Development of conversion models for iron-carriers and additives within a melter-gasifier or blast furnace

Abstract

Das COREX und FINEX Verfahren gehören zur Gruppe der Schmelzreduktionsverfahren zur Erzeugung von flüssigem Eisen. Beide Prozesse verwenden Kohle anstelle von Koks und stellen die ersten kommerziell betriebenen alternativen Verfahren zur gewöhnlichen Hochofenroute dar. Für den optimalen Betrieb und die weitere Optimierung dieser Anlagen ist es wichtig, ein besseres Verständnis über das Innenleben dieser Prozesse zu erhalten. Aufgrund der harten Bedingungen innerhalb dieser Anlagen (hohe Temperaturen, etc.) ist eine Quantifizierung der Prozessbedingungen und die Messung von Prozessvariablen nur sehr begrenzt möglich. Aus diesem Grund sind detaillierte numerische Modelle der unterschiedlichen physikalischen und chemischen Umwandlungsprozesse innerhalb dieser Reaktoren von großem Nutzen, um deren Betrieb zu optimieren. Zusätzlich macht es die Verwendung solcher numerischer Modelle einfacher, den Einfluss verschiedener Betriebsparameter auf den gesamten Prozess zu analysieren. Während der ersten Phase dieses K1-MET Projekts wurde ein CFD-Model für das langsam bewegte Festbett innerhalb eines COREX bzw. FINEX Einschmelzvergasers erstellt, wobei dabei der Fokus auf die Modellierung und Einbindung der Umwandlungsmodelle der Kohlenstoffträger sowie deren Fragmentierung lag. Zusätzlich wurde ein Modell für die Strömung von flüssigem Eisen und Schlacke innerhalb des Einschmelzvergasers erstellt. Die Aufgabenstellung der aktuellen Arbeit zielt auf die Modellierung der Umwandlungsprozesse von Eisenträgern und Zuschlagstoffen innerhalb des langsam bewegten Festbetts eines COREX bzw. FINEX Einschmelzvergasers ab. Die Umwandlungsmodelle werden numerisch in Form von Einzelpartikelmodellen realisiert, welche auf der Programmiersprache C basieren. Diese Modelle werden gegen experimentelle Daten, welche seitens von Primetals Technologies und der MUL Leoben bereitgestellt wurden, validiert. Zu diesem Zweck wurde ein auf der Programmiersprache VBA basierendes Microsoft EXCEL Tool entwickelt, welches die Modelldaten basierend auf der Methode der kleinsten Fehlerquadrate gegen die experimentellen Daten fittet. Darüber hinaus wurde ein Fragmentierungsmodell für Eisenträger Partikel innerhalb des langsam bewegten Festbetts entwickelt, und eine Literaturrecherche über bestehende Modelle für den Wärme- und Stoffübergang innerhalb eines Festbetts durchgeführt. Das Einzelpartikelmodell für Eisenträger beinhaltet Sub-Modelle für den konvektiven und radiativen Wärmeübergang des Partikels mit der umgebenden Gasphase, ein Trocknungsmodell, ein Modell für die indirekte Reduktion der Eisenträger sowie ein Modell für das Schmelzen von Eisen und der Gangart. Das Einzelpartikelmodell für Zuschlagstoffe beinhaltet ebenfalls Sub-Modelle für den konvektiven und radiativen Wärmeübergang der Partikel mit der umgebenden Gasphase,ein Trocknungsmodell, ein Kalzinierungsmodell sowie ein Modell für die Auflösung der kalzinierten Partikel in Schlacke. Diese Arbeit ist Teil einer Kooperation zwischen Primetals Technologies (früher Siemens VAI) und dem Institut für Energietechnik und Thermodynamik der TU Wien im Rahmen des Competence Center for Excellent Technologies in Advanced Metallurgical and Environmental Process Development (K1MET).

The COREX and the FINEX -process are smelting reduction processes for the production of liquid iron, which are based on coal instead of coke. These processes are the first commercially operating alternative processes to the common industrial ironmaking route via the blast furnace. For the optimimum operation and further improvement of these processes, it is important to get a better understanding of what is happening inside these reactors. Because of the harsh conditions inside such reactors, the measurement of process conditions and variables is very limited and difficult to perform. Thus, detailed numerical models of the different physical and chemical conversion processes which occur inside these reactors are required to optimize their operation. Additionally, the use of conversion models makes it easier to determine the influence of various operating parameters on the whole process in a rather simple way. During the first phase of this K1-MET project, a CFD-model framework for the slowly moving fixed bed inside a COREX melter-gasifier has been developed. Thereby the focus has been on modeling the carbon carrier conversion and fragmentation. Furthermore, a model for the simulation of the flow of liquid iron and slag has been developed within this project phase. The current thesis is focused on the development of converison models for iron carrier particles as well as additives within the fixed bed of a COREX or FINEX melter gasifier. The conversion models are modeled in terms of single particle models which are fitted against experimental data provided by Primetals Technologies and MUL Leoben. For iron carrier particles submodels for the convective and radiative heat transfer with the surrounding gas, drying, gaseous reduction and smelting of iron and additives have been developed. For additive particles, submodels for the convective and radiative heat transfer with the surrounding gas phase, drying, calcination and dissolution into liquid slag have been developed. Moreover, a fragmentation model for iron-carrier particles has been developed and an overview of exisiting heat and mass transfer correlations for particles within a fixed or slowly moving bed is provided. The single particle models for iron carrier and additive conversion are numerically realized within source codes based on the programming language C. Furthermore, an EXCEL-VBA tool has been developed for fitting the simulation data of the single particle models against experimental data by using the least squared error method. The thesis has been carried out as part of a cooperation between Primetals Technologies (formerSiemens VAI) and the Institute for Energy Systems and Thermodynamics of the Vienna University of Technology within the Competence Center for Excellent Technologies in Advanced Metallurgical and Environmental Process Development (K1MET)