Pyrohydrolyse eisenchloridhaltiger Lösungen in Sprühröstreaktoren

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Die vorliegende Arbeit behandelt den Sprühröstprozess als Regenerationsprozess eisenchloridhaltiger Beizlösungen. Zur Behandlung verzunderter Metalloberflächen wird häufig Salzsäure genutzt, mit der Eisenoxidschichten entfernt werden. Die im Laufe dieses Prozesses immer weiter mit Eisenchlorid aufgesättigte Lösung wird anschließend regeneriert, so dass die Salzsäure wieder in den Beizprozess zurückgeführt werden kann. Die Regenerierung erfolgt durch Eindüsung der gesättigten Lösung in eine typischerweise mit Erdgas beheizte Brennkammer. Dabei bildet sich Eisenoxid (Fe2O3) als Nebenprodukt. Abhängig von der Beschaffenheit kann auch dieses Nebenprodukt kommerziell genutzt werden, führt also zu einer weiteren Kostenoptimierung des Produktionsvorgangs. Bisher sind nur wenige Details der Partikelbildung während des Sprühröstprozesses eisenchloridhaltiger Lösungen bekannt. Diese sind aber notwendig, um das Design industrieller Anlagen zu optimieren.

Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der experimentellen und numerischen Untersuchung der gebildeten Eisenoxidpartikel. Dazu wurde ein laminarer Fallrohrreaktor im Labormaßstab gebaut, in dem monodisperse Tropfen einer Eisenchloridlösung unter typischen Bedingungen abgeröstet wurden. An den so entstandenen Feststoffproben wurden Untersuchungen bezüglich der Partikelmorphologie, Oberflächenstruktur und Mineralphasenzusammensetzung durchgeführt, die eine Charakterisierung und Bewertung des Röstvorganges ermöglichten. Aus den Laborexperimenten konnten Ergebnisse gewonnen werden, die zur Optimierung eines Modells zur numerischen Simulation industrieller Anlagen genutzt werden konnten. Das Modell stellt den Partikelbildungsprozess vereinfacht dar, beinhaltet aber charakteristische Merkmale der Partikelbildung sowie der Reaktionskinetik.

Bei industriellen Sprühröstreaktoren handelt es sich um großvolumige Anlagen, in denen eine turbulente, rotierende Heißgasströmung vorherrscht, in die die Eisenchloridlösung eingedüst wird. Aufgrund der komplexen Strömungsverhältnisse und der über mehr als eine Größenordnung streuenden Größenverteilung der Tropfen nach erfolgter Eindüsung ist eine experimentelle Untersuchung der Partikelbildung in diesen Anlagen nur eingeschränkt möglich. Das mit Daten der Laborexperimente entwickelte Modell konnte genutzt werden, um mittels CFD-Simulationen den Einfluss verschiedener Betriebszustände auf die Eigenschaften der Eisenoxidpartikel zu bestimmen. Weiterhin konnten die Simulationen Aufschluss über die Strömungsverhältnisse in industriellen Großanlagen liefern. Die Ergebnisse führen zu einem erweiterten Verständnis der Vorgänge in Sprühröstreaktoren und bilden eine Grundlage zur weiteren Optimierung des Prozesses mittels numerischer Simulationen.