Предисловие автора канала
Данная публикация является полной копией одноименной статьи, опубликованной в журнале "Сталь" - номер от 11.2021. Первоисточник в формате PDF можно найти здесь.
Авторы
Ю. Л. Ершов - Бизнес-аналитик, специалист в области проектного управления (г. Москва, Россия)
А. Г. Шакуров, В. М. Паршин - ООО «Экошлак-рециклинг» (г. Москва, Россия)
А. Г. Колесников, А. Ю. Шишов - МГТУ им. Н. Э. Баумана (г. Москва, Россия)
Аннотация
Обоснование запуска масштабного стартапа на тему «Водородная металлургия будущего» с целью предварительной оценки технической возможности, экономической целесообразности и конкурентоспособности применения процессов производства стали из оксидов железа с использованием в качестве восстановителя – газообразного водорода/метана при проектировании металлургических предприятий. Приведены общие цифры по выбросам CO2 в мире, краткий обзор современных технологий прямого восстановления железа, писание изыскательских работ по технологии жидкофазного восстановления железа в водородной/метановой плазме по публикациям зарубежной научно-технической прессы. Намечены предварительная технологическая схема опытно-экспериментального комплекса и возможности его технологического масштабирования.
Ключевые слова: водородная плазма; восстановление при плавке; оксид железа; плазменная дуга; водородная металлургия.
Введение
 настоящее время в мире активно разворачивается так называемая «зеленая» кампания 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. Не останавливаясь на причинах развернувшейся кампании, отметим, что в свете ожидаемых глобальных изменений экологические требования к технологиям «нового мирохозяйственного уклада» будут с течением времени только повышаться. Эта тенденция будет активно развиваться и в металлургической отрасли, которая вносит свой, хотя на первый взгляд незначительный, вклад в загрязнение атмосферы Земли. Поэтому особый интерес вызывают новые разработки в данной отрасли – так называемые GreenSteel технологии.
В западной научно-технической прессе периодически появляются публикации, из которых видно, что мировая наука уже более 15 лет активно ведет разработки в области «декарбонизации» металлургических процессов. В свете происходящих в мире «климатических» событий, а также «Стратегии национальной безопасности Российской Федерации», подписанной Президентом РФ, в отечественной металлургии давно назрела необходимость разработки собственных металлургических GreenSteel технологий с супернизкими выбросами CO2 в атмосферу. Наиболее перспективным в данной теме видится разработка процессов восстановления железа из его оксидов (Fe2O3, FeO) газообразным водородом (H2) или метаном (CH4) с применением нестандартных и инновационных способов решения проблемы высокой растворимости водорода в металле. Следует отметить, что в мировом научном сообществе при обсуждении темы «водородной энергетики» в настоящий момент звучит много вопросов по поводу весьма «спорной» эффективности ее внедрения в повседневную жизнь человечества. Вопреки данному факту, при профессиональном подходе к обсуждению темы «водородной металлургии» достаточно неожиданно возникает много положительных экономических предпосылок для внедрения новых «водородных» металлургических процессов.
«Водородная металлургия» имеет все шансы стать не только «чистой» технологией с точки зрения требований декарбонизации, но и весьма эффективной технологией потребления водорода, успешно конкурирующей с уходящими в прошлое металлургическими процессами старого технологического уклада. Обсудим некоторые экономические аспекты «водородной эры» в области металлургии и целесообразность запуска серии масштабных, чисто российских, стартапов.
1. Структура мировых выбросов углекислого газа
Обратимся прежде всего к цифрам. Общемировые выбросы CO2 за 2001 г. оцениваются в 246310 млн т [1]. В укрупненной общемировой структуре выбросов CO2 (рис. 1) доля металлургического производства составляет всего 0,7 %. При этом на долю антропогенных выбросов в результате действия человеческой цивилизации приходится чуть менее 10 %.
Общие антропогенные выбросы CO2 за 2001 г., по данным ученых, составили 22310 млн т. По данным [1] доля общемировой металлургии в антропогенных выбросах CO2 составляет 7,3 % (рис. 2).
Общие мировые выбросы CO2 в мировой металлургической отрасли за 2001 г. составили 1620 млн т, из которых львиная доля (чуть больше половины) приходится на доменное производство (рис. 3).
