Termodynamisk beräkning av metalliskt Fe-utbyte och CO2-utsläpp i en gaskörd direktreduceringsprocess i masugnsspärr

Att göra avfallsgas till användbar metall

Stål utgör grunden för det moderna livet, men tillverkningen släpper ut stora mängder koldioxid. I Kina, där mer än hälften av världens stål produceras, är utsläppsminskningar avgörande för klimatmålen. Denna studie undersöker hur en underutnyttjad biprodukt från kokverken, kallad kokugningsgas, kan omvandlas både till bränsle och kemiskt medel för att göra järn mer effektivt i en typ av reaktor känd som masugnsspärr, samtidigt som koldioxidutsläppen minskas.

Varför stålets skorstenar spelar roll

Stålproduktion förlitar sig vanligtvis på kol i höga masugnar, vilket ger höga koldioxidutsläpp. Samtidigt släpper kokverken som förbereder kol för stålframställning ut stora mängder gas rik på väte och metan. Mycket av denna gas bränns av eller går till spillo. Eftersom den har liknande klimatpåverkan per energienhet som naturgas, kan en klokare användning av denna biprodukt hjälpa till att ersätta fossila bränslen som måste brytas eller importeras. Frågan som författarna tar itu med är hur långt kokugningsgas kan räcka för att driva gaskörda masugnar som omvandlar järnmalm till fast järn, och vad det skulle innebära för koldioxidutsläppen.

Bygga en virtuell järnfabrik

I stället för att driva dyra pilotanläggningar skapade forskarna en detaljerad termodynamisk modell, en sorts virtuell fabrik grundad i energins och materiaens bevarande. De följde kokugningsgasen när den först upphettas och reformeras i en separat ugn för att bilda en väterik blandning, som sedan skickas in i masugnsspärren där den avlägsnar syre från järnmalmspellets. Modellen spårar hur mycket metalliskt järn som produceras, hur mycket gas som förbrukas för kemiska reaktioner och för värme, samt hur mycket koldioxid som lämnar med avgasen. Genom att variera nyckelparametrar som järnhalt i malmen, andelen järn som fullt omvandlas till metall, och temperaturen vid vilken metalliskt järn bildas, kunde de se hur varje val påverkar både utbyte och utsläpp.

Malms kvalitet slår finjustering

Ett tydligt resultat är att järnhalten i malmen är den viktigaste spaken. När järnhalten ökar från relativt fattig malm vid 45 procent till rikare malm vid 70 procent ökar massan metalliskt järn som produceras per given mängd kokugningsgas med mer än 60 procent. Samtidigt sjunker koldioxiden per ton metall kraftigt, från ungefär 1,2 ton till cirka 0,74 ton. Detta sker eftersom rikare malm innehåller mindre icke-metalliskt material som måste värmas men aldrig blir till järn. Mindre värdelös sten i blandningen innebär mindre gas som bränns enbart för att tillföra värme, och mer av gasen kan istället användas för att faktiskt reducera järnoxid till metall.

Finjustera ugnsdriften

Teamet undersökte också två driftparametrar inne i masugnsspärren: hur fullständigt malmen omvandlas till metall, och temperaturen vid vilken det sista reduktionssteget sker. Att öka metalliseringsgraden tenderar att öka både järnutbytet och koldioxidutsläpp per ton fast produkt, men det minskar utsläppen per ton rent metall eftersom samma mängd gas ger mer användbart järn. Att höja temperaturen för bildandet av metalliskt järn minskar något metallsfallet och ökar utsläppen, eftersom varmare drift kräver extra gas för värme. Sammantaget spelar dessa faktorer roll, men långt mindre än att helt enkelt utgå från malm med högre järnhalt.

Återvinning av heta gaser för att minska spill

Modellen visar att värmebalansen, inte bara de kemiska reaktionerna, i stor utsträckning styr hur mycket gas systemet behöver. När den heta avgasen från toppen av masugnsspärren bränns i uppvärmningsugnen krävs endast omkring en femtedel av den renade gasen för att täcka uppvärmningsbehovet. De återstående fyra femtedelarna kan i princip avskiljas från koldioxid och skickas tillbaka in i systemet som ny reducerande gas. I ett praktiskt exempel med ett koksverk som producerar gas från 1,2 miljoner ton koks per år, skulle den tillgängliga gasen kunna stödja produktionen av ungefär 4,9 miljoner ton metalliskt järn årligen i en masugnsspärr, samtidigt som de årliga koldioxidutsläppen bestäms av den mängd gas som produceras och därigenom minskar utsläppen per ton järn.

Vad detta betyder för renare stål

För läsare intresserade av klimatsmart industri är slutsatsen att noggrann användning av befintlig biproduktgas och bättre malmkvalitet kan göra ett påtagligt avtryck i järnframställningens klimatavtryck. Studien lovar inte nollutsläpp, men den kartlägger de termodynamiska gränserna för vad kokugningsgasbaserade masugnar kan uppnå. Genom att prioritera malm med hög järnhalt, återvinna större delen av den heta avgasen och undvika onödig överhettning, kan stålproducenter få ut mer metall ur samma bränsle samtidigt som mindre koldioxid släpps ut i luften.

Citering: 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

Nyckelord: kokugningsgas, masugn, direktreducerat järn, stålavkarbonisering, termodynamisk modellering