Finex-Verfahren zur Herstellung von flüssigem Eisen

  FINEX-Verfahren zur Herstellung von flüssigem Eisen

Das Schmelzreduktionsverfahren FINEX wurde von Primetals Technologies, Österreich, und dem südkoreanischen Stahlhersteller Posco entwickelt. Das FINEX-Verfahren ist ein kommerziell erprobtes alternatives Eisenherstellungsverfahren zur Herstellung von Roheisen (HM) zusätzlich zu der Prozessroute Hochofen (BF), bestehend aus BF, Sinteranlage und Koksofen. Dieses Verfahren basiert auf der direkten Verwendung von Nichtkokskohle. Das FINEX-Verfahren kann Eisenerzfeinstoffe direkt ohne Agglomeration verwenden.

Beim FINEX-Verfahren wird feines Eisenerz vorgewärmt und in einem dreistufigen Wirbelschichtreaktorsystem mit Reduktionsgas aus dem Einschmelzvergaser zu feinem DRI (direkt reduziertes Eisen) reduziert. Die Wirbelschichtreaktoren ermöglichen es dem FINEX-Verfahren, Feinerze anstelle von Stückerz oder Pellets zu verwenden.

Dadurch erfordert das Verfahren weder eine Kokerei noch eine Erzagglomeration. Die Brikettierung des vorreduzierten Erzes und der Kohle, die Kohlenstaubeinblasung und die kontrollierte Beschickung des Einschmelzvergasers (MG) führt zu einer verbesserten Brennstoffrate für den Prozess. Das im Wirbelschichtreaktorsystem erzeugte feine DRI wird kompaktiert und dann in Form von HCI (Hot Compacted Iron) in den Einschmelzvergaser eingebracht, um Roheisen (HM) zu erzeugen. Die geladene HCl wird zu metallischem Eisen reduziert und geschmolzen. Die für die metallurgische Reduktion und Schmelzung benötigte Wärme wird durch Kohlevergasung mit hochreinem Sauerstoff (O2) bereitgestellt. Das FINEX-Verfahren ist ein umweltfreundliches Verfahren, das kostengünstiges feines Eisenerz und Kohle verwendet.

Das FINEX-Verfahren verwendet hochreines O2, was zu einem Exportgas mit nur geringen Mengen an Stickstoff (N2) führt. Da sein Heizwert (CV) mehr als das Doppelte des BF-Gichtgases beträgt, kann es teilweise für Reduktionsarbeiten recycelt oder zur Wärme- oder Energieerzeugung verwendet werden.

Erstarbeiten

Die Grundlagenforschung im Labormaßstab wurde von 1992 bis 1996 mit einer 15-Tonnen/Tag-Anlage im Labormaßstab durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Anlage wurden 1999 für den Testbetrieb einer 150-Tonnen/Tag-Pilotanlage verwendet. Die FINEX-Demonstrationsanlage von 0,6 Millionen Tonnen pro Jahr (Mtpa) wurde im Werk Pohang von Posco gebaut und nahm im Juni 2003 die Produktion auf. Diese Anlage verfügt über drei Wirbelschichtreaktoren. Seit Februar 2004 produzierte die demonstrierte Anlage kontinuierlich mehr als 0,7 Millionen Tonnen Roheisen pro Jahr. Posco nahm im April 2007 die erste kommerzielle FINEX-Anlage mit einer Kapazität von 1,5 Mtpa in Betrieb. Aufgrund der erfolgreichen Ergebnisse dieser Anlage beschlossen Posco und Primetals Technologies, die FINEX-Anlage mit einer Kapazität von 2,0 Mtpa in Pohang zu entwickeln. Die Anlage wurde im Januar 2014 in Betrieb genommen.

Hauptrohstoffe

Kohle und Eisenerz sind zwei Hauptrohstoffe. Die Hauptkriterien für eine erste Bewertung von Kohlen oder Kohlemischungen, die für das FINEX-Verfahren geeignet sind, sind (i) Gehalt an festem C (Kohlenstoff) von mindestens 55 %, (ii) Aschegehalt von höchstens 25 %, (iii) VM-Gehalt (flüchtige Bestandteile) weniger als 35 % und (iv) S-Gehalt (Schwefel) weniger als 1 %. Zusätzlich zu diesen allgemeinen Eigenschaften muss die Kohle bestimmte Anforderungen bezüglich der thermischen Stabilität erfüllen, um die Bildung eines stabilen Kohlebetts im Einschmelzvergaser zu ermöglichen. Die thermische Stabilität von potentiellen Kohlen für das FINEX-Verfahren wird durch spezielle Testverfahren in Labors überprüft.

