Водородная металлургия: на 40 лет впереди паровоза

Постоянно растущая стоимость квот на выброс парниковых газов в ЕС подталкивает европейских металлургов к поиску принципиально новых технологических решений. Отсюда и увлечение тематикой водородной металлургии. Вот только интерес к безуглеродному производству стали опережает реальные возможности в этой сфере по крайней мере на 40 лет. А может быть, и больше.

С «зеленым» уклоном

Крупнейший в мире горно-металлургический концерн ArcelorMittal в середине сентября подписал рамочное соглашение о сотрудничестве с компанией Midrex Technologies, владеющей технологией производства прямовосстановленного железа DRI в виде металлизированных окатышей.

Договоренности включают проектирование и строительство установки для выпуска 100 тыс. т. DRI в год на заводе ArcelorMittal в Гамбурге. Это очень скромные объемы: во всем мире по итогам 2018 г. было получено 84,102 млн т. Впрочем, и глобальное производство DRI обеспечивает лишь небольшую часть потребностей металлургов.

При этом DRI используется только в электропечах, а для них основное сырье – металлолом. Из всего объема глобального стального производства на электрометаллургию приходится 23-27%. Т.е. пока DRI не может соперничать с традиционными видами железорудного сырья: окатышами, концентратом и агломератом.

Во-первых, выпуск DRI требует большого расхода природного газа. Поэтому основное производство сосредоточено в Иране, Индии, Египте, Мексике и ОАЭ. Во-вторых, для развития электрометаллургии необходимо два важных условия: обеспеченность металлоломом и дешевая электроэнергия.

С первым в ЕС нет проблем. По итогам 2017 г. европейское потребление лома достигло 93,35 млн т. При этом еще 20 млн т. было экспортировано. Но при этом едва ли не во всех европейских странах тарифы на электроэнергию чрезвычайно высоки. По этой причине электрометаллургия там убыточна.

С другой стороны, повышение стоимости квот на выброс парниковых газов в Евросоюзе ведет к постоянному удорожанию традиционной выплавки стали в конвертерах. Эта технология подразумевает агломерацию ЖРС и выплавку из него чугуна в доменных печах. Как раз эти стадии процесса дают наибольший объем вредных выбросов.

Выброс пыли в расчете на 1 т передельного чугуна составляет порядка 4,5 кг, сернистого газа – 2,7 кг, марганца – 0,1-0,5 кг. Вместе с доменным газом в атмосферу в небольших количествах выбрасываются также соединения мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, пары ртути и редких металлов, цианистый водород и смолистые вещества. При работе аглофабрик в атмосферу поступают пыль и оксиды серы. Также доменный процесс предусматривает использование кокса. А коксохимическое производство само по себе является источником вредных выбросов.

Поэтому многое зависит от административного регулирования со стороны властей – готовы ли они снижать тарифы на электроэнергию, поощряя своих металлургов переходить на выплавку электростали. Нет сомнений, что квоты на выбросы для стальных производителей в ЕС будут с каждым годом все дороже – в соответствии с обязательствами Еврокомиссии в рамках Парижского климатического соглашения снизить выбросы по ЕС к 2050 г. до нулевого уровня.

Но и электроэнергия при этом тоже не дешевеет – на фоне отказа от атомной и тепловой энергетики в пользу электроэнергии из возобновляемых источников. Отсюда интерес к водородной металлургии, подразумевающей восстановление железа из рудного концентрата при помощи водорода – без агломерации и плавки чугуна. Еще одним несомненным преимуществом DRI является чистота получаемого металла. В нем отсутствуют примеси серы и фосфора, попадающие в чугун из угольной шихты.

Подводные камни «белого» водорода

Существующее производство металлизированных окатышей DRI и HBI можно считать первым этапом водородной металлургии. Но здесь для восстановления железа используется так называемый «серый» водород, получаемый из обычного природного газа, который подается в печь с рудной шихтой. А когда речь заходит о водородной металлургии, подразумевается «белый» водород – т.е. предварительно полученный чистый газ.

