Eine neuartige Anpassung bestehender Hochöfen könnte die Emissionen bei der Stahlherstellung um 88 % senken. geschlossen

Forscher der Universität Birmingham haben eine neuartige Anpassung für bestehende Hochöfen entwickelt, die die CO2-Emissionen der Stahlindustrie um fast 90 % reduzieren könnte. Diese Reduzierung wird durch ein geschlossenes Kohlenstoffrecyclingsystem erreicht, das 90 % des Koks ersetzen könnte, der typischerweise in aktuellen Hochofen-Sauerstoffofensystemen verwendet wird, und Sauerstoff als Nebenprodukt erzeugt.

Das System wurde von Professor Yulong Ding und Dr. Harriet Kildahl von der School of Chemical Engineering der University of Birmingham entwickelt und wird in einem Open-Access-Artikel detailliert beschrieben, der im Journal of Cleaner Production veröffentlicht wurde. Wenn das System allein im Vereinigten Königreich implementiert würde, könnte es innerhalb von fünf Jahren zu Kosteneinsparungen von 1,28 Milliarden Pfund führen und gleichzeitig die Gesamtemissionen des Vereinigten Königreichs um 2,9 % senken.

Wir präsentieren hier eine First-Principles-Studie zur Sektorkopplung zwischen einem thermochemischen Kohlendioxid (CO2)-Spaltungszyklus und der bestehenden Hochofen-Sauerstoff-Basisofen-Stahlerzeugung (BF-BOF) für eine kostengünstige Dekarbonisierung. Für die thermochemische Spaltung von CO2 wird ein Doppelperowskit, Ba2Ca0.66Nb0.34FeO6, vorgeschlagen, ein geeigneter Kandidat aufgrund seiner niedrigen Reaktionstemperaturen, hohen Kohlenmonoxid (CO)-Ausbeuten und 100 % Selektivität gegenüber CO.

Das im TC-Zyklus erzeugte CO ersetzt teuren Hüttenkoks für die Reduktion von Eisenerz zu metallischem Eisen im Hochofen (BF). Das aus dem BF erzeugte CO2 wird im TC-Kreislauf verwendet, um mehr CO zu produzieren, wodurch ein geschlossener Kohlenstoffkreislauf entsteht, der die Entkopplung der Stahlproduktion von Treibhausgasemissionen ermöglicht.

Eine technisch-ökonomische Analyse der Implementierung dieses Systems in britischen BF-BOFs könnte die Emissionen des Stahlsektors um 88 % reduzieren und gleichzeitig die Kostenwettbewerbsfähigkeit von britischem Stahl auf dem Weltmarkt durch Kostensenkung steigern.

Das TC-BF-BOF-System mit Massenströmen, die zur Herstellung von 1 Tonne flüssigem Stahl erforderlich sind. Kildahl et al.

Aktuelle Vorschläge zur Dekarbonisierung des Stahlsektors basieren auf dem Ausstieg aus bestehenden Anlagen und der Einführung von Elektrolichtbogenöfen, die mit erneuerbarem Strom betrieben werden. Der Bau einer Elektrolichtbogenofenanlage kann jedoch über 1 Milliarde Pfund kosten, was diesen Wechsel in der verbleibenden Zeit bis zur Erfüllung des Pariser Klimaabkommens wirtschaftlich undurchführbar macht. Das von uns vorgeschlagene System kann in bestehende Anlagen nachgerüstet werden, wodurch das Risiko verlorener Vermögenswerte verringert wird und sowohl die CO2-Reduzierung als auch die Kosteneinsparungen sofort sichtbar sind.

Der größte Teil des weltweiten Stahls wird in Hochöfen hergestellt, in denen Eisen aus Eisenerz hergestellt wird, und in Öfen mit basischem Sauerstoff, in denen dieses Eisen zu Stahl verarbeitet wird.

Der Prozess ist von Natur aus kohlenstoffintensiv und verwendet metallurgischen Koks, der durch destruktive Destillation von Kohle in einem Koksofen hergestellt wird und mit dem Sauerstoff im Heißluftstrom reagiert, um Kohlenmonoxid zu erzeugen. Dieses reagiert mit dem Eisenerz im Ofen zu CO2. Das Gichtgas aus dem Ofen enthält hauptsächlich Stickstoff, CO und CO2, das verbrannt wird, um die Lufttemperatur in einem heißen Ofen auf 1200 bis 1350 °C zu erhöhen, bevor es in den Ofen geblasen wird, wobei CO2 und N2 (auch NOx enthalten) an die Umwelt abgegeben.

Das neuartige Recyclingsystem fängt das CO2 aus dem Gichtgas auf und reduziert es mithilfe eines kristallinen Perowskit-Mineralgitters zu CO. Das Material wurde ausgewählt, da die Reaktionen in einem Temperaturbereich (700–800 °C) stattfinden, der durch erneuerbare Energiequellen und/oder durch an die Hochöfen angeschlossene Wärmetauscher erzeugt werden kann.

Bei hoher CO2-Konzentration spaltet der Perowskit CO2 in Sauerstoff, der vom Gitter absorbiert wird, und CO, das dem Hochofen wieder zugeführt wird. Der Perowskit kann durch eine chemische Reaktion, die in einer Umgebung mit niedrigem Sauerstoffgehalt stattfindet, in seine ursprüngliche Form zurückgewonnen werden. Der erzeugte Sauerstoff kann im Sauerstoff-Grundofen zur Stahlerzeugung genutzt werden.

Die Eisen- und Stahlerzeugung ist der größte CO2-Emittent aller Grundindustriesektoren und verursacht 9 % der weltweiten Emissionen. Nach Angaben der Internationalen Agentur für Erneuerbare Energien (IRENA) muss bis 2050 eine Reduzierung der Emissionen um 90 % erreicht werden, um die globale Erwärmung auf 1,5 °C zu begrenzen.

University of Birmingham Enterprise hat eine Patentanmeldung eingereicht, die das System und seinen Einsatz in der Metallproduktion abdeckt, und sucht nach langfristigen Partnern, die an Pilotstudien teilnehmen, diese Technologie in die bestehende Infrastruktur integrieren oder an weiteren Forschungsarbeiten zur Entwicklung des Systems mitarbeiten.

Ressourcen

Harriet Kildahl, Li Wang, Lige Tong, Yulong Ding (2023) „Kosteneffiziente Dekarbonisierung des Hochofens – Herstellung von Grundsauerstoffofenstahl durch thermochemische Sektorkopplung“, Journal of Cleaner Production, doi: 10.1016/j.jclepro.2023.135963.

Gepostet am 26. Januar 2023 in Emissionen, Herstellung, Markthintergrund, Materialien | Permalink | Kommentare (1)