Primena numeričkih simulacija u konstruisanju i optimizaciji elemenata eksperimentalnog postrojenja regenerativnih gorionika za zagrevanje međulonaca za livenje čelika u čeličani US Steel-Sartid Smederevo

Abstract

Eksperimentalno postrojenje regenerativnih gorionika sastoji se od dva regenerativna zagrejača zasnovana na pebble-bed tehnologiji (PH) fluido-dinamičkog ventila (FDV), dva gorionika, ventilatora za otsisavanje dimnih gasova i ventilatora za snabdevanje postrojenja vazduhom za sagorevanje. Eksperimentalna instalacija će biti postavljena na stendu za zagrevanje međulonaca za livenje čelika u čeličani US Steel Serbia d.o.o. Namena ovog postrojenja je da se korišćenjem visokopredgrejanog vazduha za sagorevanje (K>1000°C) smanji potrošnja gasovitog goriva na polovinu sadašnje, koja iznosi 200 - 250 nrVh (na uslovima/7=101325 Pa, 7=273,15 K). Primenom programa za numeričke simulacije StarCD izvršeno je definisanje i optimizacija geometrije fluido-dinamičkog ventila i optimizacija položaja otvora za gorionike i otvora za otsisavanje dimnih gasova na poklopcu novog međulonaca za livenje čelika.Novi međulonac je 1,9 puta veće zapremine i njegov kapacitet iznosi 26,5 t čelika. Polazni parametri za numeričku simulaciju i optimizaciju geometrije fluido-dinamičkog ventila bila je razlika pritisaka ulaznih struja visoko-predgrejanog vazduha i dimnih gasova i potrebna vrednosti pritiska izlazne struje iz FDV visoko-predgrejanog vazduha. Trodimenzionalni model je definisan na osnovu realne geometrije ventila i sadrži 177744 ćelija (kontrolnih zapremina). Definisanje karakterističnih dimenzija FDV uz najmanji pad pritiska pri prolasku fluidnih struja i zadat procenat (odnos) mešanja struje vazduha i dimnih gasova predstavlja rezultat optimizacije geometrije FDV. Trodimenzionalni model novog međulonca i poklopca sastoji se od 300195 kontrolnih zapremina. Optimizacijom položaja otvora za gorionike i otsis produkata sagorevanja na poklopcu međulonca kapaciteta 26,5 t čelika dobijeno je ravnomerno polje temperatura na unutrašnjem ozidu međulonca u definisanom vremenskom intervalu nestacionarnog zagrevanja uz prepolovljenu potrošnju goriva od 100 m3/h, pri čemu je vreme i režim zagrevanja međulonca ostao nepromenjen.

An experimental installation of regenerative burners consists of two regenerative Pebble-bed heaters (PH), one fluid - dynamical valve (FDV), two burners, one fan for flue gas exhaust and one fan for combustion air supply. Experimental installation will be situated at stand for tundish preheating in US Steel Serbia d.o.o. Steel factory. The purpose of this facility is to reduce natural gas as fuel consumption at half of current (200-250 nr7h at £-=101325 Pa, 7=273,15 K) by using high-preheated air for combustion. Design optimization of fluid-dynamical valve and optimization of position of burner heads and off-gas exit at tundish top cover by application of StarCD software for numerical simulation was performed. New tundish is 1,9 times higher capacity (26,5 t) than old one. Input parameters for numerical simulation and design optimization of fluid-dynamical valve are pressure difference between two inlet streams - high-preheated air and off-gas, and pressure value at outlet of high-preheated air. 3D model was made on basis of real valve geometry and consists of 177744 cells (control volumes). The result of numerical calculation and optimization procedure of FDV is optimal geometry definition, lowest pressure drop through the FDV and least value of two streams (high-preheated air and off-gas) mixing coefficient. 3D model of tundish and its top cover consists of 300195 control volumes. Optimization of position for burner heads and off- gas exhaust at tundish top cover brought uniform temperature field at inside of tundish refractory layer during transient process of preheating with minimal fuel consumption.