У своїй минулій статті я розповів вам про сучасні екологічні тренди та заплановані кроки щодо зниження вуглецевого сліду у світовій промисловості. У цьому плані лідируючу позицію займає Європейський Союз, який з осені поточного року не лише розпочав серйозну реформу системи торгівлі квотами на викиди (англ. ETC - Emissions Trading System), але й увів у дію так званий механізм транскордонного вуглецевого регулювання (англ. CBAM - Carbon Border Adjustment Mechanism).
CBAM націлений на регулювання імпорту тих товарів, виготовлення яких призводить до значного викиду парникових газів. До цієї групи (разом із цементом, добривами, електроенергією та ін.) належить і металургійна продукція. Механізм запущено з 1 жовтня 2023 року, перехідний період триватиме до 31 грудня 2025 року, після чого протягом періоду до 2034 року відбудеться його повноцінне впровадження з одночасною відмовою від безкоштовних ETC-квот. Тому у виробників зі значним «вуглецевим слідом» не так багато часу на «розгойдування» та перехід до більш екологічних технологій - додаткове фінансове навантаження у вигляді CВАМ-сертифікатів, які їм потрібно буде купувати, може зробити їхню продукцію просто неконкурентоспроможною на європейському ринку (а згодом і на інших світових торгових майданчиках).
У сьогоднішній та кількох наступних публікаціях я докладніше зупинюся на тих напрямках розвитку «зелених» технологій, які вважаються найбільш перспективними саме у чорній металургії. І почну, мабуть, свою розповідь із процесу, якому пророкують найбільш вагомий внесок у зниження викидів СО2 в атмосферу цією галуззю – з прямого відновлення заліза. Ми з вами спробуємо розібратися, що таке DRI (direct reduced iron – залізо прямого відновлення або як його ще називають – прямо відновлене залізо ПВЖ), як його отримують і чому саме такий спосіб виробництва вважається найбільш «еко-френдлі» (якщо хтось не знає, це словосполучення у нас з'явилося завдяки англійському поняттю «eco-friendly», що означає «екологічно чистий» 😊).
Пряме відновлення заліза з руд: історія розвитку
Розробкою альтернативних методів отримання заліза з рудних матеріалів металургійна наука займалася вже давно. Ще в 50-х роках минулого століття вчені обіцяли у найкоротші терміни знайти високоефективні рішення щодо заміщення доменного процесу отримання чавуну. Проте обіцянки дуже розходилися з реальністю. Насамперед всі способи металізації, що розроблялися, були високовитратними й не могли конкурувати з домною за продуктивністю та собівартістю продукції. Крім того, у другій половині XX століття дуже активний розвиток отримали електросталеплавильні технології, засновані на використанні сталевого брухту, що також серйозно вдарило по перспективах заліза прямого відновлення. Ну і нарешті, відновлення заліза з його оксидів за DRI технологією вимагало (та й зараз вимагає) великих витрат енергії, тому розміщення таких виробничих агрегатів було можливим лише на територіях з доступом до значних та недорогих енергопотужностей або з наявністю великих і доступних за ціною запасів природного газу.
Проте, з 1965 року розпочалося дослідне випробування таких методів виробництва, і вже до початку XXI століття чорна металургія випускала залізо прямого відновлення у промислових масштабах. Лідерами за обсягами виготовлення металізованої сировини стали Індія, країни Близького Сходу та Латинська Америка. У 2006 році загальний обсяг виробництва DRI та HBI (hot briquetted iron – гарячебрикетоване залізо, ще один варіант ПВЖ) у всьому світі складав близько 60 мільйонів тон, зараз він за різними оцінками становить близько 90-100 млн. т (якісь потужності виводяться з експлуатації, якісь будуються тощо), але до 2030 року прогнозується майже дворазовий приріст цієї цифри.
Таке активне зростання багато в чому пов'язане з інноваціями та розвитком нових способів прямого відновлення заліза. По-перше, ще в 80-90-ті роки стало можливим використання у ролі відновника природного газу, побічних газоподібних продуктів нафтовидобутку та інших видів палива. По-друге, знизилися витрати на різних етапах виробництва ПВЖ, що спричинило і деяке зниження собівартості такого продукту.
Однак останніми роками важливу роль у розвитку виробництва DRI відіграли екологічні ініціативи, про які я розповів раніше. Представники металургійної науки та експерти з охорони навколишнього середовища вирішили, що декарбонізація чорної металургії має розпочатися саме з повсюдного впровадження технологій прямого відновлення заліза, що допоможе докорінно змінити картину викидів на краще та остаточно повернути процес виготовлення сталі у «зелене русло». Що ж у цьому процесі такого, чого не могли запропонувати інші методи виробництва? Давайте дивитися.
