Waterstof-staalproductie: CO2-voetafdruk verminderen in ijzer- en staalproductie

De ijzer- en staalproductie-industrie is de grootste sector in termen van totale wereldwijde fossiele en industriële emissies, goed voor ongeveer 7% tot 9% van de broeikasgasuitstoot (GHG). Tegelijkertijd is staal het primaire materiaalcomponent voor moderne industriële samenlevingen. Een verdere toename van het staalverbruik zal plaatsvinden vanwege de behoefte aan uitbreiding en verbetering van infrastructuur en het verhogen van wereldwijde leefstandaarden tot een bevredigend niveau. Er ligt dus een uitdaging om een staalproductieproces te vinden dat maatschappelijk gebruik van staal als materiaal toestaat, terwijl tegelijkertijd de negatieve milieueffecten van de productie worden vermeden. In de context van het verminderen van CO2-emissies van staalproductie krijgt de waterstof (H2) gebaseerde staalproductieroute momenteel veel aandacht, aangezien het een aantrekkelijke keuze biedt.

Waterstofreductie van ijzererts: stand van zaken

Reductie van ijzererts met H2 is al lang bekend, aangezien de reductiereacties met H2 zowel plaatsvinden in de productie van ruw ijzer in een hoogoven (HO) als in de productie van direct gereduceerd ijzer (DRI) / hot briquetted ijzer (HBI) in een schachtofen. In de HO-ijzerproductie zijn bronnen van H2 vochtige hete luchtblast en geïnjecteerd gepulveriseerd steenkool. In het geval van de staalproductieroute op basis van DR-EAF (directe reductie - elektrisch boogoven), is deze historisch gekenmerkt door het gebruik van H2, dat normaal wordt gegenereerd uit aardgas (AG) via katalytische reformers. Aangezien de koolwaterstofbron AG is, kan de geproduceerde H2 een variable concentratie hebben, gemengd met koolstofmonoxide (CO), afhankelijk van de gebruikte oxidantverhouding.

H2-reductie van ijzererts is al decennialang bestudeerd. Er waren pioniersonderzoeken in Zweden door Wiberg en Edström al in de jaren 50, gevolgd door talloze onderzoeken die de kinetiek van het proces en de reactiviteit van het geproduceerde product beschreven. De eerste commerciële schaal H2-directe reductie van ijzererts (H2-DRI) fabriek op basis van fluidized bed technologie, Circored, werd gebouwd door Cliffs and Associates Ltd. bij Point Lisas Industriële Complex in Trinidad in 1998. De fabriek had een capaciteit van 500.000 ton per jaar HBI. De fabriek had commercieel geen succes en werd in 2016 gesloten.

Huidige uitdagingen voor waterstof-gebaseerde staalproductie

In het huidige mondiale scenario zijn diverse activiteiten gaande om een proces te vinden dat reductie van ijzererts met H2 gebruikt om CO2-emissies drastisch te verminderen, zo niet volledig te elimineren. Er zijn tal van kwesties die overwonnen moeten worden voordat succes behaald kan worden dat stevige concurrentie kan bieden aan de huidige processen voor ijzer- en staalproductie. Enkele van de belangrijkste kwesties worden hieronder beschreven.

1. Kosteneffectieve productie van bulk waterstof

Een van de belangrijke kwesties is het vinden van een kosteneffectieve methode voor de productie van bulk H2 die gebruikmaakt van stroom geproduceerd door processen met lage CO2-emissies. De bronnen van hernieuwbare energie zijn zonne-energie, windenergie, waterenergie, zee-energie en aardwarmte. In kernenergie wordt ook fossiel-vrij brandstof gebruikt. Van alle hernieuwbare energiebronnen zijn de twee meest betrouwbare bronnen fotovoltaïsche (PV) zonne-energie en windturbines. Beide technologieën worden echter gekenmerkt door fluctuerende elektriciteitsopwekking door de volatiele aard van zonnestraling en wind, waardoor er momenten zijn van schaarste en overvloed aan elektriciteit. Om een hoog aandeel wind- en zonne-energie in het energiesysteem te integreren, is een grootschalige opslagoplossing nodig om de temporele onbalansen tussen productie en vraag te compenseren.

