Особенности бизнес-анализа новых технологий жидкофазного восстановления железа.
Предисловие
В настоящее время в мире активно раскручивается так называемая "зеленая" компания за снижение "углеродного влияния" жизнедеятельности человечества на окружающую среду в свете ожидаемого глобального изменения климата. В мировых СМИ можно наблюдать огромное число публикаций на данную тему. Среди них можно выделить такие, как выступление Грэты Тумберг в ООН, статья Билла Гейтса «COVID-19 - Это ужасно, но изменение климата будет еще страшнее...» - см. ссылку, выступление А.Б.Чубайса о необходимости внедрения в РФ «углеродного налога» - см. ссылку, книга Клауса Шваба "COVID-19. Глобальная перезагрузка", которая фактически вся пронизана цитатами о глобальном изменении климата (полный дословный перевод данной книги можно найти по ссылке, скачать дословный перевод книги в формате PDF можно по данной ссылке). Мы не будем останавливаться в данной публикации о предполагаемых причинах данной компании (это тема отдельных публикаций). Отметим только то, что в свете разворачиваемой компании - экологические требования к технологиям "нового" уклада будут с течением времени только повышаться.
Одним из источников загрязнения окружающей среды является традиционная металлургия, основанная на применении коксохимического, агломерационного, доменного и конвертерного производств. По некоторым данным (см. ссылку) оценки вклада металлургии, рассчитанные по разным методикам дают цифру в интервале 2,4–3,6% в общей эмиссии углекислого газа промышленностью и бытовыми применениями. Однако, несмотря на это, продолжается ужесточение требований к экологическим характеристикам металлургических производств, что в свою очередь обуславливает поиск новых технологий, позволяющих исключить из технологического процесса наиболее «грязные» его этапы. В такой ситуации имеет смысл ожидать, что в течении 5...6 лет в мире металлургические процессы предыдущего технологического уклада, основанные на технических решениях уже позапрошлого века, будут объявлены «грязными» с точки зрения выбросов СО2. И против указанных выше технологий будут внедрены санкционные мероприятия различной степени тяжести. Наиболее пострадавшим в данной теме судя по всему будет Китай - самый большой производитель стали в мире, у которого в основном эксплуатируются аглодоменные и конвертерные процессы. Следом в очереди может стать РФ.
Не случайно в последние годы наблюдается всплеск интереса к строительству новых заводов, работающих по новым не «стереотипным» бездоменным технологическим схемам - так называемым GreenSteel технологиям.
Здесь следует отметить, что 1 сентября 2020 года в Минпромторге РФ был подписан контракт между компанией Danieli и холдингом ОМК (Седых А.М.) на строительство металлургического комбината производственной мощностью 2,5 млн тонн в год стали по технологии DRI (прямое восстановление железа - аналог MIDREX процесса, внедренного на ОЭМК). Ожидаемый объем инвестиций - 150 млрд рублей (включая контракт с Danieli - 400 млн евро)... Технология DRI относится к GreenSteel технологиям, выбросы СО2 снижены на 70% по сравнению с аглодоменным производством.
Надо отдать должное руководству ОМК - оно выбрало самый правильный стратегический путь, а именно GreenSteel технологии, чтобы в будущем обезопасить себя от «зеленых» проблем. Вместе с ОЭМК - эти две компании займут около 10% рынка стали в РФ произведенной по GreenSteel технологии. Остальные 90% через какое-то время будут «приговорены» мировыми процессами по изменению климата к масштабной реконструкции. Ожидаемый объем инвестиций по переходу российской металлургии на «зеленые» рельсы может составить от 3 до 5 триллионов рублей.
Основные виды бездоменной металлургии железа, освоенные в настоящее время промышленностью, сводятся к двум направлениям:
- производство "губчатого" железа (твердофазное восстановление - металлизированные окатыши, брикеты), используемого далее преимущественно в электродуговых печах
- получение жидкого железного расплава-сырца методом жидкофазного восстановления железа.
Условно твердофазное восстановление железа получило довольно-таки широкое распространение в мире - MIDREX процесс (см. рис. 2 и 3) и его аналоги.
MIDREX процесс (или DRI технологии - Direct Reduce Iron - технологии прямого восстановленное железа) хорошо изучены и имеет немало бизнес внедрений в различных странах мира (в том числе и в РФ).
В данной публикации мы ознакомимся с различными видами опробованных в настоящий момент технологий жидкофазного восстановления железа и рассмотрим некоторые особенности бизнес-анализа этих процессов.
Принципиально все технологии жидкофазного восстановления железа подразделяются на три основные группы:
- Углеродное жидкофазное восстановление железа
- Метановое жидкофазное восстановление железа
- Водородное жидкофазное восстановление железа
Углеродное жидкофазное восстановление железа
РОМЕЛТ
Наиболее известным процессом из этой серии металлургических технологий является процесс РОМЕЛТ - одностадийный процесс выплавки чугуна без использования кокса и предварительной подготовки железосодержащей шихты.
