FINEX-proces: Geavanceerde vloeibare ijzerproductie met ijzererts-fijnen & non-coking kool

Het FINEX-proces voor vloeibare ijzerproductie

Het FINEX-smeltreductieproces is ontwikkeld door Primetals Technologies (Oostenrijk) en de Zuid-Koreaanse staalfabrikant Posco. Het FINEX-proces is een commercieel bewezen alternatief ijzerproductieproces voor de productie van ruw ijzer (hot metal, HM) naast het hoogovensproces (BF), bestaande uit BF, sinterfabriek en cokesoven. Dit proces is gebaseerd op het directe gebruik van non-coking kool. Het FINEX-proces kan ijzererts-fijnen direct gebruiken zonder enige agglomeratie.

In het FINEX-proces wordt fijn ijzererts voorverhit en gereduceerd tot fijn DRI (direct gereduceerd ijzer) in een drievoudig vloeibedreactorensysteem met reductiegas geproduceerd uit de smelter-gasifier. De vloeibedreactoren maken het FINEX-proces in staat om fijn erts te gebruiken in plaats van lomperts of pellets. Als gevolg vereist het proces noch cokesproductie noch ertsagglomeratie. Brikettering van het voorgereduceerde erts en de kool, gepulveriseerde koolinjectie, en gecontroleerde lading van de smelter-gasifier (MG) resulteren in een verbeterd brandstofverbruik voor het proces. Het fijn DRI dat in het vloeibedreactorensysteem geproduceerd wordt, wordt gecompacteerd en vervolgens in de vorm van HCI (hot compacted iron) in de smelter-gasifier geladen om ruw ijzer (HM) te produceren. Het geladen HCI wordt gereduceerd tot metallisch ijzer en gesmolten. De benodigde warmte voor de metallurgische reductie en smelting wordt geleverd door koolvergasming met hoge zuurstof (O₂). Het FINEX-proces is een milieuvriendelijk proces dat goedkope fijn ijzererts en kool gebruikt.

Het FINEX-proces gebruikt hoge zuiverheid O₂, wat resulteert in een exportgas met slechts lage hoeveelheden stikstof (N₂). Omdat de netto calorische waarde (CV) meer dan twee keer zo hoog is als die van BF-topgas, kan het gedeeltelijk gerecycled worden voor reductiewerk of gebruikt worden voor warmte- of energie-opwekking.

Ontwikkelingsgeschiedenis

Het basisonderzoek op laboratoriumschaal werd uitgevoerd met een 15 ton/dag bench-schaal unit van 1992 tot 1996. De resultaten van deze unit werden gebruikt voor de testoperaties van een 150 ton/dag pilotplant in 1999. De FINEX-demonstratieplant van 0,6 miljoen ton per jaar (Mtpa) werd gebouwd in de Pohang-werken van Posco en startte de productie in juni 2003. Deze plant heeft drie vloeibedreactoren. Sinds februari 2004 produceerde de gedemonstreerde plant stijgend met een snelheid van meer dan 0,7 miljoen ton per jaar ruw ijzer. Posco plaatste de eerste commerciële FINEX-plant van 1,5 Mtpa capaciteit in april 2007 in bedrijf. Op basis van de succesvolle resultaten van deze plant besloten Posco en Primetals Technologies een FINEX-plant met een capaciteit van 2,0 Mtpa te ontwikkelen in Pohang. De plant is in januari 2014 in bedrijf genomen.

Hoofdrawstoffen

Kool en ijzererts zijn de twee hoofdrawstoffen. De belangrijkste criteria voor een initiële evaluatie van kolen of koolmengsels geschikt voor het FINEX-proces zijn: (i) vast C (koolstof) gehalte van minimaal 55 %, (ii) asgehalte van maximaal 25 %, (iii) VM (vluchtige stoffen) gehalte minder dan 35 %, en (iv) S (zwavel) gehalte minder dan 1 %. Daarnaast moet de kool voldoen aan bepaalde eisen met betrekking tot thermische stabiliteit om de vorming van een stabiele char-bed in de smelter-gasifier toe te staan. 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 door de lagere belasting in de smelter-gasifier char-bed en het gebruik van O₂. Bij wisselende kwaliteit van koolbriketten en fluctuaties in reductiegraad, wordt meestal enige cokesbries (minder dan 30 mm) gebruikt voor en na een afsluiting of bij dalende HM-temperatuur om de productiviteit te handhaven en de brandstofratio te verlagen. De huidige exploitatie biedt een constant niveau aan cokesbries om de bovengenoemde effecten te minimaliseren. De kwaliteit van de cokesbries die in het FINEX-proces gebruikt wordt, is niet geschikt voor BF-bedrijf en heeft een sterkte van ongeveer 60 % van BF-cokes. Voor het bereiken van een nul-cokesbries-bedrijf zijn verschillende operationele optimalisaties essentieel, zoals binderoptimalisatie en ontwikkeling van een voorverhittingstechnologie voor koolbriketten. Koolkennmerken voor het FINEX-proces en de vergelijking met BF-ijzerproductie zijn weergegeven in Fig. 1.

