Groene staalproductie: De industrie revolutioneren voor een koelere planeet

De gemiddelde jaarlijkse temperatuur van de aarde stijgt sinds de industriële revolutie. Dit is voornamelijk te wijten aan de verbranding van fossiele brandstoffen die de emissies van koolstofdioxide (CO2) in de atmosfeer verhogen. Vóór de industriële revolutie bestond 280 ppm (0,028%) van de atmosfeer uit CO2, en dit is gestegen tot ongeveer 413 ppm (0,0413%) in begin 2019. Figuur 1 toont de mondiale stijging in de jaarlijkse temperatuur en de concentratie van CO2 op aarde gedurende de laatste 800.000 jaar. De data van atmosfeer CO2 wordt geleverd door de Amerikaanse National Oceanic Atmospheric Administration (NOAA). Aangezien geen directe metingen bestaan, is de respectieve informatie afgeleid van ijskernen door het Europese Project voor IJskernboringen in Antarctica (EPICA).

Figuur 1 Voorkomen van mondiale opwarming

Mondiale opwarming is eigenlijk het resultaat van 'te veel van een goed ding'. Zonder de atmosfeer zou het aardoppervlak vrijwel bevroren zijn. Als zonlicht de atmosfeer binnenkomt, wordt het geabsorbeerd door oceanen en continenten, die opwarmen. Een groot deel van de warmte wordt dan terug gestraald naar de ruimte in de vorm van energie-rijke infrarood licht. Hier komen de 'broeikasgassen' in beeld. Deze gassen, bestaande voornamelijk uit waterdamp, CO2, en methaan, interacteren met het infrarood licht en houden het ervan af om de atmosfeer te verlaten op weg naar de ruimte. Als gevolg gebeurt het 'goede ding' en de atmosfeer behoudt de warmte. Het is gewoon dat te veel van het verwarmeffect negatieve effecten heeft door de atmosfeer te warm te maken.

Figuur 1 toont dat de hoeveelheid CO2 in de atmosfeer is gestegen van 280 ppm naar 413 ppm sinds de industriële revolutie. Koolstofdatering toont aan dat deze toename verbonden is met de verbranding van fossiele brandstoffen (steenkool, olie, en aardgas). Tijdens dezelfde periode zijn de gemiddelde mondiale temperaturen gestegen met 1 °C. Hoewel 1 °C niet hoog lijkt, wordt aangenomen dat elke verdere toename ernstige gevolgen kan hebben zoals verdwijnen van zeeijs, krimpen van gletsjers resulterend in een stijging van de zeespiegel, wat momenteel gemiddeld 3,3 millimeter per jaar meet. Om de slechte effecten van de klimaatverandering te vermijden, moet de mondiale opwarming onder de 2 °C gehouden worden.

De rol van de ijzer- en staalindustrie

De ijzer- en staalindustrie is de enkele grootste sector in termen van totale mondiale fossiele en industriële emissies, good voor ongeveer 7% tot 9% van broeikasgas (BKG) emissies. Het is de grootste industriële emitter en momenteel verantwoordelijk voor ongeveer 8% van de mondiale finale energievraag. Daarom is het een primair focus voor regeringen. Aan de andere kant is staal vitaal voor moderne economieën en dus wordt de wereldwijde vraag naar staal verwacht te groeien om aan stijgende maatschappelijke en economische welvaartsbehoeftes te voldoen. Het is ook een kritische invoer voor de schone energietransitie. De opwekking en het gebruik van elektriciteit hangen deels af van de ferromagnetische eigenschappen van staal en zijn legeringen. Staal is een sleutelmateriaal voor windturbines, transmissie- en distributie-infrastructuur, waterkracht- en kerncentrales, onder andere cruciale energiesector activa.

Terwijl het een facilitator is van de schone energietransitie, is staal ook een grote bijdrager aan de huidige uitdaging die de wereld tegenkomt in het halen van de klimaatdoelen. Directe CO2-emissies uit de sector bedragen ongeveer 2,6 gigaton koolstofdioxide (Gt CO2) per jaar, of ongeveer een kwart van de industriële CO2-emissies, vanwege de grote afhankelijkheid van steenkool en cokes als brandstoffen en reducerende middelen. Een verdere 1,1 Gt CO2 aan emissies is toe te rekenen aan het gebruik van de rookgassen, samen met andere brandstoffen, om de elektriciteit en geïmporteerde warmte op te wekken die het verbruikt.

De hoge afhankelijkheid van steenkool in de huidige primaire staalproductie, langlevende kapitaalactiva, en de blootstelling van de sector aan internationale handel en concurrentie maken deze transitie naar bijna nul CO2-emissies uitdagend. Het is om deze redenen dat de sector soms wordt aangeduid als een van die 'moeilijk te reduceren'.

