Bei der thermochemischen Reduktion werden poröse Mikropartikel aus Eisenoxiden mit grünem Wasserstoff zu porösen Mikropartikeln aus reinem Eisen reduziert. Da die Produkte der wasserstoffbasierten Reduktion Ferrit und Wasser sind, kann die CO2-Emission stark reduziert werden. Der Prozess der wasserstoffbasierten Direktreduktion von Eisenoxid (HyDRI) umfasst drei Phasenumwandlungen: (i) Umwandlung von Fe2O3 (Hämatit) in Fe3O4 (Magnetit), (ii) Umwandlung von Fe3O4 in FeO (Wüstit), und (iii) Umwandlung von FeO in α-Fe (Luppe). Von diesen Umwandlungen verläuft (iii) etwa zehnmal langsamer als (i) und (ii). Daher wirkt sich die Geschwindigkeit, mit der die Umwandlung (iii) stattfindet, erheblich auf die Gesamtreduktionsrate aus. Darüber hinaus führte die Verwendung von Wasserstoff bei der Reduktion von Eisenoxid zu einer Aggregation des Reaktionsprodukts. Des Weiteren beeinflusst die Wechselwirkung zwischen Wasserstoffgasen und Wüstit sowohl die Thermodynamik als auch die Morphologie der Mikrostruktur. Die während dieser Reaktion auftretenden erheblichen Volumenänderungen haben, zusammen mit Speziestransporten und Phasenumwandlungen, einen erheblichen Einfluss auf den Spannungszustand, das mechanische Verhalten und die lokalen Reaktions- und Umwandlungsraten. Außerdem stellt die komplexe Mikrostrukturentwicklung von Eisenoxiden eine Herausforderung bei der Untersuchung der Reaktionskinetik von HyDRI dar. Nur eine begrenzte Anzahl von Studien wurde zu HyDRI durchgeführt, und die meisten von ihnen vereinfachen die komplexen physikalischen Zusammenhänge und vernachlässigen die detaillierte Untersuchung der lokalen chemischen und mechanischen Kinetik.
In diesem Teilprojekt wird ein chemomechanisch gekoppeltes Phasenfeldmodell (PF) entwickelt, das die Phasenumwandlung, große Verformungen sowie die chemische Reaktion während der HyDRI berücksichtigt. Das Modell wird mit Hilfe der Phasenfeld-Chemomechanik entwickelt. Der Beitrag des Systems zur freien Energie, der sich aus der Diffusion mehrerer Spezies, einschließlich Sauerstoff und Wasserstoff, ergibt, sowie der Energiebeitrag, der sich aus der Phasenumwandlung ergibt (z. B. FeO zu Fe), und der Beitrag der elastischen Energie, der durch die durch die Phasenumwandlung verursachten Volumenänderungen verursacht wird, wurden angemessen berücksichtigt. Um eine genaue Beschreibung der freien Energie zu gewährleisten, wurde die Thermo-Calc-Datenbank für Kalibrierungszwecke verwendet. In Anbetracht der erheblichen Verformung der Partikel während des Reduktionsprozesses wurde das elastische Energiemodell von Neo-Hookean verwendet, um die endliche Verformung genau zu erfassen und zu beschreiben.
Wissenschaftliche Fragen
1. Entwicklung eines allgemeinen Modellierungsrahmens für den Reduktions- und Oxidationsprozess
2. Welches sind die entscheidenden mikro- und mesostrukturellen Merkmale von Eisen und Eisenoxidpartikeln für die Zyklierbarkeit?
3. Welches sind die Wechselwirkungsmechanismen zwischen chemischen Reaktionen und physikalischem Transport und wie wirken sie sich auf die Dynamik von turbulenten Eisenstaub-Luft-Flammen aus?
4. Wie sehen die Hochtemperaturoxidationseigenschaften von pulverisierten Aluminium-Dampf-Flammen aus?
