Entstehung, Verhalten und Umsetzung von Kohlerückständen beim Einblasen in den Hochofen

Die Roheisenerzeugung im Hochofen ist weltweit das dominante Verfahren zur Produktion metallischer Einsatzstoffe für die Stahlproduktion. Zur Reduktion der Eisenerze sowie zum Schmelzen von Roheisen und Schlacke wird aus ökonomischen Gründen zunehmend Staubkohle über die Blasformen des Hochofens eingeblasen, um den Koksverbrauch des Prozesses zu minimieren. Dabei wird die in die Wirbelzone des Hochofens eingeblasene pulverisierte Kohle jedoch nicht vollständig umgesetzt. Das Kohlekorn erwärmt sich zunächst und die Feuchte der Kohle wird ausgetrieben. Nach dem Austreiben und der Verbrennung der flüchtigen Bestandteile wird die Kohlematrix durch Oxidation umgesetzt. Unvollständig umgesetzte Kohle verlässt die Wirbelzone als Char. Entscheidend dafür ist die Verweilzeit der Kohle in der Wirbelzone sowie die Temperatur und Verfügbarkeit an Sauerstoff. Mit steigenden Einblasraten von pulverisierter Kohle in den Hochofen zur Teilsubstituierung von Koks ist ein signifikanter Anstieg an unverbrannten Kohlerückständen im Hochofen zu verzeichnen. Dieser Char besitzt nach der Pyrolyse andere Eigenschaften als seine Ursprungskohle und kann als neuer Stoff angesehen werden. Bisher sind die Umsetzungsreaktionen des Chars weitestgehend unbekannt. Diese Arbeit befasst sich mit der Entstehung von Char im Hochofen und dessen Charakterisierung sowie mit der Interaktion des Chars mit verschiedenen Reaktionspartnern. Im Rahmen von Untersuchungen zur Charentstehung wurde ein empirisches Modell aufgestellt. Dieses basiert auf den experimentellen Untersuchungen zur Umsetzung von Kohle beim Einblasen in den Hochofen im Labormaßstab. Dabei wurden Einflüsse der Kohleparameter/-eigenschaften herausgearbeitet und quantifiziert. Zur Charakterisierung von Char wurde dieser synthetisch hergestellt und untersucht. Unterschiedliche Kohlen wurden unter zwei verschiedenen Reaktionstemperaturen (900 °C und 1300 °C) behandelt und bezüglich ihrer chemischen, physikalischen, petrographischen und kinetischen Eigenschaften untersucht. Die Ergebnisse zeigten bezüglich der chemischen Zusammensetzung wie erwartet die steigende Entgasung mit ansteigender Reaktionstemperatur. Bei der Transformation von Kohle zu Char sind signifikante physikalische Umwandlungen identifiziert worden. Petrographische Eigenschaften zeigen generell eine starke Korrelation zu den chemischen Eigenschaften. Bezüglich der flüchtigen Bestandteile kann mit Hilfe des Liptinitgehaltes auf eine inhomogenere Verteilung geschlossen werden, da Liptinite zum Großteil aus flüchtigen Bestandteilen bestehen. Auch bei geringeren Reaktionstemperaturen wurde ein Großteil des Liptinitanteils vergast. Mit steigender Reaktionstemperatur stieg der Inertinitanteil, mit sinkendem der Vitrinitgehalt. Der Reflexionsgrad stieg ebenfalls signifikant an. Die Erkenntnisse dieser Arbeit können dazu genutzt werden, den Hochofen auf erhöhte und optimierte Kohleeinblasraten bzw. den daraus resultierenden Chareintrag einzustellen. Mit dieser Arbeit wird ein weiteres Fundament zum Verständnis über den Einfluss von Char im Hochofenprozess gelegt. Mit weiter steigenden Kohleeinblasraten wird das Verständnis über den Einfluss von Char auf den Hochofenprozess immer wichtiger.