PL194554B1 - Sposób optymalizacji planowania i przebiegu procesu redukcji - Google Patents

Abstract

1. Sposób optymalizacji planowania i prze- biegu procesu redukcji zawierajacych zelazo, korzystnie zbrylonych materialów wsadowych w szybie redukcyjnym, do którego doprowadza sie gaz redukujacy, na przyklad z reaktora sta- piajaco-zgazowujacego, przy czym zredukowa- ny produkt, przykladowo zelgrude pobiera sie z szybu redukcyjnego do wytwarzania cieklej surówki albo cieklych wyjsciowych produktów stalowniczych, znamienny tym, ze proces re- dukcji opisuje sie za pomoca modelu matema- tyczno-fizyczno-chemicznego, oraz ze szyb re- dukcyjny (1) modeluje sie wielowymiarowo, w szczególnosci trójwymiarowo, a model pro- cesu analizuje sie numerycznie, a wyniki anali- zy uzyskane jako wielowymiarowe, w szczegól- nosci przestrzenne rozklady wielkosci fizycz- nych lub chemicznych uwzglednia sie w prze- biegu procesu redukcji. PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób optymalizacji planowania i przebiegu procesu redukcji zawierających żelazo, korzystnie zbrylonych materiałów wsadowych w szybie redukcyjnym, do którego doprowadza się gaz redukujący, na przykład z reaktora stapiająco-zgazowującego, przy czym z szybu redukcyjnego jest pobierany redukowany produkt, przykładowo żelgruda, do wytwarzania ciekłej surówki albo ciekłych wyjściowych produktów stalowniczych.

Szybem redukcyjnym może być przykładowo szyb w procesie redukcji bezpośredniej albo stopień redukcji wstępnej w stałej fazie procesu redukcji wytopowej. W tym ostatnim przypadku podczas wytwarzania ciekłej surówki albo ciekłych wstępnych produktów stalowniczych materiały wsadowe, jak ruda żelazna, korzystnie w postaci zbrylonej lub spieczonej, ewentualnie z dodatkami, są redukowane w szybie bezpośrednio na żelgrudę, która jest ładowana do strefy stapiania-zgazowywania i tam jest stapiana przy doprowadzaniu nośników węgla i gazu zawierającego tlen. Powstaje przy tym gaz redukujący, zawierający CO i H2, który jest odprowadzany ze strefy stapiania i zgazowywania i wchodzi do szybu redukcyjnego, gdzie następuje przemiana i po zakończeniu redukcji materiałów wsadowych zawierających żelazo jest odprowadzany jako gaz gardzielowy.

W procesie produkcyjnym tego rodzaju trudno jest oszacować optymalny poziom produkcji, gdyż mają na to wpływ specjalne właściwości materiałów wsadowych, jak wytrzymałość, skłonność do rozpadu przy redukcji, tworzenie się spieków a także środków redukujących.

Nowe instalacje są dziś eksploatowane przy założeniu wysokiej jakości surowca i środków redukujących, jednak nie znajduje to odzwierciedlenia w ofercie sektora surowcowego. W efekcie występują wąskie gardła w zaopatrzeniu w surowce i związane z tym zakłócenia produkcyjne, ponieważ nie są znane graniczne parametry prowadzenia procesu z surowcami o niższej jakości.

Z drugiej strony podczas konstruowania nowych szybów redukcyjnych o powiększonej lub zmienionej geometrii oraz wykorzystywania zmienionych materiałów wsadowych w istniejących instalacjach nie ma pewności co do oddziaływania tych zmian. Zwłaszcza istnieje niepewność odnośnie płynięcia materiału kolumn niestopionego wsadu i ich oddziaływania na przepływ gazu. Niepewność tę daje się usunąć tylko częściowo poprzez eksperymenty na rzeczywistych instalacjach lub też na w miarę dokładnych modelach. Dlatego przy ocenie wpływu geometrii szybu redukcyjnego i charakterystyki surowca na proces redukcji jest się skazanym nadal na doświadczenia eksploatacyjne uzyskiwane na istniejących instalacjach redukcyjnych, przy czym w szczególności ryzykowne jest przenoszenie zebranych w ten sposób danych na dotychczas nie wypróbowane formy geometryczne i materiały wsadowe, gdyż nie są to dane obiektywne ani wymierne.

lstniejące już tak zwane modele „Black-Box niedostatecznie uwzględniają procesy przebiegające w instalacji redukcji lub też w szybie redukcyjnym, gdyż modele te są ukierunkowane na zależności empiryczne, ale nie mogą dostarczyć informacji o wewnętrznych stanach szybu redukcyjnego.

Istnieje zatem zapotrzebowanie na wyeliminowanie wspomnianych wad i rozwinięcie sposobu, za pomocą którego można analizować ilościowo i poprzez to optymalizować proces redukcji w całym szybie redukcyjnym.

Zgodny z wynalazkiem sposób optymalizacji planowania i przebiegu procesu redukcji zawierających żelazo, korzystnie zbrylonych materiałów wsadowych w szybie redukcyjnym, do którego doprowadza się gaz redukujący, na przykład z reaktora stapiająco-zgazowującego, przy czym zredukowany produkt, przykładowo żelgrudę pobiera się z szybu redukcyjnego do wytwarzania ciekłej surówki albo ciekłych wyjściowych produktów stalowniczych, charakteryzuje się tym, że proces redukcji opisuje się za pomocą modelu matematyczno-fizyczno-chemicznego, oraz że szyb redukcyjny (1) modeluje się wielowymiarowo, w szczególności trójwymiarowo, a model procesu analizuje się numerycznie, a wyniki analizy uzyskane jako wielowymiarowe, w szczególności przestrzenne rozkłady wielkości fizycznych lub chemicznych uwzględnia się w przebiegu procesu redukcji.

Korzystnie model procesu powstaje z uwzględnieniem osiadania i redyspergowania pyłu.

Korzystniej, osiadanie pyłu modeluje się przez zmianę udziału objętościowego osiadającego pyłu.

W korzystniej odmianie model procesu powstaje z uwzględnieniem nieliniowych właściwości fazy stałej, a w szczególności fazę stałą modeluje się jako ciecz quasiplastyczną według takiego kryterium płynięcia, jak kryterium Druckera-Pragera, Von Misesa lub Tresca.

Korzystnie podczas modelowania procesów chemicznych i fizycznych wykorzystuje się kinetyczne uwarunkowania przebiegu tych procesów. Korzystnie podczas modelowania procesów chePL 194 554 B1 micznych i fizycznych bierze się pod uwagę stany równowagi. Także korzystnie podczas modelowania procesów chemicznych i fizycznych bierze się pod uwagę zależność temperaturową.

W korzystniej odmianie wynalazku materiały biorące udział w procesie przyporządkowuje się w modelu procesu do poszczególnych faz, jak na przykład fazy gazowej lub co najmniej jednej fazy ziarnistej lub co najmniej jednej fazy pyłowej. Korzystniej faza ziarnista charakteryzuje się określoną wielkością ziaren i określonym surowcem.

