БРИКЕТИРОВАННОЕ СЫРЬЕ ДЛЯ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ
Парадигма сегодняшнего развития металлургии определяется снижением вредных выбросов, в первую очередь парниковых газов.
Однако, на фоне санкционного давления на экономику РФ, включая такую весьма экспортоориентированную отрасль, как «черная металлургия» складывается впечатление, что все эти ESG низкоуглеродные и даже безуглеродные черные металлы – это как бы не проблема России.
Но, сие мнение ложно. В течение ближайших трех лет, по крайней мере при поставке чугуна и стали в страны ЕС, потребуется оплата углеродных тарифов, по прогнозу не менее 50 евро за тонну продукции, что сделает и так сложный экспорт в ЕС практически невозможным.
Также, вполне прогнозируется введение аналогичных ввозных пошлин и другими странами импортерами в ЮВА, Африке, Латинской Америке.
Процесс перехода на без- и малоуглеродные технологии производства черных металлов набирает обороты. Все ведущие металлургические концерны планируют или уже реализуют инновационные технологии, направленные на снижение выбросов парниковых газов. Общий объем инвестиций в такие процессы составляет сотни миллиардов долларов США. 17 компаний публично озвучили планы по достижению нулевых выбросов углекислого газа. На них в совокупности приходится более 25 % мировой выплавки стали (527 млн.т/год).
Причем, по крайней мере в ЕЭС и КНР сумма госбюджетной поддержки проектов в ЕSG достигает 70%.
Что предлагают Тульские ученые-металлурги?
Прежде всего, не наломать дров и не кидаться в альтернативные классике технологии, такие как применение водорода.
На первом этапе мы предлагаем широкое внедрение в доменном и сталеплавильном производстве самовосстанавливающихся оксиднотопливных брикетов (BSR) .
Такие брикеты на основе оксидов железа, как первичных (железорудный концентрат) так и вторичных: пыли, шламы, отсевы, прокатная окалина и т.п., а также имеющие в составе углеродный восстановитель и получаемые методом холодного окускования — брикетированием.
Одним из первых масштабных опытов применения самовосстанавливающихся брикетов проходил в «Тулачермет» в начале 2000 гг.
Первоначально изготовили промывочные брикеты для промывки горна ДП-3 от избыточного углерода. Брикеты были изготовлены на вибропрессе для строительных изделий: просто прессформу для стенового шлакоблока поделили перегородкой пополам.
После получения великолепных результатов – печь «задышала», приступили к производству BSR на простейшем вибропрессе «RUKIS», приобретенном для производства тротуарной плитки 200х100х60 мм. Всего было произведено около 50 тыс. таких брикетов.
При расходе BSR 70 кг/т. чуг. экономия сухого скипового кокса составила 14 кг/ т. чуг.
Брикеты полностью состояли из вторичного сырья: окалина, коксовая мелочь и пыль. Пофакторный анализ плавок с применением брикетов показал коэффициент замены карбюризатором брикета сухого скипового кокса больше единицы. Маститые доменщики не поверили таким результатам.
Пришлось напомнить о принципе Грюнера, вернее о его ошибочности, доказанной М.А. Павловым о том, что прямое восстановление гораздо экономичней косвенного и на восстановление расходуется очень мало углерода, а именно:
Fe O + C =F +CO
12 :56 = 0,214 кгС на 1 кг Fe
Однако, такой процесс требует больших затрат тепла и поэтому, как указал И.Ф. Курунов оптимальным является соотношение прямого и косвенного восстановления 30% на 70%, что определяет удельный расход BSR 120-150 кг/т. чуг. В этом случае при использовании древесного угля в качестве карбюризатора снижение эмиссии СО2 (исключены процессы производства кокса и агломерации) составит около 100 кг/т чугуна, при годовой производительности средней доменной печи 2,0 млн.т/год чуг. Снижение выбросов углекислого газа составит
2,0х 0,1 = 200 000 т/г.
Каждый доменщик сможет легко прикинуть какой эффект по выбросам можно получить за счет применения BSR в доменной плавке.
