Karakterisering av agglomererte biokokser og vurdering av egnetheten som reduksjonsmiddel i produksjon av manganlegeringer

Metallproduksjon går ut på utvinning av metall fra malmer, malmer er betegnelsen på metaller som er i en oksidert tilstand, det vil si bundet til oksygen. For å få bort oksygenet varmes malmene opp sammen med en karbonkilde som da går inn og fjerner oksygenet fra malmen slik at vi får ut metallet vi er interessert i. Biproduktet fra denne prosessen er da CO gass som forbrennes videre til CO2 som slippes ut i atmosfæren og bidrar da til CO2 utslipp. Avhengig av hva slags metall man produserer er det mulig å bruke litt forskjellige kilder til karbon, men for manganproduksjon er det hittil bare koks produsert fra fossilt kull som har vist seg å fungere tilstrekkelig og ikke gi ekstra produksjonsproblemer. Prosessindustrien har som mål å være karbonnøytral innen 2050. Det betyr at industrien ikke skal bidra til økte CO2 utslipp og bruke grønne karbonkilder. Grønne karbonkilder (biokarbon) vil da være trevirke eller annet plantemateriale som har vokst opp i løpet av de siste 5-50 år og ikke er flere millioner år gammelt som er tilfelle for fossilt kull. Trevirke vil da representere gjenbruk av karbon og holde den totale karbonmengden i atmosfæren den samme sett ut fra et 5-50 års perspektiv. Det vi slipper ut ved forbrenning av biokarbon er da samme mengde CO2 som treet tok ut av atmosfæren under vekst. For at det trevirke eller annet plantemateriale skal kunne brukes som karbonkilde i manganproduksjon på det oppfylle en del kriterier. Prosjektet går ut på å kartlegge disse egenskapene på fossil koks som blir brukt i dag og så se på hvordan fremstillingsprosessen av biokarbon kan justeres for best å imøtekomme de kriteriene manganproduksjon stiller. For karakterisering av de forskjellige karbonmaterialene egnethet som reduksjonsmiddel brukes en metode der malmblandingen legges oppå et flat overflate av det aktuelle karbonmaterialet. Dette varmes så opp til 1200 grader Celsius hvor malmen smelter og danner en flytende dråpe av oppå karbonmaterialet. Dette kalles for sessile drop metoden. Malmen refereres som regel til som en slagg. Etter videre temperaturøkning opp til 1600 grader begynner karbonmaterialet å reagere med slaggdråpen og produsere det ønskede metallet og CO gass. Denne CO gassen forbrennes siden videre til CO2. Ovnen disse eksperimentene kjøres på er utstyrt med vinduer så man kan studere dråpens oppførsel mens reaksjonen går under den aktuelle temperaturen. Der kan man da se hvor godt slaggen fukter karbonmaterialet. Dårlig fuktning vil si at dråpen kryper sammen og forsøke å minimalisere kontakten mot underlaget, ved god fuktning øker kontaktflaten mellom dråpen og underlaget. Høy fuktning mellom slaggen og karbonmaterialet vil dermed si større areal der reaksjonen mellom slaggen og karbonmaterialet kan skje og er dermed en ønsket egenskap. I tillegg til fuktning kan man kontinuerlig måle endringer i dråpens volum mens reaksjonen går. Volumendringer vil komme av at slaggen avgir CO gass og av at metall har høyere tetthet enn slagg og dermed tar mindre volum. Denne volumendringen kan da brukes til å beregne hvor mye av slaggen som er redusert som funksjon av tid og dermed reduksjonshastigheten til hvert enkelt karbonmaterial. I de innledende forsøk hittil i prosjektet er to forskjellige fossile kokser tester, antrasitt som også er et fossilt karbonmaterial og trekull produsert fra løvtre. Resultatet fra disse forsøkene er at reduksjonshastigheten til de to koksene er omtrent det samme som til antrasitt, og hastigheten til disse tre er dobbelt så høy som til trekull. Den mest åpenbare forskjellen på disse materialene er tettheten, hvor trekull skiller seg som den med lavest vekt per volum og er et veldig porøst material i forhold til de fossile. Det betyr at den effektive kontaktflaten mellom slaggen og trekullet er lavere enn tilfellet for antrasitt og koks. Neste skritt i prosjektet blir å knuse ned materialene og lage briketter av dem for å redusere porøsiteten og undersøke de forskjellige karbonmaterialene mot hverandre når de har sammenlignbar kontaktflate mot slaggen.

Produksjon av ferromanganlegeringer skjer ved karbotermisk reduksjon i elektriske smelteovner, hvor elektrodene står i en koksseng som både fungerer som reduksjonsmiddel og motstandselementet som gir den nødvendige varmen. Karbonmaterialet er typisk metallurgisk koks produsert fra fossile karbonkilder. Det er en visjon i prosessindustrien at industrien skal være karbonnøytral innen 2050, skal det skje må det introduseres biokarbon produsert fra en klimanøytral karbonkilde. Prosjektet vil gå ut på karakterisering av forskjellige biokarbonmaterialer med tanke på bruk som reduksjonsmiddel i ferromanganindustrien. Hovedmål: Redusere GMNs CO2 avtrykk i manganlegeringsproduksjon ved bruk av klimanøytralt biokarbon som reduksjonsmiddel. Kvantifisere og optimalisere kritiske produktegenskaper for agglomererte biokarbonmaterialer for bruk i produksjon av manganlegeringer. Delmål 1 og 2: Litteraturstudie på karakterisering av koks med hovedfokus på slaggreaktivitet og konkludere med beste målemetode på slaggreaktivitet. Søker et svar på hvilke parametere som har betydning for slaggreaktiviteten. Delmål 3. Karakterisere biokoksmaterialer for å konkludere med hvilken fremstillingsprosess som gir best egnet koks ut fra et slaggreaktivitetssynspunkt. Delmål 4. Teste biokarbon som reduksjonsmiddel i laboratorieskala og som reduksjonsmiddel i laboratorieskala elektrisk smelteovn. Sentrale utfordringer: For å kunne bestemme kritiske egenskaper angående slaggreaktivitet må man finne en metode som måler forskjellig på det som erfaringsmessig er «gode og dårlige» kokser for manganproduksjon. Finner man ikke forskjell må man foreløpig konkludere med at det ikke er viktig og se på CO2 reaktivitet og elektriske egenskaper som guide angående design av et agglomerert biokarbon. Bedriften søker å øke sin kunnskap om koks for å forbedre produksjon ved å unngå å kjøpe koks med dårlige egenskaper. Håpet er at prosjektarbeidet skal bidra til å øke den kunnskapen.