2. Opslag van bulk waterstof

Het tweede punt is de opslag van bulk H2 (hoge-druk gasvormige opslag of cryogene vloeistofopslag). H2-opslag levert voordelen op vanuit een elektriciteitsinkoop/prijs perspectief, maar is niet per se kritisch voor het procesconcept. Vandaag de dag is de meest kostenefficiënte alternatief voor H2-opslag ondergrondse gedrukte opslag, waar H2 in ondergrondse zoutformaties wordt opgeslagen. In het huidige scenario is dit de enige technologie voor H2-opslag die op industriële schaal is getest. Andere oplossingen die nu veel belangstelling trekken zijn het benutten van aardgaspijpleidingen en conversie tot ammoniak of koolwaterstoffen als intermediaire H2-opslag. Initiële evaluatie van de Lined Rock Cavern (LRC) technologie die momenteel in Zweden voor aardgas wordt gebruikt, wordt als veelbelovend beschouwd. Andere alternatieve methoden voor H2-opslag in ontwikkeling zijn opslag in metaalhydriden en in poreuze materialen.

3. Koolstofgehalte in waterstof-geproduceerd ijzer

Het derde punt is dat het door H2 geproduceerde ijzer geen koolstof (C) bevat, in tegenstelling tot ruw ijzer en DRI/HBI die C in variërende percentages bevatten. C is nodig in staalproductie voor de C-koken. Ook verkrijgt staal zijn eigenschappen door zijn C-gehalte en dus is variërend percentage C aanwezig in verschillende staalkwaliteiten. Echter, echte technische problemen in dit opzicht worden niet verwacht, aangezien extra C kan worden toegevoegd in de EAF.

4. CO2-emissies bij mijnbouw en transport

Het vierde punt betreft CO2-emissies die optreden tijdens mijnbouw, verwerking en beneficatie van het ijzererts en tijdens de productie van pellets alsook het transport van deze materialen. Processen die H2-reductie gebruiken, hebben bij voorkeur pellets als voermateriaal. In dit opzicht is er de mogelijkheid om een deel van de CO2-emissies te elimineren door gebruik van hernieuwbare energiebronnen.

De drie kernprocessen van waterstof-gebaseerde staalproductie

Proces 1: Grootschalige waterstofproductie

Het eerste proces is de grootschalige productie van H2, die momenteel wordt bereikt door stoomreformering van methaan. Deze optie kan behouden en zelfs geoptimaliseerd worden voor H2-gebaseerde ijzerproductie, bijvoorbeeld door te streven naar een zuiverheid van 97% tot 98% H2 in plaats van de normale 99,9% plus zuiverheid. Omdat dit echter gebaseerd is op fossiele bronnen, blijft de prestatie in termen van CO2-mitigatie gemiddeld, tenzij een CO2-afvangseenheid wordt toegevoegd, wat een andere strategie vertegenwoordigt dan de momenteel nagevolgde. De andere voorkeursoptie is H2 te produceren door water-elektrolyse. H2-productie moet fossiel-vrij zijn, en dus is de geschikte productiemethode water-elektrolyse met CO2-arme elektriciteit, d.w.z. hernieuwbare of nucleaire elektriciteit. De uitdaging is om massive productie van H2 in acceptabele economische condities te bereiken. Hoewel water-elektrolyse een bekende technologie is, zijn sommige ontwikkelingen nodig om het doel van massive hoeveelheden CO2-arme H2 te bereiken, en bovenal, betaalbaar voor ijzerproductie. De grootte van de fabriek kan bereikt worden door vermenigvuldiging van de elektrolysecellen. Nieuwe, verbeterde technologieën zijn ook geïdentificeerd, zoals protonenuitwisselingsmembranen en hoge-druk of hoge-temperatuur elektrolyse.

