Efficiënte ijzerproductie met roterende hearthoven: Directe reductie met niet-cokerende kool

IJzerproductie in de roterende hearthoven (RHF - Rotary Hearth Furnace) is een directe reductieproces dat niet-cokerende kool gebruikt voor de reductie van ijzererts. De RHF is de procesreactor bestaande uit een plat, refractair hearth dat roteert binnen een stationaire, cirkelvormige tunneloven. Binnen de RHF vindt directe reductie van ijzererts of ijzerhoudende afvalmaterialen plaats, met kool als reductiemiddel.

Geschiedenis en toepassingen

RHF is geen nieuwe technologie. Het wordt succesvol toegepast in diverse industriële toepassingen: warmtebehandeling, calcinatie van petroleumcokes, afvalbehandeling, en niet-ferro hoge-temperatuur metaalherwinning.

De geschiedenis van ijzerproductie in RHF gaat terug tot de midden 1960er jaren met de ontwikkeling van het 'Heat Fast' proces door Midrex. Sindsdien zijn verschillende RHF-gebaseerde ijzerproductieprocessen ontwikkeld: 'Fastmet'/'Fastmelt', ITmk3 (commercieel operationeel), 'Redsmelt', 'Inmetco', 'Iron Dynamics', 'DRyIron', 'Comet'/'SidComet', en Hi-QIP. Fastmet/Fastmelt en ITmk3 worden apart beschreven.

Redsmelt proces

Ontwikkeld voor laagkost, milieu-vriendelijke ijzerproductie als alternatief voor traditionele hoogovenroute. Capaciteit: 0,3 tot 1,0 miljoen ton/jaar ruw ijzer. Kan breed bereik ijzererts-fijnen en afvalmaterialen uit staalfabriek verwerken.

Redsmelt is gebaseerd op RHF die groene pelletten (gemaakt van fijn ijzererts, reductiemiddel-fijnen, bindmiddelen) reduceert tot hete, gemetaliseerd direct gereduceerd ijzer (DRI) dat geladen wordt in een lichtboogoven (SAF - Submerged Arc Furnace). Proces werkt bij hoge temperatuur en atmosferische druk.

IJzeroxide voedsel: groene pelletten van fijn ijzererts, reductiemiddel, bindmiddelen. Bindmiddelen geven mechanische sterkte voor afhandeling. Pelletten gezeefd op rolscherm 8-16 mm. Onder/oversize gerecycled naar pelletschijven. Pelletten gedistribueerd op RHF in laag tot 30 kg/m². Doorlooptijd 12-18 minuten, opwarming tot 1370 °C. Droging, koolontvluchtiging, ijzeroxide reductie tijdens verwarmen. Intieme contact ijzeroxide-kool bij hoge temperatuur geeft zeer snelle reactiesnelheid. Om re-oxidatie van gemetaliseerd ijzer te voorkomen, finale zones sub-stoechiometrische atmosfeer. Het hete DRI product gaat naar SAF voor smelten tot ruw ijzer en slak. Zie Figuur 1 voor stroomdiagram.

Inmetco proces

Ontwikkeld door International Nickel Corporation (INCO), Canada in 1978. Naam 'Inmetco' (Inco + met) voor herwinning van metallurgisch afval. Ook bruikbaar voor ijzererts-fijnen en combinaties.

Gebaseerd op RHF die briketten (fijn ijzererts <250 µm, fijn kool/cokes/char <25% vluchtige stof) reduceert tot hete, gemetaliseerd DRI dat direct in inductieoven of lichtenboogoven geladen kan worden. Proces bij hoge temperatuur en lichte negatieve druk.

IJzer voedsel: schijfpelletten. Gedistribueerd op RHF in laag ~3 pelletten diep via kantelende bandtransportband. Snelwerkend bindmiddel stelt transport naar hearth zonder degradatie toe. Hearth roteert continu; pelletten verhit door branders aan omtrek tot 1250-1300 °C in 10-15 minuten. Branders in groepen: verhittingszone (~1/3 hearthoppervlak) en reductiezone (~2/3). Branders aan binnen- en buitenomtrek. Hete DRI product verzameld in N₂-gepurgeerde transportbakken of direct in elektrische oven voor smelten. RHF onder lichte negatieve gedrukt, afgedicht door watersealgot. Zie Figuur 2.

