Secondo i rapporti mondiali sui metalli, la recente innovazione tecnologica per la riduzione delle emissioni di carbonio dell'industria siderurgica include i seguenti aspetti:
1.Riducinsproduzione in altoforno, utilizzando rottami o ferro a riduzione diretta EAF produzione siderurgica.
2.Applicazione dell'idrogeno da elettricità verde nella produzione di ferro a riduzione diretta.
3.Minerale di ferro elettrolitico a base di idrometallurgia.
4.Elettrolisi ad ossido fuso.
5.Produzione di acciaio europea a bassissima anidride carbonica(ULCO)progetto (riciclo gas top altoforno, HI Sarna).
6.Noinsgas per produrre prodotti chimici
7.Applicazione delle scorie nell'industria del cemento
1. Introduzione
L'Agenzia Internazionale per l'Energia propone un piano di sviluppo sostenibile (SDS) per raggiungere gli obiettivi dell'Accordo di Parigi.Per realizzare questo piano, l'Agenzia internazionale dell'energia ha proposto che l'industria siderurgica riduca l'intensità delle emissioni di anidride carbonica dell'acciaio grezzo dell'1,9% all'anno dal 2017 al 2030.
L'intensità delle emissioni di anidride carbonica dell'acciaio grezzo ha registrato una tendenza al ribasso dal 2009 (un calo su base annua dell'1,8% nel 2017).Tuttavia, per ridurre le emissioni unitarie di anidride carbonica dei prodotti siderurgici, l'industria siderurgica deve ancora lavorare di più e continuare a portare avanti l'innovazione tecnologica.
Di recente, ci sono stati diversi sviluppi recenti nella riduzione dell'impronta ambientale dell'industria siderurgica.Molti di questi progetti, tecnologie o innovazioni rientrano nelle seguenti categorie:
1)Riduzione dell'idrogeno del minerale di ferro.
2)Utilizzo di elettricità verde.
3)Utilizzo della biomassa.
4)Tecnologia di trattamento finale.
Questo articolo discute gli attuali percorsi del processo di produzione dell'acciaio e le relative emissioni di anidride carbonica. Esamina anche le tecnologie a basse emissioni (LET) esistenti e in via di sviluppo. Queste tecnologie possono cambiare radicalmente l'industria siderurgica.
1.1PrincipaleSteelProcessRfuori
Esistono tre principali percorsi di processo per la produzione di acciaio:
1)Il percorso integrato adotta altoforno, convertitore di ossigeno basico e cokeria (70% del metodo BF-BOF).
2)Produzione diretta di ferro ridotto (DRI), utilizzato nella produzione di acciaio con forno ad arco elettrico (il metodo DRI-EAF rappresenta il 5%).
3) Produzione di acciaio con forno elettrico ad arco con rottami di acciaio (il metodo Scrap-EAF rappresenta il 24%).
1.2RegionaleDiferenze inIron eSteelPproduzioneTecnologia
Il predecessore del moderno processo di produzione dell'acciaio BF-BOF esiste da centinaia di anni. Tuttavia, la produzione di acciaio con forno ad arco elettrico è iniziata all'inizio del XX secolo. Negli anni '60, a causa della disponibilità di una grande quantità di rottami di acciaio, fu promossa e applicata la produzione di acciaio con forno elettrico ad arco.I limiti dei primi EAF erano la mancanza di elettricità (soprattutto elettricità a basso costo) e la fornitura di rottami, e potevano produrre solo prodotti di acciaio di bassa qualità. Negli ultimi 50 anni, i forni elettrici ad arco sono stati continuamente migliorati, in modo che quasi l'80% dei prodotti siderurgici possa essere prodotto da forni elettrici ad arco. I paesi con elettricità e rottami o gas naturale a basso costo per la produzione di DRI di solito producono grandi quantità di acciaio mediante forni ad arco. Nel 2018, il 68% dell'acciaio grezzo negli Stati Uniti è stato prodotto con il processo del forno ad arco elettrico, mentre solo il 12% in Cina. In Cina, un'offerta sufficiente di rottame ed elettricità a basso costo sono ancora fattori restrittivi.
