Het Corex-proces: Een Schoner, Kosteneffectief Alternatief voor Traditionele IJzerproductie

Tijdens de late twintigste eeuw zijn diverse nieuwe initiatieven genomen voor de ontwikkeling van de smelting-reductietechnologie die alternatieve route kan worden voor de productie van vloeibaar ijzer (warm metaal) aangezien de conventionele blast furnace (BF) ijzerproductie afhangt van metallurgische kolen, die vereist zijn voor de productie van BF-cokes nodig voor de productie van warm metaal in de blast furnace. Metallurgische kolen is niet alleen duur, maar is ook geassocieerd met milieukwesties tijdens de omzetting naar BF-cokes in de cokesovensbatterijen. Smelting-reductieproces is dat proces dat gebaseerd is op smelting-reductietechnologie en dus in dit proces wordt de productie van warm metaal uitgevoerd zonder het gebruik van metallurgische cokes. Het Corex-proces is een van deze initiatieven. Het is de eerste en enige commercieel gevestigde smelting-reductieproces gebaseerd op niet-cokerende kolen die beschikbaar is als alternatieve route naar de blast furnace voor de productie van warm metaal.

Het Corex-proces werd ontwikkeld door de Oostenrijkse technologieleverancier VOEST in de late jaren '70, en de haalbaarheid werd bevestigd tijdens de jaren '80. De eerste proefinstallatie werd in 1981 in Kehl, Duitsland geïnstalleerd. De commercialisatie werd echter bereikt samen met de Zuid-Afrikaanse staalproducent ISCOR waar de C-1000 (C - 0,5 M) module in november 1989 in de Pretoria-werken in bedrijf werd genomen. Deze eerste generatie reactor, de melter-gasifier genoemd, had een hearth-diameter van 5,5 m en een warm metaalproductiesnelheid variërend van 40 tot 60 ton per uur. De nominële capaciteit van de installatie was 300.000 metric ton per jaar. De algemene toepasbaarheid van deze eerste generatie proces was beperkt en veel technische problemen moesten worden opgelost. Toch hielp het om de kritieke demonstratiefase voor deze smelting-reductietechnologie te overwinnen.

Ontwikkeling naar hogere capaciteiten

Na het succes van de smelting-reductietechnologie was bereikt door de bediening van de C-1000 module, introduceerde de procesontwikkelaar de C-2000 (C-0,8 M) module. Deze module heeft een hearth-diameter van 7,3 m en een warm metaalproductiesnelheid variërend van 80 tot 100 ton per uur. De nominële capaciteit van de installatie varieert van 600.000 tot 800.000 ton per jaar. De eerste installatie die met deze module in bedrijf werd genomen, was in 1995 bij de Pohang-werken van POSCO. De ingebruikname was in 1995. Sindsdien is één C-2000 module in bedrijf genomen bij Arcelor Mittal Zuid-Afrika - Saldanha Works (december 1998), twee modules bij JSW Bellary-plant in India (augustus 1999, en april 2000), en twee modules bij ESSAR-plant in Hazira, India.

Na het commercieel succes van de C-2000 module, begon de Corex-procesontwikkelaar ook hogere capaciteitsmodules aan te bieden: (i) C-1,0 M module met een hearth-diameter van 7,8 m en een warm metaalproductiesnelheid van 100-125 ton per uur en nominële capaciteit van 800.000 tot 1 miljoen ton per jaar, (ii) C-1,3 M module met een hearth-diameter van 9,4 m en een warm metaalproductiesnelheid van 125-160 ton per uur en nominële capaciteit van 1,0-1,3 miljoen ton per jaar, (iii) C-3000 (C-1,5 M) module met een hearth-diameter van 9,6 m en een warm metaalproductiesnelheid van 160-180 ton per uur en nominële capaciteit van 1,3-1,5 miljoen ton per jaar, en (iv) C-2,0 M module met een hearth-diameter van 11,5 m en een warm metaalproductiesnelheid van 210-240 ton per uur en nominële capaciteit van 1,7-2,0 miljoen ton per jaar. Van deze hogere capaciteitsmodules zijn twee C-3000 (C-1,5 M) modules in bedrijf genomen door Baosteel groep China bij hun Luojing-werken in Shanghai, één in november 2007 en de tweede in maart 2011.

