Den overordnede målsetningen med prosjektet har vært å redusere bruken av fossilt karbon (kull og koks) i smelteovner for silisium- og ferrosilisium-produksjon. Å erstatte fossilt karbon med biokarbon er en nøkkel for å redusere karbonavtrykket til norsk prosessindustri.
Biokarbon som skal brukes i metallurgisk industri trenger helt spesifikke egenskaper. Dette inkluderer:
- Høy mekanisk styrke slik at man unngår nedknusing og dannelse av finstoff og støv ved transport, håndtering og påmating på smelteovnen.
- God mekanisk styrke ved høy temperatur for å unngå desintegrering når materialet mates på ovnen ved temperaturer over 900C. Slik desintegrering fører til karbontap og tapt produksjon.
-Skreddersydd kombinasjon av tetthet/porøsitet, reaktivitet og fasong og størrelse på biokarbon-partiklene.
Elkem har, med støtte fra resultater i forskningsprosjektet etablert et pilotanlegg for å verifisere oppskalering av teknologi og prosess for produksjon av slikt biokarbon og for å validere produktet for bruk i smelteovner i stor skala. Anlegget har startet prøveproduksjonen.
Forskningsspørsmål og oppgaver i prosjektet inkluderer blant annet:
For å kunne skreddersy et biokarbonmateriale for bruk i smelteverksindustrien er det sentralt å kunne agglomerere fint trekull til partikulære biokarbon. Agglomerering av mineraler, metaller og andre materialer er velkjent, mens tilsvarende prosesser for biokarbonmaterialer har vært mindre kjent. En nøkkelaktivitet i prosjektet har derfor vært å undersøke hvordan variablene i en slik agglomereringsprosess påvirker produktegenskaper som tetthet, porøsitet, partikkelstørrelse og andre egenskaper ved biokarbonproduktet. Prosjektet har også etablert modeller for bruk av biokarbon på smelteovner. Dette inkluderer kinetiske modeller og elementfordelingsmodeller. Disse modellene skal videre brukes for å forutsi reaktivitet og funksjonalitet av avanserte biokarbon i smelteovner. Dette skal så videre sammenlignes med resultater fra fullskala-tester.
Prosjektet har undersøkt effekten av luteprosesser på askekjemi i biokarbon-materialer. Effekten er dessverre mindre enn antatt og spesielt for noen askelementer er det ingen reduksjon av luteprosesser hverken i vann eller syre.
Prosjektet har gitt en fundamental forståelse av selvoppvarming i karbonprodukter generelt og biokarbonprodukter spesielt. Trekull har svært lav termisk ledningsevne som dermed bidrar til å forsterke selvoppvarmingsprosesser. Avanserte biokarbonagglomerater har høyere termisk ledningsevne, men allikevel ser vi selvoppvarming i slike materialer. Prosjektet har vist at den vesentlige driveren i selvoppvarmingsprosesser er eksoterme overflatereaksjoner. Disse reaksjonene er knyttet til dannelsen av frie radikaler på overflaten av karbonmaterialet og at disse dannes ved bestemte betingelser under produksjonen av biokarbon. Dette betyr at prosessen for å produsere biokarbonet i stor grad påvirker selvoppvarmingstendensen.
The project has already contributed to the increased use of biocarbon in Elkem's smelters even though this increase is moderate as today. The full effect of the learning is expected to come when first full scale plant based on Elkem biocarbon technology is established. The results have been important for the startup of the Elkem Biocarbon Pilot facility, where the first 1 ton handling test has been done at Elkems plant in Canada, and is planned for at Norwegian plants. So far, there is no indication that the reduction of 330.000 tonnes of reduced fossil CO2 emissions per year in the Norwegian Elkem plants or 3.7% of the total annual emissions from Norwegian process industry should not be achievable.
The broadening of the feedstock base has not been achieved as desired. However, the understanding built through the project will help in the continuation of this work in the pilot plant operation the search and development of raw material base for the full scale plants.
All of the results from this R&D project have been used in the current process setup at the pilot plant and will be further improved when implemented in the full-scale plant design.
The overall objective of the OptBioCar Project is to solve remaining fundamental Challenges in the Development of a biocarbon Production process for supply of biogenic reduction material to metallurgical industry.
Elkem's strategy is to be the world's most sustainable producer of ferrosilicon and silicon alloys and through this contribute to the zero-emission society. Changing the reduction material from fossil carbon (coal and coke) to biogenic reduction materials in the production process is a key part of the strategy. Elkem is now establishing the first pilot plant for production of a newly developed biocarbon agglomerate which has spawned from earlier research efforts. OptBioCar mission is to support this development and allow the transfer from pilot, to full scale production. Specifically, methods and technologies which will broaden the feedstock base will be developed. The fundamental understanding on how the different condensates produced in the current process can be optimally tailored and utilized to further increase carbon yield will be researched. And lastly, both the fundamental understanding and the performance of the biocarbon product will be investigated using new methods developed in the project.
The overall goal is that the project will fast track the transition from pilot to full-scale production by omitting the majority of bottlenecks and risks and ensure that Elkem can maintain its position as a pioneer in renewable reductants in the metallurgical segment.
The ultimate goal of the Project and the process Development is to provide and prove a biogenic reduction material that has at least as good furnaceability in silicon and ferrosilicon smelters as today's fossil carbon materials.