DEM-CFD Simulation von Mehrphasensystemen mit der Anwendung auf den Hochofenprozess

Von:

Frederik Bambauer

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Die in mehrphasigen Systemen auftretenden Wechselwirkungen zwischen festen, flüssigen und gasförmigen Phasen sind oftmals sehr komplex und messtechnisch nur schwer zu erfassen. Gerade bei Hochtemperaturanwendungen, wie bei der Reduktion und dem Schmelzen von Eisenerzen im Hochofen, ist aufgrund der extremen Bedingungen und der Größe des Systems die Verfügbarkeit von Messdaten in der Praxis sehr limitiert. Aus diesem Grund stellen numerische Modelle eine zentrale Technologie zum tieferen Verständnis der ablaufenden Prozesse und zur Entwicklung von Betriebsstrategien bereit. In der vorliegenden Arbeit wird eine Simulationsmethodik vorgestellt, mit der die physikalischen Wechselwirkungen in Mehrphasensystemen industrieller Größenordnung abgebildet werden können. Ausgangspunkt ist die Diskrete Elemente Methode (DEM) mit der eine zeitaufgelöste, dreidimensionale Beschreibung diskreter Einzelobjekte und deren Umgebung realisiert werden kann. Das strömungsmechanische Verhalten von flüssigen und gasförmigen Phasen wird durch den CFD-Code ANSYS Fluent beschrieben. Eine bidirektionale Kopplung der Programme gestattet die Berechnung der Wechselwirkung zwischen den betrachteten Phasen. Basierend auf dieser Simulationsmethodik wird ein numerisches Modell des industriellen Hochofens 4 der Roheisengesellschaft Saar mbH erstellt. In dem entwickelten Hochofenmodell wird ein vierphasiges System aus den festen Beschickungsstoffen, dem aufsteigenden Reduktionsgas und den flüssigen Eisen- und Schlackephasen berücksichtigt. Innerhalb der Arbeit werden anhand von zwei Studien die grundsätzliche Funktionalität des Modells aufgezeigt und zwei definierte Betriebsszenarien aus dem Jahr 2017 mit dem Fokus auf den physikalischen Wechselwirkungen im Gestell des Hochofens gegenübergestellt.