CO₂-Emissiereductie in Hoogoven-IJzerproductie

IJzerproductie door Hoogoven en Kooldioxide-uitstoot

Het is breed erkend dat kooldioxide (CO₂) in de atmosfeer het hoofdcomponent is dat de opwarming van de aarde beïnvloedt door het broeikaseffect. Sinds 1896 is de concentratie van CO₂ in de atmosfeer met 25% toegenomen. De ijzer- en staalindustrie is bekend als een energie-intensieve industrie en als een significante emitter van CO₂. Daarom wordt klimaatverandering geïdentificeerd door de ijzer- en staalindustrie als een grote milieu-uitdaging. Lang voor de bevindingen van het Intergouvernementale Paneel over Klimaatverandering in 2007, erkenden grote producenten van ijzer en staal dat langetermijnoplossingen nodig zijn om de CO₂-uitstoot van de ijzer- en staalindustrie aan te pakken. Daarom is de ijzer- en staalindustrie zeer proactief geweest in het verbeteren van het energieverbruik en het verminderen van broeikasgas (GHG) uitstoot.

In de huidige omgeving van klimaatverandering, is er binnen de ijzer- en staalindustrie een continue drang om energiekosten te verlagen, uitstoot te verminderen en maximale hergebruik van afvalenergie te waarborgen. In de traditionele processen voor het produceren van ijzer en staal, is uitstoot van CO₂ onvermijdelijk, met name voor het hoogovenproces (BF), dat koolstof (C) vereist als brandstof en reducerend middel om ijzeroxide om te zetten in de metallische toestand, en dus het hoofdproces is voor de generatie van CO₂ in een geïntegreerde ijzer- en staalfabriek. Klimatbeleid is in feite een belangrijke drijfveer voor verdere ontwikkeling van de ijzerproductietechnologie door BF.

Kritiek, onder de uitdagingen die de BF-operatie tegenkomt, is decarbonisatie. Significante stappen zijn gemaakt door de ijzer- en staalindustrie om de thermische efficiëntie van de BF-operatie te verhogen, maar uiteindelijk is er een harde limiet in decarbonisatie, geassocieerd met de noodzaak voor C als chemisch reductant. Sinds de jaren 1950 zijn significante R&D (onderzoek en ontwikkeling) inspanningen uitgevoerd om de BF-ijzerproductietechnologie efficiënter te maken. Deze R&D-inspanningen omvatten: (i) verbeterde cokes- en sinterkwaliteit, (ii) zuurstofverrijking (O₂), (iii) injectie van andere reductanten zoals gepulveriseerde steenkool en aardgas, (iv) ladingverdeling, en (v) meettechnologieën en zo verder. In de jaren 1950 was de reductantratio ongeveer 1000 kilogram per ton ruw ijzer (kg/tHM), en sindsdien is het met een factor 2 verminderd door de R&D-inspanningen en de implementatie van de resultaten.

Het reductantverbruik bij de conventionele BF is tegenwoordig met ongeveer 500 kg/tHM benaderend slechts 5% boven de laagst mogelijke thermodynamische waarden onder klassieke BF-operatie. Het BF-proces is nu een hoogontwikkeld proces dat dicht bij de thermodynamische grenzen van efficiëntie opereren. Er zijn geen duidelijke grote verbeteringen verwacht die fundamenteel het C-verzoek zouden verminderen of de thermische efficiëntie significant zouden verbeteren, maar, aangezien de BF de predominante emissiegenerator is, zijn inspanningen om de milieueffecten van de industrie te mitigeren, van noodzaak gericht op het BF-ijzerproductieproces.

Doorbraak IJzerproductietechnologieën

Doorbraak ijzerproductietechnologieën zijn vereist voor verdere significante reductie van C-verbruik of CO₂-uitstoot. Verschillende technologieën zijn voorgesteld voor verdere reductie van het fossiele C-gebruik en de reductie van de CO₂-uitstoot in het BF-proces zelf. Deze omvatten: (i) recycling van CO uit het BF-topgas, (ii) gebruik van biomassa, (iii) substitutie van CO door H₂ als reducerend middel, (iv) gebruik van C-arme direct gereduceerd ijzer (DRI), hot briquetted iron (HBI), of laag gereduceerd ijzer (LRI), (v) gebruik van C-composietmaterialen, (vi) gebruik van C-arme elektrische energie, en (vii) CO₂-afvang en -opslag (CCS) etc. Echter, de benodigde benadering is om incrementele verbeteringen voor te stellen die stappen bieden om uitstoot te verminderen of meer te produceren uit het potentieel dat bestaat binnen het huidige proces.

