Finex-proces voor de productie van vloeibaar ijzer

  FINEX-proces voor de productie van vloeibaar ijzer

Het FINEX-smeltreductieproces is ontwikkeld door Primetals Technologies, Oostenrijk en de Zuid-Koreaanse staalfabrikant Posco. FINEX-proces is een commercieel bewezen alternatief ijzerproductieproces voor de productie van ruwijzer (HM) naast de hoogoven (BF) procesroute, bestaande uit BF, sinterfabriek en cokesoven. Dit proces is gebaseerd op het directe gebruik van niet-cokeskolen. Het FINEX-proces kan ijzerertsdeeltjes rechtstreeks gebruiken zonder enige vorm van agglomeratie.

In het FINEX-proces wordt fijn ijzererts voorverwarmd en gereduceerd tot fijne DRI (direct gereduceerd ijzer) in een drietraps wervelbedreactorsysteem met reductiegas geproduceerd uit de smeltvergasser. Dankzij de wervelbedreactoren kan het FINEX-proces fijne ertsen gebruiken in plaats van klomperts of pellets.

Als resultaat vereist het proces geen cokesproductie of ertsagglomeratie. Briketteren van het voorgereduceerde erts en de steenkool, poederkoolinjectie en gecontroleerd laden van de smeltvergasser (MG) resulteert in een verbeterde brandstofsnelheid voor het proces. Het fijne DRI dat in het wervelbedreactorsysteem wordt geproduceerd, wordt samengeperst en vervolgens in de vorm van HCI (hot compacted iron) in de smeltvergasser geladen om heet metaal (HM) te produceren. Het geladen HCl wordt gereduceerd tot metallisch ijzer en gesmolten. De warmte die nodig is voor de metallurgische reductie en het smelten wordt geleverd door kolenvergassing met zeer zuivere zuurstof (O2). Het FINEX-proces is een milieuvriendelijk proces waarbij gebruik wordt gemaakt van goedkoop fijn ijzererts en steenkool.

Het FINEX-proces maakt gebruik van O2 met een hoge zuiverheid, wat resulteert in een exportgas met slechts lage hoeveelheden stikstof (N2). Omdat de calorische onderwaarde (CV) meer dan twee keer zo hoog is als het BF-topgas, kan het gedeeltelijk worden hergebruikt voor reductiewerkzaamheden of kan het worden gebruikt voor warmte- of energieopwekking.

Eerste werk

Het basisonderzoek op laboratoriumschaal was gedaan met een 15 ton/dag-bankweegschaal van 1992 tot 1996. De resultaten van deze eenheid werden gebruikt voor de testactiviteiten van een 150 ton/dag proeffabriek in 1999. De FINEX-demonstratiefabriek van 0,6 miljoen ton per jaar (Mtpa) werd gebouwd in Pohang Works van Posco en begon met de productie in juni 2003. Deze fabriek heeft drie wervelbedreactoren. Sinds februari 2004 produceerde de gedemonstreerde fabriek gestaag met een snelheid van meer dan 0,7 miljoen ton ruwijzer per jaar. Posco heeft in april 2007 de eerste commerciële FINEX-fabriek met een capaciteit van 1,5 Mtpa in gebruik genomen. Op basis van de succesvolle resultaten van deze fabriek hebben Posco en Primetals Technologies besloten om de FINEX-fabriek met een capaciteit van 2,0 Mtpa in Pohang te ontwikkelen. De installatie is in januari 2014 in gebruik genomen.

Belangrijkste grondstoffen

Steenkool en ijzererts zijn twee belangrijke grondstoffen. De belangrijkste criteria voor een eerste evaluatie van kolen of kolenmengsels die geschikt zijn voor het FINEX-proces zijn (i) het C-gehalte (koolstof) op minimaal 55 % vastzetten, (ii) het asgehalte op een niveau van maximaal 25 %, (iii) VM-gehalte (vluchtige stoffen) minder dan 35 %, en (iv) S-gehalte (zwavel) minder dan 1 %. Naast deze algemene kenmerken moet de steenkool voldoen aan bepaalde eisen met betrekking tot thermische stabiliteit om de vorming van een stabiel koolbed in de smelter-vergasser mogelijk te maken. De thermische stabiliteit van potentiële kolen voor het FINEX-proces wordt gecontroleerd met behulp van speciale testprocedures in laboratoria.