Korzystnie dla każdej fazy sporządza się bilans masowy tej fazy i odpowiednie bilanse składników. W szczególności udziały określonych pierwiastków chemicznych, na przykład w postaci udziałów masowych, wylicza się z bilansów składników. Korzystnie dla stworzenia bilansu pędu i bilansu energii łączy się kilka faz w grupę, przy czym fazy jednej grupy mają jednakowe pole prędkości, ciśnienia i temperatury. Korzystniej fazę gazową i fazę pyłu rozproszonego w gazie przyporządkowuje się do pierwszej grupy faz gazowych, a fazy ziarniste oraz fazę pyłu osiadłego w fazie stałej przyporządkowuje się do drugiej grupy faz stałych, przy czym dla każdej z tych dwóch grup tworzy się odpowiedni bilans pędu i bilans energii.

Najkorzystniej przewiduje się kwantowanie szybu redukcyjnego (1) i obliczanie bilansów metodami numerycznymi, takimi jak na przykład metoda różnic skończonych, metoda elementów skończonych, metoda objętości skończonych lub metoda reszt ważonych. W szczególności celem zredukowania czasu obliczeń przez wykorzystanie symetrii wykonuje się obliczenia modelu procesu tylko dla trójwymiarowego wycinka szybu redukcyjnego.

W korzystnej odmianie część chemicznych i/lub fizycznych właściwości materiałów stosowanych w procesie, w szczególności do modelowania kinetyki chemicznej, osiadania pyłu i zachowania się fazy stałej, takich jak kąt tarcia wewnętrznego i kohezja, wyznacza się z testów materiałowych.

W korzystnej odmianie, geometrię szybu redukcyjnego (1) przejmuje się poprzez przesyłanie danych z programu CAD.

W korzystnej odmianie, wyniki obliczeń odwzorowuje się graficznie na ekranie komputera na przykład na rysunku przekroju.

W korzystnej odmianie, poprzez wielokrotne obliczanie w trybie „off-line modelu procesu dla różnej geometrii szybu redukcyjnego (1) można odpowiednio rozplanować ten szyb.

W korzystnej odmianie, poprzez wielokrotne obliczenia w trybie „off-line modelu procesu przy zróżnicowanych parametrach procesu i/lub określonych materiałach wsadowych i/lub warunkach brzegowych optymalizuje się proces redukcji.

W korzystnej odmianie, steruje się lub też optymalizuje się proces redukcji poprzez obliczenia w trybie „on-line modelu procesu z uwzględnieniem aktualnych parametrów procesu. Korzystniej optymalizacja procesu redukcji polega na maksymalizacji albo osiągnięciu zadanego współczynnika metalizacji redukowanego produktu przy minimalnym zużyciu surowca i/lub energii.

Nowością w tym wynalazku jest to, że po raz pierwszy umożliwia on wielowymiarowe ilościowe wyznaczanie wielkości fizycznych i chemicznych w całym szybie redukcyjnym i pozwala podejmować zobiektyzowaną ocenę przebiegu procesu redukcji, tak że dzięki wykorzystaniu tego narzędzia symulacyjnego konstrukcja i eksploatacja nowych instalacji oraz eksploatacji istniejących urządzeń ze zmienionymi materiałami wsadowymi są związane z mniejszym ryzykiem.

Celem stworzenia modelu procesu zadawane są wymiary geometryczne szybu redukcyjnego, chemiczne i fizyczne właściwości poszczególnych materiałów stosowanych w procesie, warunki brzegowe potrzebne do rozwiązania równań różniczkowych oraz parametry służące do prowadzenia procesu redukcji.

Wynik obliczeń modelu procesu dostarcza dla każdej fazy przynajmniej rozkład przestrzenny ciśnienia, prędkość, udział objętościowy, skład chemiczny i przestrzenny rozkład temperatury w szybie redukcyjnym.

Tworzenie modelu procesu z uwzględnieniem nieliniowych właściwości fazy stałej pozwala na zbliżony do rzeczywistości opis przepływu fazy stałej, zwłaszcza wtedy, gdy fazę stałą modeluje się jako ciecz quasiplastyczną według takiego kryterium płynięcia jak kryterium Druckera-Pragera, Von Misesa lub Tresca. W ten sposób uwzględnia się istnienie krytycznego naprężenia stycznego granulowanej fazy stałej, co umożliwia obliczenie na przykład niestopionych stref martwych.

Wykorzystanie kinetycznego uwarunkowania przebiegu tych procesów, umożliwia odwzorowanie przestrzenne przebiegu reakcji w każdym miejscu szybu redukcyjnego. Określenie „kinetyczne oznacza w tym przypadku, że rozpatrywany proces przebiega z określoną prędkością.

PL 194 554 B1

Udziały określonych pierwiastków chemicznych, na przykład w formie udziałów wagowych, można wyliczyć z bilansów składników. Tak na przykład do obliczenia stopnia metalizacji można wyliczyć udziały wagowe żelaza z udziałów składników, jak udziały wagowe Fe, FeO, Fe2O3 w jednej lub kilku fazach.

Poprzez modułowe potraktowanie poszczególnych procesów można je najpierw rozpatrywać oddzielnie, przy czym równania, w szczególności równania różniczkowe poszczególnych bilansów, można rozwiązywać za pomocą najbardziej przydatnej w danym przypadku metody matematycznej.

Do obliczenia modelu procesu przewiduje się wykorzystanie metod numerycznych, jak na przykład metoda różnic skończonych, metoda elementów skończonych, metoda objętości skończonych lub metoda reszt ważonych. Dzięki temu można dysponować dostatecznie dokładną metodą numeryczną dostosowaną do każdego bilansu. Przy tym rozwiązanie modelu procesu można uzyskać poprzez sukcesywną iterację obliczenia bilansów.

Testy materiałowe zapewniają zgodność parametrów materiałów uwzględnianych w modelu procesu z rzeczywistymi właściwościami wykorzystywanych materiałów.

Wykorzystanie danych z programu CAD pozwala małym nakładem pracy zmieniać geometrię tego szybu w modelu procesu.

Odwzorowane graficzne wyniki obliczeń na ekranie komputera na przykład na rysunku przekrojowym daje nam do dyspozycji na przykład wynik analizy modelu procesu w przejrzystej i szybko przyswajalnej postaci, który służy za podstawę do podejmowania dalszych środków w szybie redukcyjnym.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia istotne dla wynalazku części instalacji do realizacji procesu redukcji wytopowej, fig. 2 przekrój wzdłużny szybu redukcyjnego z jednej strony osi wzdłużnej oraz fig. 3 - widok z góry na fragment szybu redukcyjnego.

Na figurze 1 zaznaczono strzałką 3 wspólne ładowanie do szybu redukcyjnego 1 rudy żelaza 4 i dodatków 5, a po skończonej reakcji produkt 13, w zasadzie żelgruda, jest wyprowadzany przez urządzenia transportowe 8 i dochodzi do reaktora stapiająco-zgazowującego 6, do którego doprowadza się również węgiel urządzeniem transportowym 7, przy czym wytopiony produkt jest odprowadzany według strzałki 23. Powstający w reaktorze 6 gaz redukujący 9 jest oczyszczany w cyklonie 11, przy czym oddzielone substancje stałe 12 są odzyskiwane i następnie wprowadzane do szybu 1, gdzie po skończonej reakcji są one odprowadzane jako gaz gardzielowy 14. Część 16 gazu redukującego 9 przechodzi przez urządzenie chłodzące i oczyszczające 17 i potem jest znów dodawana do gazu 9 przed cyklonem 11, w wyniku czego gaz 9 jest ochładzany do temperatury wymaganej w szybie redukcyjnym 1.

