Reduction of self-reducing pellets for the use in shaft furnace by involving hydrogen reduction

Wang, Rongrong; Senk, Dieter (Thesis advisor); Springer, Hauke Joachim (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2023)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Kurzfassung

Die Eisen- und Stahlindustrie, insbesondere der Prozess der Eisenerzeugung im Hochofen, verursacht weltweit einen deutlichen Anteil an industriellen CO2-Emissionen, was eine Dekarbonisierung der Eisen- und Stahlindustrie unerlässlich macht. Eine der Strategien besteht darin, fossile Energieträger durch "grünen" H2 zu ersetzen und beispielsweise im Direktreduktionsprozess zu nutzen, d.h. eine H2-basierte Direktreduktionstechnologie (H-DR) zu entwickeln, um kohlenstofffreie DRI herzustellen. Das Kohlenstoff im DRI ist jedoch notwendig, um einen reibungslosen und effizienten Schmelzbetrieb zu gewährleisten. Die Herstellung von kohlenstoffhaltigem DRI im H-DR-Prozess stellt jedoch ein Problem dar. Der Einsatz von selbstreduzierenden Pellets mit eingebetteter Biomasse (SRP) im H-DR- Prozess wird vorgeschlagen und soll das Problem des niedrigen/null Kohlenstoffgehalts im DRI-Produkt für H-DR lösen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine 3-stufige Studie (TG/DTA → Reduktionsofen isotherm → Reduktionsofen nicht-isotherm) zur H2-Reduktion von SRP durchgeführt, um das Reduktionsverhalten von SRP zu untersuchen und somit die Eignung von SRP für den H-DR-Prozess zu demonstrieren. Torrefizierte Biomasse und Holzkohle wurden als eingebettete Biomasse verwendet. Die Reduktionsversuche wurden unter isothermen und nicht-isothermen Bedingungen mit einem 3-Zonen-Röhrenrofen und einem Thermogravimetrischen/Differenzialthermoanalysator (TG/DTA) durchgeführt. Mittels Rasterelektronenmikroskopie (SEM) wurden die Mikrostruktur und die Porosität der Pellets bestimmt. Es wurden Bewertungskennzahlen wie der relative Massenverlust der Pellets während der Reduktion, der Reduktionsgrad, der Metallisierungsgrad, die Kohlenstoffverwertungsrate der eingebetteten Biomasse, der Restkohlenstoffgehalt im Produkt und das Schwellverhalten untersucht. Die Reduktionsexperimente, die im TG/DTA-Analysator unter N2/H2/CO-Atmosphären bei verschiedenen Temperaturen bis zu 1200°C durchgeführt wurden, zeigen, dass die Reduktion von in Biomasse eingebettetem SRP durch H2 eine Kombination aus Festphasenreduktion und Gasphasenreduktion ist. Die Reduktion von Eisenerz durch feste torrefizierte Biomasse beginnt bei etwa 400° C; der Restkohlenstoff, der im Reduktionsprodukt gefunden wurde, bestätigte zunächst die Machbarkeit der Verwendung von SRP in H-DR zur Herstellung von kohlenstoffhaltigem DRI. Die isotherme Reduktion der SRP wurde unter verschiedenen Atmosphären und im Temperaturbereich von 750 - 950° C untersucht. Unter dem Gesichtspunkt des relativen Massenverlustes während der Reduktion, des Reduktionsgrades und des Metallisierungsgrades wurden in dieser Studie 40 % H2 - 60 % N2-Atmosphäre und 950° C als optimale Reduktionsatmosphäre und optimale Reduktionstemperatur herausgestellt. Die Verwendung von torrefizierter Biomasse konnte die Reduktionsleistung im Vergleich zu Holzkohle deutliche verbessern. SRP mit 12%-18% torrefizierter Biomasse oder 6% Holzkohle eingebettet sind, weisen in der aktuellen Studie eine gute Reduktionsleistung auf. Unter dem Gesichtspunkt der Kohlenstoffnutzung und des Restkohlenstoffgehalts von Reduktionsprodukten weist torrefizierte Biomasse einen höheren Kohlenstoffnutzungsgrad auf und der Restkohlenstoffgehalt des Produkts entspricht eher dem tatsächlichen Bedarf. Der Kohlenstoff in Holzkohle ist stabiler und der Cfix-Gehalt ist größer, was zu einem hohen Restkohlenstoffgehalt des Produkts führt. Daher sind 18 % torrefizierte Biomasse oder 6 % Holzkohle in der vorliegenden Studie eine geeignete Zugabemenge zu den Pellets. Unter dem Gesichtspunkt des Schwellung Reduktionsquellung zeigen alle Pellets eine Tendenz zur Schrumpfung ohne katastrophales Schwellen und sind in der Lage, die tatsächlichen Produktionsanforderungen zu erfüllen. Die nicht-isotherme Reduktion von SRP wurde unter simulierten Midrex-Direktreduktionsbedingungen und H2-basierten Direktreduktionsbedingungen untersucht. Das Schwellverhalten von SRP konnte die Anforderungen unter experimentellen Bedingungen erfüllen. Die SRP-Proben mit 18 % torrefizierter Biomasse oder 6 % Holzkohle konnten die Anforderungen für den anschließenden EAF-Schmelzbetrieb erfüllen. Für den Einsatz in Schachtöfen müssen solche SRP mit eingebettetem Kohlenstoff gehärtet werden, z.B. mit Keramischen Binde mitteln.

Einrichtungen

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

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