Thermodynamische berekening van de opbrengst van metallisch Fe en CO2‑emissies in een gasgestuurd schachtoven directreductieproces

Afvalgas omzetten in nuttig metaal

Staal draagt de moderne samenleving, maar de productie ervan stoot enorme hoeveelheden kooldioxide uit. In China, waar meer dan de helft van het wereldwijde staal wordt geproduceerd, is emissiereductie essentieel voor klimaatdoelstellingen. Deze studie onderzoekt hoe een onderbenut bijproduct uit cokesovens, kokendovengas genoemd, zowel als brandstof en als chemisch reductor kan worden ingezet om ijzer efficiënter te maken in een type reactor dat bekendstaat als een schachtoven, terwijl de koolstofuitstoot wordt verlaagd.

Waarom de schoorstenen van de staalindustrie ertoe doen

Staalproductie berust doorgaans op kolen in hoge hoogovens, die gepaard gaan met grote CO2‑uitstoot. Tegelijkertijd stoten cokesovens, die kolen voor de staalproductie verwerken, grote hoeveelheden gas uit dat rijk is aan waterstof en methaan. Veel van dit gas wordt afgefakkeld of verspild. Omdat het per energiewaarde een vergelijkbare klimaateffectiviteit heeft als aardgas, kan slimmer gebruik van dit bijproduct helpen fossiele brandstoffen te vervangen die mijnbouw of import vereisen. De vraag die de auteurs behandelen is hoe ver kokendovengas kan reiken bij het exploiteren van gasgestuurde schachtovens die ijzererts omzetten in vast ijzer, en wat dat zou betekenen voor CO2‑emissies.

Een virtuele ijzerfabriek bouwen

In plaats van dure proefinstallaties te bouwen, ontwikkelden de onderzoekers een gedetailleerd thermodynamisch model, een soort virtuele fabriek gebaseerd op de wetten van energie- en materiaalsbehoud. Ze volgden het kokendovengas terwijl het eerst wordt verwarmd en gereformeerd in een aparte oven om een waterstofrijk mengsel te verkrijgen, en vervolgens de schachtoven in wordt gestuurd waar het zuurstof uit ijzerertsgrit verwijdert. Het model houdt bij hoeveel metallisch ijzer wordt geproduceerd, hoeveel gas wordt verbruikt voor chemische reacties en voor verwarming, en hoeveel CO2 met de uitlaatgasstroom vertrekt. Door sleutelparameters te variëren — zoals het ijzergehalte van het erts, het aandeel ijzer dat volledig tot metaal is omgezet, en de temperatuur waarbij metallisch ijzer vormt — konden ze zien hoe elke keuze zowel opbrengst als emissies beïnvloedt.

Kwaliteit van erts belangrijker dan fijnregeling

Een duidelijk resultaat is dat het ijzergehalte van het erts de belangrijkste hefboom is. Wanneer het ijzergehalte stijgt van relatief arm erts van 45 procent naar rijker erts van 70 procent, neemt de massa metallisch ijzer die per vaste hoeveelheid kokendovengas wordt geproduceerd met meer dan 60 procent toe. Tegelijkertijd daalt de CO2‑uitstoot per ton metaal sterk, van ongeveer 1,2 ton tot ongeveer 0,74 ton. Dit komt doordat rijker erts minder niet‑metaalhoudend materiaal bevat dat moet worden verwarmd maar nooit in ijzer verandert. Minder nutteloze steen in het mengsel betekent dat er minder gas puur voor verwarming wordt verbrand en dat meer van het gas kan worden aangewend voor de daadwerkelijke reductie van ijzeroxide tot metaal.

Fijnregeling van de ovencondities

Het team onderzocht ook twee bedrijfsvariabelen in de schachtoven: hoe volledig het erts in metaal wordt omgezet (metallisatieniveau), en de temperatuur waarbij de laatste reductiestap plaatsvindt. Het verhogen van de metallisatiegraad neigt ertoe zowel de ijzeropbrengst als de CO2‑uitstoot per ton vast product te verhogen, maar het verlaagt de emissies per ton zuiver metaal omdat dezelfde hoeveelheid gas meer bruikbaar ijzer oplevert. Het iets verhogen van de temperatuur waarbij metallisch ijzer vormt, vermindert de metaalopbrengst en verhoogt de emissies, aangezien hogere temperaturen extra gas voor verwarming vereisen. Over het geheel genomen spelen deze factoren een rol, maar veel minder dan het simpelweg starten met erts van hogere kwaliteit.

Gerecyclede hete gassen om verspilling te verminderen

Het model toont aan dat de warmtobalans, niet alleen de chemische reacties, grotendeels bepaalt hoeveel gas het systeem nodig heeft. Wanneer de hete uitlaatgassen van de bovenkant van de schachtoven in de verwarmingsoven worden verbrand, is slechts ongeveer één vijfde van dat gezuiverde gas nodig om aan de verwarmingsvraag te voldoen. De overige vier vijfde kan in principe van CO2 worden ontdaan en als vers reductiegas terug in het systeem worden gestuurd. In een praktisch voorbeeld, met een cokesoven die gas produceert uit 1,2 miljoen ton coke per jaar, zou het beschikbare gas de productie van ongeveer 4,9 miljoen ton metallisch ijzer per jaar in een schachtoven kunnen ondersteunen, terwijl de jaarlijkse CO2‑uitstoot wordt bepaald door de hoeveelheid geproduceerd gas en tegelijk de emissies per ton ijzer dalen.

Wat dit betekent voor schoner staal

Voor lezers die geïnteresseerd zijn in klimaatvriendelijke industrie is de conclusie dat zorgvuldig gebruik van bestaand bijproductgas en betere ertskwaliteit een merkbare vermindering van de koolstofvoetafdruk van ijzerproductie kunnen opleveren. De studie belooft geen nul‑emissies, maar brengt de thermodynamische grenzen in kaart van wat schachtovens op basis van kokendovengas kunnen bereiken. Door prioriteit te geven aan erts met hoog ijzergehalte, het grootste deel van de hete uitlaatgassen te recyclen en onnodig oververhitten te vermijden, kunnen staalproducenten meer metaal uit dezelfde brandstof halen en tegelijkertijd minder CO2 de lucht in sturen.

Bronvermelding: Jiang, X., Deng, X., Fan, X. et al. Thermodynamic calculation of metallic Fe yield and CO₂ emissions in gas-based shaft furnace direct reduction process. Sci Rep 16, 15263 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45162-4

Trefwoorden: kokendovengas, schachtoven, direct gereduceerd ijzer, decarbonisatie van staal, thermodynamische modellering