溶鉄製造のためのフィネックスプロセス

液鉄製造のためのFINEXプロセス

FINEX製錬還元プロセスは、オーストリアのPrimetalsTechnologiesと韓国の鉄鋼メーカーPoscoによって開発されました。 FINEXプロセスは、BF、焼結プラント、およびコークス炉で構成される高炉（BF）プロセスルートに加えて、溶銑（HM）を製造するための商業的に実証済みの代替製鉄プロセスです。このプロセスは、非粘結炭の直接使用に基づいています。 FINEXプロセスでは、いかなる種類の凝集もなく、鉄鉱石の微粉を直接使用できます。

FINEXプロセスでは、微細な鉄鉱石が予熱され、メルターガス化装置から生成された還元ガスを使用して3段階流動床反応器システムで微細なDRI（直接還元鉄）に還元されます。流動床反応器により、FINEXプロセスでは、塊状鉱石やペレットの代わりに微細鉱石を使用できます。

その結果、このプロセスではコークスの製造も鉱石の凝集も必要ありません。事前に還元された鉱石と石炭の練炭、微粉炭の注入、およびメルターガス化装置（MG）の制御された充填により、プロセスの燃料率が向上します。流動床反応器システムで生成された微細なDRIは圧縮され、次にHCI（熱間圧縮鉄）の形でメルターガス化装置に投入されて溶銑（HM）を生成します。帯電したHClは金属鉄に還元されて溶けます。冶金学的還元と溶融に必要な熱は、高純度酸素（O2）による石炭ガス化によって供給されます。 FINEXプロセスは、低コストの微細な鉄鉱石と石炭を使用する環境に優しいプロセスです。

FINEXプロセスでは高純度のO2を使用するため、窒素（N2）の量が少ない輸出ガスが得られます。その正味発熱量（CV）はBFトップガスの2倍以上であるため、還元作業に部分的にリサイクルしたり、熱やエネルギーの生成に使用したりできます。

初期作業

基本的な実験室規模の研究は、1992年から1996年まで15トン/日のベンチスケールユニットで行われていました。このユニットの結果は、1999年に150トン/日のパイロットプラントのテスト運用に使用されました。年間百万トン（Mtpa）がポスコの浦項工場に建設され、2003年6月に生産を開始しました。このプラントには3つの流動床反応器があります。 2004年2月以降、実証されたプラントは、年間70万トンを超える溶銑の割合で着実に生産されています。ポスコは2007年4月に容量1.5Mtpaの最初の商用FINEXプラントを委託しました。このプラントの成功した結果に基づいて、PoscoとPrimetalsTechnologiesは浦項に容量2.0MtpaのFINEXプラントを開発することを決定しました。プラントは2014年1月に稼働を開始しました。

主な原材料

石炭と鉄鉱石は2つの主要な原料です。 FINEXプロセスに適した石炭または石炭混合物の初期評価の主な基準は、（i）C（炭素）含有量を最小55％に固定する、（ii）灰分を最大25％レベルに固定する、（iii） VM（揮発性物質）含有量が35％未満、および（iv）S（硫黄）含有量が1％未満。これらの一般的な特性に加えて、石炭は、メルターガス化装置で安定したチャーベッドの形成を可能にするために、熱安定性に関連する特定の要件を満たす必要があります。 FINEXプロセスの潜在的な石炭の熱安定性は、実験室での特別なテスト手順を使用してチェックされます。

FINEXプロセスは、メルターガス化炉チャーベッドの負荷負荷が低く、O2を使用しているため、コークスなしで操作できます。練炭の品質と還元度の変動を変える場合、生産性を維持し、燃料比を下げるために、通常、シャットダウンの前後、またはHM温度が下がる場合に、コークス風（30 mm未満）が使用されます。現在の操作では、上記の影響を最小限に抑えるために、一定レベルのコークス風が提供されます。 FINEXプロセスで使用されるコークス風の品質は、BF操作には適さず、BFコークスの約60％の強度があります。コークス風ゼロ運転を実現するには、バインダーの最適化や練炭予熱技術の開発など、いくつかの運転の最適化が不可欠です。 FINEXプロセスの石炭特性とBF製鉄の石炭特性との比較を図1に示します。

