30 Июня 2017

Может ли металлургия стать «зеленой»?

Может, и технологии есть уже сейчас. В ближайшие десятилетия металлургию ждут большие перемены, двигателем которых станут снижение энергоемкости производств и ужесточение экологических требований. О том, в чем плюсы прямого восстановления железа из руды и почему инертные аноды произведут революцию в алюминиевой промышленности, в статье для «Кислород.ЛАЙФ» рассказывает эколог Игорь Шкрадюк.
Поделиться в социальных сетях
Металлургическая отрасль в экономике России – вторая по значимости после нефтегазовой: 5% ВВП и столько же – в доходах бюджета, 14% всего экспорта. Вклад металлургии в загрязнение окружающей среды намного выше ее вклада в экономику: согласно различным открытым данным, речь идет о 27% от выбросов всей российской промышленности в атмосферу (15% приходится на долю черной, еще 22% - цветной металлургии). Цветмет – это также более половины от всего объема выбросов диоксида серы, а также до 30% токсичных отходов, образующихся на отечественных промышленных предприятиях и 20% загрязненных сточных вод.

Кроме этого, как само производство металла, так и добыча и перевозка руды и угля приводят к выбросам в воздух значительного количества опасной мелкой пыли. Поэтому на действующих в России металлургических заводах 15-20% общих капиталовложений уже приходится направлять на обеспечение экологической чистоты, прежде всего, на очистку выбросов в атмосферу. Причем если действие эмиссии парниковых газов «размазано» по всей планете, то выбросы пыли и соединений серы приводят к тяжелым последствиям вокруг заводов: «кислотные дожди» губят растительность на сотни километров с подветренной стороны.

Представители отрасли весьма негативно относятся к любым экологическим ограничениям. Так, в НП «Русская сталь», в которое входят компании, производящие 98% российского чугуна и около 90% стали и металлопроката, в начале года заявляли, что отрасль якобы не переживет даже установки автоматических средств измерения и учета выбросов - затраты на это для одного металлургического предприятия полного цикла составят более 100 млн рублей. А для всех предприятий черной металлургии в РФ - более чем в 2 млрд рублей. При этом на то, чтобы установить все эти счетчики и запустить мониторинг, потребуется около четырех лет.

В ГМК «Норильский никель», где реализуется достаточно амбициозная экологическая программа (ключевым звеном которой уже стало закрытие старого никелевого завода в Норильске), заявляют, что «зеленая» металлургия пока невозможнаИ лишь в ОК «Русал» утверждают, что алюминий может даже «позеленеть», если в отрасли и в компании удастся отладить технологию использования инертных анодов.



На действующих в России металлургических заводах 15-20% общих капиталовложений уже приходится направлять на обеспечение экологической чистоты, прежде всего, на очистку выбросов в атмосферу
Прямое восстановление железа

Железо во всех его разновидностях является вторым после цемента промышленным продуктом в современном мировом хозяйстве (3,6 млрд тонн цемента и 1,6 млрд тонн стали). Основной способ получения железа из руды – восстановление металла из оксида. Уже четыре тысячи лет основным восстановителем является углерод (древесный или каменный уголь). А потому и производство черных металлов, и добыча и переработка руд относятся к экологически опасным индустриям. Помимо выбросов в атмосферу и загрязнения водоемов образуется много неутилизуемых отходов. Наиболее вредные — канцерогены коксохимического процесса, доменные выбросы, газы и пыль при агломерировании руды, от конвертерного и других плавильных агрегатов, шлаки всех металлургических переделов.

В России в 2016 году было произведено 51,9 млн тонн чугуна и 69,6 млн тонн стали. 16 млн тонн стали выплавлено из металлолома, и лишь 1,5 млн тонн – методом прямого восстановления железа из руды, при котором исключен доменный передел. Такая технология используется лишь на Оскольском электрометаллургическом комбинате (входит в «Металлоинвест» Алишера Усманова), построенном в 1970-х годах с помощью ФРГ. В целом же по миру методом прямого восстановления получают около 70 млн тонн стали в год (4,5% мирового производства).

Технология была создана в 1970-е годы. Полученное губчатое железо отличается высокой чистотой и вместе с металлоломом переплавляется в электропечах для получения стали. Большое распространение метод прямого восстановления получил в Индии и ЮАР на небольших металлургических заводах, использующих уголь (дешево и неэкологично). Более половины мирового производства стали приходятся на Китай и Японию, которые являются и крупными потребителями.


Технология прямого восстановления железа из руды, при которой исключен доменный передел, в России используется лишь на Оскольском электрометаллургическом комбинате

Схема технологии прямого восстановления железа из руды





Идеально подошел для прямого восстановления железной руды природный газ. Сейчас между Китаем и Японией развернулась технологическая гонка за освоение добычи метангидратов с океанского дна. После того как добыча будет налажена, и себестоимость такого газа станет ниже цены за СПГ, вслед за переводом электростанций Китая и Японии с угля на газ следует ожидать и перевода черной металлургии на прямое восстановление железа природным газом. Тем более что строительство такого завода дешевле, чем завода с домнами и конверторами, а энергоемкость производства ниже.

