Direct Iron Ore Smelting (DIOS): Efficiënt, Coke-vrij IJzerproductieproces

Het Direct Iron Ore Smelting (DIOS) proces is een smelting-reductieproces voor de productie van warm metaal (vloeibaar ijzer). Het is een tweefasenproces dat in Japan is ontwikkeld. Het gebruikt niet-cokerende kolen in poeder- of korrelvorm om ijzerertsijzer te smelten tot vloeibaar ijzer (warm metaal), zodat er geen cokesovensinstallatie en sinterinstallatie nodig is. De ertsfijnen worden voorgereduceerd in een fluidized-bed oven en worden samen met niet-cokerende kolen en fluxen in de smelting-reductieoven geladen. Zuurstof wordt in de smelting-reductieoven geblazen.

De twee fasen van het DIOS-proces bestaan uit: (i) voorreductie van ijzererts in een voorlopige reductieoven (PRF), en (ii) de eindreductie en smelting in de smelting-reductieoven (SRF). De voorreductie van de erts wordt in twee stappen uitgevoerd met behulp van het afgas van de SRF. Elke stap gebruikt een fluidized-bed reactor die als een verticale oven is ontworpen.

De ontwikkeling van het DIOS-proces startte in 1988 in Japan als een gezamenlijk onderzoeksproject onder acht ijzerproducerende bedrijven die vóór 1988 elk afzonderlijk het smelting-reductieproces bestudeerden. Dit project werd gesponsord door MITI, het Japanese Ministry of International Trade and Industry. Japanse bedrijven en de Japan Iron and Steel Federation (JISF) ondersteunden de ontwikkeling actief tijdens de periode 1988-1996.

Kerntechnologie-onderzoek nodig voor de bouw van de proefinstallatie werd uitgevoerd tijdens 1988-1990. Tijdens deze periode werden kerntechnologieën vastgelegd. Deze omvatten: (i) verhoging van de thermische efficiëntie van een SRF, (ii) de technologie voor integratie met een PRF, (iii) de technologie voor vloeibare slagoafvoer, en (iv) de opschaling van de SRF. Een proefinstallatie van 500 ton per dag capaciteit, gebaseerd op het procesconcept, werd in 1993 gebouwd en in gebruik genomen bij de Keihin-werken van NKK Corporation (nu onderdeel van JFE Holding). Voor de proefinstallatietesten werd een gemodificeerde 250 ton basiszuurstofoven als SRF gebruikt.

Proefinstallatietesten en resultaten

De proefinstallatietesten werden uitgevoerd tijdens 1993-1995. De mogelijkheid om direct ijzerertsstof, korrelerts en kolen te gebruiken, werd bevestigd. Tijdens de tweejaarlijkse testen werden veel waardevolle ervaringen opgedaan, meestal positief, maar ook enkele negatieve. De negatieve ervaringen waren:

• Er was een laag voorreductieniveau, meestal onder de 30%. Dit zette zware druk op de SRF.
• De beweging van ijzererts in het fluidized bed was niet soepel en er trad een klevingsprobleem op in het fluidized bed van de PRF.

Tijdens de proefinstallatietesten werden de benodigde apparatuurspecificaties bepaald. Met diverse grondstoffen werden de apparatuur- en bedrijfsspecificaties bepaald om hoge thermische efficiëntie te bereiken als alternatief voor de blast furnace. Ook werd de technologie voor waterkoeling van de ovenlichaam vastgelegd. Een conceptueel ontwerp en een economische evaluatie (haalbaarheidsstudie) voor commerciële installaties werden uitgevoerd. De voorwaarden voor installaties en bedrijfsvoering om de superioriteit ten opzichte van de blast furnace aan te tonen, zoals uit de onderzoeksresultaten bleek, werden geklaard.

Op basis van de proefinstallatiegegevens werd in Japan een haalbaarheidsstudie uitgevoerd met prestatieparameters voor een commerciële installatie van 6000 ton per dag (jaarcapaciteit 2 miljoen ton). Het stroomschema voor deze installatie is in Fig. 1. Vergeleken met 2 miljoen ton warm metaalproductie via het blast furnace-proces werd geconstateerd dat: (i) investeringskosten met 35% dalen, (ii) warm metaalproductiekosten met 19% dalen, (iii) kolenverbruik ligt in het bereik van 730-750 kg/tHM (ton warm metaal), wat equivalent is aan het blast furnace-proces, (iv) netto energieverbruik daalt met 3-4%, en (v) CO₂-emissies in het ijzerproductieproces dalen met 4-5%.

