Grundlagenuntersuchungen zur Bildung von Stickoxiden im Lichtbogenofen

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Beim Schrottschmelzen im Lichtbogenofen führt die Anwendung der Sauerstofftechnologie zu einer deutlichen Verkürzung der Einschmelzzeit. Neben der damit verbundenen wirtschaftlicheren Ofenfahrweise nehmen die Gasemissionen des Lichtbogenofens zu. Seit 2005 unterliegt der CO2-Ausstoß dem Emissionshandel. Stickoxide sind nach Kohlendioxid die zweitgrößte klimarelevante Abgaskomponente des Lichtbogenofens. Diese sollen ab 2008 ebenfalls in den Emissionshandel einbezogen werden [41,42]. Hinsichtlich der NOx-Emissionen des Lichtbogenofens gibt es in Europa fast keine Untersuchungen und in den USA nur sehr wenige publizierte wissenschaftliche Arbeiten. Die NOx-Emission des Lichtbogenofens ist zum einen von in der Regel schnell ändernden Betriebsgrößen (z. B. Lichtbogenlänge, Einschaltvorgänge) und zum anderen von der Betriebsweise (z. B. Einsatz von Hilfsbrennstoffen wie Erdgas) abhängig. Die Auswirkungen der Prozesszustände und der Lichtbogenparameter, wie Lichtbogenlänge, Lichtbogenstrom, Gleich- (DC oder Wechselstrombetrieb (AC) des Lichtbogenofens auf die NOx-Emissionen sind noch nicht erforscht. Die Zusammensetzung der Ofenatmosphäre verändert sich mit dem Betriebszustand des Lichtbogenofens ständig und weicht in der Regel deutlich von den bekannten Abgaszusammensetzungen bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen, für die die NOx-Bildungsmechanismen in den vergangenen Jahren intensiv untersucht wurden, ab. Die hohen Gastemperaturen bis 1800°C im Ofenraum sowie der elektrisch leitende Lichtbogen mit Stromstärken von bis zu 100 kA und Temperaturen des Gasplasmas von ca. 8000 - 10000°C stellen gute Bildungsbedingungen für Stickoxide in N2/O2/CO2-haltigen Gasgemischen dar. Messungen des NOx-Konzentrationsverlaufes an industriellen Lichtbogenöfen durch das IOB verdeutlichen, dass ohne ergänzende Grundlagenuntersuchungen mit definierten, konstanten Parametern im Labormaßstab die NOx-Bildungsmechanismen nicht beschreibbar sind. Der vorhandene Lichtbogen-Laborofen ist besonders geeignet, die Auswirkung unterschiedlicher Ofenatmosphären und Betriebsgrößen auf die NOx-Emission zu untersuchen. Im Gegensatz zu industriellen Lichtbogenöfen lassen sich am Lichtbogen-Laborofen die Ofenatmosphäre (gasdichter Ofen mit Gaszufuhr über die Hohlelektrode bzw. Ringleitung im Gefäß) und Betriebsgrößen, wie z. B. die Bogenlänge, genau einstellen. Die Experimente sollen durch numerische Simulationen (CFD-Simulation der Strömung und Gastemperaturen im Laborofen, Lichtbogen-Kanalmodell zur Abschätzung der Lichtbogentemperatur und des Pinch-Massenstroms, thermochemische Berechnungen der Gaszusammensetzung) flankiert werden.