Ocelářský prach už nemusí být odpadem. Mikrovlny otevírají cestu k získávání železa a zinku z výrobních zbytků

Hutní průmysl se mění rychleji než kdykoliv v minulosti. Nejde pouze o přechod od tradičních vysokých pecí k výrobě oceli v elektrických obloukových pecích nebo o snahu snížit uhlíkovou stopu výroby. Stále důležitější otázkou je, jak co nejlépe využít materiály, které samotná výroba vytváří. Jemný prach zachycený z odsávacích systémů oceláren byl dlouhá desetiletí považován především za problematický vedlejší produkt. Dnes se na něj stále častěji pohlíží jako na zdroj železa, zinku a dalších kovů, které mohou pomoci evropskému průmyslu snížit závislost na primárních surovinách. Jedním z nejzajímavějších směrů vývoje je využití mikrovlnného ohřevu, který dokáže z ocelářského prachu získávat cenné kovy rychleji a při nižších teplotách než některé klasické postupy.

Evropské ocelářství prochází zásadní materiálovou proměnou. Výroba oceli v elektrických obloukových pecích využívajících ocelový šrot představuje jeden z hlavních směrů snižování emisí v hutnictví. Elektrické obloukové pece umožňují vyrábět ocel s výrazně nižšími emisemi než klasická výroba založená na redukci železné rudy koksem ve vysokých pecích. Současně však přinášejí nový typ materiálových toků. Jedním z nich je elektrárenský, respektive ocelářský prach označovaný jako EAF dust podle anglického názvu Electric Arc Furnace dust.

Tento velmi jemný materiál vzniká při intenzivním procesu tavení šrotu, kdy se část kovových a minerálních složek dostává do odpadních plynů a následně je zachycována ve filtrech. Přestože název může působit jako označení běžného odpadu, jeho složení je z pohledu cirkulární ekonomiky velmi zajímavé. Obsahuje především oxidy železa, zinek, ale také mangan, vápník, hořčík, křemík, chrom nebo olovo. Podle typu vstupního šrotu a podílu pozinkovaných materiálů se obsah zinku může pohybovat přibližně od jednotek procent až po více než 30 procent hmotnosti. Ocelářský prach tak představuje materiál, který současně obsahuje cenné suroviny i problematické látky omezující jeho přímé navrácení do výroby.

Právě obsah zinku je jedním z hlavních důvodů, proč nelze tento materiál jednoduše vracet zpět do elektrické obloukové pece. Zinek se při vysokých teplotách odpařuje a následně kondenzuje v chladnějších částech zařízení, kde může způsobovat provozní komplikace. Současně ale představuje velmi cennou surovinu. Zinek sice nepatří mezi kritické suroviny Evropské unie definované v rámci evropského Aktu o kritických surovinách, jeho role v průmyslu je však mimořádně významná.

Je nezbytný především pro ochranu ocelových výrobků proti korozi a jeho dostupnost ovlivňuje řadu klíčových odvětví včetně automobilového průmyslu, stavebnictví a strojírenství. Získávání zinku z průmyslových zbytků proto představuje důležitý nástroj pro posilování evropské materiálové soběstačnosti.

Současná praxe využívá několik cest, jak ocelářský prach zpracovat. Nejrozšířenější je pyrometalurgická technologie známá jako Waelzův proces, která umožňuje získávat oxid zinečnatý z prachů s vyšším obsahem zinku. Materiál je zpracováván v rotační peci při vysokých teplotách, přičemž zinek přechází do plynné fáze a následně je zachycován jako produkt bohatý na oxid zinečnatý. Technologie je průmyslově ověřená a používá se v mnoha zemích. Současně však vyžaduje značné množství energie a výsledný proces se zaměřuje především na získání zinku, zatímco železná složka materiálu není vždy plně využita.

Novější přístupy proto hledají způsoby, jak z ocelářského prachu získat současně více hodnotných složek. Cílem není pouze odstranit nežádoucí zinek, ale vytvořit materiálový tok, ve kterém se zpět do průmyslu vrátí železo i další kovy. Tento přístup odpovídá širšímu směru evropské průmyslové politiky, která se zaměřuje na recyklaci kritických a strategických surovin přímo v rámci evropské ekonomiky.

Jedním z technologických směrů, který v posledních letech získává pozornost výzkumných institucí, je využití mikrovlnného ohřevu. Princip není založen na klasickém předávání tepla z okolního prostředí do materiálu, ale na přímém působení elektromagnetického pole na samotné částice. Některé složky ocelářského prachu, především oxidy železa a uhlíkaté přísady používané při redukci, dokážou mikrovlnnou energii velmi dobře absorbovat. Výsledkem je rychlé zahřívání přímo uvnitř zpracovávaného materiálu.

