DEM/CFD-Simulation eines skalierten Hochofenmodells
In der hier dargestellten Videosequenz werden Simulationsergebnisse eines geometrisch skalierten (Maßstab etwa 1:8) isothermen Hochofenmodells gezeigt. Die Ergebnisse verdeutlichen die Wirkung eines zunehmenden Gasgegenstroms auf die Partikelbewegung innerhalb des Schachtsystems.
In der Simulation (in Anlehnung an [1]), werden Koks und Erz (mit entsprechend unterschiedlichen Partikelabmessungen und Dichten) abwechselnd als diskrete Phase (DEM) aufgegeben und vom Heißgas (aufgegeben durch die Blasformen, berechnet als kontinuierliche Fluidphase, CFD) durchströmt.
Der Volumenstrom nimmt über den betrachteten Simulationszeitraum bis zu einem Grenzwert von etwa 78 % der Fluidisierungsgeschwindigkeit der dichteren Erzschicht kontinuierlich zu. Im Bereich der "kohäsiven Zone", in welchem das Erz in schmelzflüssiges Eisen umgewandelt wird (blau = kleine Partikel), reduziert sich der Durchmesser der Erzpartikel entsprechend. Analog dazu verringert sich der Durchmesser der Kokspartikel in der Zone der "Raceways" vor den Blasformen. Durch diese zwei, die realen Prozesse zunächst nur grob abbildenden Maßnahmen, wird ein kontinuierlicher vertikaler Feststoffstrom induziert, der in Wechselwirkung mit dem entgegen strömenden Heißgas tritt. Darüber hinaus ist in der Simulation eine zweite fluide Phase mit einem fest vorgegebenen Füllstand (flüssiges Eisen/Schlacke) definiert, in welche die Kokspartikel (unten, im "Gestell" des Hochofens) eintauchen. Es ist deutlich sichtbar, dass sich mit zunehmender Durchströmung die Eintauchtiefe der Materialsäule verringert und sich darunter ein, aus der Hochofenpraxis bekanntes, radiales Eintauchprofil einstellt.
Der zunehmende Gasvolumenstrom verlangsamt maßgeblich die Sinkgeschwindigkeit des Schüttguts innerhalb des Schachts, gegen Ende der Sequenz verursacht dieser zusätzlich eine radiale Segregation und Teildurchmischung der Schichten. Dies führt zur Auflösung der Schichtstruktur und zu Schieflagen der Durchströmung.
[1] Zhou Z., Zhu H., Yu A., Zulli P. Numerical Investigation of the Transient Multiphase Flow in an Ironmaking Blast Furnace. ISIJ International 2010;50:515-23.