Teilchenphysik: Wie umgeformte Eisenerzpellets Hochöfen effizienter machen
Stahl ist ein wesentlicher Baustein der modernen Welt, aber die Umwelt zahlt einen hohen Preis – diese Industrie ist für etwa 8 % der jährlich weltweit ausgestoßenen Treibhausgase verantwortlich. Ein großer Anteil davon entsteht durch den Betrieb von Hochöfen, die zur Gewinnung von Roheisen gebraucht werden. Ein Hochofen ist im Wesentlichen ein riesiger Reaktor, in den Granulat, wie z. B. Brennstoffpellets, Eisenerz und Kalkstein, eingeführt werden. Heiße Luft, die in die Kammer geblasen wird, führt zu physikalischen und chemischen Veränderungen dieser Materialien und letztendlich zur Entstehung von flüssigem Eisen. „Die Art, wie das Granulat in den Hochofen gegeben und verteilt wird, beeinflusst die Betriebseffizienz bezüglich Energieverbrauch und CO2-Emissionen“, erklärt Charley Wu, der Projektleiter von DECRON. Die Verteilung zu untersuchen, ist jedoch extrem schwierig, da die Kammer mit Schichten aus Ziegeln zum Umleiten der Wärme ausgekleidet ist und bei etwa 1 500 °C operiert. „Die Konstruktion von Hochöfen hat sich in den letzten 300 Jahren nicht besonders weiterentwickelt, aber aufgrund der Größe und Komplexität kann man keine Ausrüstung für detaillierte experimentelle Prüfungen hineinstellen“, sagt der Forscher Nicolin Govender. „Wir wissen ziemlich wenig darüber.“ Um dieses Problem zu lösen, haben die beiden Forschenden eine Technik namens Diskrete-Elemente-Methode (DEM) mit unregulär geformten Teilchen auf einer Grafikprozessorplattform angewandt, die das Verhalten des Granulats digital modelliert. Die Diskrete-Elemente-Methode hat viele verschiedene Anwendungsbereiche, unter anderem im Bauwesen, Bergbau, der Landwirtschaft und sogar der Pharmazie, bei der sie genutzt wird, um Wirkstoffe mithilfe von Füllstoffen in Tabletten gleichmäßig zu verteilen. An der University of Surrey haben Wu und Govender untersucht, wie die Größe und Form der zur Verhüttung genutzten Pellets die Strömung der heißen Gase durch die Reaktorkammer beeinflussen. „In Hochöfen wird das Material von oben und Luft von unten eingeführt, sodass die Granulat-Schüttung beeinflusst, wie Gase durch das Material strömen“, erklärt Wu. Die Kontrolle über die Granulat-Schüttung und die Strömung dieses heißen Gases ist der Schlüssel für den erfolgreichen Betrieb eines Hochofens. „Wir haben herausgefunden, dass die genutzten Schätzwerte zu sehr vereinfacht sind, was zu unbeständigen Ergebnissen des Endprodukts führt“, merkt Govender an. Er fügt hinzu, dass durch die Arbeit außerdem verschiedene Schlüsselfaktoren wie Energieeffizienz erkannt wurden, die durch eine veränderte Form der Pellets kontrolliert werden können. Unterstützt wurde das Forschungsvorhaben im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen. „Das Projekt war ein Erfolg und hat viele Artikel hervorgebracht. Es hat ein Fundament für die Untersuchung von Granulat und Formen sowie Betreiber von Hochöfen gelegt“, betont Govender. Drei dieser Artikel gehören zu den 10 weltweit meistzitierten Arbeiten im Bereich der Verfahrenstechnik. Metallproduzenten in der EU müssen steigendem Druck von Betreibern aus dem Ausland standhalten, die von niedrigeren Arbeitskosten und weniger strengen Umweltnormen profitieren. Govender merkt an, dass das Projekt aufzeigt, wie effiziente Methoden der Computermodellierung den Sektor potenziell profitabler, weniger energieintensiv sowie grüner machen und so helfen könnten, die Produktion von Rohmaterialien zurück auf den EU-Markt zu holen.
Schlüsselbegriffe
DECRON, Eisen, Eisenerz, Hochofen, grün, GPU, DEM, Stahl, CO2, Granulat, Verschüttung