図1石炭の特性またはFINEXおよびBFプロセス

鉄鉱石の場合、一般に、石灰質供給微粉鉱石の100％が流動床反応器に投入されます。ペレット飼料の30％から50％も使用できます。鉄鉱石の種類と混合は、総鉄（Fe）含有量、組成構造、粒径などの化学的および物理的特性に基づいて決定されます。BFプロセスによるHM製造の場合と同様に、鉄鉱石のFe含有量が生産性。混合比は、鉱石の品質とコストの両方を考慮して決定する必要があります。 FINEXプロセスではBFプロセスよりも高アルミナ（Al2O3）スラグのタッピングが許容されるため、Al2O3含有量の高い鉄鉱石も使用できます。通常、流動床反応器用のヘマタイトおよびゲータイトの供給材料構造に制限はありません。 FINEXプロセスに適した鉄鉱石の柔軟性を図2に示します。

図2FINEXプロセスにおける鉄鉱石の柔軟性

プロセス

FINEXプロセスは、直接充填された鉄鉱石微粉に基づく高品質のHMの製造と、還元剤およびエネルギー源としての石炭によって区別されます。 FINEXプロセスの主な特徴は、鉄の生産が2つの別々のプロセスステップで実行されることです。一連の3つの流動床反応器では、微細な鉄鉱石がDRIに還元され、次に圧縮（HCI）され、溶銑コンベヤーによって溶融ガス化装置に輸送されます。溶融ガス化装置に投入された石炭および練炭はガス化され、還元ガスに加えて溶融に必要なエネルギーを供給します。 FINEXプロセスのプロセスフローシートを図3に示します。

図3FINEXプロセスのフローシート

溶鉄は、FINEXプロセスで2つのステップで生成されます。最初のステップでは、鉄鉱石の微粉が予熱され、流動床反応器で3段階の微粉DRIに還元されます。最初の反応器（R3）は、主に鉄鉱石微粉を予熱するための反応器として機能します。鉄鉱石の微粉は、石灰石やドロマイトなどのフラックスと一緒に一連の流動床反応器に投入されます。投入された鉱石微粉は、3つの反応器を通って下向きに移動し、そこで鉱石が加熱され、メルターガス化装置での石炭のガス化から得られる還元ガスによってDRIに還元されます。この還元性ガスは、鉱石の動きに対して向流方向に流れます。

プロセス鉱石ルートに従って、空気輸送システムが鉱石微粉を流動床反応器タワーに輸送します。次に、微細な鉱石が流動床反応器シリーズに投入されます。メルターガス化装置で生成された還元ガスは、各流動床反応器を逆流して鉱石方向（R1からR3）に流れます。 3つの流動床反応器の典型的な温度と還元ガスの組成を表1に示します。

パラメータ/コンポーネント ユニット 温度 デグC なし なし なし

タブ1：FINEXプロセス用の3段流動床反応器の一般的なガス雰囲気
流動床反応器
		R1	R2	R3
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	％

微細な鉄鉱石はガス流によって流動化され、鉱石は各反応器ステップでますます還元されます。最終流動床反応器からの還元鉄の出口に続いて、それは次に圧縮されてＨＣｌを生成する。その後、HCIは熱輸送システムを介してメルターガス化装置の上部に輸送され、そこで石炭と一緒にメルターガス化装置に直接投入されます。その後、HCIの最終的な還元と融解が行われます。

プロセス石炭ルートに従って、非粘結炭と練炭は、ロックホッパーシステムを介してメルターガス化装置に直接投入されます。石炭がチャーベッドに落下した後、デガッシングが行われます。環境に有害な放出された炭化水素は、すぐにCO（一酸化炭素）とH2（水素）に解離します。これは、メルターガス化装置のドーム内の一般的な温度が1,000℃を超えるためです。メルターガス化炉の下部に注入されたO2は石炭をガス化し、溶解作業のための熱を発生させるとともに、COとH2を主成分とする非常に価値の高い還元ガスを生成します。溶融ガス化装置のドームから出るこのガスは、流動床反応器に入る前に、最初に高温ガスサイクロンで洗浄されます。 DRIの溶解に続いて、タッピング手順は標準的なBFの慣行とまったく同じ方法で実行されます。 FINEXプロセスからのHMの品質は、BFで生成されたHMと同様です。