Het voldoen aan de vraag naar ijzer- en staalproducten brengt uitdagingen met zich mee voor de ijzer- en staalsector terwijl het een meer duurzame route zoekt terwijl het concurrentief blijft. Daarom hebben ijzer- en staalproducenten een grote verantwoordelijkheid om het energieverbruik en broeikasgasemissies te verminderen, duurzamere producten te ontwikkelen en hun concurrentiepositie te verbeteren door innovatie, implementatie van laag-koolstoftechnologieën, en hulpbron-efficiëntie.

Recente studies schatten dat de mondiale staalindustrie ongeveer 14% van de potentiële waarde van staalorganisaties op het spel staat als ze niet in staat zijn hun milieueffect te verminderen. Daarom moet dekarbonisering een toprioriteit zijn om economisch concurrentief te blijven en de vergunning van de industrie om te opereren te behouden. Bovendien maken lange investeringscycli van 10 tot 15 jaar, multi-milliarden financieringsbehoeftes, en beperkte leverancierscapaciteiten deze kwestie nog relevanter en vergrendelen significante looptijden voor het aanpakken van de dekarboniseringsuitdaging.

De ijzer- en staalindustrie heeft erkend dat langetermijnoplossingen nodig zijn om de CO2-emissies die tijdens de productie van staal ontstaan aan te pakken. Als resultaat is de staalindustrie zeer proactief geweest in het verbeteren van het energieverbruik en het verminderen van de CO2-emissies. Verbeteringen in energie-efficiëntie hebben geleid tot reducties van ongeveer 50% in de energie die nodig is om een ton ruw staal te produceren sinds 1975 in de meeste van de top staalproducerende landen. Verdere verbeteringen in energie-efficiëntie worden gedaan door het maximaal mogelijk gebruik te maken van state-of-the-art technologieën.

Vijf sleutelrichtingen voor groene staalproductie

Groene staalproductie bestaat uit het gebruik van die processen die resulteren in reductie van CO2-emissies. Ontwikkelingswerk voor de groene staalproductieprocessen wordt gedaan in de Europese Unie, VS, Canada, Brazilië, Japan, Zuid-Korea, Australië, en China. Voor de ontwikkeling van de technologieën voor groene staalproductie worden vijf sleutelrichtingen onderzocht. Deze richtingen zijn: (i) technologieën met steenkoolgebruik, (ii) technologieën met gebruik van waterstof, (iii) technologieën met elektronen, (iv) technologieën met gebruik van biomassa, en (v) technologieën met koolstofafvang, gebruik, en/of opslag (CCUS). De paden naar de doorbraaktechnologieën voor het snijden van CO2-emissies van de op erts gebaseerde staalproductieroutes worden getoond in Figuur 2.

Figuur 2 Paden naar doorbraaktechnologieën voor groene staalproductie

Europese Unie: ULCOS programma

In de Europese Unie worden de doorbraaktechnologieën ontwikkeld onder het ULCOS (Ultra-Low CO2 Steelmaking) programma. Onder dit programma wordt ontwikkelingswerk uitgevoerd voor: (i) 'top gas recycling blast furnace' (TGR-BF) met CO2 afvang, gebruik, en/of opslag (CCUS), (ii) HIsarna proces met CCUS betreffende smeltreduktie, (iii) ULCORED met CCUS wat een nieuw direct reduceringsconcept (DR) betreft, en (iv) elektrolyse. Naast deze werkt ULCOS ook aan het gebruik van koolstof van duurzame biomassa alsook waterstofgebaseerde staalproductie.

VS: Publiek-private partnership

In de VS wordt het ontwikkelingswerk uitgevoerd met een 'publiek-private partnership' tussen het American Iron and Steel Institute (AISI) en het US Department of Energy (DOE), en Office of Industrial Technology. Twee projecten vertegenwoordigen significante stappen. Deze projecten zijn: (i) suspensie waterstofreductie van ijzeroxideconcentraat, en (ii) gesmolten oxide elektrolyse (MOE). Op de kortere termijn wordt ontwikkelingswerk gedaan door de AISI leden voor 'de gepaarde rechte hearth oven', een steenkoolgebaseerd DRI en gesmolten metaalproces voor lange termijn vervanging van hoogovens en cokesovens.

Japan: COURSE50 programma

In Japan wordt het ontwikkelingswerk uitgevoerd onder het COURSE50 programma betrokken zes staal- en engineeringorganisaties, de Japan Iron and Steel Federation, en New Energy and Industrial Technology Development Organization. De onderzoek- en ontwikkelingsdoelen van het programma zijn: (i) reductie van CO2-emissies van de hoogoven ijzerertsreductie met andere reducerende middelen (waterstof), (ii) herformeren van cokesovengas gericht op het verhogen van de waterstofinhoud door benutting van afvalwarmte, (iii) hoge sterkte en hoge reactiviteit cokes voor reductie met waterstof. Het ontwikkelingswerk wordt ook uitgevoerd richting afvang van CO2 van hoogovengas betreffende: (i) chemische en fysieke absorptie om CO2 af te vangen, te scheiden en te herwinnen, en (ii) reductie van energievereiste voor afvang, scheiding, en herwinning door gebruik van afvalwarmte van de staalfabriek.

