FASTMET & FASTMELT: Geavanceerde ijzerproductietechnologieën voor efficiënte metaalproductie

FASTMET en FASTMELT processen van ijzerproductie

Het FASTMET-proces is een koolstofgebaseerd proces van ijzerproductie. Het maakt de conversie van metallische oxiden uit ijzererts fijne of staalwerks metallurgisch afval mogelijk, in gemetaliseerd ijzer. Het FASTMELT-proces is het FASTMET-proces met de toevoeging van een 'elektrische ijzersmeltovens' (EIF) om vloeibaar ijzer of hot metal te produceren. Kobe Steel in samenwerking met Midrex Technologies, Inc., een dochteronderneming van Kobe Steel in de VS, heeft dit proces ontwikkeld. FASTMET is een uniek proces dat een draaiende hearth oven (RHF) gebruikt om agglomeraten die koolstof bevatten te reduceren met een hoge reductieverhouding en hoge productiviteit. Fig. 1 toont een vereenvoudigde doorsnede en plattegrond van een RHF.

Het FASTMET-proces converteert ijzererts pellet voer, ijzererts fijnen en/of staalwerks metallurgisch afval in direct gereduceerd ijzer (DRI) met behulp van gepulveriseerde niet-cokende koolstof als reductant. Het eindproduct DRI kan ofwel warm gebriketteerd worden om warm gebriketteerd ijzer (HBI) te produceren, of als warm DRI in transportcontainers worden uitgezet, of gekoeld als koud DRI nodig is. Warm DRI wordt direct uit de RHF in de EIG uitgezet en gesmolten om hot metal te produceren. Het hot metal kan in een varkensgietmachine gegoten worden tot varkensijzer. Het gereduceerde ijzer/hot metal kan in een primaire staalproductieoven worden gevoerd.

Naast het faciliteren van de recycling van het metallurgische afval naar de basische zuurstofoven/elektrische boogoven voer, zijn er twee belangrijke doelstellingen van het proces. Een is de hogere metallisering van ijzeroxiden, wat de last op het smeltproces vermindert. Een ander is een hoge verwijderingsratio van zink, wat de concentratie van zink binnen de recyclinglus vermindert. Voor hoogovensvoeding is hoge compressiestrongte nodig, wat ook bereikt wordt door binder en mengverhouding van grondstoffen aan te passen met het FASTMET-proces.

Historische ontwikkeling

Reductie van ijzererts in een RHF werd voor het eerst geprobeerd door Midland Ross Co., een voorganger van Midrex Technologies, Inc. Het proces, genaamd 'Heat Fast', was uniek in dat het samengestelde pellets omvatte, bestaande uit ijzererts en koolstofhoudend materiaal, die voorverwarmd werden in een rooster, voorgereduceerd in een RHF en gekoeld in een schachtkoeler. Het 'Heat Fast'-proces werd met succes getest in een 2 ton per uur (tph) proefinstallatie in Cooley, Minnesota, van 1965 tot 1966.

Gelijktijdig met de ontwikkeling van 'Heat Fast', werd het aardgasgebaseerde Midrex DRI-proces, dat een hogere kwaliteit product bood dan 'Heat Fast' en lagere operatiekosten (aardgas was destijds zeer laag geprijsd), ook ontwikkeld. Vanwege de toenmalig lage operatiekosten van het aardgasproces, werd het 'Heat Fast'-proceswerk gestaakt en commercieel ontwikkeling nooit ondernomen.

Midrex herstelde zijn belangstelling in het gebruik van de RHF voor directe reductie in de vroege jaren 1980. Verschillende studies werden uitgevoerd die aantoonden dat een RHF-gebaseerd proces ontwikkeld kon worden om direct gereduceerd ijzer te produceren tegen een aantrekkelijke prijs. In de jaren 1990 steeg de prijs van aardgas en toen werd een FASTMET-proefinstallatie gebouwd en in bedrijf gesteld op het Midrex technische centrum met een 2,75 m diameter RHF met een productiecapaciteit van 160 kilogram per uur. Meer dan 100 campagnes werden uitgevoerd van 1992 tot 1994.

