TY - THES

T1 - Kinetische Untersuchungen zur Reduktion von zink- und eisenhaltige Reststoffen mittels Wasserstoff

AU - Haller, Maximilian

N1 - gesperrt bis 16-06-2028

PY - 2023

Y1 - 2023

N2 - Das Wälzverfahren ist der am häufigsten angewandte Prozess zur Rückgewinnung von Zink aus Stahlwerkstaub durch karbothermische Reduktion. Zu den Produkten zählen Wälzoxid mit etwa 55-60 Gewichts-% Zink und Wälzschlacke mit etwa 5 Gewichts-% Zink. Ziel dieser Arbeit war es, die Möglichkeit der Zinkrückgewinnung durch Wasserstoffreduktion zu untersuchen, um den Wälzofen zu ersetzen bzw. die Wälzschlacke weiter zu reduzieren. Zu diesem Zweck wurde eine kinetische Studie für eine repräsentative Wälz-Einsatzmischung und verschiedene Wälzschlackenproben durchgeführt. Bei der Wälzschlacke wurde eine Metallausbeute von über 95 Gewichts % erreicht, aber die Reaktionskinetik erwies sich als schlecht. Daher fand vor den Reduktionstests eine thermomechanische Vorbehandlung statt, um festzustellen, ob diese einen positiven Einfluss auf das Reaktionsverhalten nimmt. Die Ergebnisse zeigten, dass die Vorbehandlung den erreichbaren Reduktionsgrad und die Reaktionsgeschwindigkeit deutlich erhöhte, was auf die verbesserte Porosität und Permeabilität des Materials zurückgeführt werden konnte. Die Nutzung von Wasserstoff im Wälzprozess selbst könnte zu einer drastischen Verringerung dessen CO2-Emissionen beitragen. Dabei ist es von entscheidender Bedeutung, die geschwindigkeitsbestimmenden Schritte der Reaktion zu verstehen und optimale Prozessparameter zu wählen. Durch eine Literaturrecherche wurden die Temperatur, die Zusammensetzung des Reduktionsgases und die Eigenschaften der Probe (Größe, Porosität) als Schlüsselparameter ermittelt. Mittels thermogravimetrischer Analyse wurden die Auswirkungen dieser Parameter auf die Reduktionskinetik einer repräsentativen Wälz-Einsatzstoffmischung untersucht. Es zeigte sich, dass höhere Temperaturen durch Beschleunigung der chemischen Reaktion und höhere Gasflussraten durch eine Erhöhung der Diffusionsgeschwindigkeit die Kinetik in sämtlichen Reaktionsstadien verbesserten. Eine höhere Wasserstoffkonzentration steigert das Diffusionsvermögen des Reduktionsgases, was zu höheren Reaktionsgeschwindigkeiten in der Anfangs- und Mittelphase der Reduktion führt. Die Auswirkungen größerer Pellets variieren in Abhängigkeit von der Wasserstoffkonzentration und der Gasflussrate. Die Verwendung von Helium anstelle von Stickstoff als Spülgas verbesserte das Diffusionsvermögen sowie den Wärmetransport, was zu einer besseren Kinetik in der Anfangs- und Mittelphase der Reduktion führt.

AB - Das Wälzverfahren ist der am häufigsten angewandte Prozess zur Rückgewinnung von Zink aus Stahlwerkstaub durch karbothermische Reduktion. Zu den Produkten zählen Wälzoxid mit etwa 55-60 Gewichts-% Zink und Wälzschlacke mit etwa 5 Gewichts-% Zink. Ziel dieser Arbeit war es, die Möglichkeit der Zinkrückgewinnung durch Wasserstoffreduktion zu untersuchen, um den Wälzofen zu ersetzen bzw. die Wälzschlacke weiter zu reduzieren. Zu diesem Zweck wurde eine kinetische Studie für eine repräsentative Wälz-Einsatzmischung und verschiedene Wälzschlackenproben durchgeführt. Bei der Wälzschlacke wurde eine Metallausbeute von über 95 Gewichts % erreicht, aber die Reaktionskinetik erwies sich als schlecht. Daher fand vor den Reduktionstests eine thermomechanische Vorbehandlung statt, um festzustellen, ob diese einen positiven Einfluss auf das Reaktionsverhalten nimmt. Die Ergebnisse zeigten, dass die Vorbehandlung den erreichbaren Reduktionsgrad und die Reaktionsgeschwindigkeit deutlich erhöhte, was auf die verbesserte Porosität und Permeabilität des Materials zurückgeführt werden konnte. Die Nutzung von Wasserstoff im Wälzprozess selbst könnte zu einer drastischen Verringerung dessen CO2-Emissionen beitragen. Dabei ist es von entscheidender Bedeutung, die geschwindigkeitsbestimmenden Schritte der Reaktion zu verstehen und optimale Prozessparameter zu wählen. Durch eine Literaturrecherche wurden die Temperatur, die Zusammensetzung des Reduktionsgases und die Eigenschaften der Probe (Größe, Porosität) als Schlüsselparameter ermittelt. Mittels thermogravimetrischer Analyse wurden die Auswirkungen dieser Parameter auf die Reduktionskinetik einer repräsentativen Wälz-Einsatzstoffmischung untersucht. Es zeigte sich, dass höhere Temperaturen durch Beschleunigung der chemischen Reaktion und höhere Gasflussraten durch eine Erhöhung der Diffusionsgeschwindigkeit die Kinetik in sämtlichen Reaktionsstadien verbesserten. Eine höhere Wasserstoffkonzentration steigert das Diffusionsvermögen des Reduktionsgases, was zu höheren Reaktionsgeschwindigkeiten in der Anfangs- und Mittelphase der Reduktion führt. Die Auswirkungen größerer Pellets variieren in Abhängigkeit von der Wasserstoffkonzentration und der Gasflussrate. Die Verwendung von Helium anstelle von Stickstoff als Spülgas verbesserte das Diffusionsvermögen sowie den Wärmetransport, was zu einer besseren Kinetik in der Anfangs- und Mittelphase der Reduktion führt.

KW - Reaktionskinetik

KW - Stahlwerksstaub

KW - Wasserstoff

KW - Reduktion

KW - Recycling

KW - Reduction

KW - Steel Mill Dust

KW - Hydrogen

KW - Reaction Kinetics

M3 - Masterarbeit

ER -