Energiron HYL Proces: Geavanceerde directe reductie van ijzererts tot hoogwaardig DRI

Het HYL proces is ontworpen voor de conversie van ijzererts (pellet/brokerts) in metallisch ijzer, door gebruik van reducerende gassen in een vast-gas bewegend bed reactor. Zuurstof (O₂) wordt uit het ijzererts verwijderd door chemische reacties gebaseerd op waterstof (H₂) en koolmonoxide (CO) voor productie van hoog gemetaliseerd direct gereduceerd ijzer (DRI) / hot briquetted iron (HBI). HYL proces wordt momenteel vermarkt onder het 'Energiron' handelsmerk.

Historische ontwikkeling

HYL proces voor directe reductie van ijzererts was de vrucht van onderzoeksinspanningen begonnen door Hojalata y L.mina, S.A. (later Hylsa), begin jaren 1950. Na initiële evaluatie besloten een proces met tunneloven te installeren; diverse runs uitgevoerd. Eerste batch 5 juli 1950 met oude oven (voor platen verwarming). 1 deel gekruist erts 12-25 mm gemengd met 40% cokesbree en 15% kalksteen zelfde korrelgrootte. Mengsel in klei potten en 2 ijzeren pijpen (100 mm diameter, 1 m lengte). 20 kg goed DRI geproduceerd.

Eerste gas-gebaseerde plant (50 ton/dag ontwerp) kon geen acceptabele metalisatie bereiken. Tijdens 18 maanden bedrijf diverse wijzigingen, inclusief aardgasreformer voor verbetering reducerend gas. Uiteindelijk operatie geschorst begin 1955. Na deze teleurstellende poging: diverse experimenten, pilootplant geassembleerd voor nieuwe ideeën. Bij ingebruikname succesvolle productie goedkwaliteit gereduceerd ijzer 30 ton/dag, spoedig systematisch ~60 ton/dag.

Met succesvolle DRI productie gas-gebaseerd HYL proces, studies begonnen voor eerste commerciële plant 230 ton/dag DRI. Eerste industriële directe reductieplant in bedrijf 5 december 1957. Hylsa Monterrey 1-M plant, vast-bed reactor (batch proces), initiële capaciteit 75.000 ton/jaar DRI. Continu bedrijf tot 1991 (kort voor 35 jaar). 1978: American Society for Metals aanwijzing als historisch mijlpaal voor eerste succesvolle industriële implementatie DRI technologie. Competitiviteit beperkt door batch-natuur.

Eind 1970: wereld DRI productie 790.000 ton, 680.000 ton via HYL processen. HYL voorzag beperkte competitiviteit door batch-natuur. 1967: onderzoeksprogramma voor continu (bewegend bed) proces, eerste industriële plant mei 1980 Hylsa Monterrey, 23 jaar na eerste HYL plant. Nieuw continu schachtovenproces: HYL III. Nieuw concept leidde tot hogere plantproductiviteit, superieure DRI kwaliteit, lager energieverbruik, eenvoudigere plantbedrijfsvoering.

Naam HYL III: derde generatie HYL technologie. Tweede generatie (HYL II): wijziging oorspronkelijke vast-bed proces voor efficiëntieverbetering en lagere aardgasconsumptie. Twee belangrijke wijzigingen: (i) hoge-temperatuur legeringsbuis in reducerend gas verhitoven, toestande hogere gasverhitting, (ii) reductie aantal verhitovens van 4 naar 2. HYL II genereerde reducerend gas (rijk CO/H₂) typisch via nikkel-gekatalyseerde reforming. HYL II nooit gecommercialiseerd door voordelen HYL III.

Sindsdien diverse verbeteringen in HYL III bewegend bed proces:

• 1986: CO₂ verwijderingssysteem in reducerend gas circuit → significante verbeteringen productiviteit, energieverbruik, DRI kwaliteit. Gereformeerd gasverbruik ~50% gedaald, schachtovenproductiviteit ~50% toegenomen.
• 1995: Gedeeltelijke verbrandingstechnologie in HYL plants door O₂ injectie bij transferlijn tussen reducerend gas verhitoven en schachtoveninlaat. Toestane belangrijke toename reducerend gastemperatuur en in-situ reforming. Gereformeerd gasverbruik ~25% gedaald, schachtovenproductiviteit toegenomen.
• 1988: Totale aardgastoevoer en O₂ injectie in schachtoven (reductiereactor) → 'HYL zelf-reformering schema', gereformeerd gas make-up gereduceerd tot nul. Deze reformer-loze schema genaamd HYL ZR proces, succesvol toegepast Hylsa 4M plant april 1998, Hylsa 3M5 plant juli 2001.
• 1988: Coating pellet/brokerts voor directe reductie geïntroduceerd.
• 1993: Pneumatisch transportsysteem (Hytemp technologie) en hete DRI voeding aan EAF geïntroduceerd.
• 1994: HYL produceert hoog-koolstof DRI (3-5% C).
• 1997: Werelds eerste dual-discharge (DRI en HBI) plant ontwerp in bedrijf.
• 2000: 100% brokerts lading succesvol routinematig.
• 2001: Micro-module (200.000 ton/jaar) plant op basis HYL ZR (nul reformer) technologie geïntroduceerd. HYL ZR plants op basis koolvergassing en cokesovengas (COG). DR plant 2,5 miljoen ton/jaar single module geleverd. Tussen micro-module en 2,5 mln ton: modules 500.000, 800.000, 1,2 mln, 1,6 mln ton/jaar.