Kobe Steel en Midrex Technologies, Inc. collaboreerden om de ontwikkeling van een RHF koolstofgebaseerd proces te hervatten met de intentie om de technologie te commercialiseren. Opbouwend op het 'Heat Fast' proefinstallatiewerk uit de jaren 1960, werden verbeteringen aan de technologie aangebracht wat resulteerde in hogere productiviteit, verbeterde productkwaliteit, grotere procesflexibiliteit en verhoogde procesefficiëntie. Het eindresultaat was de ontwikkeling van het FASTMET-proces. Kobe Steel en Midrex hebben het FASTMET-proces een stap verder genomen door het FASTMELT-proces te ontwikkelen dat de warme afgifte van DRI uit de RHF en lading door zwaartekracht in een EIF, een smeltovenspecifiek ontworpen voor het smelten van FASTMET warm DRI om hot metal te produceren, vereist.

Een demonstratieproefinstallatie werd in 1995 gebouwd bij de Kakogawa-werken van Kobe Steel Limited (KSL). De installatie had een 8,5 m diameter RHF en een productiecapaciteit van 2,5 tph. De installatie was in continue operatie van 1995 tot 1998. Door verschillende demonstratie-operaties die daar uitgevoerd werden, hadden Kobe Steel en Midrex Technologies, Inc. het FASTMET-proces gevestigd voor commercialisatie. In 2000 werd een eerste commerciële FASTMET-installatie geleverd aan de Hirohata-werken van Nippon Steel Company (NSC) voor het reduceren van 190.000 ton per jaar (tpa) van staalwerk afval. Het FASTMET-proces werd erkend voor zijn vermogen om staalwerkstof efficiënt te recyclen. De details van de eerste vijf installaties die in bedrijf zijn gesteld, zijn gegeven in Tabel 1.

Het is te zien dat dit proces momenteel gebruikt wordt voor de benutting van het metallurgische afval van het staalwerk. Naast metallurgisch afval, kan het proces ook ijzererts fijnen gebruiken met een grootte gelijk aan pellet voergrootte (minder dan 45 micrometer). Dit is omdat het proces ingebouwde agglomeratiestappen heeft. FASTMET/FASTMELT proces presenteert een alternatieve route naar ijzerproductie in capaciteiten variërend van 100.000 tpa tot 500.000 tpa. FASTMELT proces biedt een alternatief voor mini-hoogovens (HO) technologie. De refractory gebruikt in RHF en EIF zijn van standaardspecificatie normaal gebruikt in ijzerproductie. Het ontwerp van EIF is gebaseerd op bewezen ontwerpen van EAF (elektrische boogoven) en LF (ladle oven) technologieën.

Kenmerken van het FASTMET-proces

Het FASTMET-proces is duidelijk anders dan het gasgebaseerde reductieproces met gereformeerd gas geproduceerd uit aardgas, in dat het samengestelde agglomeraten, elk bestaande uit ijzererts of staalwerks metallurgisch afval, en koolstof, verwarmt en reduceert. Dit eenvoudige en unieke proces dat snelle verwarming omvat, bewerkstelligt een snelle reductiereactie. De agglomeraten worden in één of twee gelijkmatige lagen over de hearth gelegd en worden verwarmd met behulp van stralingswarmte. Dit voorkomt de oxidatie van agglomeraten, ondanks de in-ovens voorwaarde van verbrandingsuitlaatgas, dat een aanzienlijk oxidatiepotentieel heeft.

Het proces kan de verwarming en de reductie van de agglomeraten gelijktijdig en effectief bereiken bij een ideale lucht-gas verhouding in de RHF. Daarnaast verbrandt het brandbare gas gegenereerd uit de koolstof in de agglomeraten in secundaire verbranding boven hen. Dit onderdrukt de emissie van NOx aanzienlijk, ondanks het feit dat de RHF een oven is met een hoge temperatuuromgeving. Dit is nog een kenmerk van het FASTMET-proces.

