Tecnored: Innovatief cokes-vrij ijzerproductieproces

Het Tecnored proces is ontwikkeld door 'Tecnored Desenvolvimento Tecnológico S.A.' uit Brazilië en is gebaseerd op een lage-druk bewegende bed reductieoven die koudgebonden, koolstofhoudende, zelf-fluxerende en zelf-reducerende pelletten reduceert. Reductie vindt plaats in een korte-hoogte schachtoven van distinct ontwerp bij typische reductietemperaturen. Het proces produceert ruw ijzer (vloeibaar ijzer).

Kenmerken en voordelen

Tecnored technologie is bedoeld als 'cokes-vrij' ijzerproductieproces, waarmee investering en exploitatie van milieu-belastende cokesovens vermeden worden, naast significante reductie van broeikasgasemissies bij ruw ijzer productie.

Tecnored gebruikt combinatie van warme en koude blasting en vereist geen additionele zuurstof. Het elimineert de noodzaak voor cokesovens, sinterovens, en zuurstoffabrieken. Daarom heeft het proces aanzienlijk lagere exploitatie- en investeringskosten dan traditionele ijzerproductieroutes.

Tecnored is flexibel wat betreft type ijzerhoudende en koolstofhoudende grondstoffen. De capaciteit om ofwel pelletten of briketten, of gemengde lading van beide te smelten, biedt middelen voor gebruik van breed bereik alternatieve voedermaterialen. Het proces heeft goede productiviteit en hoge energie-efficiëntie.

Tecnored wordt ook beweerd geschikt voor productie van ferrolegeringen zoals ferromangaan.

Ontwikkelingsgeschiedenis

De ontwikkelingsgeschiedenis omvat verschillende fasen met verschillende doelen, testend breed bereik grondstoffen en gebruikmakend van distincte ovengroottes en concepten.

• 1979-1985: Ontwikkelingsactiviteiten voor gebruik van pyrietcinders bevattende zelf-reducerende pelletten als metallurgische lading in cupolaovens. Concept zelf-reductie aangepast voor nieuw proces. 1985: concept Tecnredoven geformuleerd met zij-invoeders voor vaste brandstof en post-verbranding in bovenste schacht als twee hoofdfuncties. Assemblage eerste prototype in Joinville (Santa Catarina, Brazilië) voor pilottest.
• 1985-1990: Ontwikkeling in kleine cirkeloven van 400 mm diameter, doel: haalbaarheid concept demonstreren, eerste operationele/geometrische parameters vaststellen. Goede continue voeding en tappen (tot 24 uur continue heats) bevestigde adequaatheid concept. Meer fundamenteel begrip nodig voor volgende stappen. Uitgebreid wiskundig model van gedrag zelf-reducerende pellet in Tecnredoven gebouwd voor ontwerp grotere pilootoven.
• 1990-1993: Ontwikkeling in grotere cirkeloven 600 mm diameter. Doelen: langere campagnes, hogere operationele stabiliteit, geometrische/operationele aanpassing op basis model, hogere opbrengst post-verbranding. Resultaten: langere periodes soepel stabiele bedrijfsvoering, controle voedersnelheid, controle slak/ruw ijzer tapprocedure, verbeterde vloeistofdynamica, nauwkeurige beoordeling thermische/gasprofielen in oven. 600 mm oven bereikte limiet voor experimentele ontwikkeling; besluit door te gaan in nieuwe pilootoven 1000 mm diameter. Model gaf aan: voor hogere productie naast grotere oven, voor handhaving geschikte raceway en vlamtechniek, geometrie van cirkel naar rechthoekig dwarsdoorsnede te veranderen.
• 1994-1995: Ontwikkeling in 1000 mm cirkeloven. Doelen: parameters bevestigen in grote oven, controleer groeibeperking cirkelovens per model. Resultaten: hoge operationele stabiliteit, goede ovencontrole, lange campagneduur, goede ruw ijzer/slak kwaliteit. 1000 mm oven bevestigde modelvoorspelling: ovengrootte kan niet toenemen bij cirkelvorm, weggebaand voor modulair concept (rechthoekige oven, productie verhogen door extra modules bij vaste dwarsdoorsnede). Besluit: full-size modulaire snede van Tecnredoven met rechthoekige dwarsdoorsnede bouwen.
• 1996: Test nieuw ovenconcept met kleine pilootoven met één tuyère. Operationele resultaten bevestigden adequaatheid nieuw concept. Gebaseerd op resultaten: full-size modulaire snede Tecnred pilootoven gebouwd.
• 1997-2000: Risicoreductieprocedure en tests ondersteund ontwerp industriële oven met full-size snede. Op basis nieuw rechthoekig ontwerp: modulariteit benut door succesvolle bouw en test voorlopige cellulaire oven. Continue testruns in week-lange campagnes in full-scale modulaire snede: >100 afzonderlijke tests, 1000+ uren bedrijf. >1000 ton hoge kwaliteit ruw ijzer geproduceerd. Kwaliteit vergelijkbaar met hoogoven ruw ijzer. Succesvolle voltooiing pilootfase weggebaand voor industriële faciliteiten voor virgine ijzereenheden en herwinning mijn-/staalfabriek afval.

