Circored en Circofer: Efficiënte Reductie van IJzererts Fines via Vloeibed Directe Reductie

Circored- en Circofer-processen voor ijzerproductie

De Circored- en Circofer-processen zijn op vloeibed gebaseerde reductieprocessen voor iJzererts fines. Deze processen vermijden volledig het agglomeratieproces en maken direct gebruik van iJzererts fines. Omdat de processen niet-cokerende steenkool gebruiken, is een cokesovenbatterij niet nodig. Vloeibedtechnologie is ideaal geschikt voor energie-intensieve processen zoals directe reductie, omdat het hoge warmte- en stofoverdrachtsnelheden mogelijk maakt.

Zowel het Circored- als het Circofer-proces zijn ontwikkeld door Lurgi Metallurgie GmbH, Duitsland (nu Outotec Oyj, Finland) voor de productie van direct gereduceerd ijzer (DRI) uit iJzererts fines. Voor beide processen zijn capaciteiten boven 1 miljoen ton per jaar mogelijk in een enkele productie-eenheid, wat leidt tot verbeterde schaaleconomieën.

Het Circored-proces is waterstof (H₂) gebaseerd, terwijl het Circofer-proces steenkoolgebaseerd is. Circored heeft een twee-staps configuratie om een hoge metallisatie van 90% tot 95% te bereiken, terwijl Circofer een een-staps configuratie heeft die voorreductie kan bereiken tot een metallisatie van ongeveer 70%. Het Circofer steenkoolgebaseerde proces produceert voorgereduceerd voermateriaal voor smeltreductiereactoren, zoals AusIron, of elektrische smeltoovens – het eindproduct is warm metaal of gietijzer.

Circored-proces

Het Circored-proces gebruikt vloeibedden op een schaal die Outotec ook voor andere toepassingen heeft aangenomen. De ontwikkeling van het proces werd in de late jaren 1970 geïnitieerd met proeven in de ELRED-pilotfabriek van ASEA in Zweden. Er werden ook proeven uitgevoerd in de 3 ton per uur CFB-reactor demonstratie-eenheid bij Thyssen Stahl in Duisburg, Duitsland. Deze proeven richtten zich op de behandeling van afvalstoffen uit staalfabrieken.

De eerste commerciële Circored-eenheid werd in 1998 gebouwd door Cliffs and Associates Ltd. in het Point Lisas Industriële Complex in Trinidad. De fabriek heeft een capaciteit van 500.000 ton per jaar HBI. De fabriek is momenteel niet in werking.

Het proces is een aardgasgebaseerd proces voor de productie van DRI uit iJzererts fines. Het is een twee-staps vloeibedproces. De eerste reductiestap is een circulair vloeibed (CFB), de tweede reductiestap een borrelend vloeibed (BFB) reactor. Voor het oppompen van het fijnkorrelige DRI-product tot de brikettertemperatuur wordt een flitsverwarmers gebruikt.

Het H₂-gebaseerde Circored-proces produceert hooggemetalliseerd DRI of hot briquetted iron (HBI) voor directe voeding in een lichtenboogoven (EAF) voor de staalproductie. Het proces verlaagt het energieverbruik en de emissies en biedt een duurzame oplossing voor de staalproductie. De bijzondere kenmerken van het proces zijn: (i) direct gebruik van iJzererts fines zonder voorafgaande agglomeratie, zoals pelletiseren of sinteren, en (ii) werking met zuivere waterstof als reductiegas maakt reductie mogelijk met zeer lage CO₂-emissiewaarden, en stelt de toepassing van lage reductietemperaturen in, wat de kleefneiging minimaliseert. H₂ wordt geproduceerd door middel van aardgashervervorming, maar H₂ uit andere bronnen dan een stoomhervormer, bijvoorbeeld uit waterelektrolyse, kan ook worden gebruikt.

De basischemische reactie die ten grondslag ligt aan het Circored-proces, berust op de toevoeging van H₂ aan het iJzererts, wat reageert tot zuiver ijzer en water (Fe₂O₃ + 3H₂ = 2Fe + 3H₂O).

