Желязото и стоманата формират структурния гръбнак на съвременния живот, но те са отговорни за около 8% от глобалните въглеродни емисии, което ги прави най-големият източник на индустриални парникови газове.
Пътят към 100% чисто бъдеще е достатъчно ясен; изхвърлете доменните пещи и редукторите за кокс от печени въглища и ги заменете с електродъгови пещи, работещи с чиста енергия, и редуктори на зелен водород. Бум: зелена стомана с вода като единствен страничен продукт.
Ето го проблемът: човечеството сега произвежда някъде наоколо два милиарда тона стомана годишно в световен мащаб и такъв изчезващо малък процент от това е чист, че беше голяма новина през 2021 г., когато блок зелена стомана действително беше доставен на клиент. Това е колосална индустрия с огромно количество активи, съоръжения и машини, които вече са напълно функционални и са създадени да издържат.
Преминаването към електродъгова пещ не е тривиално упражнение; струва между 1,1 и 1,7 милиарда щатски долара според втория по големина производител на стомана в света, без да включва разходите, свързани с блокираните активи на доменната ви пещ. Зеленият водород все още не е наличен в необходимия мащаб и следователно производствените разходи за зелена стомана са брутално с 60% по-високи от мръсните неща.
Така че стоманата за доменни/базисни кислородни пещи (BF-BOF) ще съществува десетилетия напред и затова тази нова система за модернизиране от Университета в Бирмингам може да бъде един от най-важните постижения на зелените технологии за годината , въпреки че не е напълно зелен.
С две думи, той замества около 90% от кокса, използван в доменната пещ, с директно впръскване на въглероден окис. Въглеродният оксид идва от система, която улавя и рециклира собствения “горен газ” на пещта, отделяйки въглероден оксид, въглероден диоксид, водород и азотни газове при високи температури. След това тези газове се изпращат през редокс система с двоен реактор, която задържа въглерода в затворен цикъл.
Въглеродният диоксид преминава през термохимичен процес на окисление в една камера на реактора, като се използва двоен перовскитен материал (Ba2ок0,66Nb0,34FeO6или BCNF1 за краткост), който го превръща във въглероден оксид при около 800 °C (1472 °F) със скорост около 10,1% при всяко преминаване, като грабва кислородни атоми от молекулите на въглеродния диоксид и ги използва за запълване на кубичната кристална структура на BCNF1.
Университет на Бирмингам
Междувременно азотът и малкото количество водород от горния газ отиват във втори реактор BCNF1 за процес на термохимична редукция при 700 °C (1292 °F), който освобождава чист кислород от структурата на BCNF1. Този кислород захранва основната кислородна пещ, която превръща горещ метал от доменната пещ в течна стомана, като остава допълнителен кислород, който може да бъде продаден. Отработеният газ от основната кислородна пещ се връща направо в газовия сепаратор.
На всеки 24 часа или повече, структурите BCNF1 в камерите за редукция и окисление ще започнат да намаляват скоростта на реакцията си, съответно освобождавайки или съхранявайки твърде много кислородни атоми. След това операторът на стоманодобивния завод просто превключва газовите потоци, влизащи и излизащи от тези два реактора, използвайки перовскита в безкраен термохимичен редокс цикъл, за да поддържа тези реакции да протичат ефективно.
Тази система рециклира както въглерода, така и топлината много ефективно. Но чрез премахване на по-голямата част от кокса и пренасочване на отработените газове, които обикновено се изгарят, това отнема много от енергията, която обикновено се използва за работа на стоманодобивен завод. Тази система изисква някъде около 306 kWh допълнителна електрическа енергия, която да бъде внесена на тон произведена течна стомана.
„Ако електричеството, необходимо за захранване на електрическите нагреватели и газовите сепаратори, се доставя от възобновяеми източници, това няма да добави към емисиите на TC-BF-BOF“, гласи проучването на екипа от Бирмингам, току-що публикувано в Журнал за чисто производство. „Цената на това електричество, плюс електричеството, необходимо за захранване на газовите сепаратори, е повече от отчетено в спестяванията от замяната на кокса в системата.“
Университет на Бирмингам
Всъщност екипът от Бирмингам казва, че преоборудването на тази термохимична редокс система към съществуващите стоманодобивни инсталации BF-BOF трябва да направи значително по-евтино производството на стомана. Вземайки съоръжението на British Steel (BS) в Скънторп като пример, екипът изчислява, че BS ще се нуждае от 10 от тези превключваеми редокс реактори, всеки с височина около 15 м (49 фута) и диаметър 9,5 м (31 фута), на цена около Общо 359 милиона британски лири (445 милиона щатски долара).