Iron Dynamics proces (IDI)

Gebaseerd op RHF die koolstofhoudende ijzeroxidelading reduceert tot metallisch ijzer dat geladen wordt in SAF voor complete reductie, smelten en ontzwaveling. Smelten van DRI stelt fascheiding van vloeibare slak en ijzer toe.

IDI proces bestaat uit vijf gebieden: (i) grondstofontvangst, (ii) erts en reductant (kool) verfiijnen/voorbereiden, (iii) pelletiseren, (iv) roterende hearth reductie, (v) SAF smelten. Na ontvangst erts gedroogd tot <0,5% vocht met RHF afgas. Ets beneficieerd met magnetische scheiders en schermen om gangue te verminderen. Vermalen tot 50% min 200 mesh. Kool naar kool/fluxsteen verfijnaars voor 80% min 200 mesh. Gemalen erts en kool intensief gemengd met bindmiddelen en water in menger, naar schijfpelletizers. Natte pelletten gedroogd <1% vocht, voorverhit tot 150 °C in circulaire rooster droger. Pelletlader legt gedroogde groene ballen in 25-40 mm lagen op ovenhearth. Aardgasgevuurde RHF heeft 8 reactie zones. Temperatuur, gasstroom, gassamenstelling gecontroleerd per zone. DRI bij ontlading ~85% metalisatie. Additiefaciliteit voegt flux, cokes, silica toe aan DRI transportladen voor slakchemie in SAF. Uitlaatsysteem verwijdert warmte, stof, SO₂, NOx. Nachtdeler verbrandt resterend CO in watergekoelde kanaal. Gas gekoeld, NOx verwijderd in primaire koeler. Uitlaatgas voorverhit verbrandingslucht en levert warmte aan erts, kool, pellet drogers. Na pelletdroger gas gefilterd, SOx verwijderd voor schoorsteenuitlaat. DRI en additieven vallen in slaaglaag SAF waar smelten plaatsvindt. Gemiddelde metalisatie ~95,8%. Slak getapt in slakpotten naar verwerkingsfaciliteit. Zie Figuur 3.

DRyIron proces

Ontwikkeld door Maumee Research & Engineering Inc. (MR&E). Gebaseerd op RHF die groene pelletten/briketten (fijn ijzeroxide afval, verfijnde niet-metallurgische kool) reduceert tot hete, gemetaliseerd DRI (>90%). Hoge temperatuur, atmosferische druk, korte verblijftijd, herwinning van ijzerhoudend afval.

IJzeroxide voedsel: groene pelletten/briketten van fijn ijzeroxiden en kool/cokes, elimineren voordroging. Onder ideale theoretiche condities (1300 °C) reageert ijzeroxide met vast koolstof tot metallisch ijzer met CO₂ vrijmaking. Theoretische verhouding vast koolstof/ijzeroxide = 1,5:1.

DRyIron geformuleerd voor C/O verhouding 6:1, resulterend in evolutie van CO en CO₂ en residueel koolstof ~4%. Sleutel: CO/CO₂ verhouding controleren voor minimalisatie re-oxidatie, koolstofverbruik, verblijftijd. Tijdens doorloop oven tot 1300 °C. Droging, koolontvluchtiging, ijzeroxide reductie. Intieme contact ijzeroxide-kool bij hoge temperatuur = snelle reactie. Hete DRI product kan via diverse opties naar staalsmelterij geleverd worden. Zie Figuur 4.

Comet en SidComet processen

Comet proces, ontwikkeld door Centre de Recherches Metallurgiques (CRM), België, is een koolstofgebaseerd systeem dat sponsijzer produceert uit ertsfijnen en kalksteen in RHF. Produceert lage gangue, lage zwavel DRI uit ijzererts en koolfijnen. Labtests toonden haalbaarheid en flexibiliteit: bedienbaar met elke koolsoort of vast reductiemiddel (inclusief bruinkool, cokesbree), geschikt voor herwinning ijzerhoudend metallurgisch afval. Labinstallatie 100 kg/uur nov 1996. Pilot 1,5 ton/uur bij Sidmar, Gent. Metalisatie bevestigd. Productiviteit, kosten, energie, milieu gequantificeerd.