Tegenwoordig is Corex-technologie een erkend proces voor het produceren van vloeibaar warm metaal in een kwaliteit die identiek is aan warm metaal geproduceerd in een blast furnace. Het is een industriëel en commercieel bewezen direct smelting-reductieproces dat kostenefficiënte en milieuvriendelijke productie van warm metaal direct uit ijzererts en niet-cokerende kolen toestaat. Het proces is de enige alternatief voor de conventionele blast furnace-route bestaande uit sinterinstallatie, cokesovens en blast furnace.

Het Corex-proces onderscheidt zich van de blast furnace-route door: (i) direct gebruik van niet-cokerende kolen als reducerend middel en energiebron, (ii) ijzererts kan direct en haalbaar aan het proces worden toegevoegd in de vorm van brokerts en pellets, en (iii) gebruik van zuivere zuurstof in plaats van stikstofrijke warme blast. Direct gebruik van niet-cokerende kolen is mogelijk omdat de kolen binnenin de melter-gasifier worden verkokt. De hoge koepeltemperatuur overschrijdt 1000 °C wat resulteert in complete cracking van de koolwaterstoffen vrijgegeven door de niet-cokerende kolen en vermijdt de vorming van teer. De typische ertsbelasting voor Corex is 30% brokerts en 70% pellets. Operationele resultaten hebben getoond dat stabiele bediening zelfs mogelijk is met een brokertsfractie tot 80%. Gebruik van hoge zuiverheid zuurstof in het Corex-proces genereert stikstofvrij topgas. Vanwege de hoge calorische waarde kan dit gas gerecycled worden voor reductiewerk of gebruikt voor warmte- of energieopwekking.

De aantrekkelijkheid van het Corex-proces is te danken aan: (i) warm metaalkwaliteit geschikt voor staalproductie, (ii) lage investerings- en operationele kosten door eliminatie van cokesovens en bijproducteninstallatie, (iii) lage procesgerelateerde emissieniveaus, (iv) gebruik van een brede verscheidenheid aan ijzererts en met name niet-cokerende kolen, en (v) generatie van een hoogwaardig exportgas dat gebruikt kan worden voor diverse doeleinden zoals elektriciteitsopwekking, DRI-productie, of aardgasvervanging.

Procesbeschrijving

De meest innovatieve kenmerk van het Corex-proces is de scheiding van de ijzerreductie- en smeltingsoperaties in twee afzonderlijke reactoren, namelijk reductieschacht en melter-gasifier. In de tweefasenbediening van het proces wordt DRI geproduceerd uit een schachtoven in een melter-gasifier geladen voor smelting. In de melter-gasifier worden niet-cokerende kolen vergast door zuurstof te injecteren en voorgereduceerde ijzererts/pellets te smelten. Het uitgaande gas wordt gebruikt voor reductie van ijzererts/pellets in de upstream schachtoven. Het schematische processtroomschema is in Fig. 1 en het schematische overzicht van de belangrijkste Corex-installatiesecties is in Fig. 2.