2 EmissioneReducazioneSstrategia
2.1 ProcessoRfuoriSelezione:TradizionaleIintegratoSproduzione di acciaio, EAFSfabbricazione dell'acciaio,DdirettoReducazioneIron
Secondo il Giappone' s coefficiente di emissione di potenza, lo scarico del processo di produzione dell'acciaio EAF, in particolare utilizzando i rottami come materia prima, è significativamente inferiore al tradizionale processo BF-BOF.Per ottenere una produzione siderurgica più rispettosa dell'ambiente, la transizione dall'industria siderurgica globale ai processi EAF può ridurre significativamente le emissioni di anidride carbonica.Se il percorso BF-BOF rappresenta il 60% e il percorso del forno ad arco rappresenta il 40% (utilizzando il 100% di materia prima NG-DRI), le emissioni di anidride carbonica possono essere ridotte di circa il 20% a 1,62 tCO2 / tHRC.
Elettricità a basse emissioni di carbonio e una quantità sufficiente di rottami sono condizioni necessarie affinché la produzione di acciaio EAF sostituisca la tradizionale produzione di acciaio BF-BOF. Inoltre, solo quando DRI/HBI viene aggiunto alla produzione del forno ad arco elettrico, il forno ad arco elettrico può diventare un processo adatto alla produzione di tutti i tipi di acciaio. La disponibilità e il costo del gas naturale sono un fattore importante che limita la produzione di DRI/HBI.
In Cina, il mondo' s più grande produttore di acciaio, la produzione di acciaio EAF è attualmente limitata a causa della potenza limitata e della fornitura di DRI e rottame a basso costo.La sostituzione di alcuni convertitori con forni ad arco può essere una tendenza nell'industria siderurgica globale.
2.2 EsplosioneFurnaceImiglioramento
Poiché l'attuale percorso BF-BOF rappresenta il 70% della produzione di acciaio, la strategia a breve termine per ridurre l'intensità delle emissioni di carbonio dell'acciaio consiste nel modificare e migliorare in modo incrementale il percorso dell'altoforno esistente, riducendo così le emissioni di anidride carbonica per tonnellata di acciaio.I miglioramenti al percorso BF-BOF includono tecnologie che utilizzano l'elettricità, come il surriscaldamento dell'aria calda, il ricircolo del gas dall'alto, il miglioramento del processo di fornace o di coke, l'iniezione di gas naturale nell'altoforno per compensare parzialmente la domanda di coke e l'uso di combustibili alternativi come la biomassa.
L'utilizzo della tecnologia elettrica nell'altoforno può ridurre le emissioni di anidride carbonica, partendo dal presupposto che l'elettricità provenga da energia rinnovabile o da una rete nazionale verde.L'affidabilità e la manutenibilità delle torce al plasma sono state notevolmente migliorate da quando sono state introdotte negli altiforni negli anni '80. L'energia elettrica viene utilizzata per generare flusso di plasma ad alta temperatura e ad alta velocità.
La tempra a secco è un miglioramento della tecnologia di coke esistente, utilizzando gas inerte per recuperare il calore del coke incandescente.Il calore recuperato genera vapore nella caldaia, che viene utilizzato per altri scopi come la produzione di energia. Il contenuto di umidità del coke da tempra a secco è basso, risparmiando la quantità di coke d'altoforno.
Molti progetti di miglioramento dell'altoforno si concentrano sull'uso del biochar per sostituire il carbone metallurgico/coke.Simile ad altre fonti di carbonio petrolchimiche, il biochar rilascia anidride carbonica nell'atmosfera e l'anidride carbonica rilasciata è considerata l'equilibrio dell'anidride carbonica assorbita durante la crescita della biomassa.Pertanto, il biochar è considerato neutro per i gas serra (GHG).
