В своей прошлой статье я рассказал вам о современных экологических трендах и планируемых шагах по снижению углеродного следа в мировой промышленности. В этом плане лидирующие позиции занимает Европейский Союз, который с осени текущего года не только начал серьезную реформу системы торговли квотами на выбросы (англ. ETC - Emissions Trading System), но и ввел в действие так называемый механизм трансграничного углеродного регулирования (англ. CBAM - Carbon Border Adjustment Mechanism).
CBAM нацелен на регулирование импорта тех товаров, изготовление которых приводит к значительному выбросу парниковых газов. К этой группе (наряду с цементом, удобрениями, электроэнергией и т.д.) относится и металлургическая продукция. Механизм запущен с 1 октября 2023 года, переходный период продлится до 31 декабря 2025 года, после чего в течение периода до 2034 года произойдет его полноценное внедрение с одновременным отказом от бесплатных ETC-квот. Поэтому у производителей со значительным «углеродным следом» не так-то и много времени на «раскачку» и переход к более экологичным технологиям - дополнительная финансовая нагрузка в виде приобретаемых CВАМ-сертификатов может сделать их продукцию попросту неконкурентоспособной на европейском рынке (а впоследствии и на других мировых торговых площадках).
В сегодняшней и нескольких последующих публикациях я более подробно остановлюсь на тех направлениях развития «зеленых» технологий, которые считаются наиболее перспективными именно в черной металлургии. И начну, пожалуй, свой рассказ с процесса, которому предрекают наиболее весомый вклад в снижение выбросов СО2 в атмосферу данной отраслью – с прямого восстановления железа. Мы с вами попробуем разобраться, что такое DRI (direct reduced iron – железо прямого восстановления или как его еще называют - прямо восстановленное железо ПВЖ), как его получают и почему именно такой способ производства считается наиболее «эко-френдли» (если кто не знает, это словосочетание у нас появилось благодаря английскому понятию «eco-friendly», что означает «экологически чистый» 😊).
Прямое восстановление железа из руд: история развития
Разработкой альтернативных методов получения железа из рудных материалов металлургическая наука занималась уже давно. Еще в 50-х годах прошлого столетия ученые обещали в кратчайшие сроки найти высокоэффективные решения по замещению доменного процесса получения чугуна. Однако обещания сильно расходились с реальностью. Прежде всего все разрабатываемые способы металлизации были высокозатратными и не могли конкурировать с домной по производительности и себестоимости выпускаемой продукции. Кроме того, во второй половине XX века весьма активное развитие получили электросталеплавильные технологии, основанные на использовании стального лома, что также серьезно ударило по перспективам железа прямого восстановления. Ну и наконец, восстановление железа из его оксидов по DRI технологии требовало (да и сейчас требует) больших затрат энергии, поэтому размещение таких производственных агрегатов было возможно лишь на территориях с доступом к значительным и недорогим энергомощностям либо с наличием больших и доступных по цене запасов природного газа.
Тем не менее, с 1965 года началось опытное опробование подобных методов производства, и еще до начала XXI века черная металлургия начала выпускать железо прямого восстановления в промышленных масштабах. Лидерами по объемам изготовления металлизированного сырья стали Индия, страны Ближнего Востока и Латинской Америки. В 2006 году общий объем производства DRI и HBI (hot briquetted iron – горячебрикетированное железо, еще один вариант ПВЖ) во всем мире составил около 60 миллионов тонн, сейчас он по разным оценкам составляет порядка 90-100 млн. т (какие-то мощности выводятся из эксплуатации, какие-то строятся и т.д.), но к 2030 году прогнозируется почти двукратный прирост этой цифры.
Столь активный рост во многом связан с инновациями и развитием новых способов прямого восстановления железа. Во-первых, еще в 80–90-тых годах стало возможным использование природного газа, побочных газообразных продуктов нефтедобычи и других видов топлива в качестве восстановителя. Во-вторых, снизились затраты на различных этапах производства ПВЖ, что повлекло и некоторое снижение себестоимости такого продукта.
Однако в последние годы немаловажную роль в развитии производства DRI сыграли экологические инициативы, о которых я рассказал ранее. Представители металлургической науки и эксперты по охране окружающей среды решили, что декарбонизация черной металлургии должна начаться именно с повсеместного внедрения технологий прямого восстановления железа, что поможет в корне изменить картину выбросов к лучшему и окончательно повернуть процесс изготовления стали в «зеленое русло». Что же в этом процессе такого, чего не могли предложить другие способы производства? Давайте разбираться.
