Công nghệ sản xuất gang thép là một trong những ngành tiêu thụ năng lượng lớn nhất trên thế giới, và tạo ra khoảng hơn 8% tổng lượng phát thải CO2 của toàn cầu. Đây cũng là một ngành công nghiệp khó giảm phát thải cacbon nhất do quy trình công nghệ sản xuất chủ yếu là dựa vào lò cao (BF) sử dụng than làm nhiên liệu.
Vì vậy, công nghệ điện phân ôxyt nóng chảy (MOE - molten oxide electrolysis) đã được phát triển nhằm sử dụng năng lượng tái tạo để chuyển trực tiếp nguyên liệu quặng sắt sang sắt lỏng có độ thuần khiết cao. Công nghệ một bước này tránh được phát thải khí CO2 từ sản xuất gang (hoặc sắt xốp) như hiện nay, không tạo ra nhiều chất thải, quy trình công nghệ đơn giản, linh hoạt về quy mô sản lượng, và thực sự là giải pháp không phát thải cacbon.
Công nghệ điện phân ôxyt nóng chảy trong sản xuất thép
Biến đổi khí hậu là một trong những vấn đề lớn mà thế giới đang phải ứng phó do việc phát thải khí nhà kính trong các lĩnh vực công nghiệp. Trong đó, ngành sản xuất gang thép trên thế giới phát thải khoảng 2 tỷ tấn khí CO2 hằng năm. Để giảm lượng phát thải này, cần có các công nghệ mới cắt giảm đáng kể lượng khí nhà kính.
Các công nghệ sản xuất sắt xốp bằng hoàn nguyên trực tiếp sử dụng khí tự nhiên (NG-DRI) và khí hyđrô (H2- DRI) cho phép ngành thép giảm phát thải khí CO2. Tuy nhiên, những công nghệ này cũng có những hạn chế như: (i) Chỉ tạo ra khả năng giảm phát thải trong quá trình sản xuất; (ii) Chỉ có thể tạo ra một tỷ lệ sản lượng nhỏ trên thị trường; (iii) Có nhược điểm về chi phí so với công nghệ sản xuất truyền thống; (iv) Phụ thuộc vào chuỗi cung ứng toàn cầu đối với nguồn nguyên liệu.
Một trong những quy trình công nghệ tiềm năng để cắt bỏ hoàn toàn phát thải cacbon là sản xuất sắt bằng công nghệ điện phân nóng chảy trực tiếp quặng sắt (MOE – Molten oxide electrolysis). Ý tưởng này có nguồn gốc từ sự phát triển sản xuất khí ôxy trên mặt trăng và sau đó là ứng dụng để sản xuất các kim loại có độ thuần khiết cao.
Hiện nay, ứng dụng công nghệ này trong sản xuất các kim loại đã đạt được những bước tiến đáng kể về quy mô sản lượng và hiệu quả kinh tế, ví dụ như công nghệ Hall–Héroult để sản xuất Al kim loại. Tuy nhiên, Fe có nhiệt độ nóng chảy cao nên trước đây được coi là không phù hợp để sản xuất quy mô lớn bằng các công nghệ điện hóa khi yêu cầu cao về vật liệu của bể điện phân và hiệu suất thấp.
Gần đây, công nghệ MOE là một phương pháp sản xuất thép có thể thay thế cho các phương pháp truyền thống trong tương lai. Với hai loại sản phẩm thu được là Fe kim loại và ôxy, công nghệ này được coi là rất hiệu quả và có phát thải trực tiếp khí nhà kính là không.
Đặc điểm của công nghệ điện phân ôxyt nóng chảy trong sản xuất thép
Công nghệ MOE đáp ứng tất cả các yêu cầu kỹ thuật để giảm phát thải cacbon và có thể cần được chú trọng từ ưu tiên chính sách quốc gia. Ở quy mô sản xuất công nghiệp, MOE có khả năng cung cấp cho ngành thép với mức chi phí thấp hơn khoảng 15% so với các công nghệ sản xuất thép như hiện nay bởi đơn giản hóa nhiều công đoạn thành một công đoạn.