Na figurze 2 przedstawiono ładowanie surowca 3, rudy żelaznej (np. z Fe2O3 jako nośnik żelaza) i dodatków przez rozdzielacz 30 do szybu redukcyjnego 1, zwanego dalej w skrócie szybem. W przemieszczającym się powoli w dół złożu stałym 2, z którego ukazano na rysunku stożek zasypowy 32, następuje chemiczna przemiana rudy żelaznej na żelgrudę. Ruch złoża stałego, zaznaczony dwiema skierowanymi w dół strzałkami, jest wymuszany przez umieszczone na dnie szybu 1 przenośniki ślimakowe, które odprowadzają żelgrudę 13 i które poza szybem 1 są opasane króćcami ślimakowymi 39. Przez przewody spadowe 36 żelgruda 13 dostaje się do reaktora stapiająco-zgazowującego, przy czym przez te przewody 36 może wchodzić do szybu 1 gaz spustowy zgodnie ze strzałką 37. Gaz redukujący 9, zwany dalej w skrócie gazem, płynie do szybu 1 przewodem pierścieniowym 33 zaopatrzonym w szczeliny wlotowe 34 i zgodnie ze skierowanymi w górę strzałkami płynie w górę w przeciwprądzie do złoża stałego 2 wychodząc z szybu dwoma przewodami 35 (gaz gardzielowy 14). Zawarty w gazie tlenek węgla (CO) i wodór (H2) reagują chemicznie z rudą żelaza (Fe2O3), w wyniku czego powstaje żelgruda (Fe).

Figura 3 ukazuje wycinek szybu 1 z fig. 2, przy czym widać tu odnogę rozdzielacza 30 umieszczoną między dwoma przenośnikami ślimakowymi oraz rozmieszczone na całym obwodzie szybu szczeliny wlotowe 34.

Przy wysokiej metalizacji żelgrudy spada znacznie prędkość redukcji i w reaktorze stapiająco-zgazowującym odbywa się mała część redukcji, tak że pożądany jest współczynnik metalizacji około 90%.

Z rudą żelaza ładowane są do szybu 1 dodatki (wapień, dolomit), żeby zapewnić odsiarczenie surowca i małą lepkość żużla w reaktorze 6. W szybie 1 wywiązuje się z tych dodatków dwutlenek węgla, to znaczy jest on doprowadzany do gazu 9, co nazywa się odkwaszaniem lub kalcynowaniem.

PL 194 554 B1

Ładowany surowiec 3 (ruda żelaza, dodatki) jest wilgotny i osusza się on w górnej części szybu 1.

Woda jest odciągana z wsadu 2 ( zasyp w szybie, złoże stałe) i jest doprowadzana do gazu 9. Surowce 3 zawierają też substancje obojętne, które nie biorą udziału w reakcjach chemicznych, jak skała płonna w rudzie żelaza.

Napływający do szybu 1 gaz 9 zawiera pył, który jest wydzielany częściowo na złożu stałym 2. Jednak już oddzielony pył może ponownie redyspergować do gazu 9 wskutek lokalnie wysokiej prędkości gazu.

Gaz 9 składa się zasadniczo ze składników (cząsteczek) zawierających węgiel, wodór i tlen, które mogą reagować ze sobą chemicznie, w wyniku czego jest produkowany lub zużywany między innymi także stały węgiel. Dlatego reakcje te wpływają na zawartość pyłu w gazie 9 lub w złożu stałym 2.

Ze względu na zróżnicowaną temperaturę początkową gazu 9 (kilkaset stopni Celsjusza) i fazy stałej 2 (temperatura otoczenia) w szybie 1 i z uwagi na efekt cieplny procesów przemian fizycznych/chemicznych występują różnice temperatury między substancjami stałymi 2 i gazem 9, które zmniejszają się poprzez przechodzenie ciepła.

Ilość wsadu surowca jest sterowana na ogół poprzez prędkość obrotową przenośników ślimakowych 38. llość gazu płynącego przez szyb 1 jest w zasadzie zwiększana przez obniżenie ciśnienia gazu nad złożem stałym, i odwrotnie.

Celem pracy szybu jest uzyskanie wymaganego współczynnika metalizacji rudy przy dobrym wykorzystaniu gazu, co oznacza, że w trakcie redukcji rudy możliwie duża ilość zawartego w gazie CO i H2 przemienia się w CO2 i H2O. W efekcie mamy minimalne zużycie zasobów, maksymalną efektywność i minimalne obciążenie środowiska naturalnego. Złe wykorzystanie gazu pogarsza ten efekt i może nawet przyczynić się do tego, że nie osiągnie się pożądanego współczynnika metalizacji.

Z uwagi na warunki brzegowe (urządzenia wsadowe i spustowe, szczeliny wlotowe) modeluje się szyb celowo trójwymiarowo. Aby skrócić czas obliczeń, rozpatruje się na ogół tylko wycinek szybu (np. 30° lub 60°), patrz fig. 3. Wycinek ten jest kwantowany, a bilanse (masowy, składników, pędu i energii) rozwiązuje się na przykład dla każdej komórki za pomocą odpowiednich metod numerycznych.

Wpływy powodujące asymetrię w szybie (nierównomierne w czasie i przestrzeni ładowanie wsadu, częściowo ułożony przewód pierścieniowy i szczeliny wlotowe) mogą być wyznaczone przy rozpatrywaniu tylko wycinka szybu przez okresowe warunki brzegowe lub przez uruchamiane kolejno przebiegi obliczeniowe z różnymi warunkami brzegowymi. W zasadzie można też obliczać cały szyb, ale powoduje to wydłużenie czasów obliczeń.

Podczas modelowania materiały są przyporządkowywane do poszczególnych faz. Gaz stanowi własną fazę, a pył unoszony z gazem i pył wydzielany na złożu stałym tworzą każdy własną fazę.

Każda klasa ziaren i każdy surowiec (ruda, wapień,...) stanowią oddzielną fazę ziarnistą. Dlatego liczba faz ziarnistych jest równa iloczynowi liczby surowców i liczby klas ziarnistości. Na przykład przy 4 surowcach - 2 rodzaje rudy, wapień i dolomit - i 6 klasach ziarnistości między 0 mm i 50 mm występuje 24 faz ziarnistych. Tak więc w sumie istnieje na przykład 27 faz, na którą to liczbę składa się liczba faz ziarnistych (np. 24) + dwie fazy pyłowe + jedna faza gazowa.

W modelu trójwymiarowym istnieje na ogół dla każdej fazy bilans masowy, m-1 bilansów składników przy m składnikach, wektorowy bilans pędu, równanie stanu i bilans energii.

Każda faza ma własną prędkość, własne ciśnienie i własną temperaturę. Masa, pęd i ciepło są wymieniane między fazami. Stąd wynika dla każdej fazy udział objętościowy fazy, udziały składników w ramach fazy, prędkość w trzech kierunkach, ciśnienie i temperatura.

