DE102011077819A1

DE102011077819A1 - Kohlendioxidreduktion in Stahlwerken

Info

Publication number: DE102011077819A1
Application number: DE201110077819
Authority: DE
Inventors: Manfred Baldauf; Günter Schmid
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2011-06-20
Filing date: 2011-06-20
Publication date: 2012-12-20
Also published as: EP2705167A2; CN103608469A; CN103608469B; US20140130639A1; WO2012175368A3; US9322597B2; WO2012175368A2

Abstract

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Kohlendioxidreduktion bei der Stahlherstellung wird das im Stahlherstellungsprozess entstehende Kohlendioxid in einem Verbrennungsschritt mit einem elektropositiven Metall umgesetzt und das dabei entstehende Kohlenmonoxid in den Stahlherstellungsprozess zurück geführt. Dieses kann dort in einem Direktreduktionsverfahren als Reduktionsgas dienen oder einem Hochofenprozess zugeführt werden. Auch das umgesetzte Metall kann zurück gewonnen werden, indem es aus seinen Oxiden oder Salzen elektrochemisch umgewandelt wird. Insbesondere wird für das Recycling des elektropositiven Metalls eine Form regenerativer Energie verwendet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für die Kohlendioxidreduktion bei der Stahlherstellung sowie eine geeignete Anordnung mit einem Stahlwerk.
Bei der Stahlherstellung werden große Mengen an Kohle und Koks aufgewendet. Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entsteht Kohlendioxid, das bisher in vielen Fällen aus Stahlwerken in die Umgebungsluft abgegeben wird. Es ist bekannt, dass diese Emissionen zunehmend zu einem Umwelt- und Klimaproblem führen.
Ein bekannter Ansatz zur Reduktion der Kohlendioxidemission sind sogenannte CCS-Routen (Carbon Dioxide Capture and Storage), die in die Sequestrierung von hochkonzentriertem Kohlendioxid münden. Bei der Sequestrierung wird hochkonzentriertes Kohlendioxid in unterirdischen Kammern gespeichert. Um hochkonzentriertes Kohlendioxid einer Reinheit von etwa 98% oder höher aus Stahlwerksabgasen zu erhalten, wird dieses durch Gaswäscheprozesse daraus abgetrennt.
Dabei wird zwar die Emission vermieden oder zumindest vermindert, jedoch wird weiterhin kontinuierlich neuer Kohlenstoff in den Hochofenprozess eingebracht und laufend zusätzliches Kohlendioxid erzeugt, welches wieder emittiert wird oder abgetrennt und gespeichert werden muss.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Anordnung anzugeben, womit die Kohlendioxidemission eines Stahlwerks reduziert und eine Kohlendioxid-Sequestration vermieden werden kann.
Die Aufgabe ist durch ein Verfahren gemäß dem Patenanspruch 1 gelöst. Eine zugehörige Anordnung ist im Patentanspruch 11 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung und Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Kohlendioxidemission bei der Stahlherstellung reduziert. Das im Stahlherstellungsprozess entstehende Kohlendioxid wird in diesem Verfahren in einem Verbrennungsschritt mit einem elektropositiven Metall umgesetzt. Dabei entsteht wenigstens ein erstes Verbrennungsprodukt, welches dem Stahlherstellungsprozess wieder zugeführt wird. Dieses Verfahren hat also den Vorteil gegenüber bisher bekannten Verfahren zur Kohlendioxidemissionsvermeidung, wie z. B. der Sequestrierung, dass es das umweltschädliche Kohlendioxid erneut chemisch umwandelt und dabei wenigstens ein Produkt entsteht, welches im gleichen Prozess wieder verwendet werden kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Verfahren zur Kohlendioxidreduktion einen Verbrennungsschritt mit einem elektropositiven Metall, in dem eine exotherme Reaktion mit dem elektropositiven Metall stattfindet, welche kraftwerkstechnisch nutzbare thermische Energie erzeugt. Diese thermische Energie kann also in elektrische Energie umgewandelt werden oder sie wird dem Stahlherstellungsprozess zugeführt. Dies hat den Vorteil, dass neben der Kohlendioxidemissionsverminderung zusätzlich elektrische Energie erzeugt werden kann, bzw. der Verbrauch an elektrischer Energie im Stahlherstellungsprozess vermindert werden kann.
