ULCOS: революция в сталепроизводстве с ультра-низкими выбросами CO2

Ультра-низкоуглеродистое сталелитье – ULCOS

Климатические изменения были признаны сталелитейной промышленностью по всему миру как серьезная экологическая проблема более чем за два с половиной десятилетия. задолго до выводов Межправительственной группы экспертов по изменению климата (IPCC) в 2007 году крупные сталелитейные производители осознали, что необходимы долгосрочные решения для борьбы с выбросами диоксида углерода (CO2), возникающими при производстве стали.

В результате сталелитейная промышленность была высоко проактивна в улучшении энергопотребления и сокращении выбросов парниковых газов (ПГ).

Парниковый газ, наиболее значимый для мировой сталелитейной промышленности — диоксид углерода (CO2). По данным Всемирной сталелитейной ассоциации (WSA), в среднем на каждую тонну произведенной стали выделяется 1,8 тонны CO2. Согласно Международному энергетическому агентству (IEA), в 2010 году железная и сталелитейная промышленность отвечала примерно за 6,7% от общих мировых выбросов CO2.

Выбросы CO2 на тонну произведенной сырую стали сейчас примерно на 50% ниже, что привело к драматическому снижению климатического воздействия сталелитейного сектора. Лучшие сталелитейные заводы теперь работают близко к термодинамическим пределам, установленным современными технологиями производства стали. Это в свою очередь означает, что сталелитейные производители ограничены в том, насколько дальше они могут улучшить свою энергоэффективность. С большинством крупных энергосбережений уже достигнутыми, дополнительные крупные сокращения выбросов CO2 невозможны с использованием современных технологий.

Дальнейшее снижение выбросов ПГ означало внедрение прорывных технологий. Снижение выбросов CO2 до уровня, требуемого пост-Кйотскими политиками, потребовало «нестандартного» мышления, поскольку это вызвало специфические вызовы. Никаких простых процессов не было доступно «с полки» для достижения этой цели. Глубокие парадигмальные сдвины в способе производства стали должны быть представлены, и соответствующие прорывные технологии должны быть спроектированы и разработаны. Вид сокращений, требуемых правительствами и международными организациями, требует изобретения и внедрения радикально новых производственных технологий.

Это фон для создания программы ULCOS (Ultra-Low CO2 Steelmaking — ультра-низкоуглеродистое сталелитье), кооперативной европейской инициативы по исследовательской и разработческой работе, запущенной в 2004 году вследствие Кйотского протокола. ULCOS ищет пути для дальнейшего резкого снижения выбросов CO2 от производства стали. Ключевая цель программы — поиск прорывных процессных маршрутов, которые в будущем, когда будут полностью разработаны, могли бы продемонстрировать потенциал крупных сокращений выбросов CO2 для производства стали из железной руды. Программа нацелена на снижение выбросов CO2 по сравнению с современными производственными технологиями минимум на 50%. Достижение такой амбициозной цели требует такого парадигмального сдвига в производстве стали, который изменит то, как сталелитейные заводы сейчас работают по всему миру. ULCOS является частью всемирной программы сталелитейной промышленности, направленной на выявление технологий сталелитья с потенциалом существенного снижения CO2. В рамках этой программы предпринимаются попытки найти ответ на вопрос о производстве стали самым устойчивым способом.

Участники программы ULCOS — консорциум из 48 европейских компаний и организаций из 15 европейских стран, включая все крупные сталелитейные компании ЕС, энергетических и инженерных партнеров, исследовательских институтов и университетов. Она также поддерживается Европейской комиссией. ULCOS — европейская программа, но это крупнейшее предприятие в мировой сталелитейной промышленности, проактивно ищущее решения угрозы глобального потепления. Экспертиза консорциума варьируется от сталелитья к производству биомассы и геологическому хранению CO2, и включает процессную инженерию, экономику энергии и предвидения в изменении климата.

Сегодня ULCOS — крупнейшая инициатива в мировой сталелитейной промышленности, проактивно ищущая решения угрозы глобального потепления. Партнеры ULCOS финансируют 60% бюджета в 75 млн евро. Европейская комиссия вносит оставшиеся 40% через свои рамовые программы НИОКР (RTD) и программы RFCS (Research Fund Coal Steel). Обе созданы для продвижения промышленных исследований и технологического развития в Европе.

