Projekt 3.2

Multiscale and reactive granular flows

Einleitung

Dieses Projekt zielt darauf ab, numerische Simulationen zur Beschreibung von reaktiven granularen Strömungen auf großen und kleinen Skalen zu entwickeln, die zur Betriebsoptimierung und Emissionsverringerung von metallurgischen Anlagen dienen. Der Hochofen, die MIDREX-Direktreduktion und der HYFOR-Prozess (siehe auch Projekt 2.2) für die Eisenerzeugung, und der Drehrohrofen für die Herstellung feuerfester Materialien sind Beispiele für solche Prozesse.

Die numerische Beschreibung der Prozesse soll Effekte kombinieren, die mehrere Größenordnungen umspannen. Daher werden im Rahmen dieses Projekts unterschiedliche Modelle berücksichtigt, existierende Modelle verbessert und andere neu entwickelt. Die Modelle reichen von detaillierten Modellen von einzelnen Partikeln bis zur Beschreibung von Systemen aus vielen Partikeln mit Euler-Lagrange-Methoden (Partikelmodelle reduzierter Ordnung, CFD-DEM-Kopplung, MPPIC), oder auch Coarse Graining- und Euler-Euler-Methoden.

Der in Projekt 1.1 behandelte Reaktor für alternative Reduktionsmittel (ARA) und die geplante Entwicklung einer Makro-TGA-Anlage (thermogravimetrische Analyse) dienen dazu, die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der numerischen Modelle zu erhöhen. Sie liefern die Validierungsdaten für die Kinetik der thermochemischen Umwandlung, welche die Grundlage für die numerischen Simulationen bildet. Auch industrielle Prozessdaten werden zur Validierung der Simulationsmodelle herangezogen.

Ziele und Motivation

Bewertung und Optimierung des Injektionsprozesses von nachhaltigen ARAs mittels großskaliger und partikelaufgelöster Modellierung
Verbesserung des detaillierten Partikelmodells durch Modellierung von Schwellen, Schrumpfen, Erweichen und Schmelzen

Gasgeschwindigkeitsprofil um einen Partikelcluster mit einzelnen Partikeln (© K1-MET GmbH)

Verwendung von experimentellen Daten des ARA-Reaktors zur Verbesserung der numerischen Modellierung der Umsetzungsrate
Berücksichtigung der Dynamik der Raceway-Zone des Hochofens aus detaillierten Simulationen in Form von Randbedingungen in großskaligen Hochofensimulationen zur Verringerung der Rechenkosten
Erstellung eines umfassenden Eisenerzreduktionsmodells
Bestimmung von grobkörnigen Materialparametern aus feinkörnigen Simulationen, die komplexe Prozesse wie Fragmentierung, Mischung oder Entmischung abbilden
Erweiterung gängiger Coarse-Graining-Methoden (für einfache, idealisierte Bedingungen) auf realistischere Bedingungen (z. B. starke Polydispersität, kohäsive Pulver, usw.)
Ableitung eines umfassenden rheologischen Modells für kohäsive granulare Materialien mit breiter Partikelgrößenverteilung und Subgrid-Modellen, die kleine geometrische Merkmale berücksichtigen
Anwendung dieser Methoden auf die Prozesse Hochofen, MIDREX und HYFOR
Numerische und experimentelle Untersuchung des Kalzinierungs- und Sinterungsprozesses von feuerfesten Materialien unter realistischen industriellen Bedingungen
Implementierung und Design einer Makro-TGA, die für die Untersuchung von Materialien in Industriequalität geeignet ist
Verwendung von Partikelmodellen und Experimenten als Grundlage für CCU in Kalzinierungsprozessen

Vorgehensweise

Literatur- und experimentell gestützte Modellentwicklung
Detaillierte CFD-Simulationen von Einzelpartikeln
CFD-gestützte Extraktion der Umwandlungsrate aus einem experimentellen ARA-Reaktor
Verschiedene CFD- und DEM-basierte Methoden zur Modellierung von Partikelströmungen, z. B. Euler-Lagrange (CFD-DEM, MPPIC) und Euler-Euler
Fein aufgelöste Simulationen, die detaillierte Informationen über komplexe Bedingungen liefern, und verallgemeinertes einfaches Coarse-Graining
Zeitextrapolationstechniken zur Untersuchung von dichten Partikelbetten über Stunden hinweg mit relativ geringem numerischem Aufwand
Partikelbasierte Methoden zur Modellierung von Agglomeration
Literaturrecherche, Design und Konstruktion einer Makro-TGA
Systematische experimentelle Auswertung mit DoE-Methoden (Design of Experiment)

Beschickungsmuster für Hochöfen (© Johannes Kepler Universität Linz, JKU-PFM)

Ergebnisse und Anwendung

Das detaillierte Partikelmodell für die ARA-Umwandlung, das in der vergangenen Förderperiode entwickelt wurde, wird erweitert, um das Partikelverhalten, einschließlich Schrumpfen, Schwellen, Erweichen und Schmelzen, vorherzusagen. Die Modellgenauigkeit wird durch CFD-gestützte experimentelle Datenauswertung unter Verwendung des in Projekt 1.1 behandelten neuartigen Prüfstandes für die ARA-Umwandlung verbessert. Der thermochemische Umwandlungsprozess von metallurgischen Reduktionsmitteln (feste ARAs, Koks, gasförmige und flüssige Reduktionsmittel) unter Hochofenbedingungen wird eingehend untersucht.

Temperaturverteilung der Flamme (© K1-MET GmbH, Technische Universität Wien)

Die Beschreibung der Hochofen-, MIDREX- und HYFOR-Prozesse wird verbessert. Bestehende Simulationstechniken werden optimiert und neue Simulationstechniken geschaffen, um numerische Experimente im realen Maßstab über prozessrelevante Zeiträume durchzuführen. Die systematische Einbeziehung von thermochemischen und physikalischen Effekten wie Aufkohlung, Partikelfragmentierung, Segregation, Vermischung, Rheologie und Heterogenität ermöglicht qualitativ realistische Ergebnisse.

Feinstoffe in bewegten Partikelbetten werden hinsichtlich ihres Transports und ihrer Ablagerung numerisch untersucht, um ihre Rolle in Prozessunregelmäßigkeiten zu analysieren. Es werden Einblicke in prozessstörendes Verhalten gewonnen, die zur Formulierung von Regeln und zur Vermeidung solcher Ereignisse führen. In der numerischen Analyse werden die Auswirkungen der Gasgeschwindigkeiten, der Agglomerate und der Reaktorgeometrie auf kleine Unregelmäßigkeiten und Prozesseffizienz ermittelt.

Ein Makro-TGA-Setup für die Untersuchung der Kalzinierung und Sinterung von industriellen Ausgangsmaterialien wird entworfen und gebaut. Auf der Grundlage der Ergebnisse der Makro-TGA wird ein detailliertes Partikelmodell für die Kalzinierung und Sinterung von feuerfesten Materialien entwickelt. Aus dem detaillierten Modell und den Experimenten wird dann ein vereinfachtes Kalzinierungs- und Sintermodell abgeleitet. Dieses Modell dient auch dazu, Untersuchungen in Area 2 im Zusammenhang mit Karbonatisierung, Methanisierung und der Simulation von „grüner“ Verbrennung zu ergänzen.

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