Bij Comet: ijzererts- en koolfijnen niet gemengd/pelletiserd maar in afwisselende lagen op hearth geladen. Kalksteen toegevoegd voor zwavelcontrole in kool. Temperatuur reductiezone ~1300 °C. Aardgas, cokesovengas, verfijnde kool etc. verbrand voor warmte. Post-verbranding van vluchtige stoffen en CO levert extra warmte. DRI-lagen ondergaan sinteren door hoge temperatuur. Overmaat char blijft poederachtig, scheidbaar via scherm. Uitlaatgas verdere post-verbranding buiten oven, warmte voor proceslucht en lading. Door hogere hearthbelasting is verwerkingstijd meestal veel groter dan pellet-gebaseerde processen. Zie Figuur 5.

SidComet lijkt op Comet; verschil: ijzererts- en koolfijnen als mengsel toegevoerd. Verblijftijd vergelijkbaar. Door hogere verblijftijd blijft productiviteit meestal lager dan pellet-gebaseerde processen.

Hi-QIP proces

Op basis van concepten: (i) geen aardgas/cokeskool nodig als reductiemiddel, (ii) ijzerproduct vrij van gangue, (iii) apparatuur zo simpel mogelijk, (iv) minimale energierestitutie, en experimentele resultaten, ontwikkeld nieuwe ijzerproductieproces Hi-QIP (High-Quality Iron Pebble). Nieuw koolstofgebaseerd proces voor hoge kwaliteit ijzer. Vergelijkbaar met ITmk3 doordat gesmolten gereduceerd ijzer in RHF mogelijk is. Proces toestaat fluctuerende menging grondstoffen. Ontwikkeling pilotplant fase.

Twee kenmerkende eigenschappen vs. gelijkaardige processen: (i) laag koolstofhoudend materiaal op roterende hearth, (ii) smelten van gereduceerd ijzer in oven. Hoofdreactor: RHF. Grof/fijnkorrelig ijzererts, kool, kalksteen als grondstoffen. Lomp materiaal niet overwogen. Koolstofhoudend materiaal (bijv. kool) gelegd op hearth, kleine bekervormige holtes gevormd door rol. IJzererts (ijzerbron), kool (reductiemiddel), kalksteen (flux) gemengd en op koolstoflaag geladen, verhit door branders. IJzererts gereduceerd en gesmolten, kool in laag vergast en fungeert als reductiemiddel. Kalksteen smelt, vormt slak met gangue/as componenten. Vloeibaar ijzer en slak vloeien in holtes, waar ze door chiller verstijven tot 'pebbles'. IJzer- en slakpebbles ontladen door schroefapparaat.

Algemene kenmerken ijzerproductie in RHF

Algemeen processtroom tijdens ijzerproductie in RHF in Figuur 6.

Reductie van ijzererts/kool agglomeraten in RHF is cokes-vrij, milieu-vriendelijk. Productiviteit en energie-efficiëntie zijn echter laag door ondiepe bedhoogte, lage reactietemperaturen, onvoldoende koolstofadditieven in pelletten. Kinetiek reductie ijzeroxide in agglomeraten is zeer temperatuurgevoelig (sterk endotherme reacties). Hogere temperatuur bevordert re-oxidatie van nieuw DRI door CO₂/O₂. In huidige praktijk: beddiepte ondiep (2-3 pelletten hoog), vast reductiemiddel laag in vluchtige stof. Gasstroom die pelletten beschermt tegen re-oxidatie is zwak en onstabiel. CO/CO₂ > 2 handhaven geeft slechte brandstofefficiëntie; lage proces temperatuur beperkt productiviteit.

Succesvol gebruik RHF technologie voor directe reductie hangt af van toepassing via juiste procesengineering. Als RHF correct geïntegreerd in globaal proces en directe reductie correct toegepast, resulteert in energie-efficiënt, milieu-vriendelijk, economisch systeem voor kwalitatief alternatief ijzer.