Процесс «Romelt» был разработан в 1979 году сотрудниками Московского института стали и сплавов (Роменец В. А. и другие) и реализован в 1985 году в виде крупномасштабной опытно-промышленной установки на Новолипецком металлургическом комбинате.
В 1997 году при участии фирмы Samsung Heavy Industries была сооружена пилотная установка в городе Таеджон (Республика Корея) для отработки технологии переработки в печи РОМЕЛТ твердых бытовых отходов.
В 2008 г. на заводе фирмы «AB Metals» (г. Балхаш, Казахстан) пущена в эксплуатацию маломасштабная (мощностью 32 тыс. т. чугуна в год) установка Ромелт. На этой установке помимо производства товарного чугуна успешно осваивается технология плавки на штейн местной медной сульфидной руды.
С 2004 года в Мьянме (штат Шан, район Таунджи, город Таунджи, месторождение Панг Пет) ведется строительство металлургического завода на базе установки Ромелт мощностью 205 тыс. т. чугуна в год. Однако по некоторым данным пуск предприятия откладывается по независящим от российского подрядчика причинам (см. подробности).
Более подробно с технологией РОМЭЛТ можно ознакомится ИННОВАЦИОННОГО НАУЧНО-УЧЕБНОГО ЦЕНТРА "РОМЕЛТ"
ORIEN
Другой интересной технологией прямого жидкофазного восстановления железа является новый электрометаллургический процесс ORIEN.
Разработчики процесса считают, что технология ORIEN является новейшей российской разработкой в области черной металлургии: производство стали с новым уровнем свойств на качественно другой основе — использовании рудного и энергетического сырья и принципе самоэнергообеспечения. Технология ORIEN относится к процессам «руда — сталь», попытки создания которых неоднократно предпринимались и за рубежом, и продолжаются до настоящего времени. С позиций металлургического производства процесс ORIEN представляет собой качественно новый тип металлургического завода, сочетающий получение железа прямого восстановления по механизму жидкофазного восстановления под воздействием электрической дуги (в агрегате типа ЭДСП - электродуговая сталеплавильная печь), преобразование его в сталь или полуфабрикат в том же агрегате на принципе самоэнергодостаточности. Технология процесса ORIEN представляет собой одностадийный совмещенный процесс с минимальным числом технологических операций.
Более подробно о технологии ORIEN можно прочитать в первоисточнике. В статье рассмотрены основные моменты технологии ORIEN, включая исходное сырье, получение железа прямого восстановления и стали из него, вопросы энергообеспечения и качества металла.
Особенности бизнес-анализа углеродного жидкофазного восстановления железа
Углеродное жидкофазное восстановление железа по кинетике химической реакции фактически повторяет аглодоменное производство: Fe2O3 -> FeO -> железоуглеродистый расплав. В обоих случаях на выходе чугун. Разница только в том, что в качестве энергоносителя для разогрева среды в аглодоменном производстве и процессе РОМЕЛТ используется уголь (кокс - процесс окисления углерода кислородом с выделением СО2), а в жидкофазном восстановлении ORIEN - энергия электрической дуги (без выбросов СО2). Поэтому ожидаемые выбросы СО2 в технологии ORIEN должны быть на 20...25% меньше. В качестве восстановителя используется уголь (кокс) и по выбросам СО2 собственно процесс углеродного жидкофазного восстановления железа по факту ни чем не отличается от доменного процесса (C -> CO -> CO2).
Ниже мы будем рассматривать процессы жидкофазного восстановления железа только в ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГЕ, как (по мнению авторов) наиболее современные.
При рассмотрении вопросов бизнес-анализа таких процессов видно, что фактически единственная статья, которую пытаются монетизировать разработчики данных технологий - это повышенная скорость восстановления железа в жидкой фазе при температуре выше 1900 град Цельсия (ориентировочно до 10 раз выше, чем в доменном процессе). Основной тезис экономической эффективности: при меньших капитальных затратах - та же производительность.
Однако детальная проектно-инженерная проработка представленных разработок сводит на нет данный тезис. Собственно плавильная установка действительно будет стоить дешевле. Однако мощность электроэнергии, потребляемая в технологическом процессе по разным оценкам авторов в 3...4 раза превышает мощность, затрачиваемую в обыкновенном "скрап-процессе" плавки металлолома в ЭДСП. Соответственно стоимость резервного подключения к внешним энергосетям с необходимой мощностью (для запуска технологии) фактически нивелирует всю ожидаемую эффективность. В совокупности капитальные затраты будут сравнимы...
