Title

ANÁLISE DO GÁS HIDROGÊNIO COMO COMBUSTÍVEL PARA GRANDES ALTOS-FORNOS UTILIZANDO UM MODELO NUMÉRICO MULTIFÁSICO GLOBAL

ANALYSIS OF THE HYDROGEN GAS AS FUEL FOR LARGE BLAST FURNACES USING A COMPREHENSIVE MULTIPHASE NUMERICAL SIMULATION APPROACH

Authorship

Castro, José Adilson de; Medeiros, Giulio Antunes de; Silva, Leonardo Martins da; Oliveira, Elizabeth Mendes de

Castro, José Adilson de

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Medeiros, Giulio Antunes de

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Silva, Leonardo Martins da

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Oliveira, Elizabeth Mendes de

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DOI

10.5151/2594-357X-39788

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Abstract

Um procedimento de simulação numérica é proposto para analisar injeções de hidrogênio, oxigênio e gás de alto-forno (BFG) misturados com carvão pulverizado nas ventaneiras de grandes altos-fornos. O uso massivo de gás rico em hidrogênio é altamente atraente para o alto-forno siderúrgico, caracterizando uma nova abordagem que permite aumentar a produtividade e diminuir as emissões específicas de dióxido de carbono em direção a uma tecnologia de produção de ferro com zero emissões de carbono. No entanto, a mistura de injeções de gases e carvão pulverizado é uma tecnologia complexa com mudanças drásticas na temperatura interna e nos padrões de fluxo de gás, além de seus efeitos nas reações químicas e trocas de energia. Com foco na avaliação do estado interno do alto-forno sob operação tão complexa, um modelo matemático detalhado foi desenvolvido usando a teoria das múltiplas interações entre fases. O modelo trata simultaneamente as fases de sólidos granulados (sinter, small coke, pelotas, coque granulado e minério de ferro), gás, metal líquido, escória e carvão pulverizado. As equações governantes de conservação são formuladas para as quantidades de movimento, massa, espécies químicas e energia simultaneamente discretizadas e resolvidas usando a técnica de volumes finitos. O modelo numérico é verificado contra uma condição operacional de referência usando 195 quilogramas de carvão pulverizado por tonelada de gusa (kg/t gusa). Assim, injeções combinadas de diferentes concentrações de hidrogênio combustível, BFG e oxigênio são simuladas para 160 e 220 kg/t gusa de injeção de carvão. A análise teórica mostrou que condições operacionais estáveis poderiam ser alcançadas com um aumento de produtividade de 47%. Finalmente, demonstramos que a utilização líquida de carbono por tonelada de gusa diminuiu em 21%.

A numerical simulation procedure is proposed for analyzing hydrogen, oxygen, and blast furnace gas (BFG) injections mixed with pulverized coal within the tuyeres of large blast furnaces. The massive use of hydrogen-rich gas is highly attractive to the steelmaking blast furnace in the context of carbon net-zero hot metal production. Likewise, this new approach allows for increasing productivity and decreasing the specific emissions of carbon dioxide toward a net-zero carbon ironmaking technology. Nevertheless, mixed gas with pulverized coal injections is a complex technology with drastic changes in the inner temperature and gas flow patterns, in addition to their effects on the chemical reactions and energy exchanges. Focusing on the evaluation of inner furnace status under such complex operation a comprehensive mathematical model has been developed using the multi-interactions of phases theory. The model treats simultaneously the lump solids (sinter, small coke, pellets, granular coke, and iron ores), gas, liquid metal, slag, and pulverized coal phases. The governing conservation equations are formulated for momentum, mass, chemical species, and energy simultaneously discretized and solved using the finite volume technique. The numerical model is verified against a reference operational condition using pulverized coal of 195 kilograms per ton of hot metal (kg/thm). Thus, combined injections of varying fuel hydrogen, BFG, and oxygen concentrations are simulated for 160 and 220 kg/thm of coal injection. Theoretical analysis showed that stable operations conditions could be achieved with a productivity increase of 47%. Finally, we demonstrated that the net carbon utilization per hot metal ton decreased 21%.

Keywords

Alto-forno; Modelo matemático; Hidrogênio; Emissão de CO2; Carbono líquido zero.

Blast furnace; Mathematical model; Hydrogen; CO2 emission; Net-zero carbon.