Декарбонізація металургійної галузі

Steel manufacture Steel manufacture Credit: Ukrainian news

Тетяна Кармелюк

Металургійний сектор, як і інші вуглецевоємні галузі, відчуває все більший тиск з боку міжнародної спільноти, урядів та екологів стосовно зменшення викидів парникових газів. Оскільки часу для прийняття рішень залишається чимдалі менше, нам потрібно зараз почати втілення конкретних кроків з використання нових кліматично-дружніх технологій на виробництві сталі й чавуну. Зосередитися на пошуку ефективної політики та стимулів для власників меткомбінатів, щоб вже у наступному десятилітті забезпечення зростаючих потреб людства у сталі не ставило під загрозу досягнення кліматичної рівноваги.

Світове виробництво сталі, яке після тривалого періоду зростання у ХХ столітті, після криз 1973 та 1980 років характеризувалося стагнацією, у ХХІ столітті почало знову зростати нечуваними темпами. За даними World Steel Association, у 2013 році світове виробництво сталі подвоїлося, здебільшого внаслідок економічного зростання в Китаї, частка якого у виробництві сталі збільшилася з 15% у 2000 році до 48,5% у 2013 році. У 2016 році глобальне виробництво сталі склало біля 1360 млн тонн, половина якої – в Китаї.

Виготовлення сталі є енергетично та вуглецевоємним процесом. Основними джерелами утворення СО2 є вугілля (94,2%) та вапняк. Найбільша частина викидів СО2 пов’язана із виробництвом чавуну. Викиди вуглекислого газу від виробництва металу та сталі оцінюються в 3 Гт в рік – це біля 9% глобальних викидів СО2, пов’язаних із енергетикою.

70% сталі виробляється сьогодні за допомогою доменних печей – основною сталеплавильною піччю з подачею кисню. В цьому процесі вугілля використовується як основний реагент для залізної руди за високих температур. Цей метод виробництва спричиняє 203 тонни прямих та непрямих викидів СО2 на кожну тонну готової чистої сталі.

Декарбонізація найефективніша

Серед багатьох варіантів, які розглядають металургійні компанії для зменшення свого вуглецевого сліду, одним із найефективніших і найменш інвазивних методів є технологія уловлювання і зберігання вуглецю (УЗВ). Вона вже є випробуваною і може бути інтегрована до існуючих активів, для цього потрібно оновити обладнання. При цьому існуючому методу виробництва сталі не буде завдано шкоди.

У поєднанні з іншими низьковуглецевими та інноваційними технологіями, УЗВ може зробити суттєвий внесок у досягнення значних скорочень СО2 у металургійному секторі. Нещодавні прогнози Міжнародного енергетичного агентства свідчать, що до 2060 року потрібно встановити УЗВ на 21% глобальних потужностей виробництва сталі. Це складатиме 506 Мт вловленого СО2 в рік.

Однак, на глобальному рівні сьогоднішні фінансові стимули та нормативні рамки не достатньо ефективні для просування великомасштабних проектів у цьому секторі. За винятком проекту УЗВ Абу Дабі (Emirates Steel Industries), жоден інший меткомбінат ще не застосував технологію УЗВ у великому обсязі (понад 0,5 Мт/рік).

Металургійний сектор Європи активно вивчав технології УЗВ протягом останніх десяти років. Найбільше зусиль в цьому напрямку докладає програма ULCOS (ультранизьковуглецеве виробництво сталі), яка розробляє різні концепції УЗВ.

Processes under examination and development under ULCOS programme Processes under examination and development under ULCOS programme Credit: http://ispatguru.com/ultra-low-carbon-dioxide-steelmaking-ulcos

Програма залучає в якості партнерів усі основі металургійні компанії Європи, виробників енергії, дослідницькі організації й університети. Зусилля проекту зосереджені на чотирьох технологіях:

  • ULCOS-BF – рециркуляція колошникового газу з застосуванням засобів УЗВ;
  • технологія рідкофазного відновлення HIsarna з засобами УЗВ;
  • технологія отримання металізованого продукту ULCORED з засобами УЗВ;
  • відновлення залізних руд шляхом електролізу ULCOWIN, ULCOLYSIS.

Програма виявилася досить ефективною, разом з тим один з проектів – встановлення широкомасштабного УЗВ на металургійному комбінаті у Флоранжі (ФРН) – не було реалізовано через передчасне закриття заводу у 2012 році. Зменшення викидів СО2 при виробництві сталі мало досягати 50%. Вилучений СО2 планувалося компремувати та транспортувати під тиском спеціально збудованим трубопроводом для подачі під донні солоні морські породи на глибині понад 800 м.

У Японії над вирішенням кліматичних проблем металургійного сектору працює ініціатива COURSE50 – Ultimate Reduction in Steelmaking Process by Innovative Technologies for Cool Earth 50 (у перекладі «рішуче скорочення CO2 при виробництві сталі шляхом інноваційних технологій задля прохолодної Землі у 2050 році»). Проект із загальним бюджетом біля 860 млн дол. США фінансує науково-технологічні дослідження, проте намагається зберегти традиційне двоступеневе виробництво сталі з використанням доменної печі.

