Достижение углеродно-нейтрального производства стали: инновации и стратегии

Углеродно-нейтральное сталелитейство

Промышленность производства железа и стали является крупнейшим сектором по совокупным глобальным выбросам фоссильных и промышленных парниковых газов (GHG), составляя около 7–9%. При этом сталь — основной материал современных промышленных обществ. Потребление стали будет расти из-за необходимости расширения и улучшения инфраструктуры и повышения глобального уровня жизни. Таким образом, существует задача найти пути, позволяющие обществу использовать сталь как материал, избегая при этом негативного экологического воздействия её производства.

Традиционные процессы производства железа и стали связаны с очень высокими выбросами парниковых газов. Текущие выбросы от сталелитейных заводов находятся на уровне около 1,8 тонн CO2 на тонну сыровой стали (tCO2/tCS). Хотя за последние десятилетия предпринимались значительные постоянные усилия по снижению выбросов GHG от сталелитья, крупные технологические прорывы все еще необходимы, если сектор железа и стали должен соответствовать 전반ому снижению выбросов, требуемому Парижским соглашением, которое направлено на ограничение глобального повышения температуры к концу этого века значительно ниже 2 °C выше доиндустриального уровня, и указывает, что усилия должны быть направлены к более амбициозной цели — только 1,5 °C повышения температуры.

Выбросы CO2 от отрасли железа и стали являются среди самых трудных для снижения, поскольку углерод используется как стехиометрический восстанавливающий агент в производстве железа и стали на большинстве сталелитейных заводов. Этот углерод заканчивается как смесь CO/CO2 в газах сталелитейного завода, которые сжигаются для генерации тепла, электричества и большего количества CO2. Стратегии улавливания и хранения углерода (CCS), улавливания и использования (CCU), или избегания CO2 существуют в производстве железа и стали, но сильно зависят от наличия возобновляемой электроэнергии для производства водорода (H2).

Перспективы спроса на сталь и декарбонизация

Текущие прогнозы будущего спроса на сталь сильно варьируют с прогнозируемыми годовыми темпами роста от 1,4% до 3,3%. С таким темпом роста прогнозируемый спрос на сталь к 2025 году может достигать 2,4 млрд тонн. Частичная декарбонизация этой растущей отрасли может быть достигнута только через улучшение эффективности и интеграцию возобновляемой электроэнергии в традиционные маршруты сталелитья, тогда как полная декарбонизация требует новых технологий с нулевыми и/или отрицательными выбросами. С другой стороны, попытки декарбонизации процессов производства железа и стали не достигли уровня крупномасштабного промышленного внедрения, несмотря на существенные текущие НИОКР. Выполнимость и применимость CCS в контексте сталелитья остаются крайне сомнительными в текущем сценарии.

В традиционном маршруте доменная печь / конвертер (BF/BOF) углерод (в форме кокса и угля) используется для проведения эндотермических реакций восстановления и обеспечения высоких температур. Типичный процесс BF-BOF производит 1,6–2,2 tCO2/tCS. Существуют значительные региональные различия в углеродном следе стали, причем некоторые сталелитейные страны имеют значительно более высокий след по сравнению со странами ЕСОД. Также есть значительные различия между разными маршрутами сталелитья: BF-BOF, DRI-EAF (прямое восстановленное железо — электродуговая печь) и лом-ЭДП. Благодаря технологическим улучшениям сталелитейные заводы стабильно снижали удельную потребность в топливе за последние пять десятилетий до точки, когда маршрут BF-BOF можно считать в значительной степени оптимизированным. Самые эффективные доменные печи в мире сейчас работают в пределах ~5% выше теоретического минимума по выбросам CO2.

Переход тяжелой промышленности в целом и отрасли железа и стали в частности к декарбонизации до недавнего времени не получал большого внимания с точки зрения энергетического и климатического исследования. Однако, с промышленными выбросами почти такими же высокими, как от выработки электроэнергии, меры по глубокой декарбонизации должны быть преследованы с энергией в отрасли железа и стали. Стратегии глубокой декарбонизации для отрасли железа и стали могут следовать в основном двум различным маршрутам:

• Изменение существующих процессов для устранения врожденной зависимости от фоссильного топлива. Этот маршрут сильно опирается на использование электроэнергии, либо напрямую, либо через H2, произведенный электролизом.
• Сохранение существующих процессов как есть и адресация выбросов через комбинацию применения CCS и CCU и переход на возобновляемые источники для процессной энергии.