Het FINEX-proces kan zonder cokes werken vanwege de lagere belasting in het smelter-vergassingsbed en het gebruik van O2. In het geval van veranderende steenkoolbrikettenkwaliteit en fluctuaties in reductiegraad, wordt typisch wat cokesbries (minder dan 30 mm) gebruikt voor en na een uitschakeling of in het geval van een dalende HM-temperatuur om de productiviteit te handhaven en de brandstofverhouding te verlagen. De huidige operatie zorgt voor een constant niveau van cokesbries om de hierboven beschreven effecten te minimaliseren. De kwaliteit van de cokesbries die in het FINEX-proces wordt gebruikt, is niet geschikt voor de BF-bewerking en heeft een sterkte van ongeveer 60% van de BF-cokes. Voor het bereiken van een werking zonder cokesbries, zijn verschillende optimalisaties van de werking essentieel, zoals de optimalisatie van het bindmiddel en de ontwikkeling van een technologie voor het voorverwarmen van kolenbriketten. Steenkoolkenmerken voor het FINEX-proces en de vergelijking met de steenkoolkenmerken voor BF-ijzerproductie worden gegeven in figuur 1.

Fig 1 Kolenkenmerken of FINEX- en BF-processen

In het geval van ijzererts wordt in het algemeen 100 % van het fijne erts uit de sintervoeding in wervelbedreactoren geladen. Ook 30% tot 50% korrelvoer kan worden gebruikt. Typen en mengsels van ijzererts worden bepaald op basis van de chemische en fysische eigenschappen zoals het totale ijzergehalte (Fe), de samenstellingsstructuur en de korrelgrootte enz. Zoals in het geval van HM-productie door het BF-proces, bepaalt het Fe-gehalte van ijzererts de productiviteit. De mengverhouding moet worden bepaald door zowel de kwaliteit van het erts als de kosten in overweging te nemen. Aangezien het aftappen van slakken met een hoger alumina (Al2O3) beter toelaatbaar is in het FINEX-proces dan in het BF-proces, kunnen ook ijzerertsen met een hoger Al2O3-gehalte worden gebruikt. Normaal gesproken is er geen beperking in de voedingsmateriaalstructuur van hematiet en goethiet voor wervelbedreactoren. De flexibiliteit van ijzererts dat geschikt is voor het FINEX-proces wordt getoond in figuur 2.

Fig 2 Flexibiliteit van ijzererts voor FINEX-proces

Het proces

Het FINEX-proces onderscheidt zich door de productie van hoogwaardig HM op basis van direct geladen ijzerertsfines en steenkool als reductiemiddel en energiebron. Het belangrijkste kenmerk van het FINEX-proces is dat de ijzerproductie in twee afzonderlijke processtappen wordt uitgevoerd. In een reeks van drie wervelbedreactoren wordt fijn ijzererts gereduceerd tot DRI, dat vervolgens wordt verdicht (HCI) en door een hete metalen transportband naar een smelter-vergasser wordt getransporteerd. Kolen en kolenbriketten die in de smelter-vergasser worden geladen, worden vergast, waardoor naast het reductiegas de benodigde energie voor het smelten wordt geleverd. Het processtroomschema voor het FINEX-proces wordt gegeven in Fig 3.

