IJzerproductie door hoogoven en kooldioxide-emissies

Ijzerproductie door hoogoven en kooldioxide-emissies

Het wordt algemeen erkend dat koolstofdioxide (CO2) in de atmosfeer de belangrijkste component is die de opwarming van de aarde beïnvloedt via het broeikaseffect. Sinds 1896 is de concentratie CO2 in de atmosfeer met 25% toegenomen. De ijzer- en staalindustrie staat bekend als een energie-intensieve industrie en als een belangrijke uitstoter van CO2. Daarom wordt klimaatverandering door de ijzer- en staalindustrie aangemerkt als een grote milieu-uitdaging. Lang voor de bevindingen van het Intergouvernementeel Panel over klimaatverandering in 2007 erkenden grote producenten van ijzer en staal dat langetermijnoplossingen nodig zijn om de CO2-emissies van de ijzer- en staalindustrie aan te pakken. Daarom is de ijzer- en staalindustrie zeer proactief geweest in het verbeteren van het energieverbruik en het verminderen van de uitstoot van broeikasgassen (BKG).

In de huidige omgeving van klimaatverandering is er binnen de ijzer- en staalindustrie een constante drang om de energiekosten te verlagen, de uitstoot te verminderen en te zorgen voor een maximaal hergebruik van afvalenergie. In de traditionele processen voor de productie van ijzer en staal is de uitstoot van CO2 onvermijdelijk, vooral voor het hoogovenproces (BF), waarbij koolstof (C) als brandstof en reductiemiddel nodig is om ijzeroxide om te zetten in de metallische toestand, en daarom is het belangrijkste proces voor de opwekking van CO2 in een geïntegreerde ijzer- en staalfabriek. Klimaatbeleid is namelijk een belangrijke drijfveer voor de verdere ontwikkeling van de ijzerproductietechnologie door BF.

Een van de uitdagingen waarmee de BF-operatie wordt geconfronteerd, is decarbonisatie. De ijzer- en staalindustrie heeft belangrijke stappen gezet om de thermische efficiëntie van de BF-bewerking te verhogen, maar uiteindelijk is er een harde limiet in decarbonisatie, in verband met de behoefte aan C als chemisch reductiemiddel. Sinds de jaren 1950 zijn er aanzienlijke R&D-inspanningen (onderzoek en ontwikkeling) uitgevoerd om de BF-ijzerproductietechnologie efficiënter te maken. Deze R&D-inspanningen omvatten (i) verbeterde cokes- en sinterkwaliteit, (ii) zuurstof (O2) verrijking, (iii) injectie van andere reductiemiddelen zoals poederkool en aardgas, (iv) lastverdeling, en (v) meettechnologieën en zo Aan. In de jaren vijftig lag het reductiemiddelpercentage rond de 1000 kilogram per ton ruwijzer (kg/tHM), en sindsdien is het door de R&D-inspanningen en het doorvoeren van de uitkomsten van de R&D-inspanningen met een factor 2 verminderd.

Het verbruik van reductiemiddelen bij de conventionele BF is tegenwoordig met ongeveer 500 kg/tHM bijna 5% boven de laagst mogelijke thermodynamische waarden bij klassieke BF-werking. Het BF-proces is nu een hoogontwikkeld proces dat dicht bij de thermodynamische efficiëntiegrenzen werkt. Er zijn geen duidelijke grote verbeteringen waarvan wordt verwacht dat ze de C-vraag fundamenteel zullen verminderen of de thermische efficiëntie aanzienlijk zullen verbeteren, maar aangezien de BF de belangrijkste emissiegenerator is, moeten inspanningen om de milieu-impact van de industrie te verminderen, noodzakelijkerwijs worden gericht op het BF-ijzerproductieproces.

Baanbrekende technologieën voor het maken van ijzer zijn vereist voor een verdere significante vermindering van het C-verbruik of de CO2-uitstoot. Er zijn verschillende technologieën voorgesteld voor verdere reductie van het fossiele C-gebruik en de reductie van de CO2-uitstoot in het BF-proces zelf. Deze omvatten (i) recycling van CO uit het BF-topgas, (ii) gebruik van biomassa, (iii) vervanging van CO door H2 als reductiemiddel, (iv) gebruik van C-lean direct gereduceerd ijzer (DRI), heet gebriketteerd ijzer (HBI), of laag gereduceerd ijzer (LRI), (v) Gebruik van C-composietmaterialen, (vi) gebruik van C-lean elektrische energie, en (vii) CO2-afvang en -opslag (CCS) enz. Echter, de benodigde aanpak is om stapsgewijze verbeteringen voor te stellen die stappen bieden om emissies te verminderen of om meer te produceren uit het potentieel dat binnen het huidige proces bestaat.

