BFI VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH

Ausgangssituation:

• Die europäische Stahlindustrie steht vor der massiven Herausforderung, ihre CO₂-Emissionen bis 2030 um 55 % zu senken und bis 2050 klimaneutral zu werden.
• Die Transformations-Roadmaps sehen vor, die bisherige Produktionskette über den Hochofen durch die Direktreduktion (DR) zu ersetzen.
• Aufgrund der hohen Erdgas- und Strompreise in den meisten europäischen Ländern ist es jedoch schwierig, den DR-Prozess wettbewerbsfähig zu betreiben.
• Um dem globalen Wettbewerbsdruck standzuhalten, müssen europäische Stahlhersteller ihre DR-Anlagen auf einem herausragenden Produktivitätsniveau betreiben.
• Dies erfordert einen maximalen Durchsatz sowie hohe Temperaturen, was das Risiko für Verklebungen der Pellets (Sticking) im Ofen drastisch erhöht.
• Gleichzeitig erzwingt die Kostenminimierung den Einsatz von qualitativ geringerwertigen und günstigeren Rohstoffen, was die Durchlässigkeit im Prozess zusätzlich beeinflusst.

Projektziele:

• Befähigung der europäischen Stahlindustrie zum Betrieb von DR-Prozessen auf einem überlegenen Effizienz- und Produktivitätsniveau bei gleichzeitiger Vermeidung von Sticking.
• Entwicklung neuer, hochtemperaturbeständiger Pelletbeschichtungen (Coatings) zur Verringerung des Sticking-Risikos.
• Erarbeitung von realistischeren und standardisierten Testverfahren, um die Sticking-Neigung verschiedener Rohstoffe und Beschichtungen zu bewerten.
• Schaffung validierter Simulationsmodelle, die das räumliche Sticking-Risiko, die Partikelbewegung und die Gasdurchlässigkeit im Prozess detailliert berechnen.
• Entwicklung neuer Messkonzepte und digitaler Tools zur frühzeitigen Online-Erkennung von Sticking und zur optimalen Prozesssteuerung.

Innovative Ansätze:

• Forschung an innovativen SiO₂-basierten und hybriden organisch-anorganischen Silizium-Beschichtungen für Eisenerzpellets.
• Einsatz eines hochtemperaturbeständigen, gasgeschirmten Scherzellenreaktors (Hot Shear Testing Reactor) zur realistischen Messung von Scherkräften und Sticking unter DR-Bedingungen (bis zu 1000 °C).
• Gekoppelte DEM-CFD-Simulationen (Discrete Element Method und Computational Fluid Dynamics) zur exakten Analyse der Wechselwirkung zwischen lokaler Gasströmung, Partikelbewegung und Agglomeratbildung.
• Überführung der komplexen CFD-DEM-Erkenntnisse in ein schnelles FEM-Modell (Finite-Elemente-Methode), das als "Soft-Sensor" für die Online-Simulation des DR-Schachtofens agiert.
• Gleichzeitige thermochemische Berechnung der Interaktionen zwischen Eisenerz, Pelletbindemitteln und Beschichtungen mithilfe von FactSage®.

Nutzen für die Industrie:

• Produktivitätssteigerung der DR-Anlagen um geschätzte 5 % durch die sichere Ermöglichung höherer Betriebstemperaturen.
• Deutliche Senkung der Betriebskosten (geschätzt 10 € pro Tonne Rohstahl) durch den flexiblen und effizienten Einsatz günstigerer Rohstoffe wie Hochofen-Pellets.
• Vermeidung von Anlagenstillständen und Prozessstörungen durch den Einsatz von Vorhersage-Tools und präzisen Frühwarnsystemen für Sticking.
• Unterstützung der strategischen Rohstoffbeschaffung durch neue Standards, die das Sticking-Risiko anlagenspezifisch exakt bewerten.
• Wesentlicher Beitrag zur CO₂-Minderung (geschätzt 1 Mio. Tonnen CO₂ pro Jahr bis 2035), was zusätzliche Einsparungen bei Emissionszertifikaten generiert.
• Förderung einer digitalen, datengesteuerten Stahlproduktion, die die Wettbewerbsfähigkeit und Arbeitsplatzsicherheit in der EU stärkt.

Weitere Informationen:

Projektwebseite: https://superprodr.eu/

LinkedIn: SuperProDR project