Издания Max-Planck-Gesellschaft (Германия) и Phys (Великобритания) публикуют материал о том, что институт исследования железа Общества Макса Планка в Дюссельдорфе (MPIE) разработал достаточно недорогую технологию получения «зелёной» стали. Экономичный и экологичный процесс с использованием «зелёного» водорода поможет извлечь железо из красного шлама, образующегося при производстве алюминия.
При производстве алюминия ежегодно образуется около 180 млн т токсичного красного шлама. Учёные из MPIE продемонстрировали, как относительно простым способом можно получить экологически чистую сталь из отходов производства алюминия. В электродуговой печи, подобной тем, которые десятилетиями используются в сталелитейной промышленности, оксид железа, содержащийся в красном шламе, преобразуется в железо с помощью водородной плазмы.
Благодаря этому процессу из 4 млрд т красного шлама, накопленного во всём мире на сегодняшний день, можно было бы произвести почти 700 млн т стали без выбросов CO2, что соответствует доброй трети годового производства стали во всём мире.
Как показывает команда MPIE, этот процесс также будет экономически жизнеспособным. По прогнозам, к 2050 году спрос на сталь и алюминий вырастет на 60%. Однако традиционные технологии производства этих металлов не являются экологически безопасными. Порядка 8% глобальных выбросов CO2 приходится на сталелитейную промышленность, что делает её отраслью, генерирующей рекордные объёмы парниковых газов.
Между тем, алюминиевая промышленность ежегодно производит около 180 млн т красного шлама, который имеет высокую щёлочность и содержит тяжёлые металлы, такие как хром. В Австралии, Бразилии и Китае, среди прочих, эти отходы в лучшем случае сушат и отправляют на гигантские полигоны, что приводит к высоким затратам на переработку.
Во время сильных дождей красный шлам часто вымывается с территории полигонов, а когда высыхает, ветер может разнести его на большие расстояния в виде пыли. Кроме того, высокощелочной красный шлам разъедает бетонные стены хранилищ, что приводит к утечкам отходов, которые уже несколько раз становились причинами экологических катастроф, например, в Венгрии в 2010 году и в Китае в 2012 году.
Фазовая эволюция красного шлама при водородно-плазменной обработке и механизм извлечения железа. Вертикальная ось: Содержание различных оксидов (%). Горизонтальная ось, 1-й столбец: Красный шлам
1-я фаза: Содержание фракций. Горизонтальная ось, подпись внизу: Пробы.
Механизм извлечения железа из красного шлама. 1-я фаза: Гематит, 2-я фаза: Магнетит, 3-я фаза: Титаномагнетит, 4-я фаза: Герцинит, 5-я фаза: Вюстит, 6-я фаза: Высокотемпературная модификация железа δ-Iron
Потенциал экономии 1,5 млрд т CO2 в сталелитейной промышленности
«Наш процесс может одновременно решить проблему отходов при производстве алюминия и уменьшить выбросы углекислого газа в сталелитейной промышленности», — говорит Матич Йовичевич-Клюг, учёный, сыгравший ключевую роль в проекте MPIE.
Отходы производства алюминия содержат до 60% оксида железа. Учёные MPIE плавят красный шлам в электродуговой печи и одновременно восстанавливают присутствующий в нём оксид железа до железа, используя плазму с 10% содержанием водорода. Преобразование, известное на техническом жаргоне как плазменное восстановление, занимает всего десять минут, в течение которых жидкое железо отделяется от жидких оксидов и затем может быть легко извлечено. Железо настолько чистое, что его можно перерабатывать непосредственно в сталь.
Остальные оксиды металлов больше не вызывают коррозии и при охлаждении затвердевают, образуя стеклоподобный материал, который можно использовать, например, в качестве наполнителя в строительной промышленности. Другие исследовательские группы получали железо из красного шлама, применяя аналогичный подход с коксом, но при этом образуется сильно загрязнённое железо и большое количество CO2. Использование «зелёного» водорода в качестве восстановителя позволяет избежать выбросов парниковых газов.
«Если бы «зелёный» водород использовался для производства железа из 4 млрд т красного шлама, который на сегодняшний день накоплен в мире при выплавке алюминия, сталелитейная промышленность могла бы сэкономить почти 1,5 млрд т CO2», — отмечает Иснальди Соуза Фильо, руководитель исследовательской группы в MPIE.
Использование «зелёного» водорода в качестве восстановителя позволяет избежать выбросов парниковых газов.
Экономическая сторона вопроса
Тяжёлые металлы в красном шламе также можно практически нейтрализовать с помощью предложенного процесса. «После восстановления мы обнаружили в железе хром, — говорит Матич Йовичевич-Клуг. — Другие тяжёлые и ценные металлы также, вероятно, попадут в железо или в отдельную область. Это предмет наших дальнейших исследований. Ценные металлы затем можно будет отделить и использовать повторно». Что касается тяжёлых металлов, то они прочно связаны внутри оксидов и уже не могут быть вымыты водой, как это происходит с красным шламом.
Однако производство железа из красного шлама напрямую с использованием водорода не только приносит двойную пользу окружающей среде. Это окупается и с экономической точки зрения, как показала исследовательская группа MPIE в ходе анализа затрат. Поскольку водород и электроэнергия для электродуговой печи производится только из частично возобновляемых источников, процесс оправдан, если красный шлам содержит 50% оксида железа или более.
Если принять во внимание затраты на утилизацию красного шлама, то наличия всего 35% оксида железа будет достаточно, чтобы сделать процесс экономичным. При использовании «зелёного» водорода и электричества при сегодняшних затратах — а также принимая во внимание стоимость захоронения красного шлама — требуется наличие от 30% до 40% оксида железа, чтобы полученное железо было конкурентоспособным на рынке.
В мире накоплена 4 миллиарда тонн красного шлама.
«Это консервативные оценки, поскольку затраты на утилизацию красного шлама принимаются, вероятно, как довольно низкие», — говорит Иснальди Соуза Фильо. И есть ещё одно преимущество с практической точки зрения: электродуговые печи широко применяются в металлургической промышленности, в том числе на алюминиевых заводах, поскольку они используются для переплавки металлолома. Поэтому во многих случаях отрасли потребуется лишь небольшие объёмы инвестиций, чтобы стать более экологичной.
«Для нас было важно также учитывать экономические аспекты в нашем исследовании, — говорит Дирк Раабе, директор MPIE. — Теперь отрасль должна определиться, будет ли она использовать плазменное восстановление красного шлама до железа».
Перевод Виктора Симионова
