Prema svjetskim izvješćima o metalu, nedavna inovacija tehnologije smanjenja emisije ugljika u industriji čelika uključuje sljedeće aspekte:
1.Smanjiingproizvodnja visoke peći, pomoću starog željeza EAF -a za izradu čelika.
2.Primjena vodika iz zelene električne energije u izravnoj redukciji proizvodnje željeza.
3.Elektrolitička željezna ruda na bazi hidrometalurgije.
4.Elektroliza rastaljenog oksida.
5.Europska proizvodnja čelika s ultra niskim udjelom ugljičnog dioksida(ULCOS)projekt (recikliranje gornjeg plina iz visoke peći), HISarna).
6.Nasingplin za proizvodnju kemijskih proizvoda
7.Primjena troske u cementnoj industriji
1. Uvod
Međunarodna agencija za energiju predlaže plan održivog razvoja (SDS) za postizanje ciljeva Pariškog sporazuma.Kako bi se postigao ovaj plan, Međunarodna agencija za energiju predložila je da industrija čelika mora smanjiti intenzitet emisije ugljičnog dioksida sirovog čelika za 1,9% godišnje od 2017. do 2030. godine.
Intenzitet emisije ugljičnog dioksida sirovog čelika u opadanju je od 2009. godine (međugodišnje smanjenje od 1,8% u 2017.).Međutim, kako bi se smanjila jedinična emisija ugljičnog dioksida čeličnih proizvoda, industrija čelika mora još više raditi i nastaviti provoditi tehnološke inovacije.
U posljednje vrijeme došlo je do nekoliko nedavnih pomaka u smanjenju utjecaja na okoliš industrije čelika.Mnogi takvi projekti, tehnologije ili inovacije spadaju u sljedeće kategorije:
1)Redukcija vodika u željeznoj rudi.
2)Korištenje zelene električne energije.
3)Korištenje biomase.
4)Tehnologija završnog liječenja.
U ovom se članku raspravlja o trenutnim procesima proizvodnje čelika i njihovim problemima s emisijom ugljičnog dioksida. Također se preispituju postojeće i razvijajuće tehnologije s niskim emisijama (LET). Ove tehnologije mogu iz temelja promijeniti čeličnu industriju.
1.1GlavniSteelProcessRizlazi
Postoje tri glavna procesa procesa proizvodnje čelika:
1)Integrirana ruta koristi visoku peć, osnovni pretvarač kisika i koksnu peć (70% BF-BOF metode).
2)Izravna proizvodnja reduciranog željeza (DRI), koja se koristi u proizvodnji čelika za elektrolučne peći (DRI-EAF metoda čini 5%).
3) Proizvodnja čeličnih elektrolučnih peći s otpadnim čelikom (metoda otpadnog EAF-a čini 24%).
1.2RegionalniDrazlike uIron iSteelProdukcijaTehnologija
Prethodnik modernog procesa proizvodnje čelika BF-BOF postoji stotinama godina. Međutim, izrada čelika s elektrolučnim pećima započela je početkom 20. stoljeća. Šezdesetih godina 20. stoljeća, zbog dostupnosti velike količine starog čelika, promicala se i primjenjivala izrada čelika elektrolučnih peći.Ograničenja ranog EAF -a bili su nedostatak električne energije (osobito jeftine električne energije) i opskrba otpadom, a mogli su proizvoditi samo proizvode od čelika niske kvalitete. U posljednjih 50 godina elektrolučne peći neprestano su se poboljšavale, tako da se gotovo 80% čeličnih proizvoda može proizvoditi električnim lučnim pećima. Zemlje s jeftinom električnom energijom i otpadom ili prirodnim plinom za proizvodnju DRI obično proizvode velike količine čelika lučnom peći. U 2018. godini 68% sirovog čelika u Sjedinjenim Državama proizvedeno je postupkom elektrolučnih peći, dok je samo 12% u Kini. U Kini su dovoljna opskrba otpadom i jeftina električna energija još uvijek ograničavajući čimbenici.
2 EmisijaRobrazovanjeStrategija
2.1 PostupakRouteSizbori:TradionalanIintegriranoSizrada čekića, EAFSizrada teel -a,DizravnoRobrazovanjeIron
Prema Japanu' s koeficijentom emisije snage, pražnjenje procesa proizvodnje čelika EAF-a, osobito korištenjem otpadnog materijala kao sirovine, znatno je niže od tradicionalnog procesa BF-BOF.Kako bi se postigla ekološki prihvatljivija proizvodnja čelika, prijelaz iz globalne industrije čelika u procese EAF može značajno smanjiti emisiju ugljičnog dioksida.Ako ruta BF-BOF čini 60 %, a lučna peć 40 % (koristeći 100 % NG-DRI sirovinu), emisija ugljičnog dioksida može se smanjiti za oko 20 % na 1,62 tCO2 / tHRC.