Ale ta ścisła procedura jest konieczna tylko przy obliczaniu udziałów objętościowych i udziałów składników w ramach poszczególnych faz. Jest możliwe, ale nie konieczne uwzględnienie dyfuzji w fazach ziarnistych i fazach pyłowych.

W przypadku bilansów pędu i energii celowe jest połączenie kilku faz w grupę faz. Na przykład taka grupa obejmuje wszystkie fazy ziarniste i fazę pyłową osiadłą w zasypie, a inna grupa obejmuje fazę gazową i rozproszoną w gazie fazę pyłową. Wówczas wszystkie fazy ziarniste i osiadła w zasypie faza pyłowa mają wspólne pole prędkości, ciśnienia i temperatury. Różni się od tego wspólne pole prędkości, ciśnienia i temperatury fazy gazowej i rozproszonej w gazie fazy pyłowej.

Poniżej opisano tworzenie modelu dla poszczególnych faz. Bilanse są rozpatrywane w stałym układzie współrzędnych (metoda Eulera). Strumienie masy, pędu i energii, wzrosty i spadki masy i energii oraz siły zewnętrzne są rozpatrywane dla każdej objętości komórki.

PL 194 554 B1

Bilans masowy fazy q dla dowolnej komórki sieciowej w szybie redukcyjnym wygląda następująco:

zmiana w czasie gęstości masowej dowolnej fazy q (gaz, ziarnisty pył) + suma wszystkich konwekcyjnych strumieni masowych, które dochodzą do lub wychodzą z komórki suma wszystkich źródeł dodatnich i źródeł ujemnych masowych fazy q w komórce

gdzie

Sq - udział objętościowy fazy q [-]

Pq - gęstość fazy q [kg/m³] n' q - prędkość fazy q [m/s] mpq - strumień masowy z fazy p do fazy q [kg/(m3 s)]

V - operator Nabla w postaci wektorowej

N - liczba faz t - czas [s]

Bilans składnika l w dowolnej ziarnistej albo pyłowej fazie q (nie gazowej) dla dowolnej komórki sieciowej w szybie redukcyjnym wygląda następująco:

zmiana w czasie gęstości masowej składnika l (np. Fe2O3, CaO itd.) w fazie q (ziarnistej lub pyłowej) + suma wszystkich konwekcyjnych strumieni masowych składnika l, które dochodzą do lub wychodzą z komórki suma wszystkich źródeł dodatnich i źródeł ujemnych masowych składnika l w fazie q

gdzie ε_α - udział objętościowy fazy q [-]

Pq - gęstość fazy q [kg/m³] mql - udział masowy składnika I w fazie q [-] n' q - prędkość fazy q [m/s] mpq- strumień masowy składnika I z fazy p do q [kg/(m³ s)] • Γ 8

V - operator Nabla w postaci wektorowej — d 3y 3z

3x

N - liczba faz t - czas [s]

W bilansie składników fazy gazowej g dla dowolnej komórki sieciowej w szybie redukcyjnym może być celowe uwzględnienie strumienia dyfuzji, na przykład wtedy, gdy trzeba obliczyć przemieszanie między gazem redukującym i gazem spustowym (na ogół nie jest konieczne uwzględnianie strumienia dyfuzji):

PL 194 554 B1 zmiana w czasie gęstości masowej składnika l (np. CO, H2 itd.) w fazie gazowej g + suma wszystkich konwekcyjnych strumieni masowych składnika I, które dochodzą do lub wychodzą z komórki suma wszystkich źródeł dodatnich i źródeł ujemnych masowych składnika l w fazie gazowej g

gdzie eg - udział objętościowy fazy g [-]

P^g - gęs^to^{ść f}azy g [^kg/m³] mgl - udział masowy składnika l w fazie gazowej g [-]

V g - prędkość fazy g [m/s] mpgl - strumień masowy składnika I z fazy p do g [kg/ (m³ s)]

Dgi - współczynnik dyfuzji lub dyspersji składnika I w fazie gazowej g [kg/m3 s)]

V - operator Nabla w postaci wektorowej

5 5 ” ' ~~~ t dx dy dz

N - liczba faz t - czas [s]

Nie trzeba zestawiać bilansów pierwiastków. Celem sprawdzenia (np. metalizacji) wylicza się z udziałów składników (np. udziały masowe Fe, FeO, Fe2O₃ w jednej lub kilku fazach) udziały pierwiastków (np. udziały masowe Fe, O).

Bilanse pędów niekoniecznie tworzy się indywidualnie dla każdej fazy, lecz mogą być też tworzone dla grup faz. Na przykład celowe są następujące grupy faz dla bilansów pędu:

grupa q obejmuje sumę wszystkich faz ziarnistych i osiadłej w zasypie fazy pyłowej, grupa g obejmuje fazę gazową i rozproszoną w gazie fazę pyłową.

Wektorowy bilans pędu dla grupy wszystkich faz ziarnistych i osiadłej w zasypie fazy pyłowej wygląda następująco:

zmiana w czasie gęstości pędu faz ziarnistych i osiadłej w zasypie fazy pyłowej w komórce + suma wszystkich konwekcyjnych strumieni pędu fazy ziarnistej i osiadłej w zasypie fazy pyłowej z i do komórki + źródła dodatnie i źródła ujemne strumienia pędu, które są konsekwencją źródeł dodatnich i źródeł ujemnych masowych w fazach ziarnistych i osiadłej w zasypie fazy pyłowej wypór przez fazę ciągłą (gaz) + napór faz ziarnistych i fazy pyłowej w zasypie na komórkę + siły wywoływane naprężeniami stycznymi i normalnymi (dewiator naprężeń) + siła grawitacji + siła oporu między gazem i fazami stałymi na skutek tarcia statycznego gazu na powierzchni fazy stałej

gdzie eq - udział objętościowy faz ziarnistych i osiadłej w zasypie fazy pyłowej [-] p>q - gęstość faz ziarnistych i osiadłej w zasypie fazy pyłowej [kg/m³]

V q - prędkość faz ziarnistych i osiadłej w zasypie fazy pyłowej [m/s]

V g - prędkość fazy gazowej i rozproszonej w gazie fazy pyłowej g [m/s] p_g - ciśnienie fazy gazowej i rozproszonej w gazie fazy pyłowej g [Pa]

Pq - ciśnienie faz ziarnistych i osiadłej w zasypie fazy pyłowej („ciśnienie nasypowe) [Pa]

PL 194 554 B1 t q - dewiator naprężeń faz ziarnistych i osiadłej w zasypie fazy pyłowej [Pa] zawiera jako parametry kąt tarcia wewnętrznego i kohezję g - wektor przyspieszenia grawitacyjnego [m/s²]

Kgq - współczynnik wymiany pędu między fazami ziarnistymi i osiadłą w zasypie fazą pyłową q z jednej strony oraz fazą gazową i rozproszoną w gazie fazą pyłową g z drugiej strony (wyprowadza się z równania Erguna)

V - operator Nabla w postaci wektorowej

8 S r r dy dz

D/Dt - różniczka zupełna t - czas [s]

