Бескоксовая металлургия в России: желания совпадают с возможностями?

Металлургам всего мира, пожалуй, стоило бы поднять соответствующий тост, как в знаменитом фильме. Ведь пока, несмотря на страстное желание снизить углеродный след к 2035-2040 или, на худой конец, к 2050 году (как указано в Парижском соглашении), современные реалии не позволяют достичь желанных показателей даже таким «двигателям зелёных стратегий», как европейские страны и США.

Геополитическая и экономическая обстановка в мире внесла дополнительные коррективы в процесс декарбонизации всех отраслей. Естественно, это коснулось и сталелитейного направления, на которое, по данным Всемирной ассоциации стали Worldsteel, приходятся немалые 9% выбросов СО2 на всём земном шаре. И связано это во многом с использованием коксующихся углей.

Отказывается ли тот, кто пропагандирует?

Начнём с небольшой преамбулы. Ни для кого не секрет, что коксующиеся угли имеют ключевое значение в металлургической отрасли, однако уже примерно с 2017-2018 годов в Европе и Америке от них пытаются отходить за счёт использования новых технологий.

Металлурги стали прибегать к методу кислородной печи (BOF) и электродуговой печи (EAF), тем более что со временем все отметили сокращение запасов коксующихся углей, за которым последовал рост цен на коксование. Буквально всё благоприятствовало идеям декарбонизации, несмотря на возражения угледобытчиков о том, что их сырьё ещё рано списывать со счетов.

Но наступил мировой кризис и радикально повысил стоимость всех «зелёных проектов». Так, например, консорциум Hybrit, объединивший три шведских предприятия (SSAB, LKAB и Vattenfall), специализирующихся на производстве, в частности, экологически чистых металлов, отметил, что в современных стоимостных соотношениях сырья и энергоресурсов рост удельных затрат составит от 20 до 30%.

Если ситуация не изменится, то, по оценкам Европейской стальной федерации Eurofer, затраты на производство экологичной стали могут увеличиться от 35 до 100% по сравнению с расходами на создание продукции по традиционным технологиям (в частности, с использованием старого доброго кокса). Это, естественно, отразится на потребителях: уже сейчас эксперты говорят о повышении себестоимости стали в среднем на 200–300 евро за одну тонну. Даже изрядно подорожавший кокс не даёт таких цифр.

Прибавим сюда то, что альтернативные методы, заменяющие доменную выплавку, могут требовать в разы больше электро- и теплоэнергии. С учётом того, что дешёвый газ сейчас недоступен, не повысит ли это расходы и стоимость итогового сырья ещё больше? К тому же при таком раскладе люди просто поменяют одно зло на другое: на изменения климата уже будет влиять электроэнергетика, и придётся после придумывать что-то и в этом направлении.

Безусловно, пока на этот счёт больше разговоров, потому что начатые масштабные экологические проекты уже так просто не свернёшь, но слухи о пересмотре планов в открытых источниках уже ведутся. А также зашла речь о том, что в эту нишу потребуется направить ещё больше госинвестиций, чем предполагалось ранее.

Однако даже Китай, которого многие проблемы так радикально не коснулись и который (как производитель огромной доли выбросов) пообещал радикально сократить отходы от своей металлургической промышленности, предпочёл просто снизить производство стали. В 2023 году КНР уменьшила её выпуск на 30 миллионов тонн и подумывает продолжать эту тенденцию.

А что же тогда делать отечественным металлургам? Из-за влияния санкций наша страна оказалась отрезана от целого ряда необходимых технологий. Реализовывать конечный продукт стало труднее, а если он ещё и радикально вырастет в цене из-за дороговизны модернизации, то процент продаж и конкуренция продукции на рынке снизятся ещё больше.

Сократить объём производства, как в Китае? Только вот российская металлургия только недавно оправилась после сложного 2022 года, когда производство, например, чёрных металлов и так снизилось на 5,4%, до 94,6 млн тонн, стали — 7,2%, до 71,5 млн тонн, а чугуна — на 4,1%, до 51,6 млн тонн.

Только к концу 2023 года Россия выровняла объёмы производства, сохранив своё место в пятёрке лидеров по производству стали, что следует из отчёта Всемирной ассоциации стали (WSA). Рост цен на коксующие угли отразился на нас сильнее, чем на многих странах, потому что у нас от него пока радикально не отказываются. Сетования металлургов не могли не дойти до добытчиков, которые вынуждены прислушиваться к потребителям, чтобы сохранить объёмы продаж.

Путём совместных обсуждений представители «связанных одной целью» отраслей пришли к выводу: если полностью перевооружаться дорого, а часть новых технологий или недоступна, или требует долгих испытаний, то нужно пересмотреть подходы к работе с коксом. Благодаря таким шагам уже начнётся постепенное снижение углеродных выбросов.

Как сказал генеральный директор ПАО «Северсталь» Александр Шевелев, выступая на 28-й сессии Конференции сторон (COP28) Рамочной конвенции ООН об изменении климата (РКИК), климатические изменения не будут ждать, пока мир выйдет из кризиса, поэтому Россия, несмотря ни на что, не будет снижать свой вклад. Да и сама компания со своей стороны уже давно делает активные шаги в этом направлении.