Wat ijzererts betreft, wordt in het algemeen 100 % sintervoer fijn erts in de vloeibedreactoren geladen. 30 % tot 50 % van pelletvoer kan ook worden gebruikt. Typen en mengsel van ijzererts worden bepaald op basis van chemische en fysische eigenschappen zoals totaal ijzer (Fe) gehalte, samenstellingstructuur, en korrelgrootte. Zoals bij HM-productie via BF-proces, bepaalt de Fe-gehalte van het ijzererts de productiviteit. Het mengverhouding moet worden bepaald door zowel de kwaliteit van het erts als de kosten te overwegen. Aangezien hogere alumina (Al₂O₃) slagtappen meer te verdragen is in het FINEX-proces dan in het BF-proces, kunnen ijzererts met hogere Al₂O₃-gehalte ook worden gebruikt. Normaal gesproken is er geen beperking in de voederingsmateriaalstructuur van hematiet en goethiet voor vloeibedreactoren. Flexibiliteit van ijzererts geschikt voor het FINEX-proces is weergegeven in Fig. 2.

Het proces

Het FINEX-proces wordt gekenmerkt door de productie van hoogwaardig HM op basis van direct geladen ijzererts-fijnen en kool als reductiemiddel en energiebron. Het kenmerk van het FINEX-proces is dat de ijzerproductie in twee afzonderlijke processtappen plaatsvindt. In een serie van drie vloeibedreactoren wordt fijn ijzererts gereduceerd tot DRI, wat vervolgens gecompacteerd wordt (HCI) en via een ruw ijzer transporter naar een smelter-gasifier wordt getransporteerd. Kool en koolbriketten die in de smelter-gasifier worden geladen, worden vergaasd, wat de benodigde energie voor de smelting naast het reductiegas levert. Het procesflowsheet voor het FINEX-proces is gegeven in Fig. 3.

Het vloeibare ijzer wordt in het FINEX-proces in twee stappen geproduceerd. In de eerste stap wordt ijzererts-fijnen voorverhit en gereduceerd tot fijn DRI in vloeibedreactoren in drie stadia. De eerste reactor (R3) dient voornamelijk als reactor voor voorverhitting van ijzererts-fijnen. Ijzererts-fijnen worden samen met fluxen zoals kalksteen en/of dolomiet in de serie vloeibedreactoren geladen. Het geladen ertsfijnen beweegt in neerwaartse richting door de drie reactoren waar de ertsen worden verhit en gereduceerd tot DRI door middel van het reductiegas dat verkregen wordt uit de vergasming van de kool in de smelter-gasifier. Dit reductiegas stroomt in counter-current richting ten opzichte van de beweging van het erts.

Volgens de proces-ertrroute, transporteert een pneumatisch transportsysteem de ertsfijnen naar de vloeibedreactor-toren. Het fijn erts wordt vervolgens geladen in de vloeibedreactor-serie. Het reductiegas gegenereerd in de smelter-gasifier stroomt door elk van de vloeibedreactoren in counter-flow ten opzichte van de ertrichting (van R1 naar R3). De typische temperatuur en samenstelling van het reductiegas in de drie vloeibedreactoren zijn gegeven in Tabel 1.

Het fijn ijzererts wordt gevloeibed door de gasstroom en het erts wordt in elke reactorstap steeds meer gereduceerd. Na het verlaten van het gereduceerde ijzer uit de laatste vloeibedreactor, wordt het gecompacteerd om HCI te produceren. Het HCI wordt vervolgens via een warm-transportsysteem naar de top van de smelter-gasifier getransporteerd waar het direct samen met kool in de smelter-gasifier wordt geladen. De eindige reductie en smelting van het HCI vindt dan plaats.

Volgens de proces-koolroute, worden non-coking kolen en koolbriketten direct in de smelter-gasifier geladen via een sluissysteem. Nadat de kool op het char-bed valt, vindt ontgassing plaats. De vrijgekomen koolwaterstoffen, die milieuschadelijk zijn, worden onmiddellijk gedissocieerd tot CO (koolstofmonoxide) en H₂ (waterstof). Dit is te danken aan de hoge heersende temperaturen van meer dan 1.000 °C in de koepel van de smelter-gasifier. O₂ geïnjiceerd in het lagere deel van de smelter-gasifier vergaast de kool, waardoor warmte voor smeltwerk wordt gegenereerd alsook een hoogwaardig reductiegas bestaande voornamelijk uit CO en H₂. Dit gas, dat uit de koepel van de smelter-gasifier vertrekt, wordt eerst gereinigd in een hete-gas cyclone voordat het de vloeibedreactoren binnenkomt. Na de smelting van het 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 van de top van de vloeibedreactoren vertrekt, kan worden gebruikt voor een breed scala aan toepassingen. Deze omvatten productie van DRI, stroomopwekking en de generatie van synthesegas voor de chemische industrie. De typische samenstelling van de verschillende gassen geproduceerd in het FINEX-proces is gegeven in Tabel 2.