Tương tự như sản xuất nhôm, MOE hoạt động trong các buồng phản ứng đơn lẻ và có thể đạt hiệu quả với sản lượng ít hơn 100.000 tấn/năm đối với một mô đun. Điều này giảm rào cản đối với sự phát triển công nghệ MOE và tạo ra tính linh hoạt ứng dụng cao nhất để cung ứng cho tất cả các loại hình nhà máy phía sau, từ sản xuất thép quy mô nhỏ sử dụng lò EAF đến các loại hình khác có quy mô lớn hơn.
Do sự phát triển của công nghệ MOE dựa trên tính đơn giản, lợi ích đối với môi trường, chi phí thấp, và đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về thép xanh nên sẽ khó bị thay đổi trong tương lai về ưu tiên chính trị và các sự kiện quốc tế khi mà chỉ có công nghệ này mới có thể đáp ứng 100 % về cắt bỏ hoàn toàn phát thải cacbon trong sản xuất thép.
Công nghệ này có ưu điểm là sản xuất được Fe kim loại có độ thuần khiết cao và không phát thải trực tiếp khí CO2. So với loại hình công nghệ hiện đang sử dụng (Lò cao ® Lò thổi ôxy) với vốn đầu tư ban đầu lên đến hàng tỷ USD, công nghệ MOE có chi phí đầu tư chỉ vài triệu USD với quy mô sản lượng nhỏ hơn rất nhiều). Mặt khác, do lượng điện sử dụng rất lớn nên cần được kết hợp với nhà máy điện tái tạo. Nếu sử dụng nhiệt điện, hệ số phát thải CO2 gián tiếp sẽ rất lớn. Đây cũng là một hạn chế của công nghệ MOE.
Tương lai của công nghệ điện phân ôxyt nóng chảy trong sản xuất thép
Lúc ban đầu, công nghệ MOE sử dụng anot bằng Iridium, tuy nhiên, điều này không khả thi khi sử dụng vật liệu này trong thực tế do giá thành cao và hiệu quả kinh tế kém. Giáo sư Sadoway và các cộng sự đã tìm giải pháp thay thế là sử dụng hợp kim hệ Fe-Cr để chế tạo anot. Do Cr rẻ hơn rất nhiều so với Ir nên có thể mở ra triển vọng phát triển công nghệ này trong tương lai.
Điện phân quặng sắt không được phát triển trong những năm qua bởi vì vấn đề cân bằng năng lượng và tiêu hao năng lượng. Hơn nữa, cho đến tận bây giờ, ứng dụng của công nghệ này để sản xuất Fe bị cản trở do những khó khăn trong việc tìm kiếm vật liệu phù hợp để chế tạo anot cũng như các điều kiện thách thức khác.
Phát triển gần đây của công nghệ này được tiếp tục nghiên cứu rộng rãi để sản xuất Fe kim loại từ quặng sắt nhằm đạt phát thải cacbon bằng không, hướng tới thay thế các công nghệ hỏa luyện hiện nay vẫn đang phát thải một lượng lớn khí nhà kính.
Dựa trên những yêu cầu về cắt bỏ phát thải cacbon toàn cầu trong ngành thép, so với các công nghệ mới khác đang được nghiên cứu thì công nghệ MOE được đánh giá như sau:
- Là công nghệ hoàn toàn không phát thải CO2: Để giảm 100 % phát thải trên toàn cầu, công nghệ sử dụng để sản xuất gang phải không tạo ra phát thải khí CO2. Trong khi các công nghệ như NG-DRI giảm phát thải đáng kể (~ 30 %) so với công nghệ sử dụng than, những công nghệ mới phải đạt tới giảm phát thải toàn cầu 100%. MOE là công nghệ phát thải zero-CO2 mà sử dụng điện phân trực tiếp quặng ôxyt sắt để sản xuất sắt lỏng và ôxy, cho phép cắt bỏ hoàn toàn phát thải cacbon trong ngành thép trên thế giới.
- Có thể sử dụng 100% trữ lượng quặng sắt trên thế giới: Hiện nay, công nghệ sản xuất gang thép trên cơ sở than vẫn đang sử dụng hoàn toàn các loại quặng sắt thương mại. Để cung cấp cho thị trường toàn cầu, các công nghệ phải có khả năng sử dụng những loại quặng như hiện đang cung cấp.
Các công nghệ như NG-DRI-EAF và H2-DRI-EAF bị hạn chế là phải sử dụng nguồn quặng chất lượng cao (chỉ có ~ 3 % trữ lượng trên thế giới). Ngược lại, các công nghệ như BF-BOF có thể sử dụng tất cả các loại quặng nhưng cơ bản là không giảm được phát thải CO2. Sản xuất sắt bằng công nghệ MOE có thể sử dụng tất cả các loại quặng với tổng lượng sắt nhỏ hơn rất nhiều, đảm bảo rằng công nghệ này có tiềm năng để sử dụng toàn bộ trữ lượng quặng sắt trên thế giới.
- Chi phí cạnh tranh mà không cần hỗ trợ: Trong khi thế giới hiện đang trong bối cảnh khuyến khích mạnh mẽ các ngành công nghiệp giảm phát thải cacbon, công nghệ này có thể không phải luôn là trường hợp đặc biệt. Bởi vì đầu tư của các chính phủ hiện nay nên tập trung vào những công nghệ có tiềm năng với chi phí cạnh tranh, giải pháp lâu dài mà không cần hỗ trợ hoặc áp lực chính sách liên quan đến các công nghệ đang sử dụng than.
Ví dụ, công nghệ NG-DRI và H2-DRI có chi phí cạnh tranh hơn nhưng giá vẫn đắt hơn thép sản xuất từ công nghệ sử dụng than; do đó, mặc dù là tạo ra tăng trưởng xanh nhưng sẽ hạn chế phát triển rộng rãi. Đặc điểm của công nghệ MOE là đơn giản, giảm gánh nặng của ngành thép về năng lượng và môi trường bằng cách giảm nhiều công đoạn trong công nghệ hiện nay thành một công đoạn.
Công nghệ này có thể giảm thiểu năng lượng đầu vào, cải thiện hiệu quả quá trình, và giảm phát thải cacbon là những yêu cầu đối với sản xuất thép. Như vậy, công nghệ MOE có thể giảm chi phí khoảng 15 % so với thép sản xuất từ công nghệ sử dụng than mà không cần hỗ trợ từ các chính phủ. Đầu tư để chuyển đổi sang công nghệ MOE với quy mô thương mại sẽ tạo ra giải pháp cắt giảm cacbon lâu dài mà sẽ tiếp tục tăng trưởng trong thị phần điều tiết bởi yếu tố kinh tế, cho phép chuyển đổi sang cắt giảm 100 % phát thải cacbon.
– Có khả năng áp dụng toàn cầu thông qua một mô đun hoặc mở rộng quy mô theo lộ trình: Công nghiệp thép là cực kỳ thận trọng do tỷ suất lợi nhuận thấp trong thời gian dài, chu kỳ đầu tư dài, cơ sở hạ tầng cần vốn đầu tư cao, và cạnh tranh từ thị trường quốc tế không được kiểm soát.
Điều này tạo ra khó khăn để ngành này đầu tư những công nghệ mới mà yêu cầu quy mô lớn để cạnh tranh được về chi phí, như công nghệ H2-DRI. Công nghệ MOE sử dụng thiết kế buồng phản ứng, tương tự như điện phân nóng chảy nhôm, mà có thể sử dụng với quy mô công suất mở rộng đến dưới 100.000 tấn/năm, và hoàn toàn có thể kết hợp với lò điện hồ quang (EAF).
