Projektmenu

Einleitung

Das Fließverhalten von Möller ist von Hauptinteresse in klassischen Hochöfen, FINEX®- / COREX®-Anlagen und ähnlichen Aggregaten. Das Ziel dieses Projektes ist die Modellierung und Simulation von Kernelementen der Roheisenerzeugungstechnologien wie die Racewayzone und das reaktive Wirbelbett innerhalb von Hochöfen, FINEX®- / COREX®-Einschmelzvergaser oder die Roheisenreduktion innerhalb eines Wirbelschichtreaktors des FINEX®-Prozesses. Im Zuge vorangegangener Tätigkeiten in der K1-MET Arbeitsgemeinschaft wurden ersten Modelle entwickelt. In der nächsten Phase sollen diese Modelle weiterentwickelt werden, um eine qualitativ höherwertigere Vorhersagbarkeit und gesteigerte numerische Effizienz zu erreichen. Ein weiteres Ziel liegt darin, die Modelle in die K1-MET Simulationsplattform (Projekt 4.1) zu integrieren.

  • CFD-Modellierung von Schmelz- und Direktreduktionsöfen
  • Kopplung der CFD-Simulation an die DEM-Simulation aus dem Projekt 4.3
  • Optimierung der Rohstoffnutzung, der Produktivität und dem Design von Schmelzreduktionsaggregaten

Vorgehensweise

Innerhalb des Projektes 4.2 (Schüttgutmodelle) sollen Simulationswerkzeuge für reaktive bewegende bzw. Wirbelbetten weiterentwickelt werden in Bezug auf die Prozessvorhersage und die Berechnungseffizienz. Aufgrund der extrem hohen Gesamtzahl an Partikeln, welche in industriellen Wirbelbetten / Wirbelschichten auftreten, kann es unter Umständen unmöglich sein, die Bewegungsgleichungen für jedes Partikel zu lösen. Es ist daher üblich, Partikelströmungen in großen Prozesseinheiten durch gemittelte Bewegungsgleichungen zu untersuchen. Diese Zwei-Fluid-Modellgleichungen (Two-Fluid Model, TFM) berücksichtigen die Partikel als riesige Ensembles und daher sind Lösungen (Schließungsterme) für die Spannungszustände in den Festkörpern notwendig. Diese Spannungem sind auf die Partikel-Partikel-Wechselwirkungen zurückzuführen. Bisher sind numerische Simulationen, welche auf TFM-Gleichungen basieren, ein erfolgreiches Designwerkzeug geworden, um bewegte Schüttungen / Wirbelbetten in Pilotanlagen zu modellieren. In der ersten Phase der K1-MET konnte gezeigt werden, dass diese Simulationen im Stande sind, die Hydrodynamik der reaktionsträgen Wirbelschicht- und Wirbelbettreaktoren genau zu beschreiben. Wegen eingeschränkter Rechnerkapazitäten ist die Untersuchung von Reaktoren im großindustriellen Maßstab einschließlich der Wärmeübertragung und der Beschreibung chemischer Reaktionen allerdings nicht durchführbar. Aus diesem Grunde ist es sinnvoll, grob aufgelöste Netzgitter zu verwenden, um den Bedarf an Rechnerressourcen zu reduzieren. Jedoch werden bei diesem Vorgehen kleine (unaufgelöste) Strukturen vernachlässigt, was zu einer beträchtlichen Überschätzung der Gas-Feststoff-Reibungskräftre (drag force), der Gas-Feststoffwärmeübertragung und der chemischen Reaktionsgeschwindigkeit führt. Es besteht Einigkeit darüber, dass der Einfluss dieser kleinen Skalierungen auf die Reibungskraft einen Schlüsselparameter in der Vorhersage der realen Hydrodynamik und der Chemie von bewegten Schüttungen und Wirbelbetten darstellt.

Ergebnisse und Anwendung

Projekt 4.2 (Schüttgutmodelle) soll zu realistischen Vorhersagen von metallurgischen Aggregaten im großindustriellen Maßstab (z. B. Hochofen, COREX®, MIDREX®, FINEX®) führen. Die Erkenntnisse daraus werden es unseren Industriepartner ermöglichen, den Betrieb zu optimieren (z. B. durch die Maximierung der Umsatzraten während der Feinkohleeindüsung oder durch die Verwendung von bestimmten Inputmaterialrezepturen). Außerdem wird den Anlagenbauern ein zuverlässiges Werkzeug für ein Up-scaling und die Adaptierung bestehender Anlagen zur Verfügung stehen. Ein Open-Source-Plattform CFD-Modell wird die Modellierung des Umsatzes von Koks und alternativen Reduktionsmitteln in der Hochonfenracewayzone ermöglichen. Das Modell dient dazu, um den Einfluss variierender Hochofenbetriebsbedingungen auf den Umsatzgrad eingedüster Feststoffe (z. B. Kohle, Kunststoffe usw. ) zu untersuchen. Außerdem soll eine Kopplung der CFD-Simulation an DEM-Konzepte (P 4.3) ermöglicht werden, um den Einfluss wechselnder Heißwind- / Eindüsungsparameter auf die Kinetik der Racewayausbildung zu quantifizieren. Daneben wird dieses Tool auch zur Simulation von Schmelz- und Direktreduktionsöfen (Reduktionsschächte, Einschmelzvergaser und Hochöfen) sowie des FINEX®-Prozesses angewandt. Die Modelle werden verwendet, um die Rohstoffnutzung, Produktivität und das Design von Schmelzreduktionsanlagen zu optimieren. Die Methoden dieses Projektes werden in den Open-Source CFD-Code OpenFOAM übertragen und in die K1-MET Simulationsplattform des Projektes 4.1 integriert.