Framställning, struktur och tillämpning av bio-bindemedel för elektroder och eldfasta material inom metallurgisk processindustri

I takt med att metall- och stålindustrin strävar efter att minska sitt fossilberoende ökar behovet av hållbara alternativ till dagens kolbaserade bindemedel. Stenkolstjära är en kritisk komponent i elektrodpastor, stampmassor och magnesia-kol-tegel, men bidrar samtidigt till betydande koldioxidutsläpp. Detta projekt har undersökt möjligheten att ersätta stenkolstjära med pyrolytiskt lignin – ett biobaserat bindemedel framställt ur svensk lignocellulosabaserad biomassa. Sammanfattningsvis visar resultaten av detta projekt att ett sådant alternativ inte bara är tekniskt genomförbart, utan även ekonomiskt konkurrenskraftigt, och därmed utgör ett lovande steg mot mer hållbara metallurgiska processer.

Söderberg-elektrodpastor, stampmassor och magnesia-kol-tegel är starkt beroende av stenkolstjära som bindemedel. Dessa används inte direkt som reduktionsmedel vid tillverkningen inom metall- och stålindustrin, men bidrar ändå till sektorns koldioxidutsläpp och fossilberoende. Detta projekt undersökte framgångsrikt möjligheten att ersätta stenkolstjära med pyrolytiskt lignin. Pyrolytiskt lignin framställs genom fraktionering av bio-olja producerad via snabbpyrolys av svensk lignocellulosabaserad biomassa. Målet var att demonstrera den tekniska och ekonomiska genomförbarheten av att implementera ett biobaserat bindemedel i industriella elektrod- och eldfasta tillämpningar.

Den huvudsakliga utmaningen var att utveckla ett biobaserat bindemedel som, även om det inte fullt ut matchar de termofysikaliska egenskaperna eller grafitiserbarheten hos stenkolstjära, ändå kan ersätta denna helt eller delvis utan att kompromissa med centrala funktionella egenskaper.

De viktigaste resultaten var följande:

• Pyrolytiskt lignin uppvisade vätbarhet på petroleumkoks jämförbar med stenkolstjära. Efter karbonisering var reaktiviteten mot CO₂ något högre, vilket indikerar likvärdig funktionell prestanda.
• En katalysator baserad på reducerat järnpulver, kompatibel med industriell tillverkning av Söderberg-elektrodpastor för ferrolegeringsproduktion, främjade bildningen av ordnade kolstrukturer med hög grafitiseringsgrad.
• Genomförbarheten att producera bakade Söderberg-elektrodprototyper med bindemedelssystem baserade på en kombination av pyrolytiskt lignin och fossila aggregat demonstrerades. De resulterande elektroderna uppvisade mekaniska, termiska och elektriska egenskaper jämförbara med elektroder framställda med stenkolstjära.
• En preliminär tekno-ekonomisk analys av integrerad produktion av pyrolytiskt lignin via termokemisk fraktionering av biomassa vid anläggningar för elektrodpastaproduktion bekräftade ekonomisk genomförbarhet. De beräknade avkastningsnivåerna låg inom typiska avkastningskrav för biomassabaserade processanläggningar och de uppskattade priserna på elektrodpasta var konkurrenskraftiga.

Sammantaget visade resultaten att det är tekniskt möjligt och ekonomiskt rimligt att delvis ersätta fossilbaserade bindemedel i metallurgiska koltillämpningar med biobaserade alternativ.

För att möjliggöra industriell implementering krävs fortsatt utveckling. Framtida arbete bör fokusera på:

• Optimering av den termokemiska fraktioneringsprocessen för biomassa för att erhålla pyrolytiskt lignin med förbättrade egenskaper, såsom minskad lukt, högre termisk stabilitet, bredare plasticitetsintervall, stabil viskositet och mer enhetlig sammansättning.
• Utveckling av alternativa katalysatorer baserade på ordnade kolstrukturer (t.ex. grafenoxid) som eliminerar behovet av katalysatoravlägsnande efter elektrodbränning.
• Storskalig framställning och validering av Söderberg-elektrodprototyper med katalysatorinnehållande bindemedelsblandningar under relevanta industriella driftsförhållanden.
• Genomförande av en fullständig livscykelanalys för att kvantifiera den miljömässiga nyttan av att ersätta stenkolstjära med pyrolytiskt lignin.

Projektets resultat presenterades vid tre internationella konferenser och en workshop. Resultaten omfattade en publicerad litteraturöversikt samt två ytterligare manuskript som förbereddes under projektets genomförande. Spridningsinsatserna riktades till producenter av aluminium, järn och stål, kisel och ferrolegeringar, kolbaserade eldfasta material samt leverantörer och förädlare av biomassa.