Numerische und experimentelle Untersuchung der Eindüsung alternativer Reduktionsmittel in den Hochofen


Zielsetzung und Motivation

Metallurgischer Koks wird im klassischen Hochofenprozess als Hauptreduktionsmittel zur Gewinnung von Roheisen aus oxidischen Eisenverbindungen eingesetzt. Da der Gesamtprozess generell sehr kapital- und energieintensiv ist, sind Eisen- und Stahlindustrie bestrebt, Koks durch andere Kohlenstoffträger zu ersetzen. Dies kann sehr effektiv durch Eindüsung von Ersatzreduktionsmitteln bzw. Brennstoffen im Bereich der Windformen realisiert werden. Die Umsetzung solcher Maßnahmen in industriellem Maßstab hat großen Einfluss auf die Prozesse im Hochofen. Um Informationen für stabilen Betrieb und effiziente Rohstoffnutzung bereitzustellen, werden zu erwartende Effekte mit den Methoden der numerischen Strömungsmechanik untersucht.


Schematische Darstellung der Raceway eines Hochofens

 

Experimentelle Arbeiten

Zur Definition der Randbedingungen wurden eine Reihe experimenteller Arbeiten durchgeführt. Die Zerstäubung von eingedüstem Schweröl wurde an einem Labor-Kaltmodell mittels PIV, LDA, PDA und Hochgeschwindigkeitsaufnahmen untersucht um Tropfentrößenverteilungen bei variierenden Prozessbedingungen zu bestimmen.
Die Zusammensetzung und thermopyhsikalischen Eigenschaften von Kunststoffabfallfraktionen, welche ebenfalls zur Eindüsung in den Hochofen aufbereitet werden, wurden mittels TGA, Tammannofen und Kurzzeitreaktoren untersucht. Die Ergebnisse wurden unter anderem zur Validierung des CFD-Modells verwendet.


Analyse der Sprayeigenschaften mittels PDA

 

CFD Modellierung

Die neu implementierte Modellarchitektur wendet das sogenannte „Dualgrid“-Verfahren an, in dem unter der Anwendung der Finite-Volumen-Methode zusätzlich zur Gasströmung auch die Erhaltungsgleichungen für das langsam wandernde Koksbett in einem separaten Rechengitter gelöst werden. Die Kopplung zwischen den Phasen wird basierend auf entsprechenden Korrelationen unter Berücksichtigung homogener und heterogener Reaktionen berechnet.
Das Modell wird zur Untersuchung verschiedener Betriebs- und Geometrievarianten (Windzusammensetzung, Eindüsraten, Windformdurchmesser, Lanzenpositionen etc.) eingesetzt, um optimale Parameter zu finden und die Rohstoffe möglichst rationell und ressourcenschonend zu nutzen.


CO2 Konzentrationsprofil, Stromlinien des Heißwindes und Flugbahnen des injizierten Öls

Flugbahnen des injizierten Öls, Isoflächen der Porösität in der Nähe der Windformöffnung

 

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