De CFB is geselecteerd om een voorreductiegraad van 65% tot 70% te bereiken, vanwege: (i) de hoge glijsnelheid tussen gas en vastestoffen, (ii) uitstekende warmte- en stofoverdracht en (iii) een korte verblijftijd in de reactor. Hoge gassnelheden maken een kleinere reactorgrootte mogelijk, wat bespaart op kapitaalkosten. De CFB stelt ook stofhoudend afgas van de BFB toe als secundair gas te worden gebruikt, wat de algehele gasutilisatie verbetert.

De BFB is geselecteerd voor de tweede stap van het proces om de eindmetallisatie van 93% tot 95% te bereiken vanwege de langzamere reactiesnelheid. De BFB wordt gekenmerkt door lagere gassnelheden en langere verblijftijden van 2 tot 4 uur.

Het Circored-proces werkt bij lage reductietemperaturen en gebruikt aardgas om reductiegas te produceren door hervervorming. Het proces gebruikt ertsfines met een deeltjesgrootte van 0,03 mm tot 1 mm en produceert HBI.

De iJzererts fines worden eerst gedroogd en voorverwarmd in een vloeibed-voorverhittersysteem bij ongeveer 850 °C tot 900 °C. De gedroogde en voorverwarmde fines worden vervolgens geladen in een CFB-reactor. De benodigde warmte wordt gegenereerd door de verbranding van aardgas en lucht die in de CFB-reactor wordt geïntroduceerd. De fines ondergaan een snelle voorreductiestap in een verdere CFB bij 630 °C tot ongeveer 65% tot 70% metallisatie. De CFB biedt gunstige warmte- en stofoverdrachtscondities, wat resulteert in verblijftijden van 20 tot 30 minuten. Gassnelheden in de CFB zijn 4 tot 6 meter per seconde. Hoge gassnelheden worden in de CFB gebruikt, wat ontworpen is met een relatief kleinere diameter. Goede laterale en verticale menging van vastestoffen in de CFB zorgt voor een uniforme temperatuurdistributie in de reactor en uniforme productchemie. De CFB stelt ook stofhoudend afgas van de BFB toe als secundair procesgas te worden gebruikt, wat de algehele gasutilisatie verbetert.

Een deel van de deels gemetalliseerde fines wordt uit de CFB onttrokken en gaat naar de BFB-reactor. De BFB-reactor is ingedeeld in verschillende compartimenten en heeft gassnelheden in het bereik van 0,5 tot 0,6 meter per seconde. De BFB werkt met relatief lage gassnelheden en biedt verblijftijden van 2 tot 4 uur. De fines bereiken een eindredactie in de tweede stap BFB-reactor bij 650 °C. De reacties hier zijn voornamelijk diffusie-gestuurd om een product te produceren met een metallisatie van 93% tot 95%. Het afgas dat de top van de BFB-reactor verlaat, gaat naar de CFB. Het product verlaat de BFB-reactor bij ongeveer 650 °C, wordt vervolgens verwarmd in een flitsverwarmers om brikettertemperaturen van ongeveer 700 °C te bereiken, en wordt gebriketteerd om HBI te produceren.

Circored gebruikt H₂, verkregen uit aardgashervervorming, als enige reductantbron (d.w.z. geen CO wordt gebruikt) in het proces, wat resulteert in een product zonder koolstof. Een bedrijfstemperatuur onder 650 °C wordt gekozen voor het proces om de kleefneiging van de gereduceerde iJzererts fines te vermijden. De lage bedrijfstemperatuur vereist hogere specifieke procesgasvolumes. Daarom wordt een bedrijfsdruk van 4 kg/cm² gebruikt om de werkelijke gasstroomsnelheden te verlagen.