Het is onvermijdelijk dat bij het overwegen van dergelijke technologieën rekening moet worden gehouden met een aantal horizontale thema's rond economie en algemene CO2-emissies. Het gebruik van CO2 en procesgassen als chemische grondstof kan bijvoorbeeld de aankoop van extra brandstoffen voor de herverhittingsovens vereisen, wat een impact kan hebben op de geïntegreerde fabriekskosten, de staalkwaliteit en de totale CO2-uitstoot. Elke oplossing die verder in overweging moet worden genomen, moet het potentieel hebben om een ​​multi-component optimalisatie van deze individuele aspecten te bereiken.

De belangrijkste uitdagingen waarmee de toekomstige exploitatie van BF wordt geconfronteerd, zijn daarom (i) het aanzienlijk verminderen van de kapitaal- en bedrijfsuitgaven om een ​​duurzaam rendement op de kapitaaluitgaven te genereren gedurende de hele economische cyclus, en (ii) het verminderen van de effectieve CO2-emissies tot een punt dat zelfs lager is dan dat bepaald door de chemische thermodynamica van het conventionele op cokes gebaseerde proces. Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, is het essentieel om een ​​aantal technologische kansen te identificeren. Deze worden hieronder beschreven.

Toptechnologieën voor gasrecycling en koolstofafvang

De reductie van input C wordt beperkt door het reductie-evenwicht van gas in de BF. De afname van input C kan worden bereikt door de directe reductieverhouding (een endotherme reactie) te verlagen door de gasreductie in de BF te versterken door decarbonisatie en recirculatie van topgas door injectie in de oven. Typisch stroomschema van hoogovens met topgasrecycling (TGR) wordt getoond in figuur 1.

Fig 1 Typisch stroomschema van hoogovens met topgasrecycling

Elke oplossing voor het koolstofvrij maken van de BF-route vereist een bepaald element van C-afvang. Voor het bereiken van substantiële CO2-reductie (meer dan 50%) is de toepassing van CCS-technologie noodzakelijk, hoewel er in de industrie algemene consensus bestaat dat reducties van meer dan 80% niet mogelijk zijn. Een bemoedigende variatie op C-afvang is de recycling van topgas in het proces van ijzerproductie door het BF-proces. Het is de meest veelbelovende technologie die de CO2-uitstoot aanzienlijk kan verminderen en bestaat uit het recyclen van CO en H2 uit het gas dat de BF van bovenaf verlaat.

TGR-technologie is voornamelijk gebaseerd op het verlagen van het gebruik van fossiel C (cokes) door hergebruik van de reductiemiddelen (CO en H2) na verwijdering van het CO2 uit het topgas. Dit leidt tot een lagere energiebehoefte. De belangrijkste technologieën van de TGR-BF zijn (i) Scrubbing van CO2 uit het topgas en injectie van de rest die de topgascomponenten CO en H2 in de BF-schacht en haardblaaspijpen reduceert, (ii) lagere fossiele C-input door lagere cokes snelheden, (iii) gebruik van pure O2 in plaats van hete lucht in de haard, d.w.z. verwijdering van stikstof (N2) uit het proces, en (iv) terugwinning van zuivere CO2 uit het bovenste gas voor ondergrondse opslag.

De meeste C-capture-schema's worden over het algemeen geassocieerd met opslag, maar gebruik kan ook worden overwogen. Deze verbinding tussen C-afvang en -gebruik benadrukt een belangrijk onderzoeksgebied dat momenteel van belang is rond procesintegratie. Vergeleken met aspecten als inzameling, transport en opslag heeft het gebied van procesintegratie door het achteraf uitrusten van een bestaande BF met een C-afvangsysteem weinig aandacht gekregen.

Het is te verwachten dat voor de meeste locaties waar BF's actief zijn, C-afvang in gebruik zal worden genomen naast BF's die al tientallen jaren actief zijn. Er is een potentieel voor een aanzienlijk niveau van procesinterferentie in verband met aspecten zoals gaskwaliteit, druk, operationele protocollen en de relatieve optimalisatie van zowel de BF- als de C-gebruiksinstallatie. Retrofitten en de daaropvolgende operatie zijn nodig om te worden bereikt zonder de operationele efficiëntie of productkwaliteit van de bestaande activa in gevaar te brengen.

Op dit gebied van procesintegratie moeten de geavanceerde processimulatie- en modelleringstechnieken worden ingezet om de combinatie van een geïntegreerd BF- en C-afvangsysteem te optimaliseren. In dit opzicht is een combinatie van thermovloeistofmodellering, met proceskinetiek en door middel van proceseconomische modellering, afgestemd op een goed begrip van de belangrijkste parameters van het ijzerproductieproces vereist. Met zo'n focus kan de toepassing van C-capture op bestaande BF-operaties worden gerealiseerd.

