Technologia przetwarzania rud żelaza do jego metalicznej postaci – uprawiana od wieków przez przemysł światowy – jest wciąż jeszcze daleką od oszczędnego gospodarowania tym bezcennym, nieodnawialnym surowcem. Ten surowy osąd nie może być łagodniejszym, jeśli scharakteryzuje się następujące operacje współczesnego hutnictwa żelaza:

- Rudy żelaza – wydobywane głównie jako jego tlenki – poddaje się w wielkim piecu (po zmieszaniu z topnikiem) redukcji koksem. W tym procesie uczestniczy również tlenek węgla jako produkt półspalania koksu. Produktem tej operacji procesowej jest tzw. surówka żelaza, będąca stopem żelaza z węglem i w dodatku z innymi jeszcze składnikami. Wytworzony powyżej miernej jakości półprodukt, będący w postaci ciekłej, zostaje zmieszany ze ściśle określoną ilością złomu, a potem jest poddawany tzw. procesowi świeżenia. Ten proces przeprowadza się w konwertorze, wdmuchując do otrzymanej wyżej kąpieli metalowej czysty tlen po to, by utlenić węgiel do CO, a przy okazji również fosfor, krzem i mangan, które tworzą szlakę, lżejszą od żelaza. Przy tej okazji utlenia się jednak żelazo w ilościach 15-25% mas., które ze szlaką wyżej podanych tlenków jest dla metalurgii bezpowrotnie stracone.
Jak długo jeszcze światowy przemysł metalurgiczny będzie marnotrawił takie masy żelaza, wytwarzanego w kosztownej, pierwszej operacji wytwarzania rudy, której pokłady są oczywiście ograniczone?
- Wytworzony w konwertorze ciekły metal zawiera jednak znaczące ilości tlenków i po spuście poddawany bywa operacji odtleniania. Jako odtleniacze stosowane są stopy krzemu, wapnia, czy aluminium.
To co wyżej przedstawiono, stanowi paradoks fizyko-chemicznych operacji: najpierw odtlenia się rudę do surówki, która w kolejnej operacji jest częściowo utleniana, a w konsekwencji konieczny jest trzeci proces odtleniania, by ostatecznie wytworzyć stal o ściśle określonych właściwościach.
W dodatku większość tych operacji przebiega w periodycznie działających instalacjach, co automatycznie obniża ekonomiczną efektywność wytwarzania stali poprzez przerób rudy we współczesnych wielkich piecach.
Wszystkie te instalacje są wysoce energochłonne, zajmują sporo miejsca i wymagają ogromnej ilości miejsc pracy.
Na przełomie XX/XXI wieku kraje wysoko rozwinięte podjęły działania badawczo–wdrożeniowe nad wyeliminowaniem przedstawionego paradoksu w metalurgii żelaza. Najpoważniejsze osiągnięcia notują instytuty w Japonii, USA, RFN i Francji.
Celem tych badań jest wyeliminowanie koksu jako reduktora rudy i następującej potem operacji świeżenia surówki czystym tlenem.
Otóż węgiel i tlen w przetwarzaniu rudy żelaza można zastąpić wodorem – najefektywniej plazmą wodorową. Dzięki wysokiemu powinowactwu wodoru do tlenu, szybkość redukcji nim rud żelaza – zwłaszcza plazmą wodorową – jest ponad 100-krotnie większa, niż za pomocą koksu z tlenkiem węgla w wielkim piecu.
Stosując wodór do redukcji rud żelaza, otrzymuje się wodę w postaci silnie przegrzanej pary, którą można wykorzystać dla celów technologicznych.
Nowy proces przetwarzania rudy obejmuje następujące operacje:
- Wytwarzanie wodoru poprzez zgazowanie odpadów komunalnych, szlamów z oczyszczalni ścieków, zużytych opon samochodowych i innych odpadów organicznych.
- Wydzielanie z wytworzonego gazu wodoronośnego, czystego wodoru poprzez zastosowanie najnowszej generacji membran ceramicznych.
- Redukcja rudy wodorem metoda ciągłą w generatorze plazmowym (lub wg innej technologii wodorowej).
- Zastosowanie reaktora metalurgicznego dla przeprowadzenia nawęglania oraz wprowadzenia składników stopowych, wytwarzając – wg planu sprzedaży – stal lub żeliwo.
Wszystkie te operacje są zhermetyzowane i biegną w pełnej symbiozie z otaczającą przyrodą. Poniżej przedstawia się jedno z krajowych badań nad redukcją rudy żelaza w reaktorze plazmowym, podczas których uzyskano wyniki zbliżone do osiąganych w zagranicznych instytutach.