Proces 2: Directe reductie van ijzererts in een schachtofen met waterstof

Het tweede proces is het produceren van ijzer door directe reductie van ijzererts in een schachtofen die werkt met puur H2. Dit is het hart van het H2-ijzerproductieproces. De schachtofen wordt bovenaan gevoed met pellets of lump-erts, die door zwaartekracht zakken en een stijgende stroom H2 tegenkomen, die lateraal op middenhoogte van de reactor wordt ingevoerd en bovenaan afvoert. De reductiereacties vinden plaats in de bovenste sectie tussen de reductiegas uitlaat en inlaat. De conversie naar ijzer is voltooid op het niveau van de gasinlaat. Daaronder kan een conische sectie worden gebruikt om de DRI te koelen, maar bij voorkeur met H2 in plaats van methaan (CH4). De rest van de gascircuit is veel eenvoudiger dan die in het conventionele DRI-proces met gereformeerd AG, met de topgas bestaande uit H2-H2O die wordt gekoeld om water te condenseren. De gescheiden H2 wordt gerecycled, gemengd met verse H2 van de elektrolysefabriek, en opnieuw verwarmd tot de gewenste temperatuur (rond 800°C tot 900°C).

Uit de wiskundige modellering van de reductiezone van een schachtofen bediend met 100% H2 is gebleken dat, door de snelle reductiekinetiek met H2, complete metallisatie theoretisch sneller bereikt kan worden dan met H2-CO mengsel, resulterend in reactoren die kleiner zijn dan de huidige DR-schachten.

Proces 3: Smelten van koolstofvrije DRI in een EAF

Het derde proces is het smelten van de C-vrije DRI in een EAF om staal te produceren. Een op H2 gebaseerd reductieproces resulteert in een nul-koolstof ijzerproduct, wat aangeeft dat een fossiel-vrije C-bron nodig is om staalproduct van de vereiste chemie in de staalproductiestap te produceren.

In de best bestudeerde H2-gebaseerde staalproductieroute in het ULCOS-project (ultra lage CO2 staalproductie) (Fig. 1), wordt H2 geproduceerd door water-elektrolyse met hydraulische of nucleaire elektriciteit. Ijzererts wordt gereduceerd tot DRI door H2 in een schachtofen, en C-vrije DRI wordt behandeld in een EAF om staal te produceren. Deze route toont veelbelovende prestaties wat betreft CO2-emissies, minder dan 300 kg CO2/ton staal, inclusief de CO2-kosten van elektriciteit met emissies van de DR-oven zelf bijna nul. Dit vertegenwoordigt een 85% reductie in CO2-emissies vergeleken met de huidige ~1.850 kg CO2/ton staal van de BF-BOF (basische zuurstofoven) route. Deze nieuwe route is dus een duurzamere manier om staal te maken. Toekomstige ontwikkeling hangt echter sterk af van het ontstaan van een zogenaamde H2-economie, wanneer dit gas in grote hoeveelheden, tegen concurrerende kosten, en met lage CO2-emissies voor de productie beschikbaar komt.

Fig. 1 Waterstof-gebaseerde staalproductieroute

Kinetiek en thermodynamica van waterstofreductie

In H2-gebaseerde reductie wordt het ijzererts gereduceerd door een gas-vaste stof reactie, vergelijkbaar met DRI-routes. Het enige onderscheidende factor is dat het reductiemiddel puur H2 is in plaats van CO-gas, syngas of cokes. De reductie van ijzererts door H2 vindt plaats in twee of drie stadia. Bij temperaturen hoger dan 570°C wordt hematiet (Fe2O3) erts eerst omgezet in magnetiet (Fe3O4), dan in wüstiet (FexO), en uiteindelijk in metallisch ijzer, terwijl bij temperaturen onder 570°C magnetiet direct wordt omgezet in ijzer, aangezien wüstiet niet thermodynamisch stabiel is.

