TY - BOOK

T1 - Untersuchung des Selbsterwärmungs- und Explosionsverhaltens von wasserstoff-direktreduziertem Eisen

AU - Hohenberger, Michael

N1 - gesperrt bis 28-05-2029

PY - 2024

Y1 - 2024

N2 - Die Eisen- und Stahlindustrie ist bestrebt ihre Kohlendioxid-Emissionen drastisch zu reduzieren. Die herkömmliche Hochofen-Konverter-Route soll zukünftig durch wasserstoffbasierte Direktreduktion und Elektrostahlverfahren mit grünem Strom ersetzt werden. Allerdings können direktreduzierte Eisenmaterialien (DRI) aufgrund von Reoxidation, Wasserstoffbildung und Staubexplosionsfähigkeit unter bestimmten Bedingungen beim Transport und Handling sicherheitstechnisch relevante Auswirkungen haben. Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Einflussfaktoren auf das Selbsterwärmungs- und Explosionsverhalten von DRI-Materialien. Dabei werden Materialform (Pellets, Fines), Temperatur sowie Umgebungseinflüsse (Feuchte, Sauerstoffgehalt, Voroxidation) berücksichtigt. Die experimentelle Ermittlung der Oxidationskinetik erfolgte durch Messung der Sauerstoffaufnahme in einem Differentialkreislaufreaktor bei isothermen Bedingungen (60, 110 und 160°C). Die Ergebnisse zeigen, dass die Elektronen- bzw. Ionendiffusion beim Filmwachstum der Oxidschicht geschwindigkeitsbestimmend für den Stofftransport ist. Während die Temperatur die maximale Sauerstoffaufnahme maßgeblich beeinflusst, können die weiteren Einflussgrößen basierend auf der gemessenen Oxidationszeit in Kategorien eingeteilt werden. Im Vergleich zur trockenen Oxidation von Pellets zeigten Fines und ein erhöhter Wassergehalt in der Atmosphäre eine erhöhte Reaktivität. Beispielhaft wird die Anwendung der Ergebnisse in einem numerischen Modell zur Berechnung der Selbsterwärmungsneigung eines Eisenbahnwaggons dargestellt. Hinsichtlich des Explosionsverhaltens wurde die Auswirkung der Alterung von DRI-Pelletabrieb und gemahlenem HBI (Hot briquetted iron)-Staub experimentell untersucht. Dabei zeigte sich, dass eine realitätsnahe Alterung zu keiner Herabsetzung der Staubexplosionsfähigkeit führt und die Beschreibung ihrer Abschwächungsleistung anhand des maximalen Explosionsdrucks möglich ist. Die vorgestellte Untersuchungsmethoden liefern damit die Grundlagen zur umfassenden wissenschaftlichen Beschreibung des Selbsterwärmungs- und Explosionsverhaltens von DRI-Materialien, die zur Erstellung sicherheitstechnischer Regelwerke herangezogen werden können.

AB - Die Eisen- und Stahlindustrie ist bestrebt ihre Kohlendioxid-Emissionen drastisch zu reduzieren. Die herkömmliche Hochofen-Konverter-Route soll zukünftig durch wasserstoffbasierte Direktreduktion und Elektrostahlverfahren mit grünem Strom ersetzt werden. Allerdings können direktreduzierte Eisenmaterialien (DRI) aufgrund von Reoxidation, Wasserstoffbildung und Staubexplosionsfähigkeit unter bestimmten Bedingungen beim Transport und Handling sicherheitstechnisch relevante Auswirkungen haben. Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Einflussfaktoren auf das Selbsterwärmungs- und Explosionsverhalten von DRI-Materialien. Dabei werden Materialform (Pellets, Fines), Temperatur sowie Umgebungseinflüsse (Feuchte, Sauerstoffgehalt, Voroxidation) berücksichtigt. Die experimentelle Ermittlung der Oxidationskinetik erfolgte durch Messung der Sauerstoffaufnahme in einem Differentialkreislaufreaktor bei isothermen Bedingungen (60, 110 und 160°C). Die Ergebnisse zeigen, dass die Elektronen- bzw. Ionendiffusion beim Filmwachstum der Oxidschicht geschwindigkeitsbestimmend für den Stofftransport ist. Während die Temperatur die maximale Sauerstoffaufnahme maßgeblich beeinflusst, können die weiteren Einflussgrößen basierend auf der gemessenen Oxidationszeit in Kategorien eingeteilt werden. Im Vergleich zur trockenen Oxidation von Pellets zeigten Fines und ein erhöhter Wassergehalt in der Atmosphäre eine erhöhte Reaktivität. Beispielhaft wird die Anwendung der Ergebnisse in einem numerischen Modell zur Berechnung der Selbsterwärmungsneigung eines Eisenbahnwaggons dargestellt. Hinsichtlich des Explosionsverhaltens wurde die Auswirkung der Alterung von DRI-Pelletabrieb und gemahlenem HBI (Hot briquetted iron)-Staub experimentell untersucht. Dabei zeigte sich, dass eine realitätsnahe Alterung zu keiner Herabsetzung der Staubexplosionsfähigkeit führt und die Beschreibung ihrer Abschwächungsleistung anhand des maximalen Explosionsdrucks möglich ist. Die vorgestellte Untersuchungsmethoden liefern damit die Grundlagen zur umfassenden wissenschaftlichen Beschreibung des Selbsterwärmungs- und Explosionsverhaltens von DRI-Materialien, die zur Erstellung sicherheitstechnischer Regelwerke herangezogen werden können.

KW - Direct reduced iron

KW - DRI

KW - HBI

KW - Self-heating

KW - Dust explosion

KW - Oxidation kinetics

KW - Aging

KW - Direktreduziertes Eisen

KW - Eisenschwamm

KW - DRI

KW - HBI

KW - Selbsterwärmung

KW - Staubexplosion

KW - Oxidationskinetik

KW - Alterung

M3 - Dissertation

ER -