Технології у рамках COURSE50 направлені на покращення якості коксу, підвищення вмісту водню у коксовому газі, відновлення воднем (спрямовані на зменшення викидів СО­2) та на утилізацію теплоти відходів й уловлювання, вилучення та збереження СО­2.

COURSE50 CO2 Ultimate Reduction in Steelmaking by Innovative Technologies to cool Earth 50 Credit: http://www.jisf.or.jp/course50

Підвищений інтерес до проектів УЗВ спостерігається в Китаї. Одним із найбільших рушіїв УЗВ там є метод підвищення нафтовіддачі, що є значним стимулом для металургійних компаній інвестувати у проекти УЗВ. Схожий стан справ і на Середньому Сході: проект УЗВ Абу-Дабі став можливим завдяки позитивним бізнес практикам, що базувалися на використанні уловленого СО2 для підвищення нафтовіддачі.

Значні можливості з підвищення нафтовіддачі пластів відкриваються й у Північній Америці, в тому числі завдяки вже розробленій транспортній мережі і великому досвіду в цій сфері. Проекти The New Steel International Iron Power‐Steel (IPS) планують реалізувати два проекти на меткомбінатах в Огайо та Мічигані. Продуктивність кожного з них – 4,5-5 млн тонн сталі на рік, а також провідністю труби в 8 млн тонн СО2 для цілей підвищення нафтовіддачі.

Як вловлювати СО2 на меткомбінатах із доменними печами?

В інтегрованому металургійному комбінаті є декілька котлів з димовими газами (наприклад, гаряча доменна піч, вапнякова піч, когенераційна установка), а також установки, які утворюють горючі гази (коксова піч, доменна піч, основна киснева піч).

Ці потоки містять СО2 у різних концентраціях, проте найефективнішим шляхом з технічної/економічної перспективи є налаштування на потік з найбільшим обсягом СО2, а саме на паливо, вироблене доменною піччю та димовий газ, що виділяється когенераційною установкою.

Є два основні шляхи з уловлювання вуглецю на меткомбінаті: з доменних газів та з димових газів котлоагрегатів.

Уловлювання СО2 з доменних газів

Газ, вироблений доменною піччю, містить до 60% загальних викидів СО2, змішаного з воднем та СО. Він має високу концентрацію СО2, порівняно з коксовою піччю та основною кисневою піччю. Пряма технологія вловлювання СО2 з горючих газів використовує подібні технології поділу до тих, що застосовуються у процесах комерційного виробництва водню.

Уловлювання СО2 з димових газів котлоагрегатів

Більшість металургійних заводів зазвичай змішують гази, що виходять з коксової печі, основної кисневої печі та доменної печі в колекторну систему та спалюють їх разом на когенераційній установці, виробляючи електроенергію та тепло для власних потреб. Для газового потоку, що надходить із когенераційної установки, найімовірнішим шляхом уловлювання є хімічне розділення CO2 за допомогою розчинника, зокрема на базі моноетиламіну (МЕА).

Є приклади розвитку металургійними компаніями власних технологій. Nippon Steel (в межах консорціуму COURSE 50), China Steel Corporation, Baosteel та POSCO здійснили низку експериментів з метою захоплення CO2, при цьому використовуючи пілотні процеси, які оптимізовані для металургійних комбінатів.

Альтернативні шляхи виробництва сталі

Альтернативні шляхи виробництва сталі – метод прямого пом’якшення заліза (DRI) та HIsarna – є також вигідними для застосування УЗВ, оскільки вони генерують газові потоки з концентрацією СО2 до 90%.

Перетворення залізної руди в сталі можливе за допомогою методу прямого пом’якшення заліза шляхом безпосереднього змішування залізорудної сировини з відновлювальним газом. Процес DRI використовує на 20% більше енергії, ніж процес BF-BOF (доменна піч), але призводить спричиняє на 20% менше викидів CO2, що утворюються внаслідок використання природного газу, а не коксу.

Така технологія зазвичай застосовується в регіонах, де є багато природного газу (США, Близький Схід). У деяких конфігураціях технології DRI виокремлення CO2 властиве процесу, але він просто викидається в атмосферу без уловлювання. Установки DRI, розташовані поблизу об’єкта зберігання або місць підвищення нафтовіддачі, надають чудові можливості для УЗВ.

Проект УЗВ Абу-Дабі компанії Emirates Steel Industries – це перший у світі проект з виробництва сталі з повномасштабним використанням УЗВ.

Al Reyadah carbon-capture project Проект УЗВ Абу-Дабі компанії Emirates Steel Industries - це перший у світі проект з виробництва сталі з повномасштабним використанням УЗВ. Credit: https://www.thenational.ae

Починаючи з 2016 року він уловлює близько 0,8 млн тонн CO2 з газів, вироблених реактором DRI. СО2 транспортується через трубопровід довжиною 43 км до нафтового родовища Румайта для підвищення нафтовіддачі пластів.

