TY - THES A1 - Ali, Mohammed Liaket T1 - Detailed numerical modeling of the iron ore direct reduction process T1 - Detaillierte numerische Modellierung des Direktreduktionsprozesses von Eisenerz N2 - The iron and steelmaking industry is among the largest contributors to global CO₂, driven by its energy-intensive processes and reliance on carbon-rich fuels. As steel demand rises in an increasingly competitive global market, innovative and sustainable production methods are urgently needed. The Direct Reduction (DR) process using syngas or hydrogen presents a promising approach to reducing CO₂ emissions and energy consumption in steel production. Computational modeling plays a crucial role in accelerating technology development, yet traditional models, such as the shrinking core model, fail to fully capture the complexities of the reduction process. More advanced models are necessary to simulate interactions between iron ore pellets and reducing gases and to scale effectively to industrial applications. To address these challenges, this dissertation introduces an improved porous solid model that overcomes biases in the shrinking core model, accurately representing the reduction of single iron ore pellets in H₂ and CO environments while accounting for carbon deposition and porosity changes. A comprehensive reduction mechanism is developed and validated against extensive experimental data without parameter adjustments, providing a solid foundation for advanced simulations. Besides the stand-alone kinetic model, a Computational Fluid Dynamics (CFD) solver has been developed, bringing the considerations to a spatially resolved environment, including pellet and gas phase regions. Building on the insights gained from single-pellet models, the research advances to the more complex modeling of fixed beds; a crucial step in bridging the gap between detailed small-scale studies and the case of industrial-sized reactors. A comprehensive methodology is developed, incorporating realistic packed-bed structures and high-quality computational meshes, for particle-resolved CFD simulations of the hydrogen-based direct reduction process in a fixed-bed setup. These simulations reveal crucial insights into the reduction process, such as the non-uniform reduction within the bed, the presence of gas pockets, and the impact of temperature variations due to the endothermic nature of hydrogen-based reduction. Finally, the study explores the influence of pellet sizes and shapes in the DR process via different reconstruction techniques, including computed tomography. By examining beds with various particle characteristics and structures, the research highlights the significant impact of these factors on reduction efficiency and overall conversion rates. This comprehensive modeling approach offers critical insights for optimizing the hydrogen-based direct reduction process, paving the way for its application in industrial-scale reactors. By addressing these research questions and providing innovative solutions, this dissertation contributes to the advancement of DR-technology, offering a path toward more sustainable steel production. N2 - Die Eisen- und Stahlindustrie gehört zu den größten Verursachern globaler CO₂-Emissionen, was auf ihre energieintensiven Prozesse und die Abhängigkeit von kohlenstoffreichen Brennstoffen zurückzuführen ist. Da die Nachfrage nach Stahl in einem ansonsten stark umkämpften globalen Markt weiter steigt, besteht ein dringender Bedarf an innovativen und nachhaltigen Produktionsmethoden. Das Direktreduktionsverfahren (DR) unter Verwendung von Synthesegas oder Wasserstoff bietet einen vielversprechenden Weg, um diese Herausforderungen zu bewältigen, indem es die CO₂-Emissionen senkt und den Energiebedarf in der Stahlproduktion reduziert. Die numerische Modellierung ist ein effizientes Werkzeug, um die Technologieentwicklung zu unterstützen und zu beschleunigen. Bestehende Modellierungsansätze, wie das Shrinking-Core-Modell, erfassen jedoch oft nicht die Komplexität des Reduktionsprozesses genau. Diese Einschränkungen verdeutlichen die Notwendigkeit fortschrittlicherer Modelle, die die komplexen Wechselwirkungen zwischen Eisenerzpellets und Reduktionsgasen besser simulieren