De reductiereacties betrokken bij de reductie van ijzererts door H2 worden voorgesteld door de vergelijkingen: (i) 3 Fe2O3 + H2 = 2 Fe3O4 + H2O, (ii) x Fe3O4 + (4x-3) H2 = 3 FexO + (4x-3) H2O, en (iii) FexO + H2 = x Fe + H2O waar x gelijk is aan 0,95. Zoals aangegeven door deze reacties, laat ijzerertsreductie met H2 onschadelijke waterdamp (H2O) vrij in plaats van het broeikasgas CO2. De algehele reactie voor de reductie van hematieterts met H2 is Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O, wat een endotheme reactie is met een reactiewarmte, delta H bij 298°C = 95,8 kJ/mol, wat negatief is voor de energiebalans van het proces en toevoeging van energie vereist met het geïndeerde reductiegas/gasmengsel. De focus bij de ontwikkeling van de productielijn ligt op optimalisatie gebaseerd op reductietemperatuur, reactiekinetiek, pelletsamenstelling en technologie voor het voorverwarmen van het reductiegas.

De stoechiometrische consumptie van H2 voor het reduceren van hematieterts (Fe2O3) is 54 kg per ton ijzer. Een staalfabriek van 1 miljoen ton per jaar vereist een H2-fabriek met een capaciteit van zo veel als 70.000 m3/uur H2 bij standaardtemperatuur en -druk (STP). Met H2 als reductiegas is het belangrijk de verandering in gedrag van de reactor te anticiperen vergeleken met de reactor met H2-CO mengsels als reductiegas (Fig. 2). Verschillende factoren kunnen op verschillende manieren interacteren, zoals kinetiek, thermodynamica, warmteoverdracht en gasstroom. Wat kinetiek betreft, hebben laboratoriumstudies over de reductie van ijzeroxiden met CO, H2 en CO-H2 mengsels duidelijk aangetoond dat, alle andere dingen gelijk, de kinetiek met H2 sneller is (tot 10 keer) dan die met CO. Echter, de meeste reactiekenmerken zijn zeer vergelijkbaar met die van reductie door CO en veel mechanismen zijn gemeenschappelijk aan beide. Er zijn echter ook significante verschillen.

Fig. 2 Vergelijking van de reductiekinetiek van hematietpellets met H2, CO en H2-CO mengsels

De eerste grote factor is de thermodynamica, die CO gunstig is bij lage temperaturen, zoals bewijzen door het Chaudron-diagram (Fig. 3). De verticale blauwe pijlen vertegenwoordigen de dryvende kracht voor de wüstiet-naar-ijzer reductie, die toeneemt met temperatuur bij H2 en afneemt met temperatuur bij CO.

Fig. 3 Chaudron fasediagram van het ijzerfaschedomein als functie van temperatuur en oxidatievermogen van het gas

De tweede factor is de warmte van de reductiereacties zoals getoond in Tabel 1. De hematiet-naar-magnetiet reactie is minder exotherm met H2 dan met CO, de magnetiet-naar-wüstiet reactie is meer endotherm, en hoofdzakelijk is de wüstiet-naar-ijzer reactie endotherm met H2 en exotherm met CO. Over het algemeen is de balans een endotherme reductie met H2 en een exotherme reductie met CO. Als resultaat veranderen de temperatuur en samenstellingen in de schacht sterk met de inlaatsamensstelling van het gas. Bij het verlaten van de gasinjectiezone daalt de temperatuur door methaankraking, maar met een hogere CO-inhoud wordt het bed op een hogere temperatuur gehouden als resultaat van de exotherme warmte van de reductiereacties, terwijl de temperatuur lager is met meer H2.

Let op: Een minteken duidt op een exotherme reactie

Zelfs als in alle gevallen overall meer H2 dan CO wordt gebruikt voor de drie reducties (een gevolg van de kinetiek), is het laatste effect, d.w.z. de reductie door CO in de centrale zone in het geval van CO-gas, beslissend voor de finale metallisatiegraad. Ook bij gebruik van alleen H2 (zowel bij de reductiegasinlaat als bij de bodeminlaat) bestaat de koudere centrale zone niet, de temperaturen zijn radiaal meer uniform, en de reductie, door de efficiënte kinetiek, gaat tot voltooiing (100% metallisatie).

