Droge Granulatie van Hoogovenslak: Energieherwinning & Duurzaamheid Versterken

Bij de productie van één ton vloeibaar ijzer (hot metal) in een hoogovenschacht (BF) ontstaat ongeveer 300 kg vloeibare slak als bijproduct. Deze slak heeft een temperatuur van ~1500 °C en een gevoelige warmte van ongeveer 400 MCal per ton. BF-slak is rijk aan CaO, SiO₂, Al₂O₃ en MgO – componenten vergelijkbaar met Portlandcement.

Wanneer de hoge-temperatuur vloeibare BF-slak voldoende snel wordt afgekoeld, verkrijgt de slak een groot percentage glasfase met hoge hydraulische activiteit en kan dus als hogere-waarde product worden gebruikt, met name als substitutie voor Portlandcement. Dit is ook een goede manier om CO₂-uitstoot te reduceren, omdat cementproductie ook grote hoeveelheden CO₂ produceert.

Watergranulatie vs. Droge Granulatie

Om glasfase in BF-slak te verkrijgen, wordt de vloeibare slak onderworpen aan watergranulatie. Vandaag is snelle afkoeling van vloeibare slak in een gesloten water-slakgranulatiefabriek state-of-the-art. De snelle afkoeling in water voorkomt kristallisatie van de slak en breekt de slak in kleine deeltjes door thermische spanning. De vloeibare BF-slak verzilduit in een amorfe granulaat, gegranuleerde BF-slak. De niet-kristallisatiesnelheid van watergegranuleerde BF-slak kan 95% bereiken. In tegenstelling is de glasfase verkregen tijdens kristallisatie van vloeibare BF-slak door langzame afkoeling in de lucht zeer beperkt.

Watergranulatie van vloeibare BF-slak verbruikt echter grote volumes water (1000–1500 liter verdampingsverlies per ton verwerkte vloeibare BF-slak) en kan zuur mist genereren die luchtverontreiniging veroorzaakt. Daarnaast is er behoefte aan goed waterbeheer enerzijds en droging van de gegranuleerde BF-slak anderzijds. Niet alleen gaat de gevoelige warmte van de vloeibare BF-slak verloren, maar er is ook een upstream slakdroogingsunit nodig voor gebruik in de cementindustrie. Het drogingsproces verbruikt normaal warmte-energie tot 72 MCal/ton slak.

Ontwikkeling Droge Granulatie met Warmteherwinning

In het gebied van droge granulatie van vloeibare BF-slak met warmteherwinning wordt in veel landen aan procesontwikkeling gewerkt.

Voortgang in Europa

• Zweden (Merox Ltd, dochter van staatsstaalbedrijf): Slak gegranuleerd door vallende film te raken met reeds verzilduitde slakdeeltjes. Dit breekt de film in granulaten die in een meervoudig vloeibed vallen waaruit warmte herwonnen wordt. Beclaimd: >60% van gevoelige warmte in slak herwonnen als stoom; slakproduct heeft hoge glasinhoud → geschikt voor cementfabricage.
• VK (British Steel, nu Tata Steel, Redcar, jaren '90): Eerste tests droge slakgranulatie. Afstand atomisatiekop tot kamermuur ~10 m om aanbakken te voorkomen. Deeltjes met zelfde kwaliteit en amorfe structuur als natte granulaat gevonden → droge methode toekomstvatbaar. Maar opschaling niet gerealiseerd.
• Tsjechië (Vitkovice, 2002–2004): Kleiner ontworpen granulator voor massastroom 20 kg/min vloeibare slak, zonder warmteherwinning. Tests succesvol.
• Duitsland (Siemens VAI + Montanuniversität Leoben): Nieuwe droge slak lab-rig (DSG) geïnstalleerd voor R&D. Partners: voestalpine Stahl, ThyssenKrupp Steel Europe, FEhS-Institut. Gefinancierd door BMWi. DSG ontworpen om nadelen natte granulatie te vermijden. Doelstellingen: (1) gegranuleerde slak voor cementindustrie met bijna dezelfde eigenschappen (>95% glas) als natte methode, (2) hete lucht uit slakafkoeling voor warmteherwinning. DSG gebaseerd op 'Rotterende Kop' (Davy principe): vloeibare slak geatomiseerd door kop die variabel kan roteren. Vloeibare deeltjes bevriezen tijdens vlucht naar granulatorwand voor het vallen in een ontwikkeld vloeibed van verzilduitde deeltjes.

