Teollisuuden rautamalmipellettien vetypelkistys. Moniasteikkoinen pinnalta ytimeen -tutkimus

Rauta- ja terästeollisuus on merkittävä osa globaalia taloutta, mutta samalla se on yksi suurimmista hiilidioksidipäästöjen lähteistä, vastaten noin 7 % maailmanlaajuisista päästöistä. Perinteiset teräksenvalmistusmenetelmät, erityisesti masuunin (BF) ja konvertterin (BOF) käyttö, perustuvat koksiin pelkistimenä, mikä johtaa noin 1,9 metrisen tonnin CO₂-päästöihin jokaista tuotettua terästonnia kohden. Vaikka sähkökaariuunit (EAF), jotka hyödyntävät romuterästä ja suoraan pelkistettyä rautaa (DRI), ovat vähäpäästöisempiä, myös niissä syntyy CO₂-päästöjä, kun pelkistimenä käytetään hiilimonoksidia. Tämä on lisännyt kiinnostusta vähähiilisiin ja kestävämpiin raudanvalmistusteknologioihin.

Yksi lupaavimmista ratkaisuista on vihreän vedyn käyttö pelkistimenä hiilipohjaisten aineiden sijaan. Vetyä voidaan hyödyntää teräksentuotannossa kolmella päätavalla: (1) ruiskuttamalla vetyä olemassa oleviin masuuneihin korvaamaan osittain koksi, (2) käyttämällä pelkästään vetyä suoran pelkistyksen (DR) prosesseissa, kuten akseliuuneissa, ja (3) plasma-vedyn pelkistyksessä, jossa malmi sulatetaan ja pelkistetään samanaikaisesti. Näistä vaihtoehdoista suora vedynpelkistys on lähimpänä teollista mittakaavaa, ja useat yritykset ovat jo aloittaneet laitosten suunnittelun. Täydellinen ja nopea siirtyminen pois masuuneista ei kuitenkaan ole realistista, joten vedyn ruiskuttaminen olemassa oleviin prosesseihin nähdään lyhyen aikavälin ratkaisuna.

Tutkimuksen loppuosa keskittyy vedynpelkistyksen kinetiikan syvälliseen tarkasteluun, erityisesti kahden eri tyyppisen teollisen rautamalmin pelletin osalta, jotka poikkeavat toisistaan kemiallisilta ja fysikaalisilta ominaisuuksiltaan. Tavoitteena oli paikantaa pelkistysnopeuteen vaikuttavat keskeiset tekijät ja täydentää olemassa olevaa tietoa. Pelkistyskäyttäytymistä analysoitiin sekä pinnan tasolla että pelletin sisäosissa. Pintapelkistystä tutkittiin käyttämällä APXPS-menetelmää (ambienteissa paineolosuhteissa suoritettava röntgenfotoelektronispektroskopia), tarjoten uutta tietoa aivan pinnan läheltä. Sisäistä pelkistymistä tutkittiin termogravimetrisella analyysilla (TGA) eri lämpötiloissa, mikä tarjosi tarkkoja tietoja reaktiokinetiikasta.

Tutkimuksen keskeinen havainto liittyy vesihöyryn vaikutukseen, jota esiintyy luonnostaan vedynpelkistysprosessissa, mutta jota on tutkittu vain vähän. Vesihöyryn vaikutuksia analysoitiin järjestelmällisesti laajalla alueella (jopa 30 % vesihöyryä), mikä tekee havainnoista erityisen merkityksellisiä teollisuuden kannalta. Tarkastelemalla prosessia mikro-, meso- ja makrotasolla tutkimus tarjoaa kattavaa tietoa vedyn diffuusiosta, rakenteellisista muutoksista ja rajapintareaktioista. Tulokset luovat vahvan perustan vedyn käyttöön perustuvan raudanvalmistuksen optimoinnille tulevaisuudessa.