Starke Staubverklumpung (wie hier dargestellt), längere Wartungsausfälle und Gewinnstagnation veranlassten ein Stahlunternehmen, nach einer besseren Lösung für seinen Sauerstoffkonverter (BOF) zu suchen. Aufgrund der gefährlichen Arbeitsbedingungen und der Risiken bei physikalischen Tests wandte sich das Unternehmen an uns, um mithilfe unserer CFD-Dienstleistungen die Anwendung zu optimieren.
Stahlherstellung: Die Grundlagen
Im Stahlherstellungsprozess veredelt ein BOF geschmolzenes Roheisen und Schrott zu Stahl. Dieser Prozess umfasst in der Regel mehrere Stufen, beginnt jedoch damit, dass Schrott und geschmolzenes Roheisen in einen Hochofen geleitet werden. Bei diesem Prozess entstehen erhebliche Mengen an Asche, Ruß und anderen Schadstoffen, die anschließend über einen Kanal in den Verdunstungskühlturm des BOF gelangen. Im Verdunstungskühlturm tritt das Gas an der Turmspitze ein, wo es durch einen Sprühnebel schnell und kraftvoll gekühlt wird.
Der im Gas mitgeführte verschmutzte Staub fällt dann auf den Boden des Turms, wo er verbrannt wird. Ist die Anordnung der Sprühlanzen jedoch fehlerhaft, wie es bei diesem Kunden der Fall war, kommt es zu starker Staubverklumpung. Das bedeutet, dass das Sprühwasser, das mit dem einströmenden Gas kollidiert, aber nicht verdunstet, an den Wänden haften bleibt und Staub ansammelt, wie unten dargestellt. Der rote Bereich zeigt Wasser, das nicht verdunstet ist und an den Wänden haftet, wo es Staub ansammelt.
Wenn dieser Prozess fortgesetzt wird, ohne dass der Staub von den Turmwänden entfernt wird, sammelt sich weiterhin Sprühwasser auf dem klebrigen Staub an und zieht immer mehr Staub an. Schließlich ist das Unternehmen gezwungen, den Prozess für Wartungsarbeiten anzuhalten. Diese Ausfallzeiten führen zu Gesundheitsproblemen bei den Mitarbeitern, entgangenen Gewinnen und nicht nachhaltigen Geschäftspraktiken.
Optimierung des Prozesses mithilfe von CFD
Unsere Aufgabe bestand darin, eine optimale Düsenanordnung zu entwerfen, damit das Sprühwasser das Gas bereits am Turmeingang trifft und vollständig verdunstet, sodass der Staub auf den Turmgrund fällt, wo er ordnungsgemäß verbrannt wird. Dabei mussten wir die Benetzung der Wände minimieren und die begrenzten Zeit- und Raumdomänen berücksichtigen.
Bei herkömmlichen Düsenanordnungen werden sechs Injektoren in gleichmäßigen Abständen entlang der kreisförmigen Wand des Kühlturms genau an der Stelle platziert, an der das Gas in den Turm eintritt. Anstatt der konventionellen Denkweise zu folgen – da diese unserem Kunden offensichtlich schwerwiegende Probleme bereitete –, suchten wir Antworten auf Fragen wie: Wie sollten wir die Düsen anordnen? In welcher Tiefe sollten sie bei diesem speziellen Turm eingesetzt werden? Gibt es einen optimalen Einspritz- und Sprühwinkel?
Um diese Fragen zu beantworten, haben wir zunächst den gesamten Turm, die Ein- und Auslasskanäle sowie die Düsenlanzen vernetzt. Dadurch konnte unsere CFD-Software komplexe strömungsmechanische Berechnungen an kleinen, endlichen Punkten im gesamten Anwendungsbereich durchführen. So konnten wir sowohl die Vorgänge im laufenden Prozess als auch die Düsenanordnung bewerten, die den Prozess des Verdunstungskühlturms optimieren würde.
Als wir die nach Temperaturgradienten eingefärbte Sprühwolke visualisierten (siehe unten), stellten wir fest, dass sechs in engen Abständen direkt gegenüber dem Gaseinlass angeordnete Düsenlanzen das Sprühwasser effektiv verdampften und eine Benetzung der Wände verhinderten. Darüber hinaus reduzierte diese Düsenanordnung die Staubverklumpung im gesamten Kühlturm erheblich.
ROI und kontinuierliche Verbesserung
Aufgrund dieser Ergebnisse profitierte das Unternehmen von geringeren Wartungsausfallzeiten, einer höheren Ausbeute und mehr Sicherheit für die Mitarbeiter. In Umgebungen wie dieser, in denen physikalische Tests unmöglich sind, bieten unsere CFD-Dienstleistungen eine Lösung, die von keiner anderen Modellierungssoftware erreicht wird.
Der Sauerstoff-Grundofen ist nur ein Beispiel dafür, wo sich CFD für diesen Kunden als hilfreich erwiesen hat. Angesichts der gefährlichen Umgebungsbedingungen in den meisten Stahlwerken setzen wir Test- und CFD-Lösungen für Kunden in einer Vielzahl von Stahlanwendungen und im gesamten Stahlherstellungsprozess ein.
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