Бабаченко Олександр Іванович, д.т.н., с.н.с., Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України, площа Академіка Стародубова, 1, Дніпро, Україна, 49107. ORCID: 0000-0003-4710-0343. E-mail: office.isi@nas.gov.ua

Нестеров Олександр Станіславович, к.т.н., с.н.с., Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України, площа Академіка Стародубова, 1, Дніпро, Україна, 49107. ORCID: 0000-0002-0183-0327

Гармаш Лариса Іванівна, к.т.н., с.н.с., Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України, площа Академіка Стародубова, 1, Дніпро, Україна, 49107. ORCID: 0000-0002-6873-6685

НИЗЬКОВУГЛЕЦЕВІ ТЕХНОЛОГІЇ  У ДОМЕННОМУ ВИРОБНИЦТВІ

Анотація. Метою роботи є проведення аналізу використання технологій декарбонізації доменної плавки. В рамках активної “зеленої” кампанії за зниження енергоємності та зменшення шкідливих викидів останніми роками дедалі активніше ведуться роботи у напрямку декарбонізації металургійних процесів. Металургію майбутнього все частіше називають водневою. У статті представлено аналіз основних перспективних напрямів переходу світової чорної металурги до безвідходних та екологічно чистих технологій, вуглецевої нейтральності та максимального скорочення викидів парникових газів. Проаналізовано переваги та проблеми “зеленого” виробництва сталі. Наведено огляд пілотних проектів щодо переходу на безвуглецеве виробництво сталі на найбільших світових металургійних комбінатах за рахунок використання водню замість викопного палива. Проаналізовано переваги та проблеми використання “сірого”, “зеленого” та “блакитного” “вуглецево-нейтрального” водню. В історичному контексті показано як поглиблювалися та уточнювалися уявлення про роль водню як відновника у доменному процесі відповідно до змін у технології доменної плавки та внесок вчених ІЧМ у ці дослідження. Наведено основні напрямки сучасних розробок у галузі декарбонізації металургійних процесів. В даний час найперспективнішими вважаються 2 напрямки отримання “зеленої сталі” – закачування водню в доменну піч і процес прямого відновлення заліза з використанням водню замість викопного палива. Дослідження щодо визначення фізико-хімічних закономірностей процесів відновлення у доменній печі за участю водню продовжуються в ІЧМ і в даний час. Наведено результати лабораторних досліджень впливу відновлювального газу зі змінним вмістом водню на характер відновлення агломерату та окатишів у “сухій” зоні доменної печі.

Ключові слова: декарбонізація металургії, низьковуглецеві технології, доменна піч, “зелений” водень, відновлювальні процеси, доменний газ, колошниковий газ, коксовий газ.

Посилання для цитування: Бабаченко О. І., Нестеров О. С., Гармаш Л. І. Низьковуглецеві технології у доменному виробництві. Фундаментальні та прикладні проблеми чорної металургії. 2021. Вип. 35. С. 34-54. (In Ukrainian).

