Reaction modeling in computational fluid dynamics with special focus on the blast furnace raceway zone

Abstract

Durch Strömungssimulation (CFD) kann der Übergang zu einer nachhaltigen Industrie mittels digitaler Prozessänderungen und Anpassungen unterstützt werden. Digitale Einblicke in nicht-messbare Zustände helfen den Prozess besser zu verstehen und ihn dadurch zu verbessern. Für solche Untersuchungen sind Modelle notwendig, die alle relevanten Phänomene abbilden. In der Verfahrenstechnik sind Reaktionen fundamentale Bestandteile vieler Prozesse, deshalb müssen auch diese in den Modellen Eingang finden. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Entwicklung und Verbesserung von Modellen reaktiver Strömungen. Ein wichtiger Industriesektor in Europa ist die Stahlindustrie, welche einen großen Anteil der Emissionen verantwortet. Die Hauptprozessroute über den Hochofen ist von chemischen Reaktionen bestimmt. Deshalb steht die CFD dieses Prozesses im Fokus dieser Dissertation. Generell können Herausforderungen in der Modellierung in zwei Rubriken unterteilt werden: Einerseits müssen Modelle die wichtigsten Effekte abbilden. Andererseits soll der numerische Aufwand gering gehalten werden, um deren Anwendbarkeit zu erlauben. Deshalb ist das Ziel dieser Arbeit Verbesserungen in beiderlei Hinsicht zu entwickeln, um die Anwendung von CFD für verfahrenstechnische Prozesse mit Reaktionen zu ermöglichen. Basierend auf der Wirbelzone im Hochofen wurden Verbesserungen für homogene und heterogene reaktive Strömungen entwickelt. Der numerische Aufwand zur Berechnung von Gasphasenreaktionen wurde reduziert, indem passende Splitting- und Tabulationsmethoden identifiziert wurden. Für heterogene reaktive Strömungen wurden algorithmische Verbesserung für das Zweiphasenmodell erarbeitet. In Bezug auf die Modellgenauigkeit wurde die Anwendbarkeit eines erweiterten Modells ermöglicht, in dem passende Abschätzungen der charakteristischen chemischen Zeitskala präsentiert wurden. Weiters wurde ein Verfahren zur verbesserten Kinetikidentifikation für Gas-Festoff-Reaktionen präsentiert. Für heterogene reaktive Strömungen wurden sowohl Modelle für niedrige (Lagrange) als auch für hohe Feststoffkonzentrationen (Euler) bearbeitet. Der Einfluss turbulenter Strömung auf die thermochemische Umsetzung kleiner Partikel wurde modelliert und dessen Effekt auf die Hochofensimulation gezeigt. Im Eulerschen Bereich wurden passende Modelle für die Wirbelzonenströmung analysiert und deren Effekte auf die Reaktionen betrachtet. Die entwickelten Modelle erlauben nicht nur die digitale, genaue und schnelle Analyse der Wirbelzone im Hochofen, sondern können auch auf andere verfahrenstechnische Prozesse angewandt werden. Deshalb hilft die vorliegende Arbeit nicht nur den Hochofenprozess zu verbessern, sondern kann auch den Übergang zo einer emissionsfreien Stahlindustrie unterstützen. Zum Beispiel kann die Direktreduktion von Eisen mittels Wasserstoff untersucht werden.

Computational fluid dynamics (CFD) can empower the transition to a sustainable industry through digitally testing process changes and adaptations. Digital insight into non-measurable states helps to understand the process better and consequently improve it. These investigations require models to capture the essential phenomena of the process. In chemical engineering, reactions are fundamental to many processes, therefore, they need to be incorporated in the model. This work is concerned with the development and improvement of models for reactive fluids. The steel industry is an important industry sector in Europe and causes a large share of the overall emissions. The main process route over the blast furnace is largely governed by chemical reactions. Therefore, CFD of this process is in focus of this thesis. Generally, challenges in modeling are two-fold: On the one hand, models need to capture the essential effects. On the other hand, the computational burden to solve the models needs to be low enough to allow CFD simulations. Therefore, the aim of this thesis is to develop improvements in both regards to enable the application of CFD for chemical engineering processes incorporating reactions. Based on the blast furnace raceway zone improvements for homogeneous reactive flows and heterogeneous reactive flows were targeted, with a focus on gas phase and gas-solid reactions. The computational burden of gas phase reaction modeling was reduced by identifying appropriate operator splitting and tabulation techniques, and establishing strategies for efficient partitioning. For heterogeneous reactive flows, algorithmic improvements for two-fluid modeling were developed. In terms of modeling accuracy, the application of an extended model was enabled through appropriate chemical time scale approximation. Furthermore, an approach to enhance kinetic model identification for gas-solid reactions was presented. For heterogeneous reactive flows, modeling improvements for the Lagrangian framework - applied to low solid's concentrations - and for the Eulerian framework - applied to higher solid's concentrations were developed. The influence of turbulent clustering in the Lagrangian particle conversion model was incorporated and the model effects on the raceway prediction and reactions in the Eulerian framework were evaluated. The developed models not only enable a digital, accurate and fast analysis of the blast furnace raceway, but can be also applied to other chemical engineering processes. Therefore, the work does not only help to improve the blast furnace process, but can also boost the transition to a net-zero emission steel industry. For example direct reduction of iron ore with hydrogen - also in this process reactions need to be modeled.