Fig. 1 Schematisch stroomschema van Corex-proces

Fig. 2 Schematisch overzicht van hoofd Corex-installatiesecties

IJzererts (brokerts, pellets, of een mengsel daarvan) wordt in de reductieschacht geladen, waar het wordt gereduceerd tot direct gereduceerd ijzer (DRI) door het reductiegas in tegenstroom. De materialen dalen in de reductieschacht door zwaartekracht. Het reductiegas van ongeveer 800-850 °C en met meer dan 3 kg/cm² druk beweegt in tegenstroomrichting naar de top van de schacht en verlaat de schacht bij ongeveer 250-300 °C. Het ijzerdragende materiaal wordt direct gereduceerd tot boven de 90% metallisering in de schacht, en wordt DRI (direct gereduceerd ijzer) genoemd. De metalliseringsgraad van de DRI en de calcinatie van de additieven zijn sterk afhankelijk van vier parameters: (i) hoeveelheid en kwaliteit van het reductiegas, (ii) temperatuur van het reductiegas, (iii) reduceerbaarheid van de ijzerdragende belasting, en (iv) gemiddelde deeltjesgrootte en verdeling van de geladen vastestoffen. Vervolgens worden de warme DRI (rond 800 °C) en gedeeltelijk gecalcineerde kalksteen en dolomiet in de melter-gasifier afgevoerd vanuit de reductieschacht via snelheidsgecontroleerde afvoerschroeftransportbanden.

De melter-gasifier kan grotendeels in drie reactiezones worden verdeeld: (i) gasvrije vrije-bordzone (bovenste deel of koepel), (ii) char-bedzone (middelste deel boven zuurstoftuyères), en (iii) hearth-zone (onderste deel onder zuurstoftuyères). Vanwege continue gasstroom door het char-bed bestaat er ook een fluidized bed in de overgangsgebied tussen het char-bed en de vrije-bordzone. De melter-gasifier werkt bij een druk van 3-5 kg/cm² en omvat een bovenste fluidized-bedgebied bij ongeveer 1500 °C en een lagere smeltings- en vloeistofverzamelingsgebied bij ongeveer 1550 °C. Niet-cokerende kolen, kalksteen, en kwartsiet worden via een sluishopper-systeem in de vrije-bordzone boven het fluidized-bedgebied geladen waar ze snel worden verwarmd tot 1000-1200 °C. Een bepaalde hoeveelheid cokes wordt ook aan de schacht toegevoegd om clustering van de belasting binnenin de schacht te voorkomen door het kleven van erts/pellets en om voldoende bed-doorlatendheid te handhaven.

De vluchtige stoffen worden afgedreven en gesleurde vaste koolstofdeeltjes vallen in de vergasingszone waar zuurstof wordt geïnjecteerd door blast furnace-type tuyères om de koolstof te verbranden tot koolmonoxide (CO). Geïnjecteerde zuurstof vergast de kolen-char en genereert CO. De zinnewarmte van de warme gassen wordt overgedragen aan het char-bed, wat gebruikt wordt voor smelting van ijzer en slags en andere metallurgische reacties. De exothermische verbranding levert de energie om de reductie van de warme DRI te voltooien en de slags en het ijzer te smelten. Naast eindreductie en smelting vinden alle andere metallurgische reacties ook plaats in de melter-gasifier. Warm metaal en slags worden afgetapt zoals in conventionele blast furnace-praktijk.

Reductiegas voor de schachtoven wordt geproduceerd door deële verbranding van kolen met zuurstof in het fluidized-bed van de melter-gasifier. Het gas bij een temperatuurbereik van 1050-1100 °C uit de melter-gasifier wordt gekoeld tot de reductiegastemperatuur (800-850 °C) door toevoeging van koelgas. Het gas wordt gereinigd in een hete cyclone om meegesleept fijnstof te recyclen. Een deel van het schone gas wordt dan in de schachtoven gevoerd als reductiegas met meer dan 94% CO plus H₂ (waterstof). Het overige gas wordt gemengd met het gereinigde afgas van de schachtoven en het mengsel wordt gebruikt als exportbrandstofgas. Het exportbrandstofgas wordt ook wel Corex-gas genoemd.