Пряме одержання заліза: нюанси термінології
Але для початку я знову трохи «побуду занудою» у частині технічних термінів. Нині словосполучення «пряме відновлення заліза» у 99% випадків згадується у розумінні отримання DRI, тобто виготовлення металізованого продукту без застосування доменної печі. Однак це не зовсім коректно, оскільки етап прямого відновлення є також невід'ємною складовою і в доменному процесі (разом з непрямим). Для уточнень спочатку звертаємось до «Енциклопедичного словника з металургії» за редакцією Н.П. Лякішева, де зустрічаємо наступні позначення:
«Відновлення [reduction; recovery] - ...2. Відбирання та зв'язування кисню, хлору тощо з оксидів, хлоридів та інших сполук металів, а також із руд за допомогою відновників. Відновлення використовується у багатьох металургійних процесах, зокрема в доменній плавці, способах прямого отримання заліза, при зневуглецюванні рідкого металу та ін.»
«Непряме відновлення [indirect reduction] - реакції відновлення у доменній печі, у яких кисень оксидів заліза з'єднується з газом-відновником.»
«Пряме відновлення [direct reduction] - 1. Відновлення оксидів металів у доменній печі вуглецем з утворенням СО в газоподібних продуктах реакції…»
«Залізо прямого одержання [direct-reduced iron (DRI)] - залізо, що одержується хімічним, електрохімічним або хіміко-термічним способами безпосередньо з руди, минаючи доменну піч, у вигляді порошку, губчастого заліза (металізованих окатків), криці або рідкого металу.»
І дійсно, відповідно до міжнародної теорії та практики виплавки чавуну, в доменній печі відбувається пряме й непряме відновлення заліза з оксидів:
- Непряме відновлення оксиду заліза оксидом вуглецю в низькотемпературній верхній частині домни, де складові залізорудної сировини вступають у реакцію з газами, що підіймаються, – продуктами горіння коксу, пиловугільного палива (ПВП) та ін.
- Пряме відновлення оксиду заліза вуглецем, яке починає переважати зі збільшенням температури (при опусканні сировинних матеріалів у нижню частину домни). Область переходу від непрямого до прямого відновлення перебуває у діапазоні температур 900-1100°С. При прямому відновленні потрібні великі витрати тепла; при цьому утворюється газ СО, який згодом бере участь у непрямому відновленні у верхній частині печі.
Не будемо сильно заглиблюватися в процес доменного виробництва чавуну, бажаючі можуть з ним ознайомитись в іншій публікації на нашому сайті. Але з вищевикладеного випливає, що використання терміну "пряме відновлення заліза" виключно як позначення способу отримання DRI/HBI (та й самого поняття "залізо прямого відновлення" виключно як найменування металізованої сировини) є не абсолютно помилковим, але і не зовсім правильним. Фактично, тому, що всі зараз називають технологією прямого відновлення заліза, більше підійшла б назва «безкоксова металургія» або «бездоменна металургія» (втім, як і було на старті її розвитку). Адже ключовим завданням при початковій розробці цих методів була відмова від використання коксівного вугілля та коксу через обмеженість цих ресурсів, а також через внесення великої кількості шкідливих домішок у розплав і не менш шкідливих викидів в атмосферу при їх використанні в доменному процесі.
Пряме відновлення заліза: технологія процесу
За великим рахунком, всі ефективні технології з виробництва DRI працюють за однією і тією ж схемою. Береться високоякісна залізорудна сировина (ЗРС) - агломерат, окатки або руда, що містять не менше 68-70% Fe - яка потім відновлюється за високих температур до вмісту заліза 85-95% і більше під впливом спеціальної газової суміші. Оскільки дуже невелика кількість залізної руди, що видобувається у світі, у своєму первозданному вигляді має такий високий рівень заліза, основна маса сировини для прямого відновлення проходить стадію збагачення, на якій з цієї корисної копалини намагаються максимально видалити небажані добавки і пусту породу.
Процеси прямого отримання дозволяють виготовити металеве залізо, минаючи доменну піч, не витрачаючи металургійний кокс (він замінюється іншими видами палива). Крім того, завдяки виключенню коксу з технологічного ланцюжка і глибокому збагаченню руд, відновлене залізо відрізняється підвищеною чистотою, відсутністю фосфору, сірки та інших шкідливих домішок. При доменній плавці зазначені переваги не можуть бути забезпечені, адже фосфор і особливо сірку у великій кількості вносить саме кокс.
Тепер давайте розберемося, що таке відновлене залізо і чим воно відрізняється від продукту доменної плавки. В результаті процесів, що відбуваються в доменній печі, ми отримуємо чавун - сплав заліза з вуглецем (частка вуглецю становить не менше 2,14%) та іншими хімічними компонентами. Результатом прямого відновлення є твердий матеріал, в якому більшість заліза знаходиться в металевому вигляді.
