Optimalisatie van Direct Gereduceerd IJzer (DRI) productie met cokesovengas als reductiemiddel

Direct gereduceerd ijzer (DRI) is technisch gedefinieerd als ijzererts dat gereduceerd is tot metaal zonder het te smelten. Een DRI-productieproces is een proces waarbij vast metalen ijzer direct verkregen wordt uit vast ijzererts zonder het erts of het metaal te smelten. De belangrijkste DRI-productieprocessen zijn ofwel gasgebaseerd ofwel koolstofgebaseerd. Voedmateriaal in een DRI-proces is ofwel ijzererts gegroepeerd tot 10 tot 30 mm of ijzerertspellets geproduceerd in een ijzerertspelletfabriek.

Gasgebaseerde DRI-productie

In de gasgebaseerde fabriek is de reactor, waar de reductiereactie plaatsvindt, een schachtoven. De schachtoven werkt op het tegenstroomprincipe waarbij het ijzerhoudende voedmateriaal naar beneden beweegt in de oven door zwaartekracht en gereduceerd wordt door de opwaarts stroomende reducerende gassen. In een gasgebaseerd proces worden gasvormige brandstoffen gebruikt. Deze brandstoffen moeten in staat zijn te reformeren of te cracken om een mengsel van H2 (waterstof) en CO (koolstofmonoxide) gas te produceren. Hoog methaan bevattend aardgas is het meest courante gas. Aardgas wordt gereformeerd om te verrijken met H2 en CO mengsel en dit verrijkte en gereformeerde gasmengsel wordt voorverhit.

Cokesovengas (COG) is een bijproduct van het cokesproductieproces in bijproduct cokesovenbatterij. COG bestaat uit een complex mengsel van diverse gassen. De samenstelling bestaat typisch uit 55% H2, 6% CO, 25% CH4 (methaan), plus kleine percentages van CO2 (koolstofdioxide), H2O (vocht), zware teers, vluchtige koolwaterstoffen en zwavelverontreinigingen. Het bevat ook enige N2 (stikstof). COG wordt typisch gebruikt als brandstofgas voor diverse verwarmingsapplicaties binnen de staalfabriek, en overtollig COG wordt gebruikt om stoom, elektrisch vermogen te produceren of wordt geflaard. Gebruik van COG voor DRI-productie is altijd van belang geweest, maar de uitdaging is het converteren van methaan naar CO en H2 en de opschoning van de teers en vluchtige koolwaterstoffen. Elke ton geproduceerde cokes genereert voldoende COG om één ton DRI te produceren.

De productie van DRI in de geïntegreerde staalroute gebaseerd op de benutting van beschikbaar bijproduct COG is een heel recent fenomeen. Gebruik van COG heeft diverse voordelen zowel van economisch als van milieu-oogpunt.

Het gebruik van overtollig COG als reducerend gas om DRI te produceren herstelt 97% van de beschikbare energie vergeleken met het herstellen van 30% tot 40% door het verbranden van COG om elektrisch vermogen te produceren.

De twee grote processen, nl. Midrex en HYL, hebben twee verschillende benaderingen voor het gebruik van COG voor de productie van gasgebaseerde DRI.

Midrex proces

Midrex begon al in de jaren 1970 te kijken naar methoden van het gebruik van cokesovengas in directe reductie. Het hoofprobleem betrof de aanwezigheid van onverzadigde koolwaterstoffen, teers en vloeistoffen, alsook hoge niveaus van methaan en zwavelverbindingen in het rauwe gas. De vroegste studies focusten op het conditioneren van het gas om te gebruiken als voedgascomponent voor een Midrex reformer.

Gebaseerd op ontwikkelingen in partiële oxidatietechnologie besloot Midrex de mogelijkheid van het gebruik van deze technologie te onderzoeken om COG te conditioneren als een geschikt reducerend gas voor het MXCOL proces. Echter het nadeel van partiële oxidatie is altijd de noodzakelijke toevoeging van stoom aan de reactanten om de roetvorming te verminderen als resultaat van de zuurstofreacties.

Rond midden 2011 heeft Praxair een partiële oxidatietechnologie ontwikkeld die ze commercieel aanboden.

Deze partiële oxidatietechnologie heeft unieke kenmerken die de potentie boden om partiële oxidatie van koolwaterstoffen te doen, roetvrij, zonder stoominjectie. Wanneer deze technologie gecombineerd wordt met een uitgebreide thermische reactiekamer waarin een stroom voorverhit cokesovengas geïnjecteerd wordt, is het productgas dat de reactor verlaat geschikt voor gebruik als reductiebron voor directe reductie. Al deze apparatuurgroepering, inclusief gascompressie, voorverhitting en reageren, vormt het thermische reactorsysteem (TRS).

De TRS gebruikt de technologie van Praxair voor partiële oxidatie van COG. Het systeem produceert een in-situ, hete extreme snelheid zuurstofstraal die snel voorverhit COG in zich opneemt, het methaan reformeert, zware koolwaterstoffen afbreekt en de teers vernietigt zonder de noodzaak voor enige katalysator. Gereformeerd syngas verlaat dan de TRS en wordt in de schachtoven gevoerd om DRI te produceren.

Tijdens de pilotschaaltesten werd meer dan 96% teervernietiging bereikt samen met geoptimaliseerde methaanreforming. Daarnaast werden bedrijfscondities ontwikkeld voor vermijding van netto roetgeneratie.

