SUPERVISOR
Mohsen DavazdahEmami,Masoud Panepour
محسن دوازده امامی (استاد راهنما) مسعود پنجه پور (استاد مشاور)
STUDENT
Rahim Khosravi Nasab
رحیم خسروی نسب
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392
In FASTMET process, solid-gas heterogeneous reactions, such as reduction of hematite to magnetite, magnetite to wustite, wustite to iron and carbon to carbon-monoxide among reactants are possible. In this research these reactions in a packed bed are studied. Most researchers have pursued one-dimensional mathematical models to predict the reduction process. Due to extreme effects of temperature on the reduction process, the degree of reduction in cases with temperature profiles across the bed is considered in the present study. Therefore, the main goal of this study is to evaluate the effects of a 2D temperature field on the degree of reduction. In this research a bed containing magnetite and coal particles is modelled and numerically simulated. An unsteady and axisymmetric model for a cylindrical bed is presented and the governing equations are solved by adding the necessary macros in the FLUENT code. The simulated bed is heated by an electric furnace. The present study investigates the effect of volatile species of coal on reactions, the effect of mass fraction distribution of species on reaction rates, factors affecting heat transfer, comparing convective and diffusive flux and oxygen fraction of iron oxides. Gas species such as CO and CO2 released from coal are agents for initiating the reduction process. Magnetite reduction to wustite appears to be more progressive than other reactions, because it is less sensitive to temperature, so CO is produced at high temperatures. The generated carbon monoxide is diffused to the location with less temperature, due to concentration gradients. The diffusive flux profile comprises two extremum points at different times because of high consumption rate of CO. Between these two points, the traort mechanism is mainly due to convection and the diffusive flux is less than convection flux. Therefore, it can be concluded that both convection and diffusion are important in CO traort. Reaction rate increases with increasing CO pressure that contributes to formation of wustite and iron. Increasing the amount of wustite decreases thermal conductivity, whereas increasing the amount of iron increases the conductivity. In this study, the rate and concentration of solid species such as magnetite, wustite and iron along the bed are determined, and oxygen fraction of iron oxides at different radial locations have been calculated based on these rates. Due to the existence of temperature profile in radial direction, oxygen fraction of iron oxides shows more than 50 percent difference between radial location of 0 and 25 mm. This shows that, one and two dimensional solutions under non-symmetrical thermal boundary conditions could produce predictions with significant differences. Moreover, in this work, a rotary hearth furnace is simulated to find out the temperature distribution in such bed. Because of non-uniform distribution of radiation and convection heat flux in furnace, a temperature difference of 90 K in the first reduction zone is obtained. Consequently, due to significant effects of temperature change on oxygen fraction of iron oxides, two-dimensional models is considered suitable in rotary hearth furnace modeling. Keywords: FASTMET Process, Direct Reduction, Rotary Hearth Furnace, Oxygen Fraction of Iron Oxides and Radiation.
در فرآیند فستمت واکنش های ناهمگن از نوع جامد-گاز نظیر احیای هماتیت به مگنتیت، مگنتیت به وستیت، وستیت به آهن و کربن به مونواکسیدکربن در فصل مشترک واکنش دهنده ها می تواند انجام پذیرد. در پژوهش حاضر این واکنش ها بهصورت بستر فشرده موردبررسی قرارگرفته است. اکثر محققین برای پیش بینی فرآیند احیا مدل ریاضی یک بعدی ارائه داده اند. با توجه به تأثیرپذیری شدید احیا از دما، میزان احیا در نمونه هایی که تقارن دمایی ندارند باید بررسی شود. ازاینرو هدف اصلی در این پژوهش بررسی اثر عدم تقارن در شرایط مرزی دمایی بر میزان احیا است. یکی از پارامترهای مهم در توزیع دما در بستر ضریب هدایت گرمایی مؤثر بستر است. لذا فرمول های هدایت مؤثر مختلف بررسی، نتایج با داده های آزمایشگاهی مقایسه و فرمول مناسب ارائه شده است. در پژوهش حاضر بستر حاوی ذرات مگنتیت و زغالسنگ مدل سازی و بهصورت عددی شبیه سازی شده است. یک مدل ناپایا و تقارن محوری برای بستر استوانه ای شکل با حل کامل معادلات انتقال ارائهشده و با افزودن مدولهای لازم توسط برنامه نویسی در محیط نرمافزار فلوئنت حل شده است. این بستر توسط یک کوره ی الکتریکی از مقطع گرما می گیرد. در این پژوهش اثر تولید گونه های محبوس شده در زغالسنگ در واکنش ها، اثر توزیع کسر جرمی گونه ها بر نرخ ها، عوامل مؤثر بر انتقال گرما، مقایسه شار نفوذ و جابجایی و کسر اکسیژن اکیسدهای آهن بررسی شده است. گونه های آزادشده مانند CO و CO 2 از زغالسنگ، عامل شروع واکنش های احیا می باشند، هم چنین مواد آزادشده بر سرعت واکنش ها اثرگذار است. واکنش احیای مگنتیت به وستیت پیشروی بیشتری نسبت به دیگر واکنش ها به دلیل حساسیت کمتر نسبت به دما دارد، لذا مونواکسیدکربن در دمای بالا تولید می شود. مونواکسیدکربن تولید شده به دلیل اختلاف غلظت به مکان با دمای کمتر نفوذ می کند. در شار نفوذ مونواکسیدکربن دو بیشینه در زمان های مختلف در بستر وجود دارد که به دلیل نرخ بالای مصرف CO در بین این دو بیشینه است. بین این دو بیشینه انتقال CO توسط جابجایی انجام می شود و مقدار شار نفوذ CO کمتر از جابجایی است بنابراین می توان نتیجه گرفت که جابجایی و نفوذ هر دو در انتقال گونه ی CO نقش دارند. با افزایش شار CO نرخ واکنش ها افزایش مییابد که باعث تولید گونه هایی مانند وستیت و آهن می شود. با افزایش مقدار وستیت و آهن در بستر، هدایت گرمایی به ترتیب کاهش و افزایش می یابد. عامل مهم دیگر در تغییر رفتار دما مصرف گرما توسط واکنش کربن به مونواکسیدکربن است که باعث تورفتگی (تغییر شیب) در منحنی دما می شود. در این تحقیق نرخ و غلظت گونه های جامد مانند مگنتیت، وستیت و آهن در طول بستر محاسبه و بر اساس آن کسر اکسیژن اکسیدهای آهن در شعاع های مختلف بررسی شده است. به دلیل شرط مرزی نامتقارن دمایی کسر اکسیژن اکسیدهای آهن، تغییرات بیش از 50 درصدی در شعاع 25 میلی متر نسبت به خط محور دارد. این موضوع نشان می دهد، حل یک بعدی احیا در نمونه هایی که تقارن دمایی ندارد، خطای قابل توجهی در میزان آهن تولید شده ارائه می دهد. در این تحقیق هم چنین کوره بستردوار به منظور پیدا کردن توزیع دما در بستر شبیه سازی شده است. با توجه به توزیع نایکنواخت شار تشعشع در کوره، اختلاف دما در عرض بستر در ناحیه احیا اول 90 کلوین به دست آمده است بنابراین به دلیل اثر قابل توجه تغییر دما بر کسر اکسیژن اکسیدهای آهن بهتر است از مدل دوبعدی در پیش بینی احیا در کوره بستر دوار استفاده شود. کلمات کلیدی :فرآیند فستمت، کوره بستردوار، احیا مستقیم، کسر اکسیژن اکسیدهای آهن و تشعشع.