On the modeling of multi-phase reactive flows: Thermo-chemical conversion in the raceway zone of blast furnaces

Abstract

Eine effiziente und ressourcenschonende Industrie ist die Voraussetzung für eine nachhaltige Gesellschaft. Es bedarf unermesslicher Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen, um diesem emissionsarmen, auf Recycling basierendem Wirtschaftssystem näher zu kommen. Ein solches System, wäre ein wichtiger Baustein zur Sicherung des Überlebens der menschlichen Spezies auf der Erde. Momentane Entwicklungs- und Optimierungsanstrengungen basieren hauptsächlich auf ökonomischen Überlegungen. Ohne sorgfältig überlegte und mutige politische Entscheidungen, wird das reine Streben nach wirtschaftlicher Effizienz auf lange Sicht nicht ausreichen um einen gesunden Planeten an die nächsten Generationen weiter zu geben.Ausgehend von Experiment-getriebener Forschung mit Unterstützung von händischen Berechnungen, entwickelte sich die Forschung in den letzten Jahren zu einem integrierten Prozess, welcher Experimente und Modellierung verbindet. Dank der immer höheren Rechenleistungen, werden in der Forschung immer komplexere Berechnungen, Modellierungen oder Simulationen bis hin zu virtuellen Experimenten durchgeführt. Diese Experimente verwenden sorgfältig validierte Modelle, um die zugrunde liegenden Physik eines realen Problems zu untersuchen. Zu Beginn wurden nur kleine, akademische Probleme modelliert, während heutzutage räumlich aufgelöste Berechnungen von industriellen Prozessen in der Entwicklung und Optimierung immer wichtiger werden.Die numerische Strömungsmechanik (CFD) hat unter Beweis gestellt, dass sie ein wichtiges Werkzeug für die Unterstützung bei der Erforschung und Entwicklung von industriellen Prozessen ist. Die Simulation von großtechnischen Prozessen beruht zum Teil auf Modellen, da es derzeit selbst auf den größten Großrechnern noch nicht möglich ist, alle notwendigen Größen- und Zeitskalen aufzulösen. Im Endeffekt benötigen aber alle Modelle Eingabeparameter, welche üblicherweise durch Experimente bestimmt werden. Deshalb können selbst die besten Modelle keine physikalisch richtigen Ergebnisse liefern, wenn die Eingabeparameter von falschen oder unpassenden Experimenten stammen.Der Hochofenprozess, die wesentliche Roheisenproduktionsmethode, wird seit Jahrhunderten kontinuierlich verbessert. Momentan wird versucht, die Effizienz des Hochofens durch Einblasen von Kohlenstoff- bzw. Energieträgern, sogenannte Alternative Reducing Agents (ARAs) in die Wirbelzone zu steigern. Das direkte Messen des thermo-chemischen Umwandlungsprozesses von ARAs ist technisch sehr aufwendig. Zusätzlich können Versuchsläufe am Hochofen schwerwiegende Betriebsstörungen auslösen. Die CFD Modellierung des ARA Injektionsprozesses ermöglicht es, potentielle neue, nachhaltige ARAs durch virtuelle Experimente zu bewerten. Dazu wird einumfassendes Simulationsmodell benötigt, welches Mehrphasenströmungen sowie homo- und heterogene thermo-chemische Umwandlungsprozesse beherrschen muss. Die Qualität der chemischen Mechanismen und die verwendeten Kinetikparameter bestimmen die Vertrauenswürdigkeit der Simulationsergebnisse. Folglich müssen themo-chemische Umwandlungsraten neuer ARAs vor den Simulationen experimentell bestimmt werden.Diese Arbeit beschreibt einen geeigneten Ablauf (Versuchsaufbau, Kinetikbestimmung) zur Bestimmung von thermo-chemischen Umsatzkinetiken von ARAs zu ermitteln. Dazu werden zuerst Referenzbedingungen der Wirbelzone definiert und nachfolgend vorhandene Versuchsaufbauten evaluiert. Ein digitaler Zwilling eines ausgewählten Versuchsaufbaus – Sandias Pressurized Entrained Flow Reactor (PEFR) – wird erstellt und, um detaillierte Informationen über die Bedingungen in der Reaktionszone zu erhalten, eine Versuchsreihe modelliert. Zusätzlich wird ein geeignetes Simulationsmodell für die ARA Umsetzung im open-source CFD Code OpenFOAM ® entwickelt.Zusammenfassend kann gesagt werden, dass vorhandene Versuchsaufbauten die benötigten Aufheizraten, welche nötig wären um die Bedingungen in der Wirbelzone zu simulieren, bei erhöhten Drücken nicht erreichen. Zusätzlich weisen die tatsächlichen Bedingungen signifikante räumliche Schwankungen auf und weichen stark vom Sollwert ab. Dies gilt insbesondere für die Temperatur. Da die meisten Methoden zur Bestimmung von kinetischen Parametern von räumlichen Variationen abhängen, ist detailliertes Wissen über diese von enormer Bedeutung. Der Umwandlungsprozess von ARAs hängt auch stark von der Gasphasenchemie ab, weshalb die umfassende Modellierung von chemischen Reaktionen in der Gasphase wichtig für die virtuellen Experimente ist. Im Hochofen verändert sich die Gasphasenchemie von mischungslimitiert in der Nähe der Windformen zu chemischlimitiert im Koksbett. Modelle für die Turbulenz-Chemie Interaktion, welche beide Verbrennungsregime abdecken, sind der Schlüssel zu verbesserten Simulationsergebnissen. Der Einfluss der reaktiven Koksphase auf die thermo-chemische Umwandlung von ARAs bedarf noch weiterer Untersuchungen.

