Design principles of a fluidized bed experimental unit for iron ore reduction with hydrogen

Abstract

With 8 to 10 % of the total global energy CO2 emissions, the steelmaking industry is one of the main contributors of greenhouse gases to the atmosphere. This necessitates a drastic reduction in environmental impact in the coming years. Implementing direct iron ore reduction using green hydrogen as a reducing agent can play a key role in limiting global warming. This master thesis aims to find the design principles of a laboratory-scale fluidized bed reactor for investigating the reduction of iron ore powder with hydrogen. This research aims to identify influencing parameters on a potential reactor design and estimate their impact on it. Based on the findings generated in this thesis, the laboratory-scale reactor can be realized and a series of experiments to investigate the kinetics of iron ore powder reduction with hydrogen can be put into practice. Literature research was conducted to find correlations to calculate fluidization parameters and compile a comprehensive fluid and particle properties database based on the NIST Chemistry Webbook and the VDI Heat Atlas. By combining this information, the impact of various parameters on the fluidization behavior could be estimated. A special focus was spent on the influence of hydrogen and its fluidization properties. In addition, a series of experiments with a plexiglass model was used to estimate a characteristic particle diameter for a sample with a wide size distribution. Furthermore, the fluidization behavior of silica sand and iron ore mixtures could be estimated. As a result of the research, the essential parameters for a fluidized bed reactor were highlighted. The importance of gas viscosity and the amount of hydrogen in the reaction gas could be underlined. The low viscosity becomes dominant at hydrogen shares above 70 %. The results showed that hydrogen, as a component of the reaction gas, can double the minimum fluidization velocity. Furthermore, a calculation tool to estimate the fluidization parameters was created. The findings on the influencing parameters and the compiled database were implemented into the tool. In addition, the cold model experiments demonstrated that a particle mixture of 25 wt-% iron ore and 75 wt-% silica sand behaves similarly to pure silica sand. Therefore, a potential of the experimental unit can focus its calculation on silica sand's properties.

Mit 8 bis 10 % der CO2 Emissionen des globalen Energiebedarfs gehört die Stahlerzeugung den Sektoren mit den höchsten Treibhausgasemissionen. Deswegen sind massive Anstrengungen erforderlich, um die Emissionen dieser Branche in den nächsten Jahren sukzessive zu reduzieren und dabei wird der Einsatz von Wasserstoff als Schlüsselkomponente angesehen. Als Reduktionsmittel bei der direkten Eisenerzreduktion kann Wasserstoff die Emissionen erheblich verringern. Aus diesem Grund wurde in der vorliegenden Arbeit die Auslegung einer Wirbelschichtversuchsanlage zur Direktreduktion von Eisenerzpulver mit Wasserstoff untersucht. Es wurden Einflussfaktoren auf ein mögliches Design einer solchen Anlage identifiziert und deren Auswirkungen erforscht. Das Hauptaugenmerk wurde dabei auf den Einfluss von Wasserstoff auf das Fluidisierungsverhalten von Eisenerzpartikeln gelegt. Eine ausführliche Literaturrecherche bildet die Basis der wissenschaftlichen Arbeit. Dabei wurden Gleichungen zur Berechnung der Wirbelschichtparameter gesammelt und eine Datenbank mit thermophysikalischen Eigenschaften der Gase sowie der Partikel aufgebaut. Als Grundlage der Daten für Gase wurde das „NIST Chemistry Webbook“ und der „VDI Wärmeatlas“ verwendet. Ergänzend dazu wurden Versuche mit Quarzsand- und Eisenerzproben in einem Kaltmodell durchgeführt, um den charakteristischen Partikeldurchmesser für Proben mit einer breiten Partikelgrößenverteilung zu bestimmen. Des Weiteren wurde das Verhalten von Mischungen der beiden Feststoffe untersucht. Das Ergebnis der Arbeit bildet eine Umfassende Analyse der Einflussfaktoren auf die Fluidisierung von Partikeln. Die wichtigen Rollen von Viskosität und Wasserstoffanteil des Reaktionsgases konnte dabei festgestellt werden. Ausschlaggebend wird der Wasserstoff ab einem Anteil von über 70 vol.-%. Durch den Einsatz von H2 im Reaktionsgas kann die Lockerungsgeschwindigkeit eines Partikelgemischs verdoppelt werden. Außerdem wurde ein Berechnungsprogamm erstellt und die gesammelten Informationen und Erkenntnisse darin eingepflegt. Mit diesem Programm können verschiedenste Versuchsbedingungen getestet und deren Einfluss auf die Fluidisierung von Partikeln simuliert werden. Durch die Versuche im Kaltmodell wurde festgestellt, dass eine Mischung von 25 gew.-% Eisenerz und 75 gew.-% Quarzsand eine ähliche Lockerungsgeschwindigkeit wie die von Quarzsand aufweist. Mit dieser Erkenntnis, kann man sich bei der potentiellen Auslegung einer Wirbelschicht-Versuchsapparatur auf die Eigenschaften von Quarzsand fokussieren.