Wodorowa redukcja rud żelaza w plazmie
Plazmą nazywa częściowo lub całkowicie zjonizowany gaz. Składa się ona z cząstek, naładowanych dodatnio oraz ujemnie, które mogą przebywać między cząstkami neutralnymi. Natura plazmy zależy od rodzaju użytego gazu, jego ciśnienia i energii. Zakres jej temperatury jest tak znaczny, że uwzględnia się skrajne wartości: plazmą niskotemperaturową (zimną) w granicach 2000-30.000 K i wysokotemperaturową (gorącą) o interwale
107-109 K.
Plazmę niskotemperaturową wytwarza się przede wszystkim w generatorach magneto-hydro-dynamicznych, łuku elektrycznym oraz plazmotronach łukowych i indukcyjnych.
W procesach metalurgicznych oraz chemicznych (karbid, acetylen z metanu, itp.) stosowana jest plazma niskotemperaturowa. Największe zastosowanie znalazły plazmotrony łukowe, indukcyjne wraz z plazmą poszerzoną. Kinetyka reakcji zjonizowanych gazów strumienia plazmy zawirowanej nie tylko nadaje im dużą szybkość, ale także wyzwala wysoką temperaturę, zapobiegająca tworzeniu się obszaru dyfuzyjnego. Istotą termochemicznej redukcji rudy (tlenków metali) jest doprowadzenie do reaktora czynnika redukcyjnego – w omawianym przypadku wodoru, który w strefie plazmy reaguje z tlenem (będącego związanego z określonym metalem) do wody, wydzielając jednocześnie wolny metal jako produkt celowy.
Dla omawianej, wodorowej redukcji rud zastosowano zmielony magnetyt Fe3O4, podając go do reaktora o mocy 50 kW z magnetyczną rotacją plazmy typu SPR (Selfcomutating Plasma Reactor). W dolnej części reaktora utrzymywano temperaturę 2500-2700 K. Stosując 4-krotny nadmiar wodoru, uzyskiwano pełną redukcję przetwarzanej rudy do postaci metalicznej.
Krótki czas przebywania reagentów w strumieniu plazmy, wynoszący 1-2x10-2 sekundy, zapewnia miniaturyzację reaktorów plazmowych. Ich przemysłowe zastosowanie jest dziś praktycznie uzależnione od niskich cen dostępnego wodoru i kosztów wytwarzania taniej energii elektrycznej.
Źródła taniego wodoru
Od wielu dziesięcioleci wodór wytwarzany jest w przemyśle światowym głównie z gazu ziemnego, a ponadto z niskowartościowych półproduktów przerobu ropy naftowej oraz z węgla. Stosowane technologie ich przetwarzania wraz z wydzielaniem czystego wodoru są skomplikowane i w ostatecznym rachunku – w dodatku przy stale rosnących cenach surowców – jego stosowanie w wielkich piecach nie mogło konkurować dotychczas z koksem.
Sytuacja uległa radykalnej zmianie w ostatnich latach, gdy opanowano w skali przemysłowej zgazowanie powietrzem oraz czystym tlenem odpadów komunalnych, szlamów z oczyszczalni ścieków, zużytych opon itp. odpadów organicznych do gazu wodoronośnego, z którego czysty wodór wydziela się od ubiegłego roku na ceramicznych membranach (wyglądem podobnych do rur drenażowych).
W Polsce tego typu zgazowarki wytwarza seryjnie np. Zakład Mechaniczny „ZAMER”.
Po prostu z dowolnej mieszaniny gazu wodoronośnego (zawierającego ponadto metan, tlenek – oraz dwutlenek węgla, azot itp.) wydziela się na w/w membranach wodór o niemal 100-procentowej czystości, a resztę gazu jako opałowy kieruje się do turbiny gazowej, sprzężonej z elektrogeneratorem. Spaliny po turbinie gazowej o temperaturze 450-550 st. C kieruje się do kotła parowego, sprzężonego z turbiną parową, napędzającą oczywiście elektrogenerator.
Cały w/w kompleks instalacji lokuje się na terenie huty nowej generacji i dzięki temu osiągać się będzie wysoką konkurencyjność z obecnymi, klasycznymi hutami żelaza, bazującymi na koksie i tlenie.
Ważny w prezentowanych innowacjach technologicznych jest fakt, że nasz krajowy potencjał naukowy jest przystosowany – w ramach środków Ministerstwa Nauki i Informatyzacji – do komplementarnych działań badawczo-wdrożeniowych produkcji stali oraz żeliwa na bazie wodorowej redukcji rud w reaktorach plazmowych.