Fizyka cząstek stałych: w jaki sposób przekształcone grudki rudy wpływają na wydajność wielkiego pieca
Stal jest niezbędnym budulcem współczesnego świata, ale jej stosowanie wiąże się z wysokimi kosztami środowiskowymi – przemysł stalowy jest odpowiedzialny za około 8 % rocznej emisji gazów cieplarnianych na świecie. Większość gazów pochodzi z eksploatacji wielkich pieców, których praca jest niezbędna do uzyskania surówki hutniczej. Wielki piec to w zasadzie gigantyczny reaktor, do którego wprowadzane są materiały granulowane, takie jak granulaty paliwa, ruda żelaza i wapień. Gorące powietrze wdmuchiwane do komory powoduje fizyczne i chemiczne przemiany w tych materiałach, a w rezultacie powstaje ciekłe żelazo. „Sposób wprowadzania i dystrybucji materiałów granulowanych w wielkich piecach wpływa na wydajność produkcji pod względem zużycia energii i emisji CO2”, wyjaśnia Charley Wu, prowadzący projekt DECRON. Badanie tego rozkładu bezpośrednio jest jednak niezwykle trudne, ponieważ komora jest wyłożona warstwami żaroodpornych cegieł, a temperatura pracy wynosi około 1500 °C. „W ciągu ostatnich 300 lat konstrukcja wielkich pieców nie zmieniła się zbytnio, ale ponieważ są to tak duże i złożone urządzenia, nie da się umieścić w nich dokładnych urządzeń pomiarowych”, mówi badacz Nicolin Govender. „Są prawie jak czarna skrzynka”. Aby rozwiązać ten problem, naukowcy zastosowali technikę zwaną metodą elementów dyskretnych (ang. discrete element method, DEM) z nieregularnie ukształtowanymi cząstkami na platformach opartych na procesorach graficznych (GPU), które modelują cyfrowo zachowanie materiałów ziarnistych. DEM ma szeroki zakres zastosowań, m.in. w budownictwie, górnictwie, rolnictwie, a nawet w przemyśle farmaceutycznym, gdzie pomaga zapewnić równomierne wymieszanie leków z wypełniaczami, zanim zostaną skompresowane w pigułki. Podczas badań prowadzonych na Uniwersytecie w Surrey, Wu i Govender badali, jak rozmiar i kształt grudek używanych w procesie wytopu wpływają na sposób przepływu gorących gazów przez komorę reaktora. „W wielkich piecach materiał jest wprowadzany od góry, a powietrze od dołu, więc upakowanie granulatu wpływa na to, jak gaz przechodzi przez materiał”, wyjaśnia Wu. Kluczem do efektywnej pracy wielkiego pieca jest kontrola upakowania granulatu i przepływu gorącego gazu. „Odkryliśmy, że wiele ze stosowanych przybliżeń jest niewystarczająco dokładnych, co prowadzi do otrzymania niejednolitych produktów końcowych”, zauważa Govender. Dodaje, że w pracy zidentyfikowano również szereg istotnych czynników (takich jak efektywność energetyczna), które można by kontrolować poprzez zmianę kształtu grudek. Omawiane badanie przeprowadzono dzięki wsparciu ze środków działania „Maria Skłodowska-Curie”. „Projekt zakończył się sukcesem, dzięki niemu wydaliśmy szereg publikacji, a także stworzyliśmy zaplecze dla innych badaczy materiałów granulowanych i ich kształtu oraz operatorów wielkich pieców”, podkreśla Govender. Trzy z publikacji znajdują się w pierwszej dziesiątce najczęściej cytowanych prac z zakresu inżynierii chemicznej na świecie. Na producentów metali z UE wywierana jest coraz większa presja ze strony zagranicznych podmiotów gospodarczych, które zarabiają dzięki taniej sile roboczej i stosują mniej rygorystyczne normy ochrony środowiska. Govender uważa, że projekt pokazuje, jak wydajne techniki modelowania komputerowego mogą potencjalnie sprawić, że przemysł będzie bardziej rentowny, mniej energochłonny i bardziej ekologiczny, pomagając przywrócić produkcję surowców na rynek UE.
Słowa kluczowe
DECRON, żelazo, ruda, wielki piec, ekologia, GPU, DEM, stal, CO2, granulat, huta