Zuid-Korea: POSCO samenwerking

In Zuid-Korea wordt het ontwikkelingswerk uitgevoerd betrokken POSCO, RIST, POSLAB, en POSTECH. Drie veelbelovende routes van CO2 doorbraakoplossingen zijn geïdentificeerd. Deze zijn: (i) koolstofarme staalproductie bestaande uit koolstofarm FINEX proces, en voorreductie en warmterawinning van hete sinter, (ii) koolstofafvang en opslag van staalproductie door CO2 absorptie met ammoniakoplossing, en CO2 sequestratie in oceaangasveld, en (iii) waterstofstaalproductie door ijzerertsreductie in FINEX proces met waterstofverrijkt syngas, en waterstofverrijkt hoogovenproces.

Twee categorieën emergente technologieën

Emergente technologieën voor de reductie of eliminatie van de koolstofemissies van het staalproductieproces kunnen worden verdeeld in twee verschillende categorieën: (i) koolstofafvang, gebruik, en/of opslag (CCUS), en (ii) alternatieve reductie van ijzererts. CCUS gebruikt verschillende methoden om CO2-emissies af te vangen. Het slaat ze op (bijvoorbeeld, in geologische formaties zoals uitgeputte zeegasreservoiren) of verwerkt de emissies voor verder gebruik. Alleen kan CCUS koolstofneutraliteit niet bereiken. Maar het kan resulteren in een negatieve CO2-balans als fossiele brandstoffen gebruikt in het staalproductieproces worden vervangen door biomassa.

De tweede soort potentiële technologieën betreft vervanging van cokes of aardgas met alternatieve reducerende middelen voor de ijzererts. Deze omvatten waterstof en directe elektrische stroom. Het voordeel van deze technologieën is dat ze theoretisch de staalproductie volledig groen kunnen maken. Echter, de meeste van hen hebben waarschijnlijk nog meer tijd en fondsen nodig voor opzetten vergeleken met CCUS.

De meest veelbelovende van de nieuwe CCUS en alternatieve reductietechnologieën alsook de technologie van waterstofgebaseerde directe reductie worden hieronder besproken.

Technologieën met CCUS

In deze technologieën wordt CO2 dat tijdens het proces wordt geëmiteerd gescheiden van andere gassen en afgevaard. De afgevaarde CO2 wordt dan ofwel getransporteerd door een pijpleiding of vervoerd naar een aan land of op zee opslaglocatie of gebruikt. Processen voor CCUS omvatten post/pre-verbrandingsafvang, compressie, transport, en opslag/gebruik. Figuur 3 toont CCUS schema voor de vereenvoudigde hoogoven-basiszuurstofoven (BF-BOF) staalproductieroute.

Figuur 3 CCUS schema voor vereenvoudigde BF-BOF route

Het hoofdvoordeel is dat CCUS systemen redelijk gemakkelijk geïntegreerd kunnen worden in bestaande conventionele brownfield installaties. En aangezien de technologie niet specifiek is voor staalproductie, kunnen andere industrieën ook ontwikkelings- en infrastructuurkosten delen. Verder zijn toekomstige exploitatiekosten grotendeels voorspelbaar.

Het hoofdnadeel is dat CCUS niet volledig koolstofneutraal is, aangezien het koolstofafvangproces alleen ongeveer 90% van CO2 afvangt. Er zijn ook enkele andere uitdagingen. Publieke acceptatie van koolstofopslag is niet zeker wat de first movers in een nadeelplaats brengt. Verder is momenteel, behalve kleine aan land opslaglocaties, de zee de enige geschikte grote opslaglocatie, wat aanzienlijke transportinspanningen noodzakelijk maakt. Bovendien moet benutting van emissies ervoor zorgen dat er later geen koolstofvrijgave is voor het proces koolstofneutraal te zijn. Ook verhoogt CCUS apparatuur de onderhoudslasten en stilstandstijden met een significante impact op de exploitatiekosten.

Er zijn enkele pilotprojecten genomen voor de verwerking van emissies zoals CO2 om synthetische brandstof te maken. Maar dit is momenteel niet koolstofneutraal omdat CO2 later wordt geëmiteerd.

Biomassa-gebaseerde ijzerproductie met CCUS

Biomassa alleen kan 40% tot 60% van CO2-emissies snijden en in combinatie met CCUS kan koolstofneutrale staalproductie bereikt worden. Op de kortere termijn is biomassa een directe partiele vervanging voor fossiele brandstoffen, wat snelle emissiereducties op bestaande installaties toelaat. CO2 uit emissies kan ook gerecyceld worden met CCUS om verse biomassa te produceren.

Echter, teelt van biomassa is moeilijk. Milieumatig kan het leiden tot ontbossing, vervuiling, en verminderde biodiversiteit, en sociaal beïnvloedt het voedselprijzen en landbouwgrondgebruik. Daarom heeft politieke en maatschappelijke acceptatie een hoog risico. Bovendien heeft biomassa een lagere calorische waarde dan fossiele brandstoffen, wat het gebruik in grote hoogovens beperkt of resulteert in lagere efficiëntie. Verder, door de hoge waterinhoud, kan het ook te zwaar zijn voor gebruik in grote hoogovens.