Прямое получение железа: нюансы терминологии
Но для начала я вновь немного «позанудствую» в части технических терминов. В настоящее время словосочетание «прямое восстановление железа» в 99% случаев упоминается именно в ключе получения DRI, т.е. изготовления металлизированного продукта без применения доменной печи. Однако это не совсем корректно, поскольку этап прямого восстановления является неотъемлемой составляющей и в самом доменном процессе (наряду с косвенным). Для уточнений сначала обращаемся к «Энциклопедическому словарю по металлургии» под редакцией Н.П. Лякишева, где встречаем следующие обозначения:
«Восстановление [reduction; recovery] —…2. Отнятие и связывание кислорода, хлора и т.п. из оксидов, хлоридов и других соединений металлов, а также из руд с помощью восстановителей. Восстановление используется во многих металлургических процессах, в частности в доменной плавке, способах прямого получения железа, при обезуглероживании жидкого металла и др.»
«Косвенное восстановление [indirect reduction] - реакции восстановления в доменной печи, при которых кислород оксидов железа соединяется с газом-восстановителем.»
«Прямое восстановление [direct reduction] — 1. Восстановление оксидов металлов в доменной печи углеродом с образованием СО в газообразных продуктах реакции…»
«Железо прямого получения [direct-reduced iron (DRI)] - железо, получаемое химическим, электрохимическим или химико-термическим способами непосредственно из руды, минуя доменную печь, в виде порошка, губчатого железа (металлизованных окатышей), крицы или жидкого металла.»
И действительно, в соответствии с международной теорией и практикой выплавки чугуна, в доменной печи происходит прямое и косвенное восстановление железа из оксидов:
- Косвенное (непрямое) восстановление оксида железа оксидом углерода в низкотемпературной верхней части домны, где составляющие железорудного сырья вступают в реакцию с восходящими газами – продуктами горения кокса, пылеугольного топлива (ПУТ) и др. Эти реакции идут с выделением тепла, при этом требуют большого количества восстановителя.
- Прямое восстановление оксида железа углеродом, которое начинает преобладать по мере увеличения температуры (при опускании сырьевых материалов в нижнюю часть домны). Область перехода от косвенного к прямому восстановлению находится в диапазоне температур 900-1100°С. При прямом восстановлении требуются большие затраты тепла, при этом образуется газ СО, который впоследствии участвует в косвенном восстановлении в верхней части печи.
Не будем сильно углубляться в процесс доменного производства чугуна, желающие могут с ним ознакомиться в другой публикации на нашем сайте. Но из вышеизложенного следует, что использование термина «прямое восстановление железа» исключительно в качестве обозначения способа получения DRI/HBI (да и самого понятия «железо прямого восстановления» исключительно как наименования металлизованного сырья) является не абсолютно ошибочным, но и не совсем правильным. Фактически, тому, что все сейчас называют технологией прямого восстановления железа, больше подошло бы название «бескоксовая металлургия» или «бездоменная металлургия» (впрочем, как и было на старте ее развития). Ведь ключевой задачей при первоначальной разработке этих методов был отказ от использования коксующихся углей и кокса ввиду ограниченности этих ресурсов, а также внесения большого количества вредных примесей в расплав и не менее вредных выбросов в атмосферу при их использовании в доменном процессе.
Прямое восстановление железа: технология процесса
По большому счету, все эффективные DRI технологии работают по одной и той же схеме. Берется высококачественное железорудное сырье (ЖРС) - агломерат, окатыши или руда, содержащие не менее 68–70% Fe - которое затем восстанавливается при высоких температурах до содержания железа 85–95% и выше специальной газовой смесью. Поскольку очень небольшое количество добываемой в мире железной руды в своем первозданном виде имеет столь высокий уровень железа, основная масса сырья для прямого восстановления проходит стадию обогащения, на которой из этого полезного ископаемого стараются максимально удалить нежелательные добавки и пустую породу.
Процессы прямого получения дают возможность изготовить металлическое железо, минуя доменную печь, не расходуя металлургический кокс (он заменяется другими видами топлива). Кроме того, благодаря исключению кокса из технологической цепочки и глубокому обогащению руд, восстановленное железо отличается повышенной чистотой, отсутствием фосфора, серы и других вредных примесей. При доменной плавке указанные преимущества не могут быть обеспечены, так как фосфор и особенно серу в больших количествах вносит именно кокс.
Теперь давайте разберемся, что такое восстановленное железо и чем оно отличается от продукта доменной плавки. В результате процессов, происходящих в доменной печи, мы получаем чугун – сплав железа с углеродом (доля углерода составляет не менее 2,14%) и другими химическими компонентами. Результатом же прямого восстановления является твердый материал, в котором большая часть железа находится в металлическом виде.
