От доменной печи до зеленого производства
Как металлургия превращает отходы в чистую прибыль
Когда мы слышим слово «металлургия», первое, что представляется,— раскаленный металл, огонь и дымящие трубы. Этот образ прочно укоренился в массовом сознании, но времена меняются. И заводы тоже.
Андрей Травянов, к.т.н., директор Института технологий НИТУ МИСИС
Фото: Александр Натрускин / РИА Новости
Андрей Травянов, к.т.н., директор Института технологий НИТУ МИСИС
Фото: Александр Натрускин / РИА Новости
Современные металлурги работают над тем, чтобы сделать производство стали более экологичным: внедряют электропечи, утилизируют шлаки, экспериментируют с заменой топлива.
Когда игнорировать экологию стало невозможно
К концу XX века резко выросли экологические издержки отрасли, и производители стали искать новые решения. Одним из первых шагов стало переосмысление отходов как ресурса. Металлурги научились использовать в производстве побочные продукты. Например, использование химического и физического тепла технологических газов для получения из пара электроэнергии. Подобные технологии активно развивались в 1970–1980-х годах в Японии и Европе, где вводились многоступенчатая очистка газов и замкнутые водные циклы. К середине 1980-х японские комбинаты по энергетической эффективности обогнали весь остальной мир, а к концу XX века значительная часть стали в развитых странах уже шла из лома, а города превратились в «урбанистические рудники» — металл из отслуживших конструкций возвращался в промышленный цикл.
Именно тогда и зародились идеи экономики замкнутого цикла в металлургии: возврат шлаков в производство, рост доли электроплавки на металлоломе, полное закрытие водяных контуров. Этот опыт показал: металлургия способна эффективно беречь ресурсы.
Согласно национальному докладу о кадастре антропогенных выбросов парниковых газов (ПГ), предоставленному Российской Федерацией по Рамочной конвенции ООН об изменении климата, в металлургии основной источник выбросов приходится на выплавку железа, чугуна и стали, которые в 2023 году составили 89% от общего выброса парниковых газов в отрасли. Вторым по значению источником является производство первичного алюминия (6,9%). Третьим — производство ферросплавов (3,9%). На свинец и цинк приходится 0,1% суммарного выброса ПГ в металлургии.
Чтобы снизить углеродный след, нужно менять саму суть производства. По данным производителей и государственных органов, переход к зеленым технологиям в металлургии сегодня не «мода», а вызов времени.
Прямое восстановление железа и переход на водород
Один из ключевых трендов в индустрии — внедрение технологий прямого восстановления железа (ПВЖ). Вместо выплавки чугуна из подготовленных рудных материалов можно напрямую получать железный полупродукт газообразным восстановителем. У перехода на ПВЖ двойной эффект: не нужно использовать кокс и одновременно можно заложить основы для водородной металлургии. Когда восстановителем железорудных материалов становится водород, а не углерод, углеродный след практически сводится на нет (при условии, что водород получают с помощью чистой электроэнергии). Такие проекты уже существуют: например, шведская компания HYBRIT с 2016 года экспериментирует с восстановлением железорудных материалов водородом, а крупнейшие сталелитейные компании Европы планируют полностью перейти на водород к 2050 году.
Переходный этап — «голубой» водород
— Главная проблема чистого водорода — его стоимость и энергоемкость производства. Какие пути решения этой дилеммы сегодня считаются наиболее реалистичными: «голубой» водород с улавливанием CO2 или все же прорыв в зеленом электролизе?
Андрей Травянов, к.т.н., директор Института технологий НИТУ МИСИС, в интервью «Ъ-Науке»: Наиболее перспективным остается «голубой» водород с улавливанием и утилизацией CO2. Он позволяет использовать существующую газовую инфраструктуру и относительно быстро масштабироваться. Но это компромиссное решение, поскольку углеродный след хоть и снижается, но не обнуляется. «Зеленый» же водород — стратегическая цель, однако его трудно получать из-за высокого потребления электроэнергии и капиталоемкости электролизеров. Прорыв возможен, но он потребует, чтобы сошлось множество факторов: удешевление ВИЭ, рост эффективности электролиза и развитие сетей накопления энергии. Поэтому, пока мы пытаемся достичь «зеленого» водорода, на практике будем использовать «голубой» как своего рода переходный этап.
