Die reaktionskinetische Charakterisierung von Feineisenerzen für den Einsatz in Wirbelschichtsystemen

Abstract

Aufbauend auf Ergebnissen, welche im Rahmen des Christian Doppler Laboratoriums für Verfahrenstechnik bei Hohen Temperaturen gewonnen wurden, wurde im Rahmen des K1-met ("Competence Center for Excellent Technologies in Advanced Metallurgical and Environmental Process Development") ein Modell zur Berechnung des Reduktionsverhaltens von Feineisenerzen unter Wirbelschichtbedingungen erarbeitet.<br />Dazu wurden in einem Labor-Druckwirbelschichtreaktor Reduktionsversuche nach dem "Konzept der Chemischen Ähnlichkeit" [1] durchgeführt. Mit diesem "Konzept der Chemischen Ähnlichkeit" ist es möglich die Reaktionschemie, welche in einer industriellen Großanlage abläuft, in einer gut handhabbaren Laboranlage abzubilden. Es wurden das FINEX®- und das FINMET®-Verfahren - dabei handelt es sich um Verfahren der Direktreduktion von Feineisenerzen in Wirbelschichtsystemen - untersucht. Da der Reaktor mit einem Probenahmesystem ausgestattet ist, ist es möglich, Proben aus dem Wirbelbett während des Versuches zu entnehmen und somit zu analysieren. Es wurden Versuche im Magnetit-, Wüstit- und Eisenstabilitätsfeld durchgeführt. Somit konnten die einzelnen Stufen der Reduktion von Hämatit bis zu Eisen untersucht und analysiert werden. Es wurden Reduktionsversuche in einem Temperaturbereich von 400°C bis 700°C in einem Druckbereich von 4-10 bar und mit unterschiedlichen Reduktionsgasmischungen durchgeführt.<br />Die gezogenen Proben wurden hinsichtlich des Reduktionsgrades, des phänomenologischen Verhaltens während der Reduktion und hinsichtlich der Spezifischen Oberfläche untersucht. Zur Bestimmung der Aktivierungsenergie, des Stoßfaktors und der Ordnung der Reaktion wurden die Versuchsergebnisse mit Hilfe einer Differentiellen Analyse ausgewertet. Es wurden die Reduktionen von Hämatit zu Magnetit, von Magnetit zu Wüstit und von Wüstit zu Eisen ausgewertet. Für dieses Modell wurde der Einfluss verschiedener Faktoren (Partikeloberfläche, Reduktionstemperatur, Gaszusammensetzung und Betriebsdruck) auf das Reduktionsverhalten berücksichtigt. Auf Basis der einzelnen Reduktionsstufen die auch Reduktionsführungen, welche über ein Stabilitätsfeld hinweg durchgeführt wurden, modelliert. Einen besonderen Einfluss hierbei stellt die Oberflächenentwicklung dar. Durch das erarbeitete Modell ist es möglich den Reduktionsverlauf von Eisenerzen sowohl für das FINMET®- als auch für das FINEX®-Verfahren zu modellieren.<br />

Based on results, generated within the framework of the "Christian Doppler Laboratory for chemical engineering at High Temperatures", a model for the iron ore fines reduction in fluidized beds was elaborated in the framework of K1-met ("Competence Center for Excellent Technologies in Advanced Metallurgical and Environmental Process Development") Therefore reduction tests were conducted in a laboratory-scale fluidized bed reactor according to the "Concept of Chemical Similarity" [1]. Due to this "Concept of Chemical Similarity", chemical reaction phenomena, which occur in an industrial plant, can be simulated in a laboratory-scale reactor, which is easy to handle. The FINEX® and the FINMET® process, both are processes for the iron ore fines reduction in fluidized beds, were analysed. The reactor is equipped with a sampling system that allows to take out samples of the bed material during the process. Reduction test in the magnetite-, wustite and the iron stability area have been performed. Due to that, the different reduction-steps from hematite to iron were studied and analysed.<br />The samples taken were analysed in regard to the reduction-degree, the phenomenological behaviour and due to the specific surface area.<br />To get the kinetic parameters such as activation energy, order of the reaction and rate constants, the results of the reduction tests were analysed with the differential analysis. The reduction-steps hematite-magnetite, magnetite-wustite and wustite-iron were analysed.<br />The impact of different factors on the model, such as particle surface area, reduction temperature, gas mixture and operating pressure, have been evaluated. Based on the single reduction steps, reaction kinetics of reductions from hematite-wüstite and from magnetite-iron have been calculated. In this case the development of the particle surface area has to be taken in to account.<br />With this model the reduction behaviour of iron ore fines in fluidized beds can be calculated for the FINET® and the FINMET® process.