FINEX-Prozess: Fortschrittliche Roheisenherstellung aus Eisenerzfeinst & Nichtkokskohle

FINEX-Prozess zur Roheisenherstellung

Der FINEX-Schmelzreduktionsprozess wurde von Primetals Technologies (Österreich) und dem koreanischen Stahlhersteller Posco entwickelt. Er ist eine kommerziell bewährte Alternative zum Hochofenprozess (BF, Sinteranlage, Kokerei) zur Erzeugung von Roheisen (Hot Metal, HM). Kernmerkmale: direkte Verwendung von nichtkokender Kohle und Eisenerzfeinst ohne Agglomeration.

Prozessprinzip

Feines Eisenerz wird in einem dreistufigen Wirbelschichtreaktorsystem mit Reduktionsgas (aus dem Melter-Gasifier) vorgeheizt und zu Fein-DRI (Direct Reduced Iron) reduziert. Die Wirbelschichtreaktoren ermöglichen den Einsatz von Feinerzen statt Lumpenerz oder Pellets. Entfallen: Koksherstellung und Erzagglomeration. Das Fein-DRI wird zu HCI (Hot Compacted Iron) kompaktiert und in den Melter-Gasifier (MG) geladen. Dort wird es zu metallischem Eisen reduziert und geschmolzen. Die Energie liefert Kohlevergasung mit reinem Sauerstoff (O₂). Der Prozess ist umweltfreundlich und nutzt kostengünstige Feinerze und Kohle.

Durch reinen O₂ enthält das Exportgas wenig Stickstoff (N₂); sein Heizwert ist mehr als doppelt so hoch wie BF-Gichtgas. Es kann teilweise für Reduktionszwecke recycelt oder zur Energieerzeugung genutzt werden.

Entwicklungsgeschichte

• 1992–1996: Laborversuche (15 t/Tag).
• 1999: Pilotanlage 150 t/Tag.
• Juni 2003: Demonstrationsanlage 0,6 Mio. t/a in Pohang (Posco) – drei Wirbelschichtreaktoren; ab Feb. 2004 stabile Produktion >0,7 Mio. t/a.
• April 2007: Erste kommerzielle Anlage 1,5 Mio. t/a.
• Januar 2014: 2,0 Mio. t/a Anlage in Pohang in Betrieb.

Hauptrohstoffe

Kohle

Kriterien für FINEX-Kohle: Fix C ≥ 55 %, Asche ≤ 25 %, Flüchtige ≤ 35 %, S ≤ 1 %. Zusätzlich thermische Stabilität für stabiles Char-Bett im Melter-Gasifier (Laborprüfung).

FINEX kann ohne Koks betrieben werden (geringere Beschickungslast, O₂-Nutzung). Zur Stabilisierung bei Schwankungen wird oft Koksbreeze (<30 mm, Festigkeit ~60 % von BF-Koks) zugegeben. Ziel: Null-Koksbreeze-Betrieb durch Binderoptimierung und Kohlebrikett-Vorheizung.

Eisenerz

100 % Sinterfeinerz in Wirbelschichtreaktoren; 30–50 % Pelletfein möglich. Auswahl nach Fe-Gehalt, Struktur, Korngröße. Fe-Gehalt bestimmt Produktivität (wie im BF). Höherer Al₂O₃-Gehalt tolerierbar als im BF. Hämatit und Goethit uneingeschränkt einsetzbar.

Prozessablauf

Zwei getrennte Schritte: (1) Reduktion zu DRI in drei Wirbelschichtreaktoren, (2) Schmelzen im Melter-Gasifier.