Fig 3 Stroomschema van het FINEX-proces

Het vloeibare ijzer wordt geproduceerd in het FINEX-proces in twee stappen. In de eerste stap wordt het fijne ijzererts voorverwarmd en in drie fasen in wervelbedreactoren tot fijne DRI gereduceerd. De eerste reactor (R3) dient voornamelijk als reactor voor het voorverwarmen van ijzerertsfines. Fijn ijzererts wordt samen met fluxen zoals kalksteen en/of dolomiet in de reeks wervelbedreactoren geladen. De geladen ertsdeeltjes reizen in neerwaartse richting door de drie reactoren waar de ertsen worden verwarmd en gereduceerd tot DRI door middel van het reducerende gas dat wordt verkregen uit de vergassing van de steenkool in de smeltvergasser. Dit reducerende gas stroomt in tegenstroom met de beweging van erts.

Volgens de procesertsroute transporteert een pneumatisch transportsysteem de ertsdeeltjes naar de wervelbedreactortoren. Het fijne erts wordt vervolgens in de reactorreeks met gefluïdiseerd bed geladen. Het in de smelter-vergasser gegenereerde reductiegas stroomt door elk van de wervelbedreactoren in tegenstroom in de ertsrichting (van R1 tot R3). De typische temperatuur en de samenstelling van het reductiegas in de drie wervelbedreactoren worden gegeven in Tab 1.

Het fijne ijzererts wordt gefluïdiseerd door de gasstroom en het erts wordt in elke reactorstap in toenemende mate gereduceerd. Na de uitgang van het gereduceerde ijzer uit de uiteindelijke reactor met gefluïdiseerd bed, wordt het vervolgens gecompacteerd om HCI te produceren. De HCI wordt vervolgens via een heet transportsysteem naar de bovenkant van de smeltervergasser getransporteerd waar het samen met kolen direct in de smeltervergasser wordt geladen. De uiteindelijke reductie en het smelten van de HCI vindt dan plaats.

Volgens de processteenkoolroute worden niet-cokeskolen en steenkoolbriketten rechtstreeks in de smeltervergasser geladen via een lock-hopper-systeem. Nadat de steenkool op het houtskoolbed is gevallen, vindt ontgassing plaats. De vrijkomende koolwaterstoffen, die schadelijk zijn voor het milieu, worden direct gesplitst in CO (koolmonoxide) en H2 (waterstof). Dit komt door de hoge heersende temperaturen van meer dan 1.000 ° C in de koepel van de smelter-vergasser. O2 dat in het onderste deel van de smelter-vergasser wordt geïnjecteerd, vergast de steenkool, waardoor warmte wordt gegenereerd voor het smeltwerk en een zeer waardevol reductiegas wordt geproduceerd dat voornamelijk uit CO en H2 bestaat. Dit gas, dat uit de koepel van de smelter-vergasser vertrekt, wordt eerst gereinigd in een heetgascycloon voordat het de wervelbedreactoren binnengaat. Na het smelten van de DRI wordt de tapprocedure precies op dezelfde manier uitgevoerd als in de standaard BF-praktijk. De kwaliteit van HM uit het FINEX-proces is vergelijkbaar met de HM geproduceerd in BF.

Het FINEX-exportgas is een waardevol bijproduct van het FINEX-proces. Het schone exportgas dat uit de top van de wervelbedreactoren komt, kan voor een breed scala aan toepassingen worden gebruikt. Deze omvatten de productie van DRI, de opwekking van energie en de opwekking van synthesegas voor de chemische industrie. De typische samenstelling van verschillende gassen die in het FINEX-proces worden geproduceerd, wordt gegeven in Tab 2.

  De gasstroom in het FINEX-proces is weergegeven in Fig 4.

Fig 4 Gasstroom in het FINEX-proces

Typische specifieke verbruikswaarden voor de materialen en de nutsvoorzieningen in het FINEX-proces zijn (i) droge brandstof rond 720 kg/tHM, (ii) ijzererts rond 1600 kg/tHM, (iii) additieven (kalksteen en dolomiet) rond 285 kg/ tHM, (iv) O2 ongeveer 460 N cum, (v) N2 ongeveer 270 N cum, (vi) vermogen ongeveer 190 kWh/tHM, en (vii) vuurvaste materialen ongeveer 1,5 kg/tHM.

