Sản xuất sắt và thép chiếm khoảng 1/10 tổng lượng khí thải CO₂: Giáo sư giải thích cách chúng có thể xanh hơn
bởi Đại học New South Wales

biên tập bởi Sadie Harley, được Andrew Zinin duyệt

Phòng đúc của một cuộc đua lò cao tại Nhà máy thép Whyalla, Úc. Nguồn: UCL Engineering theo giấy phép Creative Commons Ghi công-Chia sẻ tương tự 2.0 Generic.

Giáo sư Yansong Shen, chuyên gia của UNSW, giải thích lý do tại sao việc tìm ra cách sản xuất sắt và thép theo cách thân thiện với môi trường và khả thi hơn lại quan trọng đến vậy.

Sắt và thép là những vật liệu thiết yếu được sử dụng để xây dựng hầu hết mọi thứ trên thế giới—từ nhà chọc trời và ô tô, đến cầu và tua-bin gió.

Nhưng bạn có biết rằng các phương pháp sản xuất sắt và thép hiện tại chiếm khoảng 7–9% tổng lượng khí thải carbon dioxide toàn cầu không?

Đó là lý do tại sao, trong nỗ lực giảm thiểu sự gia tăng nhiệt độ trung bình toàn cầu, việc tìm ra một phương pháp sạch hơn và xanh hơn để sản xuất những sản phẩm quan trọng này ngày càng trở nên quan trọng.

Giáo sư Shen, người đứng đầu Phòng thí nghiệm SCOPE về Kim loại Xanh (SCoPE) của UNSW, đang dẫn đầu nghiên cứu để phát triển các công nghệ luyện sắt chi phí thấp và phát thải thấp.

Ông cho biết việc nhanh chóng tìm ra giải pháp phù hợp cho thách thức sản xuất sắt và thép theo cách bền vững hơn là rất quan trọng, xét đến việc các kim loại này được sử dụng rất nhiều và bởi vì các nhà máy sản xuất có thể tồn tại trong nhiều thập kỷ.

Trong ngành công nghiệp thép, sắt chủ yếu được sản xuất bằng cách nấu chảy quặng sắt ở nhiệt độ rất cao trong lò cao chạy bằng nhiên liệu hóa thạch - cụ thể là than cốc (một dạng carbon có nguồn gốc từ than đá).

Sau đó, thép được sản xuất thông qua một quy trình thứ cấp, lấy sắt nóng chảy và loại bỏ tạp chất trong lò oxy cơ bản hoặc lò hồ quang điện.

Giáo sư Shen, Viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học và Kỹ thuật Công nghệ Úc, cho biết: "Thép là nền tảng của hầu hết các công trình và máy móc mà chúng ta sử dụng hàng ngày, và nhu cầu về những kim loại này dự kiến ​​sẽ còn tiếp tục trong tương lai".

"Một nhà máy sản xuất sắt thép tồn tại trong nhiều thập kỷ, vì vậy khi xây dựng một nhà máy như vậy, thực chất bạn đang cố định mức phát thải khí nhà kính trong nhiều năm tới.

"Đó là lý do tại sao việc tìm ra các giải pháp khả thi cho vấn đề này càng nhanh càng tốt, để sản xuất các phiên bản sắt thép chất lượng xanh hơn, đồng thời duy trì mức cung cần thiết cho thị trường toàn cầu, lại vô cùng quan trọng. Đó là con đường thiết thực duy nhất để thay đổi.

"Những kim loại xanh này có cùng đặc tính với sắt thép 'thông thường'. Tức là, chúng bền, chắc và trông giống hệt nhau", Giáo sư Shen nói thêm.

"Vì vậy, các nhà sản xuất ô tô, nhà xây dựng và kỹ sư có thể sử dụng chúng theo cách hoàn toàn giống nhau mà không ảnh hưởng đến tính an toàn hay hiệu suất."

Trong bài viết này, Giáo sư Shen sẽ giải thích các lựa chọn khác nhau để chuyển đổi ngành sản xuất sắt thép và những thách thức vẫn cần phải vượt qua, về tiềm năng khử cacbon và quan trọng hơn là chi phí sản xuất.

Quy mô của vấn đề
Sản xuất sắt thép chiếm khoảng 7–9% lượng khí thải CO₂ toàn cầu.

Con số này cao hơn bất kỳ ngành công nghiệp nào khác, bao gồm hàng không (khoảng 2,5%), vận tải biển (khoảng 2,3%), và thậm chí cả khai khoáng (4–7%).

Khi dân số tăng và tốc độ đô thị hóa diễn ra nhanh chóng, nhu cầu thép và sắt trên toàn cầu không có dấu hiệu chậm lại. Điều này làm cho nhu cầu sản xuất xanh hơn các kim loại này trở nên vô cùng quan trọng.

"Sắt xanh" và "thép xanh" là những thuật ngữ chung được sử dụng để mô tả những loại thép được sản xuất bằng cách sử dụng ít nhiên liệu hóa thạch hơn đáng kể, và trong một số trường hợp, thậm chí không sử dụng nhiên liệu hóa thạch.

Con đường dẫn đến sắt và thép xanh
Có một số con đường chính đang được khám phá và phát triển để sản xuất sắt và thép xanh, mỗi con đường đều có những đặc điểm, lợi thế và thách thức riêng.

Sắt khử trực tiếp dựa trên hydro
Một con đường đầy hứa hẹn để cắt giảm đáng kể lượng khí thải là sắt khử trực tiếp dựa trên hydro (H-DRI) kết hợp với lò hồ quang điện (EAF).

Trong quá trình này, quặng sắt phản ứng với hydro xanh để tạo ra sắt nguyên chất, gần như loại bỏ hoàn toàn lượng khí thải carbon dioxide. Sau đó, sắt được chuyển đổi thành thép trong lò hồ quang điện chạy bằng điện tái tạo.

Mặc dù phương pháp này hứa hẹn giảm 80–90% lượng khí thải, nhưng hiện tại nó phụ thuộc vào nguồn cung ổn định và giá cả phải chăng của tất cả quặng sắt chất lượng cao, hydro xanh và năng lượng tái tạo - những nguồn tài nguyên đang phải đối mặt với chi phí đáng kể và hạn chế nguồn cung cực độ ở hầu hết các khu vực.

Tái chế thép phế liệu
Một phương pháp khác đơn giản là nấu chảy và tái chế thép phế liệu trong lò hồ quang điện.

Kỹ thuật này, khi được cung cấp năng lượng bằng điện xanh, sẽ bỏ qua nhu cầu giảm quặng sắt và do đó có thể giảm lượng khí thải xuống gần bằng không. Đây cũng là một trong những phương pháp "thép xanh" tiên tiến và phổ biến nhất hiện nay.

Tuy nhiên, khả năng mở rộng của nó bị hạn chế bởi sự sẵn có và chất lượng của thép phế liệu. Các nền kinh tế tăng trưởng nhanh thường cần nhiều "thép mới" hơn so với khả năng cung cấp của vật liệu tái chế, đặc biệt là cho các dự án cơ sở hạ tầng lớn.

Quá trình này cũng có thể được thực hiện với polyme