Een studie over het gebruik door de Zweedse onderzoeksgroep SWEREA bij een SSAL staalfabriek in Luleå heeft potentieel geïdentificeerd voor een 28% reductie in CO2-emissies met biomassa-gebaseerde ijzerproductie.

Waterstofgebaseerde schachtoven voor direct gereduceerd ijzer

In het proces wordt in plaats van een koolstofreducerend middel zoals gereformeerd aardgas, waterstof gebruikt voor het reduceren van ijzerertspellets tot 'direct gereduceerd ijzer' (DRI of sponsijzer). De reactie vindt plaats in een schachtofen. Het geproduceerde DRI wordt dan in een elektrisch boogoven gevoerd en door koolstof toe te voegen; wordt het omgezet in staal door verdere verwerking. DRI kan ook in een hoogoven worden gevoerd in de vorm van 'hot briquetted iron' (HBI). Dit verhoogt de hoogovenefficiëntie significant en vermindert het cokesverbruik. De meest voorkomende vergelijkbare processtechnologieën zijn de Midrex en Energiron processen.

In waterstofgebaseerde reductie wordt de ijzererts gereduceerd door een gas-vaste stof reactie, vergelijkbaar met de DRI productieroute. Het enige differentierende factor is dat het reducerend middel zuivere waterstof is in plaats van koolstofmonoxidegas, syngas, of cokes. De reductie van ijzererts door waterstof treedt op in twee of drie stadia. Voor temperaturen hoger dan 570 °C, wordt hematiet (Fe2O3) erts eerst getransformeerd in magnetiet (Fe3O4), dan in wustiet (FexO), en ten slotte in metallisch ijzer, terwijl bij temperaturen onder 570 °C, magnetiet direct getransformeerd wordt in ijzer aangezien wustiet niet thermodynamisch stabiel is.

De reductiereacties betrokken bij de reductie van ijzererts door waterstof worden voorgesteld door de vergelijkingen: (i) 3 Fe2O3 + H2 = 2 Fe3O4 + H2O, (ii) x Fe3O4 + (4x-3) H2 = 3 FexO + (4x-3) H2O, en (iii) FexO + H2 = x Fe + H2O waar x gelijk is aan 0,95. Zoals aangegeven door deze reacties, vrijgijt ijzerertsreductie met waterstof onschadelijke waterdamp (H2O) in plaats van het broeikasgas CO2. De algehele reactie voor de reductie van hematieterts met H2 is Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O wat een endothermische reactie is met een reactiewarmte, delta H bij 298 °C = 95,8 kJ/mol, wat negatief is voor de energiebilans van het proces en een toevoeging van energie eist met de geïnjecteerde reductiegas/gasmengsel. De focus in de ontwikkeling van de productielijn is optimalisatie gebaseerd op de reductietemperatuur, kinetiek van de reactie, pellet samenstelling, en technologie voor de voorverhitting van het reductiegas.

De stoichiometrische consumptie van H2 voor het reduceren van hematieterts (Fe2O3) is 54 kg per ton ijzer. Daarom heeft een 1 miljoen ton per jaar staalfabriek een waterstoffabriek nodig met een capaciteit van zoveel als 70.000 m3/uur waterstof bij standaardtemperatuur en druk (STP). Met waterstof als reductiegas is het belangrijk om de verandering in het gedrag van de reactor te anticiperen vergeleken met de reactor met waterstof-koolstofmonoxide mengsels als reductiegas. Verschillende factoren kunnen op verschillende manieren interacteren, zoals kinetiek, thermodynamica, warmteoverdracht, en gasstroom.

Het proces maakt de hele primaire staalproductieroute koolstofneutraal en fossielbrandstof-vrij in het geval groene elektriciteit volledig wordt gebruikt voor het proces. Ander voordeel voor het proces is de hoge productieflexibiliteit. Het proces is gemakkelijk te starten en stoppen, en de capaciteit van de technologie om kleinere eenheden te gebruiken stelt grotere schaalbaarheid in staat. Bovendien betekent de mogelijkheid om DRI als HBI in een hoogoven-basiszuurstofoven staalproductiesysteem te voeren dat bestaande conventionele brownfield installaties kunnen worden gebruikt terwijl schachtofen/EBO productie wordt opgebouwd.

Het proces heeft nog steeds ijzerertspellets nodig, en het produceren ervan kan significante emissies veroorzaken afhankelijk van de warmtebron van de pelletfabriek. Het leveren van de benodigde hoeveelheid waterstof is ook een probleem en efficiënte grootschalige electrolyseurs moeten worden ontwikkeld. Bovendien, aangezien het proces vertrouwt op enorme hoeveelheden goedkope groene energie, moeten staalproducerende landen waterstof of voorverwerkt ijzer importeren, wat hun waarderketens schaadt, als ze er niet in slagen hun eigen groene energieproductie significant op te schalen. Er is ook onzekerheid over toekomstige exploitatiekosten die gerelateerd zijn aan de prijzen van waterstof en elektriciteit. Figuur 4 toont waterstofgebaseerde schachtofen voor direct gereduceerd ijzer.