To přináší několik zajímavých vlastností. Materiál se může zahřívat rychleji, reakce mohou probíhat selektivněji a celý proces může vyžadovat nižší teploty než klasické tepelné postupy. Výzkumníci z University of Oulu a dalších institucí například zkoumali možnost získávání zinku z EAF prachu pomocí mikrovlnného ohřevu a porovnávali jej s konvenčním zahříváním. Studie publikovaná v časopise Journal of Sustainable Metallurgy ukázala, že při teplotě 850 °C bylo možné mikrovlnným procesem dosáhnout odstranění přibližně 98,2 procenta zinku z EAF prachu, zatímco při klasickém ohřevu byla při stejné teplotě účinnost přibližně 79,9 procenta. Autoři současně uvedli, že obdobné účinnosti jako při klasickém procesu kolem 1 050 °C bylo možné dosáhnout pomocí mikrovlnného ohřevu přibližně o 200 °C níže.

Další výzkum zaměřený přímo na selektivní odstraňování zinku z elektrárenského prachu ukázal, že při mikrovlnném zpracování při teplotě 950 °C bylo možné odstranit přibližně 94 procent zinku. Zbytkový materiál obsahoval především železo a vápenaté ferity, tedy složky, které mohou být dále využitelné v hutních procesech.

Výsledky těchto studií ukazují, že mikrovlnná technologie není pouze laboratorní experiment bez praktického významu. Základní chemické principy fungují a výsledky jsou srovnatelné nebo lepší než u některých tradičních postupů. Klíčovou otázkou však zůstává, zda bude možné technologii ekonomicky a technicky převést z laboratorních zařízení na průmyslové linky schopné zpracovávat tisíce až desítky tisíc tun materiálu ročně.

Právě zde se rozhoduje o budoucnosti této technologie. V laboratoři lze přesně nastavit intenzitu mikrovlnného pole, množství materiálu i průběh reakce. Průmyslový provoz však musí pracovat nepřetržitě, s rozdílnou kvalitou vstupního materiálu a s požadavkem na dlouhodobou stabilitu zařízení. Výzvou zůstává především konstrukce vhodných mikrovlnných reaktorů, rovnoměrné rozložení energie v objemu materiálu a ekonomická návratnost investice.

Přesto je směr vývoje jasný. Ocelářský průmysl budoucnosti nebude založen pouze na výrobě nové oceli, ale také na maximálním využití všech materiálových toků, které při výrobě vznikají. Ocelářský prach představuje jeden z příkladů materiálu, který se může postupně přesunout z kategorie odpadu do kategorie strategické druhotné suroviny.

Zatímco první generace technologií pro zpracování ocelářských prachů byla zaměřena především na odstranění problémových prvků a získání zinku, současný vývoj směřuje k mnohem širšímu cíli. Budoucností nebude pouze výroba zinkového koncentrátu, ale maximální využití všech obsažených kovových složek.

Významnou roli v tomto směru hraje rostoucí význam elektrických obloukových pecí. Podle údajů World Steel Association představuje výroba oceli v elektrických obloukových pecích přibližně 30 procent světové produkce surové oceli a v Evropě je její podíl ještě vyšší. V některých evropských zemích přesahuje 40 procent. Tento trend bude pokračovat, protože elektrické obloukové pece jsou jednou z hlavních cest k dekarbonizaci výroby oceli. Současně ale znamená, že množství vznikajícího EAF prachu bude významným materiálovým tokem, který bude nutné efektivně řešit.

Podle odborných odhadů vzniká při výrobě jedné tuny oceli v elektrické obloukové peci přibližně 10 až 20 kilogramů prachu. Při evropské výrobě oceli z elektrických obloukových pecí tak ročně vznikají objemy v řádu milionů tun tohoto materiálu. Studie projektu Dust2Value financovaného z programu Horizon Europe pracuje s odhadem, že v Evropě vzniká více než 1,5 milionu tun EAF prachu ročně.

