Start-up and safe operation of a high-pressure reactor for studying the kinetics of iron ore reduction

Abstract

Angesichts des Fahrplans der Europäischen Union zur Erreichung einer konkurrenzfähigen "low carbon" Wirtschaft bis 2050 ist es für die europäische Industrie von entscheidender Bedeutung, ihre CO2-Emissionen im Vergleich zu 1990 um 80 bis 95 % absolut zu reduzieren. Da die Reduktion von Eisenerzen den größten Anteil der CO2-Emissionen bei der Stahlerzeugung ausmacht, ist die CO2-neutrale Reduktion mittels Wasserstoffs von großer Bedeutung.Ziel dieser Diplomarbeit ist die Inbetriebnahme einer Kinetikapparatur zur Untersuchung der Reduktion von Eisenerz mittels Wasserstoffs. Die Apparatur wurde gebaut, um die Reduktionskinetik besser zu verstehen. Der erste Schritt im Rahmen der Inbetriebnahme war die Übernahme der Anlage und eine ausführliche Begutachtung ebendieser. Ein wichtiger Schritt, um die Sicherheit bei den weiteren Schritten der Inbetriebnahme gewährleisten zu können. Im Rahmen der Kaltinbetriebnahme wurden die einzelnen Komponenten zunächst unabhängig voneinander getestet, später dann mehr und mehr kombiniert. Hierbei wurden unter anderem Probleme mit den Heizelementen festgestellt, da diese den hohen Temperaturen nicht standhielten. Weitere Probleme ergaben sich aus der Kalibrierung der Analytik. Diese Hindernisse wurden entweder bis zum Ende dieser Arbeit bereits behoben oder zu implementierende Lösungen gefunden.Den Abschluss dieser Diplomarbeit stellte die Heißinbetriebnahme der Anlage dar. Hierbei wurde die Kinetikapparatur erstmalig unter tatsächlichen Versuchsbedingungen betrieben. Dabei konnten erste Ergebnisse gesammelt werden, die auf einen zuverlässigen Betrieb der Anlage für die gewünschten Versuche vertrauen lassen. Einziges Problem, das zunächst festgestellt werden konnte, war, dass es zum Auskondensieren des Wasserdampfes in der Zuleitung zur Analytik kam. Dies konnte durch weitere Heizelemente entlang der Leitungen gelöst werden.Durch die Variation von Parametern wie Temperatur, Gaszusammensetzung und Druck können im zukünftigen Betrieb der Kinetikapparatur optimale Bedingungen für die Reduktion von Eisenerz ermittelt und so wichtige Erkenntnisse für die Entwicklung eines effizienten Reduktionsverfahren geliefert werden.

In view of the European Union's roadmap to achieve a competitive low carbon economy by 2050, it is crucial for the European industry to reduce its CO2 emissions by 80 to 95 % in absolute terms compared to 1990 levels. Since the reduction of iron ore accounts for the largest share of CO2 emissions in steel production, CO2-neutral reduction using hydrogen is of great importance.The aim of this diploma thesis is to commission and operate a kinetic apparatus to investigate the reduction of iron ore using hydrogen. The apparatus was built to better understand the reduction kinetics. The first step in the commissioning process was to take over the plant and conduct a detailed assessment. This was an important step in ensuring safety during the subsequent commissioning steps. As part of the cold commissioning, the individual components were initially tested independently of each other, and later increasingly combined. Among other things, problems were identified with the heating elements, as these could not withstand the high temperatures. Further problems arose from the calibration of the analytics. These obstacles were either resolved by the end of this thesis or solutions to be implemented were found.The final stage of this thesis was the hot commissioning of the system. This was the first time the kinetics apparatus was operated under actual test conditions. Initial results were obtained, which indicate reliable operation of the system for the desired experiments. The only problem which could initially be identified was the condensation of the water vapour in the supply line to the analytics. This could be solved by adding more heating elements along the pipes.By varying parameters such as temperature, gas composition and pressure, optimum conditions for the reduction of iron ore can be determined in the further course of operation of the kinetic apparatus, thus providing important findings for the development of an efficient reduction process.