesem Code wurde die Eindüsung der mehrkomponentigen Tröpfchen wie Schweröl und Teer inkludiert. Die Größenverteilung der Tröpfchen des Schweröls ist ein wichtiger Parameter, um die Länge des Sprühkegels verlässlich abzuschätzen. Es wurde für die Geometrie der Sprühlanze, welche im Hochofen verwendet wird, keine brauchbare Korrelation gefunden werden, um Sprühparameter wie Tröpfchengröße und –geschwindigkeit verlässlich vorherzusagen. Da direkte Messungen der Größenverteilung unter den Gegebenheiten der Raceway nicht möglich sind, wurde ein Modell mithilfe der Ähnlichkeitsanalyse (z.B. gleiche Reynolds-Zahlen) im Labormaßstab entwickelt. Unter der Verwendung von Particle Image Velocimetry (PIV), Laser-Doppler-Anemometrie (LDA), sowie einer Hochgeschwindigkeitskamera, wurden optische Messungen durchgeführt.


Ermittlung der Gasstromgeschwindigkeit mittels Laser-Doppler-Anemometrie (LDA)

 

Basierend auf den experimentellen Ergebnissen wurde eine Korrelation für die Sprühparameter in das CFD-Modell aufgenommen. Weiters wurden Messungen anderer Materialeigenschaften bei hohen Temperaturen durchgeführt, etwa für die Wärmeleitfähigkeit der Koksschüttung. Durch diese verbesserten Randbedingungen, sowie der exakteren physikalischen Eigenschaften, konnten die Qualität der CFD-Simulationsergebnisse und der Vorhersagen weiter verbessert werden.

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