Der FINEX-Prozess kann aufgrund der geringeren Möllerbelastung im Einschmelzvergaser-Kohlebett und der Verwendung von O2 ohne Koks betrieben werden. Bei sich ändernder Kohlebrikettqualität und Schwankungen des Reduktionsgrades wird typischerweise etwas Koksgrus (weniger als 30 mm) vor und nach einer Abschaltung oder im Falle einer sinkenden HM-Temperatur verwendet, um die Produktivität aufrechtzuerhalten und das Brennstoffverhältnis zu verringern. Der aktuelle Betrieb stellt eine konstante Menge an Koksgrus bereit, um die oben beschriebenen Effekte zu minimieren. Die Qualität des im FINEX-Verfahren verwendeten Koksgruses ist für den BF-Betrieb nicht geeignet und hat eine Stärke von etwa 60 % von BF-Koks. Um einen Betrieb ohne Koksgrus zu erreichen, sind mehrere Betriebsoptimierungen wesentlich, wie etwa die Bindemitteloptimierung und die Entwicklung einer Technologie zum Vorheizen von Kohlebriketts. Kohleeigenschaften für das FINEX-Verfahren und ihr Vergleich mit den Kohleeigenschaften für die BF-Eisenherstellung sind in Abb. 1 angegeben.

Abb. 1 Kohleeigenschaften oder FINEX- und BF-Prozesse

Im Falle von Eisenerz werden im Allgemeinen 100 % des Sinterfeinerzes in Wirbelschichtreaktoren eingebracht. Es können auch 30 % bis 50 % Pelletfutter verwendet werden. Art und Mischung von Eisenerz werden basierend auf den chemischen und physikalischen Eigenschaften wie Gesamtgehalt an Eisen (Fe), Zusammensetzungsstruktur und Korngröße usw. entschieden. Wie im Fall der HM-Produktion durch BF-Verfahren bestimmt der Fe-Gehalt des Eisenerzes Produktivität. Das Mischungsverhältnis muss sowohl unter Berücksichtigung der Qualität des Erzes als auch der Kosten entschieden werden. Da der Schlackenabstich mit höherem Aluminiumoxid (Al2O3) beim FINEX-Verfahren tolerierbarer ist als beim BF-Verfahren, können auch Eisenerze mit höherem Al2O3-Gehalt verwendet werden. Normalerweise gibt es keine Beschränkung hinsichtlich der Beschickungsmaterialstruktur von Hämatit und Goethit für Wirbelschichtreaktoren. Die Flexibilität von Eisenerzen, die für das FINEX-Verfahren geeignet sind, ist in Abb. 2 dargestellt.

Abb. 2 Flexibilität von Eisenerzen für das FINEX-Verfahren

Der Prozess

Das FINEX-Verfahren zeichnet sich durch die Herstellung von hochwertigem HM auf Basis von direkt aufgegebenem Eisenerzfeingut und Kohle als Reduktionsmittel und Energieträger aus. Das wesentliche Merkmal des FINEX-Verfahrens ist, dass die Eisenherstellung in zwei getrennten Prozessschritten erfolgt. In einer Reihe von drei Wirbelschichtreaktoren wird feines Eisenerz zu DRI reduziert, das dann kompaktiert (HCI) und mit einem Heißmetallförderer zu einem Einschmelzvergaser transportiert wird. Dem Einschmelzvergaser zugeführte Kohle und Kohlebriketts werden vergast und liefern neben dem Reduktionsgas die notwendige Energie zum Einschmelzen. Das Verfahrensfließbild für das FINEX-Verfahren ist in Fig. 3 angegeben.

Abb. 3 Flussdiagramm des FINEX-Prozesses

Das flüssige Eisen wird im FINEX-Verfahren in zwei Schritten hergestellt. Im ersten Schritt wird Eisenerzfeinkorn vorgewärmt und in Wirbelschichtreaktoren in drei Stufen zu feinem DRI reduziert. Der erste Reaktor (R3) dient hauptsächlich als Reaktor zur Vorwärmung von Eisenerzfeinstoffen. Feines Eisenerz wird zusammen mit Zuschlägen wie Kalkstein und/oder Dolomit in die Reihe der Wirbelschichtreaktoren eingebracht. Das aufgegebene Feinerz wandert in Abwärtsrichtung durch die drei Reaktoren, wo die Erze erhitzt und mit Hilfe des Reduktionsgases, das aus der Vergasung der Kohle im Einschmelzvergaser erhalten wird, zu DRI reduziert werden. Dieses reduzierende Gas strömt im Gegenstrom zur Bewegung des Erzes.