Zur Nutzung der thermischen Energie für die elektrische Energieerzeugung, kann das Verfahren mit einem Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie gekoppelt werden. Insbesondere ist dazu das Stahlwerk mit einem Kraftwerk angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass die thermische Energie nicht verlorengeht.
Wird das Verfahren mit einem Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie kombiniert, in dem die in dem Verbrennungsschritt erzeugte kraftwerkstechnisch nutzbare thermische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird, hat das Verfahren den weiteren Vorteil, eine nahezu vollständige Verwertung von Neben- und Abfallprodukten z. B. der elektrischen Energieerzeugung zu gewährleisten.
Soll die thermische Energie, die insbesondere bei dem Verbrennungsschritt mit einer exothermen Reaktion des elektropositiven Metalls frei wird, einem Schritt zur Erzeugung elektrischer Energie zugeführt werden, wird z. B. ein Wärmetransport durchgeführt. Schon der Verwertungsprozess für sich genommen erzeugt in dem Verbrennungsschritt Energie in Form von Hochtemperaturwärme, die für die Erzeugung elektrischer Energie, z. B. über eine Dampfturbine, genutzt werden kann. Vorteilhafterweise wird der Verwertungsprozess über den Wärmetransport an einen Prozess zur Erzeugung elektrischer Energie angeschlossen.
Bei der Alternative die thermische Energie dem Stahlherstellungsprozess zuzuführen, kann diese beispielsweise zur Luftvorerwärmung im Hochofenprozess herangezogen werden. Diesen Vorgang nennt man Winderhitzen. Der sogenannte Wind im Hochofenprozess wird im Gegenstrom zur Möllersäule in den metallurgischen Reaktor des Hochofens geschickt, was die Reaktion, d.h. die Verbrennung des Kohlenstoffs aus dem Koks begünstigt.
Diese Ausführungsform hat demnach den Vorteil, dass neben der Wiederverwertung des Kohlendioxids weitere Energie erzeugt und im selben Stahlherstellungsprozess genutzt werden kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist das elektropositive Metall ein Metall der ersten oder ein Metall der zweiten Hauptgruppe oder ein Metall mit einem Normalpotential größer als 0 V. Insbesondere handelt es sich bei dem elektropositiven Metall um Lithium. Alternative elektropositive Metalle sind Natrium, Magnesium oder Zink. Alternativ können auch elektropositive Metalle wie Kalium, Calcium, Strontium oder Barium eingesetzt werden. Zwar ist die weltweit vorhandene Menge an Lithium limitiert, eine Verknappung muss jedoch erst in ca. 40 Jahren eingerechnet werden. Die beschriebene Methode erhebt auch keinen Anspruch, den gesamten Weltenergiebedarf für Stahlherstellung komplett über das Alkalimetall Lithium zu decken. Das verwendete elektropositive Metall wird jedoch insbesondere in einen Kreislauf geführt, d.h. nach dem Verbrennungsschritt werden die Verbrennungsprodukte des Metalls in das Metall zurückgeführt. D.h. es findet effektiv kein Verbrauch des elektropositiven Metalls statt. Die Lithium-Jahresproduktion etwa liegt heute bei 20.000 t, ohne dass bis heute eine Wiederaufarbeitung des ungesetzten Lithiums stattfindet. Die weltweiten Reserven an Lithiumcarbonat werden auf 58 Mio. Tonnen geschätzt, was 11 Mio. Tonnen Lithium entspricht. Die natürlichen Ressourcen an Natrium und Magnesium etwa unterliegen praktisch nahezu keiner Vorkommensbegrenzung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird in dem Verfahren das erste Verbrennungsprodukt zumindest teilweise in den Stahlherstellungsprozess zurückgeführt. Dieses erste Verbrennungsprodukt umfasst insbesondere Kohlenmonoxid. Dieses wird im Stahlherstellungsprozess zur Reduktion von Eisenoxid verwendet.
In dem Verbrennungsschritt des elektropositiven Metalls mit Kohlendioxid reagieren diese Reaktionspartner exotherm. Neben der thermischen Energieerzeugung bringt die Reaktion auch verschiedene Verbrennungsprodukte hervor. Die Reaktion wird insbesondere so geführt, dass am Ende Kohlenmonoxid als ein Verbrennungsprodukt entsteht. Bei dem Verbrennungsschritt des elektropositiven Metalls mit dem Kohlendioxid fallen Oxide und Carbonate des elektropositiven Metalls als Abfallprodukte an. Das Kohlendioxid kann mittels elektropositiver Metalle bis hin zu Kohlenstoff reduziert werden. Der in der Brennkammer gebildete Kohlenstoff kann jedoch im Rahmen eines Boudouard-Gleichgewichts mit weiterem Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid komproportionieren, so dass am Ende formal mittels dem elektropositiven Metall Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid reduziert wird. Die Entstehung von Kohlenmonoxid in diesem Verbrennungsschritt hat den Vorteil, dass das Kohlenmonoxid in dem Stahlherstellungsprozess eine wichtige Rolle spielt und diesem wieder zugeführt werden kann. D.h. auf diese Weise ist ein Kreislauf von Kohlendioxid und Kohlenmonoxid erzeugbar. Somit kann der Kohlenstoff im System gehalten werden und die Kohlendioxidemission verhindert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird das erste Verbrennungsprodukt, welches insbesondere Kohlenmonoxid aufweist, einem Hochofenprozess des Stahlherstellungsprozesses zugeführt. Dort ersetzt das Kohlenmonoxid einen Teil des im Hochofenprozess verwendeten Brennstoffs. Insbesondere wird als Brennstoff Kohle und/oder Koks verwendet. Die Kohle bzw. der Koks im Hochofenprozess dienen auch zur mechanischen Stabilisierung der Möllersäule, um eine ausreichend große Kontaktfläche zwischen dem festen Eisenerz und der reduzierenden Gasatmosphäre zu gewährleisten. In diesem Prozessschritt wird nun also ein Teil der Kohle bzw. des Koks im Hochofen durch das rezyklierte Kohlenmonoxid ersetzt. Dadurch, dass nur ein Teil der Kohle bzw. des Koks ersetzt wird, bleibt die mechanische Integrität des Prozesses ungefährdet. Gleichzeitig aber kann ein guter Teil des umgesetzten Kohlendioxids zu Kohlenmonoxid hier wieder verwendet werden. Die Menge des im Kreis gefahrenen Kohlenstoffs begrenzt die benötigte Menge an dem elektropositiven Metall mittels dem überhaupt erst die Umsetzung von Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid stattfindet. Je geringer die umzusetzende Menge an Kohlenstoff, desto geringer ist auch die benötigte Menge dieses elektropositiven Metalls.
Bei einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird in dem Stahlherstellungsprozess der Hochofenprozess durch ein Direktreduktionsverfahren ersetzt. Dabei wird das erste Verbrennungsprodukt, d.h. insbesondere das Kohlenmonoxid als Reduktionsgas verwendet. Insbesondere wird das reine Kohlenmonoxid oder das Kohlenmonoxid in einem Gemisch mit Wasserstoff als Reduktionsgas verwendet. D.h. in diesem Direktreduktionsverfahren können die Kohle bzw. der Koks vollständig durch das rezyklierte Kohlenmonoxid ersetzt werden. In einem Direktreduktionsverfahren wird beispielsweise feingemahlenes Eisenerz in einem Wirbelschichtreaktor im Gegenstrom mit einem reduzierenden Gas beströmt und dabei umgesetzt. Dieses Verfahren hat z. B. den Vorteil, dass keine zusätzlichen fossilen Brennstoffe mehr eingesetzt werden, sondern diese vollständig durch das Kohlenmonoxid aus dem Kohlenstoffkreislauf ersetzt werden können.
Der Kohlenstoffkreislauf bietet den Vorteil, ein CO₂-emissionsfreies Stahlwerk realisieren zu können. Zusätzlich kann der Prozess des Kohlendioxid-Recycling an den Prozess zur elektrischen Energieerzeugung durch ein Kraftwerk angeschlossen werden.
Wird das erzeugte Kohlenmonoxid nicht vollständig im Kreislauf gehalten, kann der Kohlenmonoxidanteil, der nicht in den Strahlherstellungsprozess zurück geführt wird, beispielsweise in ein weiterverwertbares Endprodukt, wie Methanol, umgewandelt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung entsteht in dem Verbrennungsschritt des Verfahrens ein zweites Verbrennungsprodukt, welches elektrochemisch rückwandelbar ist und welches in einem Rückwandelprozess umgesetzt wird. Für diesen Rückwandelprozess und die dafür entscheidende elektrochemische Reaktion ist Energie notwendig. Dafür kann insbesondere eine regenerative Energiequelle genutzt werden. Bei dem zweiten Verbrennungsprodukt handelt es sich insbesondere um ein Oxid und/oder ein Salz des elektropositiven Metalls. Ist das elektropositive Metall Lithium, entstehen als Verbrennungsprodukte z. B. Li₂O, Li₂C₂ und Li₂CO₃. D.h. insbesondere kann so CO₂ als Lithiumcarbonat aus einem Abgasstrom abgetrennt werden. Dieses Oxid oder Salz des elektropositiven Metalls kann in dem Rückwandelprozess wieder in das Metall umgesetzt werden. Das Metall selbst wird also in dem Verfahren nicht verbraucht, sondern ändert nur die Oxidationsstufe. Daher kann das Metall auch als Energiespeicher angesehen werden. Da die Rückwandlung, d.h. die elektrochemische Umsetzung zeitlich unabhängig von dem Stahlherstellungsprozess ist, können für diesen Rückwandelprozess regenerative Energien wie beispielsweise fotovoltaische Energie oder Windenergie genutzt werden. Das Verfahren hat somit den zusätzlichen Vorteil, neben der Kohlendioxidemissionsverminderung einen Speicher für regenerative Energien in den Stahlwerksprozess mit einzukoppeln. Der Einsatz eines elektropositiven Metalls als Energiespeicher hat zudem den Vorteil bei Transport über weitere Strecken bisherigen Energietransporten z. B. mittels Übertragungsleitungen im Vorteil zu sein.
Prinzipiell könnte das Kohlendioxid anstatt mit einem elektropositiven Metall auch mittels Wasserstoff reduziert werden. Die Verwendung von Wasserstoff ist jedoch nur dann effektiv, wenn dieser am Ort der Erzeugung auch direkt umgesetzt wird. Unter Standardbedingungen von 25°C und 1013 mbar nimmt 1 mol Wasserstoff ein Volumen von 24,5 l ein, während 2 mol Lithium nur ein Volumen von 0,025 l einnehmen. Die auf die Masse bezogenen Bildungsenthalpien für Lithiumoxid und Wasser sind vergleichbar:
Li₂O: –20 kJ/g
H₂O: –16 kJ/g
Damit hat das metallische Lithium eine im Vergleich zum gasförmigen Wasserstoff mehr als 1000fach höhere Energiedichte. Wasserstoff kann zwar komprimiert oder verflüssigt werden, seine effektive Energiedichte bezogen auf Normalbedingungen wird dadurch aber erheblich reduziert. Zudem kann das Lithium sehr viel leichter transportiert werden als Wasserstoff.
Eine derartige Wiederaufarbeitung des umgesetzten elektropositiven Metalls bildet also einen zweiten Kreislauf, der über die Verbrennungsreaktion an den Kohlendioxid-Kohlenmonoxid-Kreislauf gekoppelt ist. Eine derartige Wiederaufarbeitung des elektropositiven Metalls kann beispielsweise eine elektrochemische Reduktion sein. Dabei können insbesondere Oxide, Hydroxide oder Salze des elektropositiven Metalls wieder in das Metall umgesetzt werden. Allgemein kann eine elektrochemische Reduktion des Metallions Mⁿ zu dem Metall M zurückführen. Dafür ist wiederum elektrische Energie notwendig, die beispielsweise aus regenerativer Energie gewonnen werden kann. Insbesondere kann ein derartiger Wiederaufarbeitungs- bzw. Rückwandelprozess des elektropositiven Metalls als Energiespeicher für aus Fotovoltaik gewonnener Energie angesehen werden. Besonders vorteilhaft ist daher gerade auch die Durchführung eines Rückwandelprozesses für elektropositive Metalle, die einer natürlichen Vorkommensbegrenzung unterliegen wie z. B. Lithium.