Pokud se podíváme pouze na zinek, potenciál je značný. Evropský ocelářský průmysl spotřebovává velké množství pozinkovaného ocelového šrotu z automobilového průmyslu, stavebnictví nebo strojírenství. Při tavení tohoto materiálu se zinek z povrchových vrstev uvolňuje a koncentruje právě v ocelářském prachu. Obsah zinku se v něm často pohybuje mezi 15 až 35 procenty, což znamená, že EAF prach může být významným sekundárním zdrojem tohoto kovu. Zároveň obsahuje přibližně 20 až 45 procent železa, které však současné technologie často nedokážou efektivně vrátit zpět do výroby.

Právě železná složka je jedním z důvodů, proč se výzkum posouvá od jednoduchého odstranění zinku k integrovanému získávání více kovů. Z pohledu cirkulární ekonomiky totiž nedává velký smysl získat několik stovek kilogramů zinku a současně ztratit tuny železa, které již jednou prošlo energeticky náročným výrobním procesem. Každá tuna železa vrácená zpět do hutního cyklu znamená úsporu primárních surovin, energie a emisí spojených s těžbou a zpracováním železné rudy.

Jedním z evropských projektů, který se snaží tento problém řešit, je právě Dust2Value. Projekt propojuje výzkumné instituce a průmyslové partnery s cílem vyvinout technologii umožňující zpracování EAF prachu s využitím vodíku a dalších nízkoemisních postupů. Záměrem není pouze odstranit zinek, ale vytvořit dva využitelné produkty. Prvním je zinkový materiál vhodný pro další zpracování a druhým železný produkt, který může být využit v ocelářském procesu. Projekt reaguje na skutečnost, že evropské hutnictví bude v budoucnosti potřebovat nejen méně emisní výrobu, ale také vyšší materiálovou efektivitu.

Vodík přitom představuje jeden z nejvýznamnějších prvků současné transformace hutnictví. Tradiční vysoké pece využívají uhlík obsažený v koksu jako redukční činidlo, při jehož reakci vzniká oxid uhličitý. Vodíkové technologie nahrazují uhlík vodíkem, jehož reakcí s oxidickými sloučeninami vzniká voda. V případě zpracování ocelářských prachů může vodík pomoci redukovat oxidy železa a současně snížit množství uhlíkových emisí.

Kombinace mikrovlnného ohřevu a vodíkových procesů je proto jedním z velmi zajímavých směrů. Mikrovlny mohou zajistit rychlé a cílené zahřátí materiálu, zatímco vodík může plnit roli čistšího redukčního prostředku. Výsledkem by mohl být proces, který současně využije odpadní materiál, sníží spotřebu fosilních paliv a vrátí kovové prvky zpět do výrobního cyklu.

Výzkum mikrovlnného zpracování pokračuje také mimo Evropu. Týmy v Číně, Japonsku, Jižní Koreji nebo Vietnamu zkoumají různé varianty této technologie. Vietnamský výzkum, který upozornil na možnost přeměny ocelářského prachu pomocí mikrovln na využitelnou surovinu, zapadá do širšího mezinárodního trendu.

Vedle mikrovlnných technologií proto vzniká celá řada dalších postupů. Hydrometalurgické metody využívají chemické rozpouštění kovů a následné oddělení jednotlivých složek. Jejich výhodou může být vysoká selektivita, nevýhodou pak potřeba chemických činidel a následného zpracování roztoků. Plazmové technologie umožňují pracovat s velmi vysokými teplotami a zpracovávat obtížné materiály, ale jejich energetická náročnost zůstává významnou otázkou. Vodíkové procesy zase představují cestu ke snížení emisí, avšak jejich úspěch bude záviset na dostupnosti cenově konkurenceschopného nízkoemisního vodíku.

Mikrovlnné zpracování zatím zůstává především perspektivní technologií ve fázi dalšího ověřování a průmyslového rozvoje. Výsledky výzkumu však ukazují, že směr je správný. Pokud se podaří vyřešit otázky kapacity, energetické účinnosti a ekonomiky provozu, může se stát jedním z nástrojů, které pomohou evropskému hutnictví přejít od modelu založeného na jednorázové spotřebě surovin k modelu založenému na jejich opakovaném využívání.

Evropa dnes stojí před úkolem spojit tři cíle, které byly dříve často řešeny odděleně. Potřebuje konkurenčně schopně vyrábět ocel s nižšími emisemi, zajistit dostatek surovin pro vlastní průmysl a současně omezit množství materiálů, které opouštějí výrobní cyklus. Cirkulární hutnictví budoucnosti tak nebude stát pouze na recyklaci ocelového šrotu. Ta zůstane základním pilířem evropské výroby oceli, ale sama o sobě nebude stačit. Stejně důležité bude využití všech vedlejších proudů vznikajících během výroby.