Roadmap to improve bloom reheating furnace emissions, productivity, and energy consumption by state-of-art heating technology

Abstract

Processes in the steel industry require high amounts of heat and worsening climate and energy crisis drives the effort to reduce or totally replace the use of fossil fuels. Conventionally, in industrial reheating furnaces, heat is generated by the combustion of natural gas or LPG (liquefied petroleum gas). Oxy-fuel combustion is promising technology to reduce emissions and increase productivity. Another proposed way is to replace fossil fuels with green hydrogen, eliminating all carbon emissions. These technologies however, are still rarely used in a full-scale industrial furnaces and few published studies have been made around them. One way of studying high- temperature furnaces is to use numerical methods and CFD (computational fluid dynamics). This allows simulation of industrial processes with the aim to understand operational performance of real processes without costs and risks of full scale trial. In this work, a CFD model of the full scale reheating furnace was done using open- source code OpenFOAM. Used sub-models were k − ε for turbulence, DOM for radiative heat transfer and an infinitely fast chemistry approach for combustion. Model was validated with in-line temperature measurements and achieved an accuracy of 8 % error against measured. The state-of-art heating methods were simulated with a validated model. Work concluded that oxy-fuel burners have better heating efficiency compared to air-fuel burners, but they have lower convective heat transfer capability. Lesser amount of flue gases with oxy-fuel have an impact on overall furnace heat uniformity. There is also a need for more sophisticated modeling and consecutive studies to better understand all effects of the oxy-fuel and hydrogen burning technologies. OpenFOAM was also determined to be a powerful tool to simulate industrial reheating furnaces.

Terästeollisuuden prosessit vaativat suuria määriä lämpöä ja paheneva ilmasto- ja energiakriisi ohjaavat pyrkimyksiä vähentää tai korvata kokonaan fossiilisten polttoaineiden käyttöä. Perinteisesti teollisia tasauskuumennusuuneja lämmitetään polttamalla maakaasua tai nestekaasua. Happi rikastus (oxy-fuel) on lupaava tekniikka päästöjen vähentämiseksi ja tuottavuuden lisäämiseksi. Toinen ehdotettu tapa on korvata fossiiliset polttoaineet vihreästi tuotetulla vedyllä, mikä parhaimmillaan eliminoi kaikki hiilidioksidipäästöt. Näitä tekniikoita käytetään kuitenkin edelleen harvoin täysimittaisissa teollisuusuuneissa. Uusista teknologioista on myös tehty vain vähän julkaistuja tutkimuksia. Yksi tapa tutkia korkean lämpötilan uuneja on käyttää numeerisia menetelmiä ja CFD:tä (virtaus mallinnusta). Tämä mahdollistaa teollis- ten prosessien suorituskyvyn simulointi ilman täyden mittakaavan kustannuksia ja riskejä. Tässä työssä tehtiin CFD malli täyden mittakaavan tasauskuumennusuunista käyttämällä avoimen lähdekoodin OpenFOAM ohjelmistoa. Käytetyt mallit olivat k − ε turbulenssille, DOM säteilylämmönsiirrolle ja äärettömän reaktionopeuden mallia palamiselle. Malli validoitiin tuotannon lämpötilamittauksilla ja tulokset olivat noin 8 %:n sisällä mittauksista. Uusia lämmitysmenetelmiä simuloitiin validoidulla mallilla. Työssä todettiin, että happi rikastuksella on parempi lämmitystehokkuus verrattuna perinteisiin ilma-polttoaine polttimiin, mutta niillä on pienempi konvektiivinen lämmönsiirtokyky. Pienempi määrä savukaasuja happi rikastuksella vaikuttaa merkittävästi lämmön tasaisuuteen uunissa. Tarvitaan myös kehittyneempiä malleja ja uusia tutkimuksia, jotta voidaan ymmärtää paremmin happi rikatettujen polttimien ja vety polton kaikkia vaikutuksia. OpenFOAM ohjelmisto osoittautui myös tehokkaaksi työkaluksi simuloida tasauskuumennusuuneja.