Mathematical modelling of utilization waste gases from industrial furnaces

Abstract

Combustible waste gases are by-products of many technological processes. They vary in their calorific value and are used to decrease the usage of gases whose calorific value is higher. Coke oven gas from the coking process and process gases from an electric furnace in a copper plant are examples of such gases. Composition and calorific value of coke oven gas depend on coking parameters as well as on the type and quality of coal. The most common process where the coke oven gas is used is the process of heating combustion air in a heat regenerator. The gases from the electric furnace (due to low calorific value) require post combustion at the beginning of their disposal process. The paper addresses mathematical modelling of a coke oven battery regenerator as well as mathematical modelling of post combustion and cooling the electric furnace process gases. The regenerator mathematical model was elaborated for the simplified geometry of a real object making the assumptions for the heat transfer equations. The post combustion and cooling processes of the electric furnace gases are modelled with the aid of the Ansys software. This software was used for both elaborate simplified geometry of the analysed object and carry out the simulations. Mathematical description of occurring processes includes in this case combustion, turbulence and heat transfer.

W wielu procesach technologicznych produktem ubocznym są palne gazy technologiczne o zróżnicowanej wartości opałowej. Gazy te wykorzystuje się w instalacjach przemysłowych, zmniejszając zużycie paliw wysokokalorycznych. Do tego typu gazów należy gaz koksowniczy będący produktem ubocznym w procesie koksowania oraz niskokaloryczny gaz z pieca elektrycznego w hutnictwie miedzi. Skład i wartość opałowa gazu koksowniczego zależą od parametrów procesu koksowania oraz typu i jakości węgla. Podstawowym procesem jego wykorzystania jest regenerator ciepła służący do podgrzewania powietrza do spalania. Gaz technologiczny z pieca elektrycznego z uwagi na niską wartość opałową wymaga dopalenia przed jego wykorzystaniem. W artykule przedstawiono modelowanie matematyczne regeneratorów baterii koksowniczej oraz modelowanie dopalania i schładzania gazu technologicznego z pieca elektrycznego. Model matematyczny regeneratora opracowano, dokonując uproszczeń rzeczywistej geometrii przy założeniach upraszczających i rozwiązując układ równań przepływu ciepła. Dla modelowania matematycznego dopalania i schładzania gazów z pieca elektrycznego opracowano uproszczoną geometrię obliczeniową i przeprowadzono obliczenia symulacyjne przy wykorzystaniu pakietu oprogramowania Ansys. Opis matematyczny zachodzących procesów obejmuje w tym przypadku spalanie, turbulencje i wymianę ciepła.