Современная технология производства стали основана на угля, который в основном основан на углероде, на природном газе, который представляет собой смесь углерода и водорода, и на электродуговых печах на основе лома. Для выявления низкоуглеродистых процессных маршрутов три основных возможных пути решения: (i) отказ от угля, называемый декарбонизацией, при котором углерод заменяется водородом или электричеством в процессах, таких как водородное восстановление или электролиз железной руды, (ii) внедрение технологий CCS (захват и хранение углерода) и минеральной карбонизации, и (iii) использование устойчивой биомассы.

ULCOS — крупная программа, тщательно настроенная на 마주чение долгосрочных и сложных вызовов, с которыми сталкивается сталелитейная промышленность наряду с обществом в целом. Программа ULCOS имеет четыре этапа: (i) построение концепций процессов, (ii) крупномасштабная демонстрация, (iii) крупномасштабное экспериментирование первого коммерческого завода, (iv) внедрение технологии в Европе и в мире. ULCOS, которая была исследовательской инициативой, сейчас превратилась в демонстрационную инициативу.

В программе ULCOS с момента ее запуска в 2004 году проведено значительное исследование. Первоначальное исследование осуществимости, длившееся четыре-пять лет, изучило более 80 технологий/концептуальных маршрутов в начальной фазе своей исследовательской программы, используя моделирование и лабораторные подходы для оценки их потенциала в плане выбросов CO2, энергопотребления, операционных затрат на производство стали и устойчивости. Несколько концепций исследовались параллельно. Среди всех этих, следующие широкие семейства процессных маршрутов были выбраны в программе ULCOS для дальнейшего исследования и возможного масштабирования до размера, где коммерческая реализация может взять на себя ответственность.

• Вариант доменной печи (ДП), где верхний газ ДП проходит через захват CO2, а оставшийся восстановительный газ повторно впрыскивается у основания реактора, который при этом работает с чистым кислородом вместо горячего дутья (воздуха). Этот процесс назван верхом газовым рециркулирующим доменным печью (TGR-BF). CO2-богатый газовой поток отправляется на хранение (технология CCS).
• Процесс расплавления-восстановления, называемый процессом HIsarna. Этот процесс основан на комбинации горячего циклона и ванной расплавки и включает некоторые технологические особенности процесса HIsmelt. Процесс также использует чистый кислород и генерирует отходящий газ, который почти готов к хранению (технология CCS).
• Процесс прямого восстановления (ПВ), называемый ULCORED. Этот процесс производит DRI (пряморедуцированное железо) в шахтной печи, либо из природного газа, либо из газа от угазификации угля. Отходящий газ от шахты рециркулируется в процесс после захвата CO2, что оставляет завод ПВ в концентрированном потоке и идет на хранение (технология CCS).
• Два варианта процесса электролиза, называемые ULCOWIN и ULCOLYSIS. ULCOWIN работает слегка выше 100 °C в щелочном водном растворе, населенном мелкими зернами руды (электровыигрышный процесс). ULCOLYSIS работает при температуре сталелитья с расплавленным солевым электролитом, сделанным из шлака (пироэлектролиз).
• Доступны еще два варианта. Первый состоит в использовании водорода для прямого восстановления, когда и если он доступен без углеродного следа. Второй основан на использовании устойчивой биомассы, первым воплощением которой является древесный уголь из устойчивых плантаций эвкалипта, растущих в тропических странах.

Использование CCS и минеральной карбонизации в новых технологиях ULCOS также было оценено. CCS было идентифицировано с самого начала как мощное решение. О минеральной карбонизации было установлено, что она может привести только к умеренным, хотя и важным, общим сокращениям выбросов.

Процессы, изучаемые и разрабатываемые в программе ULCOS, показаны на Рис. 1

Рис. 1 Процессы, изучаемые и разрабатываемые в программе ULCOS

ULCOS теперь выбрал четыре процессных концепции — которые были экспериментально протестированы — которые могут привести к снижению выбросов CO2 более чем наполовину по сравнению с текущими лучшими практиками. Эти концепции теперь внедряются в работающих сталелитейных заводах во второй фазе проекта ULCOS. Результаты фазы 2 программы ULCOS потенциально могут быть внедрены в производственные заводы через 15–20 лет. Выбранные процессные концепции: (i) переинжиниринг доменной печи для включения CCS в ядро процесса, (ii) расплавление-восстановление с возможностями CCS, (iii) массовое использование природного газа с более низкоуглеродистыми технологиями, чем сегодня, (iv) водородное сталелитье и электролиз железной руды.

