Development of characterization methods for the evaluation of the kinetic behavior and the fluidization of iron ore fines during hydrogen-induced fluidized bed reduction

Titel in Übersetzung: Entwicklung neuer Methoden zur Evaluierung des kinetischen Verhaltens und der Fluidisierung von Feineisenerzen während der wasserstoffbasierten Reduktion mittels Wirbelschichttechnologie

Daniel Spreitzer

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Die wasserstoffbasierte Reduktion von Feineisenerzen mittels Wirbelschichttechnologie stellt eine Alternative für die zukünftige Herstellung von Eisen dar. Typische Verfahren zur Eisen- und Rohstahlherstellung arbeiten heutzutage üblicherweise mithilfe von fossilen Energieträgern. Die Emittierung von großen Mengen an Kohlenstoffdioxid ist daher unumgänglich. Die Verwendung von Wasserstoff als Energieträger und Reduktionsmittel stellt die einzige sinnvolle Maßnahme dar, um die Emissionen von Kohlenstoffdioxid auf ein angemessenes Level zu reduzieren und um Stahl auch in Zukunft nachhaltig produzieren zu können. Konventionelle Verfahren zur Eisen- bzw. Stahlherstellung, wie zum Beispiel der Hochofenprozess, besitzen nicht die Möglichkeit, auf reinem Wasserstoff umgestellt werden zu können. Dies ist auf das Verfahrenskonzept zurückzuführen. Eine Verwendung der Wirbelschichttechnologie hingegen erlaubt einen ausschließlichen Einsatz von Wasserstoff als Energieträger und Reduktionsmittel. Des Weiteren können Feineisenerze ohne vorgeschaltete Agglomeration direkt dem Prozess zugeführt werden, wodurch diese energieintensiven Prozesse vermieden bzw. eingespart werden können. In dieser Arbeit wird das kinetische Verhalten von unterschiedlichen Feineisenerzen während der wasserstoffbasierten Wirbelschichtreduktion mittels der Anwendung eines entwickelten Ansatzes, welcher auf dem Model von Johnson, Mehl und Avrami basiert, untersucht. Die Untersuchungen zeigen, dass der gesamte Reduktionsprozess von Hämatit bis zum metallischen Eisen sehr gut mit dem angewendeten Model beschrieben werden können. Als reaktionslimitierende Schritte treten während der wasserstoffbasierten Wirbelschichtreduktion hauptsächlich die chemische Reaktion selbst sowie der Vorgang der Keimbildung auf. Aufgrund der weltweiten Verfügbarkeit von magnetitischen Eisenerzen werden unterschiedliche Möglichkeiten der Verwendung solcher Erze in der Wirbelschicht aufgezeigt. Dabei wird vor allem auf das Fluidisierungsverhalten und die Reduzierbarkeit eingegangen und unterschiedliche Möglichkeiten zur Beeinflussung aufgezeigt sowie ein optimiertes Prozesskonzept entwickelt. Es zeigt sich, dass eine vorangehende Oxidation des Magnetits zu einer Beeinflussung der Fluidisierung und der Reduzierbarkeit führt wobei eine vollständige Fluidisierung nur durch Zugabe von MgO zum Eisenerz erreicht werden kann. Die beste Kombination der Eigenschaften Fluidisierungsverhalten und Reduzierbarkeit kann mit teilweise oxidiertem Material erreicht werden. Des Weiteren wird die Möglichkeit einer direkten Verwendung von hämatitischen und magnetitischen Feinsteisenerzen in der Wirbelschicht untersucht. Im Gegensatz zu in der Literatur veröffentlichten Ergebnissen konnte für hämatitische Erze eine stabile Fluidisierung ohne eintretendes Sticking erreicht werden, selbst bei hohen Reduktionsgraden. Die Untersuchungen wurden in unterschiedlichen Wirbelschichtreaktoren im Labormaßstab durchgeführt. Zusätzlich wurden morphologische Untersuchungen der Einsatzstoffe sowie der reduzierten Proben durchgeführt.
Titel in ÜbersetzungEntwicklung neuer Methoden zur Evaluierung des kinetischen Verhaltens und der Fluidisierung von Feineisenerzen während der wasserstoffbasierten Reduktion mittels Wirbelschichttechnologie
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Hofbauer, Hermann, Beurteiler B (extern), Externe Person
  • Schenk, Johannes, Beurteiler A (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2020

Bibliographische Notiz

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Schlagwörter

  • Wirbelschicht
  • Reduktion
  • Feineisenerze
  • Wasserstoff

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