Entsprechend der Verarbeitungserzroute transportiert ein pneumatisches Fördersystem die Feinerze zum Wirbelschichtreaktorturm. Das Feinerz wird dann der Wirbelschichtreaktorreihe zugeführt. Das im Einschmelzvergaser erzeugte Reduktionsgas durchströmt jeden der Wirbelschichtreaktoren im Gegenstrom zur Erzrichtung (Von R1 nach R3). Die typische Temperatur und die Zusammensetzung des Reduktionsgases in den drei Wirbelschichtreaktoren sind in Tab 1 angegeben.

Tab 1:Typische Gasatmosphäre für einen dreistufigen Wirbelschichtreaktor für das FINEX-Verfahren
Parameter/Komponente	Einheit	Wirbelschichtreaktor
		R1	R2	R3
Temperatur	Grad 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	%	Null	Null	Null

Das feine Eisenerz wird durch den Gasstrom fluidisiert und das Erz in jeder Reaktorstufe zunehmend reduziert. Nach dem Austritt des reduzierten Eisens aus dem letzten Wirbelschichtreaktor wird es dann kompaktiert, um HCl herzustellen. Das HCI wird anschließend über ein Heißtransportsystem zum Kopf des Einschmelzvergasers transportiert, wo es zusammen mit Kohle direkt in den Einschmelzvergaser chargiert wird. Anschließend erfolgt die endgültige Reduktion und das Aufschmelzen der HCl.

Gemäß der Prozesskohleroute werden nicht verkokende Kohlen und Kohlebriketts direkt über ein Schleusensystem in den Einschmelzvergaser eingebracht. Nachdem die Kohle auf das Verkohlungsbett gefallen ist, findet eine Entgasung statt. Die freigesetzten umweltschädlichen Kohlenwasserstoffe werden sofort in CO (Kohlenmonoxid) und H2 (Wasserstoff) gespalten. Grund dafür sind die hohen Temperaturen von über 1.000 °C im Dom des Einschmelzvergasers. In den unteren Teil des Einschmelzvergasers eingeblasenes O2 vergast die Kohle, erzeugt Wärme für die Schmelzarbeit und produziert ein sehr wertvolles Reduktionsgas, das hauptsächlich aus CO und H2 besteht. Dieses aus dem Dom des Einschmelzvergasers austretende Gas wird zunächst in einem Heißgaszyklon gereinigt, bevor es in die Wirbelschichtreaktoren eintritt. Nach dem Schmelzen des DRI wird das Abstichverfahren genau auf die gleiche Weise wie in der Standard-BF-Praxis durchgeführt. Die Qualität von HM aus dem FINEX-Prozess ist ähnlich der von BF, die in BF hergestellt wird.

Das FINEX-Exportgas ist ein wertvolles Nebenprodukt des FINEX-Prozesses. Das am Kopf der Wirbelschichtreaktoren austretende saubere Exportgas kann für vielfältige Anwendungen genutzt werden. Dazu gehören die Produktion von DRI, die Stromerzeugung und die Erzeugung von Synthesegas für die chemische Industrie. Die typische Zusammensetzung verschiedener im FINEX-Verfahren erzeugter Gase ist in Tab. 2 angegeben.

Tab 2 Typische Zusammensetzung der Gase
Gaszusammensetzung	Einheit	CO	CO2	H2	N2
Gas weg	%	35-36	32-33	14-15	10-11
Produktgas	%	53-54	2-3	24-25	17-18
Heckgas	%	17-18	65-66	10-11	2-3

  Der Gasfluss im FINEX-Prozess ist in Abb. 4 dargestellt.

Abb. 4 Gasfluss im FINEX-Prozess

Typische spezifische Verbrauchswerte für die Materialien und Betriebsmittel im FINEX-Prozess sind (i) trockener Brennstoff ca. 720 kg/tSM, (ii) Eisenerz ca. 1.600 kg/tSM, (iii) Zusatzstoffe (Kalkstein und Dolomit) ca. 285 kg/ tHM, (iv) O2 etwa 460 N cum, (v) N2 etwa 270 N cum, (vi) Leistung etwa 190 kWh/tHM und (vii) feuerfeste Materialien etwa 1,5 kg/tHM.

