HIsarna ijzerproductieproces: ultra-laag-koolstof staalproductie

HIsarna-proces voor ijzerproductie

HIsarna is een smelting-reductieproces voor vloeibaar ijzer direct uit ijzerertsfixen en koolstof. Het vertegenwoordigt een potentiëel efficiëntere manier van ijzerproductie en wordt ontwikkeld voor substantiële reductie van CO2-uitstoot bij ijzerproductie. Het is een initiatief van het ULCOS-consortium (ultra low carbon dioxide steelmaking) van Europese staalproducenten en combineert HIsmelt-technologie van Rio Tinto met Isarna-technologie van Tata Steel IJmuiden. Het elimineert voorverwerking van grondstoffen zoals bij het hoogovenproces. Het proces bestaat uit voorreductie van ijzerertsfixen in cyclone converter furnace (CCF) van Isarna-technologie en badsmelting van ijzer in smelting reduction vessel (SRV) van HIsmelt. De naam ontstaat door combinatie van de twee technologieën ('HI' van HIsmelt en 'sarna' van Isarna, Keltisch voor ijzer). Het proces snijt zowel koolstof als kosten. HIsarna vindt plaats in een speciale reactor met een smalle cycloneoven bovenop een bredere converter.

Het gecombineerde proces is ~20% energie-efficiënter en produceert minder broeikasgassen per ton hot metal vergeleken met gemiddelde hoogoventechnologie, primair omdat het geen erts sinteren en cokesproductie vereist. Het geproduceerde hot metal kan in een conventionele basische zuurstofoven tot staal verwerkt worden.

HIsarna bestaat uit een reactor waarin ijzererts bovenaan geïnjecteerd wordt. Erts wordt vloeibaar gemaakt in een hoge-temperatuurcyclone en druppelt naar de bodem waar poederkoolstof geïnjecteerd wordt. Poederkoolstof reageert met vloeibare erts → vloeibaar ijzer (basismateriaal voor hoogwaardig staal). Gassen die HIsarna-reactor verlaten zijn voornamelijk geconcentreerd CO2.

Algeheel HIsarna-concept

Twee-traps tegenstroomcontact tussen ijzererts en procesgas. In beide traps werktemperatuur boven smeltpunt. Trap 1: deels gereduceerd vloeibaar erts loopt naar beneden van CCF naar SRV. Beide traps fysiek geïntegreerd, uitgevoerd in één smeltingreactor (Figuur 1).

Ontwikkelingsgeschiedenis

• Eerste poging cycloontechnologie voor ertsreductie bij Koninklijke Hoogovens in jaren '60, afgekeurd.
• Ernstige poging 1986, maar economische crisis → project opgeschort tot begin jaren '90.
• Herstart toen cokesvoorziening schaars werd (midden jaren '90). CCF-technologie pilotschaal 15–20 tph ertsvoeding.
• Opnieuw gestopt 1999 door succesvolle pulverized coal injection in hoogovens.
• HIsmelt oorspronkelijk door CRA (Rio Tinto) in jaren '80 in 2 tph pilot Maxhütte, Duitsland; gevolgd door 8 tph pilot Kwinana, West-Australië jaren '90.
• 2001: Rio Tinto partner met Nucor, Mitsubishi, Shougang voor commerciële HIsmelt 800.000 ton/jaar Kwinana. Bouw 2003–2005, bedrijf 2005–2008, ~400.000 ton hot metal. Problemen met auxiliaries → lage beschikbaarheid, refraktarijschade. Productiesnelheid en beschikbaarheid verbeterden; 4e kwartaal 2008: 1800 ton/ dag, 90% beschikbaarheid → ontwerpcapaciteit bij hematiet smelting, proces bewezen.
• 2004: EU druk op staalindustrie CO2-reductie → ULCOS consortium opgericht. 2005–2007: cycloontechnologie geselecteerd als 1 van 4 hoog-potentiële technologieën. Theoretische oplossing voor post-cycloon problemen. ULCOS bracht HIsmelt-technologie in via akkoord Rio Tinto → win-win combinatie → HIsarna.

Technische werking

In CCF: voorreductie en smelting fijne ertsen in smeltcycloon. Ijzererts en zuurstof geïnjecteerd in CCF in aanwezigheid van hete smeltergas. Proces afkomstig van 'converted blast furnace' (CBF) 1986–1989. CBF: lumperts hoog voorgereduceerd in schachtoven, finale reductie/smelting in ijzerbad met fijn koolstof vergast. CBF vermijdt cokesproductie maar niet ertsagglomeratie/milieuproblemen. CCF ontwikkeld om agglomeratie te elimineren: smeltcycloon voor voorreductie en voor-smelting fijne erts.