TGR-BF кажется наиболее перспективным решением в краткосрочной перспективе, поскольку существующие ДП могут быть переоборудованы под новую технологию. Это может держать обширные капитальные затраты, необходимые для перехода к прорывным технологиям, под некоторым контролем. Кроме того, сам принцип процесса обеспечивает энергосбережение, потому что захват CO2 и рециркуляция очищенного газа смещают высокотемпературные химические равновесия (реакция Будуара) и используют кокс и уголь с более высокой эффективностью внутри ДП, чем это возможно при обычной операции. Это балансирует дополнительные затраты, понесенные захватом и хранением, в некоторой степени. Собственный концепт, применяемый в TGR-BF, — это внутрипроцессный захват CO2 с кислородной операцией. Кислородная часть похожа на окси-топливную операцию, но не идентична. Рециркуляционная часть оригинальна и является ключевой причиной, почему получены некоторые энергосбережения и соответствующее сокращение операционных затрат. Эта концепция была протестирована на крупномасштабной лабораторной доменной печи в Люлео, Швеция, с положительным результатом.

При наличии природного газа, процессный маршрут ULCORED — привлекательная опция. Концепт, применяемый к процессу ULCORED, похож на концепт TGR-BF и также включает использование чистого кислорода и внутрипроцессной рециркуляции верха газа шахты, помимо других особенностей, таких как серия сдвиговых реакторов в рециркуляционном контуре. Для валидации этой концепции планируется erigirovanie пилотной установки 1 тонна/час в Люлео в ближайшие годы LKAB, партнером ULCOS.

Процесс HIsarna, разрабатываемый сейчас, станет доступной опцией в ближайшие годы, вероятно, для новых сталелитейных заводов. Процесс HIsarna немного отличается от процессов TGR-BF и ULCORED, так как он не включает рециркуляционный контур для газа. Газ расплавки окисляется на уровне циклона, где некоторое восстановление выполняется вместе с сгоранием для предварительного нагрева и плавки руды. Существует контртоковый поток газа против железного потока, в котором его химическая энергия полностью истощается. Пилотный завод 8 тонн/час был построен и протестирован в ходе программы ULCOS. Пилотный завод запущен в апреле 2011 года. В первой кампании завод работал с 18 апреля по 11 июня 2011 года. Было четыре запуска. Первый запуск не был успешным. Другие три запуска были успешными. Достигнутая скорость впрыскивания составила 60% от мощности. Доступные данные от операции показали, что процесс работал как ожидалось, но необходимо больше операционных часов для подтверждения этого. Количество операционных часов было ниже ожиданий. Вторая кампания началась 16 октября 2012 года. Она продолжалась до конца ноября 2012 года.

Процессы электролиза были разработаны с нуля в программе ULCOS и поэтому все еще работают в лабораторном масштабе. Хотя они обещают нулевые выбросы, если у них есть доступ к зеленой электроэнергии, требуется время для масштабирования их до коммерческого размера (10–20 лет). Процесс ULCOWIN состоит в щелочном электролизе железной руды. Электролиз обычно используется для производства металлов, кроме стали, и требует больших количеств электричества. Процесс будет зависеть от источника электроэнергии с низким CO2, такого как гидро- или ядерная энергия. ULCOLYSIS — это расплавленный оксидный электролиз. Расплавленный оксидный электролиз работает путем пропускания электрического тока через расплавленный шлак, загруженный оксидом железа. Оксид железа распадается на жидкое железо и кислородный газ. CO2 не производится. Процессные выбросы дополнительно снижаются с источником электроэнергии с низким CO2.

В водородном сталелитье железо восстанавливается из железной руды при высоких температурах (выше 1300 °C) и с очень короткими временем реакций. CO2 не выделяется, но производство водорода требует больших количеств электроэнергии с низким CO2. Этот процесс также может работать на топливах с низким CO2, таких как природный газ.

Водородное сталелитье сильно зависит от доступности зеленого водорода, в то время как использование древесного угля, далеко от стран-производителей, потребовало бы создания сложной логистики, включая тяжелую инфраструктуру через несколько континентов.

ULCOS — долгосрочная инициатива сталелитейной промышленности. Она полна обещаний, но также рисков и ловушек, ситуация, которая, вероятно, похожа на то, что переживают другие секторы. Риски связаны со сложностью проблемы, требующей разработки и внедрения прорывных технологий под временными ограничениями, которые очень короткие. Терпение, поддержка, искренность и продолжающаяся решимость необходимы для того, чтобы эта программа стала успешной инициативой сталелитейной промышленности и достигла большинства целевых задач.