Категоризация этих двух маршрутов, примененных к отрасли железа и стали, имеет несколько характеристик, а также вызовов и возможностей, касающихся их внедрения, как описано ниже. Рис. 1 показывает ожидаемое снижение выбросов CO2 для различных альтернатив.

Изменение существующих процессов

С растущей доступностью дешевой возобновляемой электроэнергии, различные формы электрификации все чаще рассматриваются как привлекательные варианты декарбонизации отрасли железа и стали. Было предложено несколько технологических решений. Среди более многообещающих технологий — электролиз или «электровыигрывание» железной руды. Это подразумевает использование электроэнергии как восстанавливающего агента, аналогично производству алюминия (Al) из оксида алюминия (Al2O3). Этот процесс все еще на ранней стадии разработки и пока испытывался только в лабораторном масштабе, но представляет высокоэффективный вариант сталелитья с обещанием крупного снижения выбросов в долгосрочной перспективе.

Электровыигрывание — одна из старейших электролитических техник для извлечения металлов из руд с использованием электричества. Обычно используется для электровыигрывания металлов вроде свинца, меди и редкоземельных элементов. Существуют некоторые коммерчески доступные специфические для руды технологии электровыигрывания железа: (i) процесс Бушера, электрорафинирование в растворе FeSO4-FeCl2, (ii) процесс Юстиса, электровыигрывание в растворе FeCl2 с использованием сульфидной железной руды, и (iii) процесс Пайрора, электровыигрывание в растворе FeSO4 с использованием сульфидной железной руды. Однако более общеприменимое электровыигрывание Fe из железной руды установлено только в лабораторном масштабе. В зависимости от углеродного следа используемой электроэнергетической смеси, этот маршрут может быть потенциально безуглеродным. В футуристическом сценарии, где глобальное первичное энергоснабжение доминируется возобновляемыми источниками, эта технология предлагает значительный потенциал снижения углерода. Текущая европейская инициатива SIDERWIN, проект по программе Horizon 2020 с целью снижения выбросов CO2 и потребления энергии на 87% и 31% (по сравнению с BF-BOF), соответственно, направлена на валидацию этой технологии в пилотном масштабе и демонстрацию уровня технологической готовности (TRL) к 2022 году.

Другой электролитический маршрут, который недавно получил интерес для сталелитья — расплавленный оксидный электролиз железной руды (также известный как пироэлектролиз). Процесс похож на стандартный метод восстановления Al из Al2O3 через процесс Холла-Эру, где Al2O3 растворяется в 800 °C ванне расплавленного криолита (фторид натрия и алюминия) и затем электролизируется между анодами из графита (сверху) и катодом из расплавленного алюминия (снизу). Работа подобного процесса для восстановления железной руды при очень высоких температурах ожидается дать потенциальное снижение потребления энергии по сравнению с низкотемпературными маршрутами электролиза. Доказательства концепции продемонстрированы, но техническая выполнимость с приемлемыми эффективностями все еще неуловима. Вызовы включают коррозионную активность расплавленных электролитов, отсутствие подходящих материалов анодов и ограниченное механистическое понимание очень высокотемпературных электролитических процессов. Хотя производство стали расплавленным оксидным электролизом предлагает потенциальные экономические и экологические преимущества над классической экстрактивной металлургией, его выполнимость далеко от убедительной демонстрации как немедленной безуглеродной альтернативы.