Initiële ontwikkeling door Hylsa. 1977: Hylsa richtte nieuwe divisie (HYL technologies) op voor formele ontwikkeling/commercialisatie directe reductietechnologieën. 2005: Techint Technologies verwierf HYL technologies. Later Tenova HYL. 2006: Strategische alliantie Tenova en Danieli voor ontwerp/bouw gas-gebaseerde DR plants onder 'Energiron' handelsmerk. Energiron = innovatieve HYL directe reductietechnologie gezamenlijk ontwikkeld door Tenova en Danieli, naam afgeleid van uniek DRI product dat deze technologie onderscheidt.

Plant en apparatuur

HYL directe reductieplant bestaat hoofdzakelijk uit:

• Reductieschachtoven met bewegend bed, laadsysteem ijzerlading, productontladingssysteem.
• Reducerend gas circuit: procesgasverhitter, topgas herwarmterecuperator, topgas afkoeling/afwassing eenheid, reducerend gas hercirculatiecompressor, vochttoertoertoren, knockout drums.
• Ovenbedrijf met minimum aardgas en waterverbruik, alsook O₂ injectie.
• Productontladingssysteem met: (i) koeler voor koude DRI, (ii) hete briketteringsmachine voor HBI, (iii) Hytemp pneumatisch transportsysteem voor directe overdracht hete DRI van schachtoven naar lichtenboogoven (EAF).
• Extern koelgascircuit: afkoeling/afwassing eenheid, koelgas hercirculatiecompressor.
• Adsorptiesysteem op basis van PSA (pressure swing adsorption) voor CO₂ verwijdering uit reducerend gasstroom.
• IJzerertsafhandelingsapparatuur: opslagbunker, transportbanden, zeefstation, pelletcoatingssysteem, voederband, bemonstering/weegeenheden.
• DRI afhandelingssysteem: transportbanden voor koude DRI transport.
• Koeltoren met filterapparatuur en pompen.
• Proceskoelwatersysteem, gesloten circuit voor minimalisatie waterverbruik, met clarifier en bezinkvijvers.
• Procesregel- en instrumentatiesysteem, microprocessor-gebaseerd gedistribueerde controle.
• Elektrisch substation, electromotoren, verlichting.
• Inert gassysteem normaal op basis stikstof (N₂).
• Luchtcompressor.

Procesbeschrijving

Energiron directe reductieproces (HYL proces) gebruikt schachtreductieoven voor DRI productie. Ontworpen om ijzerpellet/brokerts om te zetten in metallisch ijzer via reducerende gassen in vast-gas bewegend bed schachtoven. O₂ verwijderd uit ijzererts door chemische reacties op basis H₂ en CO, voor hoog gemetaliseerd DRI.

Schematisch processtroom in Figuur 1.

Hoofdkenmerken HYL proces

• Gebruik H₂-rijke reducerende gassen met H₂/CO verhouding > 4.
• Hoge reductietemperatuur, meestal > 930 °C.
• Hoge werkdruk, meestal 5-8 kg/cm². Hoge werkdruk kenmerken: (i) lagere gassnelheid, (ii) lagere sleepkracht, (iii) minder stofmeedrag, (iv) lager verbruik ijzerhoudende materialen, (v) hogere verhouding plantcapaciteit/grootte, (vi) lager stroomverbruik door lagere compressiefactor. Hoge werkdruk in schachtoven resulteert in hoge ovenproductiviteit ~9 ton/uur/m².

Proces is flexibel voor drie productvormen, afhankelijk van gebruikersvereisten: koude DRI, HBI, of hete DRI ('Hytemp' ijzer). Koude DRI ontlading normaal voor naburige staalsmelterij dichtbij DR plant. Kan ook verzonden/geëxporteerd mits procedures/voorzorgsmaatregelen tegen re-oxidatie. HBI = heet ontladen DRI, gebriketteerd, afgekoeld. Koopmansproduct meestal voor overzeese export. Hytemp ijzer = heet ontladen DRI, pneumatisch getransporteerd van DR plant naar naburige staalsmelterij voor directe voeding EAF. Ontladingsopties en Hytemp stroomschema in Figuur 2.