И вот здесь начинаются сложности. Во-первых, есть вопросы с транспортировкой и хранением. Понятно, что хранить водород в виде газа не очень разумно: для этого требуются резервуары, выдерживающие давление в 20 МПа. Тогда как в промышленной безопасности опасным производством считается объект, на котором работает оборудование под давлением 0,07 МПа.

Но и в сжиженном виде проблем не меньше: температура сжижения водорода -252,9°С. А это подразумевает огромные энергозатраты на охлаждение до такой температуры и на обеспечение необходимой теплоизоляции. Для хранения 1 кг жидкого водорода понадобится 10,5 кВт-ч, для газообразного под давлением – 0,93 кВт-ч.

Теоретически есть еще вариант хранения в связанном состоянии – в виде гидрида металлов. Но для этого лучше всего подходят редкоземельные металлы типа галлия. Как следует из их названия, встречаются они редко и в малых количествах. Поэтому такой способ для промышленного использования водорода не пригоден.

Не меньше проблем и с его получением. Себестоимость H2 при паровой конверсии природного газа – 5 долл./кг. Водород из биомассы и из угля при его газификации будет стоить 5-7 долл./т. Учитывая, что производство 1 т DRI требует 90 кг водорода, получим себестоимость готового продукта свыше 500 долл./т. Для сравнения: стоимость чугуна, который предлагали производители из Украины и России нынешним летом для поставок в США – 355-365 долл./т на условиях CIF порты Нового Орлеана. Цена DRI с использованием «серого» водорода примерно соответствует ценам на стальной лом – плюс/минус.

ArcelorMittal, SSAB и другие

Отсутствие предпосылок к промышленному использованию «белого» водорода не останавливает компании, желающие подчеркнуть свою приверженность инновациям и стремление к экологичности. Так, вышеупомянутый проект ArcelorMittal и Midrex Technologies подразумевает переход на «зеленый» водород из возобновляемых источников энергии – как только это станет доступно в достаточных количествах по экономическим затратам.

Энергия для производства водорода может поступать от ветряных электростанций у побережья Северной Германии, пояснили в ArcelorMittal Germany. Кстати, в этом году в Германии анонсировано строительство завода по производству 13 тыс. т водорода в год. Но, как следует из немецких СМИ, продукцию предприятия планируется использовать для транспортной отрасли, а не металлургии. И пока что авторам проекта не удалось решить вопрос о привлечении инвестиций.

Между тем шведская металлургическая компания SSAB еще в феврале 2018 г. договорилась с местной энергетической компанией Vattenfall о строительстве завода для выплавки стали без эмиссии углекислого газа – т.е. путем получения DRI из «белого»/»зеленого» водорода. Поставки сырья на будущее предприятие обязалась обеспечить шведская железорудная компания LKAB.

Вот только начнутся эти поставки еще очень нескоро. С 2020 по 2024 гг. SSAB предполагает проводить лабораторные исследования, затем – построить пилотный комплекс мощностью 500 тыс. т. DRI в год с применением «серого» водорода.

На этом комплексе к 2035 г. планируется отработать технологию использования «белого» водорода для промышленного внедрения. И уже тогда к 2045 г. SSAB собирается полностью уйти от выбросов углекислого газа при выплавке стали. Т.е. пока что договоренности SSAB – не более чем декларация благих намерений. Удастся ли компании уложиться в заявленные сроки – никто не знает. Но в любом случае это довольно отдаленная перспектива.

О намерении перейти на водородную металлургию заявили и в Великобритании. Там в начале сентября текущего года правительство даже выделило на эти цели 390 млн фунтов стерлингов. Понятно, что этих денег хватит только на научно-экспериментальные разработки – и еще не факт, что они увенчаются успехом. Ну а для промышленного внедрения безуглеродного производства стали потребуются суммы на порядок больше.

Тем не менее британцы в этом аспекте даже оптимистичнее, чем их шведские коллеги: переход на водородную металлургию анонсирован к 2030 г. Хотя и это, если разобраться, будет еще не скоро.

Автор: Игорь Воронцов

Источник: minprom.ua

Источник: Corruptioner.life

Share

You may also like...