Beitrag zur energetischen und stofflichen Verwertung von Biomasse in der Eisenmetallurgie : Biokoks und Reduktionsgas

Schwarz, Matthias; Senk, Dieter (Thesis advisor); Juchelková, Dagmar (Thesis advisor); Quicker, Peter (Thesis advisor)

Aachen : Shaker Verlag (2019, 2020)
Buch, Doktorarbeit

In: Berichte aus dem Institut für Eisenhüttenkunde 4/2019
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource, (II, 135 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Kurzfassung

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde der technische Einsatz von Biomasse zur Erzeugung von Reduktionsgas und zur Substituierung von fossilen Brennstoffen in den Verfahren der Wirbelschichtvergasung und der Kokserzeugung untersucht. Für die Wirbelschichtvergasung wurde des Weiteren ein Rechenmodell zunächst basierend auf dem thermodynamischen Gleichgewicht und anschließend unter Einbeziehung der Reaktionskinetik der Umsetzung verschiedener Rohstoffe entwickelt.Bei der Vergasung von Rohstoffen in der Wirbelschicht sind Eigenschaften wie die mechanische Belastbarkeit und der Aschegehalt entscheidender als beispielsweise die Reaktivität, da in der Wirbelschicht auch reaktionsträge Materialien aufgrund der variablen Verweilzeit eingesetzt und entsprechend umgesetzt werden können. Das Ascheschmelzverhalten hingegen beeinflusst die Produktivität und kann zu Ausfällen der Anlage führen. Bei einer mechanischen Förderung der Einsatzstoffe gelten beispielsweise Gräser als ungeeignet aufgrund der geringen mechanischen Belastbarkeit. Geeignete Materialien hingegen stellen Holzpellets und hoch ligninhaltige Stoffe dar. Für die Erzeugung von metallurgischem Koks hingegen gelten aufgrund des Einsatzes in Schachtöfen deutlich striktere Anforderungen an die Einsatzstoffe, da der Koks als Stützgerüst dient und gleichzeitig genügend Wärme und Reduktionsgas für die Reduktion der Erze bereitgestellt werden muss. Hierbei gelten die Reaktivität in Form des Coke Reactivity Index, kurz CRI, und die Festigkeit als Coke Strength after Reaction with CO2, kurz CSR, als ausschlaggebende Qualitätsmerkmale für den Einsatz in Schachtöfen.Die Versuche zum Einsatz von Biomasse in der Wirbelschicht erfolgten im Hochtemperatur-Winkler-Vergaser im Pilotmaßstab am Institut für Eisenhüttenkunde. Der Umsetzungsgrad sowie die Gasausbringung wurden für die Fluidisierungsmittel Luft und Kohlenstoffdioxid für unterschiedliche Förderraten und entsprechend angepasster Gasmittelzufuhr beim Einsatz von Weihrauch-Kieferpellets ermittelt. Es zeigte sich, dass der Einsatz von Kohlenstoffdioxid als Fluidisierungsmittel nicht durch die Boudouard-Reaktion zu einer höheren Gasausbeute oder einem höheren CO/CO2- und H2/H2O-Verhältnis führt und demnach der Einsatz von Luft eine deutliche Verbesserung mit Umsetzungsgraden von über 90 % darstellt. Das zur Darstellung der Vorgänge in der Wirbelschicht entwickelte Modell, basierend auf dem thermodynamischen Gleichgewicht, zeigte gute Übereinstimmungen beim Vergleich der Stickstoffgehalte, jedoch starke Abweichungen für die CO/CO2- und H2/H2O-Verhältnisse. Zur Verfeinerung des mathematischen Modells wurden weiterführende Untersuchungen zur Reaktionskinetik durchgeführt und das Modell erweitert. Jedoch konnte hierdurch keine Verbesserung erzielt werden. Eine mathematische Beschreibung der Vorgänge in der Wirbelschicht und eine Vorhersage der Produktgaszusammensetzung ist nur nach weiterer Optimierung des Modells hinsichtlich der Massen- und Wärmeflüsse sowie der Strömungsverhältnisse möglich, sodass das hier vorgestellte Modell den Grundstein für ein vollständiges Modell darstellt.Für die Herstellung von metallurgischem Koks wurden die Materialien Fichtepellets und Weihrauch-Kieferpellets sowie Kirschkerne zunächst thermisch vorbehandelt und anschließend mit Steinkohle gemischt. Zunächst wurde der Einfluss der Vorbehandlungstemperatur auf die chemischen Eigenschaften und die Mikrostruktur im Bereich von 300 bis 1200 °C untersucht. Mit Mischungsanteilen von 5 und 10 % wurde anschließend der Einfluss von vorbehandelter Biomasse auf die Koksparameter CRI und CSR untersucht. Mit zunehmender Vorbehandlungstemperatur nahm der Einfluss der Biomasse auf die CRI- und CSR-Werte ab. Bei mikroskopischer Betrachtung der Koksproben wurde die Verbindung von Kohle und Biomasse innerhalb der Koksstruktur festgestellt. Dies ist entscheidend für den Einsatz von Biomasse, da eine fehlende Verbindung zu einer erhöhten Porosität und gleichzeitig einer Verschlechterung der Reaktivität sowie der Festigkeit führt. Weitere Untersuchungen der Koksproben zeigten dabei, dass eine einheitliche Integration der vorbehandelten Biomasse in die Koksstruktur erfolgte.Zusammenfassend konnte sowohl für die Erzeugung von Synthesegas in der zirkulierenden Wirbelschicht wie auch für die Kokserzeugung gezeigt werden, dass der Einsatz von Biomasse zur Substituierung von fossilen Brennstoffen möglich ist. Hierbei sind prozessbedingte Einschränkungen in der Auswahl der Biomassesorte aufgrund der spezifischen chemischen und mechanischen Eigenschaften, die sich aus der Zusammensetzung der Biomasse aus den Hauptbestandteilen Cellulose, Hemicellulose und Lignin ergeben, zu beachten. Durch die thermische Vorbehandlung konnte die Zumischung von Biomasse im Koks mit 5 und 10 % realisiert werden. Diese Ergebnisse zeigen, dass der technische Einsatz von Biomasse möglich ist und aufgrund der Artenvielfalt auch weitere Einsatzmöglichkeiten geschaffen werden können, um fossile Brennstoffe durch nachwachsende Rohstoffe zu ersetzen.

Einrichtungen

  • Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
  • Lehrstuhl für Metallurgie von Eisen und Stahl [522310]

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