Lab-rig op Leoben ontworpen op basis van labtesten FEhS en modellering Siemens VAI voor optimale operatieve parameters (hoge kwaliteit granulaat, hoogste luchtuittreedtemperatuur). Per proef ~300 kg slak gesmolten in 'Flash-Reactor'. Vloeibare slak getapt in speciale slakpotten met refractaire voering tegen warmteverlies. Pot in kantelunit nabij granulator gemanipuleerd. Slakvoeding meet/controlleerbaar via belastingcellen. Slak geleverd aan centrum granulator via slakloop en verticale refractaire buis. Na atomiseren: slakdruppels koelen snel af tijdens vlucht naar wand, verspreid door snelle roterende kop. Deeltjesoppervlak moet verzilduien tijdens korte vluchttijd voor val in ontwikkeld vloeibed.

Werk in Australië (CSIRO)

Onderzoek bij CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation) toonde op laboratorium- en pilotschaal aan dat droge granulatie slak produceert geschikt als cementsubstitut; en dat warmte vrijgegeven bij slakafkoeling gevangen kan worden door klein luchtvolume → geschikt voor hoogwaardige warmteherwinning. Project gepland met doel verdere ontwikkeling droge granulatiemethode, nadruk op afvalwarmte-opvang bij slakafkoeling en know-how voor opschaling van pilot naar industriële schaal. Deel van Australische staalindustrie bijdrage aan World Steel Association CO₂ Breakthrough Program.

Doel: droge granulatieproces ontwikkelen dat hoogwaardige slak produceert EN afvalwarmte herwint, met techno-economische, energie- en duurzaamheidsvoordelen op pilotschaal. Ook opschaling en demonstratie via plantproeven.

Geïntegreerde droge granulatie en warmteherwinning succesvol gedemonstreerd via prototype pilootfaciliteit bij CSIRO. Proces presteerde goed: soepel bedrijf onder variable condities, hoge slaktapsnelheden. Veel tests met industriële BF-slakken; gegranuleerde producten verzameld, gekarakteriseerd, beoordeeld op cementitieuze eigenschappen. Derde-partij lab bevestigde: droge gegranuleerde slakken hebben goede cementitieuze eigenschappen, geschikt voor cementproductie.

Techno-economische evaluatie: droge slakgranulatie heeft significante voordelen over natte granulatie in kapitaal- en operationele kosten. Plantbezoeken voor data over gietssnelheden en temperaturen slak/warm metaal bij OneSteel Whyalla en BlueScope Port Kembla. Data geassesseerd voor implementatie droge granulatie, gerapporteerd.

Geavanceerde CFD-modellering (Computational Fluid Dynamics) van droge granulatie succesvol. CFD-model voor warmteoverdracht en vloeistofmechanica in roterende schijf atomisatie samengesteld en gevalideerd met experimentele data van CSIRO piloot. Conceptueel bedrijfsplan voor volgende projectfasen ontwikkeld.

Werk in Japan

Drie aparte schema's in onderzoek:

• Sumitomo Metals Industries: Droge granulatie BF-slak waar stroom slak breekt bij inslag op roterende trommel. Deeltjes vallen in vloeibed waar warmte herwonen wordt. Doel: deeltjesslak als rivierzand substitutie + ~55% warmteherwinning in hete luchtstroom.
• Mitsubishi Heavy Industries & Nippon Kokan KK: Granulatie basiszuurstofoven slak met krachtige luchtblaas die slakstroom verbreekt. Deeltjes verzilduien tijdens vlucht door lucht; warmteherwinning door straling van sproeideeltjes en uit vloeibed waar deeltjes in vallen.
• Kawasaki Steel Corporation: Warmteherwinning BF-slak via granulatie door mechanische agitatie, warmteherwinning door straling en later van gegranuleerde deeltjes in vloeibed. Slakproduct als骨料 (aggregate) voor bouwindustrie.

Droge Slakgranulatie met Rotterende Kop Luchtblaas Atomisator

Essentie: vloeibare slak atomiseren → deeltjes snel afkoelen → glasrijke slak. Atomisatie via rotterende kop luchtblaas atomisator. Deeltjes koelen af tijdens vlucht door lucht en verder in vloeibed. Beide processen leveren snelle afkoeling voor glasrijke slak. Vloeibed handig: voorkomt agglomeratie van hete deeltjes + snelle afkoeling.

Deeltjes met gemiddelde diameter ~2 mm produceren → slakproduct in gemakkelijk te hanteren vorm. Tests tonen: deeltjes voldoende snel gekoeld voor glasgehalte >95%. Weinig slakwol geproduceerd. Principe rotterende kop atomisator in Figuur 1.