HIsarna – це інноваційний процес виробництва сталі, розроблений компанією Tata Steel в рамках програми ULCOS. Це процес скорочення виплавки, в якому залізна руда безпосередньо перетворюється в рідке залізо. Ця технологія не вимагає підготовки агломератів залізної руди або виробництва коксу. Без цих підготовчих кроків, процес HІsarna може використовувати економічну сировину. Потребується менше енергії для роботи, а зменшення викидів CO2 сягає 20%, порівняно з виробництвом за допомогою доменної печі.

Технологія HІsarna виробляє димовий газ з дуже високою концентрацією CO2 (більше 90%), оскільки замість повітря використовується чистий кисень для реакції. Це не вимагає розділення CO2, крім простого видалення води, й може призвести до суттєвого зменшення експлуатаційних витрат, пов’язаних із уловлюванням CO2.

Металургія України

Виробництво сталі в Україні до початку військових дій в 2014 році відповідало періоду розквіту галузі в 1960-х роках на рівні 33 млн тонн, а станом на 2015 рік скоротилося на 25%. Проте, рівень виробництва сталі в Україні на душу населення залишається одним із найвищих у світі. У 2013 році в Україні вироблялося 722 кг сталі на душу населення, в той час як у Китаї – 571 кг, у США – 273 кг, у Японії – 870 кг.

В Україні металургійний сектор є серед основних забруднювачів атмосферного повітря, у тому числі вуглекислим газом. З даними Держстату України, у 2016 році металургійне виробництво спричиняло майже 30% усіх викидів СО2 від стаціонарних (нерухомих) джерел – 44 млн 616 тис. тонн.

GHG emission from Ukraine´s mettalurgical industry Розподіл викидів парникових газів за основними джерелами утворення в гірничо-металургійному комплексі України

Це майже 70% викидів СО2 від усієї переробної промисловості. Хоча завдяки виведенню з експлуатації мартенівських печей сприяло зменшенню екологічного навантаження від роботи меткомбінатів, викиди СО2 відчутно зросли за останні роки внаслідок суттєвого скорочення використання природного газу.

Малюнок 1Розподіл викидів парникових газів за основними джерелами утворення в гірничо-металургійному комплексі України

Металургійний сектор країни має колосальний потенціал до збільшення енергоефективності. Його реалізація позитивно позначиться на зменшенні впливу на довкілля й скороченні паливної частки в собівартості продукції металургійного комбінату, яка наразі складає від 20% до 40%.

Vladislav Antipov Владислав Антипов , Директор Центру екології та розвитку нових технологій

Директор Центру екології та розвитку нових технологій Владислав Антипов підтверджує, що загалом декарбонізація в українській металургії проводиться у зв’язку з загальною необхідністю підвищення енергоефективності підприємств.

Цілі, встановлені Україною у рамках Паризької угоди та членства в Енергетичному Співтоваристві, змусять найенергоємніші галузі шукати шляхи модернізації виробництва та скорочення викидів парникових газів. «Оскільки в Україні відсутня система торгівлі викидами, інших стимулів для декарбонізації практично немає, хіба що висока особиста свідомість власників», – стверджує Антипов. Експерт додає, що зацікавити в пришвидшенні декарбонізації можливо з допомогою введення відповідних заохочувальних інструментів, зокрема торгівлею дозволами на викиди.

Про неефективність існуючих інструментів скорочення викидів – екологічних податків – нещодавно заявив і міністр екології і природних ресурсів України Остап Семерак. Він вважає існуючі ставки екоподатку надто низькими, щоб підприємства були зацікавлені у модернізації технологій та зменшенні викидів. Майже 75% екологічних податків – це плата за викиди в атмосферне повітря, й металургія сплачує найбільше таких податків.

«Зараз підприємству простіше заплатити мізерний екологічний податок, ніж міняти технології виробництва і проводити екологічну модернізацію. При таких обставинах доцільно говорити про суттєве підвищення ставки екологічного податку та запровадження механізмів фінансового стимулювання підприємств робити вибір на користь сталого розвитку », – зазначив очільник Мінприроди.

Ostap Semerak Міністр екології і природних ресурсів України Остап Семерак

Перехід до низьковуглецевого майбутнього потребує рішучих спільних дій як урядів, так і підприємств. Сьогодні наявні технології, здатні глибоко декарбонізувати металургійну галузь без суттєвих змін звичним шляхам виплавки сталі й чавуну, однак запровадження цих технологій потребує підтримки у вигляді фінансових стимулів та розбудови необхідної інфраструктури. Українська металургія може досягати успіхів у зменшенні вуглецевоємності вже сьогодні, запроваджуючи енергоефективні технології , водночас включаючи до планів розвитку інноваційні технології скорочення викидів парникових газів.

Larisa Bronder

larisa@bellona.no