Uno dei problemi principali nell'utilizzo della biomassa come sostituto del carbonio negli altiforni è che l'elevata attività del biochar porta a una significativa riduzione della qualità del coke.
2.3 Progetto di produzione di acciaio a base di idrogeno
Una soluzione a lungo termine per ridurre le emissioni di anidride carbonica dall'acciaio consiste nel promuovere la tecnologia di sostituzione del carbonio con l'idrogeno come agente riducente del ferro. L'idrogeno è stato utilizzato nel processo di reazione per generare acqua ed evitare la produzione di anidride carbonica.
La riduzione dell'idrogeno ha due modi:1) L'iniezione di idrogeno nell'altoforno può ridurre la quantità di carbone/coke richiesta. 2) Nella produzione di acciaio EAF, l'idrogeno può essere utilizzato come sostituto di NG-DRI per produrre H2 - DRI.
2.4 Tecnologia di riduzione del fuso
La riduzione fusa è un processo alternativo di fabbricazione del ferro a base di carbone, che dipende dalla gassificazione del carbone nel ferro fuso.Il processo di riduzione della fusione comprende due regioni: regione di preriduzione e regione di riduzione della fusione.Il carbone entra nella zona di riduzione della fusione, dove il carbone viene gassificato per produrre calore e gas caldo ricco di monossido di carbonio.Il calore fonde il ferro nella zona di riduzione fusa e il gas caldo viene trasportato nella zona di preriduzione.Quindi, il gas caldo ha pre-ridotto l'ossido di ferro prima che l'ossido di ferro entrasse nella zona di riduzione fusa per la riduzione finale.La tecnologia di riduzione della fusione elimina il processo di coke e tende ad evitare il processo di agglomerazione del minerale di ferro, riducendo significativamente le emissioni di anidride carbonica.Uno svantaggio della maggior parte dei processi di riduzione della fusione è che richiedono una grande quantità di ossigeno e il costo è elevato.Attualmente, meno dell'1% dell'acciaio viene prodotto mediante un processo di riduzione della fusione.
HISARNA e FINEX sono le due tecnologie di riduzione della fusione più comuni.
HISARNA fa parte del progetto ULCOS volto a ridurre le emissioni di CO2 del 50% durante la produzione dell'acciaio.Dal 2007, Tata Steel, Rio Tinto Group e il gruppo di progetto ULCOS hanno sviluppato la tecnologia HISARNA, in grado di produrre direttamente ferro con minerale di ferro e carbone senza alcun pretrattamento.
Rispetto al tradizionale percorso di produzione del ferro, le emissioni di anidride carbonica sono ridotte del 20 % e l'uso di biomassa o rottami nel forno HISARNA può ridurre ulteriormente le emissioni di anidride carbonica del 50 %.
3. Opzioni dirette di riduzione del carbonio
Attualmente, due progetti in fase sperimentale stanno studiando nuovi percorsi di processo, che hanno il potenziale per cambiare completamente l'industria siderurgica e decarbonizzare l'industria siderurgica:molten ossido di elettrolisi (MOE) e progetti di elettrolisi del minerale di ferro.Entrambe sono tecnologie elettriche verdi.
3.1 Elettrolisi ad ossido fuso
L'azienda B sta sviluppando un processo di produzione di acciaio privo di carbonio per il minerale di ferro.
Questo processo è a livello di sviluppo pilota su piccola scala.
Il processo MOE utilizza il minerale di ferro come materia prima per ridurre selettivamente il ferro mediante anodo inerte e strato di elettrolita di ossido fuso più stabile.
è verorimuovere regolarmentesferro puro dalla cella elettrolitica, aggiungeresleghe e quindi elaborare e fondere l'acciaio in conformità con le tipiche apparecchiature di produzione dell'acciaio a valle.Al fine di mantenere le proprietà chimiche e l'alcalinità target, la composizione della ganga nel minerale di ferro si combina con il flusso per formare uno strato di ossido fuso.
