水素還元製鉄炉を想定した流動・伝熱・還元反応シミュレーションモデルの開発

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まず固体－気体の伝熱シミュレーションモデルを開発するため、CFDソフトウェアSTAR-CCM+(シーメンス社、CFDソフトであるが固体流れにDEMを用いることが可能)をライセンス購入し、既存のPCにSTAR-CCM+計算環境を構築した。インストールおよび計算環境設定時に不具合が多発したが、ベンダーの技術者とやり取りを繰り返して解決し、計算実行環境を整えた。このソフトを用いて、実験装置として使用する円筒状の領域を対象としてグリッド作成を行い、円筒内に固体粒子を充填して、下方から高温ガスを流して固体を昇温させる実験条件に対応する初期条件・境界条件を設定し、固気伝熱には既往の文献式を使用して計算を試行した。実験については、予備的に既存の装置を用いて、固体粒子を充填した層に高温のガスを流して伝熱を行う実験を試みた。実際のプロセスは、高温水素含有ガスで鉄鉱石粒子を加熱昇温して還元するプロセスを想定しているが、モデルを検証する模型実験のため、固体粒子は粒径約10mmの鉄鉱石(焼結鉱)を用いたが、ガス側は、水素の代わりにヘリウム、窒素の代わりに空気と、物性値が近いガスで代替する実験を計画した。しかしながら、ヘリウムは高価かつ調達困難であるため、まずは安価かつ調達容易なアルゴンを代わりに使用することとし、空気(コンプレッサーから供給)、アルゴン(ガスボンベから供給)を単独または混合して送風し、気体を加熱して固体充填層に送り、固体の昇温を計測する実験を行った。ガス組成、ガス温度、ガス流量を変更して実験を行った。この予備実験の結果、固体充填層の圧損による流量計での測定流量と実通過流量の相違があることや、ガスの昇温速度の違いが固体の温度上昇に影響するなどの問題点があることが分かり、信頼できるデータを得るための実験方法の改良を検討中である。