Комплексные решения в обезуглероживании стали.
Производство стали, возможно, трудно остановить, но в отрасли появился новый подход, позволяющий переосмыслить всю цепочку создания стоимости и навсегда сократить выбросы углерода.
Все еще может потребоваться 20-30 лет инвестиций в инновационные процессы, наряду с общедоступным экологически чистым водородом, а также в улавливание и хранение углерода, чтобы достичь чистого нуля, но благодаря стечению обстоятельств железные ворота широко распахнулись для новых возможностей.
В 2020 году президент Китая Си Синьпин пообещал, что Китай достигнет углеродной нейтральности к 2060 году, а также покажет увеличения выбросов CO2 к 2030 году.
На долю сталелитейной промышленности приходится около 8% мировых выбросов углерода, и она в значительной степени (73%) зависит от технологий доменных печей и печей с основным кислородом для отделения кислорода от оксидов железа, составляющих железную руду, и получения прочного, долговечного материала, известного как сталь.
Производство стали включает в себя несколько применений с высокой температурой. Среди них нагрев угля при температуре около 1000 градусов Цельсия в отсутствие кислорода для удаления примесей, в результате чего получается ‘кокс’. Охлажденный кокс, содержащий 90-93% углерода, подается в доменную печь вместе с железной рудой и известняком; воздух, нагретый до 1000-1200 градусов Цельсия, вдувается в печь, инициируя серию химических реакций, которые в конечном итоге приводят к получению чугуна и CO2.
В чугуне все еще остается около 4% углерода, что делает его слишком хрупким для большинства применений, и для дальнейшего снижения этой концентрации и других примесей используется в кислородно-конвертерном процессе (BOF). Для получения стали с содержанием углерода в диапазоне ~ 0,02-2,1% в BOF нагревают чугун, металлический лом (около 15-20%) и жженую известь (известную как флюс), а в смесь “вдувают” чистый кислород через фурму с водяным охлаждением, который окисляет углерод и кремний в горячем железе и выделяет больше тепла, которое, в свою очередь, расплавляет метал. Расплавленная масса готовой стали переливается в ковш и может быть подвергнута дальнейшему процессу рафинирования с подогревом в соответствии со спецификациями заказчика.
Неудивительно, что самая большая проблема обезуглероживания, с которой сталкивается отрасль, заключается в том, “откуда мы берем нашу энергию?” На данный момент, уголь является не только основным источником тепла на различных стадиях процесса, но и обеспечивает нам основу химической реакции, которая извлекает железо из его окисленного состояния в железной руде — и в этом заключается определение трудно поддающегося переработке. В настоящее время для производства стали из железной руды в качестве катализатора реакции используется углерод, побочным продуктом которого является CO2.
Сегодня при производстве каждой тонны стали в среднем выделяется 1,8 тонны CO2.
В отчете "Дорожная карта по технологиям в черной металлургии", подготовленном Международным энергетическим агентством (МЭА) в октябре 2020 года, подробно описаны проблемы и возможности отрасли. В нем отмечается, что “сталелитейные компании и региональные ассоциации производителей стали, на долю которых приходится примерно треть мирового производства стали, поставили цели по достижению чистого нулевого уровня выбросов к 2050 году или ранее”, и что “Большинство из этих целей были установлены за последние три года”.
Решать проблему сокращения выбросов нужно решать со всех сторон, правительства должны разрабатывать политику, поощряющую исследования и разработки в области новых процессов. В Индии например, втором по величине в мире производителе стали, правительственная схема "Производительность, достижения и торговля" стимулирует промышленность к повышению энергоэффективности и сокращению выбросов.
В Европе правительственные учреждения и фонды поддерживают проекты которые разрабатывают новый процесс переработки руды. С 2017 года программа Европейского союза "Горизонт 2020" финансировала 12 европейских партнеров для расширения процесса, впервые разработанного в начале 2000-х годов в лабораторных масштабах, при котором железная руда погружается в электролитическую ванну — без коксующегося угля, без выбросов углерода, только электричество от будущей сети, работающей на возобновляемых источниках энергии, — которая извлекает кислород из сырья для производства металлического железа. Добавление углерода для регулирования марки металла в этом случае будет осуществляться во время плавки чугуна, получаемого в процессе, для получения стали в соответствии со спецификациями заказчика.
Там, где прямое повторное использование невозможно, сталь можно перерабатывать бесконечно. Альтернативой BF-BOF-методу производства стали из железной руды является технология электродуговых печей (ЭДП), которая уже используется для производства около 30% стали в мире. В ЭДП используются электрические дуги высокой мощности между катодом и анодами для расплавления металлолома и железа, а также очищающие добавки для получения новой стали.