3.2 Progetto di elettrolisi del minerale di ferro
Il processo Siderwin è un nuovo progetto nell'industria siderurgica europea, guidato da ArcelorMittal, che utilizza celle elettrolitiche per produrre ferro metallico.
Quando il minerale di ferro viene introdotto nell'elettrolizzatore e la corrente scorre attraverso l'elettrodo, il ferro viene attratto dal catodo e l'ossigeno viene attratto dall'anodo.Il progetto è finanziato dal piano EU Horizon 2020 ed è attualmente in fase pilota. È in costruzione una batteria industriale di 3 m per testare varie fonti di ferro come materie prime per mangimi, compresi i rottami di ferro.
La produzione del ferro metallico prevede tre fasi principali:
1) L'ematite reagisce con il ferro ferroso solubile per formare magnetite: Fe2O3 + HFeO2- → Fe3O4 + OH-
2 ) Accoppiamento elettrico tra magnetite e ferro : Fe3O4 + Fe + 4OH- → HFeO2- 3 ) Elettrocristallizzazione del ferro sotto polarizzazione catodica : 3HFeO2- 3H2O + 6e- → 3Fe + 9OH-
4 Riciclo dei gas di scarico
Anche la cattura, lo stoccaggio e l'utilizzo del carbonio possono svolgere un ruolo nel progresso verso la produzione di acciaio a basse emissioni. Le tecnologie di cattura, stoccaggio e utilizzo del carbonio catturano l'anidride carbonica dai gas di scarico e la riutilizzano come materie prime per la produzione di vari prodotti chimici per evitare l'uso di materie prime di carbone o gas naturale. L'anidride carbonica catturata dai gas di scarico dell'acciaio può essere utilizzata per migliorare il recupero del petrolio dai pozzi petroliferi e può anche essere convertita in prodotti di valore superiore, come bioetanolo, biometanolo o polimeri. L'anidride carbonica può anche essere immagazzinata nel cemento o utilizzata come mangime per la crescita delle alghe. Tuttavia, per eliminare completamente le emissioni di anidride carbonica dall'attuale industria siderurgica, è necessario un gran numero di cemento o alghe, il che aumenterà la difficoltà di queste tecnologie.
Il bioetanolo viene solitamente prodotto dalla fermentazione del lievito di zucchero in biomasse come mais o canna da zucchero. È usato come sostituto della benzina. Il bioetanolo è notevole perché è ottenuto da risorse rinnovabili. Rispetto ai combustibili fossili, il bioetanolo è meno tossico e produce emissioni di anidride carbonica leggermente inferiori.
Il metanolo può essere prodotto dal gas d'altoforno o dal gas di cokeria per ridurre le emissioni di anidride carbonica evitando l'uso di combustibili fossili. Il gas sintetico per la sintesi del metanolo può essere una miscela di idrogeno, anidride carbonica e monossido di carbonio. Tuttavia, i composti come l'N2 devono essere rimossi dal gas per la produzione di metanolo.
5. conclusione
L'industria siderurgica sta investendo molti soldi per sviluppare tecnologie per ridurre la propria impronta di carbonio. Soluzioni a breve termine come il graduale miglioramento degli altiforni o il passaggio alla produzione di acciaio EAF possono aiutare a ridurre le emissioni di carbonio per unità di produzione di acciaio. Tuttavia, se le emissioni di anidride carbonica devono essere ridotte in modo significativo, devono essere migliorati nuovi processi alternativi, come l'uso dell'idrogeno come agente riducente o la tecnologia di riduzione della fusione verde per decarbonizzare l'industria siderurgica (Fig. 2). Inoltre, il sostegno del governo per l'energia verde e l'eliminazione graduale dell'industria dei combustibili fossili è fondamentale per far progredire queste tecnologie innovative come alternative sostenibili ed economiche ai processi esistenti.