Так что процесс технического перевооружения черной металлургии может произойти очень быстро. Чем это грозит России? Добыча газогидратов приведет к отказу от российских углей, экспортируемых через дальневосточные порты – сначала энергетических, затем коксующихся. Переход Китая и Японии на прямое восстановление железа может сделать убыточными российские металлургические комбинаты. Стоит оговорится, что у этой технологии есть недостатки – быстрая окисляемость и даже горючесть полученного губчатого железа. Поэтому прямое восстановление более рентабельно при немедленной переработке железа в конечную продукцию (прокат, метизы).

Другой перспективной технологией в черной металлургии является переход на восстановление водородом. Сейчас в промышленности этим методом получают дорогие металлы: молибден, вольфрам, германий, галлий и индий. Продолжающееся снижение цен на солнечные батареи и солнечную электроэнергию может привести к тому, что в ближайшее десятилетие получение водорода для производства железа электролизом от СЭС с круглосуточным его использованием станет выгодно. При некоторой добавке в водород продуктов нефтегазохимии можно получить газовую смесь, которая не только не взрывается, но и не горит открытым пламенем.


Строительство завода по технологии прямого восстановления железа дешевле, чем завода с домнами и конверторами. На фото - доменный цех ЕВРАЗ НТМК
В ожидании революции

На втором месте в мире после железа по объему производства находится алюминий. Мировое производство этого металла выросло с 41 млн тоннв 2010-м до 59 млн тонн в 2016 году. В природе атомы алюминия очень крепко связаны с атомами кислорода. Их отрывают друг от друга электрическим током. На это требуется большое количество электроэнергии. Для производства тонны алюминия в среднем по миру - порядка 15,3 тыс. кВт*час на тонну (от 14,3 тыс. в Африке до 15,6 тыс. в Северной Америке). Интересно, что африканские заводы являются наиболее энергоэффективными, потому что построены недавно.

Только 45-50% электрической энергии непосредственно используется для реакции электролиза алюминия, остальная идет на побочные реакции и нагрев. Лучшие предприятия показывают энергоемкость 13 тыс. кВт*часов на тонну. Целью отрасли является достичь показателя 11 тыс. кВт*часов на тонну.

Если алюминиевый завод получает электроэнергию от ГЭС (как заявляет, например, ОК «Русал», гидроэнергетика обеспечивает 90% производства на заводах компании), то на тонну металла приходится всего 4 тонны выбросов углекислого газа. Но половина алюминия в мире производится в Китае, где заводы запитаны от угольных электростанций, и там на тонну металла приходится уже 21 тонна CO2, не считая других загрязняющих веществ и пыли.

В 1920-е годы мировая алюминиевая промышленность перешла на технологию норвежского инженера Карла Вильгельма Содерберга. Платой за снижение затрат стало резкое увеличение выбросов ядовитых полиароматических углеводородов, в частности, бенз(а)пирена. Кроме того, малейшее отклонение от оптимальных параметров процесса приводит к образованию большого количества летучих фторидов, не только ядовитых, но и обладающих очень сильным парниковым эффектом. В итоге при производстве 1 тонны алюминия требуется очистить от выбросов 280 тыс. кубометров газов.


При производстве 1 тонны алюминия требуется очистить от выбросов 280 тыс. кубометров газов



С конца ХХ века цеха с электролизерами Содерберга начали в мире закрывать. Вместо них строят новые, в которых используют более экологичные предварительно обожженные аноды. По старой технологии еще работают алюминиевые заводы в России, США, Европе и Бразилии. ЕС собирается полностью перейти на обожженные аноды к 2020 году. Но и обожженный угольный анод требует частой замены, расходуя 4 тонны углерода на тонну выплавленного алюминия.

Российские заводы на обожженные аноды переходили неспешно. Этому способствовало и то, что заводы-производители анодов, вошедшие в группу «Энергопром» (контролируемую «Реновой» Виктора Вексельберга), с большой задержкой и не полностью перешли на производство новой продукции. В результате ОК «Русал» вынужден импортировать обожженные аноды из Китая и строить собственное их производство.

Вместо полного перехода на такие технологии ОК «Русал» развернул частичную модернизацию старой технологии (так называемый «Экологичный Содерберг»). По признанию компании, на это потребуется в пять раз меньше затрат, чем для перехода на обожженные аноды (снижение выбросов тоже в разы меньше). Модернизация идет медленно: по информации компании, с 2008 года на «ЭкоСодерберг» переведено 52% производства Красноярского алюминиевого завода.


Саяногорский алюминиевый завод ОК «Русал» - один из немногих, работающих на технологии обожженных анодов
Радикальное же улучшение процесса производства алюминия связано с заменой углеродных анодов несгораемыми инертными анодами. Ожидаемые преимущества: сокращение энергопотребления на 25%, общее снижение затрат на производство на 10%, рост производительности на 5%, резкое снижение выбросов. Но подтвердить ожидания может только работающее производство. «Дорожные карты» Евросоюза и ОК «Русал» предусматривали запуск опытных производств в 2015-2020 годах.

