Abstract
The blast furnace process is the most common way throughout the world to produce pig iron. The primary fuel and reducing agent in a blast furnace is coke. Coke is a fossil fuel and the most expensive raw material in iron production. Blast furnace ironmaking is an energy-intensive process, which results in high energy costs. Auxiliary fuels are injected into the blast furnace to replace expensive coke. They provide energy for the blast furnace operation and act as a source of reduction agents for iron oxides. Coke replacement with high auxiliary fuel injection levels leads to permeability changes in a blast furnace shaft, because of the increased amount of unburnt coal.
In this thesis, fuel injection with two different auxiliary fuels, heavy oil and pulverized coal, was studied using computational fluid dynamics (CFD) modeling. The aim was to improve the combustion of auxiliary fuels by increasing the understanding of the phenomena in the blast furnace tuyere-raceway area. The atomization model for modeling the heavy oil combustion was selected and validated using the results of an experimental rig from the literature. The atomization model was applied to study the effect of different nozzles on heavy oil mixing with the air blast. In addition, the model was used to study the effect of lance position on the combustion efficiency of heavy oil. A pulverized coal combustion model was developed and validated with experimental data from the literature. Pulverized coal combustion was modeled with different lance positions to evaluate its effect on combustion efficiency.
Based on the results, heavy oil mixing in the air blast can to a great extent, be boosted by the nozzle design. Furthermore, the heavy oil combustion is more efficient when the lance position is farthest from the tuyere nose. But the increasing temperature inside the tuyere causes ablation of the tuyere walls, which creates a constraint for the lance position. The results from the pulverized coal combustion study show that the model works well for the tuyere-raceway area. In addition, the effect of lance position on the combustion efficiency of the pulverized coal is very small, and the lance should be positioned as close to the tuyere nose as possible to avoid fouling of the tuyere walls and the ignition inside the tuyere. / Tiivistelmä
Suurin osa maailman raakaraudasta valmistetaan masuuniprosessilla. Masuunin ensisijainen polttoaine ja rautaoksidien pelkistin on koksi. Koksi on fossiilinen polttoaine ja kallein raaka-aine masuunissa. Raudanvalmistus on erittäin energiaintensiivistä, joten valmistuksen energiakustannukset ovat korkeat. Lisäpolttoaineinjektiota käytetään masuunissa korvaamaan osa koksista sekä energian tuottajana että pelkistimenä. Injektiomäärät pyritään kasvattamaan mahdollisimman suuriksi, mutta injektiomäärien kasvaessa palamattoman kiinteän polttoaineen määrä kasvaa ja koksipatjan kaasunläpäisevyys heikkenee.
Väitöskirjatutkimuksessa luotiin virtauslaskentamalli hormin ja palo-onkalon alueelle kahta lisäpolttoainetta (raskas polttoöljy, kivihiilipöly) varten. Sen avulla tutkittiin palamista hormin ja palo-onkalon alueella tavoitteena lisätä tietoa palamista rajoittavista tekijöistä. Pisaroitumismalli valittiin ja validoitiin kirjallisuusdatan perusteella raskaan polttoöljyn toimiessa lisäpolttoaineena. Mallia käytettiin tutkittaessa erilaisia suuttimia palamisilman ja polttoaineen sekoittumisen tehostamiseen. Lisäksi sitä käytettiin mallinnettaessa lanssin sijainnin vaikutusta raskaan polttoöljyn palamistehokkuuteen. Kivihiilipölylle luotiin palamismalli, joka validoitiin olemassa olevan kokeellisen datan perusteella. Tätä mallia hyödynnettiin tutkittaessa kaksoislanssin sijainnin vaikutusta palamistehokkuuteen.
Tulosten perusteella voidaan todeta, että öljylanssin suuttimella on suuri vaikutus palamisilman ja polttoaineen sekoittumiseen. Lisäksi voidaan päätellä, että raskaan polttoöljyn palaminen tehostuu siirrettäessä lanssia syvemmälle hormiin, mutta syttyminen tapahtuu liian aikaisin ja kasvava lämpötila voi sulattaa hormin seinämät. Tämä aiheuttaa rajoituksen lanssin sijainnille hormissa. Kivihiilipölyn palamisen mallin todettiin toimivan erittäin hyvin hormin ja palo-onkalon alueilla. Tämän ohella havaittiin, että lanssin sijainnilla oli hyvin pieni vaikutus palamisasteeseen, jolloin lanssi kannattaa sijoittaa mahdollisimman lähelle hormin suuta, jotta vältetään hormiin kohdistuva ylimääräinen lämpökuorma ja hormin likaantuminen.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:oulo.fi/oai:oulu.fi:isbn978-952-62-1770-3 |
| Date | 08 December 2017 |
| Creators | Vuokila, A. (Ari) |
| Contributors | Keiski, R. (Riitta), Muurinen, E. (Esa) |
| Publisher | Oulun yliopisto |
| Source Sets | University of Oulu |
| Language | English |
| Detected Language | Finnish |
| Type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess, © University of Oulu, 2017 |
| Relation | info:eu-repo/semantics/altIdentifier/pissn/0355-3213, info:eu-repo/semantics/altIdentifier/eissn/1796-2226 |
Page generated in 0.0023 seconds