Het gecomprimeerde procesgas wordt voorverwarmd tot ongeveer 750 °C in twee gasgestookte voorverhittersoven, om in elke stap van het proces geïnjekteerd te worden (d.w.z. de CFB en BFB). Afgas van de BFB wordt als secundair procesgas naar de CFB geleid. Het gas dat de recyclecycloon van de CFB verlaat, wordt afgekoeld in de procesgaswarmtewisselaar, geleid door een multicyclone voor de terugwinning van een deel van de stofdeeltjes, wat gerecycled wordt naar de flitsverwarmers. Het afgas wordt vervolgens gescrubberd en gequenched voor de eindverwijdering van stof en water dat tijdens reductie ontstaat. Het gas wordt gecomprimeerd en vervolgens opnieuw verwarmd in de proceswarmtewisselaar voor herinjectie in het proces.

Voor de terugwinning van de scrubberstof wordt een micro-granulatieproces toegepast. In dit proces worden de ultra-fijne deeltjes geagglomereerd tot micro-granules met toevoeging van een binder tot een gemiddelde grootte van ongeveer 350 micrometer. Geen additionele verhardingsequipment wordt gebruikt omdat de verharding van de granules plaatsvindt in de voorverhitsectie van de Circored-fabriek. Micro-granulatie kan ook worden toegepast als ultra-fijne ertsen, zoals pelletvoeder, verwerkt moeten worden.

Het afgekoelde en gereinigde procesgas wordt gerecomprimeerd in een compressor en vervolgens voorverwarmd in gasgestookte verwarmers tot een temperatuur van ongeveer 750 °C voordat het opnieuw in het reductiereactorsysteem wordt geïntroduceerd. Verse make-up H₂, geproduceerd in een standaard stoomhervormer uitgerust met een CO₂-verwijderingssysteem, wordt na de compressietrap toegevoegd. Het procesgas wordt voorverwarmd voordat het in de reductieovens wordt geïntroduceerd. Twee derde van het verse gas wordt gebruikt in de secundaire BFB-reactor, en een derde in de CFB-reactor.

De optie voor warm laden kan worden geïntegreerd om het warm geproduceerde DRI direct zonder briketteren in de EAF te voeden.

Het processtromschema van het Circored-proces is weergegeven in Fig. 1 en de lay-out van de 500.000 ton per jaar fabriek in Fig. 2.

Typische procesinvoer voor het Circored-proces per ton HBI bestaat uit: (i) iJzererts fines (67% Fe) 1470 kg, (ii) elektriciteit 100 kWh, (iii) aardgas 2,75 Gcal, (iv) water 0,6 m³, en (v) man-uren 0,23.

De voordelen van het proces omvatten: (i) direct gebruik van goedkope iJzererts fines zonder voorafgaande agglomeratie, zoals pelletiseren of sinteren, (ii) werking met H₂ als reductant maakt reductie mogelijk met zeer lage CO₂-emissiewaarden, en stelt de toepassing van lage reductietemperaturen in, wat de kleefneiging minimaliseert, (iii) goede warmte- en stofoverdrachtscondities in de CFB-reactor, en (iv) lage investerings- en operationele kosten. Hieronder volgt het energiebesparingspotentieel van het proces:

• Gasverbruik van het proces is laag: 2,75 Gcal/ton.
• Elektriciteitsverbruik per ton vloeibaar staal geproduceerd via de Circored-HBI-EAF-route is 901 kWh/ton staal.

Procesgerelateerde en totale (inclusief elektriciteit) CO₂-emissies van het proces worden gerapporteerd als 1,2 en 2,02 ton/ton staal. De Circored-EAF-route emiteert slechts ongeveer 50% van de CO₂ die wordt uitgestoten door de conventionele hoogoven-basiszuurstofoven-route, aannemend dat H₂ gegenereerd wordt door conventionele stoomhervervorming. Als zowel H₂, gegenereerd door waterelektrolyse, als elektriciteit voor de EAF, gebaseerd zijn op hernieuwbare energie, kunnen CO₂-emissies met tot 90% worden verminderd.

