شبیه سازی انتقال گرما و پیش بینی 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 شبیه سازی و پیش بینی شود. در این فرایند، مواد اولیه واکنش، شامل پودر هماتیت و پودر زغال، در بوته های استوانه ای سوار بر واگن وارد کوره ای به طول ~100 m شده و از سه ناحیه گرمایی کوره عبور می کند. در ناحیه اول تا 1200 ͦC 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 در ابعاد بوته های استوانه ای در حالت ناپایدار یک بعدی در راستای شعاع در نظر گرفته شد. معادلات حاکم بر مبنای پایستاری انرژی، ترمودینامیک و سینتیکواکنش های احیا به صورت یک مدل چندفازی نوشته شد. در این مدل فاز گاز (2CO-(CO ، فاز جامد واکنشگر (Fe2O3) و جامد محصول (Fe3O4) در حجم کنترلی حضور دارند. کسر حجمی فازها با استفاده از معادله پیوستگی، نرخ واکنش و ضریب استوکیومتری اجزای واکنش مدل سازی 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 و تحلیل شدند. از میان نتایج بدست آمده از مطالعات پارامتری، کاهش 20 درصدی شعاع بوته موجب کاهش 10 درصدی زمان اتمام واکنش، بیشترین اثرگذاری بر پیشروی واکنش را گزارش داد. نتایج این پژوهش گام کوچکی در راستایتوسعه و شناخت 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.

Keywords:

شبیه سازی عددی , کوره تونلی , انتقال گرما , آهن اسفنجی , احیا هماتیت