Tijdens pilootovenbedrijf bewezen als nieuwe, zeer nuttige methode voor ontwikkelen metallurgisch proces en fundamentele ontwerpparameters voor eerste operationele faciliteit bepaald. Tests hielpen project voor industriële demonstratieplant (IDP), capaciteit 75.000 ton/jaar.

IDP gelegen in Pindamonhangaba (São Paulo, Brazilië). 2008-2009: bouw IDP voltooid, vergunningen verkregen. 2011: modificaties perifere apparaten/accessoires voltooid, project grondstofontwikkeling gestart, opstart Tecnredoven begonnen. 2012: Tecnredoven bedrijf gestart, haalbaarheidsstudies voor grotere plant 300.000 ton/jaar in Carajás (Pará, Brazilië) gestart.

Het Tecnored proces

Tecnored is nieuwe aanpak voor ijzerproductietechnologie die koudgebonden zelf-reducerende agglomeraten (pelletten of briketten) gebruikt, geproduceerd uit fijn ijzererts of ijzerhoudende residuen, plus fijn petcokes, kool, houtskool, of koolstofhoudende residuen. Deze materialen, gemengd met fluxerende en bindende middelen, geagglomereerd en gecureerd op droger, producerend briketten/pelletten met voldoende sterkte voor fysieke en metallurgische eisen van Tecnored proces. De agglomeraten worden gesmolten in een schachtoven van hoge efficiëntie en uniek ontwerp: de Tecnredoven. Door lage schachthoogte gebruikt Tecnredoven laagprijs vaste brandstoffen zoals groene petroleumcokes, kool of halfcokes.

Hoofdkenmerk: gebruik relatief laagkost materialen zoals fijn ijzererts of residuele oxiden en kool/ houtskool fijnen (of petroleumcokes) als reductant/brandstof. De Tecnredoven is het hart van het proces.

Schematisch stroomdiagram in Figuur 1.

Procesbeschrijving

Proces bestaat uit pelletiseren van ijzererts fijn <140 mesh, cokes fijn <200 mesh, flux zoals gedoopt kalk <140 mesh met cement als binder. Pelletten gecureerd en gedroogd bij 200 °C voor voeding aan top Tecnredoven. Interne ovendruk gehandhaafd 0,25-0,37 kg/cm². Totale verblijftijd lading in oven ~30-40 minuten. Vaste brandstof 40-80 mm in oven onder hete pelletzone via zij-invoeders. Hete blast lucht ~1150 °C geblazen door tuyères in ovenzijde voor verbrandingslucht voor cokes. Klein deel ovengas mag door zij-invoeders stromen voor vaste brandstof droging/voorverhitting. Koude blast lucht hogere punt ingebazen voor post-verbranding CO in bovenste schacht. Bij gebruik vaste brandstof met hoge zwavel: uitgebreid reinigingssysteem ovengassen voor milieuregels. Ruw ijzer getapt in emmer op emmerwagen, kan kantelen voor deslagging. Vloeibaar ijzer ontzwaveld in emmer, slak afgeharkt in slakpot.