Het is onvermijdelijk dat, bij het overwegen van dergelijke technologieën, een aantal kruisthematiek rond economie en algehele CO₂-uitstoot moet worden overwogen. Bijvoorbeeld, het gebruik van CO₂ en procesgassen als chemische grondstoffen kan additionele aankoop van brandstoffen voor de verhitovens vereisen, wat kan invloed hebben geïntegreerde fabriekskosten, staalkwaliteit en totale CO₂-uitstoot. Elke oplossing die verder genomen wordt voor overweging, moet het potentieel hebben om een multi-component optimalisatie van deze individuele aspecten te bereiken.

De belangrijkste uitdagingen voor toekomstige BF-operatie zijn daarom: (i) het aanzienlijk verminderen van kapitaal- en operationele uitgaven om een duurzame opbrengst op kapitaaluitgaven te genereren door de economische cyclus heen, en (ii) het verminderen van effectieve CO₂-uitstoot tot een punt zelfs lager dan dat bepaald uit de chemische thermodynamica van het conventionele cokes-gebaseerde proces. Om deze uitdagingen aan te gaan, is het essentieel om een aantal technologiekansen te identificeren. Deze worden hieronder beschreven.

Topgasrecycling en Koolstofafvangtechnologieën

De reductie van input C is beperkt door het reductie-evenwicht van gas in de BF. De daling van input C kan worden bereikt door de directe reductieratio (een endothermische reactie) te verlagen door de gasreductie binnen de BF te versterken door decarbonisatie en recirculatie van topgas door injectie in de oven. Typisch flowschema van hoogoven met topgasrecycling (TGR) is getoond in Fig 1.

Elke oplossing voor decarbonisatie van de BF-route vereist een element van C-afvang. Voor het bereiken van substantiële CO₂-reductie (groter dan 50%), is de toepassing van CCS-technologie noodzakelijk, hoewel er algemene consensus in de industrie is dat reducties groter dan 80% niet mogelijk zijn. Een bemoedigende variatie op C-afvang is topgasrecycling in het proces van ijzerproductie door het BF-proces. Het is de meest veelbelovende technologie die de CO₂-uitstoot aanzienlijk kan verminderen en bestaat uit recycling van CO en H₂ uit het gas dat de BF van de top verlaat.

TGR-technologie is voornamelijk gebaseerd op het verlagen van het gebruik van fossiele C (cokes) door hergebruik van de reducerende middelen (CO en H₂) na verwijdering van CO₂ uit het topgas. Dit leidt tot lagere energievereisten. De hooftechnologieën van de TGR-BF zijn: (i) wassen van CO₂ uit het topgas en injectie van de balans reducerende topgascomponenten CO en H₂ in de BF-schaft en hertogtuyères, (ii) lager fossiel C-input door lagere cokesratio's, (iii) gebruik van zuivere O₂ in plaats van hete luchtblast bij de hertogtuyère d.w.z. verwijdering van stikstof (N₂) uit het proces, en (iv) herwinning van zuivere CO₂ uit het topgas voor ondergrondse opslag.

De meeste C-afvangschema's zijn over het algemeen geassocieerd met opslag, maar benutting kan ook worden overwogen. Deze verbinding tussen C-afvang en benutting benadrukt een belangrijk onderzoeksgebied dat momenteel van belang is rond procesintegratie. Vergeleken met aspecten zoals afvang, transport en opslag, heeft het gebied van procesintegratie door retrofitting van een bestaande BF met een C-afvangsysteem, weinig aandacht gekregen.

Het is te verwachten dat voor de meerderheid van de locaties waar BF's opereren, C-afvang naast BF's gecommissioneerd zal worden die al decennialang hebben gedraaid. Er is potentieel voor een significant niveau van procesinterferentie geassocieerd met aspecten zoals gaskwaliteit, druk, operationele protocollen en de relatieve optimalisatie van zowel de BF als C-benuttingsinstallatie. Retrofitting en daaropvolgende operatie moeten bereikt worden zonder in te boeten op operationele efficiëntie of productkwaliteit van de bestaande activa.

In dit gebied van procesintegratie moeten geavanceerde proces-simulatie- en modellerings technieken worden ingezet om de combinatie van een geïntegreerde BF en C-afvangsysteem te optimaliseren. In dit opzicht is een combinatie van thermo-vloeistofmodellering, met proceskinetica en door-proces economische modellering, afgestemd op een begrip van de cruciale ijzerproductieprocesparameters, vereist. Gegeven zo'n focus, kan de toepassing van C-afvang op bestaande BF-operaties gerealiseerd worden.

