Erklärung der kohlebasierten Eisenschwammherstellung

Die kohlebasierte Eisenschwammproduktion ist die Direktreduktion von Eisenerz unter Verwendung von nicht-verkokbarer Kohle als Reduktionsmittel und Brennstoff in einem Drehrohrofen, die im Festzustand bei 1.000–1.100 °C ohne Schmelzvorgang durchgeführt wird. Das Produkt, Eisenschwamm oder direktreduziertes Eisen (DRI), ist der wichtigste Einsatzstoff für die Stahlherstellung im indischen Elektrolichtbogenofen-Sektor. Im Geschäftsjahr 2024 produzierte Indien 54,7 Millionen Tonnen DRI – das weltweit größte nationale Produktionsvolumen –, wobei kohlebasierte Drehrohröfen etwa 80 % dieser Gesamtmenge ausmachten [1][2].

Direktreduziertes Eisen (DRI) / Eisenschwamm: Metallisches Eisen, das durch Entzug von Sauerstoff aus Eisenerz im Festzustand unterhalb des Schmelzpunktes von Eisen hergestellt wird. Die poröse, wabenartige Struktur, die nach dem Sauerstoffentzug zurückbleibt, verleiht dem Produkt seinen umgangssprachlichen Namen. Siehe den Prozess der Eisenschwammherstellung für einen vollständigen Vergleich der Verfahrenswege.

Was ist kohlebasierter Eisenschwamm und wie unterscheidet er sich von gasbasiertem DRI?

Kohlebasiertes DRI verwendet einen Drehrohrofen und nicht-verkokbare Kohle; gasbasiertes DRI nutzt einen Schachtofen und reformiertes Erdgas (H2+CO). Beide Verfahren liefern dasselbe Endprodukt – metallisches Eisen mit einem Metallisierungsgrad von 88–94 % –, jedoch unterscheiden sich die Anlagen, die Einsatzstoffe und die Betriebsbedingungen erheblich. Das kohlebasierte Verfahren ist in Indien vorherrschend, da das Land über reiche Vorkommen an nicht-verkokbarer Kohle verfügt und historisch gesehen nur über begrenzte inländische Erdgasreserven verfügt. Das gasbasierte Verfahren dominiert im Nahen Osten und in Nordafrika. In Indien gibt es 285 DRI-Anlagen, von denen die Mehrheit kohlebasierte Drehrohröfen betreibt [3].

Einsatzstoffe und ihre Funktionen

Die drei Einsatzstoffe sind Eisenerz (Stückerz oder Pellets), nicht-verkokbare Kohle (Reduktionsmittel und Wärmequelle) und Dolomit (Schwefelabsorber und Flussmittel).

Quelle: TERI Energy-Efficient Technology Options for DRI, 2021 [3]; IspatGuru coal-based DRI overview [4].

Nicht-verkokbare Kohle ist der entscheidende Input. Die Hochofenroute erfordert Kokskohle, die von den meisten indischen Stahlherstellern teuer importiert werden muss. Nicht-verkokbare Kohle, die im Inland zu geringeren Kosten verfügbar ist, macht kohlebasiertes DRI für indische Produzenten wirtschaftlich rentabel. Dolomit wird mit etwa 5–8 % des Eisenerzgewichts zugesetzt; seine Hauptfunktion ist die Schwefelbindung, er verschiebt jedoch auch den Schmelzpunkt der Kohleasche nach oben, was das Risiko von Anbackungen verringert.

Der Drehrohrofen: Zonen und Temperaturprofil

Der Drehrohrofen ist in drei Funktionszonen unterteilt: eine Vorwärmzone (Umgebungstemperatur bis ca. 800 °C), eine Reduktionszone (800–1.050 °C) und eine Übergangs-/Austragszone, in der die Spitzentemperaturen 1.000–1.100 °C erreichen.

Quelle: IspatGuru [4]; TERI report [3].

Ofengeometrie für eine typische indische Anlage: 40–80 m Länge, 3–5 m Durchmesser, geneigt um 2–3 Grad, rotierend mit 0,3–1,0 U/min [3][4]. Das Aufgabegut tritt am erhöhten Ende (Einlass) ein; das DRI wird am unteren Ende (Auslass) ausgetragen. Die Verweilzeit beträgt 6–10 Stunden bei Öfen im Kapazitätsbereich von 100–500 Tagestonnen (TPD) [3].