Интенсивность выбросов CO2 в сталелитейной промышленности зависит от маршрута производства [2]. При производстве одной тонны жидкой стали по интегрированному маршруту BF – BOF (доменная печь – кислородный конвертер) выделяется до 2120 кг, а по парному маршруту HYL – EAF (DRI – электропечь) – до 1125 кг CO2 [5]. При переработке 100 % лома EAF выделяется 466 кг CO2/т жидкой стали [6] (рис. 4).
Итак, с какими современными металлургическими технологиями человечество подошло к границе нового технологического уклада? В качестве реальной перспективы в вопросах декарбонизации металлургических процессов явно имеет смысл рассматривать технологии прямого восстановления железа (DRI – Direct Reduced Iron). Технологии DRI условно можно разделить на две группы процессов:
- твердофазные – температура восстановительной зоны не более 1100 °C;
- жидкофазные – температура восстановительной зоны от 1650 °C и выше (жидкая фаза восстановительной среды).
Уделим больше внимания жидкофазным процессам и перспективам их масштабирования.
2. Твердофазные процессы DRI (прямое восстановление железа)
Широко освоенные в мире процессы DRI подразделяются на две группы в зависимости от использования восстановителя:
- процессы прямого восстановления на основе природного газа (DR), такие как Midrex, HYL и Finmet;
- процессы DRI на основе угля, такие как FASTMET и Comet [4];
- новые процессы DRI на основе газообразного водорода.
Наибольшее распространение в мире получила технология Midrex [6]. По данным одноименной компании, доля указанной технологии в мире в производстве железа прямого восстановления в 2018 г. составила 63,5 % [13] (рис. 5) с объемом мирового производства 100,5 млн т.
Что касается известных твердофазных металлургических технологий, отметим, что в рамках темы декарбонизации в открытых средствах массовой информации стали появляться сообщения об использовании водорода в качестве основного восстановителя в новых твердофазных металлургических технологиях. Так, компании Voestalpine и Primetals Technologies на базе австрийского металлургического комбината Donawitz провели испытания опытной установки получения восстановленного железа с помощью водорода [8]. Краткая информация из открытых источников об этом процессе:
- обработано 800 кг железной руды;
- сырье – неагломерированная мелкодробленная руда с размером частиц менее 0,15 мм;
- восстановление происходит в атмосфере чистого водорода при температуре 900 °С;
- конечная продукция – DRI железо с температурой 600 °С для непосредственной загрузки в электропечь;
- в перспективе – горячебрикетированное железо (HBI).
Следующим этапом проекта станет строительство пилотного модуля для отработки технологии в промышленных масштабах. Эти работы могут занять около двух лет. Как заявляет Primetals, модульный принцип позволит в перспективе строить установки различной производительности. Водород для них можно получать разными способами – как посредством разложения природного газа, так и электролизом. Имеет смысл отметить также заявления некоторых металлургических компаний о производстве первых партий «декарбонизированной» стальной продукции.
Остается только с уважением относиться к данным фактам, при этом с грустью отмечая, что в открытой прессе российское металлургическое сообщество не сообщает об аналогичных разработках в Российской Федерации на основе газообразного водорода.
3. Немного истории о жидкофазных процессах DRI в России
А что же есть в Российской Федерации? В научно-исследовательской среде Российской Федерации (и бывшем СССР) исторически сложились значительный опыт и альтернативная фундаментальная школа в области жидкофазного восстановления железа с применением в качестве основного восстановителя угля.
Особое место в российской металлургической истории занимает процесс «Ромелт». Ромелт (Romelt) – одностадийный процесс выплавки чугуна без использования кокса и предварительной подготовки железосодержащей шихты [9 – 11]. Процесс «Romelt» был разработан в 1979 г. сотрудниками Московского института стали и сплавов (В. А. Роменец и другие) и реализован в 1985 г. в виде крупномасштабной опытно-промышленной установки на Новолипецком металлургическом комбинате. Технология Ромелт прошла серьезную стадию опытно-промышленного производства. Процессом «Romelt» на установке НЛМК было выплавлено более 40 тыс. т чугуна. Кроме того, в МИСиС была создана фундаментальная школа жидкофазного одностадийного процесса восстановления железа со своими математическими моделями материальных и энергетических балансов.