und effektiv auf industrielle Anwendungen skalierbar sind. Um diese Probleme zu lösen, schlägt diese Dissertation zunächst ein verbessertes poröses Feststoffmodell vor, das die Schwächen des Shrinking-Core-Modells überwindet. Dieses Modell erfasst das Reduktionsverhalten einzelner Eisenerzpellets unter H₂- und CO-haltigen Gasen und berücksichtigt dabei die Auswirkungen von Kohlenstoffablagerungen und Porositätsveränderungen. Anschließend wird ein umfassender Reduktionsmechanismus entwickelt, der auf Grundlage eines großen experimentellen Datensatzes validiert wird, ohne dass eine Parameteranpassung erforderlich ist. Dies bietet eine robuste Grundlage für komplexere Simulationen. Neben dem eigenständigen kinetischen Modell wurde ein CFD-Solver (Computational Fluid Dynamics) entwickelt, der die Überlegungen auf eine räumlich aufgelöste Umgebung überträgt, einschließlich Pellet- und Gasphasen. Aufbauend auf den Erkenntnissen aus den Einzelpelletmodellen geht die Forschung zur komplexeren Modellierung von Festbetten über, ein entscheidender Schritt, um die Kluft zwischen detaillierten Kleinstudien und industriellen Reaktoren zu überbrücken. Eine umfassende Methodik wird entwickelt, die realistische Festbettstrukturen und qualitativ hochwertige Berechnungsnetze für partikellösende CFD-Simulationen des wasserstoffbasierten Direktreduktionsprozesses in einem Festbettaufbau integriert. Diese Simulationen liefern wichtige Einblicke in den Reduktionsprozess, wie die ungleichmäßige Reduktion innerhalb des Bettes, das Vorhandensein von Gasblasen und den Einfluss von Temperaturvariationen aufgrund der endothermen Natur der wasserstoffbasierten Reduktion. Schließlich untersucht die Studie den Einfluss von Pelletgrößen und -formen im DR-Prozess durch verschiedene Rekonstruktionstechniken, einschließlich der Computertomographie. Durch die Untersuchung von Betten mit verschiedenen Partikeleigenschaften und Strukturen hebt die Forschung die erhebliche Auswirkung dieser Faktoren auf die Reduktionseffizienz und die Gesamtkonversionsraten hervor. Dieser umfassende Modellierungsansatz liefert wichtige Erkenntnisse zur Optimierung des wasserstoffbasierten Direktreduktionsverfahrens und ebnet den Weg für seine Anwendung in industriellen Großreaktoren. Indem diese Forschungsfragen bearbeitet und innovative Lösungen bereitgestellt werden, trägt diese Dissertation zur Weiterentwicklung der DR-Technologie bei und bietet einen Weg zu einer nachhaltigeren Stahlproduktion. KW - Kinetics KW - Kinetik KW - Stahlherstellung KW - Direktreduktion KW - Modellierung KW - CFD KW - Steelmaking KW - Direct Reduction KW - Modeling KW - Stahlherstellung KW - Numerische Strömungssimulation KW - Direkte Eisengewinnung KW - Modellierung Y1 - 2025 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-69695 ER - TY - THES A1 - Ebenezer, Ngozi T1 - Adaptive Polynomial Tabulation : a computationally efficient strategy for complex kinetics T1 - Adaptive Polynom-Aufzeichnung : eine effiziente Rechenstrategie für komplexe Kinetik N2 - In this work Adaptive Polynomial Tabulation (APT) is presented. It is a new approach to solve the initial value chemical rate equation system. In this approach zeroeth, first and second order polynomials are used in real-time to approximate the solution of the initial value chemical rate equation system. The sizes of the local regions encountered for the different orders of polynomial approximation are calculated in real-time. To improve accuracy the chemical state space is partitioned into hypercubes. During calculations the hypercubes accessed by the reactive mixture are divided into adaptive hypercubes depending on the accuracy of the local solution. Mixture initial conditions are stored in the adaptive hypercubes. Around each stored initial condition two concentric ellipsoids of accuracy (EOA) are defined. These include the ISAT and identical EOAs. The time evolution of mixture initial conditions which encounter an identical and ISAT EOA are approximated by zero and first order polynomials respectively. With a certain number of stored initial conditions within an adaptive hypercube, its second order polynomial coefficients are constructed from the stored initial conditions. The time evolution