Gasbasiertes DRI: Das Direktreduktionsverfahren
Gasbasiertes DRI nutzt einen Schachtofen sowie aus Erdgas reformiertes H2+CO-Gas. Midrex- und HYL/Energiron-Verfahren, Metallisierungsgrad sowie Vergleich zu kohlebasiertem DRI.
Gasbasiertes DRI ist die Direktreduktion von Eisenerzpellets oder Stückerz in einem Schachtofen unter Verwendung eines Reduktionsgases, das hauptsächlich aus Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO) besteht, welche aus reformiertem Erdgas gewonnen werden, ohne dass das Eisen dabei schmilzt. Das Ergebnis ist das gleiche Produkt wie beim kohlebasierten Verfahren: poröses metallisches Eisen (Eisenschwamm), das als hochwertiger Einsatzstoff für die Stahlherstellung in Lichtbogenöfen dient. Zwei kommerzielle Plattformen dominieren den Markt: das Midrex-Verfahren (Midrex Technologies) und HYL/Energiron (Tenova und Danieli). Zusammen macht gasbasiertes DRI im Schachtofen den Großteil der weltweiten Produktion aus: Allein die Midrex-Anlagen produzierten 2024 76,2 Mio. Tonnen, was 54,1 % der weltweiten DRI-Gesamtproduktion von 140,8 Mio. Tonnen entspricht [1].
Gasbasiertes DRI: Direktreduziertes Eisen, das in einem Gegenstrom-Schachtofen durch die Reaktion von Eisenerz mit einem heißen H2+CO-Reduktionsgas hergestellt wird, welches aus Erdgas oder Wasserstoff reformiert wurde, ohne zu schmelzen. Auch als gasbasierter Eisenschwamm oder Schachtofen-DRI bezeichnet. Siehe Eisenschwamm-Produktionsprozess für den vollständigen Überblick über die verschiedenen Verfahrenswege.
Funktionsweise des Midrex-Verfahrens
Das Midrex-Verfahren reformiert Erdgas mit recyceltem Gichtgas aus dem Schachtofen, um ein heißes Reduktionsgas (ca. 55 % H2 und 36 % CO auf Trockenbasis) zu erzeugen, das bei 850–950 °C in die Mitte des Reduktionsschachtes eingeblasen wird [2][3].
Der Reformer ist ein gasdichter, feuerfest ausgekleideter Ofen, der mit legierten Stahlrohren bestückt ist, die einen Katalysator auf Nickelbasis enthalten. Frisches Erdgas wird mit recyceltem Gichtgas vermischt und durch das Katalysatorbett erhitzt. Die Reformierungsreaktionen lauten:
CH4 + H2O → CO + 3H2 (Dampfreformierung)
CH4 + CO2 → 2CO + 2H2 (Trockenreformierung)
Wobei:
- CH4 = Methan (aus Erdgas)
- H2O = Wasserdampf; CO2 = Kohlendioxid aus recyceltem Gichtgas
- H2/CO-Verhältnis am Ausgang: 1,5–1,8, Austrittstemperatur des Reformers 900–950 °C [3]
Das reformierte Gas tritt durch eine periphere Ringleitung auf mittlerer Schachthöhe in den Schachtofen ein und strömt im Gegenstrom nach oben durch ein absteigendes Schüttgutbett aus Eisenerzpellets oder Stückerz. Eisenoxide werden bei 800–900 °C zu metallischem Eisen reduziert:
Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O (Wasserstoffreduktion)
Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2 (CO-Reduktion)
Der Schachtofen besteht aus drei Zonen (von oben nach unten):
- Obere Reduktionszone: Das Erz wird vorgewärmt und die Reduktion beginnt; das Gichtgas (H2O + CO2 + nicht umgesetztes H2/CO) verlässt den Ofenkopf und wird nach der CO2-Abscheidung zum Reformer zurückgeführt.
- Untere Reduktionszone / Übergangszone: Reduktion bis zur Zielmetallisierung; die Verweilzeit im Schacht beträgt insgesamt 4–8 Stunden.
- Kühlzone (kaltes DRI) oder direkter Heißaustrag (HDRI): Kaltes DRI wird vor dem Austrag mit Inertgas auf unter 50 °C abgekühlt, um eine sichere Handhabung und den Transport zu gewährleisten; HDRI wird bei ca. 650–700 °C direkt in benachbarte Lichtbogenofen-Pfannen ausgetragen, was die Energiekosten für das Wiederaufheizen einspart.