Procesconfiguratie en gasflexibiliteit

Basale configuratie gekenmerkt door flexibiliteit voor verschillende gasanalyses. Reducerende gassen kunnen gegenereerd worden: (i) direct, door in-situ reforming aardgas in schachtoven, (ii) in externe aardgas/stoom reformer, (iii) als syngas uit vergassing fossiele brandstoffen, biomassa, etc., (iv) uit rookgas smelt-reductieproces (Corex), (v) uit cokesovengas (COG) bronnen. In alle gevallen correspondeert configuratie met zelfde basis nul-reformer schema, aanpassen relatieve apparatuurgroottes. Voor zowel in-situ als stoom reforming: aardgasanalyse (zware koolwaterstoffen) geen beperkende factor. 'Make-up' gas kan elke mengsel H₂, CO, CO₂, koolwaterstoffen in elk verhouding zijn.

Een ingebouwd kenmerk van Energiron processtroom met hoog milieubelang: selectieve eliminatie van bijproducten uit reductieproces: water (H₂O) en CO₂. Deze worden geëlimineerd via topgas afwassing en CO₂ verwijderingssystemen. Selectieve verwijdering H₂O en CO₂ optimaliseert make-up vereisten. Water geproduceerd tijdens reductie gecondenseerd en verwijderd uit gasstroom; meeste stof meegedragen met gas ook gescheiden. Gewassen gas door procesgas hercirculatiecompressor → drukverhoging. Gecomprimeerd gas naar CO₂ verwijderingseenheid, gemengd met aardgas make-up → reducerend gas circuit gesloten.

Kernfactor HYL proces: gepercipereerde bedrijfsvoering. O₂ gebruik hangt af van koolwaterstofinhoud. DRI metalisatie en C onafhankelijk te controleren.

Chemische reacties

Drie typen reacties:

Gedeeltelijke oxidatie en reformeringsreacties:

• 2CH₄ + O₂ = 2 CO + 4 H₂
• CH₄ + H₂O = CO + 3 H₂
• 2H₂ + O₂ = 2 H₂O
• CO₂ + H₂ = CO + H₂O

Reductiereacties:

• Fe₂O₃ + 3 H₂ = 2 Fe + 3 H₂O
• Fe₂O₃ + 3 CO = 2 Fe + 3 CO₂

Vergelingsreacties (carburizing):

• 3 Fe + CH₄ = Fe₃C + 2 H₂
• 3 Fe + 2 CO = Fe₃C + CO₂
• 3 Fe + CO + H₂ = Fe₃C + H₂O

Reforming aardgas vereist: (i) bepaald niveau oxidanten (H₂O, CO₂) die zorgvuldig gecontroleerd moeten worden, (ii) hoge temperatuur als resultaat van gedeeltelijke verbranding, (iii) actieve katalysator, geleverd door metallische ijzereenheden uit al gereduceerd ijzererts. Oxidanten geproduceerd door reductiereacties worden deels verbruikt door reformeringsreacties. Op deze manier, eenmaal in contact met vast materiaal in schachtoven, vindt verdere methaan reforming in-situ plaats door katalytisch effect van metallisch ijzer (Fe) in DRI. Onder deze condities is methaan altijd in contact met nieuwe katalysator (metallisch Fe in DRI) aangezien DRI continu uit schachtoven verwijderd wordt. Daarom in-situ reducerend gas generatie en reductie in hoog efficiënte omgeving. Dit reformeringsproces is sterk endotherm en gaat door tot temperatuur nog hoog genoeg. Onder bepaalde temperatuur: geen in-situ reforming, alleen ijzererts reductie. Meeste DRI vergeling via kraken methaan (CH₄) → ijzercarbide (Fe₃C).

Energiron ZR proces

Energiron ZR heeft grootte verminderd en efficiëntie verbeterd van HYL DR plants. Reducerende gassen in-situ gegenereerd in reductieschachtoven, door aardgas als make-up in reducerend gas circuit en O₂ injectie bij schachtoveninlaat. Optimum reductie-efficiëntie bereikt omdat reducerende gassen in reductiesectie gegenereerd worden. Externe reducerend gas reformer niet vereist. Algehele energie-efficiëntie ZR proces normaal >80%, geoptimaliseerd door in-situ reforming in schachtoven. Product neemt meeste energie op, minimale verliesen naar atmosfeer.

Impact op plantgrootte door eliminatie externe gasreformer is significant. Capaciteit 1 mln ton/jaar: oppervlaktebehoefte ~60% gereduceerd. Vergemakkelijkt DR plant nabij staalsmelterij te plaatsen.

