Development and characterization of a particle dosing system

Abstract

Einblasen von Kohlestaub in die Racewayzone eines Hochofens reduziert den metallurgischen Koksbedarf pro Tonne Heißmetall und daher auch die Kosten der Eisenproduktion sowie das Emittieren von CO2. Die Untersuchung von Kohlestaubumsetzungsraten in der Racewayzone eines Hochofens ist ein sehr wichtiges Forschungsthema für Eisen und Stahlfirmen weltweit geworden. Die Auswirkungen der intensiven Racewaybedingungen auf den thermochemischen Kohlenumsatz werden noch erforscht. Die hohen Aufheizraten und Temperaturen sowie der erhöhte Druck, welche in der Racewayzone vorherrschen, beeinflussen das Umsetzungsverhalten von Kohlepartikeln.Ein neuartiger Testreaktor im Labormaßstab wird auf der Technischen Universität Wien entwickelt um das Umsetzungsverhalten von Kohlestaub zu untersuchen. Eine Schlüsselkomponente stellt dabei die Dosiereinheit dar, welche einen Feststoff-Gas Strom in kontrollierter Form in den Reaktor einbringen soll. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Charakterisierung einer geeigneten Dosiereinheit für den neuartiger Testreaktor im Labormaßstab. Die Dosiereinheit soll für einen kontrollierbaren und konstanten Feststoff-Gas Strom sorgen. Weiteres soll ein numerisches Model für diese Dosiereinheit erstellt werden welche den Massenstrom berechnen kann.Zwei mögliche Dosierkonzepte wurden mithilfe einer Literaturrecherche identifiziert. Zwei Dosiereineiten wurden auf Basis der gefundenen Konzepte entworfen und anschließend mit Salz als Feststoff und Druckluft als Trägergas getestet. Bei einer dieser Dosiereinheiten wurden weitere Versuche mit Staubkohle und Stickstoff durchgeführt um die Eignung für den Einsatz als Dosiereinheit für den neuartiger Testreaktor im Labormaßstab zu untersuchen. Eine statistische Versuchsplanung gefolgt von einer statistischen Auswertung brachte potentielle Parameter und deren Einfluss auf den resultierenden Massenstrom für beide Dosiereinheiten zum Vorschein. Weiteres ermöglichten die Resultate die Entwicklung von Modellen für beide Dosiereinheiten, basierend auf multiple lineare Regression, um den Massestrom vorauszusagen. Experimentelle Tests ergaben, dass eine der Dosiereinheiten nicht geeignet ist für den neuartiger Testreaktor im Labormaßstab, da der vorausgesetzte Massenstrom Bereich nicht erreicht wird. Für den Einsatz als Dosiereinheit für den neuartiger Testreaktor im Labormaßstab müssen daher erst das Konzept und die verwendeten Materialien optimiert werden um sicher zu gehen, dass ein konstanter Massenstrom für Kohlestaub und Stickstoff realisiert werden kann.

Injection of pulverized coal into the raceway zone of a blast furnace reduces the metallurgical coke consumption and thus, the production cost of pig iron production and CO2 emissions. Therefore, investigation of pulverized coal conversion in the raceway zone of the blast furnace has become an important research topic for iron and steel manufacturing companies. However, under intense raceway conditions thermo-chemical coal conversion is still under research. The high heating rates and temperatures as well as the elevated pressure, which are predominant in the raceway zone, affect the conversion behavior of the coal particles. A novel lab-scale test reactor is being developed at Technische Universität Wien for the investigation of pulverized coal conversion. One of many key components is the dosing unit which introduces a solid-gas stream in a controlled manner into the reactor. The aim of this thesis is to develop and characterize a suitable dosing unit for the novel test reactor. The dosing unit should provide a controllable and constant solid-gas injection rate. A literature review produced two perspective designs of dosing units for the application in the novel test reactor. Both designs were subsequently designed and tested using salt particles as solid and pressurized air as fluid phase. Additional experiments with coal particles and nitrogen were then carried out for one of the dosing units to assess its suitability for application in the novel lab-scale test reactor.A design of experiment and a statistical analysis revealed potential parameters and their influence on the mass flux for both dosing units. Furthermore, the results enabled the development of models for both dosing units, based on a multiple linear regression, to predict the mass flux. Experimental tests revealed that one of the dosing units is not suitable for the novel lab-scale test reactor, since it is not possible to maintain a solid mass flux in the desired range. For the application as a dosing unit for the novel lab-scale test reactor, however, the design and materials utilized must be optimized to ensure a continuous mass flux for pulverized coal and nitrogen.