Eisenerzeugung durch Hochöfen und Kohlendioxidemissionen

Eisenherstellung durch Hochöfen und Kohlendioxidemissionen

Es ist allgemein anerkannt, dass Kohlendioxid (CO2) in der Atmosphäre die Hauptkomponente ist, die die globale Erwärmung durch den Treibhauseffekt beeinflusst. Seit 1896 ist die CO2-Konzentration in der Atmosphäre um 25 % gestiegen. Die Eisen- und Stahlindustrie ist als energieintensive Industrie und als bedeutender Emittent von CO2 bekannt. Daher wird der Klimawandel von der Eisen- und Stahlindustrie als eine große ökologische Herausforderung identifiziert. Lange vor den Ergebnissen des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen im Jahr 2007 haben große Eisen- und Stahlproduzenten erkannt, dass langfristige Lösungen erforderlich sind, um die CO2-Emissionen der Eisen- und Stahlindustrie zu bekämpfen. Daher hat sich die Eisen- und Stahlindustrie sehr proaktiv bemüht, den Energieverbrauch zu verbessern und die Treibhausgasemissionen (THG) zu reduzieren.

Im gegenwärtigen Umfeld des Klimawandels gibt es in der Eisen- und Stahlindustrie ein ständiges Bestreben, Energiekosten zu senken, Emissionen zu reduzieren und eine maximale Wiederverwendung von Abfallenergie sicherzustellen. Bei den traditionellen Prozessen zur Herstellung von Eisen und Stahl ist die Emission von CO2 unvermeidlich, insbesondere beim Hochofenprozess (BF), der Kohlenstoff (C) als Brennstoff und Reduktionsmittel benötigt, um Eisenoxid in den metallischen Zustand umzuwandeln, und daher ist der Hauptprozess zur Erzeugung von CO2 in einem integrierten Hüttenwerk. Die Klimapolitik ist in der Tat ein wichtiger Treiber für die Weiterentwicklung der Eisenerzeugungstechnologie von BF.

Eine der entscheidenden Herausforderungen für den BF-Betrieb ist die Dekarbonisierung. Die Eisen- und Stahlindustrie hat bedeutende Schritte unternommen, um den thermischen Wirkungsgrad des BF-Betriebs zu erhöhen, aber letztendlich gibt es eine harte Grenze bei der Dekarbonisierung, die mit der Notwendigkeit von C als chemischem Reduktionsmittel verbunden ist. Seit den 1950er Jahren wurden erhebliche F&E-Anstrengungen (Forschung und Entwicklung) unternommen, um die BF-Eisenherstellungstechnologie effizienter zu machen. Diese F&E-Bemühungen umfassen (i) verbesserte Koks- und Sinterqualität, (ii) Sauerstoffanreicherung (O2), (iii) Injektion anderer Reduktionsmittel wie Kohlenstaub und Erdgas, (iv) Lastverteilung und (v) Messtechnologien und so weiter an. In den 1950er Jahren lag die Reduktionsmittelrate bei etwa 1000 Kilogramm pro Tonne Roheisen (kg/tSM) und wurde seitdem aufgrund der F&E-Bemühungen und der Umsetzung der Ergebnisse der F&E-Bemühungen um den Faktor 2 reduziert.

Der Reduktionsmittelverbrauch beim konventionellen BF liegt heute mit rund 500 kg/tSM nur knapp 5 % über den kleinstmöglichen thermodynamischen Werten beim klassischen BF-Betrieb. Der BF-Prozess ist heute ein hochentwickelter Prozess, der nahe an thermodynamischen Effizienzgrenzen arbeitet. Es gibt keine offensichtlichen größeren Verbesserungen, von denen erwartet wird, dass sie ihren C-Bedarf grundlegend reduzieren oder ihren thermischen Wirkungsgrad erheblich verbessern, aber da der BF der vorherrschende Emissionserzeuger ist, müssen Anstrengungen unternommen werden, um die Umweltauswirkungen der Industrie zu mindern konzentriert sich auf den BF-Eisenherstellungsprozess.