Bilans pędu dla grupy fazy gazowej i fazy pyłowej w gazie g różni się formalnie od bilansu pędu faz ziarnistych i osiadłej w zasypie fazy pyłowej q tylko brakiem wyporu:

zmiana w czasie gęstości pędu fazy gazowej i rozproszonej w gazie fazy pyłowej w komórce + suma wszystkich konwekcyjnych strumieni pędu fazy gazowej i rozproszonej w gazie fazy pyłowej z i do komórki + źródła dodatnie i źródła ujemne strumienia pędu, które są konsekwencją źródeł dodatnich i źródeł ujemnych masowych w fazie gazowej i rozproszonej w gazie fazy pyłowej napór fazy gazowej i rozproszonej w gazie fazy pyłowej na komórkę + siły wywoływane naprężeniami stycznymi i normalnymi (dewiator naprężeń) + siła grawitacji + siła oporu między gazem i fazami stałymi na skutek tarcia statycznego gazu na powierzchni fazy stałej

gdzie e_g - udział objętościowy fazy gazowej i rozproszonej w gazie fazy pyłowej [-] p>g - gęstość fazy gazowej i rozproszonej w gazie fazy pyłowej [kg /m³] n q - prędkość faz ziarnistych i osiadłej w zasypie fazy pyłowej [m/s] n g - prędkość fazy gazowej i rozproszonej w gazie fazy pyłowej g [m/s] p_g - ciśnienie fazy gazowej i rozproszonej w gazie fazy pyłowej g [Pa]

I q - dewiator naprężeń fazy gazowej i rozproszonej w gazie fazy pyłowej [Pa] g - wektor przyspieszenia grawitacyjnego [m/s²]

Kqg - współczynnik wymiany pędu między fazami ziarnistymi i osiadłą w zasypie fazą pyłową q z jednej strony oraz fazą gazową i rozproszoną w gazie fazą pyłową g z drugiej strony (wyprowadza się z równania Erguna)

V - operator Nabla w postaci wektorowej

8 8 ' r t dx dy dz

D/Dt - różniczka zupełna t - czas [s]

Jako przykład podaje się bilanse energii znowu dla obu grup faz wspomnianych przy bilansach pędu:

grupa q obejmuje sumę wszystkich faz ziarnistych i osiadłej w zasypie fazy pyłowej, grupa g obejmuje fazę gazową i rozproszoną w gazie fazę pyłową.

Bilans energii dla grupy wszystkich faz ziarnistych i pyłu w zasypie wygląda następująco:

PL 194 554 B1 zmiana w czasie gęstości entalpii faz ziarnistych i osiadłej w zasypie fazy pyłowej w komórce + suma wszystkich konwekcyjnych strumieni entalpii faz ziarnistych i osiadłej w zasypie fazy pyłowej z i do komórki strumień przewodzenia ciepła przez fazy ziarniste i osiadłą w zasypie fazę pyłową + strumień przechodzenia ciepła na fazy ziarniste i osiadłą w zasypie fazę pyłową + źródła dodatnie i źródła ujemne entalpii, które są konsekwencją masowych źródeł dodatnich i źródeł ujemnych składników w fazach ziarnistych i w fazie pyłowej zasypu

gdzie ε_α - udział objętościowy faz ziarnistych i osiadłej w zasypie fazy pyłowej q [-] Pq - gęstość faz ziarnistych i osiadłej w zasypie fazy pyłowej q [kg/m³] hq - entalpia faz ziarnistych i osiadłej w zasypie fazy pyłowej q [J/kg]

V q - prędkość faz ziarnistych i osiadłej w zasypie fazy pyłowej [m/s]

Xq - przewodność cieplna grupy faz q [W/(m K)]

Hgq -współczynnik wymiany ciepła między dwiema grupami faz [W/K]

Tq - temperatura faz ziarnistych i osiadłej w zasypie fazy pyłowej q [K]

Tg - temperatura fazy gazowej i rozproszonej w gazie fazy pyłowej g [K]

N - liczba faz

M - liczba składników mpql - strumień masowy składnika l z fazy p do q [kg/(m3 s)] hl - entalpia składnika l [J/kg]

- operator Nabla w postaci wektorowej d d d dx dy dz

t - czas [s]

Bilans energii dla grupy fazy gazowej i rozproszonej w gazie fazy pyłowej jest formalnie taki sam jak dla grupy faz ziarnistych i osiadłej w zasypie fazy pyłowej. Otrzymuje się go przez zamianę indeksu q na g.

Udziały objętościowe faz ziarnistych mogą być podane albo w całej przestrzeni obliczeniowej (wycinek szybu) albo korzystnie mogą być wyznaczone z równań stanu, patrz na przykład N. Ouchiyama i T. Tanaka 1988 „Porosity Estimations of Mixed Assemblages of Solid Particles with Different Packing Characteristics, Journal of Chemical Engineering of Japan, 21(2): 157-163 albo Johansen S. T., Laux H. „An Alternative Method for Numerical Solution of Dispersed Multiphase Flow Equations, Proceedings of the 2nd International Conference of Multiphase Flow, Kyoto, Japan 1995. Udziały objętościowe faz pyłowych wynikają z bilansu masowego faz pyłowych. Ustala się przez to również udział objętościowy fazy gazowej, gdyż suma udziałów objętościowych wszystkich faz w komórce jest równa jeden.

Siłę oporu w bilansach pędu można wyprowadzić ze wszystkich znanych równań, poprzez które można korzystnie modelować przepływ gazu przez porowate medium, na przykład z równania Erguna, patrz np. „Fluid fIow through packed columns, Sabri Ergun, 1952, Chemical Engineering Progress, 48 (2):89-94. Wpływ odmieszania, osiadania pyłu i pustych stref na przepływ gazu wyznacza się poprzez parametry materiału, takie jak miejscowy udział objętościowy faz ziarnistych i osiadłej w zasypie fazy pyłowej, miejscowa przeciętna średnica cząstek i miejscowy współczynnik kształtu.

Oddziaływanie temperatury, strumienia pyłu i reakcji chemicznych na strumień fazy stałej wyznacza się poprzez odpowiednie parametry w bilansach pędu faz stałych, jak na przykład poprzez kąt tarcia wewnętrznego i kohezję. Można przez to obliczyć takie zjawiska jak strumień rdzeniowy, tworzenie się stref niestopionego wsadu między urządzeniami wyjściowymi (np. przenośniki ślimakowe) albo powstawanie mostków. Poprzez zależność tych parametrów od stanów miejscowych, jak na przykład temperatura, udział objętościowy pyłu, zawartość siarki, można także obliczyć anormalne stany szybu, które są powodowane przez „sticking, „agglomeration lub „clustering (skupianie się

PL 194 554 B1 gaz:

ruda 1 i ruda 2: wapień, dolomit:

pył w gazie: pył w złożu stałym:

cząstek powodowane wiązaniem chemicznym, jak wiązanie Fe-Fe lub Fe-S, albo ze względu na fazę ciekłą występującą między cząstkami).

Wpływ odmieszania można uwzględnić w przybliżeniu poprzez warunki brzegowe (ustawienie uziarnienia ze zwiększonym udziałem materiału miałkiego w odnodze rozdzielacza). „Swelling” (przyrost objętości cząstek podczas redukcji) można oszacować w przybliżeniu podając małą gęstość FeO. Wpływ rozpadu ziaren i ich ścieranie uwzględnia się przez odpowiednie człony źródeł dodatnich i źródeł ujemnych w bilansach masowych faz gruboziarnistych.

