Hiili terästeollisuudessa

Hiili terästeollisuudessa

Kivihiili on teräksenvalmistuksen tärkeä raaka-aine.

Maailman teräksen tuotannosta lähes kaksi kolmannesta tuotetaan raakaraudasta, jota tuotetaan kivihiilestä valmistettua koksia käyttävissä masuuneissa. Noin kolmannes teräksestä tuotetaan sähköä käyttävissä valokaariuuneissa, joissa raaka-aineena on kierrätysteräs. Teräksessä on noin 98% rautaa, loppuosa on hiiltä ja muita seosaineita. Hiili on teräksen tärkeimpiä seosaineita.

Teräksen tuotanto maailmassa 1950–2006

maailman-terastuotanto-1950-2006

Tuotanto on kasvanut voimakkaasti 2000–luvulla.

Teräksen käyttö on ollut voimakkaassa kasvussa 2000 –luvulla ja vuosituotanto on kasvanut kymmenessä vuodessa yli 50%

Suomalaiset teräksenvalmistajat SSAB (entinen Rautaruukki), Ovako ja Outokumpu käyttävät kivihiiltä ja koksia (kuivatislattua kivihiiltä) raudan ja ferrokromi tuotannon raaka-aineena sekä hyödyntävät raudan- ja teräksen valmistusprosesseissa hiilimonoksidi- ja vetypitoisia prosessikaasuja energianlähteenä.

Hiiliterästuotannossa rautamalmi pelkistetään kivihiilestä kuivatislatun koksin ja öljyn avulla masuunissa raakaraudaksi. Koksi ja öljy tuovat prosessiin pelkistimen, eli hiilen sekä jonkin verran vetyä. Pelkistysreaktiossa rautamalmin sisältämä happi pelkistyy hiilen avulla. Raakarauta sisältää noin 4,5 prosenttia hiiltä, ja rauta muuttuu teräkseksi, kun hiili poltetaan konvertterissa. Teräs on siis raudan ja hiilen seos. Tyypillisesti voidaan puhua teräksestä, kun raudan hiilipitoisuus on alle kaksi prosenttia. Koksin kuivatislauksessa (koksauksessa) ja raudanvalmistuksessa syntyy hiilimonoksidi- ja vetypitoisia koksi- ja masuunikaasuja, joita käytetään teräksen valmistuksen ja sen jatkojalostuksen tarvitsemassa sähköntuotannossa sekä polttoaineina eri terästehtaan osaprosesseissa. Esimerkiksi Raahen terästehtaalla noin 60 prosenttia tehtaan sähköntarpeesta tuotetaan masuunikaasulla.

Ruostumatoman teräksen raaka-aineen ferrokromin tuotannossa koksin hiiltä käytetään niin ikään kromirikasteen pelkistimenä ja prosessissa syntyneet prosessikaasut käytetään tehtaalla polttoaineena.

Tuotettua terästonnia kohti suomalaisyritysten hiilen kulutus on maailman alhaisimpien joukossa.

Teräksessä on noin 98% rautaa, loppuosa on hiiltä ja muita seosaineita. Hiili on teräksen tärkein seosaine. Suuri hiilipitoisuus nostaa lujuutta ja maksimilujuus saavutetaan noin 0,6% pitoisuudella, mutta matala hiilipitoisuus parantaa teräksen sitkeyttä. Teräksen lujuudella on vaikutusta lopputuotteiden energiankulutukseen ja hiilidioksidipäästöihin. Korkealujuusteräksen käytöllä voidaan esimerkiksi rakentaa kuljetusvälineistä kevyempiä ja näin alentaa niiden polttoaineenkulutusta.

Myös kemianteollisuus ja sementinvalmistus tarvitsevat hiiltä.

Teräksen valmistus

teraksen-valmistus
Kuva: Teräskirja s.9

Masuunikaasun kierrätys happimasuunissa

masuunikaasun-kierratys-happimasuunissa

Masuunikaasun kierrätyksen avulla tapahtuvan prosessin tehostamisen lisäksi ULCOS–ohjelmassa selvitetään muun muassa maakaasun, biomassan ja vedyn käyttöä teräksen tuotannossa kivihiilen sijasta. Myös hiilidioksidin talteenottoa ja varastointia tutkitaan hiileen perustuvassa teräksen valmistuksessa.

Kivihiili teräksen valmistuksessa ja teräksen kierrätys

kivihiili-teraksen-valmistuksessa

Teräksen valmistus happipuhalluskonvertterissa masuunin raakaraudasta ja kierrätysteräksestä valokaariuunissa.

Hiilidioksidin talteenotto ja varastointi terästeollisuudessa

Terästeollisuus tuottaa lähes 4% maailman hiilidioksidipäästöistä. EU:ssa myös terästeollisuus kuuluu päästökaupan piiriin. Terästeollisuus on energiankäyttöä tehostamalla pystynyt vähentämään hiilidioksidipäästöjä noin 50% 40 vuoden takaisesta. Lisävähennyksiä haetaan yhteistyössä ULCOS–ohjelmassa (Ultra Low CO2 Steelmaking), jossa on mukana 48 yritystä, myös Suomen terästeollisuus. Ohjelma on käynnistetty vuonna 2004 ja tähtäimessä on hiilidioksidipäästöjen vähentäminen jopa puoleen. Tavoitteena on tehdä demonstraatioprojekti ainakin yhteen terästehtaaseen vuoteen 2012 mennessä.

Potentiaalisin hiilidioksidipäästöjen vähentämiskeino on masuunissa syntyvän masuunikaasun kierrättäminen uudestaan prosessiin pelkistämään rautaa. Kaasun ominaisuuksia voidaan parantaa erottamalla siitä hiilidioksidi. Jos tämä voidaan tehdä taloudellisesti, päästään masuuniprosessissa hiilidioksidipäästöjen puolittamiseen.

Masuuniprosessin tehostuminen 1965–2005

masuuniprosessin-tehostuminen-1965-2005

Masuuniprosessin tehostuminen 40 vuoden aikajaksolla näkyy 20–30%:n laskuna pelkistysaineen (koksi + öljy + kivihiili) käytössä.