Entwicklung eines kinetischen Modells für die thermo-chemische Reduktion/Oxidation von Eisenpartikeln und Untersuchungen der Staubfeuerung in CFD-Simulationen

Ein Schwerpunkt des DLR-Instituts für kohlenstoffarme Industrieprozesse ist die Direktreduktion von Eisenerzen zur Minderung der in der Stahlindustrie verursachten CO2-Emissionen. Das in diesem Bereich gewonnene Know-how dient dazu, die Spezifität der in Clean Circles betrachteten thermo-chemischen Prozesse zu adressieren.

Insbesondere wird ein bestehendes Framework eingesetzt, das erfolgreich zur Reproduktion umfangreicher Literaturdaten der gasförmigen Eisenoxid-Pellet-Reduktion getestet wurde. Außerdem kann ein sogenannter sektionaler Ansatz, der zuvor für die Vergasung von Biomasse-Mikropartikeln validiert wurde, auf die Oxidation von Eisen-Mikropartikeln übertragen werden.

Ziel dieses Projekts ist es, kinetische Modelle für die thermo-chemische Oxidation/Reduktion von Eisenpartikeln einzubringen und die Eisenstaubfeuerung in einer CFD-Umgebung zu untersuchen. Zunächst soll die Kinetik der Reduktion von Hämatit zu Eisen untersucht werden. Dann wird die Kinetik des umgekehrten (Oxidations-) Schritts untersucht, wobei weitere Überlegungen, wie die Art der Oxidation oder die Wärmefreisetzung, einbezogen werden. Schließlich werden die kinetischen Modelle in eine CFD-Umgebung zur Simulation von Eisenflammen übertragen, und zwar von einem laminaren Fall (Bunsenbrenner) zu einem turbulenten (Hochdruckstrahl). Letztlich wird mit diesem Teilprojekt die Grundlage für die genaue Abschätzung des Staubfeuerungswirkungsgrades gelegt.

Wissenschaftliche Fragestellungen:

  • Wie entwickelt sich die Gesamtreduktion/-oxidation eines einzelnen Partikels mit der Zeit für eine Vielzahl von Gasbedingungen (z.B. Temperatur, Druck, Zusammensetzung) und Feststoffbedingungen (z.B. Größe, Porosität, Zusammensetzung)?
  • Wie entwickelt sich die makroskopische Flammenstruktur, wenn das Gas-Brennstoff-Verhältnis, die Partikelgröße oder die Temperatur variieren?
  • Welche Auswirkungen hat die Turbulenz auf die Oxidation von Eisenstaub?
  • Welcher Wirkungsgrad kann in einem industriellen Reaktor der thermochemischen Eisenoxidation erwartet werden?

Team

Bild: DLR

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