Waterstofreductie

De belangrijke milieu-uitdaging voor het BF-proces is het gebruik van C als chemisch reductant. Dit heeft een harde thermodynamische limiet, onder welke verdere C-reductie niet mogelijk is zonder een significante proceswijziging. Een dergelijke proceswijziging is een gedeeltelijke switch van C naar waterstof (H₂) als reductant. Voorbeelden van reducerende middelen met hoge H₂-inhoud zijn afvalkunststoffen (CₙHₘ) of aardgas (met hoofdbestanddeel CH₄). H₂ wordt al gebruikt in directe reductieprocessen voor de productie van DRI en dus is er een basisbegrip van de mechanismen en chemische thermodynamica, maar er is een kans voor verder procesonderzoek en innovatie rond de mate waarin de balans tussen H₂-reductie en C-reductie binnen de oven kan worden verschoven.

Gebruik van afvalkunststoffen (WP) om H₂-reductie in BF te bevorderen, wordt gedaan door injectie van WP in de BF. WP wordt als vast stof geïnjecteerd door de tuyères op een vergelijkbare manier als gepulveriseerde steenkool (PC). Normaal wordt het gedaan als co-injectie van WP en steenkool in de BF. De verbrandingsenergie van WP is over het algemeen ten minste zo hoog als die van normaal geïnjecteerde PC, en hun hogere verhouding van H₂ tot C betekent dat minder CO₂ wordt geproduceerd binnen de BF van de verbranding en ijzerertsreductieprocessen. Ook is er lager energieverbruik aangezien H₂ een gunstiger reducerend middel is dan C. Injectie van WP verhoogt de bosh-gas H₂-concentratie. Aangezien de chemische reactiesnelheid van H₂-reductie hoger is dan die van CO, neemt de omvang van de Boudouard-reactie af naarmate de bosh-gas H₂ toeneemt. CO₂ en H₂O zijn aanwezig in het bovenste deel van de BF door de reductie van ijzeroxiden.

Voor het bevorderen van H₂-reductie in de hoogoven, wordt een andere methode onderzocht via het COURSE50-project in Japan, waar werk in 2008 is begonnen. Dit project is een poging om CO₂-uitstoot te verminderen door de techniek van het injecteren van reducerend gas in de BF-schaft verder te ontwikkelen, in combinatie met H₂-versterking door reformeren van cokesovengas. De H₂-reductietechnologie voorgesteld door dit project bestaat uit H₂-toename door: (i) gasreformering van cokesovengas, (ii) H₂-ertsreductietechnologie, en (iii) cokesproductietechnologie voor H₂-reductie hoogoven. In dit project wordt het reducerende gas in de BF-schaft geïnjecteerd. Vanuit de impulsbalans van twee gassen, is gevonden dat de penetratiegebied van schachtinjectiegas evenredig is met de injectiegasratio en ijzerertsreductie wordt bevorderd door H₂. Echter, aangezien H₂-reductie een endothermische reactie is, is speciale aandacht nodig voor het handhaven van de temperatuur aan de oventop.

Alternatieve Koolstofdragende Materialen

Alternatieve C-dragende materialen zijn C-composietagglomeraten (CCA) of C-ijzercomposieten (CIC). Dit zijn agglomeraten van koolstofhoudend materiaal en ijzeroxidemengsel en zijn een soort gevormde cokes met metallisch ijzer. Het koolstofhoudende materiaal kan cokesfijnen, steenkool, houtskool, C-rijke in-plant fijnen, biomassa, afvalkunststoffen, etc. zijn, terwijl het ijzeroxide kan zijn laagwaardige ijzererts, ijzerrijke in-plant fijnen, etc. C-composietmaterialen hebben door het katalytische effect van de ijzerdeeltjes opmerkelijk hoge reactiviteit met CO₂-gas in vergelijking met metallurgische cokes. Normaal reageren C-composietmaterialen met CO₂-gas vanaf een temperatuur van ongeveer 150 °C lager dan metallurgische cokes.