— Что происходит с железной рудой, если вместо CO восстанавливать ее H2? Меняется ли структура губчатого железа? Нужно ли полностью перепроектировать плавильные печи?
Андрей Травянов: При переходе от CO к H2 меняются термодинамика и кинетика процесса. Так как водород — более «чистый» восстановитель, продуктом реакции становится водяной пар. При этом структура губчатого железа действительно меняется: как правило, возрастает пористость, меняются морфология пор и распределение остаточных оксидов. Полного перепроектирования агрегатов не требуется, если речь идет о модернизации установок прямого восстановления (ПВЖ). Но для доменного передела да, потому что тут задействованы другие технологии.
— Водород охрупчивает металл. Как технология прямого восстановления решает проблему контакта водорода с получаемым железом? Есть ли риск, что «зеленая» сталь будет менее надежной?
Андрей Травянов: Проблема водородного охрупчивания хорошо известна, но в контексте ПВЖ она некритична. Дело в том, что губчатое железо после восстановления проходит стадию плавления, где водород в значительной степени удаляется из металла. Контроль газонасыщенности — стандартная задача металлургии. Риски есть, но они управляемы за счет контроля температурных режимов, скорости охлаждения, вакуумирования и рафинирования расплава. Говорить о том, что «зеленая» сталь будет менее надежной, некорректно. При правильной технологии она по свойствам не уступает традиционной.
В рамках пилотного проекта по совершенствованию национальной образовательной системы Университет МИСИС совместно с «Металлоинвестом» открыл программу специализированного высшего образования «Зеленая металлургия», где ведутся исследования и опытно-конструкторские работы в области ПВЖ/ГБЖ, оценки реакционной способности брикетов и цифрового моделирования процессов. Технологии разрабатываются как ответ на производственные запросы крупных российских компаний.
Также в МИСИС создаются технологии в рамках ESG-повестки. Например, ученые предложили использовать в доменной печи особые брикеты, которые содержат оптимальный состав руды и угля. По результатам исследований, если заменить такими брикетами около 10% железорудных материалов в шихте, можно сократить расход кокса на 52 кг, а агломерата на 101 кг на тонну чугуна. Это не только уменьшает выбросы углекислого газа, но и снижает затраты на топливо и подготовку сырья.
Утилизация шлаков и их вторичное применение
Раньше доменный и конвертерный шлак считался отходами, а сегодня это ценное сырье. В первую очередь шлаки используют в строительстве: молотый гранулированный доменный шлак (GGBS) заменяет часть портландцемента, снижая расход клинкера и выбросы углекислого газа. Российские и зарубежные цементные компании включают такую добавку в стандартные смеси. По оценкам практиков, внедрение GGBS может улучшать долговечность бетона и значительно снижать тепловыделение при затвердевании.
Недавно российские ученые предложили нестандартный вариант утилизации доменного шлама и конвертерного шлака — использование шлаков в сельском хозяйстве. Их можно применять как удобрения для почвы. Урожай зерновых возрос более чем на 30%, а качество зерна осталось высоким. При этом в шлаках практически нет тяжелых металлов (свинца или мышьяка), поэтому они безопасны в аграрном использовании.
Это не универсальное удобрение
— Шлаки в сельском хозяйстве. Это звучит перспективно: рост урожая на 30%. Но что происходит с накоплением микроэлементов в почве за 10–20 лет такого применения? Не превратится ли поле со временем в техногенную пустошь?
Андрей Травянов: Шлаки содержат кальций, кремний, микроэлементы, которые могут улучшать структуру почвы. Однако при длительном применении важно контролировать баланс элементов и кислотность. Риск техногенной деградации существует, если не соблюдать нормы внесения и не проводить агрохимический мониторинг. Поэтому такие технологии должны сопровождаться строгим регулированием и регулярным анализом почв. Все-таки это инструмент, требующий грамотного применения, а не универсальное удобрение.
