Numerical modeling of the blast furnace process : injection of auxiliary reducing agents into the raceway

Abstract

Hochöfen werden eingesetzt um flüssiges Roheisen aus Eisenerzen und Eisenschrott zu gewinnen. Zusammen mit eisenhältigen Erzen, Schrottfraktionen und Schlackebildnern wird mit metallurgischem Koks ein weiterer wesentlicher Einsatzstoff dem Hochofen zugeführt. Die Eisenindustrie ist bestrebt, den spezifischen Koksbedarf und damit den Verbrauch an primären Rohstoffen zu reduzieren. Eine effiziente Methode stellt den Eintrag alternativer Kohlenstoffträger durch Eindüsung über Lanzen in den Blasformen dar, um so einen Teil des Kokses zu ersetzen. Ein CFD Modell zur Beschreibung des Hochofenprozesses im Bereich der Heißwindeindüsung wurde entwickelt und validiert. Besonderes Augenmerk lag auf der Abbildung der thermochemischen Umsetzung von metallurgischem Koks und einer Reihe alternativer Reduktionsmittel wie Kunststoffabfallfraktionen, Schweröl, Kohlestaub und Erdgas. Den Simulationsrechnungen zufolge werden eingedüste flüssige Kohlenwasserstoffe durch Ausbildung eines feinen Sprühnebels vollständig im Bereich der Blasform und innerhalb der Racewayzone verdampft. Abfallkunststoffe werden auf Größenverteilungen von einigen Millimetern aufbereitet. Die Kunststoffpartikel durchqueren die Raceway mit dem eingeblasenen Heißwind, die Zersetzung findet daher vermehrt in Bereichen statt wo Sauerstoffpartialdrücke niedrig sind und daher bevorzugt Vergasungsreaktionen ablaufen. Beim Eintrag gemahlener Kohle werden die flüchtigen Bestandteile vollständig freigesetzt, bevor die Partikel die Racewaygrenze erreicht haben. Die Sauerstoffpartialdrücke in der Umgebung der nach der Pyrolyse verbleibenden Koksrückstände sind niedrig und endotherme Vergasungsreaktionen spielen eine wichtige Rolle bei der Umsetzung. Den Berechnungen zufolge werden ca. 80% der eingeblasenen Kohle innerhalb der Raceway umgesetzt. Das entwickelte Hochofenmodell ermöglicht es, die Bedingungen in der Umgebung der Blasformöffnungen bei verschiedenen Betriebsbedingungen zu berechnen. Es kann so zu einem besseren Prozessverständnis beitragen und die weitere Reduktion von Emissionen und Primärenergieverbrauch unterstützen.

The purpose of the iron blast furnace is to convert iron oxides to metallic liquid iron. Besides iron bearing materials, flux and hot blast an essential feed to a blast furnace is metallurgical coke. The iron producing industry attempts to reduce coke rates to decrease the overall consumption of primary raw materials. A promising strategy is to inject auxiliary carbon carriers via lances positioned in the tuyères to partially substitute coke. A CFD model with the functionality to describe the processes in the vicinity of the tuyère opening was developed and validated. The conversion behavior of various injectants including processed waste plastics, liquid hydrocarbons, pulverized coal and natural gas is addressed. According to the modeling results, a liquid hydrocarbon spray is evaporated right within tuyères and raceway core. Contrary to that, the majority of plastic particles pass the raceway cavity, therefore thermal utilization takes place in regions with low oxygen concentration and consequently gasification is favored. Devolatilization of injected coal particles is finished before the raceway boundary is reached. For utilization of the remaining char endothermic gasification reactions are of importance as oxygen partial pressures are low in the surroundings of the char particles. The calculated ratio of coal conversion in the raceway cavity is in the range of 80%. The developed modeling tool offers the opportunity to study the conditions in the raceway of blast furnaces at varying operating conditions and geometric setups. The results contribute to a better understanding of the processes, supporting the efforts to further decrease emissions and consumption of primary resources.