Более широкое использование ЭДП сыграет важную роль в обезуглероживании сталелитейной промышленности, но, в настоящее время оно имеет два ограничения. Но для этого требуется высокое и стабильное снабжение электроэнергией, а поскольку большая часть мирового электроснабжения по-прежнему производится за счет угля или газа, выбросы углерода от выработки энергии на ископаемом топливе должны учитываться при производстве стали.
Еще одним многообещающим направлением снижения выбросов при производстве стали в краткосрочной перспективе является увеличение производства чугуна прямого восстановления на газовой основе , на долю которого в настоящее время приходится всего 5% производства стали. Процесс прямого восстановления переводит кислород из железной руды в твердое состояние с использованием монооксида углерода и водорода из реформированного природного газа или синтез-газа для связывания с кислородом в железной руде - без плавления в доменной печи. Несмотря на то, что природный газ и синтез-газ в настоящее время производятся на основе ископаемого топлива, выбросы от процессов на основе газа ниже, чем от процессов на основе угля. А системы, которые сейчас настроены на использование газа, смогут легче перейти на использование экологически чистого водорода, поскольку этот газ с нулевым уровнем выбросов становится более доступным.
Водород является частью решения по снижению выбросов CO2 при производстве стали. Это может заменить восстановление железа углем и в основном производит только водяной пар в качестве побочного продукта. В настоящее время оценивается множество способов экономически эффективной доставки экологически чистого водорода в промышленность. Например, одним из направлений цепочки поставок является производство водорода с использованием солнечной энергии в странах с неизменно солнечным климатом, таких как Австралия, и переработка его в аммиак, который легче и безопаснее доставляется к месту назначения, чем водород.
Широко упоминаемым примером проекта частного предприятия, поддерживаемого правительством, по внедрению водорода в процесс производства стали, является HYBRYT. Это партнерство между производителем железной руды LKAB, мировым производителем стали SSAB и поставщиком энергии Vattenfall, поддерживаемое Шведским энергетическим агентством, а в этом году также Инновационным фондом ЕС, призвано продемонстрировать первую в мире цепочку создания стоимости для производства чугуна и стали, полностью не использующую ископаемое топливо. HYBRIT произвела свою первую сталь без ископаемых путем прямого восстановления с использованием экологически чистого водорода в августе 2021 года.
Несмотря на то, что многочисленные возможности находятся в зачаточном состоянии, это очень интересно. Люди должны попытаться использовать самые большие возможности, многие из которых в конечном итоге будут связаны не столько с производством стали, сколько с ее использованием. Внедрение производства с низким уровнем выбросов в настоящее время позволит в будущем рационально использовать этот универсальный материал повторно.
Все еще может потребоваться 20-30 лет инвестиций в инновационные процессы, наряду с общедоступным экологически чистым водородом, а также в улавливание и хранение углерода, чтобы достичь чистого нуля, но благодаря стечению обстоятельств железные ворота широко распахнулись для новых возможностей.
В 2020 году президент Китая Си Синьпин пообещал, что Китай достигнет углеродной нейтральности к 2060 году, а также покажет увеличения выбросов CO2 к 2030 году.
На долю сталелитейной промышленности приходится около 8% мировых выбросов углерода, и она в значительной степени (73%) зависит от технологий доменных печей и печей с основным кислородом для отделения кислорода от оксидов железа, составляющих железную руду, и получения прочного, долговечного материала, известного как сталь.
Производство стали включает в себя несколько применений с высокой температурой. Среди них нагрев угля при температуре около 1000 градусов Цельсия в отсутствие кислорода для удаления примесей, в результате чего получается ‘кокс’. Охлажденный кокс, содержащий 90-93% углерода, подается в доменную печь вместе с железной рудой и известняком; воздух, нагретый до 1000-1200 градусов Цельсия, вдувается в печь, инициируя серию химических реакций, которые в конечном итоге приводят к получению чугуна и CO2.
В чугуне все еще остается около 4% углерода, что делает его слишком хрупким для большинства применений, и для дальнейшего снижения этой концентрации и других примесей используется в кислородно-конвертерном процессе (BOF). Для получения стали с содержанием углерода в диапазоне ~ 0,02-2,1% в BOF нагревают чугун, металлический лом (около 15-20%) и жженую известь (известную как флюс), а в смесь “вдувают” чистый кислород через фурму с водяным охлаждением, который окисляет углерод и кремний в горячем железе и выделяет больше тепла, которое, в свою очередь, расплавляет метал. Расплавленная масса готовой стали переливается в ковш и может быть подвергнута дальнейшему процессу рафинирования с подогревом в соответствии со спецификациями заказчика.
Неудивительно, что самая большая проблема обезуглероживания, с которой сталкивается отрасль, заключается в том, “откуда мы берем нашу энергию?” На данный момент, уголь является не только основным источником тепла на различных стадиях процесса, но и обеспечивает нам основу химической реакции, которая извлекает железо из его окисленного состояния в железной руде — и в этом заключается определение трудно поддающегося переработке. В настоящее время для производства стали из железной руды в качестве катализатора реакции используется углерод, побочным продуктом которого является CO2.