Circofer-proces

Het Circofer-proces lijkt op het Circored-proces. Het reduceert fijnerts met steenkool in een CFB, waarbij het reductiegas geproduceerd wordt door vergassing van steenkool. Het proces is ontworpen met bedrijfstemperaturen van ongeveer 950 °C, zonder productie van overschot exportgas. Door de consequentie inzet van de meest diverse elementen van de CFB-technologie, onderscheidt het Circofer-proces zich door uitzonderlijke warmte- en stofoverdracht, uniforme temperatuurdistributie over het gehele reactorcircuit en uitstekende warmte- en gasutilisatie.

Een pilotfabriek voor het Circofer-proces, met een capaciteit van 5 ton per dag, werd geïnstalleerd in Frankfurt, Duitsland. De pilotfabriek bood een manier om diverse iJzererts en steenkoolsoorten te testen en stelt simulatie van procescondities toe om ontwerpparameters voor industriële schaaloperaties te ontwikkelen. Het DRI geproduceerd door het Circofer-proces (meer dan 93% metallisatie) wordt voornamelijk overwogen voor gebruik in mini-staalfabrieken en legeringsstaalfabrieken voor de productie van speciale stalen. Het kan echter ook in geïntegreerde staalfabrieken worden gebruikt.

Circofer voorreductie bestaat essentieel uit een CFB, waar het iJzererts gereduceerd wordt door koolmonoxide (CO) en H₂-gas gegenereerd uit in-situ steenkoolvergassing. Het afgas van de CFB wordt gebruikt om het iJzererts voor te verwarmen in een twee-staps suspensie-voorverhitter. Het iJzererts wordt vervolgens verder verwarmd door gerecycleerd cokes en door middel van deeltijdige verbranding van steenkool met zuurstof in de warmtegenerator. Na de voorverhitfasen wordt het afgas verder afgekoeld in een afvalwarmteketel (waarbij stoom wordt gegenereerd voor de CO₂-scrubber) en ten slotte afgekoeld in een venturiscrubber om de waterdamp die tijdens reductie ontstaat te verwijderen. CO₂ als overgebleven product uit de reductie wordt verwijderd in een CO₂-scrubber en het CO- en H₂-procesgas wordt teruggevoerd naar de reductiestap.

Steenkool, cokes en iJzererts fines (0,1 mm tot 1,0 mm) zijn de primaire grondstoffen die direct aan het proces worden toegevoegd. Steenkool van elke variëteit met een as-smelttemperatuur hoger dan 1050 °C en met vluchtige stoffen in het bereik van 10% tot 40% kan worden gebruikt. Het is echter wenselijk om steenkool met een lage asgehalte (minder dan 15%) te hebben om de circulatiebelasting in de reactoren, en in het geval van directe lading in een smelter de slakvolume, tot een minimum te beperken.

Het Circofer-proces gebruikt een combinatie van circulair en stationair vloeibed. De fijnerts worden voorverwarmd in een geïntegreerde twee-staps voorverhittingseenheid voordat ze worden toegelaten tot de eerste reductiestap. De eerste reductiestap is een CFB-reactor, met een geïntegreerde warmtegenerator waarin de benodigde energie aan het systeem wordt geleverd door deeltijdige oxidatie van steenkool met zuurstof. Deze deeltijdige steenkoolverbranding geïntegreerd met het CFB-systeem produceert niet alleen de voor het proces benodigde warmte, maar levert specifiek de cokes die nodig is als reducerend koolstof en anti-kleefmiddel. Met deze regeling is het mogelijk om de CFB-voorreductie bij hoge temperaturen van 950 °C uit te voeren zonder dat de fijnerts gaan kleven.