Исследование сравнило энергопотребление и выбросы CO2 из четырех разных маршрутов производства стали: эталонный случай BF-BOF, BF-BOF с улавливанием углерода (BF-CCS), H2-DRI и электровыигрывание. Путь электровыигрывания имел энергопотребление на 50% ниже эталонного случая BF-BOF, за ним следовали H2-DRI и BF-CCS с 28% и 13% ниже энергопотребления соответственно. Важно, что анализ также заключает, что более 50% снижение выбросов CO2 невозможно через маршрут BF-CCS, тогда как оба маршрута водородного восстановления и электровыигрывания могут в конечном счете привести к полной декарбонизации сектора железа и стали. Рынок входа для H2-DRI и электровыигрывания не ожидается до 2035 и 2040 годов соответственно.

Стехиометрическое потребление H2 для восстановления гематита — 54 кг на тонну железа. Завод мощностью 1 млн тонн в год нуждается в заводе по H2 мощностью до 70 000 нм³ при STP/час. Крупномасштабное производство H2 в настоящее время достигается паровым реформированием метана. Этот вариант можно сохранить и оптимизировать для водородного доменного производства, например, нацеливаясь на чистоту H2 97–98% вместо обычных 99,9%+. Однако, поскольку основан на фоссильных ресурсах, эффективность с точки зрения смягчения CO2 остается в целом средней, если не добавить установку улавливания CO2. Другой предпочтительный вариант — производство H2 электролизом воды, при условии, что нужная электроэнергия свободна от фоссильного углерода. Размер завода достигается умножением электролитических ячеек. Выявлены новые улучшенные технологии: протонно-обменные мембраны и высоконапорный или высокотемпературный электролиз.

При водородном восстановлении железная руда восстанавливается через газ-твердое реакцию, аналогично маршрутам DRI. Единственным отличием является то, что восстанавливающим агентом является чистый H2 вместо CO, сингаза или кокса. HYBRIT (HYdrogen BReakthrough Ironmaking Technology) — совместное предприятие трех шведских компаний: SSAB, LKAB и Vattenfall. Оно целиком устранить углерод из сталелитья, используя водородное восстановление. Процесс HYBRIT попадает в категорию технологических концепций, существенно ближе к коммерческому развертыванию.

Процесс HYBRIT основан на использовании H2 как восстанавливающего агента, с H2, произведенным электролизом на основе возобновляемой электроэнергии. С экологической точки зрения, самое важное преимущество — выходные газы процесса — вода (H2O) вместо CO2, с соответствующим снижением выбросов GHG. Как и в обычном DRI сталелитействе, железо, произведенное водородным DRI маршрутом, может быть дальше переработано в сталь с использованием коммерчески доступной технологии ЭДП. Этапы производства H2 и сталелитья в ЭДП могут быть сделаны без углерода, если электроэнергия и H2 производятся с использованием возобновляемых источников: PV (фотоэлектрическая) / ветровая / гидро-электролиз, фотохимическое производство H2 или солнечно-термическое расщепление воды.

Процесс HYBRIT заменяет уголь водородом для прямого восстановления (DR) железа в сочетании с ЭДП. Процесс почти полностью свободен от фоссильного углерода и приводит к существенному снижению выбросов парниковых газов. Процесс входит в число инициатив, использующих настройку H2-DR/ЭДП, объединяющую прямое восстановление железной руды водородом с ЭДП для дальнейшей переработки в сталь. Продукт процесса H2-DR — DRI или губчатое железо, которое загружается в ЭДП, смешивается с подходящими долями лома и дальше перерабатывается в сталь. Типичная технологическая схема процесса H2-DR/ЭДП показана на Рис. 2.

Хотя эта конкретная комбинация процессов не была внедрена в коммерческом масштабе, несколько отдельных компонентов уже широко используются в глобальной отрасли железа и стали. Сталелитейство на основе ЭДП составляет около 30% годового глобального производства. Процесс DR также широко применяется, составляя основу для около 7% общемирового производства железа и обычно интегрируется с ЭДП. Хотя чистый H2 использовался коммерчески как восстанавливающий агент в прямом восстановлении, существующая производственная мощность DRI опирается на природный газ, который парово реформируется для получения восстанавливающего агента — смеси CO и H2. Недавно разработан процесс Zero Reform (ZR), существенно снизивший потребление природного газа.

