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CFD Modeling of the Industrial-Scale Bottom-Fired Direct Reduced Iron Reforming Process
Industrial & Engineering Chemistry Research ( IF 3.8 ) Pub Date : 2024-06-26 , DOI: 10.1021/acs.iecr.4c01775 Sirisha Parvathaneni 1 , Marcelo W. Andrade 1
Industrial & Engineering Chemistry Research ( IF 3.8 ) Pub Date : 2024-06-26 , DOI: 10.1021/acs.iecr.4c01775 Sirisha Parvathaneni 1 , Marcelo W. Andrade 1
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In the iron and steel-making process, direct reduced iron (DRI) is the very first step that uses CO and H2 to reduce iron ore and therefore contributes to fewer CO2 emissions than the conventional blast furnace process. The CO and H2 required for the DRI process are generated from bottom-fired reformers with reformer tubes filled with catalyst particles and transported to the shaft furnace for iron-ore reduction. Therefore, the DRI reforming process plays an essential role in DRI production by supplying reducing gases of the desired composition, flow rate, and temperature. In the present work, a 3D computational fluid dynamics model is developed to simulate the industrial-scale DRI reforming process that includes the multicomponent gas mixture flow in reactor tubes and burners, heat transfer from burner to tubes due to combustion on the burner side, and reforming reactions in catalyst-filled tubes. The pressure drop on the tube side due to the presence of the catalyst is calculated through a porous media approach. Results show the formation of a long and narrow flame on the burner side due to combustion, which led to an increase in the temperature of the tube wall and at the tube center. This enabled endothermic reforming reactions on the tube side and resulted in the consumption of CH4 and H2O and the formation of CO and H2. The model predictions of tube outlet reformed gas temperature and composition and the temperature at different axial locations at the tube wall and center are in satisfactory agreement with ArcelorMittal’s plant data.
中文翻译：
工业规模底烧直接还原铁重整工艺的 CFD 建模
在钢铁生产过程中，直接还原铁 (DRI) 是利用 CO 和 H 2 还原铁矿石的第一步，因此有助于减少 CO 2 排放优于传统高炉工艺。 DRI工艺所需的CO和H 2 由底部燃烧式重整器产生，重整器管内装有催化剂颗粒，并输送至竖炉进行铁矿石还原。因此，DRI 重整过程通过提供所需成分、流量和温度的还原气体，在 DRI 生产中发挥着至关重要的作用。在目前的工作中，开发了一个 3D 计算流体动力学模型来模拟工业规模的 DRI 重整过程，其中包括反应器管和燃烧器中的多组分气体混合物流动、由于燃烧器侧燃烧而从燃烧器到管的热传递，以及在充满催化剂的管中进行重整反应。由于催化剂的存在而导致的管侧压降通过多孔介质方法计算。结果表明，由于燃烧在燃烧器一侧形成了细长的火焰，导致管壁和管中心的温度升高。这使得管侧发生吸热重整反应，导致 CH 4 和 H 2 O 的消耗，并形成 CO 和 H 2 。模型预测的管出口重整气温度和成分以及管壁和中心不同轴向位置的温度与安赛乐米塔尔工厂数据吻合良好。
更新日期：2024-06-26
中文翻译：
工业规模底烧直接还原铁重整工艺的 CFD 建模
在钢铁生产过程中，直接还原铁 (DRI) 是利用 CO 和 H 2 还原铁矿石的第一步，因此有助于减少 CO 2 排放优于传统高炉工艺。 DRI工艺所需的CO和H 2 由底部燃烧式重整器产生，重整器管内装有催化剂颗粒，并输送至竖炉进行铁矿石还原。因此，DRI 重整过程通过提供所需成分、流量和温度的还原气体，在 DRI 生产中发挥着至关重要的作用。在目前的工作中，开发了一个 3D 计算流体动力学模型来模拟工业规模的 DRI 重整过程，其中包括反应器管和燃烧器中的多组分气体混合物流动、由于燃烧器侧燃烧而从燃烧器到管的热传递，以及在充满催化剂的管中进行重整反应。由于催化剂的存在而导致的管侧压降通过多孔介质方法计算。结果表明，由于燃烧在燃烧器一侧形成了细长的火焰，导致管壁和管中心的温度升高。这使得管侧发生吸热重整反应，导致 CH 4 和 H 2 O 的消耗，并形成 CO 和 H 2 。模型预测的管出口重整气温度和成分以及管壁和中心不同轴向位置的温度与安赛乐米塔尔工厂数据吻合良好。
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