IJzererts fines en gerecycleerde cokes, uit de magnetische scheiding van het product voor brikettering, worden voorverwarmd tot ongeveer 800 °C in een twee-staps CFB-systeem dat de sensible warmte van het afgas van het proces benut. De voorverwarmde materialen worden via een vergasser in de CFB-reactor geladen. Steenkool wordt direct in de vergasser geladen, die werkt bij een temperatuur van ongeveer 1000 °C, waar het deeltijds geoxideerd wordt met behulp van geïnjekteerde zuurstof om de voor het proces benodigde warmte te genereren. De vastestoffen en gassen gaan naar de CFB waar het ijzeroxide wordt gereduceerd bij een temperatuur van ongeveer 950 °C tot een metallisatiegraad van ongeveer 70%. Vastestoffen uit de CFB worden overgebracht naar de FB-reactor (vloeibed) voor de eindredactiestap tot een metallisatie van ongeveer 93%. Het gemetalliseerde product, as en overtollige cokes worden uit de FB-reactor ontladen, afgekoeld tot ongeveer 730 °C en onderworpen aan magnetische scheiding. Het gemetalliseerde product wordt warm gebriketteerd bij ongeveer 680 °C. De niet-magnetische cokes worden teruggerecycleerd naar het proces.

Typische samenstelling van DRI uit het Circofer-proces toont: Fe (totaal) – 92,7%, metallisch ijzer – 85,8%, metallisatie – 92,6%, % C – 1,32, % SiO₂ – 1,25, % Al₂O₃ – 2,62, % CaO – 0,06.

Na de eindredactie wordt het product in warme condities magnetisch gescheiden en kan het op verschillende manieren verder worden verwerkt. Een optie bestaat in het recycleren van het grootste deel van de gescheiden cokes (wat de niet-metallische fractie betekent) en het briketteren van het hooggemetalliseerde product in warme condities om het als hot briquetted iron (HBI) van de fabriek te verzenden. Een andere optie bestaat in de directe smelting van het warme DRI (AusIron). Deze route heeft het voordeel dat het substantiële energiebesparing mogelijk maakt door 'in één hitte' te werken. In dit proces kan het overtollige koolstof worden gebruikt als energiebron voor smelting.

Het stromschema van het Circofer-proces samen met de AusIron-oven is weergegeven in Fig. 3. Het Circofer-proces wordt gekenmerkt door een gesloten gascircuit. Het gas dat gegenereerd wordt door steenkoolvergassing en ertsreductie wordt eerst afgekoeld, vervolgens ontdost voordat de reductieproducten water en CO₂ kunnen worden uitgewaschen. Het zo verkregen gas met een hoog reductiepotentieel wordt gecomprimeerd en verwarmd voordat het uiteindelijk weer naar het proces wordt gerecycled.

De gasstromen lopen in een gesloten gascircuit. Het reactorafgas wordt gebruikt in de ertsvoorverhitter en vervolgens afgekoeld tot ongeveer 220 °C in een afvalwarmteketel. Het gas wordt ontdost in een zakfilter, gequenched en gescrubberd om waterdamp die in het proces ontstaat te verwijderen voordat het de CO₂-verwijderingseenheid bereikt. De CO₂-verwijderingseenheid gebruikt stoom gegenereerd in de afvalwarmteketel voor het stripperen van CO₂ uit het afgas. Het gas wordt vervolgens gecomprimeerd en herinjecteerd in beide reactoren en de vergasser.

De volgende zijn de belangrijke kenmerken van het Circofer-proces:

• Het proces gebruikt steenkool voor het proces
• IJzererts fines worden zonder agglomeratie of andere voorbehandeling gebruikt
• Het proces heeft minimaal materiaalvoorbereiding nodig
• Het proces heeft uitstekende warmte- en stofoverdracht dankzij vloeibedtechnologie
• Het proces heeft een gesloten energiesysteem geminimaliseerde primaire energiebehoefte
• Het proces heeft geen overschotenergie
• Het proces produceert geen gevaarlijk afval
• Het proces is milieu-vriendelijk met lage emissies
• Het proces heeft flexibiliteit om HBI, een verkoopbaar product, te produceren, of warm DRI over te dragen naar een smeltooven om warm metaal te produceren
• Verhoogt de capaciteit van de downstream smelting (AusIron) oven aanzienlijk
• Vermindert het stroomverbruik van een downstream elektrische smelter