Die Eigenschaften des durch das FINEX-Verfahren hergestellten HM bestehen aus (i) C etwa 4,5 %, (ii) Silizium (Si) etwa 0,7 %, (iii) Mangan (Mn) etwa 0,07 %, (iv) Phosphor (P) etwa 0,07 %, (v) Schwefel (S) etwa 0,04 % und (vi) Temperatur etwa 1.500 °C.

Die Eigenschaften des Exportgases des FINEX-Prozesses bestehen aus (i) CO etwa 34 %, (ii) CO2 etwa 43 %, (iii) H2 etwa 13 %, (iv) H2O etwa 3 %, (v) CH4 weniger als 1 %, (vi) N2/Ar etwa 6 %, (vii) H2S weniger als 100 ppm (parts per million), (viii) Staub 5 mg (Milligramm)/N cum, (ix) Druck 0,1 kg/cm², (x) Temperatur um 40 Grad C und (xi) CV im Bereich von 1.300 kcal/N cum bis 1.500 kcal/N cum. Pro Tonne HM werden rund 1,9 Gigakalorien des Exportgases produziert.

Umweltaspekte des Prozesses

Das FINEX-Verfahren hat die Möglichkeit, hochreines CO2 für die CO2-Abscheidung und -Speicherung (CCS) zurückzugewinnen. Neben der Speicherung kann das zurückgewonnene CO2 auch zur Verbesserung der Ölrückgewinnung sowie für andere wirtschaftliche Zwecke verwendet werden. Dies ist möglich, weil im Einschmelzvergaser zur Vergasung von Kohle hochreiner O2 verwendet wird und das Exportgas daher nur geringe Mengen an N2 enthält. Dadurch kann das CO2 in hoher Konzentration aus dem Recyclinggas entfernt und nach weiterer Reinigung hochreines CO2 mit einem CO2-Anteil von über 95 % erzeugt werden. Die CO2-Emissionsraten für das FINEX-Verfahren ohne CCS und mit CCS betragen 99 % bzw. 55 % im Vergleich zur durchschnittlichen CO2-Emissionsrate im Falle des BF-Eisenherstellungsverfahrens.

Das FINEX-Verfahren ist ein kohlebasiertes Verfahren zur Reduktion von Eisenerz zu Eisen, das anschließend zu HM geschmolzen wird. Ein gewisser Anteil an umweltbelastenden Stoffen ist aufgrund des Rohstoffmixes unvermeidlich. Da beim FINEX-Verfahren die meisten Schadstoffe in inertem Zustand in der Schlacke aufgefangen werden und die freigesetzten Kohlenwasserstoffe im Dom des Einschmelzvergasers vernichtet werden, sind die Schadstoffemissionen sehr gering. Die Emissionswerte pro Tonne SM für Staub, SOx und NOx liegen bei etwa 58 Gramm pro Tonne (g/t), etwa 32 g/t bzw. etwa 94 g/t.

Vorteile des FINEX-Verfahrens

Die verschiedenen Vorteile des FINEX-Verfahrens umfassen (i) die Nutzung der minderwertigen feinen Eisenerze als Oxidbeschickung, (ii) die Nutzung der nicht verkokenden Kohlen als Reduktionsmittel, (iii) die unabhängige Steuerung der Reduktions- und Schmelzprozesse, (iv ) vorteilhafte Wirtschaftlichkeit aufgrund erheblich verringerter Kapital- und Betriebskosten, (v) Umweltvorteile, (vi) Flexibilität bei der Rohstoffauswahl und im Betrieb, wie z. B. die Verwendung von Eisenerzen mit niedrigerem Gehalt möglich (z. vii) Produktion von HM, das der Qualität des HM aus der BF ähnlich ist, (viii) Exportgas mit höherem CV, das für verschiedene Zwecke genutzt werden kann (z. B. Stromerzeugung, DRI-Produktion und Produktion chemischer Produkte), (ix ) kommerziell erprobter alternativer Eisenherstellungsprozess und (x) Brown-Field-Anwendung in einem integrierten Stahlwerk ergibt Synergien mit dem BF.