Un nuovo adattamento per gli altiforni esistenti potrebbe ridurre le emissioni della produzione dell’acciaio dell’88%; Chiuso

I ricercatori dell’Università di Birmingham hanno progettato un nuovo adattamento per gli altiforni esistenti che potrebbe ridurre le emissioni di CO2 dell’industria siderurgica di quasi il 90%. Questa riduzione è ottenuta attraverso un sistema di riciclaggio del carbonio a circuito chiuso, che potrebbe sostituire il 90% del coke tipicamente utilizzato negli attuali sistemi di altoforno-forni ad ossigeno di base e produce ossigeno come sottoprodotto.

Ideato dal professor Yulong Ding e dalla dottoressa Harriet Kildahl della Scuola di ingegneria chimica dell'Università di Birmingham, il sistema è dettagliato in un documento ad accesso libero pubblicato sul Journal of Cleaner Production. Se implementato solo nel Regno Unito, il sistema potrebbe garantire un risparmio sui costi di 1,28 miliardi di sterline in 5 anni, riducendo al contempo le emissioni complessive del Regno Unito del 2,9%.

Presentiamo qui uno studio di principio sull’accoppiamento settoriale tra un ciclo di scissione termochimica dell’anidride carbonica (CO2) e la produzione di acciaio esistente tra altoforno e forno a ossigeno basico (BF-BOF) per una decarbonizzazione economicamente vantaggiosa. Una doppia perovskite, Ba2Ca0.66Nb0.34FeO6, è proposta per la scissione termochimica della CO2, un candidato valido grazie alle sue basse temperature di reazione, all'elevata resa di monossido di carbonio (CO) e alla selettività del 100% verso la CO.

La CO prodotta dal ciclo TC sostituisce il costoso coke metallurgico per la riduzione del minerale di ferro in ferro metallico nell’altoforno (BF). La CO2 prodotta dal BF viene utilizzata nel ciclo TC per produrre più CO, creando quindi un circuito chiuso del carbonio, consentendo il disaccoppiamento della produzione di acciaio dalle emissioni di gas serra.

L’analisi tecnico-economica dell’implementazione di questo sistema nei BF-BOF del Regno Unito potrebbe ridurre le emissioni del settore siderurgico dell’88%, aumentando al tempo stesso la competitività in termini di costi dell’acciaio britannico sul mercato globale attraverso la riduzione dei costi.

Il sistema TC-BF-BOF con flussi di massa necessari per produrre 1 tonnellata di acciaio liquido. Kildahl et al.

Le attuali proposte per la decarbonizzazione del settore siderurgico si basano sulla graduale eliminazione degli impianti esistenti e sull’introduzione di forni elettrici ad arco alimentati da elettricità rinnovabile. Tuttavia, la costruzione di un impianto con forno elettrico ad arco può costare oltre 1 miliardo di sterline, il che rende questo passaggio economicamente irrealizzabile nel tempo rimanente per rispettare l’Accordo di Parigi sul clima. Il sistema che proponiamo può essere adattato agli impianti esistenti, il che riduce il rischio di immobilizzazioni, e sia la riduzione di CO2 che il risparmio sui costi si vedono immediatamente.

La maggior parte dell'acciaio mondiale viene prodotta tramite altiforni che producono ferro dal minerale di ferro e forni ad ossigeno basico che trasformano il ferro in acciaio.

Il processo è intrinsecamente ad alta intensità di carbonio e utilizza coke metallurgico prodotto dalla distillazione distruttiva del carbone in una cokeria, che reagisce con l'ossigeno nell'aria calda per produrre monossido di carbonio. Questo reagisce con il minerale di ferro nella fornace per produrre CO2. Il gas superiore proveniente dal forno contiene principalmente azoto, CO e CO2, che viene bruciato per aumentare la temperatura dell'aria compressa fino a 1200-1350 °C in una stufa calda prima di essere soffiato nel forno, con CO2 e N2 (contenenti anche NOx) emessi nell'ambiente.

Il nuovo sistema di riciclaggio cattura la CO2 dal gas di superficie e la riduce a CO utilizzando un reticolo minerale cristallino di perovskite. Il materiale è stato scelto perché le reazioni avvengono in un intervallo di temperature (700-800 °C) che può essere alimentato da fonti energetiche rinnovabili e/o generato utilizzando scambiatori di calore collegati agli altiforni.

Sotto un'elevata concentrazione di CO2, la perovskite divide la CO2 in ossigeno, che viene assorbito nel reticolo, e CO, che viene reimmessa nell'altoforno. La perovskite può essere rigenerata alla sua forma originale in una reazione chimica che avviene in un ambiente a basso contenuto di ossigeno. L'ossigeno prodotto può essere utilizzato nel forno a ossigeno basico per produrre acciaio.

La produzione di ferro e acciaio è il maggiore emettitore di CO2 tra tutti i settori industriali di base, rappresentando il 9% delle emissioni globali. Secondo l’Agenzia internazionale per le energie rinnovabili (IRENA), per limitare il riscaldamento globale a 1,5°C è necessario ridurre le emissioni del 90% entro il 2050.