Driving Industrial Decarbonisation in Norway: Hydrogen Use for Pre-reduction in Ferromanganese Production

Abstract

Produksjon av ferromangan (FeMn), som er en kritisk komponent i stålproduksjonsprosessen, bidrar til klimagassutslipp gjennom bruk av karbonintensive reduksjonsmidler. I denne artikkelen undersøker vi potensialet til hydrogen (H2) som et alternativt reduksjonsmiddel for prereduksjon av FeMn, og hvordan det kan bidra til å bremse klimaendringene. Ved hjelp av en prosessberegningsmetode ble det utarbeidet en oversikt over tradisjonelle- og H2-baserte produksjonsmodeller. I den H2-baserte modellen for FeMn produksjon ble det innført en uavhengig prereduksjonsenhet før den endelige reduksjonen med koks. Den H2-baserte modellen forhindrer Boudouard reaksjonen som involverer karbon og karbondioksid (CO2) i prereduksjonen av manganoksider. Resultatet er en reduksjon i koksforbruket fra 423 kg til 301 kg og en reduksjon i strømforbruket fra 2359 kWh til 2203 kWh per tonn FeMn med høyt karboninnhold. I tillegg viser resultatene en betydelig reduksjon av CO2-utslippene med en tredjedel fra det tradisjonelle til det H2-baserte tilfellet. Bruk av H2 til prereduksjon øker imidlertid produksjonen av karbonmonoksid (CO) og damp. CO har en indirekte innvirkning på klimaendringene, og forstyrrelsene i atmosfæren kan sammenlignes med metan. I LCA-studien ble det dessuten vurdert fire ulike kilder til H2-forsyning for H2-basisscenariet. I denne studien ble LCA-påvirkningen på klimaendringene undersøkt for å vise potensialet for å redusere påvirkningen ved å bruke H2 til prereduksjon. Resultatene viser at nesten 55 % av de totale klimaendringene på 0,68 kg CO2-ekv. i det tradisjonelle tilfellet kommer direkte fra malmreduksjon med karbon og CO. Den største reduksjonen observeres i scenarier med H2 fra metanpyrolyse med bruk av H2 til oppvarming og polymerelektrolyttmembranelektrolyse for den H2-baserte metoden med henholdsvis 0,30 kg og 0,31 kg CO2-ekv. Selv om metanpyrolyse er en mulig metode for produksjon av H2, fører den til produksjon av fast karbon som biprodukt. Bruk av fast karbon er ikke alltid aktuelt på grunn av produktegenskaper som gjør den økonomiske verdien tvilsom og undergraver potensialet for å redusere klimagassutslipp.

Ferromanganese (FeMn) production, a critical component of the steelmaking industry, contributes to greenhouse gas (GHG) emissions through the use of carbon-intensive reducing agents. This paper examines the potential of hydrogen (H2) as an alternative reducing agent for FeMn pre-reduction and its implications for climate change mitigation. A process design calculation method established inventories for traditional and H2-based production cases. In the H2-based model of FeMn production, an independent pre-reduction unit was introduced prior to the final reduction with coke. The H2-based model prevents the Boudouard reaction involving carbon and carbon dioxide (CO2) in the pre-reduction of manganese oxides. This results in a reduction of coke consumption from 423 kg to 301 kg and electricity demand from 2359 kWh to 2203 kWh per ton of high carbon FeMn. In addition, the results show a significant reduction of CO2 emissions from traditional to H2-based cases by one-third. However, using H2 for pre-reduction increases the output of carbon monoxide (CO) and water vapor. CO has an indirect impact on climate change and the impact in the atmosphere can be compared to methane perturbation. Furthermore, for the LCA study, four different sources of H2 supply were considered for the H2-base case. In this study, the LCA impact on climate change was investigated to show the potential of impact reduction utilizing H2 for pre-reduction. The results show that almost 55% of the total GHG emissions of 0.68 kg CO2-eq. in the traditional case are directly contributed by ore reduction with carbon and CO. The most significant reduction is observed in scenarios of H2 obtained from methane pyrolysis with the use of H2 for heating and polymer electrolyte membrane electrolysis for the H2-based method with 0.30 and 0.31 kg CO2-eq., respectively. Although methane pyrolysis is a possible production of H2, it results in the production of solid carbon as a by-product. The use of solid carbon is not always applicable due to product characteristics that make its economic value questionable and undermine its climate change mitigation potential.