Другой интересной технологией прямого жидкофазного восстановления железа является новый электрометаллургический процесс ORIEN [12]. К сожалению, в прессе фактически отсутствует информация о сколь-нибудь успешной стадии опытно-промышленной эксплуатации агрегата по данной технологии. Технология Orien относится к процессам «руда – сталь», попытки создания которых неоднократно предпринимались и за рубежом (и продолжаются до настоящего времени). Технология Orien представляет собой одностадийный совмещенный процесс получения железа по механизму жидкофазного восстановления под воздействием электрической дуги (в агрегате типа ЭДСППП – электродуговая сталеплавильная печь постоянного тока). В статье [12] рассмотрены основные моменты технологии Orien, включая исходное сырье, получение железа прямого восстановления и стали из него, вопросы энергообеспечения и качества металла.
Разработчиков жидкофазных технологий, которые появились в научно-исследовательской среде РФ за последние 30-40 лет, достаточно много, это компания «Новые металлургические технологии» [21], компания «ЭПОС-инжиниринг» [22] и др. Большинство из них так и остались на стадии опытных лабораторных экземпляров. Попытки масштабирования до опытно-промышленных экземпляров не привели к убедительному успеху по сравнению с классическими отработанными технологиями. Сказались, конечно же, недостаточное финансирование и отсутствие интереса у государства и бенефициаров крупных металлургических компаний к альтернативному фундаментальному развитию в области отечественной черной металлургии.
4. Особенности бизнес-анализа жидкофазных технологий DRI на основе угля (углеродное восстановление)
Справедливости ради, стоит отметить, что для слабого интереса к жидкофазным DRI процессам на основе угля (углеродное жидкофазное восстановление железа) есть убедительная экономическая основа.
В качестве первого тезиса имеет смысл отметить, что в результате углеродного восстановления железа на выходе подавляющего большинства технологий получается чугун. Как следствие, в случае широкого масштабирования разработанных отечественных технологий придется сохранять классическую технологическую цепочку с применением кислородного конвертера (BOF) с соответствующими не сильно «чистыми» последствиями (от 8,5 до 10 % железосодержащей загрузки в конвертере окисляется кислородом во время продувки и улавливается в фильтрах газовыводящей системы в виде пыли с высоким содержанием FeO).
В качестве второго тезиса следует отметить, что основным восстановителем в данных технологиях применяется энергетический уголь (кроме некоторых разработок компании «ЭПОС-инжиниринг», которые сделали внушительный шаг к созданию альтернативы технологии Midrex). В большинстве случаев основные химические процессы аналогичны процессам в классической доменной печи. И радикального преимущества по материальному и энергетическому балансам применительно к разработанным технологиям ожидать не приходится. Основным теоретическим преимуществом, которым разработчики технологий жидкофазного углеродистого восстановления пытаются обосновать свои процессы, является тот факт, что скорость процесса восстановления железа в жидкой фазе при температурах 1500-2000 °С на порядок выше, чем та же скорость при твердофазных технологиях. И соответственно разработчики ожидают, что капитальные затраты на собственно плавильный агрегат будут значительно ниже, чем при строительстве классической доменной печи. В этом случае стоит ожидать, что сроки окупаемости таких проектов будут короче, эффективность выше.
Однако при более подробной проектно-инженерной проработке большинства жидкофазных углеродных DRI технологий становится понятно, что для доказательства, отмеченного выше преимущества, потребуется спроектировать и построить опытно-промышленный экземпляр, равнозначный по объему выпуска чугуна какой-нибудь современной доменной печи (производительностью до 3 млн т в год). Во-первых, сегодня на такие рискованные инвестиции никто не пойдет. Во-вторых, крупные инвестиционные затраты на такую гигантскую инфраструктуру фактически сводят на нет заявленный выше тезис эффективности.
Вместе с тем любое масштабирование по производительности вниз (чтобы банально вписаться в усеченный бюджет) сразу же нарывается на неэффективное распределение в себестоимости конечного продукта статей условно-постоянных и условно-переменных затрат. Жидкофазные углеродные процессы восстановления железа при таком масштабировании опытно-промышленных экземпляров просто становятся неконкурентоспособными с устаревшей, но максимально оптимизированной аглодоменной технологией.