В профильной технической литературе такой продукт с высокой степенью металлизации также называют губчатым железом (англ. sponge iron). Ключевое использование такой продукции в настоящее время - выплавка стали в электродуговых печах и изготовление железных порошков для последующего применения в порошковой металлургии.
Если же уровень металлизации составляет до 85% (например, при использовании в процессе изготовления менее богатых руд), такой продукт называют предварительно восстановленным железом (англ. pre-reduced iron). Он может в дальнейшем применяться в качестве альтернативы высокообогащенному ЖРС при доменной выплавке чугуна.
DRI – первый шаг к «зеленой металлургии»
Наибольшее распространение среди промышленно внедренных технологий производства ПВЖ получило твердофазное восстановление железа из руды газом или твердым топливом. Оно происходит при температурах ниже точек размягчения шихтовых составляющих (в отличие от доменного процесса, где компоненты шихты расплавляются). Способы твердофазного восстановления в свою очередь разделяют по следующим параметрам:
- По типу восстановителя – газ или твердое топливо;
- По виду получаемого конечного продукта – DRI, HBI и пр.;
- По конструкции восстановительного агрегата – шахтная печь, реактор кипящего слоя, вращающаяся печь, реторта и др.
Среди всех перечисленных разновидностей основную роль в современной бескоксовой металлургии играет прямое восстановление железорудных окатышей газом в шахтных печах. На нем основано большинство промышленных методов получения ПВЖ – Midrex, HYL/ Energiron, PERED и другие. И как раз эта технология, по мнению экспертов, и является наиболее перспективной с точки зрения уменьшения «углеродного следа» в стальной индустрии.
Такой способ изготовления DRI до недавнего времени в основном использовал конвертированный природный газ. Конверсия – это преобразование углеводородов в специальном рекуператоре путем разложения на водород и углерод с дожиганием последнего до СО. На выходе из конвертера-рекуператора образуется восстановительный газ (смесь из 30% СО и около 70% H2), который и является ключевым реагентом в последующем восстановлении железа в шахтной печи. Уже сама по себе такая технология является более экологичной по сравнению с доменной в части углеродсодержащих выбросов (которых в 2-4 раза меньше, в зависимости от конкретного вида процесса). А новые инжиниринговые решения позволяют вообще исключить углеводороды из цепочки производства DRI. Современные установки прямого получения железа могут работать на 100% водорода в качестве восстановительного газа. В этом случае процесс изготовления ПВЖ становится углеродо-нейтральным, к чему и стремится мировая черная металлургия.
Но, как мы все понимаем, декарбонизация металлургии не может произойти одномоментно: «по щелчку пальцев» в мире не появится столько установок прямого восстановления железа и дуговых сталеплавильных печей, чтобы сразу полностью исключить потребность в чугуне. О сложности в реализации столь амбициозных планов может говорить тот факт, что на сегодняшний момент в течение месяца в мире производится чугуна больше, чем всего DRI/HBI за год. Поэтому, наряду со строительством новых DRI-модулей, ведутся работы и по усовершенствованию существующих металлургических процессов, например:
- Внедрение технологий водородного восстановления в процесс доменной выплавки чугуна с отказом от использования ПУТ и природного газа и снижением количества кокса (полностью отказаться от кокса в доменном процессе невозможно по технологическим причинам);
- Увеличение доли металлолома и/или ПВЖ при выплавке стали в кислородных конвертерах вместо чугуна и т.д. (об этом мы еще поговорим в последующих публикациях).
Декарбонизация металлургической промышленности невозможна и без создания соответствующей сопутствующей инфраструктуры (станции получения технического водорода, системы его транспортировки и хранения и др.), изменения всех технологических режимов и параметров оборудования. Не будем забывать, что сам по себе водород весьма взрывоопасен, и нарушение любого этапа производства с его участием может привести к серьезным авариям. Кроме того, повышенное присутствие водорода в структуре стали ведет к ее охрупчиванию и растрескиванию, поэтому потребуются дополнительные мероприятия по его выведению из расплава, в частности, вакуумирование, которое сейчас используется лишь для определенных видов стальной продукции особо ответственного назначения.
Как видим, декарбонизация в черной металлургии – весьма сложный и высокозатратный процесс. Однако, когда стоит вопрос о выживании человечества, думаю, все это оправдано. Главное, чтобы в снижение углеродного следа включились все без исключения, иначе данная активность не даст желаемого результата, но приведет к удорожанию стали и металлопродукции для конечных потребителей.
