Das INITIATE-Projekt schlägt ein innovatives Verfahren zur Herstellung von Harnstoff aus Restgasen der Stahlherstellung vor und zeigt die Bedeutung der industriellen Symbiose zwischen verschiedenen Industriesektoren (Stahlsektor, Chemiesektor, Landwirtschaft).
Von Nicola Zecca und Giampaolo Manzolini vom Politecnico di Milano.
Einführung
Die Stahlerzeugung ist ein großer Emittent industrieller Treibhausgase und gilt als schwer einzudämmender Sektor, da das derzeitige Potenzial für die Nutzung erneuerbarer Rohstoffe und Energie begrenzt ist. Das EU-finanzierte Projekt INITIATE schlägt einen neuartigen symbiotischen Prozess aus Stahlrestgasen vor, um dieses Problem anzugehen. Dabei werden zwei Arten von Reststahlgasen verwendet, das Hochofengas (BFG) und das Grundsauerstoff-Ofengas (BOFG), die zusammen ca. 80 % der Stahlemissionen entstehen durch die Hochofenroute.
Harnstoffproduktion
Die Grundkonfiguration des symbiotischen Systems besteht aus der Verarbeitung der gasförmigen Komponenten des Hochofengases und des Basis-Sauerstoff-Ofengases, nämlich Wasserstoff (H2), Stickstoff (N2), Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO).2) innerhalb desselben Prozesses. Das in den Restgasen enthaltene CO wird in CO umgewandelt2 und von der Mischung abgetrennt, wobei ein Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch in Verhältnissen zurückbleibt, die für die Synthese von Ammoniak günstig sind. Das erzeugte Ammoniak wird dann mit einem Teil des abgetrennten CO kombiniert2 Harnstoff zu produzieren. Harnstoff wird häufig als Stickstoffquelle in Düngemitteln und Tierfutter sowie als wichtiger Rohstoff für die Kunststoffherstellung und die chemische Industrie (z. B. Arzneimittel zur Behandlung von Hauterkrankungen, Reinigungsmittel, Klebstoffe) verwendet.
Dieses symbiotische System reduziert CO2 -Emissionen im Vergleich zur traditionellen, getrennten Produktion von Stahl und Harnstoff, vorausgesetzt, dass der CO-Überschuss2 wird geologisch oder in Produkten gespeichert. Die Nutzung von erneuerbarem Strom reduziert dabei den CO2-Fußabdruck durch die Substitution fossiler Brennstoffe.
Dieses Konzept wird in der Anlage demonstriert, die in Luleå, Nordschweden, am Standort Swerim mit einer Produktion von 5 Tonnen pro Tag gebaut wird.
Neben der Harnstoffproduktion wird INITIATE auch weitere symbiotische Wege zur Nutzung der Restgase erforschen, beispielsweise für die Herstellung von Methanol, der Herstellung von Baustoffen durch CO2 Mineralisierung, die Erzeugung von kohlenstoffarmem, steuerbarem Strom mittels Ammoniak oder die Entwicklung hybrider Stahlherstellungsverfahren.
Kohlenstoffabscheidung und -nutzung (CCU)
Verwendung des abgeschiedenen CO2 Für die Produktion alltäglicher kohlenstoffhaltiger Moleküle werden sie den Übergang zu nachhaltigeren Produktionswegen erleichtern.
Methanol ist ein vielseitiges Plattformmolekül, das als Chemikalie und als Treibstoff im maritimen Sektor eingesetzt werden kann. Im Fall der Methanolproduktion ähnelt der symbiotische Prozess dem für den Harnstofffall beschriebenen, jedoch mit einem zusätzlichen Schritt. Um reinen Wasserstoff zu erhalten, muss das Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch weiter gereinigt werden. Anschließend wird der Wasserstoff mit einem Teil CO genutzt2 getrennt, um Methanol zu synthetisieren. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine Emissionsreduzierung von bis zu 49 % im Vergleich zu konventionell hergestelltem Methanol erreicht werden kann.
CO2 kann durch den Prozess auch dauerhaft gebunden werden Mineralisierung als Alternative zur unterirdischen Lagerung. Konkret werden zwei Mineralisierungsansätze in Betracht gezogen, nämlich mit Olivin und mit basischer Sauerstoffofenschlacke – einem Hauptabfallprodukt, das bei der Stahlherstellung entsteht. Es zeigt sich, dass beide Ansätze ähnliche Emissionsreduktionen im Vergleich zu unterirdischem CO-Druck erreichen2 Lagerung als Referenzfall. Die Schlackenmineralisierung mit basischem Sauerstoff scheint der Fall mit der besten Leistung zu sein, auch wenn die Mineralisierung mit Olivin ähnliche Ergebnisse zeigt. Zukünftige Studien werden empfohlen, um die wirtschaftliche Leistung der Mineralisierung zu bewerten, insbesondere unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Transportentfernungen bis zur unterirdischen Lagerung. Es wird erwartet, dass für die Mineralisierung weniger strenge Anforderungen gelten, wodurch die Reinigungskosten und Energieeinbußen in Bezug auf die unterirdische Druckspeicherung sinken.
Stromerzeugung durch Ammoniak
Das Ammoniak entsteht ausgehend vom Wasserstoff-Stickstoff Gemisch wird als Brennstoff in einer Ammoniak-Gasturbine verwendet, die es ermöglicht, Strom zu erzeugen, ohne CO auszustoßen2. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine Reduzierung von CO2 Im Vergleich zur getrennten Produktion von Stahl und Ammoniak können durch dieses Verfahren Emissionen im Bereich von 63 % erreicht werden und gleichzeitig eine regelbare Form der Stromerzeugung ermöglicht werden.
Ein bei diesen alternativen Wegen zu berücksichtigendes Element ist der Ersatz des verdrängten Stroms aus Stahlgasen innerhalb des Stahlwerks. Es wurde festgestellt, dass die Verwendung von kohlenstoffarmem Strom anstelle von Strom aus Erdgas die Emissionen der symbiotischen Systeme effektiv reduziert und eine Emissionsreduzierung von etwa 80 % erreicht. Diese Verbesserungen dürften auch noch zunehmen, wenn die Prozesswärme auch von fossilen Ressourcen entkoppelt wird.
Hybrides Stahlerzeugungssystem
Das INITIATE-Konzept für die hybride Stahlerzeugung besteht darin, einen wasserstoffreichen Strom aus den Restgasen als Brennstoff im Reformer eines Direktreduktionsprozesses (DR) zur Stahlerzeugung zu verwenden, wodurch eine zusätzliche Menge Stahl mit CO produziert werden kann.2 Emissionen nahe 0. Die Ergebnisse zeigen, dass die Stahlproduktion durch die Integration von Hochöfen und Direktreduktionsstahlwerken über die INITIATE-Technologie effektiv dekarbonisiert werden kann. Die Ergebnisse zeigen einen Rückgang von CO2 Emissionen von 71 % im Vergleich zu einem herkömmlichen Stahlwerk. Durch die Nutzung von CO2-neutralem Strom können die Emissionen weiter reduziert werden.
Das INITIATE-Projekt wird daher die Umsetzung der Kreislaufwirtschaft und der industriellen Symbiose vorantreiben, indem es restliche Stahlgase als Ressource für die sektorübergreifende, effizientere und nachhaltigere Herstellung eines zweiten Produkts wie Harnstoff oder Methanol mit deutlich reduziertem CO2-Ausstoß wiederverwendet Fußabdruck.
Das INITIATE-Projekt wurde im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung Nr. 958318 aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union finanziert.