Сегодня при производстве каждой тонны стали в среднем выделяется 1,8 тонны CO2.
В отчете "Дорожная карта по технологиям в черной металлургии", подготовленном Международным энергетическим агентством (МЭА) в октябре 2020 года, подробно описаны проблемы и возможности отрасли. В нем отмечается, что “сталелитейные компании и региональные ассоциации производителей стали, на долю которых приходится примерно треть мирового производства стали, поставили цели по достижению чистого нулевого уровня выбросов к 2050 году или ранее”, и что “Большинство из этих целей были установлены за последние три года”.
Решать проблему сокращения выбросов нужно решать со всех сторон, правительства должны разрабатывать политику, поощряющую исследования и разработки в области новых процессов. В Индии например, втором по величине в мире производителе стали, правительственная схема "Производительность, достижения и торговля" стимулирует промышленность к повышению энергоэффективности и сокращению выбросов.
В Европе правительственные учреждения и фонды поддерживают проекты которые разрабатывают новый процесс переработки руды. С 2017 года программа Европейского союза "Горизонт 2020" финансировала 12 европейских партнеров для расширения процесса, впервые разработанного в начале 2000-х годов в лабораторных масштабах, при котором железная руда погружается в электролитическую ванну — без коксующегося угля, без выбросов углерода, только электричество от будущей сети, работающей на возобновляемых источниках энергии, — которая извлекает кислород из сырья для производства металлического железа. Добавление углерода для регулирования марки металла в этом случае будет осуществляться во время плавки чугуна, получаемого в процессе, для получения стали в соответствии со спецификациями заказчика.
Там, где прямое повторное использование невозможно, сталь можно перерабатывать бесконечно. Альтернативой BF-BOF-методу производства стали из железной руды является технология электродуговых печей (ЭДП), которая уже используется для производства около 30% стали в мире. В ЭДП используются электрические дуги высокой мощности между катодом и анодами для расплавления металлолома и железа, а также очищающие добавки для получения новой стали.
Более широкое использование ЭДП сыграет важную роль в обезуглероживании сталелитейной промышленности, но, в настоящее время оно имеет два ограничения. Но для этого требуется высокое и стабильное снабжение электроэнергией, а поскольку большая часть мирового электроснабжения по-прежнему производится за счет угля или газа, выбросы углерода от выработки энергии на ископаемом топливе должны учитываться при производстве стали.
Еще одним многообещающим направлением снижения выбросов при производстве стали в краткосрочной перспективе является увеличение производства чугуна прямого восстановления на газовой основе , на долю которого в настоящее время приходится всего 5% производства стали. Процесс прямого восстановления переводит кислород из железной руды в твердое состояние с использованием монооксида углерода и водорода из реформированного природного газа или синтез-газа для связывания с кислородом в железной руде - без плавления в доменной печи. Несмотря на то, что природный газ и синтез-газ в настоящее время производятся на основе ископаемого топлива, выбросы от процессов на основе газа ниже, чем от процессов на основе угля. А системы, которые сейчас настроены на использование газа, смогут легче перейти на использование экологически чистого водорода, поскольку этот газ с нулевым уровнем выбросов становится более доступным.
Водород является частью решения по снижению выбросов CO2 при производстве стали. Это может заменить восстановление железа углем и в основном производит только водяной пар в качестве побочного продукта. В настоящее время оценивается множество способов экономически эффективной доставки экологически чистого водорода в промышленность. Например, одним из направлений цепочки поставок является производство водорода с использованием солнечной энергии в странах с неизменно солнечным климатом, таких как Австралия, и переработка его в аммиак, который легче и безопаснее доставляется к месту назначения, чем водород.
Широко упоминаемым примером проекта частного предприятия, поддерживаемого правительством, по внедрению водорода в процесс производства стали, является HYBRYT. Это партнерство между производителем железной руды LKAB, мировым производителем стали SSAB и поставщиком энергии Vattenfall, поддерживаемое Шведским энергетическим агентством, а в этом году также Инновационным фондом ЕС, призвано продемонстрировать первую в мире цепочку создания стоимости для производства чугуна и стали, полностью не использующую ископаемое топливо. HYBRIT произвела свою первую сталь без ископаемых путем прямого восстановления с использованием экологически чистого водорода в августе 2021 года.
Несмотря на то, что многочисленные возможности находятся в зачаточном состоянии, это очень интересно. Люди должны попытаться использовать самые большие возможности, многие из которых в конечном итоге будут связаны не столько с производством стали, сколько с ее использованием. Внедрение производства с низким уровнем выбросов в настоящее время позволит в будущем рационально использовать этот универсальный материал повторно.