Naarmate de hearth van de RHF draait, passeren de pellets of briketten drie zones en worden snel verwarmd. Elke zone heeft drie gasgefedeerde branders, wier lucht/brandstof verhouding kan worden aangepast om de gewenste magere of rijke verbranding in elke zone te bereiken. Aan het einde van zone 3 passeert het materiaal onder een scheidingsmuur die de finale verbrandingszone scheidt van de afgiftezone. Een schroefconvoyeur voert het warme DRI-product van de hearth in een afvoerschacht en dan door zwaartekracht in een met stikstof gepurged DRI-productcontainer of in een EIF.

Een warmtewisselaar geïnstalleerd op de uitlaatgasbehandelingsapparatuur converteert de energie in de hoge temperatuur uitlaatgas in energie voor het verwarmen van de lucht die gebruikt wordt voor het verbranden of drogen van de grondstoffen. Dit vermindert het totale energieverbruik.

Grondstoffen zoals staalwerksstof kunnen occasioneel dioxine genereren tijdens verbranding. In het FASTMET-proces is de RHF-temperatuur echter 1.300 °C of hoger, wat hoog genoeg is om de generatie van dioxine te onderdrukken. Het uitlaatgas van de RHF wordt snel gekoeld door het temperatuurgebied waarin dioxine kan recombineren, waardoor hercompositie wordt voorkomen. Fig. 2 toont een typisch flowsheet van het FASTMET/FASTMELT-proces.

Heet uitlaatgas dat de RHF verlaat, wordt gekoold door middel van een verdampingskoeler voordat het een warmtewisselaar binnenkomt. Gevoelige warmte in het uitlaatgas wordt gebruikt om de RHF-verbrandingslucht en de groenbal drogerlucht te voorverwarmen tot rond 350 °C. Het uitlaatgas dat de voorverwarmer verlaat, wordt verder gekoeld door een tweede verdampingskoeler voordat het een zakfilter binnenkomt, waar het zinkoxide wordt herwonen en naar de stofsilo voor opslag wordt gezonden. Een aangezaagde ventilator is op de zakfilteruitlaat geplaatst om de benodigde val voor het uitlaatgassysteem te bereiken en de RHF onder een licht negatieve druk te controleren.

Nuttigheidsvoorzieningen die nodig zijn: fabrieklucht, stikstof, stoom, instrumentenlucht, aanvullingswater, en vloeibaar aardgas. De installatie heeft ook een open recirculerend proceswatercircuit alsook gesloten machineriekoelwatercircuit nodig.

Het warme DRI, uitgezet uit de RHF, heeft drie afgifteopties: (i) gekoeld om koud DRI te produceren, (ii) gebriketteerd in een briketteringsmachine om HBI te produceren, (iii) gesmolten in een EIF om vloeibaar ijzer te produceren. Dit vloeibaar ijzer kan in een varkensgietmachine gegoten worden om varkensijzer te produceren.

Het DRI heeft veel poriën over na het reductieproces. Als het lang aan lucht blootgesteld is, heroxideert het metallische ijzer in ijzeroxide, wat de kwaliteit verschlechtert. Als DRI niet direct gebruikt wordt als grondstof voor een smeltoven of een hoogovens, voorkomt compacteren en verdichten van het DRI in warm gebriketteerd ijzer (HBI) heroxidatie. Dit stelt opslag van gereduceerd ijzer voor een verlengde periode toe zonder kwaliteitsverlies. Het opgeslagen HBI kan aan een primaire staalproductieoven of aan een hoogovens gevoerd worden. Of het gereduceerd ijzer geproduceerd door het FASTMET-proces gebruikt wordt als DRI in de vorm van pellets/briketten of gevormd tot HBI met HBI-apparatuur, hangt af van de toepassing van het product (ijzerbron) en de opslagperiode.

Het metallurgische afval (stof) gegenereerd in het staalwerk is conventioneel gepelletiseerd of gesinterd in-house om de stof te recyclen als grondstof voor de hoogovens. Het hoogovensgrondstof bevat echter vluchtige componenten, met name zink, wat verdampt in de hoge temperatuurzone van de hoogovens. Echter, niet alle damp ontsnapt uit de hoogovens. Een deel van de damp wordt gekoeld en gevangen door nieuw geladen materialen, blijft in de oven. De geaccumuleerde vluchtige componenten verminderen de permeabiliteit van de hoogovens en belemmeren de productiviteit aanzienlijk.