De calorische waarde van Corex-gas is ongeveer 2000 kcal/Nm³. De hoofdcomponenten van Corex-gas per volume zijn ongeveer: koolmonoxide - 44%, kooldioxide - 30%, waterstof - 21%, vocht - 1%, stikstof - 2%, methaan - 1,5%, en stofgehalte - minder dan 5 mg/Nm³. De druk van Corex-gas geleverd aan diverse verbruikers is normaal rond 700 mm waterkolom.

De warmte- en stofbalansberekening voor een ijzerproductieproces speelt een belangrijke rol tijdens de bediening van het Corex-proces.

Een hergebruikssysteem bestaande uit een compressorstation en CO₂-verwijdering maakt het mogelijk om meer exportgas voor metallurgisch werk te benutten. Dit verhoogt de exportgasbenutting tot een hoger niveau en verbetert de algehele economie van het proces naast het milieuvriendelijker maken. Door deze verhoogde gasbenutting gebaseerd op gasrecycling kan de gasproductie in de melter-gasifier aanzienlijk worden verlaagd, wat direct weerspiegelt in lager brandstof- en zuurstofverbruik. Hierdoor wordt de slagsproductie ook met meer dan 20% verlaagd.

De chemie van het proces

In een Corex-proces wordt het blast furnace-concept gebruikt maar de blast furnace wordt virtueel in twee helften gesplitst aan de cohesive-zone interface (Fig. 3). Het proces heeft drie stadia. Het eerste stadium van het proces vindt plaats in de reductieschacht, waar de ijzerertsbelasting wordt gereduceerd door gassen afkomstig van de melter-gasifier en wordt omgezet in warme DRI. Warme DRI wordt mechanisch overgebracht naar de melter-gasifier waar het tweede en derde stadium van het proces plaatsvindt. Het tweede stadium van het proces bestaat uit smelting en karbureren van warme DRI door de kolen en zuurstof die in de melter-gasifier worden toegevoegd. In het derde stadium van het proces, dat plaatsvindt in het bovenste deel van de melter-gasifier, wordt een fluidized-bed van kolen-char gehandhaafd. Hier worden CO₂ (kooldioxide) en vocht (H₂O) omgezet in CO en H₂. Aangezien er praktisch geen CO₂ of H₂O in het gas is dat de melter-gasifier verlaat, is de graad van post-verbranding van Corex-gas nul, wat resulteert in een gas rijk aan chemische energie.

Fig. 3 Vergelijking van concepten van blast furnace-route en Corex-route

De reacties die plaatsvinden in de reductieschacht zijn als volgt:

• Reductie van ijzerbelasting door CO en H₂ en de metallisering in diverse stadia. Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe.
• Calcinatie van kalksteen en dolomiet. CaCO₃ = CaO + CO₂ en CaCO₃·MgCO₃ = CaO·MgO + 2CO₂.
• Koolstofdepositiereactie en vorming van ijzerkarbied (Fe₃C). 2CO = CO₂ + C en 3Fe + 2CO = Fe₃C + CO₂.

Van de bovengenoemde reacties zijn de reacties voor de reductie van ijzeroxide door waterstof en calcinatie endothermisch, terwijl de reacties voor de reductie van ijzeroxide door CO-gas en koolstofdepositie exothermisch van aard zijn. Het reductiegas is vrijwel volledig ontzwaveld in de schacht door de aanwezigheid van gebrand kalk en dolomiet volgens de reacties CaO + H₂S = CaS + H₂O en MgO + H₂S = MgS + H₂O. Laag gehalte aan waterstofsulfide van het topgas is belangrijk ten aanzien van het verdere gebruik van het Corex-gas.

