PERED-Direktreduktionstechnologie: Beschleunigte, energieeffiziente Eisenproduktion

PERED-Technologie für die Direktreduziertes-Eisen-Produktion

Die PERED-Technologie, auch als „Persian Reduction“ bekannt, ist eine 2007 von der „Mines and Metals Engineering GmbH“ erfundene und patentierte Direktreduktionstechnologie. Der PERED-Direktreduktionsprozess wandelt Eisenoxide in Form von Pellets oder Lumperz in ein hochreduziertes Produkt um, das für die Stahlerzeugung geeignet ist. Die Reduktion des Eisenoxids erfolgt ohne Schmelzen mittels Reduktionsgasen im festen Zustand in einem vertikalen Schacht ofen. Diese Technologie verbessert den Direktreduktionsprozess zur Herstellung von direktreduziertem Eisen (DRI).

Es handelt sich um einen gasbasierten Direktreduktionsprozess, der von einem Spezialistenteam mit Erfahrung in verschiedenen Bereichen der Direktreduktion entwickelt wurde, um alle Prozessströme im Hauptprozess zu berücksichtigen und optimale, effiziente Ergebnisse zu erzielen. Das gängigste Reduktionsgas ist reformiertes Erdgas, doch auch andere Gase wie Corex-Gas und Koksofengas können verwendet werden. PERED-Technologie senkt Investitionskosten, Wasserverbrauch, Wartungskosten und Energieverbrauch.

Bei PERED läuft der Reduktionsprozess bei niedrigerer Temperatur ab aufgrund verbesserter Kühlmethoden und reduzierter Schadgasemissionen. Mit weniger Wärme, homogenerem Reduktionsgas, besser kontrollierbarer Pelletzufuhr und Einsatz von Zentrifugalkompressoren benötigt PERED weniger Wasser, Strom und Gas im Betrieb sowie geringere Betriebs- und Wartungsausgaben.

Ausgangsprodukte aus PERED-Direktreduktionsanlagen können sein: (i) kaltes DRI (CDRI), (ii) heißbrikettiertes Eisen (HBI), (iii) Kombination CDRI/HBI, (iv) HBI/heißes DRI (HDRI), (v) CDRI/HDRI.

Energieeffizienz und Flexibilität

PERED-Technologie ist eine verbesserte energieeffiziente Technologie und ökonomisiert somit Energie und Ressourcen. Sie nutzt Energie und Rohstoffe optimal, was zu reduzierten Produktionskosten führt, mit dem zusätzlichen Vorteil, umweltfreundlicher als andere gasbasierte Direktreduktionsprozesse zu sein. Die Technologie bietet auch erhöhte Betriebsflexibilität. Sie wurde für Flexibilität hinsichtlich einer breiten Palette von Rohstoffen (z. B. Erze mit hohem Schwefelgehalt) und Energiequellen konzipiert. Der Prozess kann bis zu 50 % Eisenerz in Lumpform verwenden. Der Prozess arbeitet bei bewährt höherem Druck. Trockenes Prozessgas führt zu höherem Gasdurchsatz bei gleicher Anlagentechnik, was die Produktion erhöht oder bei gleicher Produktion den Stromverbrauch senkt.

Kommerzielle Anlagen

Die erste PERED-basierte Direktreduktionsanlage mit einer Auslegungskapazität von 0,8 Mio. t/a (Mtpa) ging im Juni 2017 in Shadegan, Provinz Khouzestan, Iran, in Betrieb. Die DRI-Anlage startete problemlos. Das Produkt wies eine Metallisierung von >93 % und einen Kohlenstoffgehalt von >1,5 % auf. Eine Anlagenkapazität von 75 t/h wurde am ersten Tag bei guten Verbrauchskennwerten für Versorgungsmedien erreicht. Die Auslegungskapazität wurde kurz darauf erreicht. Die zweite PERED-DRI-Anlage (0,8 Mtpa) wurde im Oktober 2017 im Mianeh Steel Complex in der Provinz Ost-Aserbaidschan, Iran, in Betrieb genommen (Abb. 1). Zwei weitere PERED-Anlagen à 0,8 Mtpa und eine Anlage à 0,3 Mtpa befinden sich im Bau. Die 0,3-Mtpa-Anlage in VR China basiert auf Koksofengas.