Waterstofreductie

De belangrijke milieu-uitdaging voor het BF-proces is het gebruik van C als chemisch reductiemiddel. Dit heeft een harde thermodynamische limiet, waaronder verdere C-reductie niet mogelijk is zonder een significante procesverandering. Een dergelijke procesverandering is een gedeeltelijke omschakeling van C naar waterstof (H2) als reductiemiddel. Voorbeelden van reductiemiddelen met een hoog H2-gehalte zijn afvalplastics (CnHm) of aardgas (met hoofdbestanddeel CH4). H2 wordt al gebruikt in directe reductieprocessen voor de productie van DRI en dus is er een basiskennis van de mechanismen en chemische thermodynamica, maar er is een kans voor verder procesonderzoek en innovatie rond de mate waarin de balans tussen H2-reductie en C reductie kan binnen de oven worden verschoven.

Het gebruik van afvalplastics (WP) om H2-reductie in BF te bevorderen, gebeurt door injectie van WP in de BF. WP wordt op dezelfde manier als poederkool (PC) als vaste stof door de blaaspijpen geïnjecteerd. Normaal gesproken wordt het gedaan als een co-injectie van WP en steenkool in de BF. De verbrandingsenergie van WP is over het algemeen minstens zo hoog als die van PC die normaal wordt geïnjecteerd, en hun hogere verhouding van H2 tot C betekent dat er minder CO2 wordt geproduceerd in de BF door de verbrandings- en ijzerertsreductieprocessen. Ook is er een lager energieverbruik omdat H2 een gunstiger reductiemiddel is dan C. Injectie van WP verhoogt de H2-concentratie van het boshgas. Omdat de chemische reactiesnelheid van H2-reductie hoger is dan die van CO, neemt de mate van Boudouard-reactie af naarmate bosh-gas H2 toeneemt. CO2 en H2O zijn aanwezig in het bovenste deel van de BF door de reductie van ijzeroxiden.

Voor het bevorderen van H2-reductie in de hoogoven wordt een andere methode onderzocht via het COURSE50-project in Japan, waaraan in 2008 is begonnen. Dit project is een poging om de CO2-uitstoot te verminderen door de techniek van het injecteren van reducerend gas in de BF verder te ontwikkelen. as, in combinatie met H2-versterking door reforming van cokesovengas. De H2-reductietechnologie die door dit project wordt voorgesteld, bestaat uit H2-toename door (i) gasreforming van cokesovengas, (ii) H2-ertsreductietechnologie en (iii) cokesproductietechnologie voor H2-reductiehoogovens. In dit project wordt het reducerende gas in de BF-schacht geïnjecteerd. Uit de momentumbalans van twee gassen is gebleken dat het penetratiegebied van asinjectiegas evenredig is met de injectiegassnelheid en dat de ijzerertsreductie wordt bevorderd door H2. Omdat H2-reductie echter een endotherme reactie is, is speciale aandacht nodig voor het handhaven van de temperatuur aan de bovenkant van de oven.

Alternatieve koolstoflagermaterialen

Alternatieve C-lagermaterialen zijn C-composietagglomeraten (CCA) of C-ijzercomposieten (CIC). Dit zijn agglomeraten van koolstofhoudend materiaal en een mengsel van ijzeroxide en zijn een soort gevormde cokes die metallisch ijzer bevat. Het koolstofhoudende materiaal kan cokes, steenkool, houtskool, C-rijk in-plant fines, biomassa, afvalplastics, enz. zijn, terwijl het ijzeroxide laagwaardige ijzererts kan zijn, ijzerrijk in-plant fines, enz. C-composiet materialen hebben door de katalytische werking van de ijzerdeeltjes een opmerkelijk hoge reactiviteit met CO2-gas in vergelijking met de metallurgische cokes. Normaal gesproken reageren C-composietmaterialen met CO2-gas vanaf een temperatuur die ongeveer 150 ° C lager is dan de metallurgische cokes.

De ertsreductiereactie wordt bevorderd door C-composietmaterialen vanwege (i) de hogere reactiviteit van deze materialen, en (ii) het feit dat de oplossingsverliesreactie van deze materialen begint bij een lagere temperatuur. Het gebruik van dergelijke agglomeraten helpt niet alleen bij het verminderen van de CO2-uitstoot, maar helpt ook bij het besparen van cokes en energiebesparing. De korte afstand tussen ijzer en C in dergelijke agglomeraten verbetert de reactiekinetiek aanzienlijk. De andere voordelen die kunnen worden gevisualiseerd bij het gebruik van dergelijke agglomeraten zijn (i) de mogelijkheid om ijzer- en/of C-rijk in-plant fines te gebruiken, (ii) lagere vergassingstemperatuur vanwege het koppelingseffect tussen de vergassingsreactie en ijzeroxide (wustite ) reductie, en (iii) minder afhankelijkheid van CO2 en energie-intensieve ertsvoorbereidingsprocessen.