Poniżej omówiono skład strukturalny faz. Każda faza zawiera składniki, które biorą udział w określonych procesach przemiany fizycznej/chemicznej. Wszystkie stałe składniki, które nie uczestniczą w żadnej przemianie fizycznej-chemicznej (skała płonna lub też A^O3, SiO2 itd.) można traktować łącznie jako składnik obojętny. Dla przykładu celowy jest następujący skład fazy gazowej, faz pyłowych lub też faz ziarnistych:

CO, CO2, H2, H2O(g), CH₄, N2 Fe2O3, FeO, Fe, H2O(l), substancje obojętne MgCO3, MgO, CaCO3, CaO, H2O(l), substancje obojętne

C, substancje obojętne C, substancje obojętne

Równania modelu obowiązują także wówczas, gdy na przykład uwzględnia się jeszcze więcej składników w pyle albo dodatkowe składniki, takie jak H2S lub cyjanki. Wydłuża się tylko odpowiednio czas obliczeń.

W członach źródeł dodatnich i źródeł ujemnych przytoczonych równań bilansowych są uwzględnione procesy przemian fizycznych/chemicznych, jak na przykład suszenie wszystkich faz ziarnistych, redukcja rudy z CO i H2 w kilku stopniach (żelazo hematytowe, magnetytowe, „brudne), przy czym mogą być pominięte szybkie stopnie redukcji, jak na przykład stopień magnetytowy, kalcynowanie wapienia i dolomitu, reakcje chemiczne w systemie C-H-O: reakcja Boudonarda, homogeniczna i heterogeniczna reakcja gazu wodnego, reakcje rozpadu metanu, oddzielanie/redyspergowanie pyłu: oddzielanie zawartego w gazie pyłu na złożu stałym lub też redyspergowanie pyłu zawartego w złożu stałym do gazu, rozpad ziaren, ścieranie.

Dla przykładu można przytoczyć bilansowanie składnika „tlenek węgla (CO), który występuje tylko w fazie gazowej. Człony źródeł dodatnich i źródeł ujemnych w bilansie CO powstają przez redukcję rudy i reakcje chemiczne w systemie C-H-O, jak na przykład reakcja Boudonarda. Zatem fazami mającymi udział w bilansie CO są wszystkie fazy rudy i fazy pyłowe.

Źródła dodatnie i źródła ujemne w bilansach można modelować dowolnie. Szczególnie korzystnie zestawia się je z potencjału (np. odstęp od równowagi termodynamicznej) i członu prędkości (np. współczynnik Arrheniusa, współczynnik dyfuzji przez warstwę produktu, współczynnik wnikania masy). Źródła dodatnie i źródła ujemne mogą być także tworzone na przykład w zależności od temperatury T, a więc dla różnych zakresów temperatury mają różną postać lub są aktywne dopiero od określonej temperatury. W przypadku faz stałych, uwzględnia się też w obliczaniu źródeł dodatnich i ujemnych współczynnik kształtu i przeciętną średnicę ziaren. W przypadku osiadania/redyspergowania pyłu miarodajnym jest maksymalny możliwy udział objętościowy pyłu zależny od rozkładu uziarnienia zasypu i miejscowej prędkości gazu. Pył osiada, gdy udział objętościowy oddzielanego pyłu jest mniejszy niż jego wartość równowagi. Redyspergowanie pyłu odbywa się, gdy udział objętościowy oddzielanego pyłu jest większy niż jego wartość równowagi.

Do formułowania źródeł dodatnich i źródeł ujemnych procesów chemicznych wykorzystuje się zwykłe parametry, jak np. rząd reakcji względem przemiany i współczynniki stechiometryczne.

Ze względu na dominację efektów cieplnych reakcji chemicznych i celem skrócenia czasu obliczeń nie uwzględniono w bilansach energii pracy mechanicznej i rozproszenia energii przez tarcie. Nie powoduje to istotnej zmiany wyników.

Rozwiązanie równań modelowych wymaga określenia warunków brzegowych, które można ustawiać według istniejących lub pożądanych schematów pomiarowych i regulacyjnych. Jeżeli na przykład podczas pracy mierzy się ciśnienie w gazie redukującym i w gazie spustowym oraz ilość gazu gardzielowego, to w modelu matematycznym ustawia się warunki brzegowe ciśnienia na wlotach gazu spustowego i gazu redukującego, a warunki brzegowe prędkości dla fazy gazowej ustawia się na powierzchni wsadu.

PL 194 554 B1

Poprzez odpowiednio dobrane warunki brzegowe można też modelować nawet skomplikowane części instalacji, jak na przykład urządzenia wyprowadzające. Nie trzeba przy tym modelować dokładnej geometrii i ruchu urządzenia wyprowadzającego, lecz modeluje się wyprowadzanie w postaci warunku brzegowego prędkości. Na przykład spust wsadu 2 można modelować poprzez warunek brzegowy prędkości na urządzeniu wyprowadzającym (np. na obwiedni ślimaka teoretyczny cylinder wokół zwojów przenośnika ślimakowego 38). Dzięki temu nie trzeba modelować samego ruchu ślimaka.

Warunki brzegowe nie muszą się ograniczać do wartości, lecz mogą być też zadawane profile ciśnienia, prędkości, temperatury, udziałów masowych i objętościowych. Poprzez okresowe warunki brzegowe można też śledzić asymetryczne warunki w wycinku szybowym.

Równania bilansowe i warunki brzegowe zawierają parametry materiałów oraz parametry, które można uzyskać ze standardowej literatury, jak na przykład masy cząsteczkowe, czyste gęstości, pojemności cieplne, przewodność cieplna okładziny ogniotrwałej, a także trzeba wyznaczyć doświadczalnie, jak na przykład kąty tarcia wewnętrznego, parametry kinetyczne redukcji, charakterystyka działania urządzeń wyprowadzających. Umożliwia to specyficzne dla danego surowca i instalacji obliczenie stanu pracy szybu.

Żeby zapewnić realistyczny opis przepływu fazy stałej, trzeba położyć szczególny nacisk na regułę materiałową potrzebną do określenia dewiatorów lub tensorów naprężeń. Najprościej jest zastosować, wykorzystywaną zwykle w mechanice przepływów liniową regułę materiałową dla „cieczy newtonowskich. Jednak nie pozwala to opisać takich występujących przy materiałach ziarnistych zjawisk, jak stożek usypowy lub strefy niestopionego wsadu. Dlatego trzeba zastosować nieliniowe reguły materiałowe.