Figuur 4 Waterstofgebaseerde schachtofen voor direct gereduceerd ijzer

HYBRIT proces

HYBRIT proces gebruikt waterstofgebaseerde schachtofen voor de DRI productie. HYBRIT is afkorting voor 'HYdrogen BReakthrough Ironmaking Technology'. Op 4 april 2016 lanceerden de drie Zweedse bedrijven - SSAB, LKAB, en Vattenfall AB - een project gericht op het onderzoeken van de haalbaarheid van een H2-gebaseerd DRI productieproces, met CO2-emissievrije elektriciteit als primaire energiebron. Een joint venture bedrijf werd gevormd, HYBRIT Development AB, met de drie bedrijven als eigenaren. Dit gaf volledige toegang tot topcompetentie in de gehele waarderketen van energieproductie, mijnbouw, ertsbeneficiëring en pelletproductie, directe reductie, smelten, en productie van ruw staal. Een pre-haalbaarheidsstudie over H2-gebaseerde directe reductie werd uitgevoerd in 2017. De studie concludeerde dat de voorgestelde procesroute technisch haalbaar is en, in het oog naar toekomstige trends in kosten voor CO2-emissies en elektriciteit, ook economisch aantrekkelijk is voor condities in noordelijk Zweden/Finland.

HYBRIT proces vervangt steenkool met waterstof voor de directe reductie van ijzer, gecombineerd met een elektrisch boogoven. Het proces is bijna volledig fossielbrandstof-vrij, en resulteert in substantiële reductie in de broeikasgasemissies. Het proces is onder verschillende initiatieven die een waterstof-directe reductie/elektrisch boogoven opzet gebruiken, combineren de directe reductie van ijzererts door gebruik van waterstof met een elektrisch boogoven voor verdere verwerking in staal. Het product uit het waterstof-directe reductieproces is DRI of sponsijzer, wat in een elektrisch boogoven wordt gevoerd, gemengd met geschikte aandelen schroot, en verder verwerkt tot staal.

De principe stroomschema van het HYBRIT productieproces wordt getoond in Figuur 5. De belangrijkste kenmerken van het proces zijn: (i) geen fossiele brandstoffen worden gebruikt in pelletproductie, (ii) waterstof wordt geproduceerd met elektrolyse met fossiel-vrije elektriciteit, (iii) opslag van waterstof in een speciaal ontworpen eenheid wordt gebruikt als buffer voor het net, (iv) een schachtofen wordt gebruikt voor ijzerertsreductie, (v) op maat gemaakte pellets worden gebruikt als ijzerertsinvoer, (vi) het reductiegas/gasmengsel wordt voorverhit voordat het in de schacht wordt geïnjecteerd, (vii) het product kan ofwel DRI of HBI vrij van koolstof of gecarburiseerd zijn, en (viii) de DRI/HBI wordt gesmolten samen met gerecyceld schroot in een elektrisch boogoven.

Figuur 5 Principe stroomschema van het HYBRIT productieproces

Het gebruik van waterstof geproduceerd door water elektrolyse met fossiel-vrije elektriciteit om ijzerertspellets in een schachtofen te reduceren is de hoofdalternatief gekozen voor het HYBRIT initiatief. Onder dit initiatief omvat een conversie naar een fossiel-vrije waarderketen van de mijn tot het afgeronde staal veel kwesties die moeten worden ontwikkeld waar ook lokale markt en geografische condities in overweging worden genomen. Zweden heeft een unieke situatie met overcapaciteit in elektrisch vermogen in het noordelijke deel van het land, nabijheid aan ijzererts mijnen, goede toegang tot biomassa en staalfabrieken, en een sterk netwerk tussen industrie, onderzoeksinstituten, en universiteiten.

Het HYBRIT proces valt binnen een categorie technologische concepten die substantial nader aan commerciële implementatie zijn. Het is gebaseerd op het gebruik van waterstof als reducerend middel, met de waterstof geproduceerd door elektrolyse gebaseerd op hernieuwbare elektriciteit. Vanuit een milieudoelpunt is de belangrijkste voordelen dat de uitlaat van dit proces water (H2O) is in plaats van CO2, met een consequent reductie in BKG emissies. Zoals bij conventionele DRI staalproductie, kan het ijzer geproduceerd met waterstof-gebaseerde DRI route verder verwerkt worden in staal met commercieel beschikbare elektrisch boogoven technologie. De waterstofproductie en elektrisch boogoven staalproductie stappen kunnen koolstof-vrij gemaakt worden als de elektriciteit en waterstof geproduceerd worden met hernieuwbare bronnen zoals PV (fotovoltaïsche) zonne-/wind-/waterkracht-gepowerde elektrolyse, fotochemische waterstofproductie, of zonne-thermische watersplitsing.

