При производстве алюминия ежегодно образуется около 180 миллионов тонн токсичного красного шлама. Ученые из Института Макса Планка фюр Айзенфоршунг, центра исследований железа, теперь показали, как относительно простым способом можно производить 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 почти 700 миллионов тонн CO₂Сталь, не содержащая стали, может быть произведена из 4 миллиардов тонн красного шлама, накопившегося к настоящему времени во всем мире, что соответствует доброй трети годового производства стали во всем мире. Как показывает команда Макса Планка, этот процесс также будет экономически жизнеспособным.

По прогнозам, к 2050 году спрос на сталь и алюминий вырастет до 60%. Однако традиционное производство этих металлов оказывает значительное воздействие на окружающую среду. Восемь процентов мирового выбросов CO₂ выбросы происходят от сталелитейной промышленности, что делает ее сектором с самыми высокими выбросами парниковых газов. Между тем, алюминиевая промышленность ежегодно производит около 180 миллионов тонн красного шлама, который имеет высокую щелочность и содержит следы тяжелых металлов, таких как хром.

В Австралии, Бразилии и Китае, среди прочих, эти отходы в лучшем случае сушат и выбрасывают на гигантские свалки, что приводит к высоким затратам на переработку. Во время сильных дождей красная грязь часто вымывается со свалки, а когда она высыхает, ветер может разнести ее в окружающую среду в виде пыли.

Кроме того, высокощелочная красная грязь разъедает бетонные стены свалок, что приводит к утечкам красной грязи, которые уже несколько раз вызывали экологические катастрофы, например, в Китае в 2012 году и в Венгрии в 2010 году. грязь также просто утилизируется в природе.

Потенциал экономии 1,5 миллиардов тонн 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, который сыграл ключевую роль в работе в качестве ученого в Институте Макса Планка по изучению Эйзенфоршунга. В исследовании, опубликованном в журнале Природа, команда показывает, как красный шлам можно использовать в качестве сырья в сталелитейной промышленности. Это связано с тем, что отходы производства алюминия состоят до 60% из оксида железа.

Ученые Макса Планка плавят красный шлам в электродуговой печи и одновременно восстанавливают содержащийся в нем оксид железа до железа с помощью плазмы, содержащей 10% 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 производили железо из красного шлама, используя аналогичный подход с коксом, но при этом образуется сильно загрязненное железо и большое количество CO.₂. Использование зеленого водорода в качестве восстановителя позволяет избежать выбросов парниковых газов.

«Если бы зеленый водород использовался для производства железа из 4 миллиардов тонн красного шлама, который на сегодняшний день образуется при мировом производстве алюминия, сталелитейная промышленность могла бы сэкономить почти 1,5 миллиарда тонн CO.₂«, — говорит Иснальди Соуза Фильо, руководитель исследовательской группы Института Макса Планка по исследованию железа.

Экономичный процесс, в том числе с использованием зеленого водорода и электричества.

Тяжелые металлы в красном шламе также можно практически нейтрализовать с помощью этого процесса. «После восстановления мы обнаружили в железе хром», — говорит Йовичевич-Клуг. «Другие тяжелые и драгоценные металлы также, вероятно, попадут в чугун или в отдельную область. Это то, что мы будем исследовать в дальнейших исследованиях. Ценные металлы затем можно будет отделить и использовать повторно».

Кроме того, тяжелые металлы, оставшиеся в оксидах металлов, прочно связаны внутри них 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 в ходе анализа затрат. При использовании смеси водорода и электроэнергии для электродуговой печи из частично возобновляемых источников процесс целесообразен, если красный шлам содержит 50% оксида железа или более.

Если принять во внимание также затраты на утилизацию красного шлама, то всего 35% оксида железа будет достаточно, чтобы сделать процесс экономичным. При использовании зеленого водорода и электричества, при сегодняшних затратах (также принимая во внимание стоимость захоронения красного шлама), для того, чтобы полученное железо было конкурентоспособным на рынке, требуется от 30 до 40% оксида железа.

«Это консервативные оценки, поскольку затраты на утилизацию красного шлама, вероятно, довольно низкие», — говорит Иснальди Соуза Фильо. И есть еще одно преимущество с практической точки зрения: электродуговые печи широко используются в металлургической промышленности, в том числе на алюминиевых заводах, поскольку они используются для переплавки металлолома. Поэтому во многих случаях отрасли потребуется лишь немного инвестировать, чтобы стать более устойчивой.

«Для нас было важно также учитывать экономические аспекты в нашем исследовании», — говорит Дирк Раабе, директор Института Макса Планка по изучению Эйзенфоршунга. «Теперь отрасль должна решить, будет ли она использовать плазменное восстановление красного шлама до железа».