Het FASTMET-proces verdampt zware metalen zoals zink en lood, die de recycling van schrootijzer belemmerden, en converteert ze in ruw zinkoxide en dergelijke. Dit stelt het afvoeren van deze elementen in uitlaatlijnen toe zonder ze in het proces te circuleren. De uitlaatgasbehandelingsfaciliteiten zijn uitgerust met een koel- en stofvangstsysteem, dat gecombineerd met luchtkoeling en waterkoeling, de vluchtige componenten voorkomt aan de apparatuurwanden te hechten. Dit maakt stabiele en continue operatie voor een verlengde periode mogelijk en de verzameling van ruw zinkoxide en dergelijke, met behulp van een zakfilter. Het verzamelde ruwe zinkoxide is een waardevolle bron en wordt gerecycled samen met het gereduceerde ijzer.

Het proces en de principe reacties

Het FASTMET-proces begint met het mengen van ijzererts fijnen of staalwerks metallurgisch afval (bevattend een hoog percentage ijzeroxide) met gepulveriseerde koolstof, agglomereren van het mengsel in pellets of briketten met behulp van een pelletiseringsmachine of briketteringsmachine, drogen van de agglomeraten in een droger, en plaatsen van de agglomeraten over de hearth van een RHF in één of twee gelijkmatige lagen.

De pellets of de briketten moeten geïsoleerd zijn van lucht wanneer ze de oven binnenkomen. Hun voersnelheid wordt tegelijkertijd precies gecontroleerd. FASTMET-proces bevat een voerbuissysteem dat het aanpassen van het aantal buizen naar de grootte van de oven mogelijk maakt, waardoor gelijktijdig isolatie van de lucht en volumeregulering bereikt wordt. Een schroef-type gelijkmatiglaagsysteem wordt gebruikt voor het plaatsen van de agglomeraten in één of twee gelijkmatige lagen.

Naarmate de hearth draait, worden de briketten verwarmd door straling van RHF zonetemperaturen van meer dan 1.300 °C en de ijzeroxiden gereduceerd tot metallisch ijzer. Reductie van het ijzeroxide wordt primair bereikt door vast elementair koolstof dat reageert met magnetiet (Fe₃O₄) of hematiet (Fe₂O₃) om metallisch ijzer (Fe) en wustiet in vaste vorm te vormen terwijl koolstofmonoxide (CO) en koolstofdioxide (CO₂) gas vrijkomt. Een deel van de koolstof gaat in vaste oplossing met het metallisch ijzer om ijzercarbide (Fe₃C) te vormen.

Zinkoxide, loodoxide en andere vluchtige metallische oxiden in het metallurgische afvalvoer worden ook gereduceerd tot metallische vorm en verdampt. Deze metallische dampen worden geoxideerd in het uitlaatgas voordat ze de oven verlaten door de afvoer.

Een snelle verwarmingsmethode, een eigen technologie van Kobe Steel, wordt toegepast voor het verwarmen van de pellets of briketten die op de hearth liggen, snel een hoge temperatuur van 1.350 °C bereikend. Deze verwarming genereert de reactie van oxiden en koolstof. Verblijvend voor 8 minuten tot 16 minuten, worden de agglomeraten geconverteerd in DRI, dat uit de oven wordt uitgezet of aan het downstream proces geleverd, bij een temperatuur van 1.000 °C tot 1.200 °C. Verschillende reacties die plaatsvinden tussen oxiden en koolstof zijn: (i) Fe₂O₃ + 3C = 2Fe + 3CO, (ii) Fe₃O₄ + 4C = 3Fe + 4CO, (iii) Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂, (iv) Fe₃O₄ + 4CO = 3Fe + 4CO₂, (v) FeO + CO = Fe + CO₂, en (vi) ZnO + CO = Zn + CO₂.

Het verbrandingsgas (CO-gas) geëmiteerd door de pellets/briketten als resultaat van de reductiereactie kan als brandstof voor de RHF worden gebruikt, wat de hoeveelheid brandstof die aan de branders wordt geleverd aanzienlijk vermindert.

De atmosfeer in EIF van FASTMELT-proces bestaat essentieel uit CO-gas en is dus sterk reducerend. Deze reducerende atmosfeer bevordert siliciumreductie en zwavelverwijdering.