И последний, пожалуй, самый неутешительный тезис. К процессу декарбонизации все разработанные в России жидкофазные углеродные технологии не имеют никакого отношения. И как следствие, фактически потеряли свою актуальность на «поляне» жидкофазных DRI технологий в ближайшем будущем.
5. Процесс плазменного восстановления оксидов железа газообразным метаном или водородом
«Процесс плазменного восстановления оксида железа газообразным метаном и его технологическая перспектива» – пожалуй, так можно перевести статью специалистов кафедры металлургии университета горного дела, металлургии и материалов в городе Леобен (Австрия), опубликованную в открытом доступе в 2007 г. [14]. Представленная в Интернете статья австрийских ученых говорит о том, что на Западе уже более 15 лет всерьез занимаются разработкой внедоменных процессов в металлургии с целью снижения выбросов СО2. Особый интерес, по мнению австрийских специалистов, представляет метановое жидкофазное восстановление железа, или так называемая «метановая металлургия». Данная технология в Европе вряд ли будет иметь перспективу, так как в Европе отсутствуют сколько-нибудь значимые месторождения природного газа. Большая часть потребляемого Европой газа имеет российское происхождение. В связи с тем, что РФ располагает значительными запасами природного газа, на взгляд авторов статьи, тезис «метановая металлургия» имеет шансы стать чисто российской стратегической перспективой развития в отечественной металлургии.
Основа технологии заключается в следующем. Смесь СН4 и Ar подается в дуговую плазму для диссоциации и ионизации в соответствии с приложенной электрической энергией. Далее СН4 разлагается на молекулы углерода и водорода на границе раздела дуга – расплав (при температурах ~ 2000-2600 °С) по следующей реакции:
{CH4} <=> C (s) + 2{H2}.
Одна молекула CH4 при использовании метановой плазмы связывает четыре атома кислорода (CO2, 2H2O), в то время как одна молекула H2 при использовании водородной плазмы может восстанавливать только один атом кислорода (H2O). Австрийскими учеными на упомянутой выше установке были проведены опыты по восстановлению железа в плазме электрической дуги с применением смеси аргона и водорода [16]. Результаты металл-анализа полученного продукта заставляют серьезно задуматься (табл. 1).
Из представленной таблицы видно, что на выходе процесса жидкофазного плазменного восстановления железа газообразным водородом (в смеси с аргоном) получается фактически сталь с близким к нулю содержанием углерода. При использовании метановой восстановительной плазмы на выходе получается рядовая сталь. Т. е. точкой присоединения дальнейшей технологической цепочки по классической схеме может стать установка ковш-печь. Это существенно упрощает всю схему производства стали.
В табл. 2 представлены некоторые технологические расходные показатели экспериментальных процессов для двух вариантов плазмы: водородной и метановой.
Если сравнить представленные цифры по выделению CO2 от собственно экспериментального плазменного процесса с показателями используемых в настоящее время в металлургии процессов (рис. 6), то поводов для серьезных раздумий становится еще больше. При ближайшем рассмотрении видно некое сходство с российской технологией Orien. В обеих технологиях используется электродуговая плазма с жидкофазным восстановлением. Главное отличие технологии австрийского института заключается в применении в качестве восстановителя газообразного водорода или метана, что соответствует современным заявленным мировым трендам в развитии металлургии.
Таким образом, можно с большой долей уверенности заявить, что российская фундаментальная школа жидкофазного восстановления железа имеет высокий шанс встать в один ряд в конкуренции с западными технологиями при условии перехода на газообразный восстановитель – водород/метан.
6. Ожидаемые преимущества технологии жидкофазного восстановления железа с помощью водородной/метановой плазмы
Попытаемся рассмотреть данный вопрос с точки зрения предварительного постатейного бизнес-анализа. В конце концов «командует парадом» не технология, а экономика (а точнее, показатели эффективности производственно-сбытового процесса). При таком подходе разрабатываемая технология – это первоисточник информации для расчета калькуляции производственной себестоимости в технико-экономическом обосновании процесса.
