Untersuchung des Potenzials von Wasserstoff zur Dekarbonisierung von Stahl aus Hochöfen

1. Welche Wissenslücken müssen geschlossen werden, um den praktischen Einsatz der Direktreduktion mit Wasserstoff in Hochöfen zu ermöglichen?

Die Komplexität des Hochofenprozesses und die begrenzten Daten über physikalisch-chemische und mechanische Prozesse erschweren eine genaue Vorhersage der technologischen Auswirkungen. Meine Forschungsarbeit untersucht die Empfindlichkeit der Modellierung der Direktreduktion mit Wasserstoff gegenüber Unsicherheiten in den Annahmen, die von Forschern üblicherweise verwendet werden. In einigen Modellen, die in der wissenschaftlichen Literatur zu finden sind, überwiegen die Annahmen die praktischen Daten, wodurch die Gültigkeit der Vorhersagen untergraben wird.

Bisher waren die Versuche zur Wasserstoffinjektion in industriellen Hochöfen nur von begrenztem Umfang und lieferten kein umfassendes Verständnis der Auswirkungen. Jüngste Versuche an einem experimentellen Hochofen in Japan haben Einblicke in Schlüsselfaktoren wie das Reaktionsgleichgewicht der Wassergasverschiebung, das Verhältnis der Wasserstoff- und Kohlenmonoxidnutzung sowie die vertikalen und radialen Temperaturmuster ergeben.

Trotz ihres geringen Umfangs (etwa 1/300 des Volumens eines durchschnittlichen modernen Hochofens) sind die Versuche von entscheidender Bedeutung, um Unsicherheiten bei der Modellierung zu beseitigen und die Direktreduktion mit Wasserstoff dem praktischen Einsatz näher zu bringen.

2. Welche wirtschaftlichen Auswirkungen hat die Einführung der Direktreduktion mit Wasserstoff, insbesondere im Hinblick auf die Betriebskosten und mögliche Emissionsgutschriften?

Wasserstoff kann den Koksverbrauch um bis zu 20 % senken, was zu niedrigeren Brennstoffkosten und einem höheren Wirkungsgrad führt. Obwohl Investitionen in die Wasserstofferzeugung notwendig sind, können die langfristigen Einsparungen an Kohle und die reduzierte Kokskapazität diese Ausgaben rechtfertigen. Die Direktreduktion mit Wasserstoff erhöht auch die Produktivität der Hochöfen und trägt damit zur allgemeinen Kosteneffizienz bei.

Darüber hinaus verringert die Direktreduktion mit Wasserstoff die CO₂-Emissionen, so dass die Unternehmen Emissionsgutschriften aus Cap-and-Trade-Systemen erwerben können, wodurch die Kosten ausgeglichen werden. Wenn beispielsweise 20 % weniger Koks verwendet wird, sinken die Emissionen um Hunderte von Kilogramm pro Tonne Stahl, was die Nachhaltigkeitsziele unterstützt und den Ruf des Unternehmens stärkt.

Frühe Anwender können sich angesichts des zunehmenden Drucks zur Dekarbonisierung einen Wettbewerbsvorteil verschaffen, indem sie umweltbewusste Kunden anziehen und von regulatorischen Anreizen profitieren. Dies kann den Marktanteil und die Markentreue erhöhen und gleichzeitig erhebliche langfristige finanzielle Vorteile bieten.

3. Welchen praktischen Herausforderungen könnten sich Stahlproduzenten gegenübersehen, wenn sie die Direktreduktion mit Wasserstoff in Hochöfen von einer experimentellen Ebene auf einen großtechnischen Betrieb umstellen?

Die Bestimmung der optimalen Einblasparameter - Gebläsetemperatur, Sauerstoffanreicherung und Wasserstoffverbrauch - ist für die Skalierung der Wasserstoffzugabe von entscheidender Bedeutung. Diese Faktoren beeinflussen die Temperatur der adiabatischen Flamme, den Gichtgasdurchsatz und die Gichtgasgeschwindigkeit, die sich alle auf die Wärme- und Stofftransportmuster im Hochofen auswirken.