Zoals hierboven gezien, is de reductie met H2 endotherm, terwijl het exotherm is met CO. Aan de andere kant zijn thermodynamica gunstiger met H2 dan met CO boven 800°C. Dit maakt de industriële operatie anders. Met H2 moet het hete gas voldoende calorieën brengen om het vaste materiaal op een voldoende hoge temperatuur te verwarmen en te houden voor de reactie. Werken met een gasstroomsnelheid hoger dan de stoechiometrie is dus noodzakelijk. Kinetiek wordt ook gerapporteerd als sneller met H2. Dit kan de morfologie van het eindproduct (ijzer) wijzigen, wat afhangt van een concurrentie tussen diffusie en chemische reactie. In het bijzonder lijkt de vorming van 'whiskers' een specifiek kenmerk van reductie door H2. Whiskers zijn ijzerkorrels die uit de wüstiet-fase steken en als vingers naar het exterieur van de deeltjes groeien. De whiskers maken ijzer-ijzer contacten vaker en kunnen dus het fenomeen van aanbakken van vaste deeltjes verklaren, soms ervaren in industriële reactoren bediend met hoge H2-inhoud. Een ander onaangenaam fenomeen waargenomen bij H2-reductie is het optreden, bij sommige temperaturen, van een vertraging aan het einde van de reactie om het laatste percentage conversiegraad te bereiken.

In een schachtofen met puur H2 is er geen C-bron. Vanwege de endotherme aard van de reacties wordt een grote hoeveelheid warmte geabsorbeerd, en daalt de inwendige temperatuur bij de bulkmateriaallaag snel. Als resultaat veroorzaken de reductiereacties die een hoge hoeveelheid warmte moeten consumeren, verslechtering van de gasbenuttingsgraad. De hoeveelheid H2 als warmtedrager moet worden verhoogd om de gewenste productiviteit te behouden. Als voorbeeld, wanneer de druk aan de top 0,4 MPa is, moet de hoeveelheid H2 met een temperatuur van 900°C ten minste 2.600 m3 per ton DRI zijn om de warmtebehoefte van de schachtofenreductie te voldoen. Als de H2-toevoeging onveranderd blijft, is de DRI-opbrengst een derde minder dan de huidige, wat leidt tot een grote stijging in productiekosten van de DRI.

De specifieke zwaarte van H2 is laag, en de dichtheid van H2 is slechts 1/20 keer die van CO. Als resultaat ontsnapt het binnenkomende H2-gasmolecuul snel omhoog. In vergelijking met het pad en de richting van een gemengd reductiegas, veranderen die van H2 in een oven zo snel dat H2 niet in de hoge-temperatuurzone aan de onderkant van de schachtofen kan blijven om de taak van het reduceren van ijzerertspellets te voltooien. Theoretisch kunnen DRI-producten ook het ontworpen index bereiken door de binnenkomende H2 te handhaven met een druk boven 1 MPa en een temperatuur boven 1.000°C.

Bovendien is H2 een extreem brandbaar en explosief stof, en de schachtofen heeft behoefte aan hoog efficiënte en langdurig stabiele productie. Als het schachtofensysteem langdurig mag werken onder de uiteindelijke condities van hoge temperatuur en hoge druk, wordt veiligheid een kwestie. Samengevat, directe reductiesnelheid en productie-efficiëntie worden beïnvloed door diverse factoren, zoals H2-verhouding, temperatuur, druk, gasbenuttingsgraad, verblijftijd van ijzererts, warmteoverdracht, stofoverdracht en schachtofenafmeting.

De HYBRIT-initiatief

HYBRIT staat voor 'HYdrogen BReakthrough Ironmaking Technology'. Op 4 april 2016 lanceerden drie Zweedse bedrijven - SSAB, LKAB en Vattenfall AB - een project gericht op het onderzoeken van de haalbaarheid van een H2-gebaseerd DRI-productieproces, met CO2-emissievrije elektriciteit als primaire energiebron. Een joint venture bedrijf werd opgericht, HYBRIT Development AB, met de drie bedrijven als eigenaren. Dit geeft volledige toegang tot topcompetentie in de gehele waardeketen van energieproductie, mijnbouw, ertsbeneficatie en pelletproductie, directe reductie, smelting en productie van ruw staal. Een pre-haalbaarheidsstudie over H2-gebaseerde directe reductie werd in 2017 uitgevoerd. De studie concludeerde dat de voorgestelde procesroute technisch haalbaar is en, in het licht van toekomstige trends in kosten voor CO2-emissies en elektriciteit, ook economisch aantrekkelijk is voor condities in noordelijk Zweden/Finland.