Typische specifieke verbruikwaarden voor materialen en utiliteiten in het FINEX-proces zijn: (i) droge brandstof ~720 kg/tHM, (ii) ijzererts ~1.600 kg/tHM, (iii) additieven (kalksteen en dolomiet) ~285 kg/tHM, (iv) O₂ ~460 N m³, (v) N₂ ~270 N m³, (vi) stroom ~190 kWh/tHM, en (vii) refractair ~1,5 kg/tHM.

De kenmerken van het HM geproduceerd door het FINEX-proces bestaan uit: (i) C ~4,5 %, (ii) silicium (Si) ~0,7 %, (iii) mangaan (Mn) ~0,07 %, (iv) fosfor (P) ~0,07 %, (v) zwavel (S) ~0,04 %, en (vi) temperatuur ~1.500 °C.

De kenmerken van het exportgas van het FINEX-proces bestaan uit: (i) CO ~34 %, (ii) CO₂ ~43 %, (iii) H₂ ~13 %, (iv) H₂O ~3 %, (v) CH₄ <1 %, (vi) N₂/Ar ~6 %, (vii) H₂S <100 ppm, (viii) stof 5 mg/N m³, (ix) druk 0,1 kg/cm², (x) temperatuur ~40 °C, en (xi) CV in het bereik van 1.300–1.500 kcal/N m³. Ongeveer 1,9 gigacalorie van het exportgas wordt geproduceerd per ton HM.

Milieuaspecten van het proces

Het FINEX-proces heeft de mogelijkheid om hoge zuiverheid CO₂ te herwinnen voor CO₂-afvang en -opslag (CCS). Naast opslag kan het herwonnen CO₂ ook gebruikt worden voor verbeterde oliewinning en voor andere economische toepassingen. Dit is mogelijk door het gebruik van hoge zuiverheid O₂ in de smelter-gasifier voor vergasming van kool, waardoor het exportgas slechts lage hoeveelheden N₂ bevat. Dit stelt de verwijdering van CO₂ in hoge concentratie uit het recirculatiegas toe en het genereren van hoge zuiverheid CO₂ met CO₂-percentage hoger dan 95 % na verdere zuivering. De CO₂-uitstootcijfers voor het FINEX-proces zonder CCS en met CCS zijn respectievelijk 99 % en 55 % vergeleken met het gemiddelde CO₂-uitstootcijfer in het geval van BF-ijzerproductieproces.

Het FINEX-proces is een koolgebaseerd proces voor de reductie van ijzererts tot ijzer, dat vervolgens wordt gesmolten tot HM. Een bepaalde hoeveelheid milieuschadelijke stoffen is onvermijdelijk op basis van de rauwe stofmix. Aangezien het FINEX-proces de meeste verontreinigingen in een inerte toestand in de slag vastlegt en de vrijgekomen koolwaterstoffen in de koepel van de smelter-gasifier worden vernietigd, zijn de emissies van schadelijke stoffen zeer laag. De emissiewaarden per ton HM voor stof, SOx en NOx zijn respectievelijk ongeveer 58 g/t, 32 g/t en 94 g/t.

Voordelen van het FINEX-proces

De verschillende voordelen van het FINEX-proces omvatten: (i) benutting van laagwaardige fijn ijzererts als oxide-voeding, (ii) gebruik van non-coking kolen als reductiemiddel, (iii) onafhankelijke controle van reductie- en smeltprocessen, (iv) gunstige economie door aanzienlijk verlaagde kapitaal- en operationele kosten, (v) milieuvordelen, (vi) flexibiliteit in rauwe stofselectie en in de bedrijfsvoering zoals benutting van lagere graad ijzererts mogelijk (bijv. ijzererts met hogere Al₂O₃-gehalte), (vii) productie van HM die vergelijkbaar is met de kwaliteit van HM uit de BF, (viii) exportgas met hogere CV dat gebruikt kan worden voor verschillende doeleinden (bijv. stroomopwekking, DRI-productie, en productie van chemische producten), (ix) commercieel bewezen alternatief ijzerproductieproces, en (x) brownfield-toepassing in geïntegreerde staalfabriek geeft synergieën met de BF.