Waterstofgebaseerde vloeibed proces voor direct gereduceerd ijzer

Zoals bij de schachtofenversie, gebruikt deze technologie waterstof om ijzererts te reduceren en DRI te produceren om in een elektrisch boogoven te voeren. De verschillen zijn dat reductie plaatsvindt in een vloeibed in plaats van een oven, en fijn verwerkte ijzerertsfijne/concentraten worden gebruikt in plaats van pellets. Vloeibedden zijn reactorvertrekken die continue vaste stofvoeders met een gas kunnen mengen om een vast stof te produceren. De vergelijkbare processen zijn FINEX en Circored.

Het gebruik van fijne erts over ijzerpellets heeft het voordeel van het wegnemen van de noodzaak om te pelletiseren en dus kosten en de hoge CO2-emissies in het proces te knippen. Bovendien hebben vloeibed reactors minder interne plakproblemen dan schachtofen, wat hogere metallisatie bereikt (rond 90% tot 95%).

Het proces deelt dezelfde kwesties met betrekking tot de waterstofvoorziening, electrolyseur en exploitatiekosten als de schachtofenmethode. De elektriciteitsvoorziening moet ook 100% groen zijn om koolstofneutraliteit te bereiken. Bovendien is het gebruik van vloeibed reactors in staalproductie minder ontwikkeld dan schachtofen, en heeft dus hogere investeringen nodig. Figuur 6 toont het waterstofgebaseerde vloeibed proces voor direct gereduceerd ijzer.

Figuur 6 Waterstofgebaseerde vloeibed proces voor direct gereduceerd ijzer

HYFOR proces

Waterstofgebaseerde Fijn-Erts Reductie (of HYFOR in het kort) is 's werelds eerste direct-reductieproces voor ijzerertsconcentraten uit ertsbeneficiëring dat geen voorverwerking van het materiaal nodig heeft zoals sinteren of pelletiseren. Dit verlaagt CAPEX en OPEX kosten. Het proces kan een brede variëteit van ertsen verwerken, bijv. hematiet en magnetiet.

HYFOR proces is ontwikkeld door Primetals Technologies. De nieuwe technologie kan worden toegepast op alle typen beneficiëerde erts. Het werkt met deeltjesgroottes van minder dan 0,15 mm voor 100% van de voedstof, terwijl het een maximum korrelgrootte van 0,5 mm toestaat. Vanwege het grote deeltjesoppervlak bereikt het proces hoge reductiesnelheden bij lage temperaturen en drukken.

Als primair reducerend middel gebruikt het nieuwe proces waterstof. Waterstof kan van hernieuwbare energie zijn of alternatief waterstofrijke gassen van andere gasbronnen zoals aardgas pyrolyse of conventionele stoomreformers. Als nog een alternatief, kan HYFOR draaien op waterstofrijke afvalgassen. Afhankelijk van de bron van de waterstof, leidt dit tot een lage of zelfs nul CO2-emissie voor de resulterende DRI.

Een pilotfabriek voor testdoeleinden is in april 2021 in bedrijf gesteld bij voestalpine Stahl Donawitz, Oostenrijk. De fabriek heeft een modulaire ontwerp met een nominale capaciteit van 250.000 ton per module per jaar, wat het geschikt maakt voor alle groottes van staalfabrieken. Het doel van de pilotfabriek is om praktijkbewijs te leveren voor dit doorbraakproces en te dienen als testfaciliteit, voldoende data verzamelend om later een industriële-schaal fabriek op te zetten.

Eerste tests zijn succesvol uitgevoerd in april 2021 en mei 2021. De schaal van één testrun is in het bereik van verwerking van 800 kg ijzererts. De HYFOR pilotfabriek gaat ten minste 2 jaar in meerdere campagnes worden bediend om diverse ertsotypen te testen en de optimale procesparameters te evalueren voor de volgende opschaalstap. Bij gladde operatie, wordt een hete briketteringseenheid toegevoegd om de hete briketteringsstap te verifiëren alsook de HBI kwaliteit die van de HYFOR technologie verwacht wordt.

HYFOR proces verlaagt CO2-emissies drastisch alsook helpt producenten om effectief te gaan met de uitdaging van verminderde ijzererts kwaliteit, wat meer acuut is geworden, resulterend in een verhoogde behoefte om de ertsen te beneficiëren. Stijgende vraag naar ijzerertspellets voor hoogovens en direct-reductie installaties heeft geleid tot hogere prijzen voor ijzererts, vooral pellet premie. Met HYFOR proces is het mogelijk om pellet-voeder fijn erts direct te gebruiken en te profiteren van de stijgende mondiale aanbod van ultra fijne ertsen.