Der Rückwandelprozess kann von dem Stahlwerksprozess räumlich und zeitlich getrennt stattfinden.
Für den beschriebenen Stahlwerksprozess ist zweckdienlicherweise ein Stahlwerk mit einer Brennkammer angeordnet, welche ein elektropositives Metall umfasst. Dabei dient die Brennkammer zur Verbrennung des elektropositiven Metalls. Die Brennkammer ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass das elektropositive Metall und Kohlendioxid in die Brennkammer einleitbar sind und dass darin ein Verbrennungsschritt mit einer exothermen Reaktion des elektropositiven Metalls durchführbar ist.
Insbesondere ist die Brennkammer so ausgestaltet, dass die Reaktion so führbar ist, dass am Ende Kohlenmonoxid entsteht. Prinzipiell kann bei der exothermen Reaktion des elektropositiven Metalls mit dem Kohlendioxid auch Kohlenstoff erzeugt werden. Dieser kann jedoch über das Boudouard-Gleichgewicht weiter zu Kohlenmonoxid komproportionieren.
Die erfindungsgemäße Anordnung mit einem Stahlwerk umfasst aber eine Brennkammer, welche für die Umsetzung von im Stahlherstellungsprozess entstehenden Kohlendioxid mit einem elektropositiven Metall in einem Verbrennungsschritt ausgestaltet ist. Dabei ist die Brennkammer so ausgestaltet, dass ein elektropositives Metall in die Brennkammer einführbar ist und wenigstens ein erstes Verbrennungsprodukt von der Brennkammer ausführbar und in eine Vorrichtung des Stahlwerks rückführbar ist. Dies hat den Vorteil, dass nicht nur das umweltschädliche Kohlendioxid verarbeitet wird und chemisch wieder umgesetzt wird, sondern dass dabei auch direkt ein Produkt entsteht, welches für den Stahlherstellungsprozess notwendig ist und diesem wieder zur Verfügung gestellt werden kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung dieser Anordnung ist die Vorrichtung des Stahlwerks ein Hochofen oder alternativ ein Wirbelschichtreaktor. Die entsprechenden Prozesse, die im Hochofen oder in dem Wirbelschichtreaktor ablaufen wurden in dem Verfahren bereits beschrieben. In dem Hochofen wird eine sogenannte Möllersäule mit heißer Luft im Gegenstrom beströmt und nur ein Teil des rezyklierten Kohlenmonoxids wird diesem Verfahren zur Reduktion des Eisenoxids zugefügt. In dem Wirbelschichtreaktor findet ein Direktreduktionsverfahren statt, bei dem das Synthesegas vollständig aus dem zurückgeführten Kohlenmonoxid aus dem ersten Verbrennungsprodukt besteht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Anordnung mit dem Stahlwerk eine Recyclingvorrichtung. Diese Recyclingvorrichtung ist für die elektrochemische Rückwandlung eines Oxids und/oder eines Salzes eines elektropositiven Metalls ausgestaltet. Diese Kombination mit der Recyclingvorrichtung hat den Vorteil, dass das im Verbrennungsschritt umgesetzt elektropositive Metall direkt zurückgewonnen werden kann. Im Gegensatz zu Kohlendioxid, welches nicht einfach mittels elektrischer Energie wieder in Kohlenstoff und Sauerstoff aufgespalten werden kann, verhält es sich bei dem elektropositiven Metall so, dass durch ein elektrochemisches Verfahren das Oxid wieder in Sauerstoff und das elektropositive Metall ungesetzt werden kann. Ebenso verhält es sich für die Salze des elektropositiven Metalls. Beispielhaft sind im Folgenden die Reaktionen für Lithiumoxid angegeben. 2Li + O₂ → 2Li₂O + mechanische, chemische, elektrische Energie 2Li₂O + elektrische Energie → 2Li + O₂
Damit dient Lithium als Energieträger und Speicher und kann somit in einem Kreislauf geführt werden ohne verbraucht zu werden. Dieser Aspekt ist beispielsweise aus der Druckschrift DE 10 2008 031 437 A1 bekannt.