DOI: 10.52150/2522-9117-2021-35-34-54

Перелік посилань

  1. Дорожная карта технологий черной металлургии. International Energy Agency : веб-сайт. URL: https://www.iea.org/reports/iron-and-steel-technology-roadmap
  2. Ali Hasanbeigi, Marlene Arens, Jose Carlos Rojas Cardenas, Lynn Price, Ryan Trioloa. Comparison of Carbon Dioxide Emissions Intensity of Steel Production in China, Germany, Mexico, and the United States. Resources, Conservation and Recycling. 2016. Volume 113. 127-139. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2016.06.008
  3. Йопп К. Реалистичные целевые показатели для выбросов черной металлургии. Черные металлы. № 1. С. 54-55.
  4. Глобальная дорожная карта МЭА по технологиям производства чугуна и стали. International Energy Agency : веб-сайт. URL: https://www.iea.org/events/kick-off-workshop-for-the-iea-global-iron-steel-technology-roadmap
  5. Technology Assessment and Roadmapping. ESTEP : веб-сайт. URL: https://www.estep.eu/green-steel-for-europe/publications/
  6. Обеспечение климатически нейтральной экономики. European Commission : веб-сайт. URL: https://ec.europa.eu/commission/presscorner/detail/en/ip_20_1259
  7. Водород в Северо-Западной Европе. International Energy Agency : веб-сайт. URL: https://www.iea.org/reports/hydrogen-in-north-western-europe
  8. Закачка водорода в доменную печь: Thyssenkrupp Steel успешно завершила первый этап испытаний. Hydrogen Central : веб-сайт. URL: https://hydrogen-central.com/injection-hydrogen-furnace-thyssenkrupp-steel-test-phase-successfully/
  9. Немецкая Salzgitter начала продажи “зеленой” стали. info : веб-сайт. URL: http://uaprom.info/news/178610-nemeckaya-salzgitter-nachala-prodazhi-zelenoj-stali.html
  10. Австрийская Voestalpine запатентовала технологию “зеленого” производства стали. info : веб-сайт. URL: http://uaprom.info/news/179757-avstrijskaya-voestalpine-zapatentovala-tehnologiyu-zelenogo-proizvodstva-stali.html
  11. “Металлоинвест” планирует достигнуть углеродной нейтральности к 2050 году. info : веб-сайт. URL: http://uaprom.info/news/179522-metalloinvest-planiruet-dostignut-uglerodnoj-nejtralnosti-2050-godu.html
  12. ArcelorMittal примет участие в водородном проекте в Гамбурге. info : веб-сайт. URL: http://uaprom.info/news/179198-arcelormittal-primet-uchastie-vodorodnom-proekte-gamburge.html
  13. В Швеции выбрали площадку для строительства завода водородной металлургии. info : веб-сайт. URL: http://uaprom.info/news/178763-shvecii-vybrali-ploshhadku-stroitelstva-zavoda-vodorodnoj-metallurgii.html
  14. Запуск водорода в Латинской Америке. International Energy Agency : веб-сайт. URL: https://www.iea.org/events/launch-of-hydrogen-in-latin-america
  15. Японии предстоит пройти уникальный путь к чистому нулю, но она может достичь этого за счет инноваций и инвестиций. International Energy Agency : веб-сайт. URL: https://www.iea.org/commentaries/japan-will-have-to-tread-a-unique-pathway-to-net-zero-but-it-can-get-there-through-innovation-and-investment
  16. Минэнерго разработало три документа для подготовки Водородной стратегии Украины. info : веб-сайт. URL: http://uaprom.info/news/179101-minenergo-razrabotalo-tri-dokumenta-podgotovki-vodorodnoj-strategii-ukrainy.html
  17. Металлургія України. Візія розвитку металургійного сектору 2030. GMK Center : веб-сайт. URL: https://gmk.center/news/anons-viziya-rozvitku-metalurgijnogo-sektoru-2030
  18. Большина Е. П. Экология металлургического производства. Новотроицк : НФ НИТУ “МИСиС”, 2012. 155 с.
  19. Украина обязалась отказаться от угля к 2040 году. Репортер : веб-сайт. URL: https://dp.reporter.ua/articles/ukraina-objazalas-otkazatsja-ot-uglja-k-2040-godu
  20. Промышленное производство “зеленой стали”.info : веб-сайт. URL:  http://uaprom.info/news/178749-promyshlennoe-proizvodstvo-zelenoj-stali-nachnetsya-ranshe-cherez-25-30-let-direktor-south32.html
  21. Howarth R. W., Jacobson M. Z. How green is blue hydrogen? (2021). Energy Science & Engineering. 2021. Vol. 9. Issue 10. P. 1676-1687 https://doi.org/10.1002/ese3.956
  22. Bloomberg Finance L.P. : веб-сайт. URL: https://about.bnef.com/
  23. Международное агентство возобновляемых источников энергии. IRENA – International Renewable Energy Agency : веб-сайт. URL: https://www.irena.org/
  24. Л. фон Богданди, Г.-Ю. Энгель. Восстановление железных руд. Москва : Металлургия, 1971. 242 с.
  25. Симонов В. К., Гришин А. М., Иващенко В. П. Расчеты по теории процессов восстановления : учеб. пособие. Днепропетровск : НМетАУ, 2006. 48 с.
  26. Павлов М. А. Металлургия чугуна. Москва : Металлургиздат, 1945. 350 с.
  27. Шаповалов М. А. О вдувании восстановительных газов в горн доменной печи. Сталь. № 5. С. 385-390.
  28. Любав А. П. Анализ явлений доменного процесса. Москва : Металлургиздат, 1962.
  29. Красавцев Н. И. Некоторые теоретические вопросы, связанные с вдуванием в доменную печь восстановительных газов. Изв. вузов. Черная металлургия, 1961. № 112. С. 31-39.
  30. Острик П. Н., Ростовцев С. Т. Влияние состава газовой фазы на кинетику восстановления офлюсованного агломерата. Известия ВУЗов. Черная металлургия. № 9. С. 17-25.
  31. Гольдштейн Н. Л. Водород в доменном процессе. Москва : Металлургия, 1971. 208 с.
  32. Розе Ф. Получение газа-восстановителя для прямого восстановления руд. Черные металлы. № 21. С. 3-7.
  33. Бигеев В. А., Вдовин К. Н., Колокольцев В. М. Основы металлургического производства. Санкт-Петербург : Лань, 2017. 614 с.
  34. Рогожников С. П., Рогожников И. С. Влияние водорода природного газа на изменение теплового и восстановительного процессов по радиусу доменной печи. Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. Т. 76. № 1. С. 41-49. https://doi.org/10.32339/0135-5910-2020-1-41-49
  35. Козуб В. Н., Андронов В. Н., Бачинин А. А. Доменная плавка с вдуванием горячих восстановительных газов на заводе “Азовсталь”. Сталь. № 1. С. 12-15.
  36. Волошин В. С., Руських B. П., Зотов Д. С. Технічне переозброєння і вдосконалення технології доменного виробництва металургійного комбінату “Азовсталь”. Металл и литье Украины. № 3. С. 13-18.
  37. Некрасов З. И., Страшников И. В., Хомяков Э. С. Опытная доменная плавка с применением смеси коксового и природного газов. Металлургия чугуна. 1973. № 1. С. 69-81.
  38. Некрасов З. И., Страшников И. В., Хомяков Э. С. Технологические и экономические аспекты применения коксового газа в доменном производстве CCCP. Металлургия чугуна. № 1. С. 81-84
  39. Бугаев К. М. Окисление природного газа в фурменной зоне доменной печи при различных параметрах комбинированного дутья. Металлургическая и горнорудная промышленность. № 1. С. 5-7.
  40. Дидевич А. В. Некоторые особенности теплового режима горна при работе на комбинированном дутье. Донецк : Тр. ДОННИИЧМ. 1970. С. 68-74.
  41. Товаровский И. Г., Гладков Н. А., Нестеров А. С. Особенности формирования расплава в условиях малококсовой доменной плавки. Сталь. № 2. С.9-12.
  42. Отчет НИР ИЧМ “Повышение эффективности использования коксового газа в доменных печах Макеевского металлургического комбината за счет рационального распределения его между печами и совершенствования режима доменной плавки с доведением коэффициента замены природного газа коксовым до 2,7-3,0 м33“. 1984 г.
  43. Способы и системы получения железа прямого восстановления и газообразного топлива для сталелитейного завода: пат. RU (11) 2 675 581(13) C2. US 2015/040516 (15.07.2015).
  44. Некрасов З. И., Гладков Н. А., Сидорова Л. Я. Применение хроматографического анализа при исследовании кинетики восстановления и накопления газообразных продуктов реакции : сб. научных трудов “Новые методы исследования процессов восстановления черных металлов”. Москва : Наука. 1974. С. 76-77.
  45. Некрасов З. И., Сидорова Л. Я., Гладков Н. А. Особенности взаимодействия окислов железа с метаном. Сообщение 1. Изв. ВУЗов. Черная металлургия. № 11. С. 15-18.
  46. Гладков Н. А. Анализ опыта использования комбинированного дутья. Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. Вып. 20. С. 37-44.
  47. Некрасов 3. И., Москалина Ф. Н. Состав газа в горне доменной печи при работе на природном газе и обычном дутье. Сталь. 1962. № 9. С. 773-776.
  48. Некрасов 3. И., Москалина Ф. Н., Можаренко Н. М. Особенности процессов восстановления в шахте доменной печи при применении природного газа и дутья с концентрацией кислорода до 30%. Металлургия чугуна. № 1. С. 56-69.
  49. Товаровский И. Г. Доменная плавка. Эволюция, ход процессов, проблемы и перспективы. Днепропетровск : Пороги, 2003. 597 с.