Jordan, C. (2019). Numerische Untersuchung von reaktiven Strömungen bei erhöhten Temperaturen [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/79418
Nach wie vor erfolgt der Groÿteil der Roheisenherstellung über den Hochofen-Prozeÿ. Dabei handelt es sich im wesentlichen um einen Schachtofen, der von oben mit Erz, Koks und Zuschlagstoffen befüllt wird. Zur Abdeckung des Energieverbrauchs und zur Herstellung der Reduktionsgase (CO, H2) wird ein Teil des Kokses mittels Heiÿwind (sauerstoffangereicherte Luft) vergast, der von unten im Gegenstrom über die Windformen aufgegeben wird. An der Einblasstelle entsteht eine freigeblasene Zone, die sogenannte „Raceway“. Um den Koksverbrauch bei der Roheisenerzeugung zu senken, können alternative Kohlenstoffträger als Ersatzreduktionsmittel in die Raceway eingeblasen werden. Zur Optimierung der Nutzung von Ersatzreduktionsmitteln wurde ein CFD-Modell (Computational Fluid Dynamics, numerische Strömungssimulation) erstellt, das die Vorgänge bei der Einblasung von Tröpfchen, Gasen und Partikeln in eine Hochofen-Raceway darstellen kann. Dabei werden homogene und heterogene chemische Reaktionen berücksichtigt, der Wärmeübergang über Konvektion und Strahlung wird berechnet und die Strömungsverhältnisse im Raceway-Bereich werden geometrisch aufgelöst. In der vorliegenden Arbeit werden neben der Entstehungsgeschichte des Modells vor allem die Grundlagen und die Entwicklungsschritte zur Erstellung dieses CFD-Modells dargelegt. Wesentlich sind auch die Arbeiten zur Kalibration, Verifikation und zur Validierung der einzelnen Teilmodelle sowie des Gesamtmodells für die CFD-Simulation, um die Rechenergebnisse für die Vorhersagen bei den unterschiedlichen Betriebszuständen abzusichern. Für die Modellkalibration und für die Validierungsrechnungen wurden neben Literaturdaten auch eigene Experimente herangezogen, beispielsweise fluiddynamische Messungen mittels Particle Image Velocimetry (PIV) und Hochgeschwindigkeitsvideos an einem Labor-Kaltmodell einer Raceway-Eindüsung. Mit dem CFD-Modell wurden numerische Parameterstudien durchgeführt, wobei neben den Eindüsmengen von Kunststoffpartikeln, Schweröl und Staubkohle (PCI) auch die Heißwindkonditionen und Hochofenbetriebsparameter variiert wurden. In der aktuellen Ausführung deckt das Modell ein Rechengebiet ab, das dem unteren Drittel des Hochofens entspricht, wobei ein Ofensegment mit einer Windform beiderseits mit periodischen Randbedingungen begrenzt wird. Das CFD-Modell wurde in mehreren Generationen entwickelt, die ersten Generationen verwenden den kommerziellen Strömungslöser Ansys FLUENT, die neueren Generationen setzen hingegen auf den freien, quelloffenen CFD-Code OpenFOAM. Für die Koksschüttung im Hochofen wurde je nach Modellgeneration auf algebraische Ansätze für die Strömung in der porösen Zone, auf ein vereinfachtes Mehrphasenmodell („dual-grid“) beziehungsweise auf ein Euler-Granular-Mehrphasenmodell zurückgegriffen. Zur Beschleunigung der Berechnung der CFD-Ergebnisse werden die Rechengebiete mittels Parallelisierungsalgorithmen (MPI, message passing interface) auf mehrere Rechenkerne aufgeteilt, die Modellsimulationen laufen auf Hochleistungscomputern (z. B. VSC3, Vienna Scientific Cluster). In weiterer Folge soll das Strömungssimulationsmodell auch mit externen Codes zur Modellierung der Partikelbewegung im Hochofen gekoppelt werden (DEM - discrete element method), um eine möglichst vollständige Beschreibung der Vorgänge zu liefern - bis hin zu einer Vollsimulation eines Hochofens. Derartige Simulationen können in Zukunft beispielsweise auch im Hinblick auf eine (partielle) Decarbonisierung des Hochofenprozesses verwendet werden, um die Auswirkungen von Wasserstoff im Hochofen analysieren zu können.
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The majority of the iron production is still using the blast furnace process. The blast furnace is a shaft furnace which is fed from top with iron ore, coke and additives. To provide for energy consumption and production of reducing gases (CO, H2) part of the coke is gasified using hot blast (oxygen enriched air) fed into the oven from tuyeres located at the bottom side to enable counter current flow conditions. In vicinity of the blast injection position, a submerged free jet forms a void in the coke bed, called the „raceway“. To reduce the coke consumption in the hot metal production, alternative reducing agents (ARA) can replace part of the coke as the main carbon carrier. To optimize the utilization of the alternative reducing agents, a CFD model (computational fluid dynamics) was set up. The model is capable of predicting the physical and chemical effects during injection of droplets, gases and particles into the blast furnace raceway. This includes homogeneous and heterogeneous chemical reactions, heat transfer via convection and radiation as well as the spatially resolved flow profile inside the raceway region. The current thesis explains the scientific foundations and the development steps towards the new CFD model, as well as the historical background. Of significant importance are also calibration, verification and validation of the individual submodels and the combined full model for the CFD simulation to ensure physically sound and correct results for the predictions of different operating conditions. For the model calibration and for validation available literature data were used - in addition experiments have been carried out, e. g. fluiddynamic measurements using particle image velocimetry (PIV) and high speed imaging for a lab scale cold model of a raceway section including the injection lances. The CFD model was then utilized for parametric studies, including the variation of the injection feed rates for waste plastic particles, heavy fuel oil and pulverized coal (PCI), as well as the hot blast conditions and the operational parameters of the blast furnace itself. The geometrical region of the current version of the model covers the lower blast furnace section, a segment featuring one tuyere was used with periodic boundary conditions on both sides. The model development of the CFD model was done in multiple stages (generations). The first model generations were based on the commercial CFD software package Ansys FLUENT, newer versions have been ported to the free open-source CFD code OpenFOAM. The coke bed inside the blast furnace was modelled - depending on the model generation - using an algebraic model for porous zone flow, a simplified multiphase model („dual-grid“) or an Eulerian model for granular flows. To speed up the solution procedure for the CFD results, parallelization methods based on MPI (message passing interface) have been applied to split up the calculation domain for multiple CPU cores. The model simulations have been carried out on high performance computers, like e. g. the VSC3 (Vienna Scientific Cluster). In a further step the fluiddynamic simulation model can be coupled with external codes capable of modelling the particle movement (DEM - discrete element method). This allows e. g. for a full description of all the relevant processes inside the entire blast furnace. One possible future application could be the simulation of hydrogen injections into the blast furnace, to make the ironmaking process ready for (partial) decarbonization.
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Kumulative Dissertation aus 29 Artikeln Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers Beiträge teilweise in deutscher, teilweise in englischer Sprache. Zusammenfassung in deutscher Sprache.