Einleitung
Im Zuge der Entwicklung des Wasserstoff-Plasma-Schmelzreduktions-Prozesses (HPSR) ist es von großer Bedeutung, dass die thermisch beanspruchten Teile der Anlage optimal ausgelegt sind. Eines der Kernthemen in diesem Bereich ist das Design des feuerfesten Werkstoffes für das Untergefäß der Anlage, welches prinzipiell notwendig ist, um das entstehende flüssige Metall zu fassen. An diese Auskleidung sind aufgrund thermischer und chemischer Vorgänge sehr hohe Anforderungen gestellt. Einerseits ist dies die hohe thermische Belastung durch die Strahlung der Plasmaflamme und der chemische Angriff durch die hoch FeO-hältige Schlacke. Zudem scheint es, dass das oxydische Feuerfestmaterial durch unverbrauchten Wasserstoff reduziert wird.
Ein weiterer kritischer Punkt ist die Wasserstoffausnutzung. Es kann nicht damit gerechnet werden, dass der gesamte eingebrachte Wasserstoff für die Reduktion des Eisenerzes verbraucht wird. Somit entweicht eine bestimmte Menge zusammen mit dem Reaktionsprodukt Wasserdampf. Es gilt die nicht reagierte Menge an Wasserstoff zu minimieren, abzutrennen und eine Rückführung von unverbrauchtem Wasserstoff zu konzeptionieren.
Ebenfalls ist sicherzustellen, dass Wasserstoff in der benötigten Menge zur Verfügung steht. Es wird darum ein Konzept zur kontinuierlichen Erzeugung und Speicherung von Wasserstoff erstellt. Je nach Energiemix des Stromerzeugers soll somit CO2-frei Wasserstoff für die HPSR-Anlage erzeugt werden.
Ziele und Motivation
- Erhöhung der Haltbarkeit des Feuerfestmaterials im Reaktorgefäß durch
- Auswahl geeigneter Materialien
- Anpassung der Prozessschlacke
- Bildung einer Schaumschlacke
- Konzept für ein Wasserelektrolyse-, Wasserstoffspeicherungs- und Rückführungssystem aus dem Abgas des HPSR-Prozesses.
Vorgehensweise
Im Forschungszentrum der RHI in Leoben sollen entsprechende Materialien (hochtonerdehältige bzw. spinellbildende) entwickelt werden. Diese können dann im Laborplasmaofen am Lehrstuhl für Eisen- und Stahlmetallurgie an der MUL unter verschiedenen Prozessbedingungen getestet werden. Ausgehend von den Ergebnissen erfolgt dann die Umsetzung im HPSR-Reaktor bei voestalpine Donawitz und die Durchführung von Versuchskampagnen durch K1-MET. Parallel dazu werden Versuche mit unterschiedlichen Schlacken gefahren, um deren Einfluss auf die Feuerfesthaltbarkeit zu erforschen. Schließlich wird versucht, mittels Gaseindüsung durch einen porösen Bodenspülstein im Reaktorboden eine Schaumschlacke zu generieren, welche die Ausmauerung schützen soll.
Bezüglich der Konzepterstellung des Elektrolysesystems soll der Stand der Technik der Wasserstofferzeugung mittels erneuerbarer Energie aufgezeigt werden. In weiterer Folge wird es Ergebnisse für die Speicherung von Wasserstoff, als auch die Rückführung von unverbrauchtem Wasserstoff aus dem Abgas geben. Dies soll die Effizienz des Prozesses erhöhen.
Hierfür wir der Aufbau einer Gesamtsystemsimulation eines Elektrolysemoduls und Brennstoffzellenmoduls (vorzugsweise in Matlab / Simulink) benötigt. Die Auslegung des Gesamtsystems wird basierend auf Simulationsergebnissen von K1-MET in Kooperation mit Fronius erstellt. Eine Parameterstudie mit anschließender Wirkungsgradanalyse definiert die optimalen Betriebsbedingungen wie Druck, Temperatur, Zellenanzahl, H2 Speichervolumen, etc.) Der Vergleich unterschiedlicher Konzepte (z.B.: Hochdruck-Elektrolyse vs. Elektrolyse bei Umgebungsdruck mit nachgeschalteter Verdichtung) ist ebenfalls Teil des Projektes.
Aus diesen Ergebnissen wird anschließend ein optimales Konzept für Teillast (z.B. 50% Last) und für Volllast erstellt, und die Entwicklung einer effizienten Regelung des Gesamtsystems für den dynamischen Betrieb (strompreisgeführt, H2-bedarfsgeführt) vorangetrieben.
Ergebnisse und Anwendung
Das Feuerfestmaterial wird für die herrschenden Bedingungen im Reaktorgefäß optimiert. In diesem Zusammenhang gilt es, eine Variation der Schlackenzusammensetzung zu testen, um ein Minimum des Feuerfestverschleißes zu ermitteln. Zum weiteren Schutz des Feuerfestmaterials wird versucht, mittels Bodenspülung, eine Schaumschlacke zu erzeugen. Diese soll die Ausmauerung vor der enormen thermischen Strahlung des Plasmalichtbogens schützen.
Letztendlich gilt es ein Gesamtkonzept für die großtechnische Stahlherstellung mittels HPSR samt Infrastruktur (Produktion, Speicherung und Rückführung von Wasserstoff) zu erstellen.