Het HYBRIT-proces vervangt steenkool door H2 voor de directe reductie (DR) van ijzer, gecombineerd met een EAF. Het proces is bijna volledig fossiel-vrij en resulteert in een aanzienlijke reductie in broeikasgasemissies. Het proces is onder diverse initiatieven die een H2-DR/EAF opzet gebruiken, de directe reductie van ijzererts door gebruik van H2 combineren met een EAF voor verdere verwerking tot staal. Het product uit het H2-DR-proces is DRI of sponsijzer, wat in een EAF wordt gevoerd, gemengd met geschikte aandelen schroot, en verder verwerkt tot staal.

Het principe-stroomschema van het HYBRIT-productieproces wordt weergegeven in Fig. 4. De belangrijkste kenmerken van het proces zijn: (i) geen fossiele brandstoffen worden gebruikt in pelletproductie, (ii) H2 wordt geproduceerd met elektrolyse met fossiel-vrije elektriciteit, (iii) opslag van H2 in een speciaal ontworpen eenheid wordt gebruikt als buffer voor het net, (iv) een schachtofen wordt gebruikt voor ijzerertsreductie, (v) op maat gemaakte pellets worden gebruikt als ijzerertsvoer, (vi) het reductiegas/gasmengsel wordt voorverwarmd voor injectie in de schacht, (vii) het product kan ofwel DRI of HBI vrij van C of gecarburiseerd zijn, en (viii) de DRI/HBI wordt gesmolten samen met gerecycled schroot in een EAF.

Fig. 4 Principe stroomschema van het HYBRIT productieproces

Het gebruik van H2 geproduceerd door water-elektrolyse met fossiel-vrije elektriciteit om ijzerertspellets in een schachtofen te reduceren is de hoofdalternatief gekozen voor het HYBRIT-initiatief. Onder deze initiatief omvat een conversie naar een fossiel-vrije waardeketen van de mijn tot het afgeronde staal veel kwesties die ontwikkeld moeten worden, waarbij ook lokale markt- en geografische condities in overweging worden genomen. Zweden heeft een unieke situatie met overcapaciteit in elektriciteitsvermogen in het noordelijke deel van het land, nabijheid van ijzererts mijnen, goede toegang tot biomassa en staalfabrieken, en een sterk netwerk tussen industrie, onderzoeksinstituten en universiteiten.

Het HYBRIT-proces valt binnen een categorie technologische concepten die aanzienlijk dichter bij commerciële implementatie liggen. Het is gebaseerd op het gebruik van H2 als reductiemiddel, met de H2 geproduceerd door elektrolyse gebaseerd op hernieuwbare elektriciteit. Vanuit een milieuperspectief is het belangrijkste voordeel dat de uitlaat van dit proces water (H2O) is in plaats van CO2, met een consequentereductie in GHG-emissies. Net als bij conventionele DRI-staalproductie kan het met H2-gebaseerde DRI-route geproduceerde ijzer verder worden verwerkt tot staal met commercieel beschikbare EAF-technologie. De H2-productie en EAF-staalproductiestappen kunnen koolstof-vrij gemaakt worden als de elektriciteit en H2 geproduceerd worden met hernieuwbare bronnen zoals PV (fotovoltaïsche) zonne-/wind-/hydro-gepowerde elektrolyse, foto-chemische H2-productie, of zonne-thermische water-splitsing.