Električna energija s niskim postotkom ugljika i dovoljna opskrba otpadom nužni su uvjeti za proizvodnju čelika EAF-a koji će zamijeniti tradicionalnu proizvodnju čelika BF-BOF. Osim toga, samo kad se DRI/HBI doda u proizvodnju elektrolučnih peći, električna lučna peć može postati postupak prikladan za proizvodnju svih vrsta čelika. Dostupnost i cijena prirodnog plina glavni su faktor koji ograničava proizvodnju DRI/HBI.
U Kini, svijetu' s najvećim proizvođačem čelika, proizvodnja čelika EAF trenutno je ograničena zbog ograničene snage i jeftine DRI i opskrbe otpadom.Zamjena nekih pretvarača lučnim pećima može biti trend u svjetskoj industriji čelika.
2.2 EksplozijaFurnaceIpoboljšanje
Budući da trenutna ruta BF-BOF čini 70% proizvodnje čelika, kratkoročna strategija za smanjenje intenziteta emisije ugljika čelika je postupno mijenjanje i poboljšanje postojećeg puta visoke peći, čime se smanjuje emisija ugljičnog dioksida po toni čelika.Poboljšanja rute BF-BOF uključuju tehnologije koje koriste električnu energiju, poput pregrijavanja vrućeg zraka, gornje recirkulacije plina, poboljšanja procesa peći ili koksanja, ubrizgavanja prirodnog plina u visoku peć kako bi se djelomično nadoknadila potražnja za koksom, te uporabe alternativnih goriva kao što je biomasa.
Korištenje električne tehnologije u visokim pećima može smanjiti emisiju ugljičnog dioksida, pod pretpostavkom da električna energija dolazi iz obnovljivih izvora energije ili zelene nacionalne mreže.Pouzdanost i održivost plazma plamenika značajno su poboljšani od uvođenja u visoke peći 1980 -ih. Električna energija koristi se za stvaranje protoka plazme visoke temperature i velike brzine.
Suho kaljenje je poboljšanje postojeće tehnologije koksiranja, pomoću inertnog plina za povrat topline usijanog koksa.Oporavljena toplina stvara paru u kotlu, koja se koristi u druge svrhe, kao što je proizvodnja energije. Sadržaj vlage koksa za suho gašenje je nizak, čime se štedi količina koksa iz visokih peći.
Mnogi projekti poboljšanja visokih peći usredotočeni su na uporabu biogoriva za zamjenu metalurškog ugljena / koksa.Slično kao i drugi petrokemijski izvori ugljika, biogorivo oslobađa ugljični dioksid u atmosferu, a oslobođeni ugljikov dioksid smatra se ravnotežom ugljičnog dioksida apsorbiranog tijekom rasta biomase.Stoga se biogorište smatra neutralnim za stakleničke plinove (GHG).
Jedan od glavnih problema u korištenju biomase kao zamjene ugljika u visokim pećima je da visoka aktivnost biogoriva dovodi do značajnog smanjenja kvalitete koksa.
2.3 Projekt proizvodnje čelika na bazi vodika
Dugoročno rješenje za smanjenje emisije ugljičnog dioksida iz čelika je promicanje tehnologije zamjene ugljika vodikom kao redukcijskim sredstvom za željezo. Vodik je korišten u reakcijskom procesu za stvaranje vode i izbjegavanje proizvodnje ugljičnog dioksida.
Redukcija vodika ima dva načina:1) Ubrizgavanje vodika u visoku peć može smanjiti potrebnu količinu ugljena / koksa. 2) U proizvodnji čelika EAF -a vodik se može koristiti kao zamjena za NG -DRI za proizvodnju H2 - DRI.
2.4 Tehnologija redukcije rastaljene taljevine
Redukcija rastaljene tvari alternativni je proces proizvodnje željeza na bazi ugljena, koji ovisi o rasplinjavanju ugljena u rastaljenom željezu.Postupak redukcije taljenja uključuje dvije regije: predredukcijsko područje i područje redukcije taljenja.Ugljen ulazi u zonu redukcije taljenja, gdje se ugljen rasplinjuje radi proizvodnje topline i vrućeg plina bogatog ugljičnim monoksidom.Toplina topi željezo u zoni rastaljene taline, a vrući plin se transportira u predredukcijsku zonu.Zatim je vrući plin prethodno reducirao željezov oksid prije nego što je željezov oksid ušao u zonu rastaljene otopine radi konačne redukcije.Tehnologija smanjenja taljenja uklanja proces koksanja i nastoji izbjeći proces aglomeracije željezne rude, značajno smanjujući emisije ugljičnog dioksida.Jedan nedostatak većine procesa redukcije topljenja je da im je potrebna velika količina kisika, a troškovi su visoki.Trenutno se manje od 1 % čelika proizvodi postupkom redukcije taljenja.
HISARNA i FINEX dvije su najčešće tehnologije za smanjenje taljenja.
HISARNA je dio ULCOS projekta čiji je cilj smanjenje emisije CO2 za 50 posto tijekom proizvodnje čelika.Od 2007. godine Tata Steel, Rio Tinto Group i projektna skupina ULCOS razvijaju tehnologiju HISARNA koja može izravno proizvoditi željezo s željeznom rudom i ugljenom bez ikakve prethodne obrade.
