Cokesovengas-injectie: verhoging van hoogovenefficiëntie en CO2-reductie

De ijzer- en staalindustrie is een van de grootste energieverbruikers en daarom verantwoordelijk voor hoge uitstoot van kooldioxide (CO2). Ondanks een opmerkelijke daling in specifieke CO2-uitstoot door de meeste staalfabrieken, groeit het totale bedrag aan CO2-uitstoot wereldwijd door de continue toename van de staalproductie, die een niveau van 1606 miljoen ton bereikte in 2013. Tegenwoordig staat de staalindustrie voor een toenemende eis om het energieverbruik en gasuitstoot te minimaliseren, met name bij ijzerproductieprocessen. Het efficiënte gebruik van bijproductgassen is essentieel voor de winstgevendheid van de staalfabriekexploitatie vanwege de hoge energievolumes en de betrokken kosten. De injectie van cokesovengas (COG) in de moderne hoogoven is een van de effectieve maatregelen voor de staalindustrie om laagkoolstof ijzerproductie, energiebesparing en emissiereductie te bereiken.

Cokes is een essentiële input voor het ijzerproductieproces en wordt geproduceerd door steenkool te verwarmen in cokesovens. Om cokes te maken, wordt steenkool verwarmd in afwezigheid van zuurstof om vluchtige stoffen eruit te drijven. COG ontstaat als bijproduct van het proces in het geval van bijproduct-cokesovenbatterijen die normaal in staalfabrieken geïnstalleerd zijn. Het specifieke bedrag aan COG gegenereerd tijdens cokesproductie in de bijproduct-cokesovens ligt in het bereik van 290 tot 340 Nm³/ton steenkoollading, afhankelijk van de vluchtige stoffen in de steenkoollading.

Het COG wordt momenteel gebruikt na reiniging van teer, naftaleen, ruwe benzeen, ammoniak en zwavel voor verwarmen van hoogovenstookovens, ontbrandingsovens in sinterinstallaties, verwaringsovens in walserijen en elektriciteitsopwekking in elektriciteitscentrales.

Het COG heeft een samenstelling die bestaat uit ongeveer 55%-58% H2, 25%-27% CH4, 6%-7% CO en enkele kleine percentages CO2, N2, koolwaterstoffen en andere elementen. Aangezien de samenstelling van COG rijk is aan waterstof, heeft het in de laatste jaren veel aandacht getrokken voor zijn benutting in reductieprocessen.

COG kan ook een reductiemiddel zijn in de hoogoven. COG-injectie is een proces dat het injecteren van grote volumes cokesovengas in de raser van een hoogoven (HO) omvat. Dit biedt niet alleen een aanvullende koolstofbron, maar versnelt ook de productie van vloeibaar ijzer en vermindert de behoefte aan metallurgische cokes voor reacties in de hoogoven. COG-injectietechnologie verlaagt ook absolute CO2-uitstoot en SO2-uitstoot vanuit de hoogoven.

Proeven met gasinjectie in de hoogoven werden in de VS in de jaren 1990 uitgevoerd.

In een poging om energie te besparen en kosten te verlagen, ontwikkelde USS (US Steels) een systeem op hun Mon Valley Works, net buiten Pittsburgh, Pennsylvania, dat hen in staat stelde COG in hun hoogovens te gebruiken. Hoewel andere staalfabrikanten in Noord-Amerika dit probeerden, was USS de eerste die met succes COG in hoogovens gebruikte. Om dit te bereiken, reinigt USS het gas grondig, verhoogt de druk ervan en gebruikt gewijzigde hoogoven Tuyeres. De implementatie van dit project kostte ongeveer 6 miljoen USD en resulteerde in een jaarlijkse besparing van 6,1 miljoen USD, wat een eenvoudige terugverdientijd van net onder één jaar opleverde. Naast kostenbesparing droeg de injectie van COG in de hoogoven ook bij aan een daling in energieverbruik en CO2-uitstoot.

De injectie van COG in de hoogoven heeft invloed op de raseromstandheden en ijzerertsreductie. De verbranding van COG-koolwaterstoffen voor de Tuyeres door blast-zuurstof resulteert in de ontwikkeling van koolstofmonoxide- en waterstofgassen, wat het potentieel van reducerend gas vergroot ten opzichte van N2. Theoretische berekeningen en commerciële proeven die werden uitgevoerd op de vervanging van aardgas door COG in de HO lieten lagere cokesverbruik en hogere ruw ijzerproductie zien. De hoge efficiëntie van COG is te wijten aan het feit dat het 3,5 tot 4 keer minder koolwaterstoffen bevat vergeleken met aardgas. Dit verbetert de verbranding in de Tuyere-hearth, activeert de cokeskolom en verhoogt de gasbenutting in de oven. Er is opgemerkt dat een hoger volume en hogere calorische waarde van HO-topgas kan worden gegenereerd door COG-injectie in de hoogoven. Ook de gemiddelde temperatuur stijgt door COG-injectie met de afstand van de lanspunt.