Koolstofgebaseerd direct reductie concept met RHF is simpel. Commerciële implementatie is echter niet gemakkelijk gerealiseerd.

Procesconcept en vergelijking enkellaag vs. meervoudig laden in Figuur 7.

Belangrijke reacties tijdens ijzerproductie in RHF

• FeₓOᵧ + y C = x Fe + y CO
• FeₓOᵧ + y CO = x Fe + y CO₂
• C + O₂ = CO₂
• C + CO₂ = 2 CO

Zones in de RHF

Drie tot vier hoofdzones: (i) voorverhitzone, (ii) hoofdreductiezone, (iii) eindreductiezone, (iv) afkoelzone. Ovenatmosfeer gecontroleerd voor thermische en metallurgische eisen met controle brandstof/zuurstof verhouding. Hogere zuurstofpotentieel in voorverhitzone voor maximale chemische energie-onttrekking aan brandstof verbrand in deze zone. Verwijderen ingeperste vocht en vluchtige stoffen ook hier. Twee reductiezones hebben veel lagere zuurstofpotentieel ter preventie re-oxidatie gereduceerde pelletten. In reductiezones: ijzeroxide en andere onzuiverheidsmetaaloxiden gereduceerd tot metalen vorm. In afkoelzone DRI gekoold <300 °C voor ontlading.

Warmtebronnen en reductiemiddelen

Naast verbrandende brandstof: post-verbranding CO gas gegenereerd tijdens reductie vermindert energiebehoefte. Soms secundaire lucht geïnjecteerd voor post-verbranding uitlaatgassen. Verbranding vluchtige stoffen levert warmte. Klein beetje warmte bij verbranding koolstof in pelletten/briketten.

Niet-cokerende kool en soms laagwaardige koolstofhoudende materialen inclusief afvalplastic bruikbaar in RHF als reductiemiddel. Gebruik laagwaardige reductiemiddelen stelt RHF in staat metallisch ijzer te produceren door ijzeroxide reductie. Percentage vluchtige stof in koolstofreductiemiddel is kritisch. Snelle gasontwikkeling verhoogt interne druk, kan pelletten/briketten breken. Te vermijden door hoge percentage lump in product DRI te houden.

Hearthrotatiesnelheid extern te controleren. Snelheid hangt af van reactiviteit grondstoffen. Normaal: verblijftijd lang genoeg voor hoge metalisatiegraad pelletten/briketten.

RHF normaal bij kleine negatieve druk geopereerd om lekken ovengas naar omgeving te voorkomen, afgedicht met watersealgotten.

Doorgaans voordelig gevoelige warmte van hete DRI te benutten door heet laden in smelter. Bij vertraagd smelten: gebruikelijke praktijk DRI omzetten in hot briquetted iron (HBI) om re-oxidatie te minimaliseren door beschikbaar oppervlak te verminderen.

Warmteoverdracht en uitlaatgasbehandeling

Warmteoverdracht naar lagere lagen is een ernstig nadeel van RHF, vooral bij meervoudige pelletlaag in plaats van enkellaag voor hogere productiviteit. Krimp van composiet pelletten/briketten verwacht te faciliteren warmteoverdracht van bovenste naar onderste laag. Krimp door gecombineerd effect chemische reacties en sinteren ijzeroxiden. Dit verbetert reactiekinetiek lagere lagen. Hangt af van temperatuur en tijd. Studies tonen: houtskool composiet pelletten/briketten hebben betere krimpgedrag dan bitumineuze kool char en graafiet composieten.

Uitlaatgas uit RHF ondergaat normaal complete post-verbranding met extra lucht. Energie gebruikt voor: (i) voorverhitting verbrandingslucht, (ii) drogen voedermaterialen, (iii) stoomopwekking in afvalwarmteketels.

Stof uit uitlaatgassen verzameld in zakfilters. Deze stof bevat hoog percentage vluchtige metalen zoals zink en cadmium, voornamelijk door herwinning afvalmaterialen.