Sử dụng năng lượng trong ngành thép

Sản lượng thép thô toàn cầu đạt 1.860 triệu tấn vào năm 2020. Việc sử dụng thép dự kiến sẽ tăng đều trong những năm tới để đáp ứng nhu cầu của dân số ngày càng tăng. 

Sử dụng năng lượng trong sản xuất thép 

Sản xuất thép tiêu thụ nhiều năng lượng. Tuy nhiên, các hệ thống quản lý năng lượng tinh vi đảm bảo sử dụng và thu hồi năng lượng hiệu quả trong suốt quá trình sản xuất thép để sử dụng trong phạm vi nhà máy hoặc xuất khẩu ra bên ngoài. Những cải tiến về hiệu suất năng lượng đã giúp giảm khoảng 60% năng lượng cần thiết để sản xuất một tấn thép thô kể từ năm 1960, như minh họa trong Hình 1.¹

Hình 1.  Mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu trên mỗi tấn thép thô

Worldsteel, với sự hỗ trợ của các thành viên, đã phát triển một hệ thống đánh giá năng lượng toàn diện và cụ thể theo quy trình, chỉ dành cho các thành viên. Hệ thống này được lưu trữ trên một cơ sở dữ liệu bảo mật, và các công ty có thể gửi dữ liệu để so sánh hiệu suất của họ với mức tham chiếu cho từng quy trình, từ đó xác định thành phần nào trong quy trình đang lệch so với mức tham chiếu.

Worldsteel cũng đã phát triển một cơ sở dữ liệu kiểm kê vòng đời (LCI) toàn cầu và khu vực, cung cấp thông tin về đầu vào và đầu ra môi trường "từ khâu nguyên liệu đến cổng nhà máy", theo dõi việc sử dụng tài nguyên (nguyên liệu thô, năng lượng và nước) và khí thải ra không khí, nước và đất cho 17 sản phẩm thép. Dữ liệu LCI có sẵn theo yêu cầu trên worldsteel.org.

Chi phí và đầu vào năng lượng

• Năng lượng chiếm một phần đáng kể trong chi phí sản xuất thép, từ 20% đến 40%.² ³ Do đó, cải thiện hiệu suất năng lượng giúp giảm chi phí sản xuất và nâng cao khả năng cạnh tranh.
• Hiệu suất năng lượng của các cơ sở sản xuất thép khác nhau tùy thuộc vào quy trình sản xuất, loại và chất lượng quặng sắt và than sử dụng, hỗn hợp sản phẩm thép, công nghệ kiểm soát vận hành và hiệu suất vật liệu.
• Năng lượng cũng được tiêu thụ gián tiếp cho khai thác, chuẩn bị và vận chuyển nguyên liệu thô. Trong quy trình lò cao-lò oxy cơ bản (BF-BOF), điều này chiếm khoảng 9% tổng năng lượng cần thiết để sản xuất thép, bao gồm cả quá trình khai thác nguyên liệu và sản xuất thép. Trong quy trình lò hồ quang điện (EAF), con số này là khoảng 6% (để biết thêm chi tiết về các quy trình sản xuất thép, truy cập liên kết trên worldsteel.org).
• Khoảng 89% năng lượng đầu vào của BF-BOF đến từ than đá, 7% từ điện, 3% từ khí tự nhiên và 1% từ các nguồn khí và nguồn khác. Đối với quy trình EAF, năng lượng đầu vào từ than đá chiếm 11%, từ điện 50%, từ khí tự nhiên 38% và 1% từ các nguồn khác.⁵

Năng lượng đầu vào làm chất khử

• Sản xuất thép nguyên sinh (sản xuất từ quặng) tiêu thụ nhiều năng lượng hơn so với sản xuất thép thứ cấp (sản xuất từ phế liệu) do năng lượng hóa học cần thiết để khử quặng sắt thành sắt bằng các chất khử dựa trên carbon. Vì quá trình khử không diễn ra ở nhiệt độ phòng, các chất khử như than đá, than cốc và khí tự nhiên cũng cung cấp năng lượng cho nhiệt cần thiết.
• Than cốc, được sản xuất bằng cách nhiệt phân than đá (tức là nung nóng trong môi trường không có oxy ở nhiệt độ cao), là chất khử chính của quặng sắt, trong khi các nhiên liệu khác được dùng để thay thế một phần than cốc.  

75% năng lượng từ than tại một cơ sở sản xuất thép tích hợp được tiêu thụ ở lò cao, nơi than cốc đóng nhiều vai trò:

• Chất khử hóa học (khử oxit sắt thành sắt).
• Vật liệu chịu tải (duy trì cấu trúc liệu nung trong lò).
• Nhiên liệu (cung cấp nhiệt cho phản ứng).

25% năng lượng còn lại được sử dụng để:

• Cung cấp nhiệt cho công đoạn thiêu kết (sinter plant) và luyện than cốc (coking plant).
• Dùng làm nguồn năng lượng thay thế nhiên liệu khác cho các công đoạn sản xuất tiếp theo.

Bảng dưới cho thấy năng lượng đầu vào chính của quy trình sản xuất thép và ứng dụng của chúng như năng lượng và chất khử.