De reacties die plaatsvinden in de melter-gasifier zijn als volgt:

• Drogen van kolen wat plaatsvindt bij 100 °C.
• Ontvluchtiging van kolen wat plaatsvindt bij het temperatuurbereik van 200-950 °C en bevrijding van methaan (CH₄) en hogere koolwaterstoffen (CₙHₘ).
• Ontbinding van vluchtige stoffen vindt plaats door de hogere temperatuur die heerst in de melter-gasifier vrije-bordzone. In dit gebied worden de koolwaterstoffen gecrackt in waterstof en elementaire koolstof (CₙHₘ = n C + (m/2) H₂). Het is wenselijk dat alle hogere koolwaterstoffen in de vrije-bordzone worden gecrackt om de generatie van een goedkwaliteit reductiegas te verzekeren. Dit wordt bereikt door de koepeltemperatuur in het bereik van 1050-1100 °C te handhaven. Andere reacties die in de vrije-bordzone plaatsvinden zijn: (i) CO₂ + C = 2CO (Boudouard-reactie), (ii) H₂O + C = CO + H₂ (water-gas-reactie), en (iii) CO + H₂O = CO₂ + H₂ (shift-reactie).
• Calcinatie van de onvercalcineerde kalksteen en dolomiet.
• Reductie van het residuele ijzeroxide in het sponsijzer.
• Directe reductie van FeO in de DRI door koolstof in het char-bed.
• Verbranding van kolen-char door zuurstof vindt plaats bij de tuyères aangezien de maximum temperatuur binnen de melter-gasifier bestaat voor de tuyères. De koolstofvergasingsreacties die plaatsvinden in het tuyères-gebied zijn: (i) 2C + O₂ = 2CO, (ii) 2CO + O₂ = 2CO₂, en (iii) C + CO₂ = 2CO.
• Smelting van ijzer en slags en scheiding van warm metaal en vloeibare slags.

Productkenmerken en specifieke verbruiken

Typische analyse van warm metaal uit het Corex-proces bestaat uit koolstof - 4,5%, silicium - 0,5%, mangaan - 0,08%, zwavel - 0,03%, en fosfor - 0,1%. De warm metaaltemperatuur is rond 1470-1500 °C.

Typische analyse van slags uit het Corex-proces bestaat uit CaO - 35%, MgO - 13%, SiO₂ - 31%, Al₂O₃ - 15%, FeO - 0,4%, TiO₂ - 0,5%, en S - 1,2%. De temperatuur van vloeibare slags is rond 1520-1580 °C.

Typische analyse van Corex-proces topgas bestaat uit ongeveer CO - 42%, H₂ - 19%, CO₂ - 31% en CH₄ - 1,9%. Typische analyse van het reductiegas is ongeveer CO - 62%, H₂ - 23%, CO₂ - 9%, en methaan - 2%. Typische analyse van exportgas is ongeveer CO - 44%, H₂ - 21%, CO₂ - 30%, vocht - 1%, N₂ - 2%, CH₄ - 1,5%, en stofgehalte - minder dan 5 mg/Nm³.

Typische specifieke verbruiksgetallen per ton warm metaal liggen rond 940 kg voor droge niet-cokerende kolen, 265 kg voor additieven en 520 Nm³ voor zuurstof. De overeenkomstige typische specifieke verbruiksgetallen met recycling van exportgas per ton warm metaal liggen rond 770 kg voor droge niet-cokerende kolen, 185 kg voor additieven en 455 Nm³ voor zuurstof. Typische opbrengstgetallen per ton warm metaal liggen rond 340 kg voor vloeibare slags en rond 16.500 duizend Nm³ exportgas met een calorische waarde van ongeveer 1910 kcal/Nm³. De overeenkomstige typische opbrengstgetallen met recycling van exportgas per ton warm metaal liggen rond 265 kg voor vloeibare slags, en rond 14.100 duizend Nm³ exportgas met een calorische waarde van ongeveer 1790 kcal/Nm³.

In het Corex-proces wordt ongeveer 45% van de totale energie-invoer gebruikt voor ijzerproductie en de rest gaat naar exportbrandstofgas. Het geproduceerde warm metaal heeft koolstof- en siliciumgehalten vergelijkbaar met blast furnace warm metaal. Echter, bijna al de zwavel in de niet-cokerende kolen komt in de slags en het warm metaal terecht. In dit opzicht vergast organische zwavel in de kolen en wordt geabsorbeerd door de DRI en keert terug naar de melter-gasifier als ijzersulfide.