Wesentliche Verbesserungen gegenüber bestehenden gasbasierten DR-Technologien

• PERED ist ein kontinuierlicher Prozess mit ununterbrochenem Reduktionsgasstrom zur Sauerstoffentfernung aus dem Eisenoxid-Zuführmaterial und zur Karburierung des DRI-Produkts.
• Minimierter Brennstoffverbrauch durch Rückführung des Ofengases (Top Gas) aus dem Schachtofen in den Prozess.
• Speziell ausgelegtes Gasreformiersystem zur Nutzung des bei der Eisenoxidreduktion im Schachtofen entstehenden CO₂. Das System ist für die katalytische Umwandlung von Erdgas ohne Rußbildung ausgelegt. Dies eliminiert die Notwendigkeit einer externen O₂-Quelle für die partielle Oxidation von Methan (CH₄).
• Maximale Wärmerückgewinnung durch Vorwärmen von Hauptluft, Erdgas und Zuführgas.

Innovationen am Schachtofen

Innovation und Überprüfung der Hauptausrüstung beginnen beim vertikalen Schachtofen. Dieser ist einzigartig konzipiert mit verbesserten Feststoff- und Gasströmungsmustern zur Verbesserung der im Ofen ablaufenden Reaktionen. Dies resultiert in einem größeren Reduktionszonenvolumen und damit höherer Produktionsrate. Der Ofen verfügt über eine duale Reduktionsgaseinspritzung für verbesserte Gasverteilung im Ofen. Die Erzbeladung und -verteilung im Ofen ist verbessert. Die Verteilung der Erzlast im Ofen wird durch die neu erfundene Zuführleitung verbessert.

Besonderheiten im Ofenoberteil (Reduktionszone)

• Oxidbeschickung und -verteilung durch spezielle Zuführrohre
• Optimierung des Höhen-zu-Durchmesser-Verhältnisses für bessere Ofenausnutzung
• Optimierung der Reduktionsreaktionen: Fe(Oxid)+CO=Fe(Metall)+CO₂ und Fe(Oxid)+H₂=Fe(Metall)+H₂O

Die Reduktionsreaktionen werden in der Reduktionszone optimiert, weil: (i) keine Ausrüstung in der Reduktionszone vorhanden ist, (ii) Feinanteilreduktion durch verbesserte Materialverteilung via spezieller Zuführrohre, (iii) Optimierung des effektiven Reduktionsvolumens, (iv) Auslegung zur Vermeidung möglicher Verschmutzung durch Gasleckage, (v) spezielle Auslegung zur Senkung von Investitions- und Wartungskosten.

Besondere Auslegungsmerkmale der Reduktionszone

• Duale Top-Gas-Absaugung vom oberen Kesselboden
• Verbessertes Belastungstemperaturprofil für gleichmäßige Produktqualität
• Reduzierter Mitnahme von Feinerz/Pellets zur Verlängerung der Feuerfestlebensdauer im Top-Gas-Abzug
• Optimierung der Ofengröße für benötigtes Reduktionszonenvolumen
• Niedrigere Abgastemperatur durch verbesserte Effizienz → geringere Belastung der Wäscher
• Duale Reduktionsgaseinspritzung
• Rechteckige Bustle-Port-Auslegung für verbesserte Gaseinspritzung und bessere Wartbarkeit
• Konischer Feuerfestaufbau zur Berücksichtigung der DRI-Quellung
• Flexibilität für unterschiedliche Temperaturen und Gaszusammensetzungen durch Sauerstoffeinspritzung
• Verbesserte Bustle-Gasausnutzung
• Verbesserte Gasverteilung im Ofen
• Gleichmäßige Betttemperatur über den Ofenquerschnitt
• Vermeidung von Clustering im Ofen
• Flexibilität zur Nutzung von Eisenerz-Lumpen
• Verbesserung von Produktivität und Produktqualität

