Naturgass til materialer

Transkript

1 Mo i Rana, 1. Februar 2012 Naturgass til materialer Halvor Dalaker 1, Eli Ringdalen 1, Tommy Mokkelbost 1, Casper van der Eijk 1, Leiv Kolbeinsen 2, Merete Tangstad 2, Kai tang 1, Geir Martin Haarberg 2 1 SINTEF Materialer og Kjemi 2 NTNU Institutt for Materialteknologi Halvor.dalaker@sintef.no SINTEF Materialer og kjemi 1

2 Bakgrunn Naturgass i metallproduksjon Metan direkte Karbotermisk reduksjon via metan Direktereduksjon av jern (DRI) Prosjektportefølje og beskrivelse RaNaGas ReSiNa SiP NatGasMetal NOVAL KiSelROx GassFerroSil Framtida Halvor.dalaker@sintef.no SINTEF Materialer og kjemi 2

3 Bakgrunn Metallforbruk på verdensbasis forventes å overskride tilgang gjennom resirkulering i mange tiår Nye metoder for metallproduksjon kan redusere energibruk og CO 2 -utslipp Norge har Tilgang på naturgass Tilgang på mineraler Kompetanse og tradisjon innen metallproduksjon Kompetanse på gasshåndtering, katalyse Naturgass i metallproduksjon kan være en mulighet for Verdiskapning i norsk fastlandsindustri Globalt miljøvennlig metallproduksjon Halvor.dalaker@sintef.no SINTEF Materialer og kjemi 3

4 Naturgass i materialproduksjon hvordan? Metan direkte Metan via karbotermisk reduksjon Direktereduksjon av jern (DRI) Halvor.dalaker@sintef.no SINTEF Materialer og kjemi 4

5 Direkte reduksjon med metan (CH 4 ) CH 4 er termodynamisk ustabilt ved temperaturer over ~500 C CH 4 C+2H 2 G<0, E a >>0 Så for et generelt metalloksid: Me x O y + y 2 C xme + y 2 CO 2 Me x O y + y 2 CH 4 xme + y 2 CO 2 + yh 2 G CH4 < G C Potensielt kan metalloksider redusereres vha metan ved lavere temperaturer enn med tradisjonelle karbonkilder. Halvor.dalaker@sintef.no SINTEF Materialer og kjemi 5

6 Karbon i metan CH 4(gas) H (ad) H (ad) H(ad) CH 4(ad) CH 3(ad) CH 2(ad) CH (ad) Me-Oksid C * (ad)+meo reduksjon 2H 2 H(ad) a C(aa) a C(s) 1 [Ostrovski et al, f.eks., AIChE Journal, Vol 52, No 1, 2006.] 6

7 Karbon i metan I: CH 4 C* (ad) +2H 2 II: C* (ad) +MeO reduksjon R I <R II R I >R II C* (ad) CH 4(gas) 2H 2 Me-Oksid CH 4(gas) Me-Oksid Me-Oksid C * (ad)+meo reduksjon a C(CC4 ) a C(gg) 1 C (s)+meo reduksjon a C(CC4 ) a C(gg) = 1 [Ostrovski et al, f.eks., AIChE Journal, Vol 52, No 1, 2006.] 7

8 Karbotermisk via karbon-deponering CH 4(gas) Oxide CH 4 C (s) +2H 2 Økt kontaktflate mellom oksid og carbon-black Hydrogen som biprodukt 8

9 DRI-Direct reduction of iron Naturgass brukes indirekte som syngas (CO-H 2 ) CH 4 +H 2 O CO+3H 2 Fe 2 O 3 +CO+H 2 Fe (s) +CO 2 +H 2 O H 2 +CO CO 2 +CH 4 Allerede industrialisert (MIDREX) 9

10 Pågående prosjekter Totalt 6 prosjekter Totalt budsjett >50 MNOK SINTEF: I underkant av 5 forskerårsverk per år 2 PhD-studenter, 2 post.doc Flere masterstudenter RaNaGas ReSiNa SiP NatGasMetall NovAl KiSelROx GassFerroSil 10

11 RaNaGas IPN-prosjekt for Rana Gruber med støtte fra NFR. Prosjektleder Eli Ringdalen (SINTEF MK) Undersøke mulighetene for å anrike jernmalm til tilstrekkelig kvalitet for DRI Kartlegge jernmalmens reaksjonsforløp med naturgass og evaluere mulighetene for DRI. 4-årig prosjekt:

12 ReSiNa - Ren Si produksjon ved bruk av naturgass (I) NTNU-SINTEF samarbeide. Prosjektleder: Prof. Merete Tangstad (IMT) Øke vitenskapelige kunnskapsbase nødvendig for å benytte naturgass som råmateriale i produksjon av silisium og FeSi, med spesielt fokus på fjerning av B og P for SoG-Si. 100% finansiert av NFR. Totalt budsjett: kkr i prosjektperioden,

13 ReSiNa - Ren Si produksjon ved bruk av naturgass (II) Kvarts til Si Direkte metan+kvarts SiC Indirekte via carbon black deponering Karakterisering av kvarts og fasetransformasjoner ved høy temperatur Reaksjonshastighet (SiO 2 SiC) avhenger av krystallstruktur? Raffinering av B og P Gassraffinering (H 2, H 2 O) Bruk av H 2, H 2 O sammen med slagg gir lovende resultater for B 1 First principles beregninger har gitt nye termodynamiske data (BHO) Liten innvirkning på P 1 [E. F. Nordstrand, M. Tangstad: Metall. Mater. Trans. B, Vol. 43, (2012).] 13

14 SiP NatGasMetal Natural Gas in Metal Production (I) Intern SINTEF-satsning. Prosjektleder: Halvor Dalaker (SINTEF MK) Evaluere mulighetene for, og å etablere den vitenskaplige basis for bruk av naturgass i produksjonen av Ti, PGM, REM, Al og utvalgte jernlegeringer. Et veikart mot industrialisering er et hovedmål kkr over tre år

15 SiP NatGasMetal (II) PGM platinagruppemetaller Dominert av oppredning og slaggprosesser REE sjeldne jordarter Uegnet pga. svært stabile karbider Titan, Ni x Ti, Fe x Ti Reduksjon av ilmenitt til FeTi Reduksjon av NiO/TiO 2 til Ni 3 Ti Al Gassanoder FeX, (Ferrokrom, ferronikkel) Direkte reduksjon av ren Cr 2 O 3, kromitt Indirekte bruk av metan via carbon black. 15

16 NOVAL- Novel Aluminium Production using Natural Gas 100 % NFR-finansiert. NTNU-SINTEF samarbeid Prosjektleder: Prof. Geir Martin Haarberg (IMT) Erstatte tradisjonelle karbonanoder med porøse, inerte anoder der CH 4 forbrukes i stedet for karbon. Største utfordring: Produksjon av vann flussyre i fluoridbad. Forstå gasutvikling og minimere HF-dannelse 7058 knok 16

17 KiSelROx KInetics and SELectivity of Reactions during Oxides reduction using natural gas. 100 % Finansiert av NFR. Prosjektleder Halvor Dalaker (SINTEF MK) Mål: Bygge de nødvendige forskningsverktøy for å fremme utviklingen av nye prosesser for metallproduksjon med naturgass. Initiert som følge av behov for grunnleggende forståelse avdekket i andre prosjekter. Utvikling av kinetiske modeller for reaksjonsmekanismer Utvikling av nye gassmåleverktøy og metoder Eksperimentell verifisering og applikasjon Budsjett 9 MNOK over tre år

18 KMB GassFerroSil Delfinansiert NFR/Ferrolegeringsindustriens Forskningsforening (FFF) NTNU/SINTEF/industri-samarbeid. Prosjektleder: Prof. Leiv Kolbeinsen (IMT) 1 PhD, 1 Post. Doc Hovedmål: Undersøke hvor naturgass kan erstatte kull og koks i produksjon av ferrolegeringer med lavere energiforbruk og/eller CO 2 utslipp enn dagens prosesser. Tre hovedprodukter: Titanslagger, FeMn, FeSi Fase 2: Totalramme ikke satt. 18

19 Fremtiden: Bygger en prosjektportefølje bygger et fagmiljø og robusthet Etablere verdensledende laboratorier og forskningsinfrastruktur I : Norsk industri leverer metaller produsert med naturgass til et globalt marked Fullskala forskningsanlegg med tilgang på naturgass og mineraler TAKK FOR OPPMERKSOMHETEN! 19