Einleitung
Die Idee, Wasserstoff anstelle von Kohlenstoff als Reduktionsmittel für die Stahlerzeugung einzusetzen, geht in die 1970er Jahre zurück. Beginnend bei Versuchen mit molekularem Wasserstoff, wurde im Weiteren auch mit Wasserstoffplasma gearbeitet. K1-MET hat es sich in Zusammenarbeit mit der Montanuniversität und der voestalpine zur Aufgabe gemacht die Entwicklung des Prozesses der Plasmaschmelzreduktion mit Wasserstoff-Argon voranzutreiben. Derzeitig brennende Forschungsfragen tun sich im Bereich der Wasserstoffausnutzung, des Elektrodenverbrauchs, des vollständig kontinuierlichen Betriebes und der Substitution des Prozessgases Argon auf.
Ziele und Motivation
- Möglichst hoher Anteil des Wasserstoffs soll für die Erzreduktion dienen
- Kosteneinsparung durch Verwendung von kostengünstigem Stickstoff anstelle von teurem Argon zur Stabilisierung des Plasmastrahles
- Spezifizierung eines Einsatzstoffmixes mit optimaler Reduzierbarkeit
- Konzept für einen kontinuierlichen Betrieb einer HPSR-Anlage anstelle eines Batch-Betriebs
- Konzept für ein Upscaling der Wasserstoffplasmaschmelzreduktions-Anlage in den Pilotmaßstab
Vorgehensweise
Mit Hilfe von thermodynamischen Simulationen (FactSage u.Ä.) soll eine Datenbasis geschaffen werden, um die Ausnutzung des Wasserstoffes zu steigern. Diese soll anschließend im Labormaßstab überprüft, und später in der integrierten Kleinanlage angewandt werden.
Bei den Berechnungen soll bereits darauf eingegangen werden, ob Argon durch kostengünstigere Prozessgase wie z.B. Stickstoff ersetzbar ist und welche Auswirkungen dieser Austausch auf den Prozess hat.
Neben dem Erhöhen der Gasausnutzung ist es auch von großer Bedeutung, den Verschleiß der Elektrode so gering wie möglich zu gestalten. Dazu sollen unterschiedliche Prozessparameter getestet, und der optimale Arbeitspunkt gefunden werden.
Im Zuge der Erhöhung der Gasausnutzung ist es ebenfalls notwendig den Rohstoffmix anzupassen und zu optimieren. Dazu wird während der Optimierungsversuche parallel das Einsatzmaterial auf Unterschiede im Verhalten bei der Reduktion getestet.
Um den Prozess in Richtung einer industriellen Anwendung zu treiben benötigt es ein kontinuierliches Abstich-Konzept für den Reaktor. Dieses gilt es in der Theorie zu designen und ein Konzept zur Erweiterung der integrierten Kleinanlage zu liefern.
Nachdem alle genannten Parameter ermittelt wurden soll ein grundlegendes Flow-Sheet für die Pilotanlage erstellt, und somit der Grundstein für das Pre-Engineering der Anlage gelegt werden.
Ergebnisse und Anwendung
Es gilt den optimalen Wasserstoffnutzungsgrad unter verschiedenen Bedingungen und somit den minimalen Wasserstoffverbrauch für die Reduktion der Eisenerze zu ermitteln (Wirtschaftlichkeit und Ressourcenschonung). Zusätzlich soll die Effizienz durch die Abtrennung des unverbrauchten Wasserstoffs aus dem Abgas und die Rückführung in den Prozess gesteigert werden.
Ebenfalls gilt es die optimalen Prozessparameter zur Erzielung einer möglichst hohen Elektrodenhaltbarkeit zu finden. Dies könnten z.B. unter der Zuhilfenahme von alternativen Elektrodenmaterialien realisiert werden.
Der Einsatz von Stickstoff anstelle von Argon als Plasmagas, der optimale Feinerz-Mix und ein Konzept für den kontinuierlichen Betrieb würde den gesamten Prozess wirtschaftlich attraktiver gestalten.
Ein Basic Flow Sheet für die Pilotanlage inklusive Massen- und Energiebilanz kann für die Spezifizierung von Produktionsdaten inkl. Einsatzmaterialien, Energie, Gase, Verbrauchsmaterialien und Produkte herangezogen werden.