К сожалению, пока единственный в России опыт применения BSR в промышленных масштабах реализован на НЛМК.
Думается, настало время для развития аналогичных процессов и на других предприятиях имеющих доменные печи.
Дополнительный бонус для производства и применения BSR в качестве компонента доменной шихты- улучшение прочностных показателей агломерата, за счет исключения из состава аглошихты мелкодисперсных плохокомкуемых компонентов: колошниковой и аспирационной пыли, агломерационного и сталеплавильного шламов и т.п. Все эти вторичные материалы ухудшающие прочность агломерата с успехом брикетируются.
В случае использования древесного угля, получаемого из возобновляемых ресурсов, дополнительно имеем снижение эмиссии СО2 за счет фотосинтеза.
Для производства 2,0 млн.тн чугуна потребуется 300 тыс.тонн BSR в составе которых будет присутствовать 45 000 тн древесного угля.
Необходимый объем биомассы обеспечат 8,3 тыс.га искусственных насаждений.
Поглощение СО2 составит:
8300х21 =174,3 тыс. тн СО2
В итоге, за счет применения BSR на древесном угле, снижение эмиссии СО2 для доменной печи с годовым производством 2,0 млн.т чугуна:
200+174,3 = 274,3 тыс. тн.
Доменщикам следует подумать о внедрении достаточно простой технологии, которая обеспечит рециклинг вторичных материалов и значительное снижение эмиссии углекислого газа.
Таким образом, рано хоронить доменные печи. Технология доменной плавки позволяет производить большие объемы жидкого чугуна с высокой эффективностью и возможностью рециклинга вторичных материалов.
С другой стороны, конструкция современных комплексов доменной печи, а сегодня домна- это именно комплекс различных агрегатов подошли к своему пределу по производительности и экономичности, и самое главное не отвечают требованиям времени по экологической безопасности.
Альтернативой классической цепочке
являются современные минизаводы с технологией производства стали переплавом стального лома DRI и HBI в дуговых электропечах.
Однако, энергопереход в металлургии потребует дополнительно до 300 млн.т год стального лома. По прогнозу к 2050г. производство стали достигнет 2,0-2,5 млрд.т/год, что значительно превысит ожидаемый уровень 2023г.
При этом доля стали, полученной по доменно-конверторной технологии, сократится от нынешних 70% до 40%, а в электродуговых печах будет выплавляться 56% стали. Из них 38 % придется на мощности, использующие в качестве сырья металлолом, а 18% восстановленное железо.
Соответственно, возрастет и потребление сырья. Для удовлетворения новых потребностей понадобится увеличить глобальные поставки восстановленного железа на 245 млн.т./год по сравнению с текущими показателями, а металлолома на 300 млн/т.год.
Где взять и как произвести?
Альтернативой существующим способам производства стали по нашему мнению могут стать разработанные в Туле процессы «ORIEN» и «BRIQCMELT», основанные на использовании в качестве основного компонента шихты BRS и их переплав в плавильном агрегате с электродуговым нагревом.
Процесс BRIQCMELT
Так вот, для максимального использования возможности прямого восстановления оксидов железа необходимо обеспечить приток тепловой энергии, что легко достигается за счет электрических дуг.
Процессы восстановления и плавления идут практически одновременно в жидкой ванне, гомогенный состав BRS обеспечивает максимум прямого восстановления, и использование древесного угля в качестве карбюризатора способствует высокой скорости реакции восстановления и чистоте конечного продукта.
Таким образом, существует реальная технология инновационного способа производства чугуна и стали взамен доменному и конвертерному.
Скорейшая реализация процессов «ORIEN» и «BRIQCMELT» позволит Российским металлургам выйти на передовые позиции в производстве качественных железоуглеродистых сплавов с низким выбросом парниковых газов, полностью компенсируемом поглощением СО2 обновляемой быстрорастущей растительностью насаждений, используемых для производства древесного металлургического угля. Тем самым для металлургического производства будет замкнут цикл обращения углерода, что предотвратит накопление СО2 в атмосфере, позволяя использовать углерод в качестве восстановителя железа без ущерба для экологии.