У профільній технічній літературі такий продукт із високим ступенем металізації також називають губчастим залізом (англ. sponge iron). Ключове використання такої продукції в даний час - виплавка сталі в електродугових печах та виготовлення залізних порошків для подальшого застосування у порошковій металургії.
Якщо ж рівень металізації становить до 85% (наприклад, при використанні в процесі виготовлення менш багатих руд), такий продукт називають попередньо відновленим залізом (англ. pre-reduced iron). Він може надалі застосовуватися як альтернатива високозбагаченому ЗРС при доменній виплавці чавуну.
DRI – перший крок до «зеленої металургії»
Найбільшого поширення серед промислово впроваджених технологій виробництва ПВЖ набуло твердофазне відновлення заліза з руди газом або твердим паливом. Воно відбувається за температур, нижчих від точок розм'якшення шихтових складових (на відміну від доменного процесу, при якому компоненти шихти розплавляються). Способи твердофазного відновлення у свою чергу поділяють за такими параметрами:
- За типом відновника – газ чи тверде паливо;
- За виглядом кінцевого продукту – DRI, HBI тощо;
- За конструкцією відновлювального агрегату – шахтна піч, реактор киплячого шару, піч, що обертається, реторта та ін.
Серед усіх перерахованих різновидів основну роль у сучасній безкоксівній металургії відіграє пряме відновлення залізорудних окатків газом у шахтних печах. На ньому засновано більшість промислових методів отримання ПВЖ – Midrex, HYL/ Energiron, PERED та інші. І саме ця технологія, на думку експертів, і є найперспективнішою з точки зору зменшення «вуглецевого сліду» у сталевій індустрії.
Такий спосіб виготовлення DRI донедавна використовував переважно конвертований природний газ. Конверсія – це перетворення вуглеводнів у спеціальному рекуператорі шляхом розкладання на водень і вуглець з допалюванням останнього до CO. На виході з конвертера-рекуператора утворюється відновлювальний газ (суміш з 30% СО і близько 70% H2), який є ключовим реагентом у подальшому відновленні заліза в шахтній печі. Вже сама по собі така технологія є більш екологічною порівняно з доменною у сенсі вуглецевмісних викидів (яких у 2-4 рази менше, залежно від конкретного виду процесу). А нові інжинірингові рішення дозволяють взагалі виключити вуглеводні із ланцюжка виробництва DRI. Сучасні установки прямого отримання заліза можуть працювати на 100% водню у якості відновлювального газу. І в такому випадку процес виготовлення ПВЖ стає вуглецево-нейтральним, чого й прагне світова чорна металургія.
Але, як ми всі розуміємо, декарбонізація металургії не може статися миттєво: «по клацанню пальців» у світі не з'явиться стільки установок прямого відновлення заліза та дугових сталеплавильних печей, щоб одразу повністю виключити потребу в чавуні. Про складність у реалізації таких амбітних планів може говорити той факт, що наразі протягом місяця у світі виробляється чавуну більше, ніж всього DRI/HBI за рік. Тому, разом з розробкою та будівництвом нових DRI-модулів, ведуться роботи з удосконалення існуючих металургійних процесів, наприклад:
- Впровадження технологій водневого відновлення у процес доменної виплавки чавуну з відмовою від використання ПВП та природного газу та зниженням кількості коксу (повністю відмовитися від коксу в доменному процесі неможливо з технологічних причин);
- Збільшення частки металобрухту та/або ПВЖ при виплавці сталі в кисневих конвертерах замість чавуну тощо (про це ми ще поговоримо у наступних публікаціях).
Декарбонізація металургійної промисловості неможлива й без створення відповідної супутньої інфраструктури (станції отримання технічного водню, системи його транспортування та зберігання тощо), зміни всіх технологічних режимів та параметрів обладнання. Не забуватимемо, що сам по собі водень дуже вибухонебезпечний, і порушення будь-якого етапу виробництва за його участю може призвести до серйозних аварій. Крім того, наявність підвищеної кількості водню в структурі сталі веде до її окрихчування та розтріскування, тому будуть потрібні додаткові заходи щодо його виведення з розплаву, зокрема вакуумування, яке зараз використовується лише для певних видів сталевої продукції особливо відповідального призначення.
Як бачимо, декарбонізація у чорній металургії – дуже складний та високовитратний процес. Однак, коли стоїть питання про виживання людства, гадаю, все це виправдано. Головне, щоб у ініціативи зі зниження вуглецевого сліду включилися всі без винятку, інакше дана активність не дасть бажаного результату, але призведе до подорожчання сталі та металопродукції для кінцевих споживачів.