Typische Midrex-Produktspezifikation: Metallisierungsgrad ca. 92 %, Kohlenstoffgehalt 0,5–2,5 % (einstellbar durch Steuerung des CO-Gehalts im Reduktionsgas) [4].
Funktionsweise des HYL / Energiron-Verfahrens
Das HYL/Energiron-Verfahren ist ein Schachtofenverfahren unter Druck, das bei ca. 0,6–0,8 MPa absolut (6–8 bar) arbeitet und in der ZR-Variante (Zero Reformer) ein H2-reiches Reduktionsgas bei ca. 1.080 °C Reduktionstemperatur verwendet [5][6].
Das ursprüngliche HYL-Verfahren wurde in den 1950er Jahren von Hylsa in Mexiko entwickelt. Die moderne Energiron-Plattform (Tenova + Danieli) nutzt in der ZR-Variante eine interne autotherme Reformierung innerhalb des Schachtofens, wodurch der separate externe Reformer entfällt und die Investitionskosten gesenkt werden. Das bei der Reduktionsreaktion entstehende CO2 wird ausgewaschen und recycelt, was eine präzise Steuerung des Kohlenstoffgehalts im Produkt ermöglicht.
Wichtige Eckdaten des Energiron ZR-Designs [5]:
- Metallisierungsgrad: ca. 94 %
- Kohlenstoffgehalt: 3,5 % (steuerbar)
- Thermischer Energieeinsatz: 2,30 Gcal/t DRI (für Heißaustrag)
- Betriebsdruck: 0,6–0,8 MPa
Der erhöhte Druck verdoppelt die Produktivität pro Ofenquerschnittseinheit im Vergleich zum nahezu atmosphärischen Midrex-Betrieb, was den Platzbedarf für eine gegebene Kapazität reduziert. Die interne Reformierung der ZR-Variante bedeutet zudem, dass sie mit grünem Wasserstoff betrieben werden kann, indem der Reformierungsschritt vollständig umgangen wird, was sie zu einer Plattform für die kohlenstoffarme Eisenherstellung macht, sobald die Kosten für erneuerbaren Wasserstoff sinken.
Gasbasiertes vs. kohlebasiertes DRI: Einsatzgebiete
Gasbasiertes DRI erzeugt ein Produkt mit höherem Metallisierungsgrad und geringerem Aschegehalt und stößt pro Tonne weniger CO2 aus als kohlebasierter Eisenschwamm, erfordert jedoch Zugang zu günstigem Erdgas oder Wasserstoff. Kohlebasiertes DRI eignet sich für Regionen mit reichlich nicht-verkokender Kohle und begrenzter Gasversorgung.
| Dimension | Gasbasiert (Schachtofen) | Kohlebasiert (Drehrohrofen) |
|---|---|---|
| Reduktionsmittel | Reformierungsgas (H2+CO aus Erdgas oder H2) | Nicht-verkokende Kohle |
| Reaktortyp | Gegenstrom-Schachtofen | Geneigter Drehrohrofen |
| Typische Metallisierung | 92–94 % | 88–92 % |
| Typischer Kohlenstoffgehalt | 0,5–3,5 % (steuerbar) | 0,1–0,3 % |
| CO2 pro Tonne DRI | Niedriger (~1,0–1,5 t CO2/t DRI, Gasroute) | Höher (~3,0 t CO2/t DRI, Kohleroute) |
| Kapazität pro Einheit | 0,5–2,5 Mio. t/Jahr pro Modul | 50–500 t/Tag pro Ofen |
| Dominante Regionen | Naher Osten, Nordafrika, Russland, Mexiko | Indien (~80 % des indischen DRI) [7] |
| Dekarbonisierungspfad | H2-ready (MIDREX H2, Energiron ZR-H2) | Begrenzt; grüner Strom für Kohleversorgung nur Teillösung |
Quellen: Midrex 2024 [1]; IspatGuru [2][5]; TERI 2021 [7]; IEA Steel Breakthrough Agenda 2025 [8].
Indien ist der weltweit größte DRI-Produzent (54,7 Mio. Tonnen im Jahr 2024 [1]), stützt sich jedoch überwiegend auf kohlebasierte Drehrohröfen. Der Iran ist mit 34,7 Mio. Tonnen im Jahr 2024 der führende Produzent von gasbasiertem DRI, was durch die heimischen Erdgasreserven ermöglicht wird [1]. Für einen detaillierten Vergleich beider Verfahrenswege hinsichtlich Energie, Qualität und Wirtschaftlichkeit siehe kohlebasiertes vs. gasbasiertes DRI.
