Tiềm năng khử cacbon của than sinh học cho ngành công nghiệp luyện kim châu Âu
Dưới áp lực toàn cầu hướng tới mục tiêu trung hòa carbon, châu Âu đang đối mặt với một thế tiến thoái lưỡng nan trong công nghiệp: vừa đạt được mục tiêu trung hòa khí hậu vừa đảm bảo quyền tự chủ chiến lược và khả năng cạnh tranh công nghiệp. Ngành công nghiệp luyện kim, xương sống của nền công nghiệp châu Âu, tiêu thụ khoảng 50–60 triệu tấn than luyện kim mỗi năm. Lượng khí thải CO₂ từ ngành này chiếm khoảng 8% tổng lượng khí thải nhà kính của EU. Do đó, việc khử cacbon trong ngành này là chìa khóa để đạt được các mục tiêu khí hậu của châu Âu. Trong bối cảnh này, than sinh học, một nguồn carbon tái tạo, đang nổi lên với giá trị độc đáo và tiềm năng to lớn trong ngành công nghiệp luyện kim châu Âu.
Sản xuất và ứng dụng than sinh học
Than sinh học, được sản xuất thông qua quá trình nhiệt phân có kiểm soát sinh khối bền vững, đã được công nhận về khả năng loại bỏ carbon thông qua việc bón vào đất. Trong những năm gần đây, ứng dụng công nghiệp của than sinh học đã được mở rộng, đặc biệt là trong luyện thép và kim loại. Than sinh học đã trở thành một giải pháp thay thế đáng tin cậy cho than đá trong các quy trình công nghiệp. Nó đáp ứng các yêu cầu về hóa học và cấu trúc đối với carbon nguyên tố trong luyện kim, đồng thời giảm phát thải carbon hóa thạch ngay tại nguồn.
Vai trò là chất khử
- Cải thiện chất lượng luyện kim: Là một chất khử, than sinh học hỗ trợ hiệu quả quá trình khử oxit kim loại trong quặng, chẳng hạn như sắt, nhôm, đồng và kẽm. Điều này giúp nâng cao chất lượng và độ tinh khiết của sản phẩm, đồng thời giảm thiểu tạp chất.
- Giảm lượng khí thải Carbon: So với than cốc truyền thống, than sinh học thải ra ít CO₂ hơn trong quá trình khử và cháy sạch hơn. Điều này làm giảm đáng kể lượng khí thải carbon trong quá trình nấu chảy và giảm thiểu tác động của khí nhà kính.
Vai trò là một nguồn năng lượng tái tạo
- Giảm sử dụng nhiên liệu hóa thạch: Trong ngành luyện kim, than sinh học có thể thay thế một phần hoặc toàn bộ than đá và than cốc làm nhiên liệu nhiệt độ cao trong các hoạt động luyện kim, gia nhiệt và lò nung. Điều này giúp giảm sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng không tái tạo.
- Hỗ trợ tính trung hòa carbon: Được chiết xuất từ sinh khối bền vững, than sinh học thải ra một lượng carbon được kiểm soát trong quá trình sử dụng. Nó có thể đóng vai trò là một phần của chiến lược trung hòa carbon, giúp các ngành công nghiệp đạt được mục tiêu giảm phát thải.
Ứng dụng than sinh học trong sản xuất thép ở Châu Âu: Khử cacbon toàn chuỗi
Silicon
Silic đóng vai trò trung tâm trong pin quang điện, chất bán dẫn, hợp kim hiệu suất cao và silicon. Ở châu Âu, việc luyện silic truyền thống phụ thuộc vào than cứng nhập khẩu, vốn có hàm lượng carbon cố định tương đối thấp, khoảng 55% và khả năng phản ứng kém hơn so với than sinh học. Do đó,
- Thông thường cần 1.6 tấn than để sản xuất 1 tấn silic, trong khi chỉ cần 1.1 tấn than sinh học chất lượng cao là đủ.
- Việc thay thế than bằng than sinh học có thể cắt giảm lượng khí thải CO₂ trực tiếp từ 4.5 tCO₂/tSi xuống chỉ còn 0.5 tCO₂/tSi.
Hiện tại, sản xuất silic ở châu Âu vẫn phụ thuộc vào than củi và than đá nhập khẩu, một mô hình không bền vững. Việc phát triển sản xuất than sinh học hiện đại, nội địa hóa có thể đảm bảo nguồn cung, giảm phát thải thượng nguồn và củng cố vị thế của châu Âu trên thị trường luyện kim carbon thấp toàn cầu.
Thép
Thép là nền tảng của nền kinh tế hiện đại. Cacbon nguyên tố vẫn thiết yếu trên tất cả các tuyến đường sản xuất thép. Than sinh học, với tư cách là chất mang cacbon phản ứng, tái tạo, hỗ trợ quá trình khử cacbon trong cả chuỗi quy trình chuyển tiếp và tương lai như được mô tả dưới đây. Nhu cầu than sinh học trong ngành thép châu Âu dự kiến sẽ đạt 620,000 tấn vào năm 2030, tăng lên khoảng 4.1 triệu tấn vào năm 2050 và ổn định trong những năm tiếp theo.
Tuyến đường 1: Lò cao – Lò oxy cơ bản (BF-BOF) – Các trường hợp sử dụng chuyển tiếp
Trong giai đoạn chuyển tiếp dần dần loại bỏ phương pháp BF-BOF truyền thống (cho đến năm 2050), than sinh học có thể góp phần giảm phát thải theo ba cách:
- Thay thế Coca-Cola: Than sinh học vẫn đang trong quá trình phát triển, có tiềm năng thay thế hạn chế, nhưng có thể cung cấp thời gian chuyển đổi có giá trị cho ngành công nghiệp.
