Use of steelmaking related carbonaceous materials in a direct carbon fuel cell for energy production

In the net zero carbon dioxide emission scenario by 2050 the steelmaking sector plays a crucial role as one of the main emitters of carbon dioxide. In this optic a lot of efforts have been and must be done to study, develop and implement new technologies able to cut the overall environmental impact. Although fossil carbon sources (i.e., coke) are still essentials in the steelmaking processes, in the latest years preliminary trials for their replacement with low environmental impact materials (i.e., biochar and polymers) were carried out. The goals of this study are the thermal and chemical characterization of carbonaceous materials already used, or with possible future application, in the steelmaking process. In addition, their feasibility as fuel for electricity production in a Molten Hydroxide Direct Carbon Fuel Cell was assessed. The selected materials were: electrographite, derived from the wastes of a broken electric arc furnace electrode, metallurgical coke as main feedstock in the integrated steel production cycle, biochar, from torrefaction process, and hydrochar, obtained via hydrothermal carbonization of sewage sludges. From the thermal and chemical characterization, it was highlighted that electrographite and coke have similar composition and thermal behavior. Instead, biomasses, especially hydrochar, have a chemical composition evolution when subjected to heating. The electric analyses allowed to investigate different main parameters fundamental for the electrical characterization of the fuel cell. Furthermore, the effect of two different fuel morphologies, coarse and powder, on the electrical performances was discussed. The electric measurements showed that even if powder electrographite and coke were characterized by higher electrical performances respect to the coarse fuels, these differences were significantly lower in the biochar and hydrochar samples, thus allowing their use as pellets. In conclusion, the use of carbonaceous materials already present in the steelmaking sector as additional energy source for the steel mills appears to be an attractive possibility for reducing the environmental impact of the sector.

Nello scenario di emissioni zero di anidride carbonica entro il 2050, il settore siderurgico gioca un ruolo cruciale come uno dei principali emettitori di anidride carbonica. In quest'ottica molti sforzi sono stati e devono essere fatti per studiare, sviluppare e implementare nuove tecnologie in grado di ridurne l'impatto ambientale complessivo. Sebbene le fonti fossili di carbonio (es. coke) siano ancora essenziali nei processi di produzione dell'acciaio, negli ultimi anni sono state effettuate prove preliminari per la loro sostituzione con materiali a basso impatto ambientale (es. biochar e polimeri). Gli obiettivi di questo studio sono la caratterizzazione termica e chimica dei materiali carboniosi già utilizzati, o con possibile applicazione futura, nel processo di produzione dell'acciaio. Inoltre, è stata valutata la loro fattibilità come combustibile per la produzione di elettricità tramite una cella a combustibile a riduzione diretta di carbonio con idrossidi fusi. I materiali selezionati sono: l'elettrografite, derivata dagli scarti di un elettrodo rotto di un forno elettrico ad arco, il coke metallurgico come materia prima principale nel ciclo integrato di produzione dell'acciaio, il biochar, dal processo di torrefazione, e l'idrochar, ottenuto tramite carbonizzazione idrotermale dei fanghi di depurazione. Dalla caratterizzazione termica e chimica, è stato evidenziato che l’elettrografite e il coke hanno composizione e comportamento termico simili. Invece, le biomasse, specialmente l'idrochar, presentano un'evoluzione della loro composizione chimica quando sono sottoposte a riscaldamento. Le analisi elettriche hanno permesso di indagare diversi parametri fondamentali per la caratterizzazione elettrica della cella a combustibile. Inoltre, viene discusso l'effetto di due diverse morfologie di combustibile, grossolano e in polvere, sulle prestazioni elettriche. Le misure elettriche hanno mostrato che anche se l'elettrografite e il coke in polvere sono caratterizzati da prestazioni elettriche più elevate rispetto ai combustibili grossolani, queste differenze sono significativamente inferiori nei campioni di biochar e idrochar, permettendo così il loro utilizzo in pellet. In conclusione, l'uso di materiali carboniosi già presenti nel settore siderurgico come fonte energetica aggiuntiva per le acciaierie sembra essere una possibilità interessante per ridurre l'impatto ambientale del settore.