Gasphasen-Reaktionsmechanismen für hochofenähnliche Bedingungen

Abstract

Hochöfen haben eine lange Geschichte in der Eisenerzerzeugung und sind daher ein wichtiger und ständiger Begleiter des menschlichen Fortschritts. Durch einen kontinuierlichen Reduktionsprozess wird im Hochofen aus Eisenerz Roheisen erzeugt. Reaktionsmechanismen dienen dabei unter anderem der Simulation chemischer Vorgänge in der Wirbelzone, welche sich durch das Einströmen von Heißwind, im unteren Bereich des Hochofens bildet. Reaktionen können dabei auf unterschiedlichen Reaktionspfaden ablaufen. Das Verständnis der auftretenden Reaktionsmechanismen, kann dabei behilflich sein, Reaktionsbedingungen so zu verändern, um einen gewünschten Reaktionspfad zu favorisieren und damit die Entstehung eines gewünschten Produktes zu gewährleisten. Genaue Reaktionsmechanismen spielen eine wichtige Rolle, in der Optimierung der Reaktionsbedingungen im Hochofen und helfen, zudem bei der Einsparung von Kosten und Zeit von Experimenten.In der vorliegenden Arbeit wurde zunächst eine Literaturrecherche durchgeführt, bei welcher wissenschaftliche Publikationen gesucht wurden, welche detaillierte Reaktionsmechanismen für Gasphasen Reaktionen und durchgeführte Experimente unter hochofenähnlichen Bedingungen behandeln. Im Anschluss an die Literaturrecherche wurde eine Bewertung der geeignetsten Mechanismen unter hochofenähnlichen Bedingungen anhand eines Vergleichs mit gesammelten Experimenten durchgeführt. Ziel war es die akkuratesten Reaktionsmechanismen zur Berechnung der auftretenden Reaktionen in der Wirbelzone des Hochofen zu finden. Von den über 30 gefundenen Reaktionsmechanismen lieferten nur einige, vernünftige Ergebnisse unter hochofenähnlichen Bedingungen. Diese Reaktionsmechanismen wurden zur Validierung eines globalen Mechanismus, welcher zur Berechnung des Reaktionsablaufes in der Wirbelzone des Hochofen entwickelt wurde, herangezogen. Die Validierung des globalen Mechanismus zeigte eine hohe Übereinstimmung mit den Ergebnissen der detaillierten Mechanismen. Es wurde z.B. die Richtigkeit einer thermodynamischen Annahme in der Strömungssimulation des globalen Mechanismus bestätigt. Des Weiteren ist die Abweichung der Speziesanteile im Gasgemisch des DualGrid Mechanismus, im Vergleich zu den detaillierten Mechanismen, minimal. Die bereits erreichte, hohe Übereinstimmung der Ergebnisse kann durch eine Optimierung der Reaktionsparameter einer einzelnen Globalreaktion, noch weiter gesteigert werden kann.

The blast furnace technology has a long history in the pig iron production and is an important and steady companion of human progress. Pig iron is produced from iron ore, through a continuous oxidation-reduction process in the blast furnace. Continuous optimization of the blast furnace process is necessary to comply with emission regulations and to keep up with the international economic competition. Computational modeling is commonly used in the optimization of the blast furnace operation. The quality of the modeling results relies on accurate reaction mechanisms. Reactions can proceed via different reaction paths. The understanding of the involved reactions mechanisms, enables the modification of the reaction condition in a way that one path is favored over another and can thereby maximize the preferred product yield. Accurate reaction mechanisms play an important role in the optimization and understanding of the reaction process in a blast furnace, without the costs and time of real life experiments. A literature review with aim to find detailed gas phase reaction mechanisms for blast furnace conditions was conducted. Following the literature review, the found mechanisms were evaluated by modeling experiments from literature. The best reaction mechanisms where then used to validate a global reaction mechanism. The global mechanism was created to calculate the gas phase reactions in the raceway of the blast furnace. Approximately 30 suitable mechanisms were found in the literature survey. The mechanism evaluation revealed that only few of them were capable to give reasonable results under typical blast furnace conditions.The validation of the global mechanism with the best suited detailed mechanism showed a high level of agreement. The results confirmed e.g. the correctness of a assumption in thermodynamics during previous CFD studies. The evaluation confirmes, that the deviation of the species concentration in comparison to the detailed mechanism is minimal. The data showed, that the reasonable accuracy of the DualGrid mechanism could be further increased by optimizating of the reaction parameters of a single global reaction.