- Sự thay thế của Coke Breeze: Quá trình thiêu kết sử dụng 50kg than cốc cho mỗi tấn thép, có thể thay thế trực tiếp bằng than sinh học theo tỷ lệ 1:1.
- Thay thế phun than nghiền: Chỉ cần điều chỉnh nhỏ cho cây trồng, than sinh học có thể được sử dụng ngay lập tức với khối lượng lớn hơn, theo tỷ lệ thay thế 1:1.
Tuyến đường 2: Sản xuất thép bằng lò hồ quang điện (EAF): Ưu tiên thay thế sớm
Trong lộ trình EAF chính thống trong tương lai, than sinh học đóng vai trò quan trọng hơn:
- Hỗ trợ hoạt động EAF dựa trên phế liệu: Các lò EAF này cần 12–24 kg carbon/tấn để đảm bảo độ ổn định của hồ quang điện, hiệu suất năng lượng và kiểm soát xỉ. Than sinh học đặc biệt hấp dẫn do hàm lượng tro thấp và khả năng phản ứng cao.
- Hỗ trợ sản xuất thép gốc hydro: DRI gốc hydro cũng phải được nấu chảy trong lò EAF, nhưng nhu cầu carbon tăng lên 30–40 kg/tấn. Ngoài các chức năng đã đề cập ở trên, than sinh học còn cần thiết để tối đa hóa sản lượng sắt và hiệu quả quy trình.
Chất lượng than sinh học và ứng dụng trong luyện kim
Để đáp ứng các yêu cầu vận hành khắt khe của quy trình luyện kim, than sinh học phải đạt hàm lượng carbon cố định cao (>75%) và thể hiện chất lượng đồng đều trên nhiều thông số vật lý và hóa học. Hàm lượng tro thường thấp và hàm lượng các nguyên tố vi lượng như lưu huỳnh, sắt, phốt pho, bo, v.v. thấp là những lợi thế. Về kích thước hạt, mật độ và độ bền cơ học, than sinh học có thể được thiết kế hoặc kết tụ để phù hợp với nhu cầu cụ thể của nhiều mục đích sử dụng khác nhau.
| danh mục sản phẩm | Mô tả Chi tiết | Kích thước máy | FC (%) | Trường hợp sử dụng |
|---|---|---|---|---|
| Khối Biocarbon | Khả năng phản ứng cao đối với Si / FeSi | 10 tầm 60 mm | 80 tầm 82% | Silic/FeSi |
| Chất dễ bay hơi trung bình | 10 tầm 60 mm | 82 tầm 85% | Hợp kim sắt, EAF (bán hở) | |
| Lò nung kín | 10 tầm 60 mm | Lớn hơn 85% | Hợp kim sắt, EAF (đóng cửa) | |
| Than sinh học mịn | Dùng để tiêm hoặc kết tụ | 3 tầm 8 mm | 80 tầm 90% | EAF, BF, tiêm |
| Bánh quy | Ép lăn hoặc dập | Biến | 75 tầm 85% | Quy trình chung |
| Viên | Đùn với chất kết dính | <20 mm | 75 tầm 85% | Được thiết kế để tương thích với quy trình |
| Cục đùn | Định dạng kỹ thuật mật độ cao | > 20 mm | Lớn hơn 85% | Hợp kim fero lò kín |
| E-coke | Hỗn hợp than sinh học và than antraxit | Biến | Lớn hơn 85% | Chuyển đổi EAF/BF/BOF |
| H-coke | Chia sẻ than cốc với than sinh học | Biến | Lớn hơn 85% | Kết hợp với coca truyền thống |
Triển vọng nhu cầu than sinh học ở Châu Âu
Nhu cầu than sinh học trong ngành luyện kim của châu Âu đang bước vào giai đoạn tăng trưởng nhanh chóng. Sự tăng trưởng này sẽ không diễn ra tự nhiên. Để khai thác hết tiềm năng của than sinh học, châu Âu cần hành động ngay để xác nhận các ứng dụng của nó, đơn giản hóa các quy trình quản lý và hỗ trợ đầu tư vào sản xuất quy mô công nghiệp. Nhìn chung, đến năm 2040, năng lực sản xuất than sinh học sẽ cần đạt 20.6 triệu tấn để đáp ứng nhu cầu carbon tái tạo của ngành luyện kim, tạo ra hiệu ứng carbon ròng tương đương với 400 triệu tấn CO₂ (tức là lợi ích carbon tuần hoàn của than sinh học). Hình dưới đây tóm tắt những dự báo này trên tất cả các ứng dụng công nghiệp, bao gồm silic và hợp kim ferro, thép (cả quy trình BF-BOF và EAF), cũng như các quy trình luyện kim và hóa học khác và việc sử dụng carbon có trách nhiệm.
Kết luận
Việc ứng dụng than sinh học trong ngành công nghiệp luyện kim châu Âu không chỉ là một sự thay thế công nghệ mà còn là một bước chuyển đổi mô hình trong ngành. Mục tiêu của nó là thể chế hóa các cơ chế tái chế và phát thải carbon thân thiện với môi trường, biến chúng thành nền tảng của chính sách công nghiệp châu Âu. Điều này có ý nghĩa sâu rộng và lâu dài cho sự phát triển bền vững trong tương lai.
