بخشی از مقاله
چکیده :
در این کار سعی بر آن شده است تا فرآیند احیاي مستقیم آهن در کوره میدرکس شبیه سازي شود. به اینصورت که جریان جامد از منطقه فوقانی کوره وارد و بوسیله شتاب ثقلی به سمت پایین جریان می یابد. و همزمان گاز هاي کاهنده شامل هیدروژن و منواکسید کربن با دماي حدودا1200 درجه سانتی گراد از قسمت میانی وارد کوره و به سمت بالا جریان می یابند. در این لحظه به دلیل کافی بودن بستر حرارتی واکنش آغاز و در نهایت آهن اسفنجی از انتهاي کوره خارج می شود. براي بدست آوردن جزئیات فرآیند احیا معادلات حاکم شامل پیوستگی گونه هاي شیمیایی و انرژي در مقیاس کوره استخراج شده است. از آنجائیکه معادلات بدست آمده پیچیده و غیر خطی بوده از روش عددي رانج-کوتاي براي حل معادلات استفاده شده است. در نهایت نتایج بدست آمده از شبیه سازي فرآیند شامل توزیع دماي جریان هاي گاز-جامد، غلظت و کسر مولی گونه هاي شرکت کننده در واکنش، نرخ واکنش ها، درجه متالیزاسیون آهن اسفنجی و شعاع هسته غیر واکنشی گندله می باشد. نتایج حاصل از شبیه سازي با داده هاي عملیاتی کوره میدرکس مجتمع گیل مور واقع در امریکا مقایسه و مشخص گردید که تطابق خوبی بین نتایج مدل و داده هاي عملیاتی وجود دارد.
کلمات کلیدي: شبیه سازي عددي، احیاء مستقیم آهن، کوره احیا، روش رانج کوتاي، گندله هماتیتی
مقدمه
از حدود چهار دهه قبل که روشهاي احیاي مستقیم ابداع گردید دهها روش تولید آهن بر این اساس در کشورهاي جهان استفاده گردید. از مهمترین روشهاي احیاي مستقیم مبتنی بر گاز طبیعی میتوان به میدرکس1 و اچ.واي.ال2 اشاره کرد که در این میان فرآیند میدرکس با 59.1 درصد از کل تولید رایج ترین تکنولوژي براي تولید آهن اسفنجی میباشد. بطوریکه از تولید نزدیک به صفر در سال 1970 به تولید 35میلیون تن در سال 2007 افزایش یافته است.[1]اکثر شبیه سازيها در ارتباط با کوره احیا مستقیم بصورت یک بعدي انجام شده است. اسپایتزر[2] 3 فقط از گاز هیدروژن به عنوان عامل استفاده کرد و جریان جامد-گاز را به صورت هم دما و پلاگ در نظر گرفته و از مدل هسته غیر واکنشی کوچک شونده براي سینتیک احیا استفاده کرده است.
در ادامه تساي[3] 4جریانهاي گاز- جامد را به صورت غیر هم دما و از گازهاي هیدروژن و منواکسیدکربن به عنوان عامل کاهنده استفاده کرد.هدف از کار حاضر شبیهسازي فرآیند احیا درون کوره میباشد به اینصورت که از مقطع بالایی گندله هماتیتی وارد و بوسیله چگالی به سمت پایین حرکت کرده و همزمان گازهاي کاهنده از پایین به داخل کوره تزریق میشود و از میان خلل و فرج بستر به سمت بالا جریان مییابد. به علت کافی بودن بستر حرارتی واکنش آغاز و آهن اسفنجی از کوره خارج میشود. شکل - 1 - نماي کوره مورد استفاده در شبیه سازي را نشان میدهد.
-2تشریح مدل
در رابطه با شبیه سازي فرآیند احیاي کوره میدرکس فرضیات زیر در نظر گرفته شده است.
-1از مدل هسته غیر واکنشی کوچک شونده - USCM - براي تحلیل سینتیک واکنش استفاده شده است.
-2 فرآیند احیا به صورت غیر هم دما و پایا درون کوره در نظر گرفته شده است.
-3 حرارتی که در انجام واکنش تولید یا مصرف می شود در فاز جامد آزاد می شود.
-4 فاز جامد-گاز به صورت جریان پلاگ در نظر گرفته شده است.
-5 مقاومتهاي انتقال جرم و گرما در سرتاسر فیلم گازي دور ذرات جامد در مقایسه با مقاومت پخش درون جامد متخلخل نادیده فرض می شود - . - k g D 2r 0واکنش احیاي مستقیم درون کوره به صورت زیر می باشد:
