Не секрет, что теперешнее состояние экологии требует срочных и решительных мер. Рост концентрации в атмосфере парниковых газов и прочих загрязнений грозит серьезными последствиями для всего живого на Земле уже в ближайшем обозримом будущем.
Для получения 1 тонны стали используется 3 тонны сырья, 50% которого улетучивается в атмосферу. Среди испарений: оксиды углерода (угарный и углекислый газы), оксиды/диоксиды серы и азота, пары ртути, частицы свинца и мышьяка, а также много других вредных веществ.
Именно по этой причине на повестке дня международных организаций все чаще и чаще можно заметить тему водородной энергетики. И не в последнюю очередь данная тема касается металлургии. Ведь на долю металлургического производства приходится 7-9% от общемирового объема выбросов вредных загрязняющих веществ в атмосферу.
В обзоре пойдет речь про водород для металлургии.
Для чего металлургии нужен водород
Для получения любого металла, будь то железо (сталь), медь или титан, нужно осуществить переплавку и восстановление руды. В прошлом в роли восстановителя применялся древесный уголь, который постепенно был вытеснен каменным коксующимся углем, а затем и природным газом.
В процессе переплавки основа руды, металлический оксид, восстанавливается до привычного металла, чаще всего с некоторым количеством примесей. Используемое в роли восстановителя металла ископаемое углеродосодержащее топливо обеспечивает выброс в атмосферу тех самых вредных веществ, составляющих основу парниковых газов и сопутствующих загрязнителей.
Чтобы снизить вредное влияние металлургии на окружающую среду, вместо ископаемого углеродосодержащего восстановителя рекомендуется применять чистый водород. В данном случае львиная доля выбросов в атмосферу будет составлять простой водяной пар, который можно конденсировать в жидкость и обратно использовать для производства чистого водорода.
Ниже будет рассказано о том, как восстановить металл водородом.
Перспективы применения водорода в современной металлургии
Следует начать с того, что буквально еще в конце XX века получение стали было основано по большей части на мартеновском доменном производстве. Выплавке традиционной стали предшествовало 2 этапа:
- Изготовление окатышей из переделочного чугуна
- Кислородно-конверторная обработка чугуна
Базовым сырьем для изготовления стали являются окатыши, которые получают из железной руды. Измельченную руду, добытую в карьере, смешивают с коксующимся углем и загружают в доменную печь. В процессе горения кокса находящийся в руде оксид железа восстанавливается до состояния металла, насыщенного углеродом.
Восстановление железа углеродосодержащим топливом является тем самым вредным производством, от которого и стараются избавиться в последнее время.
Из руды создается переделочный чугун, выплавляемый в виде окатышей. Чтобы превратить чугун в сталь, металл нужно легировать вспомогательными компонентами и снизить долю углерода, чтобы железо не был хрупким.
Для получения стали из переделочного чугуна используется кислородно-конверторный процесс. Окатыши подвергаются нагреву и продуваются кислородом. Находящийся в чугуне углерод соединяется с кислородом и улетучивается в атмосферу. Это второй вредный этап производства, в ходе которого происходит выброс парниковых газов.
На сегодняшний день около 70% стали производится из руды, с побочным получением вредных выбросов. Остальные 30% стали изготавливают при помощи электродуговой плавки вторичного лома.
Чтобы сократить долю мартеновского доменного производства, в металлургию активно внедряются новые технологии. Одним из наиболее перспективных методов получения рудной стали является технология прямого восстановления железа (ПВЖ или DIR). Данная технология основана на применении водорода.
Что еще нужно знать про водород для металлургии.
Прямовосстановленное железо
Технология прямого восстановления железа предполагает отказ от коксующегося угля. В данном случае металлургия становится более экологичной как за счет снижения производства коксующегося угля, так и непосредственного сжигания кокса в домне.
Прямое восстановление железа позволяет заменить коксующийся уголь на так называемый восстановительный газ с высоким содержанием водорода. В данном случае кокс для домны заменяется смесью природного газа и водяного пара. Весь процесс происходит в восстановительном реакторе, той же домне, только не приспособленной для загрузки коксующегося угля.