Opracowana dla tego sposobu reguła materiałowa dotycząca ziarnistego strumienia, która jest skojarzona z tensorem naprężeń i gradientami prędkości, jest uogólnieniem klasycznej reguły materiałowej Binghama („Flows of Materials with Yield, T.C. Papanastasiou, 1987, Journal of Rheology 31(5), 385-404). „Płyny binghamowskie są zwykle materiałami o stałym krytycznym naprężeniu stycznym, których reguła materiałowa dopuszcza ruch dopiero wtedy, gdy rzeczywiście istniejące naprężenie styczne przekracza krytyczne naprężenie styczne. Takie krytyczne naprężenie występuje również przy mediach ziarnistych, ale nie można je przyjąć jako stałe, lecz jest ono zależne od ciśnienia fazy stałej i parametrów materiału, jak na przykład kąt tarcia wewnętrznego materiału, i od kohezji fazy stałej. Dlatego granicę między stanem spoczynku i ruchem opisuje się na przykład przez kryterium plastyczności: „Constitutive Equations for Engineering Materials, Volume 1: Elasticity and Modelling, W. F. Chen and A. F. Saleeb, 1994, Elsevier, Amsterdam [i in.] oraz „Phenomenological models of viscoplasic, thixotropic, and granular materials, A. Berker and W.E. VanArsdale, 1992, Rhelogica Acta 31, 119-138.

Gęstość fazy gazowej ustala się poprzez regułę gazu doskonałego (z uwzględnieniem średniej masy cząsteczkowej), która jest wystarczająca dla rozpatrywanych ciśnień gazu (do 5 bar). Gęstość innych faz wynika z udziałów i czystych gęstości składników.

W wartości efektywnej przewodności cieplnej Xq, jest też uwzględniony udział promieniowania, które przenosi ciepło między cząstkami.

Poprzez zgodne z wynalazkiem ukształtowanie modelu procesu można ujmować i opisywać następujące procesy w szybie redukcyjnym lub też właściwości materiałów.

Niejednorodność składu wsadu (ruda, dodatki) można symulować przez wielokrotne obliczanie modelu procesu z różnymi warunkami na odnogach rozdzielaczowych.

Można uwzględnić wpływ miejscowego rozkładu uziarnienia na przepływ gazu we wsadzie.

Uwzględnia się wilgotność wsadu i zawartych w nim substancji obojętnych.

Ujmuje się ilościowo oddziaływanie geometrii szybu, jak na przykład rozszerzenia stożkowe, na procesy przebiegające w szybie.

Uwzględnia się geometrię urządzeń załadowczych i wyprowadzających, gdy wsad ładuje się przez odnogi rozdzielaczowe i wyprowadza się za pomocą przenośników ślimakowych, które pokrywają tylko część przekroju szybu.

Gaz napływa promieniowo do wewnątrz przez szczeliny wlotowe w ściance szybu.

Powierzchnia wsadu ma kształt stożka usypowego, co wpływa na przepływ gazu. Ze względu na ten stożek gaz wychodzi korzystnie w możliwie dużym odstępie promieniowym od odnóg rozdzielaczowych.

PL 194 554 B1

Miejscowa jednostkowa ilość gazu zależy od miejscowej porowatości, miejscowej przeciętnej średnicy cząstek i miejscowego kształtu cząstek, to znaczy od stopnia odmieszania i od zapylenia. lm mniejsza jest porowatość i miejscowa średnica cząstek i gdy cząstki są mniej kuliste, tym mniejsza jest miejscowa jednostkowa ilość gazu.

Z powodu złogów pyłu na częściach przewodu pierścieniowego i/lub na szczelinach wlotowych występuje nierównomierne przegazowanie wsadu.

Duże frakcje pyłowe mogą powodować tworzenie się kanałów (channeling). Gaz przepływa do góry przez te kanały we wsadzie nie wywołując redukcji. Można to uwzględnić w przepływie gazu przez zadanie warunków początkowych.

Uwzględnia się przechodzenie ciepła między gazem i fazami stałymi.

Potencjał redukcyjny gazu zmniejszają reakcje chemiczne w systemie C-H-O. Na przykład wskutek reakcji Boudonarda i heterogenicznej reakcji gazu wodnego następuje przemiana CO i H2 w pylisty węgiel (C(_s)), CO2 i H2O, z czym wiążą się straty w redukcji rudy żelaznej.

Wysoki miejscowy udział wapienia i dolomitu limituje temperaturę i zmniejsza potencjał redukcyjny, ponieważ kalcynacja jest endotermiczna i wyzwala się CO2.

Miejscowe specyficzne ilości gazu mają taki wpływ, że gaz płynie od ścianki do wsadu, co wywołuje nierównomierny rozkład pyłu we wsadzie. Rozkład pyłu w szybie wynika z obliczeń.

Gaz płynie do szybu nie tylko drogą cyklon - przewód pierścieniowy - szczeliny wlotowe, lecz część gazu redukującego wybiera drogę bezpośrednio z reaktora stapiająco-zgazowującego przez rury spustowe do szybu.

W zbieżnych fragmentach szybu (zwężenie przekroju ku dołowi) i w strefie przenośników ślimakowych może wystąpić przepływ rdzeniowy.

Gdy wsad ma odpowiednią wytrzymałość na ściskanie - na przykład w wyniku zlepiana lub spiekania lub też z powodu wiązań chemicznych między cząsteczkami, przez upłynnione i znów zakrzepnięte substancje obojętne, przez osiadły pył - to mogą tworzyć się mostki na przenośnikach ślimakowych.

lm wyższa jest temperatura w szybie, tym bardziej nasilone są procesy powodujące zlepianie (spiekanie, płynna skała płonna lub płynne związki żelazo-siarka). Maksymalna dopuszczalna temperatura jest ograniczona zjawiskiem zlepiania/skupiania.

Można badać ilościowo współdziałanie specyficznych dla surowca danych, jak na przykład parametry kinetyczne reakcji rud, specyficzne dla operatorów środki, jak na przykład jednostkowa ilość gazu, zmiany geometrii i/lub skali, jak na przykład wydłużone ślimaki wyprowadzające, i ich oddziaływanie na wydajność szybu.

Poprzez model mogą być też uwzględniane pośrednio następujące procesy, które dają się odczytać zwłaszcza z obliczonego rozkładu ciśnienia.

Wsad nie osiada równomiernie na całym przekroju, lecz może „zawieszać się w miejscach, gdzie jest przekroczona prędkość rozluźniania. Jest to taka prędkość gazu w pustej rurze, przy której pionowy, jednostkowy spadek ciśnienia gazu jest równy pionowemu ciśnieniu nasypowemu (iloczyn gęstości usypowej wsadu razy przyspieszenie ziemskie, gdy pominie się opieranie wsadu na ściance lub też na statycznym zasypie).

Wartość prędkości gazu przy wlocie do szybu jest o wiele większa od prędkości rozluźniania. Gdy przenikalność gazu w dolnej warstwie jest za mała, mogą tworzyć się wnęki i nawisy, począwszy od szczelin wlotowych.

Sposób według wynalazku umożliwia optymalizację przebiegu procesu redukcji i jakości produktu przez zmianę geometrii lub też pozwala optymalizować parametry procesu dla różnych surowców. Dzięki temu można rozszerzyć paletę nadających się do zastosowania surowców.