Milieuaspecten van het proces

Het Corex-proces vangt de meeste verontreinigingen in een inerte toestand in de slags en de vrijgekomen koolwaterstoffen worden vernietigd in de koepel van de melter-gasifier. Verder, door de in-situ verkoking van de kolen in de melter-gasifier, wordt een groot deel van de zwavel in de slags gevangen, wat de emissies van gasvormige SO₂ of H₂S dramatisch verlaagt. Ook, aangezien zuivere zuurstof wordt gebruikt in plaats van de warme luchtblast, verlaagt het Corex-proces de stikstofemissies in de vorm van NOx aanzienlijk en biedt voordelen ten aanzien van stofemissies. De emissieniveaus met het Corex-proces zijn veel lager dan de BF-route van productie die bestaat uit blast furnace, sinterinstallatie en cokesovens.

Het Corex-proces emiteert ten minste 15% minder CO₂ vergeleken met de BF-route voor warm metaalproductie. De luchtdemissies zijn ook lager dan conventionele BF-eenheden. CO₂-emissie is ongeveer 1420 kg/tHM vergeleken met ongeveer 1900 kg/tHM voor BF. SO₂-emissie is ongeveer 55 kg/tHM vergeleken met ongeveer 1400 kg/tHM in BF-route van productie. Deeltjes en NOx-emissies in het Corex-proces zijn ongeveer 10% van de BF-route van productie. Fenolen-afvoer is ongeveer 0,04 g/tHM, terwijl in BF-route van productie het 100 g/tHM is. Sulfiden-afvoer is ongeveer 0,01 g/tHM terwijl voor BF-route van productie het 180 g/tHM is. Ammoniak-afvoer voor Corex-proces is 60 g/tHM terwijl voor BF-route van productie het 900 g/tHM is. Cyanide-afvoeren in het afvalwater zijn volledig geëlimineerd in de Corex-route.

Voordelen en beperkingen van Corex-proces

Voordelen van het Corex-proces omvatten: (i) reductie in de specifieke investeringskosten vergeleken met conventionele blast furnace-route van productie, (ii) lagere productiekosten, (iii) betere milieupreestaties vanwege lagere emissies en afvoeren, (iv) hogere calorische waarde van exportgas maakt het geschikt voor gebruik in een breed scala aan toepassingen, (v) flexibel ten aanzien van grondstofgebruik aangezien een brede verscheidenheid aan ijzererts en kolen gebruikt kan worden, (vi) goede operationele flexibiliteit ten aanzien van productiecapaciteit, productiestops en grondstofwijzigingen.

Beperkingen van het Corex-proces omvatten: (i) geoptimaliseerde verdeling van kolen en DRI is nodig in de melter-gasifier om perifeer stroom van warme gassen te voorkomen, (ii) afwezigheid van post-verbranding resulteert in verlies van chemische energie in de exportgassen wat resulteert in hoog kolenverbruik, (iii) veel van de apparatuur zoals koelgascompressor zijn onderhoudsgeoriënteerd, (iv) overdracht van warme DRI en recycling van het warme gas zijn gevaarlijk, vooral tijdens hun onderhoudsperioden, (v) melter-gasifier wordt onderworpen aan hoge voorkomens van drukpieken ten gevolge van gebruik van rauwe kolen met slechte char-bedcondities resulterend in blokkering van stofrecyclagesystemen alsook gasreinigingssystemen, (vi) gevoeligheid van de procesinvoer kwaliteitsparameters zoals granulometrie, percentage fijnen in de invoer, decrepitatie, en degradatiegedrag van kolen, ijzererts en pellets bij hoge temperatuur.