Projektbeschreibung

Die CO₂-Emissionen der Stahlindustrie können durch eine Transformation von der kohlenstoffbasierten Hochofenroute hin zur überwiegend wasserstoffbasierten Direktreduktionsroute deutlich gemindert werden. In der Direktreduktion werden Eisenerzpellets in einem Gegenstromreaktor mithilfe von Reduktionsgasen zu Eisen reduziert und ggf. aufgekohlt. Mit der Nutzung von Erdgas als Reduktionsgas ist die Direktreduktion bereits industrieller Stand der Technik. Durch eine erhöhte Nutzung von Wasserstoff als Reduktionsgas ändern sich allerdings die Reaktions- und Aufkohlungsreaktionen und somit die optimalen Betriebsbedingungen im Reaktor. Diese Veränderungen sollen in dem Projekt simulativ erforscht werden.

Um die Vorgänge innerhalb der Pellets sowie in der umströmenden Gasphase im Detail untersuchen zu können, wird eine partikelaufgelöste CFD-Simulation (PRCFD) für die Direktreduktion entwickelt. Diese ermöglicht eine transiente Simulation des lokalen Impuls-, Wärme- und Massentransports sowie die Abbildung chemischer Reaktionen im Pellet und in der Gasphase. Im Rahmen eines Multiskalen-Ansatzes wurde zunächst ein kinetisches 3D-Modell eines einzelnen porösen Pellets entwickelt. Dieses bildet die heterogenen Reaktionen mit veränderlichen Gas- und Feststoffzusammensetzungen sowie Porositäten, die Porendiffusion und die Temperaturentwicklung lokal und transient im Pellet ab. Durch die Kopplung dieses Kinetikmodells mit der Gasphase mittels der PRCFD können externe Strömungseffekte und homogene Gasphasenreaktionen berücksichtigt werden. Die PRCFD soll für Ausschnitte aus den verschiedenen Zonen in der Direktreduktion wiederholt werden, um die jeweils vorliegenden Reaktionsbedingungen und Pelleteigenschaften abzubilden. Damit kann der Einfluss von u. A. Gaszusammensetzung und ‑geschwindigkeiten, Temperatur, Druck, Pelletgröße, Porosität und Tortuosität untersucht werden.