Neuartige Anpassung bestehender Hochöfen könnte die Emissionen bei der Stahlherstellung um 90 % reduzieren

24. Januar 2023

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von der University of Birmingham

Forscher der Universität Birmingham haben eine neuartige Anpassung für bestehende Eisen- und Stahlöfen entwickelt, die die Kohlendioxidemissionen (CO2) der Stahlindustrie um fast 90 % reduzieren könnte.

Diese radikale Reduzierung wird durch ein Kohlenstoffrecyclingsystem mit „geschlossenem Kreislauf“ erreicht, das 90 % des Koks ersetzen könnte, der typischerweise in aktuellen Hochofen-Sauerstoffofensystemen verwendet wird, und Sauerstoff als Nebenprodukt erzeugt.

Das von Professor Yulong Ding und Dr. Harriet Kildahl von der School of Chemical Engineering der University of Birmingham entwickelte System wird in einem im Journal of Cleaner Production veröffentlichten Artikel detailliert beschrieben, der zeigt, dass es bei einer alleinigen Implementierung im Vereinigten Königreich zu Kosteneinsparungen führen könnte von 1,28 Milliarden Pfund in fünf Jahren bei gleichzeitiger Reduzierung der Gesamtemissionen im Vereinigten Königreich um 2,9 %.

Professor Ding sagte: „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 diese Umstellung wirtschaftlich undurchführbar macht.“ in der verbleibenden Zeit, um das Pariser Klimaabkommen zu erfüllen. Das von uns vorgeschlagene System kann in bestehende Anlagen nachgerüstet werden, was das Risiko verlorener Vermögenswerte verringert und sowohl die CO2-Reduzierung als auch die Kosteneinsparungen sofort sichtbar macht.“

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 1.200 bis 1.350 Grad Celsius 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 Mineralgitters, das als „Perowskit“-Material bekannt ist, zu CO2. Das Material wurde ausgewählt, da die Reaktionen in einem Temperaturbereich (700–800 Grad Celsius) 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 Sauerstoffgrundofen zur Stahlerzeugung genutzt werden.

Die Eisen- und Stahlerzeugung ist der größte CO2-Emittent aller Grundindustriesektoren und ist für 9 % der weltweiten Emissionen verantwortlich. 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 Grad Celsius zu begrenzen.

Mehr Informationen: Harriet Kildahl et al., Kostengünstige Dekarbonisierung von Hochöfen – Herstellung von Basisstahl im Sauerstoffofen durch thermochemische Sektorkopplung, Journal of Cleaner Production (2023). DOI: 10.1016/j.jclepro.2023.135963