De kenmerken van het HM geproduceerd door het FINEX-proces bestaan ​​uit (i) C ongeveer 4,5%, (ii) silicium (Si) ongeveer 0,7%, (iii) mangaan (Mn) ongeveer 0,07%, (iv) fosfor (P) ongeveer 0,07%, (v) zwavel (S) ongeveer 0,04% en (vi) temperatuur rond 1500 ° C.

De kenmerken van het exportgas van het FINEX-proces bestaan ​​uit (i) CO circa 34 %, (ii) CO2 circa 43 %, (iii) H2 circa 13 %, (iv) H2O circa 3 %, (v) CH4 minder dan 1 %, (vi) N2/Ar ongeveer 6%, (vii) H2S minder dan 100 ppm (parts per million), (viii) stof 5 mg (miiligram)/N cum, (ix) druk 0,1 kg/sq cm, (x) temperatuur rond de 40°C, en (xi) CV in het bereik van 1.300 kcal/N cum tot 1.500 kcal/N cum. Per ton HM wordt ongeveer 1,9 giga calorieën van het exportgas geproduceerd.

Milieuaspecten van het proces

Het FINEX-proces heeft de mogelijkheid) om zeer zuivere CO2 terug te winnen voor de afvang en opslag van CO2 (CCS). Naast opslag kan de teruggewonnen CO2 ook worden gebruikt voor verbetering van de oliewinning en voor andere economische toepassingen. Dit is mogelijk door het gebruik van O2 met een hoge zuiverheid in de smeltvergasser voor de vergassing van steenkool en daarom bevat het exportgas slechts geringe hoeveelheden N2. Hierdoor kan het CO2 in hoge concentratie uit het recyclinggas worden verwijderd en kan na verdere zuivering zeer zuiver CO2 worden gegenereerd met een CO2-percentage hoger dan 95%. De CO2-emissiepercentages voor het FINEX-proces zonder CCS en met CCS zijn respectievelijk 99 % en 55 % in vergelijking met de gemiddelde CO2-emissie in het geval van het BF-ijzerproductieproces.

Het FINEX-proces is een op kolen gebaseerd proces voor de reductie van ijzererts tot ijzer, dat vervolgens wordt gesmolten tot HM. Een bepaalde hoeveelheid milieubelastende stoffen is onvermijdelijk op basis van de grondstoffenmix. Omdat het FINEX-proces de meeste verontreinigende stoffen in inerte toestand in de slak opvangt en de vrijgekomen koolwaterstoffen worden vernietigd in de koepel van de smeltervergasser, is de uitstoot van schadelijke stoffen zeer laag. De emissiewaarden per ton HM voor stof, SOx en NOx liggen respectievelijk rond 58 gram per ton (g/t), rond 32 g/t en rond 94 g/ton.

Voordelen van het FINEX-proces

De verschillende voordelen van het FINEX-proces omvatten (i) het gebruik van het fijne ijzererts van lage kwaliteit als oxidevoeding, (ii) het gebruik van de niet-cokeskolen als reductiemiddel, (iii) onafhankelijke controle van reductie- en smeltprocessen, (iv ) voordelige economie vanwege aanzienlijk lagere kapitaal- en operationele kosten, (v) milieuvoordelen, (vi) flexibiliteit in de selectie van grondstoffen en in de bedrijfsvoering, zoals mogelijk gebruik van ijzererts van lagere kwaliteit (bijv. ijzererts met een hoger Al2O3-gehalte), ( vii) productie van HM die vergelijkbaar is met de kwaliteit van de HM uit de BF, (viii) export van gas met hogere CV dat voor verschillende doeleinden kan worden gebruikt (bijv. elektriciteitsopwekking, DRI-productie en productie van chemische producten), (ix ) commercieel bewezen alternatief ijzerproductieproces, en (x) brownfieldtoepassing in geïntegreerde staalfabriek geeft synergieën met de BF.