3D MULTIPHASIC AND MULTICOMPONENT MODELLING OF SELF-REDUCING IN A SHAFT FURNACE

• Main Author: LESLY JEANETH MAMANI PACO
• Other Authors: JOSE CARLOS D ABREU
• Language: Portuguese
• Published: PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO 2009
• Online Access: http://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=32693@1; http://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=32693@2

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO === COORDENAÇÃO DE APERFEIÇOAMENTO DO PESSOAL DE ENSINO SUPERIOR === CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO === PROGRAMA DE SUPORTE À PÓS-GRADUAÇÃO DE INSTS. DE ENSINO === O desenvolvimento de novos processos de redução capazes de utilizar como matérias primas resíduos minero-metalúrgicos, ou baseados na aglomeração a frio de misturas auto-redutoras (Fastmet, ITmk3, Tecnored) tem mostrado ser uma alternativa aos processos convencionais, sendo o principal deles o alto forno. Neste contexto, torna-se importante uma análise aprofundada dos processos operando com aglomerados auto-redutores, tais como os que utilizam os reatores RHF e os fornos de cuba. O presente trabalho objetivou o desenvolvimento de um modelo matemático capaz de simular as condições da zona de redução sólida de um forno de cuba (região superior), que utiliza aglomerado auto-redutor como carga ferrosa. Este modelo permite considerar três fases (sólida e duas fases gasosas) interagindo simultaneamente, via a transferência de quantidade de movimento, energia e massa. Sua fenomenologia foi representada por equações de transporte, resolvidas com base no método de volumes finitos. A solução computacional foi feita através de código desenvolvido em linguagem de programação Fortran e a geração gráfica dos resultados realizada através do programa Tecplot. As fases consideradas no modelo desenvolvido foram: i) fase sólida: constituída por briquetes autoredutores e o combustível sólido (booster - fração adicionada juntamente com a carga de aglomerados) e, ii) fase gasosa: formada pelo chamado gás exterior, constituído por um conjunto de gases que reagem na parte externa dos aglomerados (principalmente pelo gás de baixo, oriundo da parte inferior do forno, e pelo sopro nas ventaneiras secundárias - V2) e pelo denominado gás interior, constituído pelo conjunto de gases gerados no interior do aglomerado auto-redutor, resultantes de uma série de reações previstas em sua fenomenologia. O modelo considera 25 reações dentre as quais estão as reações de redução, gaseificação do carvão e combustão do carvão, CO, voláteis, enxofre e do polissacarídeo, alem da formação do FeS. Foi possível estudar a influência da variação da vazão da V2, da temperatura e da vazão do gás de baixo, da taxa de alimentação do briquete e da perda de calor pelas paredes do forno. Os resultados, apresentados graficamente, foram: temperaturas do sólido, do gás exterior e do gás interior; as condições de redução na atmosfera gasosa (CO do gás exterior, CO do gás interior, CO2 do gás exterior, CO2 do gás interior); a distribuição dos óxidos de ferro préreduzidos e do Fe metálico e a distribuição do grau de redução. Além disso, parâmetros operacionais tais como produção, tempo de residência dos sólidos, volume das fases gasosas, assim como sua composição foram calculados pelo modelo. A partir dessas informações foi possível obter a metalização e, o volume, a temperatura e a composição media do gás de topo. Finalmente, eles demonstraram que a simulação computacional desenvolvida é uma poderosa ferramenta para análise dos parâmetros operacionais da auto-redução em forno de cuba, de custo relativamente baixo e capazes de otimizar o processo estudado. === The development of new reduction processes capable to use as raw materials mining and metallurgical residues, or based in cold agglomeration of self reducing mixtures (Fastmet, ITmk3, Tecnored) is regarded nowadays as an alternative to conventional processes, being the principal of these the blast furnace. In this context it becomes vital to analyze the behavior of processes operating with self-reducing agglomerates, as those utilizing the RHF and shaft furnaces. The present work aims at the development of a mathematical model capable to simulate the solid state reduction zone conditions of a shaft furnace (upper zone) that utilizes self-reducing agglomerates as the iron source. This model is capable of treating three phases, interacting simultaneously and transferring momentum, energy and mass. The set of phenomenological transport equations are treated through the finite volume method. The computational solution is achieved by the means of a software code developed in Fortran programming language and further, the graphical generation of the results, carried through the Tecplot program. The considered phases for the model are firstly the solid phase consisting in self-reducing agglomerates and a solid fuel (booster - added together with the agglomerate). Secondly, the gaseous phase, formed by a external gas, which constitutes on a set of gases that react in the external part of the agglomerates (mainly made out by the low gas - mixture of gases coming from the bottom part of the furnace, blended with the gases blew in the secondary level of tuyeres - V2), and a internal gas, another gaseous phase, consisting on the set of gases generated inside the self-reducing agglomerate as the result of a series of foreseen reactions. The model takes into account 25 reactions, amongst which are the reduction reactions, gasification of the coal, the combustions of coal, CO, volatiles, sulfur and polysaccharide and considering also the FeS formation. The model permitted the study of the V2 temperature, low gas temperature, low gas flow, agglomerate feed rate and wall heat lost influence on the process. The results, here graphically presented, are: solid, external gas and internal gas temperatures; reduction conditions in the gaseous atmosphere (CO in external gas, CO in internal gas, CO2 in external gas, CO2 of the internal gas); profile of pre-reduced iron oxides and Fe metallic and; distribution profile of the reduction degree. Moreover, operational parameters such as production, the residence time of solids, the volume of the gas phase, as well as its composition had been calculated by the model. From this information it was possible to compute the metallization, the volume, the temperature and the composition of the top gas. Those results confirmed that the computational simulation is a powerful tool for the shaft furnace operational parameters analysis.