Extra voordeel ZR: flexibiliteit voor vergeling DRI, toestaat C niveaus tot 5%. Door verbeterd vergelingspotentieel gassen in schacht, productie primair Fe₃C. DRI met hoog Fe₃C gehalte heeft veel lagere reactiviteit dan normaal DRI (hogere dissociatiewarmte nodig voor Fe₃C).

Energiron kan ook conventionele reforming aardgas door stoom gebruiken (kenmerk HYL proces langere tijd). Andere gassen: H₂, syngas uit kool/petcokes vergassing, COG, etc. mogelijk als reducerend gasbron, afhankelijk van situatie/beschikbaarheid. Flexibiliteit beschikbaar omdat Energiron ZR onafhankelijk is van reducerend gasbron, geen vereiste gassen terug te circuleren naar reformer voor proceschemie lus.

Gasstromen en warmterecuperatie

Hete reducerende gassen in schachtoven bij reductiezone. Stromen opwaarts counter-current tot ijzerlading bewegend bed. Gasdistributie uniform, hoge graad direct contact gas/stoffen. Uitlaatgas (topgas) verlaat schachtoven ~400 °C, door topgas herwarmterecuperator → warmte hersteld voor stoomproductie. Alternatief: warmte uitlaatgas voor voorverhitting reducerend gasstroom, daarna afkoeling door afkoeling/afwassing.

Voor koude DRI: koelgas in onderste kegelvormige deel schachtoven ~40 °C, opwaarts counter-current DRI bewegend bed. Uniforme distributie, hoog contact gas/vaste stof, geen fysieke restricties stroom vast/gas in oven.

Hete DRI ontladen via roterende klep schachtoven, door afleidklep die materiaal levert aan Hytemp systeem of alternatieve externe koeler (koude DRI). Pneumatisch transport normaal zelfde snelheid als schachtovenproductie.

Voor HBI productie: hete DRI continu ontladen >700 °C naar hete briketteringsmachines eronder. HBI gekoeld in trillende koeltransportbanden met koelwater, ontladen op HBI transportband.

Hytemp ijzer systeem

Pneumatisch systeem voor transport hete DRI naar EAF. Gebruikt N₂ of procesgas als transportgas. Milieu-vriendelijk: DRI ingesloten van ontlading schachtoven tot ontlading in EAF. Flexibiliteit voor voeding twee EAFs vanuit één schachtoven. Onder schachtoven: DRI naar pneumatisch transportsysteem waar hete gasstroom van gasverhitter gecirculeerd en gebruikt voor DRI transport. Om degradatie te voorkomen: DRI getransporteerd door drukopbouw sneller dan gassnelheid. Bij bereik opslagbunkers boven EAF: DRI en gassen gescheiden. Gas naar wasser voor reiniging/afkoeling, gecomprimeerd, verhit voor hercirculatie. Voor gasverhitter: make-up gas toegevoegd voor verliezen bij scheiding DRI/transportgas. Hete DRI gescheiden → overgangsbin voor drukovergang naar atmosferische druk. Van overgangsbin → opslagbin voor gravitatieve voeding EAF. Hete DRI kan ook van schachtoven naar externe koeler als smelterij niet klaar is. Externe koeler normaal capaciteit voor volledige DRI productie.

Energiebalans en waterverbruik

In typische HYL III configuratie: gevoelige warmte hete gereformeerde gas en rookgassen reformer hoofdzakelijk voor stoomopwekking. Stoomvereisten DR plant: (i) stoom voor reforming, (ii) uitlaatstoom voor CO₂ absorptiesysteem in reductiecircuit. Hoeveelheid/druk stoom gespecificeerd voor optimale thermische/mechanische balans plant. Normaal stoom hoogspanning (63 kg/cm²) voor maximum benutting stoomenthalpie voor elektriciteitsopwekking in enkele hoge-rendement turbogenerator, vóór gebruik voor reforming en CO₂ stripper reboiler. Zo kan totaal elektriciteitsbehoefte plant intern gegenereerd worden. Turbogenerator capaciteit ~90 kWh/ton (koude ontlading) of 105 kWh/ton HBI (heet ontlading) voldoende voor totale elektriciteitsbehoefte plant.

Belangrijk kenmerk Energiron DR plant: ontwerp voor nul make-up water vereiste mogelijk. Voornamelijk omdat water bijproduct is van reductiereactie (gecondenseerd en verwijderd uit gasstroom). Gevolg: met gesloten watercircuit op basis van warmtewisselaars i.p.v. conventionele koeltorens, geen verse make-up water nodig; eigenlijk kleine stroom water beschikbaar aan batterijgrens.

Operationele parameters en specifieke consumpties

Typische productkenmerken Energiron ZR proces in Tabel 1.

Typische operationele parameters en specifieke consumpties Energiron ZR proces in Tabel 2.

Typische emissies Energiron ZR proces in Tabel 3.