DRI a base di gas: il processo di riduzione diretta
Il DRI a base di gas utilizza un forno a tino e gas H2+CO riformato da gas naturale. Processi Midrex e HYL/Energiron, metallizzazione e confronto con il DRI a base di carbone.
Il DRI a base gas è la riduzione diretta di pellet di minerale di ferro o minerale in pezzi all'interno di un forno a tino utilizzando un gas riducente composto principalmente da idrogeno (H2) e monossido di carbonio (CO) derivato da gas naturale riformato, senza alcuna fusione del ferro. Il risultato è lo stesso prodotto della via a carbone: ferro metallico poroso (spugna di ferro) utilizzato come carica di alta qualità per la produzione di acciaio in forni ad arco elettrico. Due piattaforme commerciali dominano il mercato: il processo Midrex (Midrex Technologies) e HYL/Energiron (Tenova e Danieli). Complessivamente, il DRI a base gas prodotto in forno a tino rappresenta la maggior parte della produzione globale: i soli impianti Midrex hanno prodotto 76,2 Mt nel 2024, pari al 54,1% della produzione mondiale totale di DRI di 140,8 Mt [1].
DRI a base gas: ferro preridotto prodotto in un forno a tino in controcorrente facendo reagire il minerale di ferro con un gas riducente caldo H2+CO, riformato da gas naturale o idrogeno, senza fusione. Chiamato anche spugna di ferro a base gas o DRI da forno a tino. Vedere processo di produzione della spugna di ferro per una panoramica completa dei vari percorsi.
Come funziona il processo Midrex
Il processo Midrex riforma il gas naturale con il gas di testa riciclato proveniente dal forno a tino per produrre un gas riducente caldo (circa il 55% di H2 e il 36% di CO su base secca) che viene iniettato nella parte centrale del tino di riduzione a 850-950°C [2][3].
Il riformatore è un forno a tenuta di gas, rivestito di materiale refrattario, contenente tubi in acciaio legato riempiti con catalizzatore a base di nichel. Il gas naturale fresco viene miscelato con il gas di testa del tino riciclato e riscaldato attraverso il letto catalitico. Le reazioni di reforming sono:
CH4 + H2O → CO + 3H2 (steam reforming)
CH4 + CO2 → 2CO + 2H2 (dry reforming)
Dove:
- CH4 = metano (dal gas naturale)
- H2O = vapore; CO2 = anidride carbonica dal gas di testa riciclato
- Rapporto H2/CO in uscita: 1,5-1,8, temperatura di uscita dal riformatore 900-950°C [3]
Il gas riformato entra nel forno a tino attraverso una condotta anulare periferica a metà altezza del tino e fluisce in controcorrente verso l'alto attraverso un letto mobile discendente di pellet di minerale di ferro o minerale in pezzi. Gli ossidi di ferro vengono ridotti a ferro metallico tra 800-900°C:
Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O (riduzione con idrogeno)
Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2 (riduzione con CO)
Il forno a tino presenta tre sezioni (dall'alto verso il basso):
- Zona di riduzione superiore: il minerale viene preriscaldato e inizia la riduzione; il gas di testa (H2O + CO2 + H2/CO non reagito) esce dalla sommità del forno e viene riciclato al riformatore dopo la rimozione della CO2.
- Zona di riduzione inferiore / zona di transizione: riduzione fino alla metallizzazione target; tempo di residenza totale nel tino di 4-8 ore.
- Zona di raffreddamento (DRI freddo) o scarico diretto a caldo (HDRI): il DRI freddo viene raffreddato con gas inerte prima dello scarico a una temperatura inferiore a 50°C per una movimentazione e un trasporto sicuri; l'HDRI viene scaricato a circa 650-700°C direttamente nelle siviere del forno ad arco elettrico (EAF) adiacente, risparmiando il costo energetico del riscaldo.
Specifiche tipiche del prodotto Midrex: metallizzazione circa 92%, contenuto di carbonio 0,5-2,5% (regolabile controllando il contenuto di CO nel gas riducente) [4].
Come funziona il processo HYL / Energiron
Il processo HYL/Energiron è una via basata su forno a tino pressurizzato che opera a circa 0,6-0,8 MPa assoluti (6-8 bar) e utilizza un gas riducente ricco di H2 a una temperatura di riduzione di circa 1.080°C nella sua variante ZR (Zero Reformer) [5][6].
Il processo HYL originale è stato sviluppato da Hylsa in Messico negli anni '50. La moderna piattaforma Energiron (Tenova + Danieli) utilizza il reforming autotermico interno all'interno del forno a tino nella variante ZR, eliminando il riformatore esterno separato e riducendo i costi di capitale. La CO2 derivante dalla reazione di riduzione viene lavata e riciclata, consentendo uno stretto controllo del contenuto di carbonio nel prodotto.
Caso di progettazione chiave Energiron ZR [5]:
- Metallizzazione: circa 94%
- Contenuto di carbonio: 3,5% (controllabile)
- Input di energia termica: 2,30 Gcal/t DRI (per scarico DRI a caldo)
- Pressione operativa: 0,6-0,8 MPa
La pressione elevata raddoppia approssimativamente la produttività per unità di sezione trasversale del forno rispetto al funzionamento quasi atmosferico del Midrex, riducendo l'ingombro per una data capacità. Il reforming interno della variante ZR significa anche che può operare con idrogeno verde bypassando completamente la fase di reforming, rendendola una piattaforma per la produzione di ferro a basse emissioni di carbonio man mano che i costi dell'idrogeno rinnovabile diminuiscono.