Замкнутые водооборотные циклы и управление водными ресурсами
Предприятия постепенно налаживают повторное использование технологических вод: комплексные системы очистки позволяют ее переиспользовать многократно. Показательный пример — Новолипецкий металлургический комбинат (НЛМК). За 15 лет компания отказалась от сброса очищенных стоков в реку и перешла на систему замкнутого водооборота. Сейчас на комбинате постоянно циркулирует около 2 млрд куб. м воды — объем небольшого озера. В результате ежегодный забор речной воды уменьшился более чем в пять раз, со 100 млн до менее 20 млн куб. м.
Такой подход существенно снижает нагрузку на водоемы. Кроме того, экономят и сами предприятия: чем меньше свежей воды берется из реки, тем меньше они платят за водопотребление и сброс. Аналогичные проекты с замкнутой схемой есть и на других металлургических площадках: инвестиции в очистные сооружения и рециркуляцию воды уже стали стандартом.
Как чистить
— Вода в системе закипает за счет тепла агрегатов. Как решается проблема накопления солей жесткости и бактериологического загрязнения в оборотной воде? Как часто приходится чистить теплообменники?
Андрей Травянов: Проблема решается комплексно: химводоподготовкой, дозированием ингибиторов накипи, биоцидной обработкой и частичным сбросом с подпиткой свежей водой. Частота очистки теплообменников зависит от качества воды и режима эксплуатации, но в среднем от нескольких месяцев до года. Современные системы мониторинга позволяют прогнозировать загрязнение и проводить очистку по фактическому состоянию оборудования.
— С водой понятно. А как насчет пыли? Тончайшая пыль (PM2,5), которую не улавливают фильтры, все равно попадает в воздух. Есть ли технологии субмикронной очистки на российских заводах или мы пока боремся только с крупными фракциями?
Андрей Травянов: Вы правы: улавливание мелкодисперсной пыли — одна из самых сложных задач. Классические рукавные фильтры и циклоны эффективно работают с крупными фракциями, но PM2,5 требуют более тонких решений. Такие технологии существуют. Например, электрофильтры и мокрые скрубберы. В России внедряются комбинированные системы с многоступенчатой очисткой, но пока не повсеместно — чаще на новых или модернизированных мощностях.
Цифровизация и умное проектирование
Новые технологии нередко сопровождаются и цифровыми решениями. В металлургии появляются цифровые двойники агрегатов, продвинутые системы автоматического управления и инструменты машинного обучения. Современные промышленные компании активно внедряют цифровые модели печей и конвертеров, в которых можно просчитать энергоэффективность, оптимальный баланс сырья и даже улавливание выбросов. Такие симуляторы позволяют протестировать новые режимы без риска остановки завода. Крупные международные поставщики промышленного ПО (такие как Siemens, ABB и др.) развивают платформы для умного управления сталеплавильным производством. Российские инжиниринговые центры, в свою очередь, начинают применять анализ больших данных и предиктивную аналитику: например, прогнозируют поломки оборудования и точечно улучшают нужные участки производства. Все это снижает энергоемкость и потери, делает процессы более предсказуемыми еще на этапе проектирования.
Будущее отрасли и работа с кадрами
Современные технологии наглядно демонстрируют, что металлургия постепенно перестает быть проблемой для экологии и превращается в одного из ключевых участников ее восстановления. Мы стоим в самом начале этого глобального перехода, но контуры будущего уже проступают отчетливо. Меняется производство — меняется и человек у руля. Сегодняшний металлург обязан сочетать в себе инженерную смекалку и понимание климатической повестки. Именно такие кадры станут драйверами перемен в охране окружающей среды.
Важно, что в России фундамент для этой новой реальности закладывается уже сейчас: появляются специализированные образовательные программы, наращивается научно-исследовательский потенциал. Уже в обозримом будущем перед нами предстанет индустрия, где технический прогресс идет не вопреки природе, а за руку с ней.