Recycling of electric arc furnace dust with hydrogen

Titel in Übersetzung: Recycling von Elektrolichtbogenofenstaub mit Wasserstoff

Ulrich Brandner

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Abstract

Die Ziele zur Verringerung der Treibhausgasemissionen fordern die Industrie, deren Prozesse unter dem Gesichtspunkt der Nachhaltigkeit umzugestalten. Deshalb sind unter anderem Recyclingverfahren, welche möglichst geringe Treibhausgasemissionen verursachen, notwendig. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Recycling von Elektrolichtbogenofenstaub. Aktuell basiert die Aufarbeitung von Elektrolichtbogenofenstaub auf der karbothermischen Reduktion von Metalloxiden, wodurch direkte Kohlendioxidemissionen verursacht werden. Zusätzlich nimmt die Stahlproduktion über die Elektrolichtbogenofenroute zu. Dies führt zum zusätzlichen Anstieg der generierten Staubmenge und der damit verbundenen Kohlendioxidemissionen. Durch die Substitution von Kohlenstoff als Reduktionsmittel durch Wasserstoff können direkte Kohlendioxidemissionen beim Recycling von Stahlwerksstaub vermieden werden. In der vorliegenden Arbeit wird das Reduktionsverhalten von Stahlwerksstaub mit Wasserstoff untersucht. Eine umfassende Literatur- und Patentrecherche erbrachte die bereits erarbeiteten Konzepte zur Entwicklung von wasserstoffbasierten Reduktionstechnologien für die Verarbeitung von Stahlwerksstaub. Thermodynamische Berechnungen ermöglichten die grundlegende Klassifizierung der bereits vorhandenen Prozesskonzepte sowie die Erarbeitung eines neuartigen Verwertungskonzepts, welches unteranderem die Rückgewinnung von Wasserstoff miteinbezieht. Das vorgestellte Verfahren ermöglicht nach der simultanen Reduktion von Eisen- und Zinkoxid und der anschließenden Abtrennung über die Oxidation von reduziertem Eisen und Zink mit Wasserdampf theoretisch den geringsten Verbrauch an Wasserstoff. Die Konzeption des Recyclings von Elektrolichtbogenofenstaub mit Wasserstoff wirft Fragen bezüglich der grundsätzlichen Durchführbarkeit der Reduktion der in Stahlwerksstaub vorhandenen Oxide mit Wasserstoff auf. Thermogravimetrische Analysen (TGA) sind prädestiniert für die Untersuchung der Kinetik von Feststoff-Gas-Reaktionen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein angepasster TGA-Aufbau im Labormaßstab entwickelt, um die Reduktion der in Stahlwerksstaub vorhandenen Oxide und die Oxidation von vorreduziertem Eisen zu untersuchen. Der Vergleich der Reduktionskinetik von reinem Eisenoxid, Zinkferrit und Zinkoxid mit Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestätigte und quantifizierte den kinetischen Vorteil von Wasserstoff gegenüber Kohlenmonoxid. Der kinetische Vorteil sinkt von Faktor 2 für Eisenoxid und Zinkferrit auf den Faktor 1,5 für Zinkoxid bei 800 °C. TGA mit Elektrolichtbogenofenstaub ergaben bei 900 °C einen kinetischen Vorteil um den Faktor 2,5 und ermöglichten zusätzlich die Bestimmung der geschwindigkeitsbestimmenden Faktoren. Neben der Abhängigkeit von Temperatur und Reduktionsgrad erwiesen sich die Gasflussrate, die Gaszusammensetzung, die Probengröße sowie die spezifische Oberfläche des Oxides als geschwindigkeitslimitierend. Die Oxidation von vorreduziertem Eisenoxid und Stahlwerksstaub bestätigt die thermodynamisch errechnete Möglichkeit, Eisen zu Fe3O4 zu oxidieren. Die Oxidationsrate wird durch eine höhere Temperatur erhöht, wobei eine Anreicherung von Wasserstoff von mehr als 30 % die maximale Oxidationskapazität bereits begrenzt. Neben der Untersuchung des Reduktions- und Oxidationsverhaltens im Labormaßstab wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit das Upscaling des Reduktionsverhaltens in den erweiterten Labormaßstab durchgeführt. Dabei kam eine selbst entwickelte Wasserstoffretorte zum Einsatz und das Reduktionsverhalten von pelletiertem Stahlwerksstaub mit Wasserstoff wurde im Upscaling um den Faktor 100 verglichen. Durch das Upscaling in den erweiterten Labormaßstab reduzierte sich die Reduktionsrate auf 60 % der Reduktionsrate in der TGA. Daher wird die Notwendigkeit postuliert, sich im Folgenden auf weitere Upscaling-Effekte zu konzentrieren.
Titel in ÜbersetzungRecycling von Elektrolichtbogenofenstaub mit Wasserstoff
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Steinlechner, Stefan, Beurteiler A (intern)
  • Lehner, Markus, Beurteiler B (intern)
  • Antrekowitsch, Jürgen, Betreuer (intern)
  • Schenk, Johannes, Mitbetreuer (intern)
Datum der Bewilligung21 Okt. 2022
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2022

Bibliographische Notiz

gesperrt bis 16-09-2027

Schlagwörter

  • Recycling
  • CO2 Reduktion
  • Kinetik
  • Elektrolichtbogenofenstaub
  • Thermogravimetrische Untersuchungen
  • Wasserstoff
  • Reduktion
  • Oxidation

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