Dekarbonize: Co stojí v cestě výrobě udržitelné oceli?

Výroba oceli je dnes překvapivým zdrojem 8 % všech skleníkových plynů. Většina z nich vzniká při přeměně železné rudy na roztavené železo. Obvykle se k tomu používá uhlí.

Díky lepšímu a úplnějšímu pochopení chemie přeměny surové železné rudy na pevnou ocel vědci ze Stanfordu doufají, že se jim podaří dekarbonizovat jedno z uhlíkově nejnáročnějších průmyslových odvětví na světě.

Na druhou stranu čistě spalované vodíkové palivo, které jako vedlejší produkt produkuje pouze čistou vodu, představuje mnohem udržitelnější alternativu a pravděpodobně by se již dávno ujalo, nebýt technických problémů, které stále upřednostňují uhlí.

Inženýři chtějí tento postup změnit. Leora Dresselhaus-Maraisová ze Stanfordu a tým jejích kolegů z různých institucí nedávno odhalili, že příčinou těchto technických problémů jsou nejmenší částice v železné rudě. Tento objev by podle nich mohl otevřít cestu k novým reaktorům na bázi vodíku a „zelené oceli“.

Dresselhaus-Marais vysvětluje, že v reaktorech se pod vlivem vysokého tepla vodíkové reakce nanočástice, které jsou v rudách vždy přítomny, samovolně shlukují do podlouhlých, metličkovitých struktur, které reaktory ucpávají a časem snižují účinnost. To nakonec vede k selhání reaktoru, které odsunulo výrobu oceli na bázi vodíku do pozadí.

Dresselhaus-Marais a její tým se rozhodli problém vyřešit. Ukázali, jak zásadní roli hrají nanočástice ve whiskeringu. Tyto drobné hobliny, neboli „jemné částice“, se vyskytují v prachu železné rudy a vznikají při zpracování a přepravě rudy, když se o sebe třou větší milimetrové pelety železné rudy. Jemné částice mohou být asi stokrát až stotisíckrát menší než průměrná peleta.

Výroba železa je několikastupňový proces, při kterém se železná ruda (hematit, Fe2O3) nejprve oxiduje na magnetit (Fe3O4) a poté na meziprodukt známý jako wüstit (Fe1-xO), než se může rafinovat na čisté železo (Fe) vhodné pro výrobu oceli.

Náročným krokem je podle týmu přechod z wüstitu na čisté železo. Vědci poprvé prozkoumali a přesně popsali, jak přesně wüstit přechází na železo, a to pomocí pokročilých metod elektronové mikroskopie a rozptylu rentgenového záření.

Zjednodušení procesu

Předchozí studie whiskeringu se zabývaly pouze milimetrovými peletami a opomíjely roli, kterou v procesu whiskeringu hrají jemné částice. Ale právě tyto menší částice jsou nejdůležitější. Při specifických teplotách se slepují a vytvářejí whiskery, které ucpávají reaktory a způsobují poruchy.

Tato zjištění mají důležité důsledky pro budoucnost zelené oceli. Konkrétně Dresselhaus-Marais ukázala, že reakční dráha je u nanočástic zásadně odlišná od makročástic a že ke vzniku whiskeringu může docházet i mezi samotnými skupinami nanočástic, i když nemají makročástice, na které by se mohly přichytit.

„Naznačujeme, že by bylo výhodnější vynechat wüstitovou fázi a přejít od magnetitu rovnou k čistému železu, ale to se snáze řekne, než udělá,“ říká.

„Přesto by tyto nové poznatky mohly ocelářskému průmyslu otevřít cestu k netradičním, ale slibným surovinám, případně i k úplnému vynechání peletizace, aby bylo možné navrhnout a optimalizovat nové procesy výroby zelené oceli pro budoucnost.“

Zdroj: Stanford University, Life Technology, redakce