Die Komplikationen werden noch verschärft, wenn die Direktreduktion mit Wasserstoff mit der Einblasung von Kohlenstaub zusammenfällt, was die Verbrennung der Kohle in der Rinne beeinträchtigt. Vermischt sich der Wasserstoff mit der heißen, sauerstoffangereicherten Luft, die aus der Blasdüse austritt, oxidiert er zu Wasserdampf und setzt dabei erhebliche Wärmemengen frei.

Tiefer im Feuerraum wird der Wasserdampf durch Reaktion mit Koks in Wasserstoff umgewandelt, wobei Wärme verbraucht wird. Dies kann zu einer Überhitzung an der Peripherie und zur Zersetzung der feuerfesten Materialien führen, während die Abkühlung in der Mitte den Totmann (die Koksmasse in der Mitte des Ofens) deaktivieren und damit den stabilen Betrieb des Ofens beeinträchtigen kann.

4. Welche Sicherheits- und technologischen Risiken sind mit der Erhöhung der Wasserstoffrate bei bestehenden Ofenkonzepten verbunden?

Wasserstoff ist leicht entzündlich und kann mit Luft explosionsfähige Gemische bilden, was die Zündgefahr erhöht, insbesondere bei Leckagen im Zufuhrsystem. Er kann zur Versprödung von Metallen und damit zum Versagen von Strukturen führen, wenn die Werkstoffe nicht für die Einwirkung von Wasserstoff ausgelegt sind. Investitionen in verbesserte Überwachungssysteme in Form von fortschrittlichen Sensoren und Analysen sind daher unerlässlich, um Lecks zu erkennen und die Sicherheit zu gewährleisten.

Es können auch technologische Probleme auftreten. In dem bereits erwähnten Versuchshochofen in Japan wurde durch intensive Direktreduktion mit Wasserstoff bei sehr hoher Sauerstoffanreicherung die Temperatur des Gichtgases unter den Taupunkt gesenkt, wodurch sich der Trocknungsprozess der Möller verlängern kann. Dadurch verringert sich die effektive Höhe des Ofens und es kommt zur Kondensation von Wasser und zur Ansammlung von feuchten Staubpartikeln in der Gasreinigung.

Es ist von entscheidender Bedeutung, dass sicherheitstechnische und technologische Risiken durch sorgfältige Bewertung, Planung und Sicherheitsmaßnahmen angegangen werden.

5. Wie können Stahlhersteller zusammenarbeiten, um Modellierungsparameter zu standardisieren und Diskrepanzen in den Forschungsergebnissen zu verringern?

Die Eisenherstellung im Hochofen ist eine hochkomplexe Technologie, die durch zahlreiche Rückkopplungsmechanismen gekennzeichnet ist, die Bedienungsfehler und Rohstoffschwankungen berücksichtigen. Viele kritische Fragen zur Theorie und Praxis der Hochofenroute sind auch nach jahrzehntelanger Forschung noch ungelöst.

Verschiedene Forschungsteams entwickeln oft ihre eigenen Modelle auf der Grundlage spezifischer industrieller Benchmarks, was zu erheblichen methodischen Diskrepanzen führt. Darüber hinaus sind industrielle Experimente kostspielig, und die Daten über die tatsächlichen Bedingungen in Hochöfen sind oft spärlich und widersprüchlich.

Die Zusammenarbeit zwischen Forschungsteams und industriellen Akteuren ist daher unerlässlich, um eine zuverlässige Datenbasis zu schaffen. Neue Computertechnologien und Datenanalysen, einschließlich künstlicher Intelligenz, können eine entscheidende Rolle bei der Standardisierung von Modellierungsparametern spielen. Dies kann letztlich die Diskrepanzen in den Forschungsergebnissen verringern und die Gesamteffizienz der Hochofenroute verbessern.

Erfahren Sie mehr über die Forschung in dem in Steel Research International veröffentlichten Artikel