Obliczenia termodynamiczne wydajności metalicznego żelaza i emisji CO2 w gazowym procesie redukcji bezpośredniej w piecu słupowym

Przekształcanie gazu odpadowego w użyteczny metal

Stal stanowi podstawę współczesnego życia, ale jej produkcja uwalnia ogromne ilości dwutlenku węgla. W Chinach, gdzie wytwarza się ponad połowę światowej stali, redukcja emisji jest kluczowa dla celów klimatycznych. W tym badaniu zbadano, jak niedostatecznie wykorzystywany produkt uboczny z koksowni, zwany gazem koksowniczym, można wykorzystać jako paliwo i czynnik chemiczny do bardziej efektywnej produkcji żelaza w typie reaktora znanym jako piec słupowy, jednocześnie zmniejszając zanieczyszczenie węglowe.

Dlaczego kominostropy stali mają znaczenie

Produkcja stali zwykle opiera się na węglu w wysokich piecach wielkopiecowych, które generują duże emisje węgla. Równocześnie koksownie przygotowujące węgiel do produkcji stali wydzielają duże ilości gazu bogatego w wodór i metan. Większość tego gazu jest spalana lub marnowana. Ponieważ ma on podobny wpływ klimatyczny na jednostkę energii jak gaz ziemny, mądrzejsze wykorzystanie tego produktu ubocznego może pomóc zastąpić paliwa kopalne, które trzeba wydobywać lub importować. Pytaniem, które autorzy stawiają, jest to, jak daleko można posunąć się z wykorzystaniem gazu koksowniczego w gazowych piecach słupowych przetwarzających rudy żelaza na metaliczne żelazo i co to oznacza dla emisji dwutlenku węgla.

Budowa wirtualnej huty żelaza

Zamiast uruchamiać kosztowne instalacje pilotażowe, badacze stworzyli szczegółowy model termodynamiczny, swego rodzaju wirtualną hutę opartą na prawach zachowania energii i materii. Śledzili gaz koksowniczy, gdy jest najpierw podgrzewany i reformowany w oddzielnym piecu w celu uzyskania mieszaniny bogatej w wodór, a następnie wprowadzany do pieca słupowego, gdzie odbiera tlen z peletek rudy żelaza. Model śledzi, ile metalu żelaza powstaje, ile gazu jest zużywane do reakcji chemicznych i ogrzewania oraz ile dwutlenku węgla odchodzi ze spalin. Poprzez zmienianie kluczowych parametrów wejściowych, takich jak zawartość żelaza w rudzie, udział żelaza całkowicie przekształconego w metal oraz temperatura, przy której tworzy się metaliczne żelazo, mogli ocenić, jak każda decyzja wpływa zarówno na wydajność, jak i na emisje.

Jakość rudy ważniejsza niż precyzyjne ustawienia

Jednym z jasnych wniosków jest to, że stopień wzbogacenia rudy w żelazo jest głównym dźwignią. Gdy zawartość żelaza wzrasta z relatywnie ubogiej rudy o 45 procent do bogatszej rudy o 70 procent, masa produkowanego metalicznego żelaza na stałą ilość gazu koksowniczego rośnie o ponad 60 procent. Równocześnie dwutlenek węgla uwalniany na tonę metalu gwałtownie spada, z około 1,2 tony do około 0,74 tony. Wynika to stąd, że bogatsza ruda zawiera mniej materiału niematalicznego, który trzeba podgrzewać, a który nigdy nie zamienia się w żelazo. Mniej nieużytecznych skał w mieszance oznacza mniej gazu spalane wyłącznie do dostarczania ciepła, a większa część gazu może służyć do redukcji tlenków żelaza do metalu.

Dostrajanie warunków w piecu

Zespół analizował również dwie nastawy operacyjne wewnątrz pieca słupowego: jak całkowicie ruda przekształca się w metal oraz temperaturę, przy której zachodzi ostatni etap redukcji. Zwiększanie stopnia metalizacji zwykle podnosi zarówno wydajność żelaza, jak i emisje CO2 przypadające na tonę produktu stałego, ale obniża emisje na tonę czystego metalu, ponieważ ta sama ilość gazu produkuje więcej użytecznego żelaza. Nieznaczne podwyższenie temperatury tworzenia metalicznego żelaza nieco zmniejsza wydajność metalu i zwiększa emisje, ponieważ działanie w wyższej temperaturze wymaga dodatkowego gazu na ogrzewanie. Ogólnie rzecz biorąc, te czynniki mają znaczenie, ale znacznie mniejsze niż rozpoczęcie procesu z rudą o wyższej jakości.

Recykling gorących gazów, by zmniejszyć straty

Model pokazuje, że równowaga cieplna, a nie tylko reakcje chemiczne, w dużej mierze kontroluje, ile gazu system potrzebuje. Gdy gorące spaliny z górnej części pieca słupowego są spalane w piecu grzewczym, tylko około jednej piątej tego oczyszczonego gazu jest potrzebne, by pokryć zapotrzebowanie na ogrzewanie. Pozostałe cztery piąte można w zasadzie oczyścić z dwutlenku węgla i odesłać z powrotem do systemu jako świeży gaz redukujący. W praktycznym przykładzie, przy założeniu koksowni produkującej gaz z 1,2 miliona ton koksu rocznie, dostępny gaz mógłby wspierać produkcję około 4,9 miliona ton metalicznego żelaza rocznie w piecu słupowym, przy jednoczesnym utrzymaniu rocznych emisji dwutlenku węgla związanych z ilością wytwarzanego gazu i jednoczesnym obniżeniu emisji na tonę żelaza.

Co to oznacza dla czystszej stali

Dla czytelników zainteresowanych przemysłem przyjaznym klimatu wniosek jest taki, że przemyślane wykorzystanie istniejącego gazu produktowego i lepsza jakość rudy mogą znacząco zmniejszyć ślad węglowy produkcji żelaza. Badanie nie obiecuje zerowych emisji, ale mapuje termodynamiczne granice tego, co mogą osiągnąć gazowe piece słupowe oparte na gazie koksowniczym. Priorytetowe traktowanie rud o wysokiej zawartości żelaza, recykling większości gorących spalin i unikanie niepotrzebnego przegrzewania pozwoli producentom stali uzyskać więcej metalu z tego samego paliwa, wysyłając jednocześnie mniej dwutlenku węgla do atmosfery.

Cytowanie: Jiang, X., Deng, X., Fan, X. et al. Thermodynamic calculation of metallic Fe yield and CO₂ emissions in gas-based shaft furnace direct reduction process. Sci Rep 16, 15263 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45162-4

Słowa kluczowe: gaz koksowniczy, piec słupowy, bezpośrednio zredukowane żelazo, dekarbonizacja stali, modelowanie termodynamiczne