of additional mixture initial conditions that encounter this adaptive hypercube are approximated with second order polynomials. The APT model is simplified by the replacement of the entire set of species mass fractions with a progress variable based on the enthalpy of formation evaluated at 298 K. APT has 3 degrees of freedom which include the progress variable, total enthalpy and pressure. The APT model was tested with a zero dimensional Stochastic Reactor Model (SRM) for HCCI engine combustion. A skeletal n-heptane/toluene mechanism with 148 chemical species and 1281 reactions was used. In the tests, the HCCI engine simulations using APT were in very good agreement with the model calculations using the ODE solver. The cool flame and main ignition events were accurately captured. The major and minor species were also accurately captured by APT. In SRM-HCCI calculations without cyclic variations, a computational speed up factor greater than 1000 was obtained when APT was used for all the operating points considered without significant loss in accuracy. For the SRM-HCCI engine calculations with cyclic variations, APT demonstrated a computational speed up exceeding 12 without significant loss in accuracy. N2 - In dieser Arbeit wird die Adaptive Polynom-Aufzeichnung (APT) präsentiert. Es ist eine neue Vorgehensweise, um ein chemisches Geschwindigkeitsgleichungssystem zu lösen. In der Arbeit werden die Polynome der nullten, ersten und zweiten Ordnung in Echtzeit genutzt, um das Ergebnis des initialen Chemischen Geschwindigkeitsgleichungssystems zu approximieren. Die Größe der lokal gewählten Region für die Approximation der verschiedenen Ordnungen der Polynome werden in Echtzeit berechnet. Um die Präzision zu verbessern, ist der chemische Zustandsraum in Hyper-Würfel aufgeteilt. Während der Berechnungen werden die von der reaktiven Mischung in Anspruch genommenen Hyper-Würfel abhängig von der Präzision der lokalen Lösung in angepasste Hyper-Würfel unterteilt. Die anfänglichen Bedingungen der Mischung werden in den angepassten Hyper-Würfeln gespeichert. Um jeden gespeicherten Anfangszustand herum, werden zwei konzentrische Präzisionsellipsoide (EOA) definiert. Dabei handelt es sich zum einen um die ISATs und zum anderen um die sogenannten identischen EOAs. Die zeitliche Entwicklung von Anfangsmischungszuständen, welche sowohl eine identische als auch eine ISAT EOA berühren, werden jeweils mit Polynomen nullter beziehungsweise erster Ordnung approximiert. Mit einer gewissen Anzahl von gespeicherten Anfangsbedingungen innerhalb eines angepassten Hyper-Würfels, werden die Polynomkoeffizienten zweiter Ordnung aus diesen gespeicherten Anfangsbedingungen gebildet. Die zeitliche Entwicklung von zusätzlichen Anfangsbedingungen der Mischung, die diesen angepassten Hyper-Würfel berühren, werden mit Polynomen zweiter Ordnung approximiert. Das APT-Modell wird vereinfacht, indem der ganze Satz von Speziesmassenkonzentrationen durch eine Progressvariable ersetzt wird, die auf der Bildungsenthalpie bei 298 K basiert. APT hat drei Freiheitsgrade, welche die Progressvariable, Gesamtenthalpie und den Druck enthalten. Das APT-Modell wurde mit einem nulldimensionalen Stochastik-Reaktionsmodell (SRM) für die Verbrennung von HCCI-Motoren getestet. Benutzt wurde ein skelettartiger n-Heptan/Toluen-Mechanismus mit 148 Chemikalien und 1281 Reaktionen. In den Tests stimmten HCCI-Motor-Simulationen, die das APT verwendeten, gut mit den Modell-Berechnungen mittels sogenannter ODE-Löser überein. Phasen der kühlen Flamme und der Haupt-Zündungen wurden genau erfasst, ebenso wie die Haupt- und Sekundärspezies. In SRM-HCCI-Berechnungen ohne zyklische Variationen, zeigte sich ein rechnerischer Geschwindigkeitserhöhungsfaktor von größer als 1000, wenn APT für alle in Betracht kommenden Operationspunkte verwendet wurde, ohne dabei einen signifikanten Präzisionsverlust zu verursachen. Für solche mit zyklischen Variationen demonstrierte APT eine rechnerische Geschwindigkeitserhöhung von über 12, ebenfalls ohne signifikanten Präzisionsverlust. KW - ISAT KW - PRISM KW - APT KW - SRM KW - Polynom KW - Approximation KW - ISAT KW - PRISM KW - APT KW - SRM Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-30051 ER -