Железные аргументы
Наука и промышленность ищут альтернативные способы производства стали
Поиск экологичных технологий производства металлов — это важный шаг к устойчивому развитию промышленности. Традиционные методы, такие как доменная плавка железа, связаны с огромными выбросами углекислого газа, оксидов серы и азота. Развитие экологичных способов производства металлов — это не просто тренд, а необходимость для сохранения окружающей среды и будущего промышленности.
Фото: Александр Манзюк, Коммерсантъ
Фото: Александр Манзюк, Коммерсантъ
На металлургию приходится около 7–9% всех глобальных выбросов CO2, что делает ее одной из самых «грязных» отраслей промышленности. Переход на зеленые технологии позволяет значительно снизить вредное воздействие. Например, использование водорода вместо кокса в процессе прямого восстановления железа (как в шведском проекте HYBRIT) сокращает выбросы почти до нуля. Другой пример — электролиз алюминия, который при использовании энергии солнца или ветра становится намного чище.
Кроме того, экологичные методы помогают экономить ресурсы. Переработка металлолома требует гораздо меньше энергии, чем производство первичного металла. Переплавка алюминия экономит до 95% энергии по сравнению с его получением из бокситов. Это не только снижает нагрузку на природу, но и делает производство более выгодным. Еще одно важное направление — биометаллургия, где металлы извлекают с помощью бактерий. Этот метод менее энергозатратен и почти не производит вредных отходов.
Строгие экологические нормы, такие как European Green Deal, подталкивают компании к внедрению чистых технологий. Те, кто инвестирует в инновации, не только избегают штрафов, но и получают конкурентное преимущество на мировом рынке.
Сталь с газом и без
Наиболее распространенный процесс получения прямовосстановленного железа (ПВЖ) Midrex был разработан в США в 60-е годы XX века. Тогда же началась и промышленная эксплуатация таких установок. В России с 1986 года по данной технологии работает предприятие в городе Старый Оскол. Смысл технологии — в восстановлении железа из его оксидов без участия каменноугольного кокса. Восстановителем служит конвертированный природный газ. Иными словами, доменный передел в металлургии решили заменить бескоксовой технологией получения полупродукта для дальнейшей выплавки стали (обычно в электродуговых печах).
В 2023 году, по данным World Steel Association, в мире по всем бескоксовым технологиям было произведено более 130 млн т ПВЖ.
Более половины — на низкопроизводительных установках с использованием энергетических углей в Индии и Иране. В России ежегодный выпуск ПВЖ составляет около 8 млн т.
«Восстановление руды природным газом остается вне конкуренции, так как создается наиболее чистое сырье, а далее — наиболее качественный металл, востребованный самыми высокотехнологичными отраслями. Спрос на такую продукцию остается высоким, поскольку массовая конвертерная сталь, а тем более металл из многооборотного лома черных металлов такими качествами не обладают.
Все эффективные методы прямого восстановления железа фактически используют единый процесс: богатое железорудное сырье (руда или окатыши с содержанием железа не менее 70%) восстанавливается при высоких температурах до содержания железа 85–90% и более специальной газовой смесью.
Как производится сталь
Доменный процесс остается основным способом производства стали, обеспечивая около 70% мирового выпуска металла. Этот проверенный временем метод представляет собой сложную цепочку технологических операций, начинающихся с тщательной подготовки сырья.
Основными компонентами для доменной плавки служат железная руда (обычно в форме окатышей или агломерата с содержанием железа 50–65%), кокс (специально обработанный уголь) и флюсы (известняк или доломит). Перед загрузкой в печь эти материалы проходят специальную подготовку, обеспечивающую оптимальные условия для последующих химических реакций.
Процесс загрузки в доменную печь представляет собой строго регламентированную операцию. Сырье подается слоями через верхнюю часть печи (колошник) в определенной последовательности: сначала слой кокса, создающий пористую структуру для газопроницаемости, затем слой руды с флюсами. Такое чередование повторяется на протяжении всей работы печи. В нижней части печи (горне) температура достигает 2000°C, создавая условия для протекания ключевых химических реакций.
Сердцевину технологического процесса составляют три основных типа реакций. Во-первых, происходит восстановление железа из оксидов под действием оксида углерода, образующегося из кокса. Эта реакция описывается уравнением Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2 и приводит к образованию чугуна с содержанием углерода около 4%, а также различных примесей (кремний, марганец, сера, фосфор). Во-вторых, флюсы связывают ненужные примеси в легкоплавкий шлак. В-третьих, образующиеся газы (CO, CO2, N2) отводятся через верх печи и могут использоваться для подогрева воздушного дутья.