Fig. 1 Stroomschema van 6000 ton per dag DIOS-installatie

Procesbeschrijving

Het DIOS-proces heeft de kenmerken: (i) ijzererts en kolenfijnen kunnen direct worden gebruikt, (ii) er is geen behoefte aan cokes en dus geen beperking aan het type kolen dat in het proces wordt gebruikt, (iii) het proces kan gemakkelijk worden gestopt en herstarten, wat goede flexibiliteit geeft, en (iv) de intensiteit van de badroering kan worden geoptimaliseerd voor een hogere graad van post-verbranding en betere warmteoverdraagsefficiëntie.

IJzerertsijzer (grootte 0-8 mm) zonder sintering wordt voorverwarmd tot ongeveer 500 °C in de eerste stap van de voorreductie en wordt gereduceerd tot ongeveer 5% in de eerste van twee fluidized-bed reactoren die in serie werken, en verder voorgereduceerd tot ongeveer 15-25% in de tweede reactor. Voor deze voorreductie wordt gereinigd afgas van de SRF gebruikt. De temperatuur van de ijzererts bereikt ongeveer 800 °C tijdens de tweede stap van de voorreductie. De voorgereduceerde erts wordt naar de SRF overgebracht voor eindreductie en smelting.

Het grootste deel van de niet-cokerende kolen (grootte minder dan 25 mm) die voor het proces nodig zijn, wordt door zwaartekracht in de SRF geladen. Zuurstof wordt in de SRF van boven geïnjecteerd voor de verbranding van primaire kolen alsook voor post-verbranding. De zuurstoflan is ontworpen om zowel hoge snelheid zuurstof voor koolstofoxidatie (harde blast) als lagere snelheid zuurstof voor post-verbranding in de vrije ruimte (zachte blast) simultaan te leveren. Het gegenereerde koolmonoxide (CO) wordt gebruikt om de ijzererts in de PRF voor te reduceren. De temperatuur in de SRF is ongeveer 1500 °C. Stikstof wordt in de bodem van de SRF geblazen voor badroering.

De reductie van vloeibare ijzeroxiden in de SRF wordt bevorderd door de verkokte kolen (char) en koolstof in het ijzer. Er bestaan drie lagen materiaal binnenin de SRF: (i) bovenste laag bestaande uit mengsel van kolen en gedeeltelijk gereduceerde erts, (ii) middelste laag bestaande uit vloeibare slags met kolen-char en vloeibare erts, en (iii) onderste laag bestaande uit warm metaal. Stof verwijderd uit de afgassen van de SRF en de fijnen verwijderd uit de gassen die de fluidized-bed reactoren verlaten (beide PRF's), worden terug in de SRF geïnjecteerd. Daarnaast wordt een kleine hoeveelheid kolenfijnen, in de orde van 50 kg per ton warm metaalproductie, in het afgas van de SRF geïnjecteerd om het afgas te koelen. De koolstof van deze kolen reageert met CO₂ van het afgas om CO te geven, terwijl de dissociatie van de vluchtige stoffen van de kolen CO en H₂ levert. Deze additionele hoeveelheid CO en H₂ helpt bij de voorreductie van erts in de PRF.

Het doel van het proces is om post-verbranding van ongeveer 40% en voorreductie van ongeveer 20-30% te bereiken. Onder deze omstandigheden wordt het kolenverbruik verwacht rond 700-800 kg/tHM, afhankelijk van het type niet-cokerende kolen. Normaal is het kolenverbruik hoger bij kolen met hoge vluchtige stoffen.

Het DIOS-proces werkt bij een druk van 1-2 kg/cm² en gebruikt bovenaf voeding van kolen en erts. Het gebruikt een bovenlanze voor zuurstofinjectie en heeft een fluidized-bed systeem voor ijzererts-voorreductie. In de SRF vindt de meeste reductie plaats in een schuimende slagslaag. De calorische waarde van exportgas is ongeveer 1000-1100 kcal/Nm³. Dit gas kan gebruikt worden voor stroomopwekking.

