Optimization of Reaction Parameters for Hydrogen Reduction of Electric Arc Furnace Dust

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

Abstract

Beim Recycling von verzinktem Schrott fällt eine zinkhaltige Staubfraktion an, die in der Regel als Stahlwerksstaub bezeichnet wird und derzeit hauptsächlich im kohlenstoffbasierten Wälzprozess aufgearbeitet wird. Dieses Verfahren ist in Bezug auf die Zink-Rückgewinnungsrate effizient und weist niedrige Betriebskosten auf, wodurch es auch wirtschaftlich erfolgreich ist. Dabei zielt der Wälzprozess lediglich auf die Extraktion von Zink ab, weshalb andere Wertmetalle, allen voran Eisen und Kupfer, ungenutzt bleiben. Außerdem weist das im Wälzprozess gewonnene sekundäre Zinkoxid einen hohen CO2-Fußabdruck auf, was aufgrund verstärkter Klimaschutzbemühungen in Zukunft die Entwicklung von Alternativverfahren erforderlich macht, die das kohlenstoffbasierte Verfahren durch Alternativen, wie die Wasserstoffreduktion, ersetzen. Bei der Entwicklung neuer Verfahrenskonzepte ist es wichtig, ein grundlegendes Verständnis der ablaufenden Reaktionsmechanismen sowie der Reaktionskinetik zu haben. Die vorliegende Arbeit leistet hier einen Beitrag, wobei der Einfluss der Temperatur und des H2O/H2-Verhältnisses auf die Reaktionskinetik während der wasserstoffbasierten Reduktion von Stahlwerksstaub untersucht wurde. Dazu wurden Experimente in einer Thermogravimetrie (TGA) durchgeführt, die mit einem Massenspektrometer (MS) gekoppelt war. Ergänzend war geplant, einen Algorithmus zu entwickeln, der es ermöglicht, durch Kopplung der TGA- und MS-Datensätze quantitativ zwischen der Reduktion von Zinkoxid und Eisenoxid zu unterscheiden. Die experimentellen Daten zeigen, dass mittels Wasserstoffreduktion innerhalb von 60 Minuten eine nahezu vollständige (¿ 99 %) Rückgewinnung von Zink erfolgt. Der verbleibende Feststoff hat eine hohe Eisenkonzentration (¿ 70 %) und erreicht einen hohen Metallisierungsgrad, wodurch er als Schrottersatz in der Lichtbogenofenroute einsetzbar ist. Bis zu 1.150 °C steigt die Reaktionskinetik mit zunehmender Temperatur an. Oberhalb davon nimmt die Reaktivität aufgrund von ausgeprägten Sintereffekten stark ab. Während des Reduktionsprozesses schrumpfte das Material im Bereich von 900 bis 1.050 °C mit steigender Temperatur stärker, darüber hinaus stagnierte die Volumenabnahme. Interessanterweise beeinflusste das H2O/H2-Verhältnis der Atmosphäre das Schrumpfungsverhalten ebenfalls. Eine höhere H2O-Konzentration im Gas führte zu einer höheren Volumenabnahme. Im Gegensatz dazu nahm die Reaktionskinetik mit steigender H2O-Konzentration ab. Der Einfluss der Reaktionsparameter auf die Reduktionskinetik konnte identifiziert werden. Des Weiteren wurde der experimentelle Aufbau weiter optimiert, um zukünftige Untersuchungen zur Reaktionskinetik zu erleichtern.

Details

Titel in ÜbersetzungUntersuchung der Direktreduktion von Stahlwerksstaub mit Wasserstoff
OriginalspracheEnglisch
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
Datum der Bewilligung28 Juni 2024
StatusVeröffentlicht - 2024