Альтернативы коксующегося угля в металлургии: сказка?

Для производства 1,7 тонн нерафинированной стали в среднем используется 1 тонна коксующегося угля. В последнее десятилетие сталелитейная промышленность сосредоточила свое внимание на декарбонизации производства, пытаясь создать альтернативы из возобновляемых источников энергии и сделать их рентабельными. Мы выделили наиболее перспективные, среди них HYBRIT, FINEX и COREX.

Во всем мире наблюдается активный переход на более экологичные источники сырья, средняя стоимость одной тонны выбросов СО2 обходится металлургическим компаниям в диапазоне 50-100 долларов. Однако отказ от использования угля в металлургии осложняется низкой рентабельностью существующих технологий. Мировое производство сырой стали может быть реализовано двумя методами: методом кислородной печи (BOF) и методом электродуговой печи (EAF). Наиболее распространенным является первый метод. В нем в качестве сырья используются железная руда и коксующийся уголь, а также лом и железо прямого восстановления (DRI). В настоящее время нет заменителя коксующегося угля в конвертерном процессе.  В то же время второй метод, EAF, является более прогрессивным и экологичным. Выплавка стали в электродуговой печи либо на основе лома, либо на основе железа прямого восстановления водородом, в будущем внесет существенный вклад в сокращение выбросов углерода в черной металлургии. Однако по-прежнему необходимо будет вводить углерод в процесс EAF либо для науглероживания стали, либо для образования вспенивающегося шлака для повышения энергоэффективности процесса плавления.

Основной проблемой  метода EAF является его зависимость  от наличия стального лома, предложение которого ограничено. Основным поставщиком является Китай и мы не ждем сокращения дефицита в краткосрочной и среднесрочной перспективе. Однако на более длинном диапазоне мы ожидаем, что предложение стального лома на внутреннем рынке Китая значительно увеличится на фоне быстрого роста потребления стали в стране. Предполагается, что пройдет не менее 15 лет, прежде чем Китай сможет получить металлолом, необходимый для реализации ожидаемого перехода конвертерного печи на EAF. Отметим, что большинство китайских доменных печей вполне современные и эффективные с минимальным уровнем выбросов, большая часть которых была построена в течение последних 15 лет, поэтому для китайских производителей стали будет значительным финансовым бременем перейти на EAF, что приведет к снижению эффективности использования материалов. Кроме того, с точки зрения спроса, значительная часть производимой в Китае стали состоит из плоского проката для автомобильной промышленности, который нельзя производить методом EAF.

Несмотря на движение к EAF в последние годы, конвертерные печи по-прежнему остаются основным способом производства стали в мире, во многом из-за крупнейших производителей, Китая и Кореи. Однако в будущем ожидается замена некоторых конвертерных печей на EAF, чему будет способствовать рост доступности лома и электроснабжения в регионе, а также ужесточение экологического законодательства. Существует также ряд альтернативных разработок для замены кокса в производстве. Мы выделили наиболее передовые из них: HYBRIT, FINEX и COREX.

HYBRIT. Три шведские компании - сталелитейная компания SSAB, горнодобывающая компания LKAB и энергетическая компания Vattenfall - объединили усилия, чтобы начать использовать водород в качестве замены коксующегося угля в сталеплавильном производстве. Предприятие стремится начать разработку пилотной установки в 2023 году. В июле SSAB произвела первую сталь с использованием «зеленого водорода», а Volvo Group закупила первую партию. Ожидается, что водородная инициатива HYBRIT сможет снизить выбросы углерода в Швеции и Финляндии на 10% и 7% соответственно. Ожидается, что эксплуатационные расходы будут на 20-30% выше, чем у обычных доменных печей. Программа началась в 2016 году, а к 2025 году планируют создать первый демонстрационный завод. Промышленные испытания и трансформация завода запланированы на период с 2030 по 2040 год, при этом компания рассчитывает выйти на полноценное производство к 2045 году.

FINEX. Ближайшим конкурентом технологии доменных печей, способным произвести революцию в отрасли является FINEX. Это комбинация двух технологий: процесса многократного псевдоожиженного слоя Finmet и плавильной печи-газификатора COREX. Процесс FINEX разрабатывается компаниями POSCO и Siemens VAI с 1992 года, за это время технология превратилась из лабораторной исследовательской установки в промышленную с объемом 2 млн тонн в год, которая эксплуатируется на металлургическом заводе в Пхохане c января 2014 года. POSCO рассматривает возможность создания демонстрационного завода мощностью в миллион тонн уже с 2023 года и стремится ввести в эксплуатацию экологически чистую систему производства стали с использованием водорода в качестве восстановителя в 2027 году.

COREX. В COREX все металлургические работы выполняются в двух отдельных технологических реакторах - редукционной шахте и плавильной печи-газификаторе. Железная руда (кусковая руда, окатыши или их смесь) загружается в восстановительную шахту, где она восстанавливается до железа прямого восстановления (DRI) с помощью газа в противотоке. Выгрузные шнеки транспортируют DRI в плавильную печь-газификатор, где происходит окончательное восстановление и плавление. Чугун и шлак выходят, как в обычной доменной печи.


Все эти технологии, как и водородные, находятся на относительно ранних стадиях разработки, и на этом этапе не могут составить конкуренцию  крупным коммерческим предприятиям, функционирующим на доменных печах. В связи с чем мы видим потенциал их развития, но считаем, что в ближайшие 10-15 лет сталелитейная промышленность еще не сможет полностью отказаться от использования угля в производстве.