Het moet worden aangegeven dat de omstandigheden in de raser zeer complex zijn en ook de omstandigheden in de Tuyere beïnvloeden en dus de verbranding van de reducerende gassen. Verder is de temperatuurstijging hoger bij COG-injectie door een meer complete verbranding en door de hoge calorische waarde van het gas (rond 4000 tot 4400 kcal per normaal kubieke meter).

COG geïnjecteerd op Tuyere-niveau wordt normaal vergezeld door zuurstofverrijking van de hete blast. COG moet gecomprimeerd worden voor injectie en vereist dus een compressoreenheid, wat een toename in stroomverbruik betekent. De injectie van zuurstof in de blast vermindert de specifieke gasstroom, wat een reductie in de toptemperatuur en een toename in de adiabatische vlamtemperatuur (RAFT) in de Tuyeres veroorzaakt. Deze effecten worden gecompenseerd door de injectie van COG. Dus een gecombineerde injectie van zuurstof en COG op Tuyere-niveau verhoogt de productiviteit van de hoogoven. Elke 1% zuurstofverrijking van de hete blast verbetert de productiviteit met 2,0% tot 2,5%. Een typisch schematisch diagram van COG-injectie in de hoogoven is gegeven in Fig. 1.

Figuur 1 Schematisch diagram van COG-injectie in hoogoven

De injectie van COG in de hoogoven wordt in sommige landen toegepast met verschillende injectiesnelheden variërend van ongeveer 30 tot 280 Nm³/tHM. In sommige hoogovens wordt COG alleen incidenteel geïnjecteerd omdat de gratis beschikbaarheid op de geïntegreerde fabriek beperkt is. De flexibiliteit van het COG-gebruik kan worden verbeterd omdat gas kan worden verplaatst tussen de hoogoven en een andere gebruiker van het beschikbare gas, afhankelijk van de behoefte op dat moment. Zo vervangt het gas dat in de hoogoven wordt geïnjecteerd, alternatieve reductiemiddelen die van externe bronnen moeten worden aangekocht.

Verder is gerapporteerd dat het maximumniveau van COG-injectie aan de hoogoven Tuyere wordt geschat op 0,1 ton COG/tHM volgens de thermochemische omstandigheden. De cokes/COG vervangingsratio die normaal wordt bereikt is 0,4-0,45 kg/Nm³ (rond 0,98 ton cokes/ton COG) vergeleken met 0,8-0,85 kg/Nm³ voor aardgas (NG).

Een wiskundig model is ontwikkeld door MEFOS, Zweden voor een injectie Tuyere in een hoogoven om de verbranding te simuleren bij injectie van reducerend gas. De wiskundige modellering van de injectie van COG in de hoogoven Tuyeres wees erop dat betere verbrandingsomstandigheden en hogere injectiesnelheden worden bereikt door het gebruik van twee injectielansen in vergelijking met één lans. Injectie van COG met één lans resulteerde in (i) zeer inhomogene verdeling van temperatuur en snelheid, (ii) de stroom bereikt het einde van de raser met hoge snelheid, (iii) hoogste temperaturen aan het einde van de raser, en (iv) geen oververhitting van de Tuyere. Injectie van COG met twee lansen resulteerde in (i) aanzienlijk verminderde penetratiediepte, (ii) meer homogene verdelingen van temperatuur, snelheid en gasconcentratie, (iii) meer uniforme verbranding vergelijkbaar met zware olie-injectie, en (iv) geen oververhitting van de Tuyere. Andere punten met betrekking tot het gebruik van één lans of twee lansen in een typische hoogoven zijn:

• Bij gebruik van één injectielans is de maximale injectiehoeveelheid 10.000 Nm³/u. Als het injectiebedrag hoger is, zal een deel van het gas niet verbranden in de Tuyere maar in de hoogoven onverbrand binnendringen.
• Voor twee injectielansen wordt de maximale injectiehoeveelheid verhoogd tot 15.000 Nm³/u, door betere verbrandingsomstandigheden. De omstandigheden zijn beter omdat de instroomsnelheid van het gas lager is, de turbulente in de Tuyerepijp wordt versterkt, en meer van het cokesovengas in contact is met de blast, d.w.z. het reagerende oppervlak is groter.
• Het effect van het varieren van de injectiehoeken van de lansen op de voorspelde resultaten is niet duidelijk.

Een overzicht van een typisch Tuyere-lanssysteem is weergegeven in Figuur 2. Het omvat twee injectielansen voor COG-injectie, die in de blastpijp worden geïnsereerd, een blastpijp en een koperen Tuyere.

Figuur 2 Typisch Tuyere-lanssysteem met twee lansen.