De HYFOR pilotfabriek bij voestalpine Donawitz bestaat uit drie delen: (i) een voorverhitting-oxidatie eenheid, (ii) een gasbehandelingsfabriek, en (iii) de kern wat de nieuwe en unieke reductie-eenheid is. In de voorverhitting-oxidatie eenheid wordt fijn-ertsconcentraat verhit tot ongeveer 900 °C en aan de reductie-eenheid gevoerd. Het reductiegas is 100% waterstof wat wordt geleverd van een gasleverancier buiten de fabrieksgrenzen. Een afvalwarmterawinningssysteem dat warmte van het afgas benut zorgt voor optimaal energiegebruik en een droog stofafscheidingssysteem zorgt voor stofemissies van de processen. Het hete direct gereduceerde ijzer (HDRI) verlaat de reductie-eenheid bij een temperatuur van ongeveer 600 °C voordat het wordt afgekoeld en uit de HYFOR pilotfabriek wordt gediscergd.

Het hete direct gereduceerde ijzer dat de reductie-eenheid verlaat bij een temperatuur van ongeveer 600 °C kan vervolgens direct getransporteerd en in een elektrisch boogoven gevoerd worden of gebruikt om hot briquetted iron te produceren. Hot briquetted Iron is voor levering aan de markt. De volgende stap is de toevoeging van een hete briketteringstestfaciliteit om de hete gebriketteerde ijzerkenmerken te testen alsook de HBI kwaliteit die van de HYFOR technologie verwacht wordt.

Het doel van de HYFOR pilotfabriek is om dit doorbraakproces te verifiëren en te dienen als testfaciliteit om de databasis te leveren voor het opschalen van de fabrieksgrootte tot een industriële-schaal prototype fabriek als de volgende ontwikkelingsstap.

Suspensie-gebaseerde ijzerproductie

Suspensie-gebaseerde ijzerproductie is ook bekend als 'flash ijzerproductietechnologie'. Dit proces begint met het ultrafijn malen van laaggradige ijzererts om ijzerertsconcentraat te produceren. De ijzererts moet gemalen worden tot deeltjes van minder dan 100 micrometer in diameter. De ultrafijnen worden dan gereduceerd met waterstof in een hoge-temperatuur 'flash' reactor voor slechts enkele seconden, direct ijzer producerend zodra koolstof wordt toegevoegd. Het ijzerertsconcentraat kan ook voorgereduceerd worden bij een lagere temperatuur in een aparte reactor voordat het aan de flash reactor wordt toegevoegd. Figuur 7 toont het principe van suspensie-gebaseerde ijzerproductie.

Figuur 7 Suspensie-gebaseerde ijzerproductie

Flash ijzerproductie transformationele technologie wordt ontwikkeld door een consortium van organisaties en instituten in de VS onder de financiële steun van het American Iron and Steel Institute. Deze technologie is gebaseerd op de directe gasvormige reductie van ijzeroxideconcentraat in een flash reductieproces. De technologie heeft het potentieel om het energieverbruik met 32% tot 57% te verminderen en CO2-emissies met 61% tot 96% te verlagen vergeleken met het gemiddelde huidige BF-gebaseerde operatie. Deze technologie is geschikt voor een industriële operatie die ijzerertsconcentraat (minder dan 100 micron) omzet in staal zonder verdere behandeling.

Deze technologie produceert ijzer terwijl pelletiseren of sinteren alsook cokesmakerij stappen worden overgeslagen. Verder is het proces intensief vanwege het feit dat de fijn deeltjes van het concentraat met een hoge snelheid worden gereduceerd bij 1.150 °C tot 1.350 °C. Dus de benodigde verblijftijden in dit proces is van de orde van seconden in plaats van de minuten en uren vereist voor pellets en zelfs ijzerertsfijne. 90% tot 99% reducties vinden plaats in 2 tot 7 seconden bij 1.200 °C tot 1.500 °C. De energievereiste van het proces met H2 als reductiegas is 5,7 GJ (1.360 Mcal) / ton vloeibaar ijzer.

De directe reductie van ijzererts tot staal in één reactor elimineert de noodzaak voor ijzerproductie en sinteren of pelletiseren. Het heeft aanzienlijke kosten- en emissievoordelen. Het produceert ook 'schonere' staal aangezien de hoge temperaturen en snelle reactietijden minder onzuiverheden garanderen.

Met H2 als reductiegas, zijn CO2-emissies 0,04 ton CO2 per ton vloeibaar ijzer. Deze emissies zijn 2,5% van de emissies van de BF-route van ijzerproductie. Het flash ijzerproces wordt uitgevoerd bij een voldoende hoge temperatuur zodat individuele deeltjes voldoende energie hebben om de poriën die ontstaan door zuurstofverwijdering te sluiten. Daarom zijn de individuele deeltjes veel minder vatbaar voor vlam opvangen door snelle oxidatie. De Universiteit van Utah voerde onderzoek uit op kleine monsters van poeder en stelde vast dat ze niet pyroforsch zijn.

