Nature Materials：电化学炼铁，大大降低能源消耗！

2023年10月11日下午4:56 • 顶刊解读

材料再利用和再循环是可持续发展的关键战略，有助于材料闭环，以实现循环经济。但这是一个缺乏技术创新的领域，迫切需要新的、创新的回收技术，迄今为止，材料开发的复杂性和规模已经超过了这些技术。

在商品金属中，钢铁的回收尤为重要。炼钢每年生产19亿吨粗钢，占所有人为CO₂排放量的约7%。大多数CO₂来自综合工厂粗钢生产的直接排放，每吨钢排放2.1-2.6吨CO₂。与此同时，在迷你工厂中使用电弧炉（EAF）回收钢废料每吨钢只排放0.4-1.0吨CO₂，其中大多数CO₂是发电的间接排放。因此，当通过回收保持的闭环后，CO₂排放量将大幅减少。然而，这一结果取决于回收钢的质量能否满足需求。

钢铁消费者一直要求更高质量的钢材，这些钢材需要严格控制碳等元素。例如，在先进的高强度钢中，孪生诱导塑性对碳特别敏感，对车辆安全很重要。其他汽车应用需要超低碳（<0.003 wt%）才能实现深度拉伸和更薄的车身面板。在不锈钢中，碳也保持在低水平，以减少致敏。要进入循环经济，二级炼钢必须满足这些需求，并将低价值废料转化为高价值钢材。

Nature Materials：电化学炼铁，大大降低能源消耗！

▲电弧炉

为了满足材料要求，EAF生产的熔铁通常需要在几个反应堆中进行处理。需要通过氩氧脱碳、真空罐脱气或再循环脱气进行精炼，才能将碳降至低水平。虽然这些技术会使铁脱碳，但它们是批量加工，消耗试剂，并将金属流失到矿渣中。另一个挑战是原料的可变性。废料成分差异很大，EAF通常含有一些高达4wt%碳的直接还原铁。因此，需要新技术来处理各种原料，以更少的试剂生产高价值产品。

多伦多大学的Gisele Azimi教授等人在Nature Materials上发布了最新的研究成果，Electrorefining for direct decarburization of molten iron，在这里作者提出了电精炼的概念，用于铁的直接脱碳。

在这里，作者演示了电精炼直接对铁水脱碳的概念（上图）。铁液阳极极化后，熔渣电解液中的氧化物离子通过一系列的电子转移步骤直接与铁中溶解的C反应生成CO，然后是气态CO的解吸。CO从阳极释放出来时，有价值的冶金级硅作为副产品在阴极被回收，用于钢铁厂。与高度依赖溶解氧反应的传统实践截然不同，这里的电精炼通过直接界面反应实现脱碳。作者的工艺适用于含任何碳含量的铁水，已经演示了超低碳钢的生产。电精炼能耗低，不需要试剂，自混合，从渣中回收金属。

除了满足目前对高质量钢的需求外，作者还希望通过简单的工艺控制和降低气体、脱氧剂和耐火材料的消耗来节约潜在的成本。除了作为一个独立的过程操作外，电精炼还可以与现有技术结合使用，以加强精炼。

为了了解能量需求，作者使用平均电池电位和电流效率来确定具体的能量消耗。具体能耗大多保持在每公斤碳10-20千瓦时左右，而理论能耗范围为每公斤碳2-8千瓦时。总体而言，电精炼的能耗低，而含碳量低的产品附加值高。

这种电精炼的主要应用在电弧炉小型钢厂，用于回收现有电力基础设施和生产高价值产品的钢铁。通过提高回收钢材的质量，电精炼有助于关闭材料循环，减少资源消耗，减少炼钢过程中的排放。

图文详情

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图1. 实验证明，在1600°C下，电精炼可直接脱碳含碳量为3.78%的铁水

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图2. 电化学技术阐明了铁液在1600°C下的脱碳途径

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图3. 铁水电精炼过程中直接脱碳机理示意图

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图4. 电精炼过程在不同碳浓度范围内的性能和基准

文献信息

Judge, W.D., Paeng, J. & Azimi, G. Electrorefining for direct decarburization of molten iron. Nat. Mater. (2021).

https://doi.org/10.1038/s41563-021-01106-z

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