Но компанията ще спести 187 милиона британски лири (232 милиона щатски долара) годишно от бюджета си за кока-кола – цифра, която би впечатлила Робърт Дауни младши в края на 1990 г. – и ще генерира около 13 милиона британски лири (16 милиона щатски долара) годишно в свръхпродажби от чист кислород. Докладът изчислява, че само след пет години BS ще бъде някъде с около 640 милиона британски лири (740 милиона щатски долара) по-добре в баланса. Материалът BCNF1 ще трябва да се подменя на всеки пет до 10 години на цена около 200 милиона британски лири (248 милиона щатски долара).
Ако тези цифри издържат, това би било почти безсмислено за всеки производител на стомана с BF-BOF съоръжение, само от икономическа гледна точка.
Но по-широката точка е планетата. А емисиите ще бъдат напълно намалени, поне с 90%, казват изследователите. Има само едно друго съоръжение за производство на стомана BF-BOF в Обединеното кралство, съоръжението на Tata в Порт Талбот. Това и съоръжението BF в момента се комбинират, за да изхвърлят около 11,4 милиона тона въглероден диоксид годишно, или около 3,1% от общите емисии на Обединеното кралство. Тази система обещава да намали това до около 680 000 тона комбинирано, масивно намаление от 94%.
Това означава, че Обединеното кралство би могло да намали общите си национални емисии с колосалните 2,9% с първоначална инвестиция от около 720 милиона британски лири (893 милиона щатски долара) и разходи за замяна на перовскит около 400 милиона британски лири (496 милиона щатски долара) на всеки пет до 10 години – инвестиции, които биха изплатили значителни дивиденти в рамките на няколко години.
И това е само Обединеното кралство; някъде около 70% от световната стомана в момента се произвежда чрез BF-BOF инсталации. Потенциалният обхват на възможността за декарбонизация тук е абсолютно огромен.
Но – и винаги има но – това в момента не е нищо повече от изследователска статия, изчисленията на първите принципи около идеята. Екипът тепърва ще прави прототип на такова съоръжение и има някои неизвестни, които иска да разгледа, преди да продължи напред.
Първо, коксът се използва като структурна опора в доменните пещи и екипът казва, че са необходими изследвания за това колко зле ще бъдат засегнати топлинните и масови потоци, ако бъде отнет. Второ, екипът казва, че повече изследвания трябва да се съсредоточат върху намаляването на енергийните изисквания за разделяне на азот/въглероден окис. И трето, ще трябва да се правят експерименти за период от години, преди да може да се разбере степента на заместване на перовскитните материали.
И все пак, като се има предвид колосалния потенциал за намаляване на емисиите тук и впечатляващите финансови прогнози за производителите на стомана, трябва да кажете, че екипът не би трябвало да се затруднява да получи финансиране, за да прокара тази идея напред. Рядко се среща технология за декарбонизация, която изглежда, че ще работи също толкова добре за собствениците на бизнес, колкото и за планетата.
„Текущите предложения за декарбонизиране на стоманодобивния сектор разчитат на постепенно премахване на съществуващите инсталации и въвеждане на електродъгови пещи, захранвани от възобновяема електроенергия“, казва съавторът на изследването професор Юлонг Динг в съобщение за пресата. „Въпреки това, една инсталация за електродъгова пещ може да струва над £ 1 милиард за изграждане, което прави това преминаване икономически неосъществимо в оставащото време за изпълнение на Парижкото споразумение за климата. Системата, която предлагаме, може да бъде преоборудвана към съществуващи инсталации, което намалява риска от блокирани активи и както намаляването на CO2, така и спестяването на разходи се виждат незабавно.“
Вижте кратко видео обяснение по-долу.
Декарбонизиращо производство на стомана
Изследването е с отворен достъп на Журнал за чисто производство.
източник: Университет на Бирмингам
Публикациите се превеждат автоматично с google translate
