Zero Emission Silicon and Manganese production through electrowinning

CO2 er et uunngåelig biprodukt i dagens prosessmetallurgiske metoder for å produsere silisium, mangan og ferrolegeringer. ZeSiM vil eliminere CO2-utslippene fra disse prosessene ved å erstatte karbon med fornybar energi på den best tenkelige måten: elektrolyse. Energiforbruket er høyere når karbon erstattes med elektrisitet, men ved bruk av en karbonfri elektrisk energikilde kan vi nå målet om nullutslipp av CO2. En elektrolyseprosess vil resultere i produksjon av oksygengass og relativt rene metaller, noe som reduserer behovet for metallforedling. I ZeSiM-prosjektet foreslår vi å utvikle egne CO2-frie elektrolyseprosesser for mangan, ferrolegeringer og silisium med to ulike tilnærminger: 1) Produksjon av flytende mangan eller ferromangan fra manganoksid i en oksidbasert elektrolytt. Fordeler ved en slik prosess inkluderer et potensial for høy produksjonshastighet, muligheten for å bruke finkornede materialer og å produsere det salgbare produktet lavkarbon ferromangan (LCFeMn) direkte. 2) Produksjon av silisiumplater direkte fra kvarts i en klorid/oksidelektrolytt. Fordelene her vil være rimelige kjemikalier, det produserte metallet vil være lett å høste, og relativt lave prosesstemperaturer. ZeSiM vil fokusere på utfordringer og kunnskapsbehov knyttet til elektrolyseprosesser som elektrolyttkjemi, metallkvalitet og energiforbruk. Forståelsen oppnådd gjennom prosjektet er et viktig første skritt før videre forskning og utvikling kan gjøres på materialvalg. Helelektrisk produksjon av silisium og mangan vil representere et viktig steg i avkarboniseringen av norsk ferrolegeringsproduksjon og eliminere alle prosessrelaterte CO2-utslipp. Produktene vil være unike og meget attraktive som legeringselementer i grønt stål og aluminium. SINTEF er prosjektleder med NTNU som den andre forskningspartneren. Si- og FeSi-produsentene Elkem, Wacker og Finnfjord og Mn-legeringsprodusenten Eramet er industrielle partnere gjennom Ferrolegeringsindustriens Forskningsforening (FFF).

Reducing CO2 emissions from human activity is the main measure to reduce global warming and meet the climate goals. CO2 is an unavoidable by-product from silicon and ferroalloy production in current industrial practice. ZeSiM will eliminate CO2-emissions from manganese ferroalloy and silicon production by replacing carbon with renewable energy in the most direct way possible: through electrowinning. SINTEF is the project manager with NTNU as the second research partner. The industrial Si and FeSi producers Elkem, Wacker and Finnfjord and Mn-alloy producer Eramet are industrial partners through The Norwegian Ferroalloy Research Association (FFF). Manganese ferroalloys and silicon are important alloying additives in steel and are today produced efficiently by carbothermic reduction in Submerged Arc Furnaces (SAF), emitting 0.9-1.3 kg CO2/kg Mn ferroalloy and 5 kg CO2/kg Si as process reaction products. All-electric production of silicon and manganese would represent a step-change in the decarbonization of Norwegian ferroalloy production, completely eliminating all process-related CO2-emissions by instead producing oxygen. The products would be globally unique, and attractive as alloying elements in green steel and/or green aluminium. In the ZeSiM project, we suggest developing CO2 free electrolysis processes for Mn and Si along two different paths: i) Electrolytic production of liquid Mn ferroalloys from MnO in a molten oxide electrolyte and ii) Si electrolysis from quartz in a molten chloride-based electrolyte. ZeSiM will address challenges and knowledge needs related to electrolyte chemistry, oxygen evolution, energy consumption, and optimalisation of the electrolysis parameters. Theoretical and thermodynamic assessments, electrochemical measurements, and electrolysis trials as well as material characterization methods will be applied. Risk mitigating actions are to use materials reported in literature and fluoride additions to obtain better electrolyte properties.