Готовые продукты плавки выпускаются раздельно. Чугун с температурой около 1500°C вытекает через специальное отверстие (летку) каждые три-пять часов и направляется в сталеплавильные цеха для дальнейшей переработки. Шлак, как более легкий материал, всплывает на поверхность жидкого чугуна и удаляется отдельно, находя применение в строительной индустрии — для производства шлакоблоков и цемента.
Полученный чугун требует дополнительной переработки для превращения в сталь, так как содержит избыток углерода и примесей. Для этого применяют несколько методов: кислородно-конвертерный процесс (продувка кислородом, снижающая содержание углерода до 0,02–2%), мартеновский метод (постепенно уходящий в прошлое) и электроплавильные печи (для производства высококачественных сталей).
Однако доменное производство сталкивается с серьезными экологическими вызовами. На каждую тонну произведенной стали приходится около 2 т выбросов CO2. Дополнительные проблемы создают пылевые выбросы и соединения серы, требующие установки сложных систем фильтрации. Энергоемкость процесса достигает 20 ГДж на тонну продукции, что делает его одним из самых ресурсоемких в металлургии.
Несмотря на эти недостатки, доменное производство пока сохраняет свои позиции, хотя постепенно уступает место более современным технологиям. Среди перспективных альтернатив — методы прямого восстановления железа с последующей переплавкой в электропечах, а также водородная металлургия, примером которой служит шведский проект HYBRIT. Тем не менее в обозримом будущем доменная печь останется важным звеном в цепочке производства стали, особенно при переработке железной руды.
Именно поэтому основное производство ПВЖ сосредоточено в странах, обладающих большими запасами нефти (и попутного газа), природного газа и качественной железной руды, а также ограниченных в ресурсах альтернативного металлолома (то есть в странах Латинской Америки, Ближнего и Среднего Востока)»,— говорит директор Центра экономического прогнозирования Газпромбанка Александр Семин.
Отсюда следуют основные причины ограниченности применения технологии Midrex:
- высокая энергоемкость при производстве газового восстановителя и проведении процесса восстановления в шахтной печи;
- значительная капиталоемкость инвестпроекта из-за сложной инфраструктуры, включающей газоочистные установки, печи для восстановления, оборудование для брикетирования губчатого железа и так далее;
- высокая чувствительность к качеству исходного сырья, большой удельный расход природного газа (до 400 куб. м на 1 т ПВЖ), а также то, что ПВЖ — продукт, легко окисляющийся на воздухе, что требует специальных условий для его хранения и транспортировки.
Но российские ученые и промышленные компании также активно участвуют в глобальном процессе «озеленения» металлургического производства. Недавно в НИУ МЭИ (Московский энергетический институт) разработали способ жидкофазного восстановления железа из руд углеродводородной смесью без применения угля и кокса. Для этого разработана конструкция реактора, в котором железо, необходимое для производства стали, непрерывно восстанавливается с использованием природного газа.
Отличие нового метода от традиционного бескоксового в том, что он не требует дополнительного оборудования для получения восстановительного газа. Длительность восстановительных процессов не превышает 12 минут. Благодаря одностадийному непрерывному процессу данной технологии ее внедрение в производство может позволить вдвое сократить энергоемкость выплавки стали с соответствующим снижением себестоимости ее производства, а также выбросы загрязняющих веществ в окружающую среду.
В поисках альтернативы
«Технология МЭИ нам знакома, но она сейчас находится на очень ранней стадии разработки. Ей потребуется при благоприятных обстоятельствах, наверное, десятилетие, чтобы дойти до производства»,— сетуют в «Северстали».
Впрочем, любым прорывным идеям, особенно тем, которые претендуют на изменение технологических процессов в традиционных индустриях, нужно приличное время и ресурсы на реализацию, уверены в компании.
«Среди уже зарекомендовавших себя в металлургии технологий производства стали с небольшим углеродным следом можно назвать технологии ГБЖ (горячебрекетированного железа) и ЭДП (электродуговые печи). У них уже есть доказанная эффективность, они производят меньше выбросов, чем доменно-конверторный метод. Используют природный газ, который можно в перспективе заменить на водород. Также предпочтительно использовать и возобновляемые источники энергии. Однако есть свои ограничения: нужны высококачественная руда, недорогие и доступные энергоносители, водород и возобновляемые источники энергии»,— перечисляют в «Северстали». Есть и другие альтернативные технологии производства стали, но они пока тоже далеки от промышленного внедрения. Например, метод электролиза расплава железной руды. Эта технология развивается одним из зарубежных стартапов, в нее инвестировано более $100 млн, сейчас она на стадии опытно-промышленных испытаний. Другие технологии пока на уровне лабораторных исследований.