De ertsreductiereactie wordt bevorderd door C-composietmaterialen vanwege: (i) de hogere reactiviteit van deze materialen, en (ii) het feit dat de oplossingsverliesreactie van deze materialen begint bij een lagere temperatuur. Het benutten van dergelijke agglomeraten helpt niet alleen bij het mitigeren van CO₂-uitstoot maar ook bij cokes- en energiebesparing. De korte afstand tussen ijzer en C in dergelijke agglomeraten verbetert de reactiekinetiek significant. De andere voordelen die gevisualiseerd kunnen worden bij benutting van dergelijke agglomeraten zijn: (i) mogelijkheid om ijzer- en/of C-rijke in-plant fijnen te gebruiken, (ii) lagere vergassingstemperatuur door het koppelings effect tussen de vergassingsreactie en ijzeroxide (wustiet) reductie, en (iii) minder afhankelijkheid van CO₂- en energie-intensieve ertsvoorbereidingsprocessen.

De methode van produceren van C-composietmaterialen bestaat uit breken, mengen, en briketteren van goedkope ijzerhoudende materialen en niet-cokerende of licht-cokerende steenkool, gevolgd door vertering en verkoking in een schachtoven. De sterkte van deze materialen is een belangrijke eigenschap voor BF-voeding, en sterkte op hetzelfde niveau als metallurgische cokes kan bereikt worden, zelfs van lage kwaliteit grondstoffen, door het verdichtingseffect van briketteren en comparatief hoge nauwkeurige temperatuurcontrole in de schachtoven.

De C-dragende materialen kunnen ook op verschillende manieren aan het BF-proces worden geïntroduceerd. In het sinterproces kan biomassa of WP deels cokesbries vervangen. In-plant fijnen kunnen als bron van zowel C als ijzer worden gebruikt. In cokesproductie, zijn pogingen gedaan om biomassa, evenals WP aan de cokeringskoolmengsel toe te voegen. Alternatieve koolstofdragende materialen kunnen ofwel aan de BF van boven worden geladen samen met ladingsmaterialen als brokken of de C-rijke in-plant fijnen of biomassa kunnen in de BF worden geïnjecteerd door de tuyères.

Rookgasrecycling binnen BF-gasovens

Een nieuwe technologie bekend als 'flue gas recycling' (FGR) is in ontwikkeling voor de hete blastovens. Deze technologie omvat de conversie van de ovens, van lucht-brandstof naar zuurstof-brandstof verbranding, wat het CO₂-percentage van de rookgas verhoogt. De vlamtemperatuur gegenereerd zal worden gematigd door afvalgasrecirculatie naar de ovenbrander. Schematische vergelijking van conventionele lucht-brandstof ovenoperaties en verbeterde zuurstof-brandstof operaties met flue gas recycle is getoond in Fig 2.

FGR-operatie van ovens kan op basis van constante massa of constante volumestroom van de verbrandingsproducten. Constante massastroom zorgt ervoor dat convectieve warmteoverdracht ongewijzigd blijft ten opzichte van conventionele lucht-brandstof operaties, en de recirculatie van hete rookgas verlaagt de verbrandingsenergievereiste van de ovens. De constante volumestroom optie ontstaat door de verhoogde dichtheid van de verbrandingsproducten, wanneer rookgas wordt gerecycled. In deze modus kan warmteherwinning gecombineerd worden met verhoogde brander-gasratios en dit vertaalt zich in hogere hete blasttemperaturen en een potentieel voor lager cokesverbruik in de BF.

Overwegend het potentieel voor C-afvang, is de CO₂-inhoud van de rookgas in essentie verdubbeld in vergelijking met conventionele verwarmingspraktijken voor de ovens. In massa-termen bevat de rookgas 0,8 ton CO₂/ton ruw ijzer (HM), wat meer is dan een derde van de huidige specifieke emissieniveaus. Generatie van de O₂ vereist om dit te faciliteren, vermindert de C-afvangvoordelen marginieel door de vermogensverbruik om de lucht-scheidingsinstallatie te bedienen. Dit vermindert het netto emissiereductiepotentieel met ongeveer 6%.

Rookgasrecycling in de ovens elimineert het gebruik van zowel lucht als cokesovengas in het verbrandingsproces. Daarom wordt de generatie van zwaveloxiden en stikstofoxiden aanzienlijk verminderd. De specifieke doelen van deze nieuwe technologie in ontwikkeling omvatten: (i) bevestiging van een CO₂-inhoud van 40% tot 50% in de gewijzigde rookgas, (ii) verificatie van afvalwarmteherwinning en verbeterde thermische efficiëntie van de ovens, en (iii) bevestiging dat de nieuwe operatiecondities de temperatuur van de hete blast die aan de BF wordt geleverd, handhaven of verhogen en dus negatieve impacten op de BF-operatie vermijden.