Поскольку стоимость природного газа — ключевой фактор экономической жизнеспособности этой настройки, большинство DRI производства расположено в регионах, богатых дешевым природным газом (CH4). Несмотря на то, что несколько компонентов настройки H2-DR/ЭДП были протестированы и внедрены в промышленных условиях, ключевые вызовы все еще остаются для процесса. Они связаны с интеграцией процессов, качеством продуктов, масштабированием инфраструктуры H2 (производство и хранение) и интеграцией завода H2-DR/ЭДП в энергосистему на основе возобновляемых источников электроэнергии. Один из главных вызовов — как ввести углерод в железо, чтобы сделать из него сталь.

Сохранение существующих процессов

CCS была важной темой в изучении контроля выбросов парниковых газов. Интерес вырос в 1990-х с более глубоким анализом технологии. Концепция вошла в более широкие климатические политические обсуждения в начале 2000-х как потенциальная технология, с помощью которой глобальное использование фоссильного топлива может продолжаться без вклада в уровни GHG в атмосфере. Технология улавливания углерода сама по себе довольно зрелая, следуя коммерциализации в середине 20-го века в пищевой и химической промышленности. Хранение также успешно испытывалось в природных газовых залежи. В ранней фазе исследований CCS для целей смягчения климатических изменений фокус был преимущественно на приложениях к сектору выработки электроэнергии, особенно угольной. Однако, несмотря на длинный список пилотных заводов и пробных проектов, коммерческий CCS не материализовался. Это частично из-за перерасходов затрат, частично из-за общественного протеста против подземного хранения CO2 и частично из-за снижения стоимости других менее загрязняющих средств выработки электроэнергии, таких как возобновляемые и природный газ.

Хотя ожидания роли CCS в энергетическом секторе снизились, однако недавние разработки в улавливании углерода от газовой выработки электроэнергии с использованием так называемого цикла Аллама выглядят многообещающе. Это все еще считается ключевым вариантом для снижения выбросов GHG от тяжелой промышленности, включая отрасль железа и стали, без крупных изменений существующих процессов. CCS в промышленности имеет определенные отличительные характеристики при условиях внедрения. Преимущество в том, что потоки CO2 в промышленности тенденциально довольно чистые по сравнению с выработкой электроэнергии, что может сделать стадии разделения и улавливания менее сложными. Кроме того, общественный протест ожидается менее серьезным, так как есть мало альтернатив на базе возобновляемых источников для нескольких отраслей, таких как цементная.

Однако отрасль железа и стали также имеет особенности, которые могут затруднить применение CCS. Во-первых, в отличие от индустрии выработки электроэнергии, отрасль железа и стали конкурирует глобально, что делает её еще более уязвимой к росту затрат и более проблематичной для перекладывания роста затрат на клиентов. Другой недостаток варианта CCS — промышленный объект размещает ряд источников CO2 переменной концентрации и объемов. Большинство оценок CCS фокусируются только на главном источнике CO2, тогда как улавливание всего CO2 с завода может оказаться гораздо более сложным и потребовать крупную перестройку. Улавливание и хранение 50–60% выбросов CO2 на промышленном объекте может стоить около $70–80 за тонну CO2, согласно нескольким оценкам. Однако для улавливания более высоких долей выбросов структура затрат более неопределена.值得注意的是, не существует надежных оценок затрат для улавливания более 90% выбросов.

Проект «Ультранизкое CO2 сталелитейство» (ULCOS) выявил ряд технологий, которые могут поддержать внедрение CCS в отрасли железа и стали. Одна из них, процесс TGR-BF (переработка верхового газа — доменная печа) успешно протестирована в пилотных установках, давая потенциал снижения выбросов CO2 на 24%. Однако фактическое улавливание и хранение CO2 не было частью этой пилотной установки.