Um den C-Verbrauch oder die CO2-Emission weiter signifikant zu reduzieren, sind bahnbrechende Technologien zur Eisenerzeugung erforderlich. Mehrere Technologien wurden zur weiteren Reduzierung des Einsatzes von fossilem C und zur Reduzierung der CO2-Emission im BF-Prozess selbst vorgeschlagen. Dazu gehören (i) Recycling von CO aus dem BF-Gichtgas, (ii) Nutzung von Biomasse, (iii) Substitution von CO durch H2 als Reduktionsmittel, (iv) Nutzung von C-magerem direktreduziertem Eisen (DRI), heiß Brikettiertes Eisen (HBI) oder niedrig reduziertes Eisen (LRI), (v) Verwendung von C-Verbundmaterialien, (vi) Verwendung von C-armer elektrischer Energie und (vii) CO2-Abscheidung und -Speicherung (CCS) usw Der erforderliche Ansatz besteht darin, inkrementelle Verbesserungen vorzuschlagen, die Schritte zur Reduzierung von Emissionen oder zur Ausschöpfung des Potenzials bieten, das im aktuellen Prozess vorhanden ist.

Es ist unvermeidlich, dass bei der Betrachtung solcher Technologien eine Reihe von Querschnittsthemen rund um die Wirtschaftlichkeit und die gesamten CO2-Emissionen berücksichtigt werden müssen. Beispielsweise kann die Verwendung von CO2 und Prozessgasen als chemische Rohstoffe den zusätzlichen Kauf von Brennstoffen für die Wiedererwärmungsöfen erfordern, was sich auf die integrierten Betriebskosten, die Stahlqualität und die gesamten CO2-Emissionen auswirken kann. Jede weiter in Betracht zu ziehende Lösung muss das Potenzial haben, eine mehrkomponentige Optimierung dieser Einzelaspekte zu erreichen.

Die wichtigsten Herausforderungen für den zukünftigen BF-Betrieb sind daher (i) die erhebliche Reduzierung der Kapital- und Betriebsausgaben, um eine nachhaltige Kapitalrendite über den gesamten Wirtschaftszyklus hinweg zu erzielen, und (ii) die Reduzierung der effektiven CO2-Emissionen auf einen Wert, der sogar noch unter dem aus der chemischen Thermodynamik ermittelten liegt das herkömmliche auf Koks basierende Verfahren. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, ist es wichtig, eine Reihe von technologischen Möglichkeiten zu identifizieren. Diese werden unten beschrieben.

Spitzentechnologien für Gasrecycling und CO2-Abscheidung

Die Reduktion des Inputs C wird durch das Reduktionsgleichgewicht des Gases im BF begrenzt. Die Verringerung des Inputs C kann erreicht werden, indem das Direktreduktionsverhältnis (eine endotherme Reaktion) verringert wird, indem die Gasreduktion innerhalb des BF durch Entkohlung und Rezirkulation von Topgas durch Injektion in den Ofen verstärkt wird. Ein typisches Flussdiagramm eines Hochofens mit Gichtgasrecycling (TGR) ist in Abb. 1 dargestellt.

Bild 1 Typisches Fließbild eines Hochofens mit Gichtgasrecycling

Jede Lösung zur Dekarbonisierung der BF-Route erfordert ein gewisses Element der C-Abscheidung. Um eine substanzielle CO2-Reduktion (mehr als 50 %) zu erreichen, ist der Einsatz der CCS-Technologie notwendig, obwohl in der Branche allgemeiner Konsens besteht, dass Reduktionen von mehr als 80 % nicht möglich sind. Eine ermutigende Variante der C-Abtrennung ist das Gichtgas-Recycling im Prozess der Eisenherstellung durch den BF-Prozess. Es ist die vielversprechendste Technologie, die den CO2-Ausstoß erheblich reduzieren kann, und besteht aus dem Recycling von CO und H2 aus dem Gas, das den BF von oben verlässt.

Die TGR-Technologie basiert hauptsächlich auf der Verringerung des Verbrauchs von fossilem C (Koks) durch die Wiederverwendung der Reduktionsmittel (CO und H2) nach der Entfernung des CO2 aus dem Topgas. Dies führt zu einem geringeren Energiebedarf. Die Haupttechnologien des TGR-BF sind (i) das Auswaschen von CO2 aus dem Topgas und das Einblasen der Restgaskomponenten CO und H2 in den BF-Schacht und die Herddüsen, (ii) ein geringerer fossiler C-Eintrag aufgrund von weniger Koks (iii) Verwendung von reinem O2 anstelle von Heißluftgebläse an der Herddüse, d. h. Entfernung von Stickstoff (N2) aus dem Prozess, und (iv) Rückgewinnung von reinem CO2 aus dem Topgas für die unterirdische Speicherung.