Wichtige Prozessparameter
| Prozess | Parameter | Midrex (NG) | Energiron ZR |
|---|---|---|---|
| Reduktionstemperatur | °C | 800–900 | ~1.080 |
| Betriebsdruck | MPa abs | ~0,12 (nahe Atm.) | 0,6–0,8 |
| H2-Anteil im Reduktionsgas (trocken) | % | ~55 | Höher (ZR-H2: ~100) |
| Metallisierung | % | ~92 | ~94 |
| Kohlenstoffgehalt | % | 0,5–2,5 | ~3,5 (typisch) |
| Energieeinsatz (HDRI) | GJ/t DRI | ~10–11 [2] | ~9,6 [5] |
| Produktion 2024 | Mio. t | 76,2 [1] | Nicht separat ausgewiesen |
Common questions about this topic
Das Midrex-Verfahren reformiert Erdgas zu einem heißen H2+CO-Reduktionsgas, leitet dieses im Gegenstrom durch einen mit Eisenerzpellets beschickten Schachtofen und entnimmt direktreduziertes Eisen (DRI) mit einem Metallisierungsgrad von etwa 92 %, ohne das Eisen aufzuschmelzen [2][3]. Das Gichtgas aus dem Ofen wird in den Reformer zurückgeführt, was das Verfahren energieeffizient macht. Midrex-Anlagen produzierten im Jahr 2024 76,2 Mio. Tonnen, was den größten technologiebezogenen Anteil an der weltweiten DRI-Produktion darstellt [1]. Für den breiteren Kontext, in dem DRI in der Stahlherstellung steht, siehe Produktionsprozess von Eisenschwamm.
Die gasbasierte DRI-Produktion nutzt einen Schachtofen und ein aus Erdgas reformiertes H2+CO-Reduktionsgas; die kohlebasierte Eisenschwammproduktion verwendet einen geneigten Drehrohrofen und nicht verkokbare Kohle. Das gasbasierte Verfahren erzielt einen höheren Metallisierungsgrad (92–94 % gegenüber 88–92 %), einen geringeren Aschegehalt und niedrigere CO2-Emissionen pro Tonne, erfordert jedoch eine kostengünstige Versorgung mit Erdgas oder Wasserstoff. Das kohlebasierte Verfahren dominiert in Indien aufgrund des reichlich vorhandenen Vorkommens an heimischer, nicht verkokbarer Kohle, während das gasbasierte Verfahren im Nahen Osten vorherrscht, wo Gas kostengünstig verfügbar ist. Die Seite zur metallurgischen Industrie behandelt beide Verfahren im Kontext der Ofenabdichtungslösungen von Oswal für DRI-Anlagen.
Ja. Sowohl MIDREX H2 als auch die Energiron ZR-H2-Variante können mit grünem Wasserstoff betrieben werden, wodurch der Erdgasspaltreaktor vollständig ersetzt wird. Bei einem Betrieb mit 100 % H2 besteht das Reduktionsgas aus reinem Wasserstoff und das einzige Nebenprodukt ist Wasserdampf – dies stellt das kohlenstoffärmste, kommerziell im industriellen Maßstab nachgewiesene Verfahren zur Eisenherstellung dar. Die „Steel Breakthrough Agenda 2025“ der IEA identifiziert H2-DRI in Verbindung mit Lichtbogenöfen als primären Dekarbonisierungspfad für die Primärstahlproduktion [8].
Sources
- Midrex Technologies, *World DRI Production Reaches 140.8 Mt in 2024*, 2025. Global total; Midrex share; India and Iran figures
- IspatGuru, *Midrex Process for Direct Reduction of Iron Ore*, 2022. Reducing gas composition; reformer temperature; shaft furnace zones
- Maxton Engineering, *MIDREX Shaft Furnace Processes for DRI Making*, 2023. H2/CO ratio 1.5-1.8; reformer 900-950°C; reducing gas injection temperature
- ScienceDirect Topics, *Midrex Process*, Elsevier. Metallization ~92%; carbon content 0.5-2.5%
- IspatGuru, *Energiron Direct Reduction Technology*, 2022. Energiron ZR process; pressure 6-8 bar; metallization 94%; 3.5% carbon; 2.30 Gcal/t HDRI
- IspatGuru, *HYL Process for Direct Reduction of Iron Ore*, 2022. HYL history and process variants
- The Energy and Resources Institute (TERI), *Energy-Efficient Technology Options for Direct Reduction of Iron Process*, 2021. India coal-based share; 285 plants
- International Energy Agency (IEA), *Steel Breakthrough Agenda Report 2025*. H2-DRI as primary decarbonisation pathway
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