Title

CFD MULTISCALE SIMULATION OF MULTIPLE GAS-SOLID REACTIONS IN THE INDUSTRIAL IRONMAKING PROCESS*

CFD MULTISCALE SIMULATION OF MULTIPLE GAS-SOLID REACTIONS IN THE INDUSTRIAL IRONMAKING PROCESS

Authorship

METOLINA, PATRÍCIA; ZERWAS, ALEXANDER ARIYOSHI; SILVA, ANDRÉ LUIZ NUNIS DA; GUARDANI, ROBERTO

METOLINA, PATRÍCIA

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ZERWAS, ALEXANDER ARIYOSHI

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SILVA, ANDRÉ LUIZ NUNIS DA

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GUARDANI, ROBERTO

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DOI

10.5151/2594-357X-41257

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Abstract

Neste estudo, foi proposto um modelo multi-escala em geometria 2D axissimétrica para descrever o processo de redução direta de minério de ferro em um reator de leito móvel. O sistema consiste no movimento descendente de pelotas porosas de minério de ferro que reagem com o fluxo ascendente de gás, entrando pela lateral e pela parte inferior do reator. O modelo cinético de grão e as equações de massa, calor e momento para os dois domínios discretizados, pelotas e reator, foram resolvidos usando o método dos elementos finitos. Os resultados permitiram avaliar detalhadamente as heterogeneidades existentes dentro do reator e das pelotas sólidas, demonstrando uma boa capacidade preditiva com dados de uma planta industrial de redução direta. O modelo pode ser ampliado para projetar o processo visando a transição energética para a produção de ferro com baixa emissão de carbono, aumentando a concentração de hidrogênio no processo.

In this study, a 2D axisymmetric multiscale model was proposed to describe the direct reduction of iron ore process in a moving bed reactor. The system comprises the downward movement of porous iron ore pellets reacting with the countercurrent gaseous flow entering from the side and lower part of the reactor. The grain kinetic model and the mass, heat, and momentum equations for the two discretized physical of pellets and reactor were solved using finite element method. The results provided a detailed evaluation of the heterogeneities within the reactor and solid pellets, demonstrating good predictive capability with data from an industrial direct reduction plant. The model can be extended to design the process for the energy transition towards low-carbon iron production by increasing the hydrogen content in the process.

Keywords

Redução direta com hidrogênio; Reações gás-sólidas; Modelagem em multi-escala; Leito móvel.

Hydrogen direct reduction; Gas-solid reactions; Multiscale modeling; Moving-bed reactor.