Drie ovenzones

1. Bovenste schachtzone: Vaste brandstof geladen in bovenste schacht. Boudouard reactie (CO₂ + C = 2 CO) op brandstof voorkomen → energiebesparing. Post-verbranding in deze zone verbrandt CO → energie voor voorverhitting en reductie lading. In pelletten plaatsvinden op zeer snelle snelheid:
   • FeₓOᵧ + y CO = x Fe + y CO₂
   • y CO₂ + y C = 2y CO
2. Smelterzone: Re-oxidatie voorkomen door reducerende atmosfeer in lading. Smelten van lading onder reducerende atmosfeer.
3. Onderste schachtzone: Laagwaardige vaste brandstof geladen. Kan ook afvalplastic en gebruikte banden omvatten door lage schachthoogte. Hier resterende reductie residuale ijzeroxiden en slakreacties gangue materialen en brandstofas in vloeibare toestand. Ook oververhitting van metaal- en slakdruppels. Deze zinken door zwaartekracht naar ovenhearth en accumuleren daar.

Twee koolstofinvoeren

Proces gebruikt twee verschillende koolstofinvoeren: (i) reductant, (ii) vaste brandstof, optimaliserend procesflexibiliteit. Reductant normaal koolfijnen; praktisch fijn van elk koolstofrijk materiaal bruikbaar. Toegevoegd in mengsel voor zelf-reducerende agglomeraten. Hoeveelheid koolfijnen vastgesteld door C/F (koolstof/erts fijn) verhouding, meestal voldoende voor volledige reductie lading, door simpel benodigde warmte te voorzien. In zelf-reductie speelt externe CO geen significante rol.

Lomp vaste brandstof geladen via zij-invoeders (om endotherme Boudouard reactie in bovenste schacht te vermijden) en verantwoordelijk voor vorming charbed en levering meeste energie gevraagd door proces. Deze energie gevormd door primaire blast (C + O₂ = CO) en secundaire blast, waar upstream CO, gegenereerd door vergassing vaste brandstof aan hearth, verbrandt (CO + ½O₂ = CO₂). Figuur 2 toont schematische dwarsdoorsnede Tecnredoven met deze twee kenmerken.

Vaste brandstof specificaties

Omdat de ultieme functie van de twee koolstofenheden verschilt, zijn er distincte specificaties, niet alleen chemische samenstelling maar ook groottebereik. Vaste brandstof deel vereist lomp materiaal, typisch 40-80 mm, in staat fysieke/thermische eisen van vaste brandstoffen in Tecnored proces te hanteren.

Lomp brandstof in Tecnredoven moet permeabiliteit creëren in hearth voor gelijkmatige stroom vloeibare/gasvormige fase. Daarom moet geselecteerde vaste brandstof, aan eindpunt zij-invoeder, na vercharingproces (Figuur 3), lomp char leveren met skelet sterke genoeg om lading te dragen, goede reactiviteit voor geschikte RAFT (raceway adiabatische vlamtemperatuur) en vlamgeometrie. Moet ook gewenste CO/CO₂ verhouding aan top charbed creëren.

Belangrijk: mechanische belasting op charbed is extreem klein, door hoge volumetrische productiviteit van oven, resulterend in lagere schachthoogte. Dit kenmerk is een van de hoofdoorzaken waarom oven kan functioneren zonder cokes en laagwaardige vaste brandstoffen toelaat.

Specifieke brandstofconsumpties per ton ruw ijzer: 250 kg kool en 310 kg vaste brandstof voor ruw ijzer met 3%-4,5% C en 0,2%-1,0% Si. Ruw ijzer temperatuur normaal 1380-1430 °C.