Figuur 1: Principe van rotterende kop atomisator

Voordelen Rotterende Kop Luchtblaas Atomisator

• Fijne controle: Deeltjesgrootte instelbaar via rotatiesnelheid kop OF luchtblaasstroom. Relatief smalle deeltjesgrootteverdeling. Probleem rotterende kop in contact met vloeibare slak oplosbaar met zorgvuldig ontwerp en juiste materialen.
• Lager vermogen: Aangedreven vermogen aanzienlijk lager dan tweevloeistof atomisator. Tweevloeistof atomisator vereist >20x zoveel vermogen voor vergelijkbare deeltjesgrootte → kan kostenbesparing warmteherwinning met 5% beïnvloeden.
• Trajectorie naar buiten en omhoog: Opwaartse beweging betekent dat atomisator gebruikt kan worden bij beperkte hoogte tussen slakafgiftpunt en grond (bijv. gietvloer ~7 m boven grond).

Rotterende kop luchtblaas atomisator werkt door dunne film slak radial van de kiprand te slingen. De film breekt van zich af; ringvormige luchtstraal rond de kop assisteert breuk door instabiele golven in de film te induceren. Luchtblaas produceert kleinere deeltjes van uniformere grootte en deftelt deeltjes omhoog → kegelvormige sproeistroom uitgaande van atomisator.

Warmteherwinning uit Slak

1. Straling en convectie tijdens vlucht: Sproeideeltjes verliezen warmte door straling aan vat en convectie aan lucht in vat. Vluchttijd ~0,1 s → temperatuurdaling ~100–200 °C.
2. Impact op vatwand: Warmteoverdracht van slak naar wand. Tests tonen: bij relatief koele wand plakken deeltjes niet; stuiteren direct af of vallen na zeer korte tijd. Contacttijd ≪0,1 s → temperatuurreductie ~150 °C.
3. Val naar primair vloeibed: Meer warmteverlies door straling/convectie.
4. Restwarmteherwinning in vloeibedden: Warmteoverdracht aan vloeibedlucht en/of gedompelde ketelbuizen/andere warmteoverdrachtsoppervlakken. In vloeibed: vloeibedlucht en vastestoffen verlaten bed bij zelfde temperatuur als vastestoffen in bed. Temperatuur secundair bed kritisch: te heet → herwinbare warmte verspild; te koud → bruikbaarheid hete vloeibedlucht bij uitlaat verminderd.

Experimenteel Werk

Initiële doelstelling: onderzoeken of atomisatieproces kleine slakdeeltjes produceert met glasachtige structuur. Rotterende-kop, luchtblaas atomisator gebouwd: kop 100 mm diameter, snelheidsbereik 500–1500 rpm. Slakstroomsnelheden 0,2–0,5 kg/s. Testduur ~2,5 min (beperkte capaciteit labsmaltoven ~30 kg).

Initiële tests bewijzen: proces werkt; kleine deeltjes met 95% glasgehalte geproduceerd. Verdere tests voor deeltjesgrootte en sproeitrajecten.

Gevoelige warmte in vloeibare slak ten opzichte van 30 °C bij vertrek uit BF op 1500 °C: ~400 MCal/kg. Van totale slakstroom: ~14% overlopen slakaccumulator naar afval. Van overige 86%: 32% warmte-inhoud niet herwinbaar omdat:

• Latente warmte van kristallisatie niet vrijgegeven bij glasrijke slakvorming
• Vaste slakproduct ontslagen bij 250 °C
• Warmteverliezen in slakaccumulator

Alleen 58,5% van de gevoelige warmte-inhoud van de slak afgevoerd uit de BF kan herwonnen worden.

Hoofduitdaging en Toekomstperspectief

Hoofduitdaging droge granulatie: snelle bevriezing van slak garanderen om transformatiepunt zeer snel te bereiken. Anders: niet volledig glasrijk maar deels kristallijn → ongeschikt voor cementindustrie. Afkoeling met lucht veel moeilijker door aanzienlijk lagere warmtecapaciteit vs. water in conventionele granulatie. Bovendien verhit lucht tijdens stroming door geagiteerd bed → temperatuurverschil verslechtert instelproces.

Initiële campagnes toonden veelbelovende resultaten: glasgehalte, korrelgrootteverdeling, deeltjesvorm. Ook significante afgastemperatuurstijging gemeten. Met verkregen data: procesoptimalisatie en opschaling voor toekomstige onderzoeken realiseerbaar. Met droge slakgranulatie in geïntegreerde staalfabrieken winnen molens toegang tot gevoelige warmte van BF-slak. Herwonnen energie bruikbaar voor stoom-/elektriciteitsopwekking of andere nuttige voorverhittingsprocessen. Energiepotentieel: ~20 MW thermisch of ~6 MW elektrisch bij slakvoeding 1 ton/min. Zonder upstream drogingssysteem voor BF-slak → energie en CO₂ besparing. Samengevat: droge granulatie van hoogovenslak stelt milieuvriendelijke, duurzame naverwerking in voor een van de grootste warmteherwinningspotentialen bij een moderne hoogovenschacht.