In-situ-Reformierung im Schachtofen

Im vertikalen Schachtofen findet auch In-situ-Reformierung statt. Heißes Bustle-Gas enthält Anteile an CH₄, CO₂ und H₂O. Beim Kontakt mit metallischem Eisen (wirkt als Katalysator) entsteht zusätzliches Reduktionsgas im Schachtofen. Die In-situ-Reformierungsreaktionen:

CH₄ + H₂O = CO + 3H₂   ΔH > 0

CH₄ + CO₂ = 2CO + 2H₂   ΔH > 0

Einerseits erfordert die endotherme In-situ-Reformierung höhere Bustle-Gastemperaturen, andererseits führen hohe Temperaturen zu Pellet-/Lumperz-Degradation, Feinbildung und Clustering. Die PERED-Schachtofen-Auslegung mit doppeltem Bustle-Port optimiert den CH₄-Anteil im Bustle-Gas zur Kontrolle der Betttemperatur.

Merkmale des GASREFORMIERS im PERED-Prozess

• Erdgas wird im Reformer-Abgas-Wärmerückgewinnungswärmetauscher vorgeheizt
• Das Rückgewinnungssystem entzieht Wärme dem Reformer-Abgas
• Der Reformer ist ein Mehrkammern-Reformer mit Katalysatorrohren. Er nutzt Reformerrohre von 250 mm Durchmesser und ist für geringeren Platzbedarf ausgelegt
• Der Katalysator „Performex“ wurde speziell für den Prozess entwickelt

Kühlzone des Schachtofens

Die Kühlzone verfügt über 360°-drehende Beladungsförderer. Das State-of-the-Art-Design der Förderer sorgt für bessere und gleichmäßigere Leistung der Kühlzone. Die Beladung erfolgt über vier unabhängig gesteuerte Drehwellen. Da es sich um eine kalte Zone handelt, ist keine Wasserkühlung der Mantel erforderlich. Bildet sich ein Cluster, wird dieser durch Rückwärtsrotation und Drehzahlsteuerung gelöst. Kühlgas wird von außen über einen Header in die Kühlzone eingespritzt, heißes Kühlgas wird gleichmäßig über geformte Abzüge abgeführt. Auch besteht keine Ausfallgefahr im Header, da dieser feuerfestfrei ist. Das Kühlsystem ist zudem so ausgelegt, dass Partikeleintrag in den Wäscher vermieden wird. Das Gas wird verdichtet und in die untere Produktauslaufzone des Schachtofens geführt.

Typische Spezifikation einer 0,8 Mtpa PERED-Anlage

Tabelle 1: Typische Spezifikation für PERED-Anlage
Nr.	Parameter	Einheit	Wert
1	Kapazität	Mtpa	0,8
2	Oxidpellet-Größe	mm	5–35
3	Schachtofen-Durchmesser	m	ca. 5,5
4	Gesamthöhe	m	ca. 52
5	Stündliche Produktionsrate	t/h	105
6	Jährliche Betriebsstunden	Stunden	8.000
7	Schachtofen-Betriebstemperatur	°C	850
8	Normaler oberer Betriebsdruck	kg/cm² g	0,6
9	Normaler unterer Betriebsdruck	kg/cm² g	2,1 max.
10	Reduktionsgasbedarf	Nm³/h	170.000
11	Reduktionsgas pro Tonne Produkt	Nm³	1.600
12	DRI-Dichte	t/m³	1,7
13	Eisenoxid-Dichte	t/m³	2,3

Nützliche Merkmale einer PERED-Direktreduktionsanlage

• Bewährter Prozess mit erfolgreichem kommerziellen Anlagenbetrieb
• Niedrige spezifische Investitionskosten
• Niedriger spezifischer Energieverbrauch → niedrigere Energiekosten
• Niedrige Betriebskosten
• Niedriger spezifischer Wasserverbrauch
• Geringe Umweltbelastung
• Mehrere Produktoptionen: CDRI, HDRI, HBI
• Prozessflexibilität bzgl. Eisenoxid: bis zu 50 % Lumperz
• Flexibilität für hohe Schwefel-Erze
• Auslegungen für Anlagenkapazitäten > 1 Mtpa verfügbar