Deze pilotschaal testresultaten werden opgeschaald in een 1/20ste schaal demonstratiefabriek bij de uitgebreide onderzoeksfaciliteiten van Midrex in Charlotte, NC. De typische resultaten verkregen uit de COG demo testoperaties zijn gegeven in Tabel 1.

Tabel 1 Typische resultaten uit de COG demo testoperaties

De twee hoofbeschikbare TRS-opties voor gebruik van COG zijn met een MXCL flowsheet en met een Midrex reformer.

Gebruik van COG met het MXCOL proces

Het MXCOL proces werd oorspronkelijk ontwikkeld om syngas van kolengasificateurs te benutten om DRI te produceren. Het proces integreert het gebruik van een CO2-verwijderingssysteem, typisch gebruikmakend van een amine-oplossing gebaseerde verwijderingstechnologie, en een stralingsbuis procesverhitter om het reducerende gas en syngas te verwarmen voor de ovenhaakse. Typische flowsheet van MXCOL proces met het gebruik van COG is gegeven in Figuur 1.

Gebruik van COG met een Midrex reformer

De TRS kan de bestaande voorraad van syngas die nodig is voor elke ton DRI aanvullen. Toevoeging van COG direct in de standaard Midrex proces flowsheet kan bereikt worden door het gas toe te voegen aan ofwel de overgangszone of de haakse gas zoals getoond in 1 van Figuur 2. Hierbij worden de met-zone temperaturen, en de reformerende activiteit van de met-zone de teers en vluchtige koolwaterstoffen in de COG vernietigd en geconverteerd. Het probleem is echter dat wanneer de snelheid van COG-toevoeging een kritiek punt bereikt, de fabriek een export brandstofconditie bereikt waarin meer topgas brandstof gegenereerd wordt dan wat de reformer kan verbruiken. COG kan ook als branderbrandstof gebruikt worden (2), maar het netto effect is dat COG toegevoegd aan de branders een export hoeveelheid topgas brandstof zal genereren. De toevoeging van COG in de haakse gas (3) of voedgas (4) kan gedaan worden met een TRS, wat ook de toevoeging van een CO2-verwijderingssysteem vereist om de export brandstof te controleren die zou resulteren uit de COG-toevoeging.

HYL proces

Volgens de huidige stand van de technologie, werd het HYL ZR (Zelf-reformerend) proces ontwikkeld om reductie van ijzererts in een schachtoven toe te laten zonder externe gasreformeringapparatuur. Dit processchema heeft de mogelijkheid om hoog koolstof DRI te produceren, wat producenten toelaat om maximaal te profiteren van koolstof in het staalproductieproces. De recente alliantie tussen Tenova HYL, Techint en Danieli brengt een nieuwe merknaam voor dit proces. Het proces is nu bekend als 'Energiron'.

In regio's waar aardgas ofwel duur is of een lage beschikbaarheid heeft, kan het proces gemakkelijk geconfigureerd worden om te opereren met COG, syngas van kolengasificateurs en andere koolwaterstofbronnen.

Aangezien alle reducerende gassen gegenereerd worden in de reductiesectie, profiterend van het katalytische effect van het metalen ijzer binnen de schachtoven, wordt optimale reductie-efficiëntie bereikt in dit proces. Dus een externe reducerende gas reformer is niet vereist.

Het basis Energiron schema stelt het directe gebruik van aardgas toe. Natuurlijk kunnen Energiron fabrieken ook de conventionele stoom-aardgas reformerende apparatuur gebruiken, wat lang het proces heeft gekenmerkt. Andere reducerende middelen zoals COG, waterstof, gassen uit vergassing van kolen, petcokes en vergelijkbare fossiele brandstoffen, zijn ook potentiële bronnen van reducerend gas afhankelijk van de specifieke situatie en beschikbaarheid. De flowsheet van het proces is in Figuur 3.

Daarnaast kan de DR fabriek ontworpen worden om hoog koolstof DRI, hete DRI te produceren, wat direct gevoerd kan worden naar een aangrenzende EAF door het HYTEMP systeem of naar briketteringseenheden om HBI te produceren of enige combinatie van deze producten.

De algehele energie-efficiëntie van het ZR proces wordt geoptimaliseerd door de integratie van hoge reductietemperatuur (boven 1050 °C), 'in-situ' reformering binnen de schachtoven, alsook door een lager gebruik van thermische apparatuur in de fabriek. Daarom neemt het product het grootste deel van de aan het proces geleverde energie op, met minimale energietverliezen aan de omgeving.

Het proces stelt in staat om koolstofniveaus tot 5,5% te bereiken, door het verbeterde verkoolingspotentieel van de gassen binnen de reactor en het grootste deel van de koolstof is aanwezig in de vorm van ijzercarbide.

Hoewel de chemische samenstellingen van COG en aardgas (NG) heel anders zijn, kan COG direct in het ZR proces gebruikt worden met dezelfde basisconfiguratie, eigenlijk is de gassamenstelling die de reactor binnenkomt erg vergelijkbaar zoals aangegeven in Figuur 4 voor zowel ZR gebaseerd op aardgas als ZR gebaseerd op COG. Typische vereiste van COG voor DRI-productie, gebaseerd op het HYL-ZR proces is ongeveer 9,5 GJ/t DRI, voor een DRI van 94% metallisatie en 4% koolstof.