FINEX輸出ガスは、FINEXプロセスの貴重な副産物です。流動床反応器の上部から出るクリーンな輸出ガスは、さまざまな用途に使用できます。これらには、DRIの生産、発電、化学産業向けの合成ガスの生成が含まれます。 FINEXプロセスで生成されるさまざまなガスの典型的な組成を表2に示します。

ガス組成 ユニット オフガス 製品ガス テールガス

タブ2ガスの典型的な組成
CO	CO2	H2	N2
％	35-36	32-33	14-15	10-11
％	53-54	2-3	24-25	17-18
％	17-18	65-66	10-11	2-3

FINEXプロセスでのガスフローを図4に示します。

図4FINEXプロセスでのガスの流れ

FINEXプロセスの材料とユーティリティの一般的な特定の消費値は、（i）約720 kg / tHMの乾燥燃料、（ii）約1,600 kg / tHMの鉄鉱石、（iii）約285 kg /の添加剤（石灰石とドロマイト）です。 tHM、（iv）約460 N cumのO2、（v）約270 N cumのN2、（vi）約190 kWh / tHMの電力、および（vii）約1.5 kg/tHMの耐火物。

FINEXプロセスによって生成されたHMの特性は、（i）約4.5％のC、（ii）約0.7％のシリコン（Si）、（iii）約0.07％のマンガン（Mn）、（iv）約0.07％のリン（P）で構成されます。 0.07％、（v）硫黄（S）約0.04％、（vi）温度約1,500℃。

FINEXプロセスの輸出ガスの特性は、（i）約34％のCO、（ii）約43％のCO2、（iii）約13％のH2、（iv）約3％のH2O、（v）以下のCH4で構成されます。 1％、（vi）N2 / Ar約6％、（vii）100 ppm未満のH2S（parts per million）、（viii）ダスト5 mg（ミリグラム）/ Ncum、（ix）圧力0.1 kg / sq cm、 （x）約40℃の温度、および（xi）1,300 kcal /Ncumから1,500kcal/Ncumの範囲のCV。 HM1トンあたり約1.9ギガカロリーの輸出ガスが生成されます。

プロセスの環境的側面

FINEXプロセスには、CO2回収貯留（CCS）のために高純度CO2を回収する可能性があります。回収されたCO2は、貯蔵だけでなく、石油回収の強化やその他の経済的な用途にも使用できます。これは、石炭のガス化用のメルターガス化装置で高純度のO2を使用しているために可能であり、したがって、輸出ガスには少量のN2しか含まれていません。これにより、リサイクルガスから高濃度のCO2を除去し、さらに精製した後、95％を超えるCO2パーセントの高純度CO2を生成することができます。 CCSなしとCCSありのFINEXプロセスのCO2排出率は、BF製鉄プロセスの場合の平均CO2排出率と比較してそれぞれ99％と55％です。

FINEXプロセスは、鉄鉱石を鉄に還元するための石炭ベースのプロセスであり、その後、HMに溶解されます。原材料の混合により、ある程度の環境有害物質は避けられません。 FINEXプロセスはスラグ内の不活性状態の汚染物質のほとんどを捕捉し、放出された炭化水素はメルターガス化装置のドームで破壊されるため、有害物質の排出量は非常に少なくなります。粉塵、SOx、およびNOxのHM 1トンあたりの排出量の値は、それぞれ1トンあたり約58グラム（g / t）、約32 g / t、および約94g/トンです。

FINEXプロセスの利点

FINEXプロセスのさまざまな利点には、（i）酸化物供給としての低品位鉄鉱石の利用、（ii）還元剤としての非粘結炭の使用、（iii）還元および溶融プロセスの独立した制御、（iv ）資本コストと運用コストが大幅に削減されるため、経済的に有利、（v）環境上のメリット、（vi）原材料の選択、および可能な低品位の鉄鉱石（Al2O3含有量の高い鉄鉱石など）の利用などの運用における柔軟性、（ vii）BFからのHMの品質と同様のHMの生産、（viii）さまざまな目的（発電、DRI生産、化学製品の生産など）に利用できるCVの高いガスを輸出する（ix ）商業的に証明された代替の製鉄プロセス、および（x）統合された鉄鋼プラントでのブラウンフィールドアプリケーションは、BFとの相乗効果をもたらします。