6.1. Одностадийный процесс восстановления
Основным конкурентом описанному выше процессу жидкофазного восстановления можно считать технологическую схему процесса Midrex. В ней можно выделить следующие стадии производства:
- сырье – обогащенные железнорудные окатыши, подаются в шахтную печь;
- восстановительный газ – природный газ (CH4 – метан) – конверсия в риформере с H2O (пар) + CO2 (отходящий газ) + никелевый катализатор – на выходе CO (29 %) + H2 (55 %);
- полупродукт – восстановленные при температуре 1100-1150 °С металлизованные окатыши (90-95 % Fe), подготовленные для передачи в ЭДСП;
- электродуговая сталеплавильная печь – расплавление окатышей, доводка расплава до состояния жидкой стали для передачи на агрегат ковш-печь.
В рассматриваемой новой технологической схеме жидкофазного плазменного восстановления декларируется одностадийный процесс из мелкодисперсной руды с газообразным восстановителем в плазме электрической дуги. Кроме того, в предлагаемой технологии используется 100 % восстановительной способности восстановительного газа (метана или водорода), в отличие от технологии Midrex, где после парового риформинга CH4 теряет порядка 30 % своей восстановительной способности, окисляясь в CO и CO2.
Заявленное преимущество данного варианта перед процессом Midrex еще необходимо тщательно оцифровать теоретически и доказать практически на опытно-промышленной установке. По предварительным данным специалистов австрийского института в г. Леобен [16], себестоимость жидкофазного плазменного восстановления в среде газообразного восстановителя ориентировочно на 20 % дешевле классических маршрутов (в первую очередь BF + BOF).
Если данное заявление австрийских специалистов будет подтверждено на практике, то в металлургии может появиться рентабельная технология восстановления труднообогащаемых руд, месторождения которых сегодня признаны неэффективными.
6.2. Отсутствие коксохимического производства
Если сравнивать с классическим маршрутом BF + BOF, то отсутствие в технологической цепочке целого коксохимического производства со своими значительными издержками и не менее значительными вредными выбросами в атмосферу – это явное преимущество. При использовании в качестве газообразного восстановителя метана фактически отсутствуют затраты на предварительную обработку восстановителя. При использовании водорода следует внимательно оцифровать данный тезис в соответствии с принимаемой в будущем схемой производства водорода.
6.3. Снижение транспортных расходов по доставке восстановителя
Трубопроводная поставка газообразного восстановителя на производственную площадку дешевле железнодорожной вагонной поставки кокса. В данном случае этот фактор также можно учитывать в копилке явных преимуществ.
6.4. Снижение выбросов углекислого газа (CO2) в атмосферу
Представленные на рис. 6 экспериментальные данные по выделению CO2 собственно от процесса восстановления железа в плазме с газообразным восстановителем по сравнению с выбросами в традиционной металлургии действительно вызывают положительные эмоции. Понятно, что реальные выбросы будут отличаться от зафиксированных экспериментально (как минимум за счет расхода графитовых электродов). Но даже предполагаемые значения выбросов впечатляют – они в разы меньше, чем в традиционных металлургических маршрутах, что вполне соответствует заявленным мировым трендам в области экологии. Величина монетизации данного преимущества может быть рассчитана позже, когда мировое сообщество окончательно определится с так называемым «углеродным налогом».
6.5. Отсутствие кислородно-конвертерной стадии производства
На выходе жидкофазного плазменного процесса восстановления (особенно в варианте водородной плазмы) в представленной технологии получается жидкая сталь (см. табл. 1), пригодная для передачи на агрегат ковш печь. Таким образом, по сравнению с классическим аглодоменным процессом исключается стадия кислородно-конвертерного производства. Как упоминалось выше, при выжигании углерода в кислородном конвертере окисляется до 10 % железосодержащей завалки. Оксиды железа FeO в виде пыли уходят в газовыводящую систему цеха, улавливаются фильтрами и возвращаются в аглодоменный процесс. Исключение такого расходного коэффициента значительно увеличивает эффективность новых технологий по сравнению с классикой, которая появилась в Европе (если верить источникам [17]) еще в XV веке.