Природный газ подвергается паровому реформингу, в результате которого образуется водород и моноксид углерода.
Технология прямого восстановления железа по принципу парового реформинга природного газа позволяет значительно минимизировать выброс углекислого газа в атмосферу.
Нередко в составе линии парового реформинга предусматривается улавливатель углеродосодержащих соединений. Подобное производство дает возможность полностью нивелировать вредные выбросы в атмосферу.
Паровой реформинг природного газа с улавливателем углекислоты дает возможность получать так называемый «голубой» водород. Это некая промежуточная стадия между «серым» водородом и полностью экологичным «зеленым».
Теперь подробнее о том, как восстановить металл водородом.
Можно ли использовать в металлургии чистый водород
Современные тенденции к переводу металлургии на экологически чистый восстановительный процесс, который основан на водороде, полностью понятны и научно обоснованы. Но в применении одного лишь водорода для восстановления железа есть несколько камней преткновения:
- Концентрация железа в руде
- Хранение чистого водорода
Прямое восстановление железа чистым водородом осуществимо лишь в том случае, когда в роли шихты выступает хорошо обогащенная руда, с концентрацией оксида железа не менее 70%.
При использовании же обедненной руды получатся окатыши с повышенной концентрацией примесей в железе. Это низкосортный металл, который обычно применяют лишь в тех конструкциях, которые не подвергаются высоким механическим нагрузкам.
При использовании в чистой водородной металлургии обедненной железной руды можно получить металл для производства определенных марок арматуры и некоторых вариантов металлопроката для судостроительной отрасли. В других сферах подобное железо практически не применяется.
Дополнительно при работе с чистым водородом возникает необходимость в создании специальных условий для хранения водорода. Чистый водород рекомендуется подвергать сжижению. В сжиженном состоянии водород требует сильного охлаждения, на что придется тратить дорогостоящую энергию.
Финансовые выгоды водородной металлургии
Разумеется, не нужно забывать и про экономическую составляющую водородной металлургии. На данном этапе развития науки и техники водородная металлургия заметно уступает по стоимости традиционным методам восстановления железа, при помощи ископаемого углеродосодержащего топлива.
Если говорить о прямом восстановлении железа паровым реформингом природного газа, то получение стали повышается в цене примерно на 30% от классического доменного металлургического производства.
Как понятно, в данном случае речь идет о применении «серого» водорода. Если же говорить о полностью «зеленой» водородной металлургии, то стоимость стали возрастет еще больше.
Стоит отдельно заметить, что по состоянию на сегодняшний день на долю прямовосстановленного железа «серым» водородом приходится не более 6% от общемирового металлургического производства. Остальной же объем рудной стали получают классическим методом, при помощи доменной печи и коксующегося угля.
Лидеры металлургической отрасли, которые первые начали осваивать приемы водородного восстановления железа, делают ставку на использование «зеленого» водорода.
Зеленым называют водород, полученный из возобновляемых источников. Чаще всего практикуют метод электролиза воды. Речь идет про использование океанической/морской воды и электроэнергии, полученной от солнечных панелей, ветряных и гидроэлектростанций.
Если с доступом к соленой воде особых проблем не наблюдается, то электроэнергия из альтернативных возобновляемых источников обходится чуть ли не в 2 раза дороже, чем атомная электроэнергия.
По предварительным оценкам, зеленая сталь будет обходиться дороже классического металла из домны примерно на 30-50%.
Текущее положение «зеленой» водородной металлургии
По состоянию на начало 2023 года «зеленая» сталь еще не вошла в коммерческий оборот. Если и существуют образцы металлопроката, созданного с применением чистого водорода, то это лишь пробные или даже экспериментальные образцы.
Ведущие металлургические предприятия придерживаются мнения, что появление в свободном доступе коммерческой «зеленой» стали произойдет не раньше 2026—2030 годов. Ведь на сегодняшний день еще остались нерешенными многие технические моменты производства и хранения чистого водорода, а также непосредственного восстановления железа из руды при помощи Н2.