HIsarna combineert: koolstof voorverhitting en partiële pyrolyse in reactor, smeltcycloon voor erts smelting, SRV voor finale ertsreductie en ijzerproductie. Smeltcycloon en SRV hoog geïntegreerd, als één smeltofen. Fijne erts en flux in smeltcycloon met zuurstof. Hoge zuiverheid zuurstof verbrandt SRV afgas vanaf bodem cycloon. Verbranding (bij voorkeur volledig) genereert veel warmte → smelt ijzererts, verhit tot SRV-temperatuur ~1450°C. HIsarna in smeltvat (Figuur 2): combinatie CCF en SRV.

HIsarna heeft geen metallurgische koolstenen nodig, kan wijd beschikbare (goedkopere) thermische koolstenen gebruiken. Ijzererts: HIsarna kan fosfor afstoten naar slak. ~90% fosfor rapporteert in slak (direct resultaat relatief oxiderende conditie: slak bevat 5–6% FeO). Hoewel fosfortolerantie niet overal issue is, opent exploitatie van ertsen normaal te hoog in fosfor. Tweede mogelijkheid: titanifer magnetieterts (hoge TiO2, Fe 55–60%).

Hoog-alumina erts ongeschikt voor HO-route (slechte sintereigenschappen, lagere HO-productiviteit). HIsarna kan opereren met hoog-alumina slak omdat hoge FeO in slak natuurlijke flux is. Sterke positie HIsarna voor hoog-alumina ijzererts.

Sequentiële stappen HIsarna-proces

1. CCF: Ijzerertsfixen + zuivere zuurstof geïnjecteerd in CCF-deel van smeltvat, waar hete afgas uit SRV-deel verbrand door zuurstof. Fijnen gescheiden van gas door centrifugaal gasstroom. Warmte smelt en deels reduceert erts. Reductiereactie: Fe2O3(s) + 2CO(g) = 4FeO(l) + 2CO2(g). Deels gereduceerd vloeibaar erts loopt door zwaartekracht naar beneden in SRV. Cycloonproduct: vloeibare mengsel Fe3O4 en FeO. Verwachte temperatuur ~1450°C, graad voorreductie ~20%.
2. Bovenkant SRV: benutting post-verbranding (CO→CO2) warmte essentieel. Warmte post-verbranding gevangen door slak-splash die circuleert door vrijebord. Splash beschermt koelpanelen tegen post-verbrandingsvlam.
3. Koolstofinjectie: Koolstof met hoge snelheid met draggas (normaal stikstof) in bad. Primaire doel: koolstof oplossen voor smeltingstap. Injectiecondities kritisch. Metaalbadtemperatuur ~1400–1450°C, ~nul Si in metaal. Overige onzuiverheden (Mn) ook zeer laag. Fosfor en titanium scheiden grotendeels naar slakfase als oxiden.
4. Smelting in bad: Vloeibaar erts lost direct in slak. Metaal-slak menging gegenereerd door koolstofinjectie-pluim. Grote metaal-slak interface voor smelting. Opgeloste koolstof in metaal reageert met zuurstof van erts → veel CO gas. Reactie: FeO(l) + C(s) = Fe(l) + CO(g). Sterk endothermisch, onderin vat. Warmtebron nodig. Ijzeroxiden in slak gereduceerd aan slak/metaal interface. Geïnjecteerde koolstof levert koolstof en creëert voldoende menging. FeO-gehalte slak relatief laag, typisch 5–6%.
5. Warmteoverdracht: CO uit smelting + draggas (stikstof) + ontvluchtingsproducten koolstof = opwaartse stroom hete brandstofgassen. Genereert grote splash, metaal/slak cyclussen door bovenste deel als druppels. Zuurstof in bovenste sectie via lansen → warmte door verbranding. Warmte gedragen door druppels van boven naar beneden. Aantal druppels door hete verbrandingszone zo groot dat gemiddelde temperatuurstijging per druppel per pas <10°C. Warmte kan naar beneden zonder zuurstofpotentieelgradiënt te compromitteren (relatief oxiderend bovenaan, sterk reducerend onderaan).
6. Gascirculatie: Deels verbrande gas verlaten SRV-deel leveren hete brandstofgas voor CCF-deel. Typisch 1450–1500°C, PC-graad ~50%. PC = 100(%CO2+%H2O)/(%CO+%CO2+%H2+%H2O). Doel: bijna 100% post-verbranding top cycloon → afgas hooggeconcentreerd stikstofvrij CO2. Geschikt voor combinatie met CO2-opslag (CCS).
7. Producten: Twee vloeibare lagen (boven: slak, onder: hot metal). Beiden apart af te tappen. Hot metal naar verdere verwerking in steelmaking.

Afgasbehandeling

Afgas HIsarna is stikstofvrij (zuurstofgebaseerd). Volledig benutte gas heeft bijna geen calorische waarde meer. Afgasbehandeling Figuur 3: zonder CCS of met CCS.

