CFD study of fluid dynamics of ejector and ducts in galvanizing plant

Blast Furnace Gas (BFG) represents a key in the reduction of greenhouse emissions and operational cost of a steel production plant. In the last decades equipment manufacturers have adapted their combustion systems design to allow the switch to this low energy content fuel (LHV ≈ 800 kcal/Nm3) in the processes downstream the blast furnace, for instance continuous reheating furnaces. In the last years a further improvement of efficiency optimisation technologies focused on the finishing production lines (galvanizing lines), usually fuelled with traditional sources. The switch to BFG revealed to be problematic in these units mainly for two reasons: the combustion process sustainability is compromised by the presence of a big amount of inert of reaction (nitrogen above all) in the stream, and the fumes volume ratio is significantly increased as a consequence of the poor energy content of the BFG, with respect to the traditional source. Hence it is required an improvement of the combustion techniques combined with a verification of the suitability of the existing frame with the new volume rates. The pressure drop analysis of a galvanization plant fumes duct, whose combustion system was switched to BFG feed (oxygen and LPG are added to enhance LHV and stabilize the flame), is the first objective of this thesis work. The investigated condition refers to the highest fumes volume rate admissible, corresponding to air and BFG as reactants. The zinc pot is heated by pure convection, and a negative pressure value is required inside the furnace, in order to avoid the fumes exit through the not airtight junctions. On the other hand an excessive negative pressure would cause the dilution of gases with the cold air drawn from the external environment, causing a heat loss. Hence the second objective of this work is to determine the localized pressure drop, obtained through a damper, which assures the correct furnace operation. The dissertation is organized as follows: in the first chapter the key aspects and problems of the BFG employment, with respect to the traditional sources, and the galvanization plant are presented. In the second chapter the two main topics concerning the plant are highlighted: the ejector, which assures the fumes suction, and square ducts. The literary review presents their working principles and the state of art of their numerical modelling. The third chapter offers a brief description of the CFD fundamentals and the Q3 approach, a helpful instrument through which the quality of results is guaranteed. The fourth chapter contains the geometric modelling, the grid generation and the solver settings for each domain that constitute the plant. This process is usually named “Pre-processing”. In the following chapter results are reported and discussed with the help of fluid flow contours, visualizations and charts for each domain. This is called “Post-processing”. In the last chapter significant results are reported and commented, and future investigations are briefly explained.

Il recupero del gas d’altoforno (Blast Furnace Gas) rappresenta una soluzione chiave per la riduzione dell’impatto ambientale e dei costi d’esercizio di un’acciaieria. Per poter utilizzare questo combustibile a basso potere calorifico (LHV ≈ 800 kcal/Nm3), negli ultimi decenni i produttori di forni per i processi di riscaldamento ad alta temperatura hanno adeguato i propri sistemi di combustione. Negli ultimi anni la ricerca di un’ulteriore ottimizzazione economica ha posto l’attenzione sui processi di finitura, alimentati a combustibile tradizionale. Gli aspetti chiave della loro conversione al BFG sono due: la auto-sostenibilità della combustione alle minori temperature d’esercizio e gli spazi disponibili per lo smaltimento fumi. Il primo è legato alla elevata presenza di inerti nel gas (prevalentemente azoto), che rendono la fiamma instabile e ne abbassano la temperatura massima. Il secondo aspetto è una conseguenza del minore potere calorifico. Fissato l’input termico del processo, un combustibile povero richiede una maggior portata volumetrica rispetto a quello tradizionale, quindi è necessaria una verifica di compatibilità con la struttura esistente. In questa tesi è proposto lo studio CFD delle perdite di carico nel sistema di smaltimento fumi di un impianto di galvanizzazione, il cui sistema di combustione è stato convertito da tradizionale a BFG (con aggiunte di ossigeno e GPL per aumentare la densità d’energia). Nel caso in analisi, in cui aria e BFG sono i soli reagenti, la portata volumetrica di gas è la massima ammissibile dall’impianto. Il riscaldamento della vasca contenente lo zinco fuso avviene per sola convezione, e il forno opera in leggera depressione, per evitare la fuoriuscita di gas nocivi dalle giunzioni non a tenuta. Un eccessivo rientro d’aria dall’ambiente esterno tuttavia diluirebbe fortemente i gas combusti, aumentando i consumi per fornire lo stesso input termico. A fronte di ciò il secondo obiettivo della tesi consiste nel calcolo della perdita di carico concentrata, ottenuta mediante l’abbassamento di uno smorzatore, che garantisca le adeguate condizioni di pressione in camera di combustione. A tal fine questo lavoro viene strutturato come segue. Nel primo capitolo sono introdotti gli aspetti chiave e le problematiche derivanti dall’uso del BFG come combustibile, oltre ad una panoramica generale dell’impianto in analisi. Nel secondo capitolo sono evidenziati i due componenti chiave dell’impianto: l’eiettore, che fornisce la forza motrice ai fumi dal forno al camino, e i condotti a sezione quadra. L’analisi letteraria proposta mette in luce e i principi di funzionamento e gli aspetti cruciali della loro modellazione numerica, oltre allo stato dell’arte. Il terzo capitolo offre una breve introduzione alla CFD e al Q3, l’approccio utilizzato per fornire qualità alla presente indagine. Il pre-processing, che include la modellazione 3D, la generazione di una griglia spaziale e la messa a punto del solutore per ogni parte d’impianto, occupa tutto il quarto capitolo, mentre nel successivo sono riportati i risultati e i commenti per ogni sezione analizzata, con l’ausilio di visualizzazioni e grafici. In conclusione sono riportati i risultati e gli sviluppi futuri possibili di questo lavoro.