An efficient and resource-conserving industry is a prerequisite for a sustainable society. Tremendous research and development efforts are required to progress towards this low-emission, recycling-based economy which is necessary to ensure the survival of the human species on earth. Current industry developments and optimization are primarily for economic reasons. However, without deliberate and bold political decisions, the endeavor for economic efficiency alone will not be sufficient in the long term to pass over a healthy planet earth on to future generations.Research and development has changed considerably in recent decades, from purely experiment-driven (with some calculations by hand) towards an integrated process combining experiments and modeling. Meanwhile, ever-increasing computational power enables using increasingly complex calculations, models, or simulations in contemporary research. This includes the establishment of virtual experiments, which use thoroughly validated models to reveal the underlying physics of a real-world problem. While modeling was first applied to small, academic problems, the spatially resolved modeling of industrial processes is now becoming progressively more important in development and optimization.Computation Fluid Dynamics (CFD) has proven to be a vital tool for supporting the ongoing research and development of industrial processes. The simulation of industrial-scale processes relies on models, since resolving all size and time scales is still impossible even with today’s high-performance computation centers. Ultimately, all models require input parameters, which are usually obtained from experiments. Therefore, even the most sophisticated model fails to provide physically-correct results if the input parameters come from faulty or inappropriate experiments.The blast furnace process, which is the major pig iron production route, has been under continuous optimization for centuries. The current optimization measures focus on replacing coke by injecting carbon and energy carriers – Alternative Reducing Agents (ARAs) – into the raceway zone of the blast furnace. Directly measuring the thermo-chemical ARA conversion process is challenging and experimental trails at blast furnaces can cause severe operational problems. Using CFD to model the ARA injection process enables virtual experiments to evaluate potential sustainable ARAs. A comprehensive modeling framework is required for these simulations, which needs to master multi-phase flow and homo- and heterogeneous thermo-chemical conversion processes. The quality of chemical kinetic conversion mechanisms and the employed kinetic parameters determine the reliability of the simulation results. Thus, thermo-chemical conversion rates for new ARAs must be determined experimentally prior to the virtual experiments. The current work presented aims to identify a suitable work-flow (experimental setup, extraction procedure) to determine the thermo-chemical conversion kinetic of ARAs. To accomplish this, a screening of existing experimental equipment is carried out based on previously-defined reference raceway conditions. Furthermore, a digital twin of a selected experimental setup – Sandia’s Pressurized Entrained Flow Reactor (PEFR) – is established and a set of experiments is modeled to obtain detailed information about the conversion conditions in the reactive zone. Furthermore, an accompanying modeling framework for the ARA conversion was developed based on the open-source CFD toolbox, OpenFOAM ® . The emphasis of the implemented framework is its applicability to thermo-chemical conversion modeling.Summarizing these activities indicates that currently available experimental equipment fails to achieve the required heating rates under elevated pressure to reproduce raceway conditions. Furthermore, the actual conditions in the reaction zone are subject to significant spatial variations and substantial deviations from the set point. This is particularly true for temperature. Extracting reliable kinetic parameters depends on a detailed knowledge of the spatial variations, since most extraction/fitting approaches are sensitive to them. The ARA conversion process is strongly affected by gas phase chemistry; thus, comprehensively modeling homogeneous chemistry is important for the virtual experiments. Gas phase chemistry changes from mixing dominated in the vicinity of the tuyeres to chemistry dominated towards the dense coke bed. Turbulence-chemistry interaction models capable of both combustion regimes are the key for improved modeling results. The influence of the reactive coke phase on the thermo-chemical conversion of the ARAs needs further investigation.