Erz-Route

Feinerz wird pneumatisch in den Reaktorturm gefördert, in die Reaktorreihe (R3→R2→R1) geladen. R3 dient primär der Vorwärmung. Reduktionsgas (aus MG) strömt gegenstromig (R1→R3). Typische Gasatmosphäre:

Tab. 1: Typische Gasatmosphäre im dreistufigen Wirbelschichtreaktor
Parameter	Einheit	R1	R2	R3
Temperatur	°C	760	750	480
CO	%	45,4	39,3	32,7
CO₂	%	20,4	29,2	26,7
H₂	%	17,2	16,9	14,3
H₂O	%	5,4	7,3	7,8
N₂	%	11,6	6,6	18,4
CH₄	%	–	–	–

Das Erz wird durch den Gasstrom fluidisiert und stufenweise reduziert. Nach R1 wird das reduzierte Eisen zu HCI kompaktiert, per Heißförderer zum MG transportiert und dort mit Kohle direkt beschickt. Endreduktion und Schmelzen folgen.

Kohle-Route

Nichtkokende Kohle und Briketts werden über Schleusen in den MG geladen. Entgast auf dem Char-Bett; Kohlenwasserstoffe dissoziieren bei >1000 °C im Kuppelbereich zu CO und H₂. O₂-Injektion im unteren MG vergasert die Kohle → Wärme für Schmelzen + Reduktionsgas (CO, H₂). Gas wird im Heißgaszyklon gereinigt und in die Wirbelschichtreaktoren geleitet. Abstich wie im BF. HM-Qualität vergleichbar mit BF-HM.

Exportgas & Nebenprodukte

Das saubere Exportgas (Topf der Wirbelschichtreaktoren) ist vielseitig nutzbar: DRI-Erzeugung, Stromerzeugung, Synthesegas für Chemie. Typische Gaszusammensetzungen:

Tab. 2: Typische Gaszusammensetzungen
Gas	Einheit	CO	CO₂	H₂	N₂
Abgas (Off Gas)	%	35–36	32–33	14–15	10–11
Produktgas	%	53–54	2–3	24–25	17–18
Restgas (Tail Gas)	%	17–18	65–66	10–11	2–3

Spezifische Verbrauchswerte (pro t HM)

• Trockenbrennstoff: ~720 kg
• Eisenerz: ~1600 kg
• Zusätze (Kalkstein, Dolomit): ~285 kg
• O₂: ~460 Nm³
• N₂: ~270 Nm³
• Strom: ~190 kWh
• Feuerfest: ~1,5 kg

Produktqualität (Hot Metal)

• C: ~4,5 %
• Si: ~0,7 %
• Mn: ~0,07 %
• P: ~0,07 %
• S: ~0,04 %
• Temperatur: ~1500 °C

Exportgas-Charakteristik

• CO: ~34 %, CO₂: ~43 %, H₂: ~13 %, H₂O: ~3 %, CH₄: <1 %, N₂/Ar: ~6 %
• H₂S: <100 ppm, Staub: 5 mg/Nm³, Druck: 0,1 kg/cm², Temp: ~40 °C
• Heizwert: 1300–1500 kcal/Nm³; ~1,9 Gcal/t HM

Umweltaspekte

Hohe CO₂-Reinheit für CCS (Carbon Capture & Storage) möglich, da Exportgas wenig N₂ enthält. CO₂-Abscheidung >95 % Reinheit erreichbar. CO₂-Emissionen: 99 % (ohne CCS) bzw. 55 % (mit CCS) des BF-Durchschnitts.

Schadstoffe werden weitgehend in der Schlacke gebunden; Kohlenwasserstoffe in der MG-Kuppel zerstört. Emissionen pro t HM: Staub ~58 g, SOx ~32 g, NOx ~94 g.

Vorteile des FINEX-Prozesses

• Nutzung minderwertiger Feinerze als Oxid-Zufuhr.
• Einsatz nichtkokender Kohle als Reduktionsmittel.
• Unabhängige Steuerung von Reduktion und Schmelzen.
• Deutlich niedrigere Kapital- und Betriebskosten.
• Umweltvorteile (geringere Emissionen, CCS-Potenzial).
• Flexibilität bei Rohstoffauswahl (z. B. hohe Al₂O₃-Erze).
• HM-Qualität vergleichbar mit BF-HM.
• Exportgas mit hohem Heizwert für Strom, DRI, Chemie.
• Kommerziell bewährte Alternative.
• Brownfield-Integration in integrierte Hüttenwerke schafft Synergien mit BF.