Untersuchungen des Gichtstaubes zur Steuerung des Kohlenstaubeinblasens in den Hochofen

Geyer, Richard W.; Senk, Dieter (Thesis advisor); Schmöle, Klaus Peter (Thesis advisor); Wotruba, Hermann (Thesis advisor)

Düren : Shaker (2023)
Buch, Doktorarbeit

In: Berichte aus dem Institut für Eisenhüttenkunde 1/2023
Seite(n)/Artikel-Nr.: 183 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Stahl ist nach wie vor einer der gefragtesten Werkstoffe der Welt. Demzufolge ist ein Blick auf den ökologischen Stellenwert der Eisen- und Stahlindustrie wichtig. Hierbei zeigt sich, dass die deutsche Eisen- und Stahlindustrie für ca. 7 % des CO2-Ausstoßes in Deutschland verantwortlich ist. Insofern befindet sich eine kontinuierliche Prozessoptimierung zur Energie-, Emissions- und Kosteneinsparung stets im Blickpunkt der Forschung. In dieser Arbeit lag der Fokus auf der Optimierung des Kohlenstaubeinblasens im Hochofenprozess. Der eingeblasene Kohlenstaub setzt sich teilweise im Hochofen zu Kohlenmonoxid um und substituiert somit stellenweise den teuren Koks als Reduktionsmittel. Der Kohlenstaub, der sich nicht oder nur teilweise im Hochofen umsetzt (sog. Char), verlässt den Hochofen mit dem Gichtgasstrom im Gichtstaub über die Steigrohre und gelangt so in die jeweiligen Gichtgasreinigungsaggregate. Somit kann die Dokumentation des Charanteils im Gichtstaub zur Prozessführung genutzt werden. Allerdings stellt die Identifizierung und Quantifizierung des Chars eine Herausforderung dar, da neben Char auch weitere Kohlenstoffphasen wie Koksabrieb oder Ruß im Gichtstaub vorliegen. Diese Phasen sind chemisch nicht voneinander zu unterscheiden. Daher wurde in der vorliegenden Arbeit eine kombinierte Methodik aus optischer Kohlenstoffphasendifferenzierung mit Hilfe von lichtoptischer Mikroskopie und Rasterelektronenmikroskopie sowie thermogravimetrischer Analyse entwickelt. Hierbei sollte die optische Differenzierung anhand einer Datenbank von charakteristischen Merkmalen von Char und Koks durchgeführt werden und anschließend mit Hilfe der Thermogravimetrie validiert werden. Das Verfahren wurde im Anschluss an Gichtstaubproben aus verschiedenen Hochofenwerken erfolgreich getestet. Ebenso konnten Zusammenhänge zwischen dem Charanteil im Gichtstaub, der Einblasrate sowie der Koksrate hergestellt werden. Trotz der geringen Probenmenge sind die Messabweichungen gering. Aufgrund dessen kann das Verfahren als Werkzeug zur Prozessoptimierung im Rahmen des Kohlenstaubeinblasens genutzt werden und bietet weiteres Entwicklungspotenzial. Für die Prozesssteuerung ist die aktuelle, unmittelbar vor Ort gemessene, chemische Zusammensetzung des Gichtstaubes ebenfalls von Bedeutung. Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit ein in-situ-Messsystem zur kontinuierlichen Bestimmung der Partikelzusammensetzung entwickelt. Das System basiert auf Laser-induced-breakdown-spectroscopy (LIBS), welches sowohl stationär als auch im Hochofenbetrieb integriert genutzt werden kann. Versuche im Rahmen dieser Arbeit zeigten, dass im stationären Betrieb positive Erkenntnisse hinsichtlich der Eisen- und Kohlenstoffanalyse gezogen werden. Die Weiterentwicklung des Systems zu einer Messapparatur, die in einem Staubstrom die chemische Zusammensetzung im Staub kontinuierlich misst, wurde in einer Simulation und Modellierung des Partikelverhaltens im Strom auf seine Funktionalität hin getestet. Hierbei hat sich gezeigt, dass ein LIBS-Messsystem für den Staubstrom unter den gegebenen Bedingungen nicht funktioniert. Hierfür wären zusätzliche Experimente erforderlich, um festzustellen, ob verschiedene Laserarten, wie beispielsweise ein Fächerlaser die Ergebnisse des in den Prozess integrierten Systems verbessern könnten.

Einrichtungen

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