Udforskning af brints potentiale til at dekarbonisere stål fra højovne

1. Hvilke videnshuller skal løses for at muliggøre praktisk anvendelse af brintindsprøjtning i højovne?

Højovnsprocessens kompleksitet og begrænsede data om fysisk-kemiske og mekaniske processer forhindrer nøjagtige forudsigelser af teknologiske virkninger. Min forskning undersøger, hvor følsom modellering af brintindsprøjtning er over for usikkerheder i de antagelser, som forskere almindeligvis anvender. I nogle modeller, der findes i den videnskabelige litteratur, er der flere antagelser end praktiske data, hvilket underminerer forudsigelsernes gyldighed.

Hidtil har forsøg med brintindsprøjtning i industrielle højovne været begrænset i omfang og ikke givet en fuld forståelse af virkningerne. Nylige forsøg i en eksperimentel højovn i Japan afslørede indsigt i nøglefaktorer, herunder reaktionsligevægten for vandgasskift, udnyttelsesgraden af brint og kulilte samt vertikale og radiale temperaturmønstre.

På trods af deres lille skala (omkring 1/300 af volumenet i en gennemsnitlig moderne højovn) er forsøgene afgørende for at løse usikkerheder i modelleringen og bringe brintindsprøjtning tættere på praktisk anvendelse.

2. Hvad er de økonomiske konsekvenser af at implementere brintindsprøjtning, især med hensyn til driftsomkostninger og potentielle kulstofkreditter?

Brint kan reducere brugen af koks med op til 20 %, hvilket fører til lavere brændstofomkostninger og forbedret effektivitet. Selvom det er nødvendigt at investere i brintproduktion, kan de langsigtede besparelser på kul og reduceret koksfremstillingskapacitet retfærdiggøre denne udgift. Brintindsprøjtning forbedrer også højovnens produktivitet, hvilket bidrager til den samlede omkostningseffektivitet.

Derudover reducerer brintindsprøjtning CO2-emissioner, hvilket gør det muligt for virksomheder at optjene CO2-kreditter fra cap-and-trade-systemer og dermed udligne omkostningerne. Hvis man f.eks. bruger 20 % mindre koks, reduceres udledningen med flere hundrede kg pr. ton stål, hvilket understøtter bæredygtighedsmål og forbedrer virksomhedernes omdømme.

Virksomheder, der er tidligt ude, kan få en konkurrencemæssig fordel midt i det stigende pres for at reducere CO2-udledningen ved at tiltrække miljøbevidste kunder og drage fordel af lovgivningsmæssige incitamenter. Det kan øge markedsandelen og brandloyaliteten og samtidig give betydelige økonomiske fordele på lang sigt.

3. Hvilke praktiske udfordringer kan stålproducenter stå over for, når de skalerer brintindsprøjtning i højovne fra et eksperimentelt niveau til drift i fuld skala?

Definition af optimale indsprøjtningsparametre - blæsetemperatur, iltberigelse og brintforbrug - er afgørende for skalering af brintindsprøjtning. Disse faktorer påvirker den adiabatiske flammetemperatur, bosh-gashastigheden og topgashastigheden, som alle påvirker varme- og masseoverførselsmønstrene i højovnen.

Komplikationerne forværres, når brintindsprøjtningen falder sammen med indsprøjtningen af pulveriseret kul, hvilket påvirker kulforbrændingen i løbet negativt. Når brint blandes med varm, iltberiget luft, der kommer ud af tuyeren, oxideres det desuden til vanddamp og frigiver betydelige mængder varme.

Dybere inde i ildstedet omdannes vanddamp til brint ved at reagere med koks, som forbruger varme. Dette kan føre til overophedning i periferien og nedbrydning af ildfaste materialer, mens afkøling i midten kan deaktivere dødmanden (massen af koks i ildstedets midte) og dermed påvirke den stabile drift af ovnen negativt.

4. Hvilke sikkerhedsmæssige og teknologiske risici er der forbundet med at øge brintindsprøjtningshastigheden i eksisterende ovndesigns?

Brint er meget brandfarligt og kan danne eksplosive blandinger med luft, hvilket øger antændelsesrisikoen, især ved lækager i leveringssystemet. Det kan forårsage skørhed i metaller og føre til strukturelle fejl, hvis materialerne ikke er designet til brinteksponering. Investeringer i forbedrede overvågningssystemer i form af avancerede sensorer og analyser er derfor afgørende for at opdage lækager og garantere sikkerheden.

Der kan også opstå teknologiske problemer. I den eksperimentelle højovn i Japan, som jeg nævnte tidligere, sænkede intensiv brintindsprøjtning med meget høj iltberigelse de øverste gastemperaturer under dugpunktet, hvilket potentielt forlængede tørringsprocessen. Det mindsker ovnens effektive højde og forårsager vandkondensation samt ophobning af våde støvpartikler i gasrensningen.

Det er afgørende at håndtere sikkerhedsmæssige og teknologiske risici med grundige vurderinger, planlægning og sikkerhedsforanstaltninger.

5. Hvordan kan stålproducenter samarbejde om at standardisere modelleringsparametre og reducere uoverensstemmelser i forskningsresultater?

Jernfremstilling i højovne er en meget kompleks teknologi, der er kendetegnet ved mange feedbackmekanismer, som tager højde for operatørfejl og råvarevariabilitet. Mange kritiske spørgsmål om højovnsteori og -praksis er stadig ubesvarede efter årtiers studier.

Forskellige forskerhold udvikler ofte deres egne modeller baseret på specifikke industrielle benchmarks, hvilket fører til betydelige forskelle i metoderne. Derudover er industrielle eksperimenter dyre, og data om faktiske forhold i højovne er ofte knappe og modstridende.

Samarbejde mellem forskerhold og industrielle interessenter er derfor afgørende for at skabe en pålidelig database. Nye computerteknikker og dataanalyser, herunder kunstig intelligens, kan spille en central rolle i standardiseringen af modelleringsparametre. Det kan i sidste ende reducere uoverensstemmelser i forskningsresultater og forbedre den samlede effektivitet i højovnsjernfremstilling.

Læs mere om forskningen i artiklen, der er udgivet i Steel Research International