Claims (26)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób opty ma Ilza ccj planowania i przebiegu procesu redukcji zawierających żelazo, korzystnie zbrylonych materiałów wsadowych w szybie redukcyjnym, do którego doprowadza się gaz redukujący, na przykład z reaktora stapiająco-zgazowującego, przy czym zredukowany produkt, przykładowo żelgrudę pobiera się z szybu redukcyjnego do wytwarzania ciekłej surówki albo ciekłych wyjściowych produktów stalowniczych, znamienny tym, że proces redukcji opisuje się za pomocą modelu matematyczno-fizyczno-chemicznego, oraz że szyb redukcyjny (1) modeluje się wielowymiarowo, w szczególności trójwymiarowo, a model procesu analizuje się numerycznie, a wyniki analizy uzyskane jako wielowymiarowe, w szczególności przestrzenne rozkłady wielkości fizycznych lub chemicznych uwzględnia się w przebiegu procesu redukcji.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że model pc^\w^tt^j^ z uwzględnieniem osiadania i redyspergowania pyłu.
3. 3. Sposób według z^^tr^^. 2, znamienny t^r^, że osiadanie pyłu modeluje się zmianę udziału objętościowego osiadającego pyłu.
4. 4. Sposób weeług zaaSrz. 1 albo 2, znnmiennn tym, że moddl proceeupowstaje z uwzzlęęnieniem nieliniowych właściwości fazy stałej.
5. 5. Sposób według z^^Sr^^. 4, znamienny tym, że fazę sSaaą modeluj się lako ciecz quasiplastyczną według takiego kryterium płynięcia jak kryterium Druckera-Pragera, Von Misesa lub Tresca.
6. 6. Spooch według z£^^Lr^^. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że podczas modelowania pr^r^c^^sów chemicznych i fizycznych wykorzystuje się kinetyczne uwarunkowania przebiegu tych procesów.
7. 7. Sppsóówzeługzzstrz. 2, znnmieenn tym, Zż zPddczsmoOdlowzsiaz^Γzoceówzhemiccnn^,yjΊ i fizycznych wykorzystuje się kinetyczne uwarunkowania przebiegu tych procesów.
8. 8. Sposób według zan^z. 1 albo 2, albo 3, albo 7, znamienny tym, że podczas modelowania procesów chemicznych i fizycznych bierze się pod uwagę stany równowagi.
9. 9. Sppsóówzeługzzstrz. 2, znnmieenn tym, Zż zPddczsmoOdlowzsiaz^Γzoceówzhemiccnn^,yjΊ i fizycznych bierze się pod uwagę stany równowagi.
10. 10. Spooch weełuu zaasrz. 1 albo 2, albb 3, albb 7, albo 9, znnmienny tt^m, Ze modelowania procesów chemicznych i fizycznych bierze się pod uwagę zależność temperaturową.
11. 11. Sposób według zas^z. 4, znamienny tym. że podczas modelowania pr^c^(^^^L^\z chemicznych i fizycznych bierze się pod uwagę zależność temperaturową.

    1,. Spooch według zas^z. 1, znamienny tym, że πο-οποΙυ biorące udzża-w pr^^z^ipc^rządkowuje się w modelu procesu do poszczególnych faz, jak na przykład fazy gazowej lub co najmniej jednej fazy ziarnistej lub co najmniej jednej fazy pyłowej.
12. 13. Sposób według zas^z. 12, znamienny tym, że faza ζίθπ^θ οήζΓηΚίοη/ζυϊ sśę ok-eHoną wielkością ziaren i określonym surowcem.
13. 14. Sposób weeługzastrz. 13 3Ι0ο23, 2nnmienny tt^m, 2e 2la kalżoj 2aaz zporząddz zię biiann masowy tej fazy i odpowiednie bilanse składników.
14. 15. Sposób według zas^z. 14, znamienny tym, że udzża-y okreelo-nch pierwiastków chemicznych, na przykład w postaci udziałów masowych, wylicza się z bilansów składników.
15. 16. Sppsóó wzeług ζ.&γζ. 13, mamienny ti/m, 2ż dla ztwzrzzeiabilasnuppęui bilannu2en-ζϊϊ łączy się kilka faz w grupę, przy czym fazy jednej grupy mają jednakowe pole prędkości, ciśnienia i temperatury.
16. 17. Sppsóówzeługzzstrz. 13, ζη^^η^ tt^r^, Zż Ib ztwzrzzeiabibnnuppęni bib nnsz en -ζϊϊ łączy się kilka faz w grupę, przy czym fazy jednej grupy mają jednakowe pole prędkości, ciśnienia i temperatury.
17. 18. Sposób według zas^z. 16, znamienny tym, że fazę gazową i fazę pyłu rozproszonego w gazie przyporządkowuje się do pierwszej grupy faz gazowych, a fazy ziarniste oraz fazę pyłu osiadłego w fazie stałej przyporządkowuje się do drugiej grupy faz stałych, przy czym dla każdej z tych dwóch grup tworzy się odpowiedni bilans pędu i bilans energii.
18. 19. Sposib wzeługzantrz. 13 zlbo 18, zr^ć^a^i^r^r^)^ tt^m. Ze pczzwidu\e zsę Zwwntowwnie zszbu redukcyjnego (1) i obliczanie bilansów metodami numerycznymi, takimi jak na przykład metoda różnic skończonych, metoda elementów skończonych, metoda objętości skończonych lub metoda reszt ważonych.

    ,0. Sposób wedłuu zasto. 14, znamienny tym. że przewiduj sj kwantowanie szybu zedukcyjnego (1) i obliczanie bilansów metodami numerycznymi, takimi jak na przykład metoda różnic

    PL 194 554 B1 skończonych, metoda elementów skończonych, metoda objętości skończonych lub metoda reszt ważonych.
19. 21. Sposób według zastrz. 1 albo 20, znamienny tym, ze celem zredukowania czasu obliczeń przez wykorzystanie symetrii wykonuje się obliczenia modelu procesu tylko dla trójwymiarowego wycinka szybu redukcyjnego (1).
20. 22. Sposób według zas^z. 1 albo 2, albo 3, albo 5, albo 7, znamienny tym, że część chemicznych i/lub fizycznych właściwości materiałów stosowanych w procesie, w szczególności do modelowania kinetyki chemicznej, osiadania pyłu i zachowania się fazy stałej, takich jak kąt tarcia wewnętrznego i koezja, wyznacza się z testów materiałowych.
21. 23. Sposób według zash-z. 1 albo 20, znamienny tym, że geometrię szybu redukcyjnego (11 przejmuje się poprzez przesyłanie danych z programu CAD.
22. 24. Sposób według zas-trz. 1, znamienny tym, że wyniki obllczeń odwzorowuje się graficznie na ekranie komputera na przykład na rysunku przekroju.
23. 25. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że poprzez wielokrotne obliczanie w trybie „off-line modelu procesu dla różnej geometrii szybu redukcyjnego (1) odpowiednio rozplanowuje się ten szyb.
24. 26. Sposób według zas^z. 1, znamienny tym, że poprrzez wielokrΌtne obllczenia w „rybie „offline modelu procesu przy zróżnicowanych parametrach procesu i/lub określonych materiałach wsadowych i/lub warunkach brzegowych optymalizuje się proces redukcji.
25. 27. Sposób według zas^z. 1, znamienny tym, że stetuje sśę I ub leż optymallzujesię procesiedukcji poprzez obliczenia w trybie „on-line modelu procesu z uwzględnieniem aktualnych parametrów procesu.
26. 28. Sposób według ζοε^ζ. 26 albo 27, znamienny tym, że optymallzacja procesu redukcjj polega na maksymalizacji albo osiągnięciu zadanego współczynnika metalizacji redukowanego produktu przy minimalnym zużyciu surowca i/lub energii.