Die meisten C-Capture-Schemata sind im Allgemeinen mit Speicherung verbunden, aber auch die Nutzung kann in Betracht gezogen werden. Diese Verbindung zwischen C-Abscheidung und -Nutzung hebt ein wichtiges Forschungsgebiet hervor, das derzeit von Interesse ist, und zwar rund um die Prozessintegration. Im Vergleich zu Aspekten wie Sammlung, Transport und Lagerung ist der Bereich Prozessintegration durch Nachrüstung einer bestehenden BF mit einem C-Abscheidungssystem wenig beachtet worden.

Es ist zu erwarten, dass für die Mehrzahl der Standorte, an denen BFs tätig sind, die C-Abscheidung neben jahrzehntelangen BFs in Betrieb genommen werden soll. Es besteht die Möglichkeit einer erheblichen Prozessinterferenz in Verbindung mit Aspekten wie Gasqualität, Druck, Betriebsprotokollen und der relativen Optimierung sowohl der BF- als auch der C-Verwertungsanlage. Nachrüstung und anschließender Betrieb müssen erreicht werden, ohne die Betriebseffizienz oder die Produktqualität der vorhandenen Anlagen zu beeinträchtigen.

In diesem Bereich der Prozessintegration sollen fortschrittliche Prozesssimulations- und Modellierungstechniken eingesetzt werden, um die Kombination eines integrierten BF- und C-Abscheidungssystems zu optimieren. In dieser Hinsicht ist eine Kombination aus Thermofluid-Modellierung mit Prozesskinetik und durch prozessökonomische Modellierung erforderlich, die auf ein Verständnis der Schlüsselparameter des Eisenherstellungsprozesses ausgerichtet ist. Bei einem solchen Fokus kann die Anwendung von C Capture auf bestehende BF-Operationen realisiert werden.

Wasserstoffreduktion

Die wichtige Umweltherausforderung für das BF-Verfahren ist die Verwendung von C als chemisches Reduktionsmittel. Dies hat eine harte thermodynamische Grenze, unterhalb derer eine weitere C-Reduktion ohne signifikante Prozessänderung nicht möglich ist. Eine solche Prozessänderung ist eine teilweise Umstellung von C auf Wasserstoff (H2) als Reduktionsmittel. Beispiele für Reduktionsmittel mit hohem H2-Gehalt sind Altkunststoffe (CnHm) oder Erdgas (mit Hauptbestandteil CH4). H2 wird bereits in Direktreduktionsprozessen zur Herstellung von DRI verwendet, und daher besteht ein grundlegendes Verständnis der Mechanismen und der chemischen Thermodynamik, aber es besteht die Möglichkeit für weitere Prozessforschung und Innovation in Bezug auf das Ausmaß, in dem das Gleichgewicht zwischen H2-Reduktion und C Reduktion kann innerhalb des Ofens verschoben werden.

Die Verwendung von Kunststoffabfällen (WP) zur Förderung der H2-Reduktion im BF erfolgt durch Injektion von WP in den BF. WP wird ähnlich wie Kohlenstaub (PC) als Feststoff durch die Düsen eingeblasen. Normalerweise erfolgt dies als Co-Injektion von WP und Kohle in den BF. Die Verbrennungsenergie von WP ist im Allgemeinen mindestens so hoch wie die von PC, das normalerweise eingespritzt wird, und ihr höheres Verhältnis von H2 zu C bedeutet, dass weniger CO2 innerhalb des BF aus den Verbrennungs- und Eisenerzreduktionsprozessen erzeugt wird. Außerdem gibt es einen geringeren Energieverbrauch, da H2 ein günstigeres Reduktionsmittel als C ist. Die Injektion von WP erhöht die H2-Konzentration von Bosh-Gas. Da die chemische Reaktionsgeschwindigkeit der H2-Reduktion höher ist als die von CO, nimmt das Ausmaß der Boudouard-Reaktion ab, wenn das Bosh-Gas H2 zunimmt. CO2 und H2O sind im oberen Teil des BF aufgrund der Reduktion von Eisenoxiden vorhanden.

