شبیه سازی انتقال گرما و افزایش راندمان حرارتی واکنش احیای ناقص هماتیت در فرآیند تولید آهن اسفنجی در کوره تونلی

فن آوری تولید آهن در کوره تونلی به روش احیای مستقیم، امکان احداث واحدهای کوچک تولید آهن با سرمایه-گذاری پایین را ایجاد می کند. در پژوهش حاضر تلاش بر این بوده که با توسعه یک مدل ریاضی برای انتقال گرما و واکنش احیای اکسید آهن، چگونگی پیشرفت واکنش در فرایند تولید آهن اسفنجی در کوره تونلی به منظور یافتن راهکارهای مفید برای افزایش راندمان و کاهش مصرف انرژیشبیه سازی و پیش بینی شود. در این فرایند، مواد اولیه واکنش، شامل پودر هماتیت و، پودر زغال، و در بوته های استوانه ای سوار بر واگن وارد کوره ای به طول m۱۰۰ شه و از سه ناحیه گرمایی کوره عبور می کند. در ناحیه اول تا C ۱۲۰۰⁰ پیشگرم شده، در ناحیه دوم تحت همان دما واکنش انجام می شود و در ناحیه سوم مواد سرد شده و گرمای آن برای پیشگرم گرفته می شود. میدان محاسبات درابعاد بوته های استوانه ای در حالت ناپایدار یک بعدی در راستای شعاع در نظر گرفته شد. معادلات حاکم بر مبنای پایستاری انرژی، ترمودینامیک و سینتیک واکنش های احیا به صورت یک مدل چندفازی نوشته شد. در این مدل فاز گاز CO۲ CO۲، فاز جامد واکنش گر Fe۲O۳ و جامد محصول Fe۳O۴ در حجم کنترلی حضور دارند. کسر حجمی فازها با استفاده از معادله پیوستگی، نرخ واکنش و ضریب استوکیومتری اجزای واکنش مدلسازی شد. معادلات حاکم با استفاده از روش حجم محدود گسسته سازی گردید و به کمک برنامه نویسی فرترن به صورت یک مدل عددی پیاده سازی شد. خروجی مدل محاسباتی شامل توزیع دما و توزیع کسر مواد در حال واکنش درگذر از طول کوره تونلی (وابسته به زمان) است. نتایج عددی در مقایسه با داده های تجربی نیمه صنعتی موجود در منابع بررسی وتحلیل شدند. از میان نتایج بدست آمده از مطالعات پارامتری، افزایش ۳۰ % سرعت حرکت واگن در کوره موجب کاهش ۲۸ % زمان اتمام واکنش، بیشترین اثرگذاری بر کاهش طول منطقه احیا و در نتیجه کاهش مصرف انرژی را گزارش داد. نتایج این پژوهش گام کوچکی در راستای توسعه و بهینه سازی فناوری های مقیاس کوچک برای بازیافت آهن از اکسیدهای آهن غیرمتعارف مانند پوسته های اکسیدی خط نورد، غبارها و خاک های قراضه آهن خواهد بود.

کلیدواژه ها:

شبیه سازی عددی ، انتقال گرما ، تولید آهن اسفنجی ، افزایش راندمان