Stahlindustrie

Dank Computersimulationen weniger CO2 Emissionen

Von Irene Reichl (VSC Research Center)

Im Hochofen wird Eisenerz durch Reaktionen mit chemisch unedleren Stoffen in Roheisen umgewandelt

Der im Eisenerz gebundene Sauerstoff (meistens Eisenoxide oder Eisenkarbonate) wird von den unedleren Stoffen aufgenommen. Übrig bleibt Roheisen, das in geringer Menge Fremdmetalle, Kohlenstoff, Schwefel und Chlor enthält. Die Qualität des Roheisens ist umso höher, umso reiner es ist.

Von oben Koks und Eisenerz, von unten der Brennstoff

Der Hochofen wird von oben mit metallurgischem Koks, Eisenerz und Zusätzen beschickt. Von unten werden sauerstoffangereicherter Heißwind und Reduktionsmittel (zB. Kohlestaub) eingeblasen. In diesem Bereich entsteht die sogenannte Wirbelzone, in der es zu chemischen Reaktionen kommt. Die Reaktionen sind sehr wichtig, denn sie setzen Kohlenmonoxid und Wasserstoff frei, die zum Eisenerz aufsteigen und mit diesem reagieren.

Dem Geheimnis eines nachhaltigen und kostengünstigen Reduktionsmittels auf der Spur

In Frage kommen als Reduktionsmittel Kohlenstoffträger wie Erdgas, Kohle, Biomasse, Kunststoffpartikel. Was heißt nun, das Reduktionsmittel hinsichtlich Nachhaltigkeit und Preis zu optimieren? Dies ist gar nicht so einfach gesagt. Denn auf der einen Seite sollen die Rohstoffe an sich kostengünstig sein, im Sinne der Nachhaltigkeit sind das idealerweise Abfallprodukte. Doch was hilft es, wenn es in der Folge zu einem erhöhten Verbrauch des metallurgischen Koks führt? Koks ist nicht nur teuer, sondern auch der CO2-Ausstoß in der Herstellung desselben ist beachtlich. Deswegen ist es wichtig, das Zusammenspiel aller Reaktanten mit dem Reduktionsmittel genau zu verstehen.

Die experimentelle Suche nach den richtigen Reduktionsmitteln ist fast unmöglich

Direkte Messungen im Hochofen sind schwer bis undurchführbar, da im Inneren faustgroße Teile wirbeln und eine Temperatur von etwa 1200 °C bis 2000 °C herrscht. Auch das experimentelle Austesten von verschiedenen Reduktionsmitteln ist ein Risiko, das die Produzenten nicht gerne eingehen möchten. Die Gesamtheit der verwendeten Rohstoffe wirkt sich auf die Eigenschaften der Schlacke und die Qualität des gewonnenen Eisens aus. Hohe Qualität bedeutet geringe Verunreinigungen durch Fremdmetalle, Chlor oder Schwefel. Ein ungeeignetes Reduktionsmittel kann im schlechtesten Fall zu einer unbrauchbaren Charge gewonnenen Eisens führen. Stellen wir uns einen Hochofen von 40 m Höhe vor, das ist eine ganze Menge an teuren Rohstoffen, die damit verkohlt würden.

Mit Computersimulation die richtige Erz-Koks-Reduktionsmittel Kombination finden

„Deswegen greift die Forschungsgruppe Fluiddynamische Simulation (CFD) unter der Leitung von Michael Harasek erfolgreich zur Computersimulation“, sagt Markus Bösenhofer, „und modelliert die sogenannte Wirbelzone fluidmechanisch.“ Dort werden von außen sauerstoffangereicherter Heißwind und das Reduktionsmittel eingeblasen, die dann im Hochofen auf Koks und Gas treffen. In dieser Zone entstehen durch chemische Reaktionen die Gase Kohlenmonoxid und Wasserstoff, die im Hochofen aufsteigen und schließlich das Eisenerz reduzieren, also aus Erz Roheisen und Schlacke entstehen lassen. Ideal ist es, wenn die chemischen Reaktionen in der Wirbelzone möglichst schnell ablaufen, also den gesamten Sauerstoff verbrauchen, weil dann die billige Kohle anstelle des teuren Koks verbraucht wird.

Je stärker das Reduktionsmittel in der Wirbelzone reagiert, desto mehr Koks wird ersetzt.

Ob die chemischen Reaktionen wirklich ablaufen, hängt von der Temperatur und der Verweildauer der Partikel in der Wirbelzone ab. Physikalisch beschreibt die CFD-Forschungsgruppe Koks und vorhandenes Gas als kontinuierliche Mehrphasenströmung. Das einströmende Reduktionsmittel, in ihrem Fall 70 Mikrometer große Kohlestaubpartikel, wird als Partikelströmung beschrieben. Die Partikeln werden auf ihrem Weg durch den Hochofen verfolgt und deren Temperatur und Geschwindigkeit berechnet. Wenn man nun die chemische Zusammensetzung der Partikeln kennt, lässt sich daraus die Rate für das Ablaufen von chemischen Reaktionen abschätzen.

Spezialisierte Codes und leistungsstarke Rechencluster

Die Simulationen werden mit einer Kombination des OpenSource Tools OpenFOAM® und selbst entwickelten Codes durchgeführt und am Rechencluster der Forschungsgruppe und am VSC gerechnet.