De methode voor het produceren van C-composietmaterialen bestaat uit het pletten, mengen en briketteren van goedkope ijzerhoudende materialen en niet- of licht vercooksende steenkool, gevolgd door verwarming en carbonisatie in een schachtoven. De sterkte van deze materialen is een belangrijke eigenschap voor BF-voeding, en de sterkte op hetzelfde niveau als metallurgische cokes kan worden bereikt, zelfs uit grondstoffen van lage kwaliteit, door het verdichtingseffect van briketteren en een relatief hoge nauwkeurigheid temperatuurregeling in de schachtoven .

De C-lagermaterialen kunnen ook op verschillende manieren in het BF-proces worden geïntroduceerd. Bij het sinterproces kan biomassa of WP de cokesbries gedeeltelijk vervangen. In-plant fines kunnen worden gebruikt als bron van zowel C als ijzer. Bij het maken van cokes zijn pogingen ondernomen om zowel biomassa als WP aan het cokeskoolmengsel toe te voegen. Alternatieve koolstofhoudende materialen kunnen ofwel van bovenaf in de BF worden geladen, samen met lastmaterialen als brokken, of de C-rijke in-plant fijne deeltjes of biomassa kunnen via de blaaspijpen in de BF worden geïnjecteerd.

Rookgasrecycling binnen BF-gaskachels

Voor de heteluchtkachels is een nieuwe technologie in ontwikkeling die bekend staat als ‘rookgasrecycling’ (FGR). Deze technologie omvat de conversie van de kachels, van lucht-brandstof- naar autogeen-verbranding, waardoor het CO2-percentage van het rookgas wordt verhoogd. De gegenereerde vlamtemperatuur zal worden gematigd door de recirculatie van rookgas naar de branders van de kachel. Schematische vergelijking van conventionele lucht-brandstof kachel operaties en verbeterde oxy-fuel operaties die gebruik maken van de rookgasrecirculatie wordt getoond in figuur 2.

Afb. 2 Schematische vergelijking van conventionele lucht-brandstofkachels en verbeterde autogeen-brandstofbewerkingen waarbij gebruik wordt gemaakt van het recyclen van rookgas

FGR-werking van kachels kan op basis van constante massa of constante volumestroom van de verbrandingsproducten. Een constante massastroom zorgt ervoor dat de convectieve warmteoverdracht onveranderd blijft ten opzichte van de conventionele lucht-brandstof-operaties, en het recyclen van heet rookgas vermindert de verbrandingsenergiebehoefte van de kachels. De optie constante volumestroom ontstaat door de verhoogde dichtheid van de verbrandingsproducten bij het hergebruik van rookgas. In deze modus kan warmteterugwinning worden gecombineerd met hogere vergassingssnelheden van de brander en dit wordt omgezet in hogere temperaturen van hete ontploffing en een potentieel voor lager cokesverbruik in de BF.

Gezien het potentieel voor het afvangen van C, wordt het CO2-gehalte van het rookgas in wezen verdubbeld in vergelijking met conventionele verwarmingsmethoden voor de kachels. In massatermen bevat het rookgas 0,8 ton CO2/ton ruwijzer (HM), meer dan een derde van de huidige specifieke emissieniveaus. Het genereren van de O2 die nodig is om dit te vergemakkelijken, vermindert de C-afvangvoordelen marginaal dankzij het vermogen dat wordt verbruikt om de luchtscheidingsinstallatie te laten werken. Dit vermindert het netto emissiereductiepotentieel met ongeveer 6%.

Rookgasrecycling in de kachels elimineert het gebruik van zowel lucht als cokesovengas in het verbrandingsproces. Daarom wordt de vorming van zwaveloxiden en stikstofoxiden aanzienlijk verminderd. De specifieke doelstellingen van deze nieuwe technologie in ontwikkeling omvatten (i) bevestiging van een CO2-gehalte van 40 % tot 50 % in het gemodificeerde rookgas, (ii) verificatie van de terugwinning van afvalwarmte en verbeterde thermische efficiëntie van de kachels, en (iii) bevestiging dat de nieuwe bedrijfsomstandigheden de temperatuur van de hete luchtstroom die aan de BF wordt geleverd, handhaven of verhogen en zo negatieve effecten op de werking van de BF vermijden.