U usporedbi s tradicionalnim načinom proizvodnje željeza, emisija ugljičnog dioksida smanjena je za 20 %, a upotreba biomase ili otpada u peći HISARNA može dodatno smanjiti emisiju ugljičnog dioksida za 50 %.
3. Mogućnosti izravnog izbjegavanja ugljika
Trenutno dva projekta u eksperimentalnoj fazi proučavaju nove procesne rute koje imaju potencijal potpuno promijeniti čeličnu industriju i dekarbonizirati čeličnu industriju:mprojekti elektrolize olten -oksida (MOE) i željezne rude.Obje su zelene električne tehnologije.
3.1 Elektroliza rastaljenog oksida
Tvrtka B razvija proces proizvodnje čelika bez ugljika željezne rude.
Ovaj proces je na pilot-razvojnoj razini manjeg opsega.
U procesu MOE koristi se željezna ruda kao sirovina za selektivno smanjenje željeza inertnom anodom i stabilnijim slojem rastopljenog oksida elektrolita.
To je regularno uklonitisčisto željezo iz elektrolitičke ćelije, dodatislegure, a zatim obrađivati i lijevati čelik u skladu s tipičnom nizovodnom opremom za proizvodnju čelika.Kako bi se održala ciljna kemijska svojstva i alkalnost, sastav ganga u željeznoj rudi kombinira se s fluksom i tvori sloj rastaljenog oksida.
3.2 Projekt elektrolize željezne rude
Siderwin proces je novi projekt u europskoj industriji čelika, na čelu s ArcelorMittalom, koji koristi elektrolitičke ćelije za proizvodnju metalnog željeza.
Kad se željezna ruda unese u elektrolizator i struja teče kroz elektrodu, željezo se privlači na katodu, a kisik na anodu.Projekt se financira planom EU Horizon 2020 i trenutno je u pilot fazi. U izgradnji je industrijska baterija od 3 m za ispitivanje različitih izvora željeza kao sirovine, uključujući staro željezo.
Proizvodnja metalnog željeza uključuje tri glavna koraka:
1) Hematit reagira s topljivim željeznim željezom i stvara magnetit: Fe2O3 + HFeO2- → Fe3O4 + OH-
2) Električna sprega između magnetita i željeza: Fe3O4 + Fe + 4OH- → HFeO2- 3) Elektrokristalizacija željeza pod katodnom polarizacijom: 3HFeO2- + 3H2O + 6e- → 3Fe + 9OH-
4 Recikliranje otpadnog plina
Hvatanje, skladištenje i korištenje ugljika također mogu imati ulogu u napretku u proizvodnji čelika s niskim emisijama. Tehnologije hvatanja, skladištenja i uporabe ugljika hvataju ugljični dioksid iz otpadnog plina i ponovno ga koriste kao sirovinu za proizvodnju različitih kemijskih proizvoda kako bi se izbjegla uporaba ugljena ili sirovina prirodnog plina. Ugljični dioksid zarobljen iz otpadnog plina čelika može se koristiti za poboljšanje iskorištavanja nafte u naftnim bušotinama, a također se može pretvoriti u proizvode veće vrijednosti, poput bioetanola, biometanola ili polimera. Ugljični dioksid se također može skladištiti u cementu ili koristiti kao hrana za rast algi. Međutim, za potpuno uklanjanje emisija ugljičnog dioksida iz sadašnje industrije željeza i čelika, potreban je veliki broj cementa ili algi, što će povećati poteškoće ovih tehnologija.
Bioetanol se obično proizvodi fermentacijom šećera iz kvasca u biomasi, poput kukuruza ili šećerne trske. Koristi se kao zamjena za benzin. Bioetanol je izvanredan jer se dobiva iz obnovljivih izvora. U usporedbi s fosilnim gorivima, bioetanol je manje otrovan i proizvodi nešto manje emisije ugljičnog dioksida.
Metanol se može proizvesti plinom iz visoke peći ili plinom iz koksne peći kako bi se smanjila emisija ugljičnog dioksida izbjegavajući uporabu fosilnih goriva. Sintetički plin za sintezu metanola može biti smjesa vodika, ugljičnog dioksida i ugljičnog monoksida. Međutim, spojevi poput N2 moraju se ukloniti iz plina za proizvodnju metanola.
5. Zaključak
Industrija čelika ulaže mnogo novca u razvoj tehnologija za smanjenje ugljičnog otiska. Kratkoročna rješenja, poput postupnog poboljšanja visokih peći ili prijelaza na proizvodnju čelika EAF, mogu pomoći u smanjenju emisije ugljika po jedinici proizvodnje čelika. Međutim, ako se želi značajno smanjiti emisija ugljikovog dioksida, moraju se poboljšati novi alternativni procesi, kao što je upotreba vodika kao redukcijskog sredstva ili tehnologija smanjenja taljenja zelene tvari za dekarbonizaciju industrije željeza i čelika (slika 2). Osim toga, državna potpora zelenoj energiji i postupno ukidanje industrije fosilnih goriva ključni su za napredovanje ovih revolucionarnih tehnologija kao održivih i isplativih alternativa postojećim procesima.