De stabiele en continue afgifte van DRI uit de RHF bij hoge temperatuur wordt bereikt door dergelijke eigen technologie van KSL als het verhogen van de hearth van een reductieoven. In tegenstelling tot een hoogovens, kan FASTMET relatief gemakkelijk starten en stoppen afhankelijk van de hoeveelheid productie, wat productie in reactie op vraag mogelijk maakt.

Reductiemechanisme

De reductiereactiekinetica in een directe reductieoven wordt normaal gecontroleerd door de diffusie van het reductiegas van buitenaf. In het FASTMET-proces treedt de reductiereactie op binnen de koolstof samengestelde pellets/briketten bestaande uit ijzererts fijnen en de gepulveriseerde koolstof. Eenmaal de samengestelde pellets/briketten verwarmd, bevordert CO-gas binnen hen de reductie van ijzeroxide. Daarom verloopt de reductiereactie sneller in de koolstof samengestelde pellets/briketten dan de reductiereactie die in het conventionele directe reductieproces plaatsvindt. De basale reductiereacties die worden overwogen plaats te vinden tijdens het FASTMET-proces zijn: (i) FeₓOᵧ + yC = xFe + yCO (endothermische reactie), (ii) CO₂ + C = 2CO (endothermische reactie), en (iii) FeₓOᵧ + yCO = xFe + yCO₂ (exothermische reactie).

Bij temperaturen onder het smeltpunt van ijzer, is er nauwelijks directe reactie met de vaste koolstof van gepulveriseerde koolstof en daarom domineert de reactie zoals gegeven in vergelijking (i) de reactiekinetica. Bij hogere temperaturen van 1.000 °C en meer, vindt de reactie van de generatie van CO-gas door koolstofoplossingsverlies volgens vergelijking (ii) en de reactie van ijzeroxide door CO-gas volgens vergelijking (iii) in serie plaats binnen de koolstof samengestelde pellets/briketten. In deze reacties controleert CO-gas generatie de reactiekinetica met zijn sterk endothermische aard. Daarom om de reactie te bevorderen, is het noodzakelijk om de warmte nodig voor de reactie aan de binnenkant van de koolstof samengestelde pellet/brikket te leveren bij de hogere temperatuur van 1.000 °C of meer. Dit betekent dat warmte efficiënt moet worden overgedragen door straling van de atmosfeer naar het oppervlak van de pellet/brikket, en door geleiding van het oppervlak van de pellet/brikket naar het interieur. Fig. 3 toont het reductiemechanisme van koolstof samengestelde pellets/briketten.

In RHF worden de pellets/briketten normaal verwarmd met zonetemperaturen van meer dan 1.300 °C en gereduceerd tot metallisch ijzer. Verblijftijd op de hearth is typisch 8 minuten tot 16 minuten. Dit varieert afhankelijk van het verwerkte materiaal, grootte van pellets/briketten, en andere factoren. De snelle reductiesnelheid bereikt in het FASTMET-proces is te wijten aan de hoge reductietemperatuur, de hoge warmteoverdrachtssnelheid, en de intieme contact van de koolstof in de briketten met het ijzeroxide. De warmteoverdracht en de verschillende reductiereacties die in RHF plaatsvinden, worden schematisch getoond in Fig. 4.

Product

Het eindproduct van FASTMET/FASTMELT-proces kan HBI zijn, warm DRI direct uitgezet in transportcontainers, koud DRI, of vloeibaar ijzer (hot metal). De metallisering bereikt tijdens het proces is meer dan 85%. De temperatuur van het hot metal geproduceerd door het FASTMELT-proces varieert van 1.450 °C tot 1.550 °C en heeft de typische samenstelling van koolstof – 3% tot 5%, silicium – 0,3% tot 0,6%, mangaan – 0,6% tot 1,2%, zwavel – minder dan 0,05%, en fosfor – minder dan 0,03%.