Zur Förderung der H2-Reduktion im Hochofen wird im Rahmen des 2008 begonnenen Projekts COURSE50 in Japan eine weitere Methode untersucht. Dieses Projekt ist ein Versuch, die CO2-Emissionen durch Weiterentwicklung der Technik des Einblasens von Reduktionsgas in den BF zu reduzieren Schacht, in Kombination mit H2-Verstärkung durch Reformierung von Kokereigas. Die von diesem Projekt vorgeschlagene H2-Reduktionstechnologie besteht aus einer H2-Erhöhung durch (i) Gasreformierung von Koksofengas, (ii) H2-Erzreduktionstechnologie und (iii) Koksherstellungstechnologie für H2-Reduktionshochöfen. Bei diesem Projekt wird das Reduktionsgas in den BF-Schacht eingeblasen. Aus der Impulsbilanz zweier Gase wurde festgestellt, dass die Durchdringungsfläche des Schacht-Einblasgases proportional zur Einspritzgasrate ist und die Eisenerzreduktion durch H2 gefördert wird. Da die H2-Reduktion jedoch eine endotherme Reaktion ist, muss der Aufrechterhaltung der Temperatur an der Ofenspitze besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden.

Alternative kohlenstoffhaltige Materialien

Alternative C-Lagermaterialien sind C-Composite-Agglomerate (CCA) oder C-Eisen-Composites (CIC). Dies sind Agglomerate aus kohlenstoffhaltigem Material und einer Mischung aus Eisenoxid und sind eine Art geformter Koks, der metallisches Eisen enthält. Bei dem kohlenstoffhaltigen Material kann es sich um Koksfeinstoffe, Kohle, Holzkohle, C-reiche anlageninterne Feinstoffe, Biomasse, Kunststoffabfälle usw. handeln, während das Eisenoxid minderwertige Eisenerze, eisenreiche anlageninterne Feinstoffe usw. sein kann. C-Verbundstoff Materialien aufgrund der katalytischen Wirkung der Eisenpartikel haben eine bemerkenswert hohe Reaktivität mit CO2-Gas im Vergleich zu metallurgischem Koks. Normalerweise reagieren C-Verbundmaterialien mit CO2-Gas bei einer Temperatur, die etwa 150 °C unter der von metallurgischem Koks liegt.

Die Erzreduktionsreaktion wird durch C-Verbundmaterialien gefördert wegen (i) der höheren Reaktivität dieser Materialien und (ii) der Tatsache, dass die Lösungsverlustreaktion dieser Materialien bei einer niedrigeren Temperatur beginnt. Die Verwendung solcher Agglomerate hilft nicht nur bei der Minderung der CO2-Emission, sondern hilft auch bei der Koks- und Energieeinsparung. Der enge Abstand zwischen Eisen und C in solchen Agglomeraten verbessert die Reaktionskinetik deutlich. Die anderen Vorteile, die bei der Verwendung solcher Agglomerate sichtbar gemacht werden können, sind (i) die Möglichkeit, eisen- und/oder C-reiche anlageninterne Feinstoffe zu verwenden, (ii) eine niedrigere Vergasungstemperatur aufgrund des Kopplungseffekts zwischen der Vergasungsreaktion und Eisenoxid (Wüstit ) Reduzierung und (iii) weniger Abhängigkeit von CO2 und energieintensiven Erzaufbereitungsprozessen.

Das Verfahren zur Herstellung von C-Verbundwerkstoffen besteht aus dem Zerkleinern, Mischen und Brikettieren von preiswerten eisenhaltigen Materialien und nicht verkokender oder leicht verkokender Kohle, gefolgt von Erhitzen und Karbonisieren in einem Schachtofen. Die Festigkeit dieser Materialien ist eine wichtige Eigenschaft für BF-Beschickung, und die Festigkeit auf dem gleichen Niveau wie metallurgischer Koks kann selbst aus minderwertigen Rohstoffen durch den Verdichtungseffekt des Brikettierens und eine vergleichsweise hochgenaue Temperatursteuerung im Schachtofen erreicht werden .