Таким образом, постатейный бизнес-анализ в совокупности дает новым металлургическим процессам на основе газообразного водорода/метана очевидный выигрыш.
Водородные технологии в металлургии могут оказаться банально выгодными! Не говоря о значительном (в разы) снижении «углеродного следа».
Возможности масштабирования описываемой технологии жидкофазного восстановления железа в электродуговой плазме с помощью газообразного восстановителя водорода/метана более подробно обсудим в следующей части статьи.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Симонян Л. М. Анализ методологии определения выбросов СО2 на территории РФ применительно к черной металлургии». МИСиС, 2018.
2. Hasanbeigi A., Arens M., Cardenas J.C.R. et al. Comparison of Carbon Dioxide Emissions Intensity of Steel Production in China, Germany, Mexico, and the United States. Res. Conserv. Recycl. 2016. 113, 127 – 139.
3. worldsteel.org. Fact Sheet: Steel and Raw Materials. Available online: https://www.worldsteel.org/en/dam/jcr:16ad9bcddbf5-449f-b42c-b220952767bf/fact_raw%20materials_2019.pdf
4. Dutta S. K., Sah R. Direct Reduced Iron: Production. In Encyclopedia of Iron, Steel, and Their Alloys; Colбs R., Totten G. E., Eds. – CRC Press: Boca Raton, FL, USA, 2016. P. 1082 – 1108.
5. Lisienko V. G., Lapteva A. V., Chesnokov Y. N., Lugovkin V. V. Greenhouse-Gas (CO2) Emissions in the Steel Industry // Steel Transl. 2015. 45. 623 – 626.
6. Kopfle J. T., McClelland J. M., Metius G. E. Green[er] Steelmaking with the MIDREX® Direct Reduction Process.
7. Процессы прямого восстановления железа.
8. «Voestalpine провела опытные испытания получения восстановленного железа с помощью водорода» 29.06.21 10:09 // Металлоснабжение и сбыт.
9. Википедия. РОМЕЛТ.
10. Инновационный научно-учебный центр «РОМЕЛТ».
11. eRazvitite.org, Отечественные технологии: РОМЕЛТ.
12. Дорофеев Г. А., Янтовский П. Р., Смирнов К. Г., Степанов Я. М. Основные металлургические характеристики процесса Orien. Изв. ТулГУ. Технические науки. 2017. Вып. 1.
13. MIDREX.com. World Direct Reduction Statistics». 2018.
14. Badr K., Bдck E., Krieger W. Plasma Reduction of Iron Oxide by Methane Gas and its Process Up-scaling», 2007.
15. Badr K., Bдck E., Krieger W. Plasma Reduction of Iron Oxide by Methane Gas and its Process Up-scaling, Дословный перевод на русский.
16. Seftejani M. N., Schenk J., Zarl M. A. Reduction of Haematite Using Hydrogen Thermal Plasma. 2019.
17. Википедия. Доменная печь.
18. Официальный интернет-портал правовой информации «Стратегия национальной безопасности Российской Федерации», 2 июля 2021 года.
19. Влияние водорода на свойства металла: http://emchezgia.ru/fizhim/23_vodorod_v_stali.php МЧ-ЗГИА.РУ.
20. Кудрин Б. И., Кошарная Ю. В. История решений по созданию ядерно-металлургического комплекса на базе Кольской атомной электростанции // Вестник МГТУ. 2017. Т. 20, No 4. С. 755 – 760.
21. Инжиниринговая компания «Новые металлургические технологии».
22. EPOS-PROCESS – процесс прямого восстановления. Плазменная руднотермическая технология. Переработка железной руды. «ЭПОС-инжиниринг».
23. Углеродный бетон. Инновационные технологии строительства.
24. Сайт Кольской АЭС.
25. «Дивный новый водородный мир. Где Запад будет закапывать последствия экологизма» Борис Марцинкевич, 24-я минута.
26. Группа Еврохим. Железорудный концентрат.
27. Ковдорский горно-обогатительный комбинат. История.
28. «Карельский окатыш». Официальный сайт.
29. Волынкина Е. П. Вторичные ресурсы, образующиеся в металлургической промышленности / Сибирский государственный индустриальный университет.
30. НПО «Уран». Оценка уровня зрелости технологии.
