Cold modelling of a fluidized bed system with the utilization of helium towards hydrogen

Abstract

Die Stahlindustrie verursacht jährlich ca. 2,8 Gigatonnen CO2, was 8 % der Gesamtemissionen des Energiesystems ausmacht. Der österreichische Stahlsektor ist für bis zu 15 % der CO2-Emissionen innerhalb Österreich verantwortlich. Um die von der EU gesetzten Ziele zu erreichen, strebt die europäische Stahlindustrie bis 2050 eine Reduktion der CO2-Emissionen um 80-95 % im Vergleich zu 1990 an und verlagert ihren Schwerpunkt von den derzeitigen Produktionsrouten auf die wasserstoffbasierte Stahlerzeugung.Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit liegt auf dem Aufbau eines Kaltmodells zur Simulation des Fluidisierungsverhaltens von eisenerz- und quarzsandhaltigen Gemischen in einem Druckbehälter, der für die Eisenerzfeinreduktion mit Wasserstoff ausgelegt ist. Aufgrund seiner ähnlichen fluiddynamischen Eigenschaften, insbesondere in Bezug auf die Dichte, wird Helium als Fluidisierungsgas gewählt, wobei auch Vergleichsexperimente mit Luft durchgeführt werden. Zur Ermittlung des Partikeldurchmessers, der für die Berechnung der theoretischen Lockerungsgeschwindigkeit erforderlich ist, wurden die Partikelverteilungen von Eisenerz, Quarzsand und der zehn Probenmischungen bestimmt. Darüber hinaus wird in der Studie der Einfluss eines internen Zyklons durch den Vergleich von Versuchen mit und ohne Zyklon bewertet und der Verlust von Bettmaterial dokumentiert. Die Kaltmodellversuche wurden durch Bestimmung der Lockerungsgeschwindigkeit bewertet. Anschließend wurden die experimentellen Werte mit den theoretisch abgeleiteten Werten verglichen.Zusammenfassend ergab die Untersuchung, dass eine Erhöhung des Eisenerzanteils zu einer Verringerung der Lockerungssgeschwindigkeit führt, was auf einen höheren Anteil von Partikeln mit einem kleineren Durchmesser zurückzuführen ist. Besonders bei Mischungen von Quarzsand mit feinem Eisenerz (0,063-0,125 mm) zeigten Tests mit Helium als Fluidisierungsgas niedrigere Mindestfluidisierungsgeschwindigkeiten im Vergleich zu Luft. Dies liegt daran, dass bei kleineren Partikeldurchmessern die dynamische Viskosität den größten Einfluss auf die Lockerungsgeschwindigkeit hat, im Gegensatz zur Fluiddichte. Das Gegenteil wurde für Gemische mit gröberem Eisenerz (0,5-1 mm) beobachtet, wo die Dichte bei größeren Partikeldurchmessern die Lockerungsgeschwindigkeit stärker beeinflusst als die dynamische Viskosität. Der Zyklon spielt besonders für Proben mit erhöhtem Anteil an feinen Eisenerz- und Quarzsandpartikeln eine entscheidende Rolle. Die Verluste des Feinerzes belaufen sich dabei auf bis zu 20 %, woraus die Erkenntnis schließt, dass das Zyklondesign verbessert werden muss.

The steel industry contributes approximately 2.8 gigatonnes of CO2 annually, constituting 8 % of total energy system emissions. Austria's steel sector is responsible for up to 15 % of CO2 emissions within Austria. In order to achieve the goals set by the EU, the European steel industry is aiming for reductions of CO2 emissions of around 80-95 % by 2050 compared to 1990 levels and is shifting its focus from current production routes towards hydrogen-based steelmaking.The primary focus of the thesis lies in designing a setup for a cold model for simulating fluidization behavior of mixtures containing iron ore and silica sand in a pressurized vessel designed for iron ore fines reduction with hydrogen. Due to its similar fluid dynamic properties, in particular density wise, helium is chosen as the fluidization gas, while comparative experiments with air are conducted as well. To establish the particle diameter needed to calculate the theoretical minimum fluidization velocity, the particle distributions of iron ore, silica sand and the ten sample mixtures were determined. Additionally, the study evaluates the impact of an internal cyclone by comparing experiments with and without it, documenting bed material losses. The cold model experiments were documented through pressure measurements and assessed by deducing the experimental minimum fluidization velocity. Subsequently, the experimental values were compared with the theoretically derived ones.In summary, the investigation revealed that an increase in the proportion of iron ore results in a decreased minimum fluidization velocity, attributed to a higher fraction of particles with a smaller diameter. Specifically, for mixtures of fine iron ore with 0.063-0.125 mm diameter, test runs using helium as the fluidization gas exhibited lower minimum fluidization velocities compared to those with air. This phenomenon can be attributed to the predominant influence of dynamic viscosity on the fluidization velocity for smaller particle diameters, rather than fluid density. The opposite was observed for samples mixtures of coarser iron ore of 0.5-1mm diameter, where test runs with helium resulted in higher fluidization velocities than with air. At larger particle diameters, the density shows a more significant impact on the fluidization velocity compared to dynamic viscosity. The cyclone plays a decisive role, particularly for samples with an increased proportion of fine iron ore and quartz sand particles. The losses of the fine ore amount to up to 20 %, which leads to the conclusion that the cyclone design must be improved.