Kinetics of iron ore fines reduction under fluidized bed conditions at elevated pressures

Abstract

Ziel dieser Arbeit war die Modellbildung und Modellierung des Reaktionsfortschrittes wäh-rend der Feineisenerz-Reduktion in druckaufgeladenen Wirbelschichten mit wasserstoff-reichen Gasgemischen unter Berücksichtigung von thermodynamischen Stabilitätsberei-chen von Hämatit, Magnetit, Wüstit und Eisen. Besondere Berücksichtigung fanden dabei die strukturellen Veränderungen der Erzpartikel während der Reduktions-Reaktionen.<br />Ausgehend vom Rohmaterial - grobkristalliner Hämatit - wurden, basierend auf experi-mentellen Versuchsergebnissen, strukturelle Parameter wie Porosität, spezifische Ober-fläche und mittlerer Porendurchmesser mittels Quecksilber-Porosimetrie gemessen. Zur Einbindung der spezifischen Oberfläche in die Auswertung der kinetischen Parameter, wurde eine empirische Funktion zur Beschreibung dieser entwickelt.<br />Weiters wurde durch metallografische Schliffbildanalyse die morphologische Gestalt der jeweiligen Reaktions-produkte untersucht und dokumentiert.<br />Nach Aufstellung allgemein gültiger Reaktionsraten-Ansätze für die Reaktionen von Hä-matit zu Magnetit, Magnetit zu Wüstit und Wüstit zu Eisen wurden diese in Hinblick auf die Reaktionsgaszusammensetzungen vereinfacht. Unter Verwendung der experimentel-len Daten wurden die Reaktionsordnungen der Spezies ermittelt.<br />Die Bestimmung der Aktivierungsenergien und Stoßfaktoren erfolgte mit modifizierten Reaktionsraten-Ansätzen mit integralen Auswertemethoden unter Berücksichtigung der zeitlichen Entwicklung der spezifischen Oberfläche. Hierfür war die numerische Integrati-on der Reaktionsraten-Ansätze mittels Matlab in Kombination mit einem Parameter-Schätzungs-Algorithmus nötig.<br />Aufbauend auf den so ausgewerteten kinetischen Parametern, wurde der Reaktionsfort-schritt für die Folgereaktionen von Hämatit zu Wüstit und Magnetit zu Eisen berechnet. Zur Evaluierung der Berechnungen erfolgte ein Vergleich mit Messdaten.<br />Für die ausführlichere Beschreibung der Reaktionstechnik der Feineisenerz-Reduktion durch Gase wurde eine umfassendere mathematische Formulierung in betracht gezogen. Dafür wurde aufbauend auf einer Literaturstudie zu heterogenen Reaktionsmodellen ein Porenmodell als dafür am geeignetsten empfunden. Die Ergebnisse der Literaturstudie einbeziehend, wurde die Problemstellung graphisch konkretisiert und bilanziert.<br />

The aim of this work was the modeling of the progress of reaction during iron ore fines reduction in pressurized fluidized beds by hydrogen-rich reduction gas mixtures consider-ing thermodynamic stability areas of hematite, magnetite, wuestite and iron. Structural changes in ore particles during reaction were especially factored in.<br />Starting from the raw material, coarse hematite, measurements based on experimental reduction tests regarding structural parameters such as porosity, specific surface area and mean pore diameter were performed with mercury porosimetry. To be able to embed specific surface area in the determination of kinetic parameters, an empirical function for the description of the transient progress of the specific surface area was derived. The morphologic appearance of reaction products was also investigated by metallographic microscopy.<br />Based on the results from differential methods, reaction rate equations were adapted and activation energies and frequency factors determined by integral methods under consid-eration of the transient progress of specific surface area. Therefore numerical integration of reaction rate equations by Matlab® in combination with parameter estimation was nec-essary.<br />For a more detailed description of the reaction mechanism of gaseous iron ore fines re-duction, a more sophisticated mathematical formulation was considered. A pore model was proposed based on a literature survey regarding modelling of heterogeneous reac-tions,. Including the results of the literature survey, the problem was put in concrete terms and balances were drawn up.