Insbesondere kann die Recyclingvorrichtung, die für die Rückwandlung notwendige elektrische Energie aus einer regenerativen Energiequelle beziehen. Dies hat also den Vorteil, dass mittels eines Energiespeichers wie beispielsweise Lithium, erneuerbare Energien in den Stahlwerksprozess integriert werden können. Lithium etwa liegt dabei auf einer thermodynamischen Energieskala so hoch, dass es nicht nur in Luft, sondern auch in reinem Stickstoff, Wasserstoff und Kohlendioxid stark exotherm reagiert, was die Umsetzung des Kohlendioxids ermöglicht.
Darüber hinaus ist die durch die exotherme Reaktion entstehende Energie auch kraftwerkstechnisch nutzbar. D.h. die Abwärmetemperatur ist ausreichend hoch, dass diese zur elektrischen Energieerzeugung genutzt werden kann.
Alternativ verbleibt die thermische Energie im Stahlherstellungsprozess. Dafür umfasst die Anordnung insbesondere eine Wärmetransporteinrichtung, über die die Brennkammer mit dem Stahlwerk verbunden ist, so dass in der Brennkammer durch den Verbrennungsschritt entstehende kraftwerkstechnisch nutzbar thermische Energie transportierbar und dem Stahlherstellungsprozess zuführbar ist. Die Wärme lässt sich im Stahlherstellungsprozess, insbesondere im Hochofenprozess zur Winderhitzung nutzen.
Im Folgenden soll die Erfindung noch anhand der Figur beispielhaft erläutert werden.
Die Figur zeigt schematisch die Anordnung eines Stahlwerks 30, 40 mit einer Recyclingvorrichtung 20 zur Rückwandlung des elektropositiven Metalls M mit einer Anlage zur Gewinnung elektrischer Energie 10 aus Wind und/oder Sonne. Auf der linken Seite der Zeichnung ist symbolisch für die regenerative Energiequelle 10 ein Windrad und die Sonne gezeichnet. Von dieser regenerativen Energiequelle 10 wird Strom 11 zur Recyclingvorrichtung 20 transportiert. In der Recyclingvorrichtung 20 geschieht die Reduktion eines elektropositiven Metalls M aus einem Oxid oder einem Salz MO_x. Dieser Reduktionsvorgang erfolgt insbesondere elektrochemisch. Die dafür notwendige Energie wird aus der regenerativen Stromquelle 10 bezogen. Von der Recyclingvorrichtung 20 führt ein Pfeil weg, der für ein Produkt der Recyclingvorrichtung 20, nämlich das elektropositive Metall M steht. Zu der Recyclingvorrichtung 20 führt ein Pfeil hin, der für die Einführung eines Salzes oder Oxids MO_x des umzusetzenden elektropositiven Metalls M steht. Das elektropositive Metall M dient sozusagen als Energiespeicher 21. Dieser ist symbolisch durch einen Zylindertank 21 dargestellt, in den ein Pfeil mündet. Von diesem Zylindertank 21 als Energiespeicher führt ein Pfeil 22 weg, der den Transportweg zum Stahlwerk 30, 40 verbildlichen soll. Das elektropositive Metall M in seiner Funktion als Energiespeicher 21 kann zwar auch in einer Recyclingvorrichtung 20 direkt am Stahlwerk 30, 40 entstehen, jedoch ist auch ein Transport 22 des Metalls M denkbar, da dieser wesentlich effektiver und verlustfreier zu realisieren ist als der Transport vergleichbarer Energiespeicher wie etwa Wasserstoff oder auch im Vergleich zu einem Stromtransport über Übertragungsleitungen.
Dann sind noch eine Brennkammer 30 sowie eine weitere Vorrichtung des Stahlwerks 40 schematisch gezeigt, in denen folgende Prozesse stattfinden:
In der Brennkammer 30 findet die Kohlendioxidumsetzung mit dem elektropositiven Metall M statt. Durch einen in die Brennkammer 30 führenden und von der Brennkammer 30 wegführenden Pfeil ist gekennzeichnet, dass das Kohlendioxid CO₂ in die Brennkammer 30 einführbar ist und Kohlenmonoxid CO die Brennkammer 30 verlässt. Außerdem führt der Pfeil mit dem Oxid oder Salz des elektropositiven Metalls MO_x, der in die Recyclingvorrichtung 20 mündet, von dieser Brennkammer 30 weg.