Заявления авторов о принципах самоэнергообеспечения также вызывают серьезные сомнения. Тезис о том, что объемы выделения СО по своей теплотворной способности по расчетам позволяют получить электроэнергию чуть ли ни в два раза больше, чем затрачено на процесс восстановления железа, также нивелируется при подробной проектно-инженерной проработке. Во-первых, у вторичной энергосистемы низкий КПД в виду не стабильности процесса выделения СО - необходимо строить газгольдер для сбора и временного хранения CO, и далее равномерного усреднения выдачи газа на энергогенерирующую установку. Во-вторых, СО в чистом виде не горит, его необходимо «подсвечивать» природным газом (ориентировочно 12...14% подпитка природным газом при разогретом котле). Это дополнительные затраты и снижение эффективности. В-третьих, вернуть электроэнергию в технологический процесс, в котором производится газификация углерода до СО фактически невозможно, т.к. при этом возникает обратная «паразитная» электрическая связь. Данная связь обычно приводит к самозатуханию технологического процесса. Сгенерированную электроэнергию можно потратить на инфраструктурное энергопотребление, не имеющее прямой связи с процессом газификации угля. Либо можно попытаться масштабировать технологически процесс путем строительства «каскада» модулей, при котором два модуля генерируют электроэнергию, которая тратится на дугу в третьем модуле. Но вернуть электроэнергию в собственный процесс восстановления железа практически невозможно...
В данном случае вспоминается сказка про барона Мюнхгаузена, который, взявшись за "косичку", выдернул себя вместе с лошадью из болота...
Все выше сказанное приводит к весьма «спорной» экономической эффективности процесса углеродного жидкофазного восстановления железа в электрической дуге (процесс ORIEN и аналогичные). Чтобы доказать заявленную эффективность необходимо построить опытный экземпляр производительностью самой современной доменной печи (около 3 млн тонн чугуна по году). На такие спорные инвестиции никто не рискнет. Любое масштабирование процесса вниз по производительности приводит к низкой эффективности процесса, т.к. в себестоимости чугуна увеличиваются условно-постоянные затраты на тонну продукции. По факту опытные экземпляры по технологии углеродного жидкофазного восстановления именно железа получаются в лучшем случае "со спорной рентабельностью"...
Однако вместе с вышесказанным нельзя окончательно "ставить крест" на данной технологии. Процессы жидкофазного углеродистого восстановления железа нашли свое применение там, где в качестве основного потока монетизации используется получение шлака с высоким содержанием оксидов дефицитных или редкоземельных металлов. А чушковый чугун лишь является побочным продуктом.
В качестве примера приведем тезисы из данного первоисточника.
Producers of titanium dioxide slag in Canada, South Africa, and Norway smelt ilmenite, a weakly magnetic ore of titanium dioxide and iron oxide (FeTiO3) in electric furnaces at temperatures ranging from 1650 -1700° C, using either coal or another carbonaceous material as reductant. Titanium dioxide slag is the principal product, with pig iron being a co-product. Titanium dioxide slag is largely used as a raw material for producing white pigment, mostly for the paint and plastics industries.
Производители шлака из диоксида титана в Канаде, Южной Африке и Норвегии плавят ильменит, слабомагнитную руду из диоксида титана и оксида железа (FeTiO3) в электрических печах при температурах от 1650 до 1700° C, используя в качестве восстановителя либо уголь, либо другой углеродистый материал. Основным продуктом является шлак из диоксида титана, а сопутствующим продуктом-чугун. Шлак диоксида титана в основном используется в качестве сырья для производства белого пигмента, в основном для лакокрасочной и пластмассовой промышленности.
Подробнее - см. видео ниже.
Особенности анализа воздействия на окружающую среду
Как мы уже говорили выше, по конечным выбросам CO2 процесс жидкофазного восстановления железа в электрической дуге не слишком радикально отличается в меньшую сторону от классического аглодоменного процесса. Температурный баланс пополняется не за счет окисления угля (кокса), а за счет тепла электрической дуги, которая частично компенсируется "вторичной энергетикой" при дожигании CO.
Но при этом необходимо понимать, что КПД такой длинной цепочки пополнения теплового баланса (дожигание CO и получение вторичной электроэнергии) значительно ниже, чем КПД простого сжигания кокса в доменной печи... Вместе с этим если рассмотреть "углеродный след" от той внешней энергетики, которую необходимо подвести в процесс, указанное ожидаемое снижение окончательных выбросов CO2 может быть попросту сведено на нет (при подробном анализе не исключено, что количество выбросов углекислого газа получится больше).
Также не стоит забывать, что на выходе получается чугун. Таким образом вся остальная технологическая цепочка получения готовой продукции остается неизменной. Т.е. следующим этапом в данной цепочке остается кислородно конвертерный процесс производства стали вместе со своими "грязными" темами - дополнительные выбросы CO2 и сжигания до 10% так "тяжело восстановленного" железа в процессе выжигания избыточного углерода в жидком чугуне. Современные установки кислородных конвертеров позволяют снизить объемы сжигания железа до 8,5% (выбросы пыли FeO - которые улавливаются специальными фильтрами и в дальнейшем направляются в переработку на аглофабрику). Все эти факторы на добавляют "удовольствия" жителям близлежащих населенных пунктов...
Так что относить углеродное жидкофазное восстановление железа в электрической дуге к GreenSteel технологиям - весьма спорная тема...
Продолжение следует...