Кратко, в настоящее время CCS кажется более перспективным решением в промышленности, чем в выработке электроэнергии, но все еще есть врожденные проблемы. Во-первых, потенциальное снижение выбросов GHG от CCS ограничено около 50% из-за малых и диффузных источников выбросов, нехватки места для установок и других проблем. Во-вторых, вопросы, связанные с хранением, такие как надзор и долгосрочная целостность резервуаров хранения, все еще не решены. В-третьих, CCS идет с очень небольшим количеством сопутствующих выгод, а наличие сопутствующих выгод было выявлено как ключевой фактор ускорения процессов перехода. Это может препятствовать широкому внедрению. Если улавливание углерода объединяется с какой-то формой использования CO2 (CCU), могут быть больше возможностей, но все еще много процессной разработки нужно сделать. Также, даже если CO2 используется как сырье, например в виде специального химиката или топлива, оно в конечном счете попадает в атмосферу.

Роль биомассы

На протяжении большей части истории обработки железа и стали биомасса была ключевым ресурсом. Древесный уголь действовал как восстанавливающий агент, необходимый для освобождения железной руды от кислородных компонентов, и как источник энергии, необходимый для достижения высоких температур. Только около 1875 года кокс, производимый из угля, занял доминирующее положение, хотя важно отметить, что древесный уголь продолжал использоваться до середины 1900-х. Уголь из быстрорастущих эвкалиптов все еще используется как главный восстанавливающий агент в небольших сталелитейных заводах в Бразилии, но это, вероятно, неосуществимо в крупных заводах из-за ограничений, налагаемых более низкой предельной прочностью угля на сжатие по сравнению с коксом. Также большие количества, необходимые, и значительные вызовы в поддержании качества делают полный переход от кокса к био-коксу крайне маловероятным.

Но биомасса все еще может играть важную роль в декарбонизации сектора железа и стали, и предложено несколько разных вариантов. На инкрементальной стороне шкалы — возможность смешивания 5–10% угля с коксующимся углем в производстве металлургического кокса для использования в существующих доменных печах. Другой вариант — использовать биомассу в переработке сырой железной руды, либо как топливо для самого процесса, либо для производства композитного био-углеродно-железного пеллета, который затем можно использовать в процессе DR. Также проводились испытания использования газифицированной биомассы в процессах DR. Этот подход выполним, но нуждается в дальнейших испытаниях и исследованиях. Höganäs AB, шведская фирма, использующая угольный процесс DR для производства железных порошков, инициировала реальные испытания процесса с использованием древесного газификатора для производства и био-кокса, как восстанавливающего агента, так и сингаза для процессной энергии (и возможно также для восстановления).

Биометан также будет важным низкоуглеродным вариантом для нагрева во вторичных металлургических процессах, если коксовый газ из коксовой печи и побочного завода больше не доступен. В интегрированном металлургическом заводе коксовый газ используется для нагрева во вторичных металлургических процессах. С концепцией H2-DR эту энергию нужно заменить. В долгосрочной перспективе существуют разные варианты электрического нагрева, но биометан может напрямую заменить используемый сейчас природный газ и коксовый газ с минимальными изменениями процесса.

Однако системные вызовы для биомассы имеют тенденцию быть существенными. В отличие от угля, ресурсы биомассы не сконцентрированы в конкретном месте (как рудник), что приводит к высоким затратам на закупку, так как биомасса из географически разбросанных областей должна быть собрана, переработана и транспортирована к металлургическому заводу. Во-вторых, растущий спрос на древесину может привести к конкуренции с существующими пользователями (такими как лесная промышленность), а также другими секторами, стремящимися использовать биомассу для достижения амбиций по смягчению. Это в свою очередь может привести к более высоким ценам, если фокус не смещен на лесные остатки, которые меньше востребованы. Наконец, для обеспечения снижения выбросов GHG критично, чтобы биомасса добывалась из устойчиво управляемых лесов.

В резюме, биомасса может прийти играть важную роль как в возобновляемом, так и в CCS маршруте. Оба нуждаются в больших количествах тепла в переработке железной руды, вторичной металлургии и горячей прокатке. Это очень хорошо может быть предоставлено через сжигание биометана. В маршруте CCS древесный уголь может хотя бы частично замещать кокс, пока механическая стабильность загрузки доменной печи сохраняется. В концепции HYBRIT биомасса также предусмотрена для служения источником углерода для процессов железа и стали и потенциально также в последующих процессах металлообработки.