Modelagem e simulação computacional da injeção de carvão pulverizado no canal adutor da “raceway” de altos-fornos

The blast furnace is a counter current flow reactor whose main purpose is to produce hot metal. This process uses as auxiliary fuel the injection of pulverized coal through the equipment termed tuyere. Recently, the price of premium coals became prohibitive for using in the blast furnace, especially in Brazil, where this raw material is imported. The analysis was based on a 3D multi phase mathematical model. Three phases are considered in this model, namely, gaseous phase and two solid phases of pulverized coals. It was analyzed a high volatile and low volatile pulverized coal into different configurations of injection lances. The pulverized coal phases are considered separately pursuing velocity fields, temperature and the chemical composition. The chemical kinetics rates were adapted from literature and eventually the rate constants were adjusted for representing the individual reactivity of the pulverized coal. The numerical solutions of the highly non-linear system of differential equations were obtained in a computational code written in Fortran 90/95, based on finite volume method. Nonorthogonal mesh was used to representing the geometry of experimental apparatus and the raceway channel. The model was validated against experimental results and afterwards was used to simulate the injection of two pulverized coals into the raceway. The comparison between model results for temperature and gas composition and experimental/industrial data showed very close agreement. The mathematical model proved to be useful to predict the effect of injection of different coal types in the raceway and an efficient tool to evaluate new raw materials for the blast furnace. Key words: Blast furnace, ironmaking, tuyeres, Pulverized coal injection, mathematical modeling, computational simulation.O alto-forno é um reator de fluxo contra corrente e tem como principal objetivo a produção de gusa. A injeção de materiais particulados é feita via ventaneiras objetivando diminuir a quantidade de coque carregado via topo do alto-forno. Esta técnica abriu as opções de utilização de matérias-primas de menor valor agregado que o coque, insumo que no Brasil é produzido com misturas de carvões importados. Este trabalho propõe a simulação da injeção de carvão pulverizado utilizando um modelo matemático 3D, multifásico. Como fases consideramse uma fase gasosa e duas fases sólidas correspondendo a dois tipos de carvões pulverizados, com alto e baixo teor de voláteis respectivamente. Desta forma, as fases sólidas, quando consideradas simultaneamente na injeção, são representadas por diferentes campos de velocidade e temperatura, além de sua própria composição química. As taxas de cinética química das reações foram consideradas através de modelos clássicos da literatura e eventualmente tiveram suas constantes ajustadas para melhor representarem os carvões individualmente no processo industrial. A solução numérica foi obtida através de um código desenvolvido em Fortran 90/95, com base no método de volumes finitos utilizado na discretização do sistema de equações diferenciais não lineares. A malha utilizada é não ortogonal para melhor representar a geometria do equipamento experimental descrito na literatura e utilizado para validar o modelo e, posteriormente, a geometria das ventaneiras com diferentes pontos de injeção. Os resultados obtidos de temperatura e composição do gás apresentam uma boa concordância com os resultados experimentais. O modelo também se mostra eficiente para a previsão do efeito de diferentes tipos de carvão injetados via ventaneiras. Palavras-chave: Alto-forno, redução, ventaneiras, injeção de carvão, modelagem matemática, simulação computacional

Modelagem e simulação computacional da injeção de carvão pulverizado no canal adutor da “raceway” de altos-fornos

The blast furnace is a counter current flow reactor whose main purpose is to produce hot metal. This process uses as auxiliary fuel the injection of pulverized coal through the equipment termed tuyere. Recently, the price of premium coals became prohibitive for using in the blast furnace, especially in Brazil, where this raw material is imported. The analysis was based on a 3D multi phase mathematical model. Three phases are considered in this model, namely, gaseous phase and two solid phases of pulverized coals. It was analyzed a high volatile and low volatile pulverized coal into different configurations of injection lances. The pulverized coal phases are considered separately pursuing velocity fields, temperature and the chemical composition. The chemical kinetics rates were adapted from literature and eventually the rate constants were adjusted for representing the individual reactivity of the pulverized coal. The numerical solutions of the highly non-linear system of differential equations were obtained in a computational code written in Fortran 90/95, based on finite volume method. Nonorthogonal mesh was used to representing the geometry of experimental apparatus and the raceway channel. The model was validated against experimental results and afterwards was used to simulate the injection of two pulverized coals into the raceway. The comparison between model results for temperature and gas composition and experimental/industrial data showed very close agreement. The mathematical model proved to be useful to predict the effect of injection of different coal types in the raceway and an efficient tool to evaluate new raw materials for the blast furnace. Key words: Blast furnace, ironmaking, tuyeres, Pulverized coal injection, mathematical modeling, computational simulation.O alto-forno é um reator de fluxo contra corrente e tem como principal objetivo a produção de gusa. A injeção de materiais particulados é feita via ventaneiras objetivando diminuir a quantidade de coque carregado via topo do alto-forno. Esta técnica abriu as opções de utilização de matérias-primas de menor valor agregado que o coque, insumo que no Brasil é produzido com misturas de carvões importados. Este trabalho propõe a simulação da injeção de carvão pulverizado utilizando um modelo matemático 3D, multifásico. Como fases consideramse uma fase gasosa e duas fases sólidas correspondendo a dois tipos de carvões pulverizados, com alto e baixo teor de voláteis respectivamente. Desta forma, as fases sólidas, quando consideradas simultaneamente na injeção, são representadas por diferentes campos de velocidade e temperatura, além de sua própria composição química. As taxas de cinética química das reações foram consideradas através de modelos clássicos da literatura e eventualmente tiveram suas constantes ajustadas para melhor representarem os carvões individualmente no processo industrial. A solução numérica foi obtida através de um código desenvolvido em Fortran 90/95, com base no método de volumes finitos utilizado na discretização do sistema de equações diferenciais não lineares. A malha utilizada é não ortogonal para melhor representar a geometria do equipamento experimental descrito na literatura e utilizado para validar o modelo e, posteriormente, a geometria das ventaneiras com diferentes pontos de injeção. Os resultados obtidos de temperatura e composição do gás apresentam uma boa concordância com os resultados experimentais. O modelo também se mostra eficiente para a previsão do efeito de diferentes tipos de carvão injetados via ventaneiras. Palavras-chave: Alto-forno, redução, ventaneiras, injeção de carvão, modelagem matemática, simulação computacional

Modelamento matemático e simulação de um ensaio de combustão de carvão pulverizado

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorA injeção de carvão pulverizado é uma boa maneira de se manter a estabilidade de um alto-forno. Além, de reduzir custos operacionais , pois esta técnica viabiliza a utilização de matérias-primas de menor custo que o coque, fato este que a torna desejável e útil, muito utilizada no processo moderno de fabricação de aço. Apesar da possibilidade aberta para a utilização de um número maior de matérias primas, a injeção de material particulado via ventaneiras necessita de um critério seletivo, onde algumas propriedades devem ser mantidas, sobre tudo para a injeção de carvões, dentre as principais características a serem observadas, estão o teor de cinzas e de enxofre. O modelamento matemático tem aumentado consideravelmente por não demandar altos investimentos para desenvolver sistemas de injeção. Nesta dissertação um modelamento matemático foi desenvolvido para verificar o comportamento da combustão de carvões de alto e baixo teor de matéria volátil em usando resultados de um equipamento de combustão. Os resultados obtidos neste trabalho estão de acordo com resultados previamente verificados na literatura. O modelo foi ainda estendido para simular o canal adutor da raceway, obtendo uma queima de aproximadamente 36 % do carvão pulverizado sendo queimado no canal adutor da raceway, ode se tem principalmente matéria volátil que é queimada fora desta região