Сейчас технология во многих компаниях находится на стадии опытно-промышленных испытаний. Рассматриваются три варианта материала инертных анодов: сплавы на основе железа, никеля и меди; электропроводящие оксиды металлов; металлопорошковые композиции. Перспективы того или иного варианта зависят от того, будут ли по новой технологии строиться только новые заводы или возможно будет провести модернизацию действующих.

Пока в мире нет алюминиевых заводов, работающих на инертных анодах. Для алюминиевой отрасли в России уже лет десять существует стратегическая неопределенность: проводить радикальную модернизацию или дождаться появления еще более новой технологии. Вероятно, именно с этой неопределенностью связаны игры с «ЭкоСодербергом». Правда, весной текущего года «Русал» пообещал запустить первые цеха на инертных анодах на КрАЗе к 2021 году. Если это случиться, то мы станем свидетелями настоящего прорыва в отрасли.


Весной текущего года «Русал» пообещал запустить первые цеха на инертных анодах на КрАЗе к 2021 году. Это станет прорывом в отрасли
Электролиз и бактерии 

Помимо алюминия, цветная металлургия объединяет производство более 70 металлов. В земной коре есть множество металлосодержащих минералов. Сырье для получения металлов чаще всего представлено оксидными и сульфидными рудами. У алюминия, титана, хрома преобладают оксиды, у меди, сурьмы, цинка – сульфиды. А никель получают и из оксидов, и из сульфидов.

Извлечение метала из сульфидных руд обычно происходит в два этапа: окисление с образованием окислов металлов и летучего диоксида серы, а затем восстановление металла из оксида углеродом. Выбросы диоксидов серы и углерода, других продуктов окисления и пыли наносит большой вред окружающей среде. Поэтому с 1960-х ведется поиск методов переработки сульфидных руд другими способами, среди которых следует отметить метод электролиза и метод бактериологического выщелачивания. Для переработки бедных сульфидных руд и отвалов перспективным считается биологическое выщелачивание, а для концентрированных – электролитическое. 

Электролиз сульфидов металлов представляет собой способ получения в одну стадию металла и серосодержащего, обогащенного благородными металлами промежуточного продукта, исключает образование сернистого и углекислого газов. Серосодержащий продукт можно дальше подвергать электролизу для выделения других металлов и элементарной серы. Сера находит широкое применение в хозяйстве – от удобрений до серобетона и сероасфальта. Крупнейший в России источник выбросов серы «Норникель» (более 2 млн тонн в год) на разработку принципиально новой технологии не пошел, хотя вроде бы об этом думает.

Работы по электролизу сульфида меди интенсивно ведут в Массачусетском технологическом институте (США). Препятствием для перехода на электролиз сульфидов и меди, и других металлов является высокая температура плавления сульфида и необходимость поиска подходящих добавок, ее снижающих. Поэтому сроки решения технологических вопросов и перехода металлургии на электролиз отдельных металлов трудно предсказать. Но поскольку эта технология дешевле традиционной, старые производства могут быть вытеснены в считанные годы.

В СССР и России велись работы по электролизу сульфида сурьмы. В последние годы опытные работы в этом направлении активно ведет Китай, привлекая и российских ученых, не имеющих возможности вести эти работы дома из-за недостаточного финансирования. Опубликованы данные, что себестоимость получения сурьмы из сульфида по новой технологии на 25% ниже, чем по традиционной (и это в условиях Китая, где цена электроэнергии для промышленности выше, чем в России!), а выход металла выше. Пассивность отечественных производителей в освоении новой технологии может привести к неконкурентоспособности по сравнению с Китаем.

Использование биовыщелачивания металлов является простым, эффективным, экологически безопасным и экономически дешевым способом переработки бедных руд и особенно отходов. Бактерии избирательно извлекают из ценные компоненты (медь, уран и др.) или вредные примеси (например, мышьяк в рудах черных и цветных металлов). Впервые способ был запатентован в США (1958 год) применительно к извлечению меди и цинка. Стоит отметить, что бактериальные технологии могут существенно изменить и добычу золота - речь про возможности «живого» золота.

Сейчас 42% стали и 30% алюминия в мире выплавляются из металлолома. И доля металлолома в выплавке растет. Но даже когда рост металлургии неизбежно замедлится, а вторичный металл будет составлять львиную долю сырья на заводах, биотехнологии будут необходимы для очистки накопленных отвалов породы и шлака.

В целом металлургию ждут большие перемены. Их движущей силой станут снижение энергоемкости производства и ужесточение экологических требований. И компании, отставшие в переходе на новые технологии, уйдут с рынка.



Крупнейший в России источник выбросов серы «Норникель» (более 2 млн тонн в год) на разработку принципиально новой технологии не пошел, хотя вроде бы об этом думает
Игорь Шкрадюк координатор программы экологизации промышленной деятельности Центра охраны дикой природы