Die chemische Schlüsselreaktion ist die Boudouard-Reaktion und die indirekte Reduktion:

Fe2O3 + 3CO  →  2Fe + 3CO2    (indirekte Reduktion, dominant)
CO2 + C      →  2CO            (Boudouard-Gleichgewicht, regeneriert Reduktionsmittel)

Wobei:

• Fe2O3 = Eisenoxid (Hämatit, wichtigstes Eisenerzmineral)
• CO = Kohlenmonoxid (Reduktionsmittel, aus Kohle erzeugt)
• C = fester Kohlenstoff in nicht-verkokbarer Kohle
• Die Boudouard-Reaktion ist endotherm und wird oberhalb von ~700 °C begünstigt

Die kontrollierte Lufteinblasung durch am Ofenmantel montierte Luftrohre steuert das CO/CO2-Verhältnis und hält die Temperatur in der Reduktionszone aufrecht. Die Lufteinblasrate ist die primäre Prozesssteuerungsvariable in einem kohlebasierten Ofen.

Warum die Ofenabdichtung bei der DRI-Produktion entscheidend ist

Der kohlebasierte DRI-Prozess hängt von einer kontrollierten reduzierenden Atmosphäre im Ofen ab: Jeder Eintritt von Umgebungsluft wandelt CO und H2 zurück in CO2 und H2O um, wodurch bereits reduziertes Eisen wieder zu Eisenoxiden oxidiert wird.

Bei Zementöfen ist der Falschlufteintritt primär ein Nachteil für den Brennstoffverbrauch und die Ventilatorleistung. Bei DRI-Öfen schädigt Falschluft direkt die Produktqualität: Die Reoxidation von metallischem Eisen senkt den Metallisierungsgrad (Ziel: über 88–92 %) und erhöht den FeO-Gehalt im fertigen Eisenschwamm. Ein niedrigerer Metallisierungsgrad führt zu einem minderwertigeren Produkt, das einen niedrigeren Marktpreis erzielt, zusätzlich zum Energieverlust.

Die beiden primären Dichtungsschnittstellen sind der Ofeneinlass (Aufgabeseite) und der Ofenauslass (Austragsseite). Beide sind Übergänge von rotierenden zu stationären Teilen, die in einer heißen, staubigen Umgebung mit reduzierender Atmosphäre arbeiten – genau die Bedingungen, für die das Duplex-Ofendichtungssystem von Oswal entwickelt wurde. Für den vollständigen technischen Hintergrund zu den Dichtungsanforderungen von DRI-Anlagen siehe Ofenabdichtung in DRI-Anlagen.

Anbackungen (Accretion): die entscheidende betriebliche Herausforderung

Anbackungen sind Ablagerungen von halbgeschmolzenem Material an der feuerfesten Ausmauerung des Ofens; sie stellen die störendste betriebliche Herausforderung in kohlebasierten DRI-Öfen dar [5][6].

Anbackungen entstehen, wenn niedrigschmelzende komplexe Verbindungen aus Kohleasche, Eisenerz-Gangart und Dolomit unter reduzierenden Bedingungen bei Betriebstemperatur schmelzen und an der feuerfesten Wand haften bleiben. Zu den beitragenden Faktoren gehören eine zu hohe Temperatur in der Reduktionszone, ein hoher Aschegehalt in der Kohle, ein hoher Feinanteil im Erzaufgabegut und ein niedriges Kohlenstoff-Eisen-Verhältnis am Austragsende. Wenn Anbackungen zunehmen, verengt sich der Ofenquerschnitt, die Kapazität sinkt und – wenn sie nicht kontrolliert werden – muss der Ofen zur manuellen Entfernung abgeschaltet werden.

Tata Sponge Iron Limited (Odisha, Indien) veröffentlichte eine begutachtete Fallstudie zur Kontrolle von Anbackungen in ihrem kohlebasierten DRI-Werk. Sie zeigte, dass eine Kombination aus strengerem Temperaturmanagement, verbesserter Spezifikation der Kohlequalität und optimierter Taktung der Luftrohre die Häufigkeit von Anbackungen reduzierte und die Ofenverfügbarkeit verbesserte [6].

Kontrollmaßnahmen in der Praxis:

• Aufrechterhaltung der Spitzentemperatur in der Reduktionszone unterhalb der Ascheschmelztemperatur der verwendeten Kohle
• Spezifikation von Kohle mit einer Ascheschmelztemperatur von möglichst über 1.250 °C
• Aufrechterhaltung einer angemessenen Dolomitdosierung, um die effektive Schmelztemperatur der Asche-Gangart-Mischung zu erhöhen
• Anpassung der Luftrohr-Einblasung zur Vermeidung lokaler Hotspots

Wichtige Betriebsparameter auf einen Blick