Flash-ijzerproductietechnologie met waterstof

Een nieuwe transformationele technologie voor alternatieve ijzerproductie wordt ontwikkeld door een consortium van organisaties en instituten onder financiële steun van het American Iron and Steel Institute in de VS. Deze technologie is gebaseerd op de directe gasvormige reductie van ijzeroxideconcentraat in een flash-reductieproces. De nieuwe 'flash ironmaking technology (FIT)' heeft het potentieel om energieverbruik met 32% tot 57% te verminderen en CO2-emissies met 61% tot 96% te verlagen vergeleken met het gemiddelde huidige BF-gebaseerde operatie. Deze technologie reduceert ijzerertsconcentraat in een flash-reactor met een geschikt reductiegas zoals H2 of aardgas, en mogelijk bio-/koolgas of een combinatie daarvan. Het is het eerste flash-ijzerproductieproces. Deze technologie is geschikt voor een industriële operatie die ijzerertsconcentraat (minder dan 100 micron) omzet in metaal zonder verdere behandeling.

Deze transformationele technologie produceert ijzer terwijl pelletisatie of sinteren alsook cokesproductiestappen worden overgeslagen. Bovendien is het proces intensief vanwege het feit dat de fijne deeltjes van het concentraat met een snelle snelheid worden gereduceerd bij 1.150°C tot 1.350°C. De benodigde verblijftijd in dit proces is van de orde van seconden in plaats van de minuten en uren die vereist zijn voor pellets en zelfs fijn ijzererts. 90% - 99% reductie vindt plaats in 2 tot 7 seconden bij 1.200°C tot 1.500°C. De verblijftijd is een combinatie van reactiesnelheid door temperatuur, grootte van het voermateriaal en hoeveelheid overtollig gas/afstand van de evenwichtslijn. De energiebehoefte van het proces met H2 als reductiegas is 5,7 GJ (1.360 Mcal)/ton vloeibaar ijzer. Het Fe/FeO evenwichtsdiagram wordt weergegeven in Fig. 5.

Fig. 5 Fe/FeO evenwichtsdiagram

Het verwaringsgedeelte van de reactor is waar de inductieverhitingspoel de grafiet susceptor opwarmt. De susceptor verwarmt de refractaire wand door straling. Zowel susceptor als refractair verwarmen het gas en deeltje door convectie en straling. Na opwarming tot de temperatuur, gaan gas en deeltjes de reactiezone in, waar goede isolatie wordt aangenomen dus wandconditie wordt ingesteld op adiabatisch. Na de reactiezone is er een koelzone met koelpaneel om gas en deeltjes te koelen. Fig. 6 toont het stroomschema van de flash-ijzerproductietechnologie.

Fig. 6 Stroomschema van flash ijzerproductietechnologie

In het geval van FIT met H2 als reductiegas, zijn CO2-emissies 0,04 ton CO2 per ton vloeibaar ijzer. Deze emissies zijn 2,5% van de emissies van de BF-route van ijzerproductie. Het flash-ijzerproces wordt uitgevoerd bij een voldoende hoge temperatuur zodat individuele deeltjes voldoende energie hebben om de poriën die door zuurstofverwijdering zijn gecreëerd, te sluiten. Daarom zijn de individuele deeltjes veel minder vatbaar voor vlamvatten door snelle oxidatie. De Universiteit van Utah voerde onderzoek uit op kleine monsters poeder en bepaald dat ze niet pyroforsch zijn.

Het proces gebruikt gasvormige reductiemiddelen zoals AG, H2, syngas of een combinatie daarvan. Het moet worden toegepast op de productie van ijzer als voer voor het staalproductieproces of als onderdeel van een continu direct staalproductieproces. Gerechtvaardigd door experimentele verkregen data tijdens de vorige fase van het project, is schaalverhogingsontwikkelingswerk momenteel gaande aan de Universiteit van Utah. Testen in een laboratorium flash-oven heeft geresulteerd in de vestiging van een kinetiekdatabase over brede bereiken van operatiecondities en een compleet ontwerp van een meer geavanceerde bankreactor. Met als doel een industriëel haalbare FIT te ontwikkelen, is een uitgebreide bench-schaal testcampagne gepland. De leverables van deze projectfase worden verwacht te zijn de bepaling van de schaalbaarheid van het proces, substantiële proces simulatieresultaten, en fundamentele ingenieursdata leidend tot het ontwerp en de constructie van een industriële proeffabriek.