Voor het DIOS-proces om succesvol te zijn, zijn er zes basisprocessen die gecontroleerd moeten worden. Ook is er noodzaak om de interactie tussen deze zes elementen te controleren. Deze zes basiselementen zijn:

• Voorreductiegraad – Hoe hoger de graad van voorreductie, hoe lager de belasting op de SRF.
• Post-verbrandingsverhouding – De post-verbrandingsverhouding bepaalt de graad van post-verbranding van de ontwikkelende gassen in de SRF. Het wordt gebruikt voor de evaluatie van het warmteopwekkingspotentieel van de SRF, en betekent ook het reducerend potentieel van het afgas in de voorreductiefase. Praktisch wordt het bepaald door analyse van het afgas. Als de post-verbrandingsverhouding hoog is, dan heeft het afgas uit de SRF meer CO₂ en H₂O, waardoor zijn potentieel als reductiegas afneemt. Het is waargenomen dat met ongeveer 50% post-verbranding en een voorreductieniveau van 25-30%, een goede efficiëntie van de SRF kan worden bereikt. Een hoge waarde van post-verbranding leidt tot benutting van de brandstofwaarde van CO en H₂ meer in de smelting-reactor zelf. Daarom verlaagt het het kolenverbruik.
• Reactiekinetica – Vanwege het blazen van zuurstof in de SRF is de procesduur vrij kort en is de reactiekinetica belangrijk. De productiesnelheid in de SRF is afhankelijk van de reactiekinetica.
• Warmteoverdraagsefficiëntie of energie-efficiëntie – De warmteoverdraagsefficiëntie is gedefinieerd als de verhouding van de effectief voor smelting gebruikte warmte tot de totale gegenereerde warmte in de SRF. Voor betere brandstofefficiëntie is het noodzakelijk dat de warmte gegenereerd in post-verbranding effectief wordt overgedragen aan slags en warm metaal om de endothermische reacties daar te handhaven en ook de warmteverliezen te compenseren.
• Productiekosten – Voor het proces om concurrentiefähig te zijn, moeten de productiekosten gecontroleerd worden zodat ze lager zijn dan de productiekosten van warm metaal geproduceerd door het blast furnace-proces.
• Milieuaspecten – Emissies van het proces moeten gecontroleerd worden zodat het voordelen biedt ten opzichte van de blast furnace-route.

Procesparameters en specifieke verbruiken

Typische waarden voor procesparameters en specifiek verbruik zijn gegeven in Tabel 1.

De typische kwaliteit van warm metaal geproduceerd door het DIOS-proces bestaat uit C - ongeveer 3,5%, Si - minder dan 0,05%, S - minder dan 0,05%, en P - 0,10%. Zowel het warm metaal als de slags worden via een taphole afgetapt.

Vergelijking van DIOS-proces en BF-proces ten aanzien van energiebalans en CO₂-emissies is weergegeven in Fig. 2.

Fig. 2 Vergelijking tussen DIOS-proces en BF-proces

Voordelen en beperkingen van het proces

DIOS heeft de volgende voordelen:

• Het benut goedkope grondstoffen en brandstof (niet-cokerende kolen, eigen stof, enz.).
• Het proces elimineert de noodzaak van een sinterinstallatie en cokesovensinstallatie.
• Lage bedrijfskosten.
• Laag direct elektriciteitsverbruik.
• Het heeft lager netto energieverbruik.
• Het is flexibel ten aanzien van gebruik van grondstoffen en variaties in productiesnelheid alsook ten aanzien van stoppen en starten van de installatie.
• Het is compact en heeft alleen kleine incrementele investeringen nodig.
• Investeringskosten worden geschat op ongeveer 65% van de equivalente warm metaalproductie door blast furnace-proces.
• Het is stabiel en levert hoge-kwaliteit warm metaal.
• Het draagt bij aan effectief gebruik van kolenenergie.
• Gemakkelijke co-productie van energie (co-generatie) is haalbaar.
• Het heeft lage milieubelasting (lage SOx, NOx, CO₂, stofvorming, geen cokesovengaslekken).

DIOS-proces heeft de volgende beperkingen:

• Afvoertemperatuur is hoog. Het ligt in het bereik van 1750 °C tot 1800 °C.
• De refractaire slijtage is hoog vanwege de hoge temperaturen. Hierdoor is er hoge refractaire consumptie en hoge processtilstand nodig voor heruitkleeding.
• Vanwege het gebruik van drie reactoren (2 PRF's en 1 SRF) in het proces, zijn de procescontroles enigszins complex.
• Omdat het voorreductieniveau laag is (minder dan 30%), is de belasting op de SRF hoog, wat de bediening van de SRF zeer kritiek maakt voor het succes van het proces.
• Ervaring in het bedienen van een opgeschaalde installatie ontbreekt door gebrek aan investering in de opgeschaalde installatie.