水素還元製鉄炉を想定した流動・伝熱・還元反応シミュレーションモデルの開発

开发假设氢还原炼铁炉的流动、传热和还原反应模拟模型

• 批准号: 22K04791
• 负责人: 篠竹 昭彦
• 金额: $ 2万
• 依托单位: Teikyo University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K04791/
• 关键词: 製鉄; シャフト炉; シミュレーション; 伝熱; 固気二相流; カーボンニュートラル; 水素

まず固体－気体の伝熱シミュレーションモデルを開発するため、CFDソフトウェアSTAR-CCM+(シーメンス社、CFDソフトであるが固体流れにDEMを用いることが可能)をライセンス購入し、既存のPCにSTAR-CCM+計算環境を構築した。インストールおよび計算環境設定時に不具合が多発したが、ベンダーの技術者とやり取りを繰り返して解決し、計算実行環境を整えた。このソフトを用いて、実験装置として使用する円筒状の領域を対象としてグリッド作成を行い、円筒内に固体粒子を充填して、下方から高温ガスを流して固体を昇温させる実験条件に対応する初期条件・境界条件を設定し、固気伝熱には既往の文献式を使用して計算を試行した。実験については、予備的に既存の装置を用いて、固体粒子を充填した層に高温のガスを流して伝熱を行う実験を試みた。実際のプロセスは、高温水素含有ガスで鉄鉱石粒子を加熱昇温して還元するプロセスを想定しているが、モデルを検証する模型実験のため、固体粒子は粒径約10mmの鉄鉱石(焼結鉱)を用いたが、ガス側は、水素の代わりにヘリウム、窒素の代わりに空気と、物性値が近いガスで代替する実験を計画した。しかしながら、ヘリウムは高価かつ調達困難であるため、まずは安価かつ調達容易なアルゴンを代わりに使用することとし、空気(コンプレッサーから供給)、アルゴン(ガスボンベから供給)を単独または混合して送風し、気体を加熱して固体充填層に送り、固体の昇温を計測する実験を行った。ガス組成、ガス温度、ガス流量を変更して実験を行った。この予備実験の結果、固体充填層の圧損による流量計での測定流量と実通過流量の相違があることや、ガスの昇温速度の違いが固体の温度上昇に影響するなどの問題点があることが分かり、信頼できるデータを得るための実験方法の改良を検討中である。

首先，为了开发固气传热模拟模型，我购买了CFD软件STAR-CCM+的许可证（西门子，CFD软件，但是可以使用DEM进行固体流），并将STAR-CCM+安装在一台计算机上。搭建了现有的PC环境。在安装和搭建计算环境的过程中遇到了很多问题，但通过与厂商工程师的反复沟通解决了问题，并搭建了计算执行环境。使用该软件，我们创建了一个圆柱形区域的网格作为实验装置，在圆柱体中填充固体颗粒，并对应于通过从下方流动高温气体加热固体的实验条件初始条件和边界条件。设置，并尝试使用现有的固体-空气传热文献公式进行计算。实验方面，我们利用现有的装置进行了初步实验，通过高温气体流过充满固体颗粒的床层来传递热量。实际过程假设是铁矿石颗粒用高温含氢气体加热加热并还原的过程，但由于这是验证模型的模型实验，因此固体颗粒由铁矿石构成（然而，在气体方面，我们计划使用具有相似物理性质的气体进行实验，例如用氦气代替氢气，用空气代替氮气。然而，由于氦气价格昂贵且难以获取，因此我们首先决定使用廉价且易于获取的氩气，而不是单独吹入空气（由压缩机提供）和氩气（由气瓶提供）。进行了一项实验，通过加热固体并将其发送到固体填充床来测量固体的温升。通过改变气体成分、气体温度和气体流速来进行实验。本次预实验的结果是，由于固体填充床内的压降，导致流量计测量的流量与实际流量存在差异，以及气体的温升速率差异等问题。我们现在正在考虑改进实验方法以获得可靠的数据。