Pilotcentrale

HIsarna 8 ton hot metal/uur (60.000 ton/jaar) pilotcentrale succesvol ontworpen en ontwikkeld bij Tata Steel IJmuiden, meerdere campagnes sinds 2011. Samen Tata Steel en Rio Tinto. Verdere tests met partners: ArcelorMittal, ThyssenKrupp, Voestalpine, SSAB, LKAB, Paul Wurth. EU substantiële financiering. Figuur 4: flowsheet pilotcentrale.

Vijf campagnes. Eerste opstart niet succesvol. Overige vier succesvol. Voor elke campagne: burners verwarmen reactor ~1200°C. Snelle opstart: eerste vul hot metal (50 ton) via ladle van HO naar HIsarna pilot. Binnen berekende tijdslot (gebaseerd op temperatuur/samenstelling) proces starten om 'bevroren hearth' te voorkomen.

• Campagne 1 (20 mei 2011): eerste succesvolle taphot metal. Injectiesnelheid 60% capaciteit. Proces werkte als verwacht, meer uren nodig voor bevestiging. Doel: theorie werkt in praktijk (vloeibaar ijzer zonder voorverwerking) bereikt.
• Campagne 2 (17 okt–4 dec 2012): duurzame productie bereikt. 80% ontwerpcapaciteit 8–12 uur. Laatste run: volle capaciteit 8 tph.
• Campagne 3 (28 mei–28 jun 2013): duurzame productie, tests diverse grondstoffen. Eerste keer staal gemaakt van HIsarna hot metal.
• Campagne 4 (13 mei–29 jun 2014): duurzame, stabiele productie meerdere dagen, tests diverse grondstoffen.
• Campagne 5 (okt 2017): zes maanden testcampagne → vloeibaar ijzer lange draaiuren. Voorbereiding: grote revisie. Nieuwe afgasleiding (+10m hoogte, 37m top). Volledige koolstofmaling, droging/zeefinstallatie erts/kalk. Gesloten transportbanden. Dubbele opslagcapaciteit. Gasanalyselab. Elektronisch monitoring volledig herprogrammeerd. Geschatte kosten €25 mln.

Tijdens campagne 5: tests met staalschroot → tot 53% schroot in proces. Focus: ideale grondstofmix, recycling staalslak, CO2-injectie grondstoffen, CO2-afvang/opslag → 8% emissiereductie. Eindfase: staalschroot en biomassa → CO2-reductie >50%.

Na succes: volgende stap ontwerp, bouw, test grotere pilotcentrale (geschatte investering €300 mln). Verwacht 2–3 keer groter dan huidige pilot bij Tata Steel IJmuiden, meerdere jaren testen. Nov 2018: nieuwe grootschalige pilot te Jamshedpur, India. Capaciteit 400.000 ton hot metal/jaar. Volgende opschaling tot 1 miljoen ton/jaar. Huidige pilot IJmuiden blijft open. Figuur 5: tekening incinerator en opschaling CCF-SRV reactor.

Na industriële implementatie: HIsarna levert minstens 20% lagere CO2-uitstoot en 20% minder energieverbruik vs conventionele steelmaking. Ideaal voor CCS (stikstofvrij gas, comprimeerbaar door hoge CO2, eenrichtingsgasstroom). Met CCS: tot 80% CO2-reductie vs conventioneel. Naast energie/koolstofbesparing/kosteneffect: 90% procesfosfor naar slak → goedkopere hoog-fosforerts bruikbaar (niet in conventionele HO).

Belangrijke kenmerken en voordelen HIsarna

• Warmte voor reductie/smelting ijzererts geproduceerd door zuurstof.
• Elimineert erts→sinter/pellet en cokerende koolstof→cokes.
• Kan lage-kwaliteit grondstoffen gebruiken.
• CO uit SRV creëert hete gassen voor warmte in CCF.
• 20% energie-efficiënter, 20% minder CO2-intensief.
• CO2 zuiver, kan afgevangd, opgeslagen, gebruikt → verdere CO2-reductie (80% koolstofvoetafdruk).
• Verbetert duurzaamheidsprestaties staalproductie.
• Stikstof als draggas om koolstof in hot metal op te lossen.
• Geen energie-intensieve, zwaar vervuilende processen nodig.
• Koolstofafvang hoog efficiënt.
• Biomassa of aardgas in plaats van koolstof mogelijk → CO2-reductie.
• Lagere investerings- en operationele kosten door wijd bereik voeders.
• Significant lagere kapitaalkosten, hot metal bij significant lagere operationele kosten.

Aantrekkelijkheid HIsarna: combineert milieu- en economische voordelen. Gemakkelijke afvang hoge fractie (tot 80%) CO2 voor geologische opslag. Gebruikt thermische koolstenen ipv metallurgische, lage-kwaliteit ijzerertsvoeders. 60–80% reductie uitstoot stof, NOx, SOx, CO.