DRI a base gas vs DRI a base carbone: dove si colloca ciascuna via
Il DRI a base gas produce un prodotto a maggiore metallizzazione e minore contenuto di ceneri ed emette meno CO2 per tonnellata rispetto alla spugna di ferro a base carbone, ma richiede l'accesso a gas naturale o idrogeno a basso costo. Il processo a base carbone è adatto alle regioni con abbondante carbone non cokizzabile e limitata disponibilità di gas.
| Dimensione | A base gas (forno a tino) | A base carbone (forno rotante) |
|---|---|---|
| Agente riducente | Gas di reforming (H2+CO da gas naturale o H2) | Carbone non cokizzabile |
| Tipo di reattore | Forno a tino in controcorrente | Forno rotante inclinato |
| Metallizzazione tipica | 92-94% | 88-92% |
| Contenuto di carbonio tipico | 0,5-3,5% (controllabile) | 0,1-0,3% |
| CO2 per tonnellata di DRI | Minore (~1,0-1,5 t CO2/t DRI, via gas) | Maggiore (~3,0 t CO2/t DRI, via carbone) |
| Scala per unità | 0,5-2,5 Mt/anno per modulo | 50-500 TPD per forno |
| Geografia dominante | Medio Oriente, Nord Africa, Russia, Messico | India (~80% del DRI indiano) [7] |
| Percorso di decarbonizzazione | H2-ready (MIDREX H2, Energiron ZR-H2) | Limitato; l'elettricità verde per l'alimentazione del carbone è solo una soluzione parziale |
Fonti: Midrex 2024 [1]; IspatGuru [2][5]; TERI 2021 [7]; IEA Steel Breakthrough Agenda 2025 [8].
L'India è il maggiore produttore mondiale di DRI (54,7 Mt nel 2024 [1]) ma si affida prevalentemente a forni a carbone. L'Iran è il principale produttore di DRI a base gas con 34,7 Mt nel 2024, grazie alle riserve nazionali di gas naturale [1]. Per un confronto dettagliato di entrambi i percorsi su energia, qualità ed economia, vedere DRI a base carbone vs a base gas.
Parametri di processo chiave
| Processo | Parametro | Midrex (NG) | Energiron ZR |
|---|---|---|---|
| Temperatura di riduzione | °C | 800-900 | ~1.080 |
| Pressione operativa | MPa abs | ~0,12 (quasi atm.) | 0,6-0,8 |
| Frazione di H2 nel gas riducente (secco) | % | ~55 | Maggiore (ZR-H2: ~100) |
| Metallizzazione | % | ~92 | ~94 |
| Contenuto di carbonio | % | 0,5-2,5 | ~3,5 (tipico) |
| Input energetico (HDRI) | GJ/t DRI | ~10-11 [2] | ~9,6 [5] |
| Produzione 2024 | Mt | 76,2 [1] | Non riportato separatamente |
Common questions about this topic
Il processo Midrex riforma il gas naturale in un gas riducente caldo composto da H2+CO, lo inietta in controcorrente attraverso un forno a tino riempito di pellet di minerale di ferro ed estrae DRI con una metallizzazione di circa il 92% senza fondere il ferro [2][3]. Il gas di testa proveniente dal forno viene riciclato verso il riformatore, rendendo il processo efficiente dal punto di vista energetico. Nel 2024 gli impianti Midrex hanno prodotto 76,2 Mt, rappresentando la quota di produzione globale di DRI più elevata per singola tecnologia [1]. Per un contesto più ampio sulla collocazione del DRI nella produzione siderurgica, consultare processo di produzione del ferro spugnoso.
Il DRI a base di gas utilizza un forno a tino e un gas riducente composto da H2+CO riformato da gas naturale; la produzione di ferro spugnoso a base di carbone utilizza un forno rotante inclinato e carbone non cokificabile. Il processo a base di gas raggiunge un grado di metallizzazione superiore (92-94% contro 88-92%), un minor contenuto di ceneri e minori emissioni di CO2 per tonnellata, ma richiede una fornitura di gas naturale o idrogeno a costi competitivi. Il processo a base di carbone è predominante in India grazie all'abbondanza di carbone non cokificabile nazionale; quello a base di gas domina in Medio Oriente, dove il gas è economico. La pagina sull'industria metallurgica tratta entrambi i processi nel contesto delle applicazioni di tenuta per forni di Oswal negli impianti DRI.
Sì. Sia il MIDREX H2 che la variante Energiron ZR-H2 possono operare con idrogeno verde, sostituendo integralmente il riformatore di gas naturale. Quando alimentato al 100% con H2, il gas riducente è idrogeno puro e l'unico sottoprodotto è il vapore acqueo: si tratta del processo di produzione del ferro a minor intensità di carbonio dimostrato commercialmente su scala industriale. La Steel Breakthrough Agenda 2025 dell'IEA identifica l'H2-DRI accoppiato ai forni ad arco elettrico come il principale percorso di decarbonizzazione per la produzione primaria di acciaio [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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