Het proces moet worden toegepast op de productie van ijzer als voedsel voor het staalproductieproces of een deel van een continue directe staalproductie. Gerechtvaardigd door experimentele data verkregen tijdens de vorige fase van het project, is opschaal ontwikkelingswerk momenteel gaande aan de Universiteit van Utah. Testen in een laboratorium flash oven heeft geresulteerd in de vestiging van een kinetische database over brede bereiken van operatieve condities en een compleet ontwerp van een meer geavanceerde bankreactor. Met een objectief om een industriëel haalbare flash ijzer technologie te ontwikkelen, is een uitgebreide bankschaal testcampagne gepland. De leverbaarheden van deze fase van het project worden verwacht te zijn de bepaling van de schaalbaarheid van het proces, substantiële proces simulatieresultaten, en fundamentele engineering data leidend tot het ontwerp en de constructie van een industriële pilotfabriek. Het stroomschema van de flash ijzerproductietechnologie is gegeven in Figuur 8.

Figuur 8 Stroomschema van flash ijzerproductie Technologie

Plasma directe staalproductie

In het plasma directe staalproductieproces wordt ijzererts, rauwe of in de vorm van fijne of pellets, gereduceerd met waterstofplasma in een plasma staalproductiereactor. Tegelijkertijd wordt koolstof aan de reactor toegevoegd om staal te produceren. Waterstofplasma is waterstofgas dat is verhit of elektrisch geladen om het te scheiden, of te ioniseren, in zijn bestanddeeltjes. Het proces kan ofwel thermische plasma (geproduceerd door direct verwarmen van waterstof) of niet-thermische plasma (geproduceerd door een gelijkstroom of microgolven door de waterstof te laten lopen) gebruiken.

Het proces verwijdert de noodzaak voor voorverwerking van ijzererts en staat lagere reactortemperaturen toe. Het is ook hoog geïntegreerd, met sommige methoden (bijvoorbeeld waterstofplasma smeltreductie) die slechts een enkele stap nodig hebben. Dit maakt het commercieel aantrekkelijk. De technologie heeft het potentieel om de kosten aanzienlijk te verlagen. Het biedt ook hogere productkwaliteit en betere productieflexibiliteit.

De technologie is in een zeer vroege ontwikkelingsfase, met een optimaal proces en volledige reactorontwerp nog te ontwikkelen. De commerciële haalbaarheid is ook nog te bewijzen. Als onderdeel van zijn Sustainable Steel (SuSteel) project, heeft de Oostenrijkse staalfabrikant voestalpine een kleine pilot waterstofplasma reductiereactor gebouwd op zijn Donawitz locatie. Plasma directe staalproductieproces wordt getoond in Figuur 9.

Figuur 9 Plasma directe staalproductieproces

Elektrolytische processen

Er zijn twee typen elektrolytische processen. Deze zijn: (i) elektrolyse, en (ii) elektrowinning. Deze twee procesvarianten worden ULCOWIN en ULCOLYSIS genoemd onder het ULCOS programma. ULCOWIN proces werkt iets boven 100 °C in een waterige alkalische oplossing bevolkt door kleine korrels van erts. In dit proces wordt ijzererts gemalen tot een ultrafijn concentraat, gelauwd en daarna gereduceerd in een elektrolyser bij ongeveer 110 °C. De resulterende ijzerplaten worden in een elektrisch boogoven gevoerd, wat het omzet in staal. ULCOLYSIS werkt bij staalproductietemperatuur (rond 1.550 °C) met een gesmolten zout elektrolyt gemaakt van een slak (pyro-elektrolyse). Dit proces transformeert ijzererts in vloeibaar staal met elektriciteit als reducerend middel. Figuur 10 toont elektrolytische processen voor staalproductie.

Figuur 10 Elektrolytische processen voor staalproductie

Het elektrolyseproces is vanaf nul ontwikkeld binnen het ULCOS programma en is dus nog steeds op laboratoriumschaal opererend. Hoewel het de belofte van nul emissies houdt, als het toegang heeft tot groene elektriciteit, is tijd nodig om het op te schalen tot commerciële grootte (10 tot 20 jaar). ULCOWIN proces bestaat uit alkalische elektrolyse van ijzererts. Elektrolyse wordt normaal gebruikt om andere metalen dan staal te produceren en heeft grote hoeveelheden elektriciteit nodig. Het proces moet afhankelijk zijn van een CO2-arme elektriciteitsbron zoals hernieuwbare energie, waterkracht, of kernenergie. ULCOLYSIS is de gesmolten oxide elektrolyse. Gesmolten oxide elektrolyse werkt door een elektrische stroom door gesmolten slak gevoed met ijzeroxide te laten lopen. Het ijzeroxide breekt af in vloeibaar ijzer en zuurstofgas. Geen CO2 wordt geproduceerd. Procesemissies worden verder verminderd met een CO2-arme elektriciteitsbron.

Omdat de elektrolytische processen de upstream fasen overslaan die nodig zijn in andere productieroutes, zoals het produceren van cokes of H2 als reducerende middelen, hebben deze processen het potentieel om de meest energie-efficiënte staalproductietechnologieën te worden, vooral elektrolyse. Ze beloven ook de CAPEX aanzienlijk te verlagen omdat, in het geval van elektrolyse, slechts heel weinig apparatuur nodig is. Het proces is ook relatief onflexibel vergeleken met het waterstof directe reductieproces aangezien het niet gemakkelijk gestopt kan worden.