Neben der Brennkammer 30 ist die Vorrichtung 40 des Stahlwerks gezeigt, in die das Kohlenmonoxid CO wieder eingespeist wird und aus der das Kohlendioxid CO₂ ausgeschieden wird. In dieser Vorrichtung findet also der Prozess statt, bei dem das Kohlenmonoxid CO zu Kohlendioxid CO₂ reagiert. Dies geschieht bei der Reduktion von Eisenoxiden wie sie bei der Verarbeitung von Eisenerzen für die Stahlherstellung vorgenommen wird. Die Vorrichtung 40 kann für den Hochofen des Stahlwerks stehen, in dem ein Teil des Kohlenmonoxids CO wieder verwendet wird, zusammen mit weiteren fossilen Brennstoffen. Die Vorrichtung 40 kann aber auch für einen Wirbelschichtreaktor stehen, in dem ein Direktreduktionsverfahren das gesamte Kohlenmonoxid CO als Reduktionsgas beansprucht. Dementsprechend wird kein neuer Kohlenstoff in das System eingebracht, sondern der Kohlenstoff vollständig in einen Kreislauf zwischen diesen beiden Vorrichtungen der Brennkammer 30 und dem Wirbelschichtreaktor 40 geführt. Die Figur verdeutlicht, dass neben dem Kohlenstoffkreislauf noch ein weiterer Kreislauf, nämlich der des elektropositiven Metalls M an den Stahlwerksprozess angekoppelt werden kann.
Die Verbrennung in der Brennkammer 30 soll insbesondere so geführt werden, dass das Endprodukt Kohlenmonoxid ist: 2Li + CO₂ → Li₂O + CO.
Das entstandene Kohlenmonoxid CO kann im Hochofen 40 des Stahlwerks direkt zur Reduktion des Eisenoxids verwendet werden. Dabei wird es wieder zu Kohlendioxid CO₂ umgesetzt. Dieses wird wieder der Brennkammer 30 zugeführt, wo es mit einem elektropositiven Metall M, insbesondere Lithium, reagieren kann. Dadurch wird also der Kohlenstoff in einem Zyklus gefahren. Dieser so zirkulierende Teil des Kohlenstoffs verlässt das Stahlwerk 30, 40 nicht mehr und führt zu verringerten CO₂-Emissionen.
Ein weiterer Vorteil der Kohlendioxid-Umwandlung mit dem elektropositiven Metall liegt darin, dass bei dem Verbrennungsschritt in der Brennkammer 30 Energie in Form von Hochtemperaturwärme erzeugt wird, die zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden kann. Vorzugsweise ist daher die Brennkammer 30 an ein Kraftwerk angekoppelt. In dem Fall kann die in dem Verbrennungsschritt in der Brennkammer 30 erzeugte Energie in Form von Hochtemperaturwärme an das Kraftwerk, insbesondere den Dampferzeuger in dem Kraftwerk zusätzlich zugeführt werden und der Erzeugung elektrischer Energie dienen.
Insbesondere wenn die aktuellen Anstrengungen zur Erzeugung regenerativer elektrischer Energie weiter so erfolgreich sind, kann in naher Zukunft genügend Energie aus diesen Quellen zur Verfügung stehen, den beschriebenen Kreislauf ökonomisch und ökologisch zu realisieren. Da diese elektrische Energie zu einem Zeitpunkt erzeugt wird, zudem sie nicht oder nicht vollständig verbraucht werden kann, ist es wichtig, dass diese temporär oder auch saisonal zwischengespeichert werden kann. Das beschriebene Recycling eines elektropositiven Metalls M, insbesondere Lithium, erfüllt diese Kriterien an einen solchen vollständig wieder verwertbaren Energieträger 21.