Но в поисках более экологичных решений отрасль постоянно обращается к альтернативным технологиям. Водородная металлургия, например, предлагает радикальный подход — восстановление железа водородом с выделением только воды, рассказывает управляющий партнер NEFT Research Сергей Фролов.
Пилотные проекты в Швеции и Германии уже демонстрируют потенциал этого метода, однако его широкое внедрение сдерживается высокой стоимостью зеленого водорода.
Другой вариант — технологии улавливания CO2, которые позволяют сократить выбросы существующих производств. Но и здесь есть препятствия: стоимость захвата 1 т CO2 колеблется от $50 до $100, а необходимая инфраструктура пока недостаточно развита.
В области рудовосстановительных процессов и последующих сталеплавильных технологий НИТУ МИСИС активно работает над совершенствованием существующих технологий, повышением их материало- и энергоэффективности, добавляет заведующий кафедрой электрометаллургии Выксунского филиала НИТУ МИСИС Дмитрий Еланский. «Самый экологичный способ выплавки стали — расплавление лома и рафинирование металла в дуговой сталеплавильной печи (ДСП) с последующей ковшевой обработкой металла и непрерывной разливкой стали. Основные выбросы, в том числе парниковых газов, приходятся на аглодоменное и конвертерное производства, но выплавка стали, естественно, обгоняет накопление металлофонда в виде стального лома. Следовательно, требуется восстановление железа из руды как первый этап в цепочке выплавки стали. Технологически отработанным и экономически приемлемым способом восстановления железа из рудного материала являются процессы Midrex и HYL, но без процесса плавления и перевода пустой породы в жидкий шлак эти процессы весьма требовательны к качеству руды и концентрата из нее, а также требуют наличия доступного по цене и объему природного газа. В настоящее время и на перспективу в 10–20 и даже более лет по производительности и экономической эффективности доменный процесс останется в мировом масштабе превалирующим в области восстановления железа из руды»,— описывает ситуацию в отрасли господин Еланский.
Для восстановления железа из руды требуются подвод тепла и восстановитель, для этого в качестве топлива и восстановителя перспективно применение водорода, но для его выработки нужна энергия, в идеале полученная без выбросов парниковых газов. При последующей выплавке стали из прямовосстановленного железа в ДСП также желательно использовать так называемую зеленую электроэнергию, чтобы сократить косвенные выбросы парниковых газов, перечисляет пока не решенные технологические трудности Дмитрий Еланский. Переход на водородную или бескоксовую черную металлургию технологически возможен и прорабатывается в перспективном плане, но требует огромных капитальных затрат, государственной поддержки, а также изменений в тарифной и протекционистской политике. В ряде стран такой подход уже реализован в относительно небольших масштабах с применением гидроэлектростанций для выработки электроэнергии и получения водорода электролизом из воды.
Идет война торговая
«Мировая металлургия постепенно движется в сторону зеленых технологий, но этот процесс идет медленно из-за экономических и технологических барьеров. Разработка НИУ МЭИ, несмотря на свою перспективность для локального применения, в глобальном масштабе вряд ли сможет конкурировать с водородными решениями. Основными драйверами изменений остаются ужесточение экологических норм, таких как налог на CO2 в ЕС, и государственная поддержка инноваций в отрасли»,— говорит Сергей Фролов.
Центральное место в мировой повестке занимает торговая война, а не зеленый переход, при этом Китай — крупнейший потребитель железорудного сырья и коксующегося угля — уже несколько лет не может оживить рынок недвижимости, являющийся ключевым потребителем стали. Сталепроизводители пытаются максимально снизить издержки, поскольку спрос слабый, и переложить рост себестоимости на потребителя. Альтернативой могло бы стать значительное снижение выплавки, но на это никто не хочет идти, заключает главный аналитик центра инвестиционной аналитики СК «Росгосстрах Жизнь» Михаил Шульгин.
Этот текст — часть нового проекта ИД «Коммерсантъ», посвященного трендам бизнеса и финансового рынка. Еще больше лонгридов с анализом ключевых отраслей российской экономики, экспертных интервью и авторских колонок — на странице Review.