Thema:
Sprühröstung – Einfluss von Reaktorparametern auf die Metalloxid-Partikelqualität
Forschungsstellen:
Ruhr-Universität Bochum, Lehrstuhl für Energieanlagen und Energieprozesstechnik (LEAT)
AiF – Förderummer: 23117 N
Erfüllung: 01.11.2023 – 30.04.2026
Kurzfassung:
Sprühröstreaktoren dienen der thermischen Behandlung von gelösten Metallsalzen, die durch den thermischen Prozess der Pyrohydrolyse in Metalloxide umgewandelt werden. Der Prozess läuft je nach zu regenerierendem Metallsalz bei 350-600 °C ab. Die Herkunft der Metallsalzlösungen kann dabei verschieden sein. Abbeizen von Stahloberflächen mit Salzsäure führt zu großen Mengen eisenchloridhaltiger Lösungen. Aus diesen wird die Salzsäure im Sprühröstprozess zurückgewonnen, und das entstehende Eisenoxid kann einer Nutzung zugeführt werden, z. B. zur Herstellung von Magneten, Katalysatoren oder als Farbpigment. Magnesiumoxid wird aus Magnesiumchlorid hergestellt, das aus dem Toten Meer gewonnen wird. Anwendungsmöglichkeiten sind im Bereich der Spezial- und Feuerfestzemente und der Wasseraufbereitung zu finden. Nickel-Mangan-Cobalt Lösungen fallen bei der chemischen Extraktion aus Altbatterien an, zu deren Recycling der Sprühröstprozess genutzt werden kann.
Obwohl Sprühröstreaktoren grundlegenden Designprinzipien folgen, gibt es kein allgemeines Regelwerk, das Anlagenbetreibern und Anlagenbauern spezifische Maßnahmen empfiehlt, um auf geänderte Bedingungen bei den Stoffströmen zu den Gasbrennern, zum Düsenstock, oder um auf variierende Anforderungen an die Produktqualität zu reagieren. Mit Hinblick auf die immer weiter vorrückende Substitution fossiler Brennstoffe durch regenerativ zu erzeugende Alternativen wird dieser Aspekt in der Zukunft zunehmend wichtig werden, um weiterhin hohe chemische Reinheit und eine der Anwendung entsprechende spezifische Oberflächen erzeugter Oxide sicherzustellen.
Das vorliegende Projekt zielt darauf ab, generelle Wirkzusammenhänge zwischen den für Sprühröstreaktoren verwendeten Brennern und der resultierenden Produktqualität abzuleiten und für die Industrie, insbesondere KMU, zugänglich zu machen. Da in Sprühröstreaktoren komplexe Strömungsfelder vorliegen, und die Anlagen für invasive Messtechnik üblicherweise nicht hinreichend zugänglich sind, wird eine Kombination aus Labor-Experimenten und Strömungssimulationen (CFD) unter Berücksichtigung der Tropfen-/Partikelphase als Lösungsansatz verwendet.
Wichtige Eingangsgrößen der Simulation sind neben den Stoffströmen der Impulsübertrag der Brenngase an den Reaktor, aber auch die Tropfengrößenverteilung der eingedüsten Lösung. Zur Bestimmung des Einflusses der Brenner und Brennkammern auf den Partikelbildungsprozess werden diese mit hoher Auflösung simuliert, wobei eine Variation eingesetzter Gase (Erdgas, H2 oder NH3) vorgesehen ist. Daran anschließend können diese Ergebnisse in die Simulation kompletter Sprühröstreaktoren mit Gasphase und reagierenden Partikeln einfließen. Zur Beschreibung der Partikelkonversion liefern Experimente mit real verwendeten Düsen (Partikelbildung aus Eisenchloridlösungen) die Grundlage zur weiteren Anpassung eines existierenden numerischen Modells. Die Simulation wird neben generischen Reaktoren auch eine Technikumsanlage berücksichtigen, in der Messungen zum Vergleich mit der Simulation durchgeführt werden. Neben der Messung der Oxideigenschaften (Reinheit, spezifische Oberfläche, Partikelgrößenverteilung) sind hier auch Messungen der Gastemperatur und von Partikelgeschwindigkeiten möglich.
Das Modell der Partikelbildung in der CFD-Simulation wird Unternehmen, Anlagen- und Brennerherstellern, Ingenieurbüros und Nutzern von Oxiden aus Sprühröstreaktoren zur Verfügung stehen, um selbstständig in der Simulation der Reaktoren tätig zu werden und entsprechende Beratung anzubieten. Dies geschieht im Sinne der AiF-IGF und wird insbesondere KMU ermöglichen, dieses Themengebiet weiter zu erschließen.