Die C-haltigen Materialien können auch auf verschiedene Weise in das BF-Verfahren eingeführt werden. Im Sinterprozess kann Biomasse oder WP Koksgrus teilweise ersetzen. Werkseigene Feinstoffe können sowohl als C- als auch als Eisenquelle verwendet werden. Bei der Kokerei wurden Versuche unternommen, der Kokskohlemischung sowohl Biomasse als auch WP hinzuzufügen. Alternative kohlenstoffhaltige Materialien können dem BF entweder von oben zusammen mit Beschickungsmaterialien als Klumpen zugeführt werden, oder die C-reichen werksinternen Feinstoffe oder Biomasse können dem BF durch die Düsen zugeführt werden.

Rauchgasrecycling in BF-Gasöfen

Für die Winderhitzer wird derzeit eine neue Technologie namens „Rauchgasrecycling“ (FGR) entwickelt. Diese Technologie beinhaltet die Umstellung der Öfen von Luft-Brennstoff- auf Oxy-Brennstoff-Verbrennung, wodurch der CO2-Prozentsatz des Rauchgases erhöht wird. Die erzeugte Flammentemperatur wird durch Abgasrückführung zu den Herdbrennern moderiert. Ein schematischer Vergleich des konventionellen Luft-Brennstoff-Herdbetriebs und des verbesserten Oxy-Brennstoff-Betriebs unter Verwendung der Rauchgasrückführung ist in Abb. 2 dargestellt.

Abb. 2 Schematischer Vergleich des konventionellen Luft-Brennstoff-Herdbetriebs und des verbesserten Oxy-Brennstoff-Betriebs unter Verwendung der Rauchgasrückführung

Der FGR-Betrieb von Öfen kann auf der Grundlage eines konstanten Masse- oder konstanten Volumenstroms der Verbrennungsprodukte erfolgen. Ein konstanter Massenstrom stellt sicher, dass die konvektive Wärmeübertragung im Vergleich zum herkömmlichen Luft-Brennstoff-Betrieb unverändert ist, und die Rückführung von heißem Rauchgas reduziert den Verbrennungsenergiebedarf der Öfen. Die Option konstanter Volumenstrom ergibt sich durch die erhöhte Dichte der Verbrennungsprodukte bei der Abgasrückführung. In diesem Modus kann die Wärmerückgewinnung mit erhöhten Brennerbegasungsraten kombiniert werden und dies führt zu höheren Heißwindtemperaturen und einem Potenzial für einen geringeren Koksverbrauch im BF.

Unter Berücksichtigung des Potenzials zur C-Abscheidung wird der CO2-Gehalt des Rauchgases im Vergleich zu konventionellen Beheizungsverfahren für die Öfen im Wesentlichen verdoppelt. Massenmäßig enthält das Rauchgas 0,8 Tonnen CO2/Tonne Roheisen (HM), das ist mehr als ein Drittel der derzeitigen spezifischen Emissionen. Die Erzeugung von O 2 , das erforderlich ist, um dies zu ermöglichen, reduziert die C-Abscheidungsvorteile geringfügig aufgrund der Energie, die zum Betreiben der Luftzerlegungsanlage verbraucht wird. Dadurch verringert sich das Netto-Emissionsminderungspotenzial um rund 6 %.

Durch die Rauchgasrückführung in den Öfen entfällt sowohl der Einsatz von Luft als auch von Kokereigas im Verbrennungsprozess. Daher wird die Erzeugung von Schwefeloxiden und Stickoxiden wesentlich reduziert. Zu den spezifischen Zielen dieser in der Entwicklung befindlichen neuen Technologie gehören (i) die Bestätigung eines CO2-Gehalts von 40 % bis 50 % im modifizierten Rauchgas, (ii) die Verifizierung der Abwärmerückgewinnung und der verbesserten thermischen Effizienz der Öfen und (iii) Bestätigung, dass die neuen Betriebsbedingungen die Temperatur des dem BF zugeführten Heißwinds aufrechterhalten oder erhöhen und somit negative Auswirkungen auf den BF-Betrieb vermeiden.