Application of Hydrochar for Low-CO2 Emission Steel Production

Abstract

Stål är ett oumbärligt material i det moderna samhället, men produktionen av stål representerar samtidigt en av de största antropogena CO₂-utsläppskällorna på planeten. Den konventionella processen som kombinerar en masugn med en konverter genererar 85 % av stålindustrins totala CO₂-utsläpp. Detta är orsakat av en hög kolförbrukningshastighet för att reducera järnmalm och för att tillhandahålla den värme som krävs för denna högtemperaturprocess. För att klara klimatmålen i Parisavtalet måste stålindustrin drastiskt minska sina CO₂-utsläpp och sikta på att uppnå nettonollutsläpp till 2050. Bioenergi är en form av förnybar energi, som om den hanteras på ett hållbart sätt under hela sin livscykel, kan betraktas som koldioxidneutral. Därför är det positivt att ersätta fossila bränslen med biobränslen som förbrukas under ståltillverkningsprocesserna i syfte att minska CO₂-utsläppen. Detta tillvägagångsätt har dock inte använts i stor utsträckning av ståltillverkare i världen, på grund av det höga priset och den begränsade tillgågen på träbaserade biobränslen. Hydrochar är ett kolliknande fast material som framställs från en hydrotermisk förkolning av biomassa. Materialet har uppmärksammats av ståltillverkare på grund av dess kolliknade egenskaper och det faktum att det kan produceras från ett brett utbud av organiska avfall som finns tillgängligt i nästan alla länder. Tidigare studier har fokuserat på användningen av hydrochar för masugnsprocessen, medan denna avhandling fokuserar på att studera den potentialla användningen av hydrochar i electriska ljusbågsugnar som chargeras med direktreduktionspellets (DR-EAF). Dessutom för speciellt två tillämpningar där användningen av fossilt kol är svår att minska, nämligen den kolbaserade direkta reduktionen av järnmalm och uppkolningen av flytande stål i ljusbågsugnen. Inledningsvis så presenteras resultaten av en karaktäriseringsstudie av hydrochar framställt från citronskalsavfall (LPH) och resultaten jämförs med ett fossilt referensmaterial (antracit) och två bioreferensmaterial (träkol). Överlag, så visar resultaten att LPH är ett mycket flyktigt material som kännetecknas av en låg fast kolhalt och ett medelhögt värmevärde. Det flykthalt i LPH består av gas, tjära och vattenhaltiga vätskor som innehåller ungefär hälften av det totala kol-och energiinnehållet i LPH. I motsats till träkol och antracit så avger den pyrolyserade LPH (PLPH) knappt några flykthalten och materialen är stabila upp till en hög temperatur (1200 °C). Detta material kännetecknas av höga fasta kolhalter och höga värmevärden, vilket gör det idealiskt för användning som bränslen, uppkolningsmedel och reduktionsmedel. Å andra sidan tycks LPH vara mer effektiv när det används i områden där dess flykthalt skulle kunna utnyttjas till fördel, såsom för att bidra med värmeenergi och för att reducera metalloxider. Försök genomfördes med användning av två olika hydrochar (framställda från citronskal och risskal) för en kolbaserad direkt reduktion, och resultaten jämfördes med resultat från försök med användning av antracit. Hematit-kolblandningar framställda med varierande kol/syre-molarförhållande (C/O) värmdes i en kväveatmosfär upp till en temperatur av 1100 °C för att åstadkomma en direkt reduktion. Resultaten visar att hematiten i briketter med molära C/O- förhållanden större än 1,0 reducerades fullständigt till metalliskt järn, medan briketter med C/O- förhållanden inom intervallent 0,4-0,5 uppnådde 63-86% reduktionsgrader. Det bekräftades att den flyktighet som frigjordes av det kolväte och det organiska bindemedlet reducerade hematit upp till maximalt 35%, men de utnyttjade fraktionerna av den flyktigheten är ganska låga. Som ett resultat domineras reduktionen av hematit av reaktioner som involverar fasta kolhalt. Därmed så bestäms effektiviteten hos ett kolhaltigt material som reduktionsmedel för de kolbaserade direktreduktionsprocesserna fortfarande till övervägande del av dess fasta kolhalt. Laboratorieförsök genomfördes också där LPH användes för uppkolning av flytande stål i en inert atmosfär och resultaten jämfördes med prestandan hos träkol. Järn-kol briketter, som har en högre skenbara densitet än det kolhaltiga materialet, användes som uppkolningsmedel i syfte att förbättra kolets penetrationsdjup i det flytande stålet. Briketterna tillsattes med användande av två olika metoder för att simulera tillsats av kol i en industriell ljusbågsugn. I den första metoden värmdes briketterna långsamt upp från rumstemperatur till en temperatur av 1600 °C, vilket simulerar tillsatsen av kol i en skrotkorg i början av processen. I den andra metoden tillsattes briketter direkt i flytande stål. Resultaten visar att uppkolningsutbytet huvudsakligen bestäms av den fasta kolhalten i det kolhaltiga materialet samt av tillsatsmetoden. När tillsatser gjordes till flytande stål (metod 2), uppstod ytterligare kolförluster som sänkte uppkolningsutbytet. I den sista delen av avhandlingen användes två typer av hydrochar (främstallda av apelsinskal och grönt avfall) samt antracit för uppkolningstester i en pilotskala av en ljusbågsugn. De kolhaltiga materialen tillsattes i ljusbågsugnen antingen i början av processen från toppen eller efter att skrotet var smält, genom en lansinjektion direkt i det flytande stålet. Pilotresultaten visar att hydrochar och antracit har ett liknande uppkolningsutbyte (basera på mängden av fast kolhalt) när samma koltillsatsmetod användes. Dessutom visade resultaten att ett högre uppkolningsutbytet uppnådes vid en tidig tillsats i processen jämfört med vid en senare processtillsats via en lansinjection. Baserat på resultaten i denna avhandling kan tre huvudsakliga slutsatser dras. För det första, så kan hydrochar helt ersätta fossilt kol som ett reduktionsmedel för att åstadkomma en direkt reduktion av järnmalm och som ett uppkolningsmedel i ljusbågsugnar. Det är dock mer effektivt att använda pyrolyserat hydrochar än att använda det ursprungliga hydrochar, eftersom det fasta kolhaltet i materialet bestämmer dess substitutionsförhållande för antracit. För det andra så har en viss negativ påverkan av askhalt i hydrochar identifierats. Detta resulterar i att reduktionshastigheten för hematit-kolkomposit sänks på grund av askans negativa effekt på den karbotermiska reduktionen. Dessutom ökar askhalt slaggvolymen och minskar slaggens basicitet i ljusbågsugnen. Resultaten visar också att hydrochar som framställts av fruktavfall (citronskal, apelsinskal) har en lägre askhalt än hydrochar som framställts av växtavfall (risskal, grönt avfall). Därmed är den förstnämnda mer lämpad att användas vid ståltillverkning. Resultaten visar också att om antracit ersätts med träkol eller hydrochar så minskar den totala mängden svavel som tillförs stålet i ljusbågsugnen, vilket är positivt. Slutligen så visar resultaten att forsforhalten i stålet ökar på grund av utnyttjandet av hydrochar. En möjlig lösning till detta problem är att noggrant välja råvaran för produktion av hydrochar eller genom att sänka fosforhalten i hydrochar genom ytterligare rening, men denna hypotes bör undersökas i framtida studier. 

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-345975