Der Hochofen eines Stahlwerks 40 emittiert ca. 1,3 Mio. Tonnen Kohlendioxid pro Jahr, bei einer Produktionskapazität von 4 Mio. Jahrestonnen Stahl. Zur Rückreduktion von 10% dieses Kohlendioxids CO₂ zu Kohlenmonoxid CO würden pro Jahr 42.000 Tonnen Lithium benötigt. Das Lithium wird dabei aber nicht in einem Durchlauf verbraucht, sondern in einem Kreislauf gehalten, in dem es wieder regeneriert wird. Je nach Zyklusdauer würde also nur ein Bruchteil der obengenannten Lithiummenge überhaupt benötigt. Würde beispielsweise das Lithium 10 × /Jahr den Zyklus durchlaufen, bräuchte man für eine Reduktion von 10% des Kohlendioxidausstoßes nur 4200 Tonnen Lithium im Kreislauf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008031437 A1 [0031]

Claims

Verfahren zur Kohlendioxidreduktion bei der Stahlherstellung, bei dem das im Stahlherstellungsprozess entstehende Kohlendioxid in einem Verbrennungsschritt mit einem elektropositiven Metall umgesetzt wird und wenigstens ein erstes Verbrennungsprodukt des Verbrennungsschritts in den Stahlherstellungsprozess zurück geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in dem Verbrennungsschritt kraftwerkstechnisch nutzbare thermische Energie erzeugt und diese in elektrische Energie umgewandelt wird und/oder dem Stahlherstellungsprozess zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das elektropositive Metall ein Metall der ersten oder der zweiten Hauptgruppe oder ein Metall mit einem Normalpotential kleiner als null Volt, insbesondere Lithium, ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das erste Verbrennungsprodukt Kohlenmonoxid aufweist, das zumindest teilweise in den Stahlherstellungsprozess zurück geführt und zur Reduktion von Eisenoxid verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das erste Verbrennungsprodukt einem Hochofenprozess des Stahlherstellungsprozesses zugeführt wird und dort einen Teil des im Hochofenprozess verwendeten Brennstoffs durch Kohlenmonoxid ersetzt.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem als Brennstoff Kohle und/oder Koks verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das erste Verbrennungsprodukt einem Direktreduktionsverfahren in dem Stahlherstellungsprozess zugeführt wird, in dem das erste Verbrennungsprodukt als Reduktionsgas fungiert.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem als Reduktionsgas Kohlenmonoxid und/oder ein Kohlenmonoxid-Wasserstoff-Gasgemisch verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem ein zweites Verbrennungsprodukt entsteht, welches elektrochemisch rückwandelbar ist und welches einem Rückwandelprozess zugeführt wird, in dem für die elektrochemische Rückwandlung regenerative Energie verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das zweite Verbrennungsprodukt ein Oxid und/oder ein Salz des elektropositiven Metalls umfasst, welches in dem Rückwandelprozess in das Metall umgesetzt wird.
Anordnung eines Stahlwerks mit einer Brennkammer (30), welche für die Umsetzung von im Stahlherstellungsprozess entstehendem Kohlendioxid (CO₂) mit einem elektropositiven Metall (M) in einem Verbrennungsschritt ausgestaltet ist, wobei in die Brennkammer (30) ein elektropositives Metall (M) einführbar ist, und wenigstens ein erstes Verbrennungsprodukt (CO) von der Brennkammer (30) ausführbar und in eine Vorrichtung (40) des Stahlwerks zurück führbar ist.
Anordnung nach Anspruch 11, wobei die Vorrichtung (40) des Stahlwerks ein Hochofen oder ein Wirbelschichtreaktor ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 11 oder 12 mit einer Recyclingvorrichtung (20), welche für eine elektrochemische Rückwandlung eines Oxids und/oder eines Salzes eines elektropositiven Metalls (MO_x) in das Metall (M) ausgestaltet ist.
Anordnung nach Anspruch 13, wobei die Recyclingvorrichtung (20) ausgestaltet ist, die für die Rückwandlung notwendige Energie aus einer regenerativen Energiequelle (10) zu beziehen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 14 mit einer Wärmetransporteinrichtung, über die die Brennkammer (30) mit dem Stahlwerk verbunden ist, so dass in der Brennkammer (30) durch den Verbrennungsschritt entstehende kraftwerkstechnisch nutzbare thermische Energie transportierbar und dem Stahlherstellungsprozess zuführbar ist.