IJzer smelten onder het smeltpunt
Is staal zonder cokes mogelijk? De huidige ontwikkelingen op het gebied van ijzer smelten en staalproductie gaan precies in die richting. In plaats van het ijzeroxide in het erts met cokes te reduceren tot elementair ijzer, kiezen staalproducenten steeds vaker een andere weg. Pas in de herfst van 2016 werd ’s werelds grootste directe reductiefabriek in Texas in gebruik genomen. In plaats van cokes wordt reductiegas gebruikt, dat meestal wordt gemaakt van aardgas. In veel fabrieken over de hele wereld nemen draaizuigerblowers van AERZEN de gastoevoer van de reductietorens over.
Sponsijzer is de stof die ontstaat bij directe reductie, ook wel de Midrex-procedure genoemd. Terwijl de productie van ruw ijzer meestal verbonden is met vurige beelden, gaan fabrieken voor directe reductie een heel andere kant op wat procestechnologie betreft. Ten eerste is deze technologie ontworpen voor kleinere partijen, wat resulteert in kleinere installaties. Deze kunnen flexibeler worden opgestart en uitgeschakeld dan traditionele hoogovens. Er is nog een verschil tussen directe reductie en “staal maken”: de onafhankelijkheid van cokes, en dus van steenkool. De reden: als reductiemiddel wordt geen vaste koolstof als bulkmateriaal gebruikt, maar een gasmengsel bestaande uit koolstofmonoxide en waterstof. Er is dus sprake van een andere materiaalstroom voor het brandbare materiaal: Transportbanden en schroeftransporteurs in traditionele staalfabrieken, blowers en compressoren in fabrieken met directe reductie. In dit toepassingsgebied heeft AERZEN een wereldwijde marktaanwezigheid, voornamelijk wat betreft de draaizuigerblowers.
Voordat aardgas kan worden gebruikt om de positief geladen ijzerionen in het ijzeroxide te reduceren tot moleculair ijzer, moet methaan worden behandeld in een zogenaamde reformer. Bij chemische stoomreformatie wordt aardgas met water- en zuurstofinjectie omgezet in koolmonoxide en waterstof in een endotherme reactie en met gebruik van warmte. Beide gassen zijn perfect geschikt om de zuurstof uit het ijzeroxide op te lossen. De reactieproducten zijn ijzer, water en koolstofdioxide.
Briketten van sponsijzer met hoge zuiverheid
Grote meertrapsblowers van AERZEN transporteren de begingassen met een volumestroom tot 300.000 m³/h naar de reformers. Van daaruit wordt het afgescheiden gas in de tegenstroom naar de schachtoven geleid met behulp van draaizuigerblowers. De reductie van ijzererts tot sponsijzer begint. Dit wordt dan onmiddellijk afgekoeld om te voorkomen dat het hete materiaal, dat een temperatuur van bijna 1000 °C heeft, onmiddellijk oxideert in de lucht. Verder wordt het warm mechanisch verwerkt tot briketten of pellets. Het tussenproduct, dat uiteindelijk hoogwaardig staal wordt, heeft nu de kwaliteit van ruw ijzer en kan dus worden verwerkt in de staalfabriek.
Verschillende processen, verschillende vereisten, afhankelijk van de locatie: Zoals gezegd zijn Midrex-installaties door hun kleinere productievolume in vergelijking met conventionele staalfabrieken geschikt voor kleinere locaties. Bovendien zijn hun vereisten voor grondstoffen verschillend. In zijn hoogtijdagen profiteerde het Ruhrgebied van de toegang tot steenkool als energiebron en redox-middel voor de ijzerfabrieken, maar voor het Midrex-proces is het sleutelelement de toegang tot goedkoop aardgas. Het is dan ook niet moeilijk voor te stellen dat de grootste directe reductieoven van dit moment in 2016 in gebruik werd genomen in de VS. De capaciteit van de fabriek in Texas is 2 miljoen ton sponsijzer, heet verwerkt tot briketten (Hot Briquetted Iron).
Duurzaam en betrouwbaar
Gezien het belang van de beschikbaarheid van gas in dergelijke installaties, zijn de eisen voor duurzaamheid en bedrijfszekerheid van de blowers dan ook hoog. Voor het transporteren en comprimeren van procesgassen ontwikkelde AERZEN GR- en GQ-draaizuigerblowers. In de maten 12 t/m 21 is het GR-type geschikt voor een aanzuigvolumestroom van 100 tot 50.000 m³/h. Het GQ-type, met afmetingen van 17 t/m 22, dekt het volumebereik tussen 1.500 en 100.000 m³/h. Beide prestatieklassen transporteren het gas op basis van het draaizuigerprincipe.
