Utforsker hydrogenets potensial for å avkarbonisere stål fra masovner

1. Hvilke kunnskapshull må tettes for å muliggjøre praktisk bruk av hydrogeninjeksjon i masovner?

Kompleksiteten i masovnsprosessen og begrensede data om fysisk-kjemiske og mekaniske prosesser gjør det vanskelig å forutsi nøyaktige teknologiske konsekvenser. Forskningen min undersøker hvor følsom hydrogeninnsprøytningsmodelleringen er for usikkerheter i forutsetningene som forskere vanligvis legger til grunn. I noen modeller i den vitenskapelige litteraturen er det flere antakelser enn praktiske data, noe som undergraver gyldigheten av prediksjonene.

Så langt har forsøk med hydrogeninjeksjon i industrielle masovner vært av begrenset omfang og ikke gitt noen full forståelse av virkningene. Nylige forsøk i en eksperimentell masovn i Japan har gitt innsikt i viktige faktorer, blant annet reaksjonslikevekten mellom vann og gass, utnyttelsesgraden av hydrogen og karbonmonoksid samt vertikale og radielle temperaturmønstre.

Til tross for at forsøkene er i liten skala (ca. 1/300 av volumet til en gjennomsnittlig moderne masovn), er de avgjørende for å avklare usikkerhetsmomenter i modelleringen og bringe hydrogeninjeksjon nærmere praktisk bruk.

2. Hva er de økonomiske konsekvensene av å ta i bruk hydrogeninjeksjon, spesielt med tanke på driftskostnader og potensielle karbonkreditter?

Hydrogen kan redusere bruken av koks med opptil 20 %, noe som fører til lavere drivstoffkostnader og økt effektivitet. Selv om det er nødvendig å investere i hydrogenproduksjon, kan de langsiktige besparelsene på kull og redusert koksfremstillingskapasitet rettferdiggjøre denne utgiften. Hydrogeninnsprøyting øker også produktiviteten i masovnen, noe som bidrar til økt kostnadseffektivitet.

I tillegg reduserer hydrogeninnsprøyting CO2-utslippene, noe som gjør det mulig for bedrifter å tjene karbonkreditter fra kvotehandelssystemer, og dermed kompensere for kostnadene. Ved å bruke 20 % mindre koks reduseres for eksempel utslippene med hundrevis av kilo per tonn stål, noe som bidrar til å nå bærekraftsmålene og styrker bedriftens omdømme.

De som er tidlig ute, kan få et konkurransefortrinn i en tid med økende press på avkarbonisering ved å tiltrekke seg miljøbevisste kunder og dra nytte av regulatoriske insentiver. Dette kan øke markedsandelen og merkevarelojaliteten, samtidig som det gir betydelige økonomiske fordeler på lang sikt.

3. Hvilke praktiske utfordringer kan stålprodusenter stå overfor når de skal skalere hydrogeninnsprøyting i masovner fra eksperimentelt nivå til fullskaladrift?

Det er avgjørende å definere optimale injeksjonsparametere - blåsetemperatur, oksygenanrikning og hydrogenforbruk - for å kunne skalere hydrogeninjeksjonen. Disse faktorene påvirker den adiabatiske flammetemperaturen, bosh-gasshastigheten og toppgasshastigheten, som alle påvirker varme- og masseoverføringsmønstrene i masovnen.

Komplikasjonene forverres når hydrogeninjeksjonen sammenfaller med injeksjon av pulverisert kull, noe som påvirker kullforbrenningen i løpsbanen negativt. Når hydrogen blandes med varm, oksygenrik luft som kommer ut av tuyeren, oksiderer det dessuten til vanndamp og frigjør betydelige mengder varme.

Dypere inne i ildstedet omdannes vanndamp til hydrogen ved å reagere med koks, noe som forbruker varme. Dette kan føre til overoppheting i periferien og nedbrytning av ildfaste materialer, mens avkjøling i sentrum kan deaktivere dødmannen (massen av koks i midten av ildstedet) og dermed påvirke stabil ovndrift negativt.

4. Hvilke sikkerhetsmessige og teknologiske risikoer er forbundet med å øke hydrogeninnsprøytningshastigheten i eksisterende ovnskonstruksjoner?

Hydrogen er svært brannfarlig og kan danne eksplosive blandinger med luft, noe som øker risikoen for antennelse, spesielt ved lekkasjer i tilførselssystemet. Hydrogen kan føre til sprøhet i metaller, noe som kan føre til strukturelle feil hvis materialene ikke er konstruert for hydrogeneksponering. Investeringer i forbedrede overvåkingssystemer i form av avanserte sensorer og analyseverktøy er derfor avgjørende for å oppdage lekkasjer og ivareta sikkerheten.

Teknologiske problemer kan også oppstå. I den eksperimentelle masovnen i Japan som jeg nevnte tidligere, senket intensiv hydrogeninjeksjon med svært høy oksygenanrikning toppgasstemperaturen under duggpunktet, noe som potensielt forlenger tørkeprosessen. Dette reduserer ovnens effektive høyde og fører til vannkondensasjon samt opphopning av våte støvpartikler i gassrensingen.

Det er avgjørende å håndtere sikkerhetsmessige og teknologiske risikoer med grundige vurderinger, planlegging og sikkerhetstiltak.

5. Hvordan kan stålprodusenter samarbeide for å standardisere modelleringsparametere og redusere avvik i forskningsresultatene?

Masovnsproduksjon av jern er en svært kompleks teknologi som kjennetegnes av en rekke tilbakekoblingsmekanismer som tar hensyn til operatørfeil og variasjon i råmaterialer. Mange kritiske spørsmål om masovnsteori og -praksis er fortsatt uløste etter flere tiår med studier.

Ulike forskerteam utvikler ofte sine egne modeller basert på spesifikke industrielle referanser, noe som fører til betydelige metodeforskjeller. I tillegg er industrielle eksperimenter kostbare, og data om faktiske forhold i masovner er ofte knappe og motstridende.

Samarbeid mellom forskerteam og industrielle interessenter er derfor avgjørende for å skape en pålitelig database. Nye databehandlingsteknikker og dataanalyse, inkludert kunstig intelligens, kan spille en viktig rolle i arbeidet med å standardisere modelleringsparametere. Dette kan til syvende og sist redusere avvikene i forskningsresultatene og forbedre den generelle effektiviteten i masovnsjernproduksjonen.

Les mer om forskningen i artikkelen som er publisert i Steel Research International