Uitlaatgasbehandeling en milieucontrole

Het uitlaatgas dat de RHF verlaat is volledig verbrand, met ongeveer 2% zuurstof. Warmtewisselaars gebruiken de thermische energie in het uitlaatgas om verbrandingslucht voor de RHF-branders en grondstofbereidingsdrogers voor te verwarmen. Uitlaatgas verlaat de draaiende hearth oven door het dak en stroomt door een refractory uitgekleed afvoer naar de uitlaatgasleiding. De juiste locatie van de uitlaatgasafvoer ten opzichte van de RHF-verbrandingszones wordt bepaald door analyse van de voedermaterialen, reductiekinetica, en geverifieerd door 'Computational Fluid Dynamics'. Verdunningslucht wordt in de uitlaatgasleiding geïnjecteerd om koeling te bieden en eventuele overgebleven brandbare stoffen (waterstof en CO) in de uitlaatgasstroom te verbranden.

Spuitwater wordt aan de primaire koeler toegevoegd om het gas van meer dan 1.400 °C tot 1.000 °C te koelen om NOx-vorming te minimaliseren en een acceptabele inlaattemperatuur voor de recuperator te bieden. Van de primaire koeler stroomt het uitlaatgas door de verbrandingslucht en drogerlucht voorverwarmer waar de warmte uit het uitlaatgas gebruikt wordt om verbrandingslucht voor de draaiende hearth branders en de rotatie droger te verwarmen. Het uitlaatgas verlaat de verbrandingsvoorverwarmer naar de secundaire koeler. Spuitwater wordt aan de secundaire koeler toegevoegd om het gas van rond 800 °C tot 120 °C te koelen om een acceptabele inlaattemperatuur voor het zakfiltersysteem te bieden. Het uitlaatgas stroomt dan naar een jet stof filter zakhuis waar het ruwe zinkoxide wordt verzameld en dan naar een ID-ventilator waar het door een schoorsteen naar de atmosfeer wordt uitgeblazen.

SO₂-controle is normaal niet nodig in FASTMET-proces aangezien het merendeel van de SO₂ reageert met en wordt geabsorbeerd door de metallische oxiden in de gasrookstroom. Kalkaninjectie kan gebruikt worden om SO₂ verder te controleren. NOx wordt gecontroleerd door het gebruik van lage NOx-branders en nauwe operationele controle van lucht-naar-brandstofverhouding en verbrandingstemperaturen. Dioxinen en furanen worden vernietigd door de hoge temperaturen en lange verblijftijd binnen de RHF. Rookgaskoelsnelheid wordt gecontroleerd om dioxine en furaan herformatie te minimaliseren. Deeltjes worden uit het rookgas verwijderd door een zakfiltersysteem. Ruw zinkoxide wordt verzameld door het zakfiltersysteem en opgeslagen in een silo.

FASTMET-proces is een milieuvriendelijk proces. CO₂-emissie van FASTMELT-proces is rond 1,6 ton per ton hot metal (t/tHM) tegen ongeveer 2,1 t/tHM CO₂-emissie in het geval van mini-hoogovens. De emissie van NOx ligt in het bereik van 0,3 kilogram per ton hot metal (kg/tHM) tot 1,5 kg/tHM en die van SOx-emissie is rond 2,4 kg/tHM.

Voordelen van het FASTMET-proces

FASTMET-proces biedt een andere optie voor de afhandeling van het staalwerks metallurgische afval. Een FASTMET-installatie op een staalwerk kan de stof verwerken en twee primaire producten maken, DRI voor terugvoeding aan de primaire staalproductieoven, en ruw zinkoxide voor verkoop aan zinkverwerkers. Het maakt een verplichting tot een activum. De hoge kosten van afvoer worden geëlimineerd en een goedkope voorraad van ijzereenheden wordt beschikbaar.

De procesvoordelen omvatten: (i) erg lage fijnstofgeneratie in het proces resulteert in hoog zinkgehalte en erg laag ijzergehalte van de secundaire stof, (ii) hoge metallisering en hoge zinkverwijdering maken gereduceerd ijzerproduct herbruikbaar voor de primaire staalproductieoven, (iii) geen afval wordt gegenereerd voor afvoer, (iv) hoge temperatuurbehandeling ontbindt dioxinen, en (v) zinkstof kan economisch behandeld worden en wordt een product, geen afval.