“Onze machines behoren tot de grootste die beschikbaar zijn op de markt,” legt Pierre Noack uit, Hoofd van de Divisie Procesgas bij AERZEN. Hun grootte, in combinatie met een hoge prestatiedichtheid, biedt het voordeel dat er minder machines geïnstalleerd hoeven te worden om het vereiste gasvolume te verwerken. Zo kunnen Midrex-installaties eenvoudiger worden gespecificeerd en sneller in gebruik worden genomen. Een ander voordeel is de beschikbaarheid. Bij engineering en de evaluatie van de meest geschikte technologie spelen berekeningen van de gemiddelde tijd tussen storingen (MTBF) een steeds belangrijkere rol, vooral voor installaties die continu werken. Als er grotere compressoren worden gebruikt, zijn er minder nodig, wat betekent dat er minder leidingen hoeven te worden aangelegd, minder verbindingen hoeven te worden geïnstalleerd en minder sensor- en actuatortechnologie hoeft te worden geïntegreerd in het algehele besturingssysteem. Dit betekent dat hogere aanschafkosten een ondergeschikte rol spelen. Bij de evaluatie van de technische componenten spelen cijfers wat betreft de MTBF, gemiddelde onderhoudsintervallen (MTTR, Mean Time to Repair) en levenscycluskosten de hoofdrol. “Onze aggregaten hebben nog steeds een langere levensduur,” zegt Noack, en hij spreekt over “zeer tevreden klanten”.
Waterinjectie voor maximaal waseffect
De lange levensduur en operationele betrouwbaarheid van de machines zijn voornamelijk te danken aan het feit dat de olievrije transportblowers zijn ontworpen als robuuste sterk presterende machines. De GR- en GQ-series zijn zeer goed bestand tegen verontreinigingen in gas en tegen ijzerstof. Bovendien kan er water in de aggregaten worden geïnjecteerd. Dit detail heeft een grote invloed, vooral bij het transport van agressieve procesgassen. Met de specifieke injectie van water kunnen zowel het gas als het bloweraggregaat zeer efficiënt worden gekoeld. Een ander voordeel is het reinigende effect van het water. Tijdens bedrijf voorkomt dit dat draaizuigerblowers schade oplopen door de afzetting van zeer viskeuze resten van procesgassen. Het ontwerp van de machine met twee lobben zorgt voor een extra zelfreinigend effect.
Dit is misschien niet belangrijk wanneer puur aardgas in een reformer wordt getransporteerd, maar het is een belangrijk aspect wanneer primaire energiebronnen worden gemengd met andere gassen. Hier staat cokesovengas op de eerste plaats. Het bijproduct van de pyrolyse van steenkool en cokes bevat, afhankelijk van de kwaliteit van de steenkool, ongeveer 55% waterstof, 25% methaan, 10% stikstof en 5% koolmonoxide. Behalve stikstof is het mengsel uitstekend voor het reduceren van ijzererts. Het cokesgas bevat echter ook componenten in kleinere hoeveelheden, zoals teer, waterstofsulfide, ammoniak, benzeen en aromatische verbindingen, zoals naftaleen. In het algemeen is het bij Midrex processen de moeite waard om de vluchtige bestanddelen van steenkool te gebruiken voor directe reductie van ijzererts, aangezien het aandeel steenkool 25% van het oorspronkelijke gewicht bedraagt. Een ton steenkool produceert 280 m³ zuiver gas uit de cokesfabriek en ongeveer 55 kg kleverige steenkoolteer.
Gasbehandeling is niet nodig
Draaizuigerblowers van AERZEN zijn altijd in staat om de aangegeven verontreinigingen feilloos te transporteren. Gebruikers van Midrex installaties hebben dus geen aparte gasbehandeling nodig. Dit zou nodig zijn als er turbocompressoren werden gebruikt in plaats van draaizuigerblowers. Door de hoge rotatiesnelheden tolereert deze technologie echter geen vreemde deeltjes, hoe klein ook, in de gasstroom. Dankzij de andere werkingsprincipes van de draaizuiger werken draaizuigerblowers met aanzienlijk lagere oppervlaktesnelheden. Samenvattend: Het werkingsprincipe van draaizuigerblowers maakt maximale snelheden mogelijk die zeven tot tien keer lager liggen dan de snelheden van turbocompressoren. De waterinjectie leidt dus tot een lage erosie van de draaizuigerblowers, terwijl turbocompressoren niet zijn uitgerust met een continue waterinjectie.
Eenvoudige modernisering met draaizuigerblowers
Om grote industriële bloweroplossingen toe te passen in andere toepassingsgebieden van de productie van ruw ijzer, legt Pierre Noack uit dat “onze machines een breedbandontwerp hebben”. Tijdens bedrijf, wanneer de capaciteiten van de draaizuigermachines niet volledig worden benut, hetzij theoretisch berekend of feitelijk vastgelegd in optimale karakteristieken, werken ze toch vrij efficiënt dankzij de snelheidsregeling van frequentieomvormers. In vergelijking met centrifugaalcompressoren, die een relatief klein regelbereik hebben bij een constante tegendruk, passen draaizuigerblowers zich perfect aan veranderende werkomstandigheden aan. Hun snelheidsvariatie creëert flexibiliteit. Het maakt een verschil dat AERZEN draaizuigerblowers kunnen werken in zeer variabele bedrijfsmodi. Bestaande installaties kunnen dankzij deze machines eenvoudig worden aangepast en gemoderniseerd.