      Ứng dụng của năng lượng đầu vào trong quy trình sản xuất thép 

Khí/ Nhiệt dư

• Các khí dư từ lò than cốc, lò cao (BF) và lò oxy cơ bản (BOF) được tái sử dụng, giúp tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và tài nguyên năng lượng bổ sung. Chúng thường đóng góp hơn 60% nhu cầu năng lượng của một nhà máy thép và được sử dụng làm nhiên liệu thay thế trực tiếp hoặc để phát điện. Ngoài ra, khí có thể được sử dụng để phát điện hoặc xuất khẩu ra ngoài. Chúng chỉ được đốt bỏ nếu không có lựa chọn sử dụng nào khác.
• Hiện đã có công nghệ cho phép thu giữ và bán CO₂, chẳng hạn như một nhà máy thép đang cung cấp 50.000 tấn CO₂ mỗi năm cho một cơ sở khí gần đó.

Cải thiện hiệu suất năng lượng trong tương lai

• Các quy trình sản xuất thép hiện đại nhất hiện nay có khả năng tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng.
• Các cải tiến về hiệu suất năng lượng trong ngành thép trong trung hạn dự kiến sẽ thông qua chuyển giao công nghệ hoặc áp dụng công nghệ hiện đại nhất cho các nhà máy thép lạc hậu trên toàn cầu. 
• Các công nghệ đột phá dự kiến sẽ tạo ra những thay đổi lớn trong cách sản xuất thép khi những công nghệ mới này đạt quy mô thương mại và mức độ sẵn sàng.

Cơ bản về sản xuất thép

Thép được sản xuất thông qua hai quy trình chính: quy trình lò cao-lò oxy cơ bản (BF-BOF) và quy trình lò hồ quang điện (EAF). Các biến thể và kết hợp của các quy trình sản xuất cũng tồn tại.

Quy trình BF-BOF sản xuất thép bằng cách sử dụng nguyên liệu thô như quặng sắt, than đá, đá vôi và phế liệu thép. Khoảng 75% thép được sản xuất bằng quy trình BF-BOF. Đầu tiên, quặng sắt được khử thành sắt, còn gọi là gang lỏng hoặc gang thô. Sau đó, sắt được chuyển thành thép trong lò BOF. Sau khi đúc, cán và/hoặc phủ, thép được cung cấp dưới dạng dải, tấm, hình hoặc thanh.

Thép sản xuất trong lò EAF sử dụng điện để nấu chảy phế liệu thép. Tùy thuộc vào cấu hình nhà máy và khả năng có sẵn của phế liệu thép, các nguồn sắt kim loại khác như sắt hoàn nguyên trực tiếp - sắt xốp (DRI) hoặc gang lỏng cũng có thể được sử dụng. Vật liệu hợp kim được sử dụng để điều chỉnh thép thành thành phần hóa học mong muốn. Năng lượng điện có thể được bổ sung bằng oxy được bơm vào lò EAF. Các giai đoạn xử lý sau đó, như đúc, nung nóng lại và cán, tương tự như trong quy trình BF-BOF. Khoảng 25% thép được sản xuất thông qua quy trình EAF.

Hầu hết các sản phẩm thép vẫn được sử dụng trong nhiều thập kỷ hoặc thậm chí hàng thế kỷ trước khi chức năng của chúng không còn cần thiết và có thể được tái sử dụng, tái chế hoặc tái sản xuất. Do đó, không có đủ thép tái chế để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng. Nhu cầu được đáp ứng thông qua việc sử dụng kết hợp các quy trình sản xuất BF-BOF và EAF. Cả hai quy trình sản xuất này đều sử dụng phế liệu thép thu hồi làm nguyên liệu đầu vào. Do đó, tất cả thép mới đều chứa một lượng thép tái chế.

Thép tiết kiệm năng lượng trong vòng đời sản phẩm

Mặc dù các sản phẩm thép cần năng lượng để sản xuất, nhưng chúng cũng có thể giúp tiết kiệm năng lượng trong vòng đời của sản phẩm thép, đôi khi lớn hơn năng lượng sử dụng trong quá trình sản xuất. 
Ví dụ, trong 20 năm, một tuabin gió 3 megawatt (MW) có thể cung cấp năng lượng gấp 80 lần so với năng lượng sử dụng để sản xuất và bảo trì vật liệu.⁸

Thép trong nền kinh tế tuần hoàn

Thép cũng có thể giảm sử dụng năng lượng và khí thải trong vòng đời sản phẩm bằng cách tối đa hóa giá trị tài nguyên thông qua cải tiến thiết kế sản phẩm, thu hồi và tái sử dụng, tái sản xuất và tái chế. Tham khảo phần nền kinh tế tuần hoàn trên Website: worldsteel.org để biết thêm thông tin về chủ đề này.

Ghi chú

1. Tính toán của worldsteel 
2. Tiết kiệm Một Thùng Dầu mỗi Tấn (SOBOT). Viện Sắt và Thép Hoa Kỳ, 2005.
3. Sổ tay Công nghệ Sạch Hiện đại Nhất (SOACT) cho Sản xuất Thép, Phiên bản thứ 2, Đối tác Châu Á Thái Bình Dương vì Phát triển Sạch và Khí hậu, 2010, asiapacificpartnership.org.
4. Tính toán từ cơ sở dữ liệu LCI của worldsteel, 2018 
5. Tính toán từ cơ sở dữ liệu LCI của worldsteel, 2018 
6. Báo cáo Sử dụng năng lượng trong ngành thép, worldsteel, 2014.
7. Báo cáo Sử dụng năng lượng trong ngành thép, worldsteel, 2014 
8. Hiệp hội Công nghiệp Gió Đan Mạch, windpower.org

Nguồn: worldsteel.org

H.Trung Dịch