Качественнее кокс — лучше экология

ПАО «Северсталь» — это одна из российских компаний, которая не пошла по пути полного отказа от традиционных методов. Поскольку предприятие работает как полноценный комбинат с классической технологической цепочкой «домна — конвертер» с 1993 года, радикальный и одномоментный переход к «зелёной повестке» мог бы привести к колоссальным затратам.

«У нас нет ГБЖ (горячебрикетированного железа, — прим. ред.), есть электропечи, которые тем не менее занимают довольно ограниченный объём нашего производства. Основа — это всё же домны. Поэтому мы задумались, как же такому предприятию, как мы, выплавлять сталь с минимальной себестоимостью и снижать воздействие на окружающую среду.

На собственном опыте мы пришли к выводу, что нужно повышать качественные характеристики кокса, который мы грузим в доменные печи. Необходимо делать такой кокс, который будет давать наибольшую эффективность с минимальным расходным коэффициентом. То есть позволит сокращать удельный расход топлива на выплавку чугуна без увеличения удельных выбросов оксида углерода в атмосферу.

Для этого, в частности, нужно максимально увеличивать содержание железа в доменной шихте (переход на малошлаковую плавку). Повышение её богатства сокращает удельные выход доменного шлака и расход топлива. Это, в свою очередь, снижает воздействие на окружающую среду за счёт уменьшения размещения отходов и выбросов оксидов углерода в атмосферу», — поделился опытом на третьей международной конференции METALLCONF-2023 руководитель Центра технологического развития Upstream ПАО «Северсталь» Андрей Калько.

Спикер также отметил, что компания начала максимально использовать свои собственные вторичные ресурсы: то, что образуется на шлаковых полях и в шламовых накопителях, все дешёвые компоненты шахты решили отправлять в цикл производства.

Как показывает статистика предприятия с 2017 по 2023 год, опора на эти «три кита» принесла свои плоды.

Андрей Калько в своём докладе разделил показатели на два этапа. В одной части он отметил период до 2020 года, когда компания работала исключительно «на классических технологиях, очень аккуратно подходила к вопросам изменения технологии в своей цепочке и очень берегла свои довольно возрастные металлургические агрегаты».

А во второй — время с 2020 года, когда предприятие закончило два очень значимых инвестиционных проекта по монтажу третьей доменной печи и одиннадцатой коксовой батареи уже с учётом экологических планов.

«Тогда мы пошли вперёд, не обращая внимания на то, что остаётся сзади, и что увидели? Производительность почти на 20% пошла в гору — было 9,5 миллионов тонн чугуна, а сейчас практически 11,5. Что касается экологизации, отмечу, что если реально оценивать свою эффективность с точки зрения выброса диоксида углерода, то по большому счёту надо считать всё твёрдое топливо, содержащее углерод, которое вы грузите или вдуваете в домну, без всяких коэффициентов замены.

Тогда, если вы всё грамотно подсчитаете, вы получите показатель того, сколько углерода вы тратите на одну тонну чугуна. Мы отметили снижение расхода углерода на тонну чугуна на протяжении 10 лет с 2014 по 2023 год с 419 килограмм на 408 — то есть мы сократили больше 10 кг углерода на каждую тонну чугуна. Подчеркну, не кокса, не суммарного топлива, а чистого углерода. Если пересчитать на показатели выбросов, то 38 кг CO2 не вышло в атмосферу с площадки Череповецкого металлургического комбината», — назвал цифры Андрей Калько.

Кратко о технологии горячебрикетированного железа

Не можем кратко не затронуть вышеупомянутую технологию ГБЖ. Тем более что спикер ПАО «Северсталь» упомянул о повышении содержания железа в доменной шихте. А как раз главным сырьём для производства ГБЖ являются металлизированные офлюсованные окатыши с высоким содержанием железа (более 66%).

Этот метод считают одним из самых технологичных, потому что он как раз не требует использования дефицитного коксующегося угля. Европейцы любят его ещё и за то, что из технологический цепочки можно вывести природный газ, заменив его на газифицированный уголь. В современных условиях — ценное свойство.

«Расчёты показывают, что удельные выбросы углекислого газа на 1 т стали в производственной цепочке „прямое восстановление железа — электросталеплавильная печь” составляют 1,5 т, в то время как в традиционном цикле „доменная печь — конвертер” они возрастают до 2,3 т», — пишет в своей работе «Перспективы перехода предприятий чёрной металлургии России к использованию безуглеродных технологий» начальник управления закупок ФГУП «Гознак», канд. экон. наук Вячеслав Плещенко.

А на Лебединском ГОКе (компания «Металлоинвест») на Белгородчине уже более 20 лет, с 2001 года, работают мощности по производству ГБЖ. Сейчас ведутся работы над запуском четвёртой очереди, а также строится завод по производству ГБЖ в Курской области. Выбросы CO2 при этом на 40–50% ниже, чем при производстве чугуна.

Эксперты отмечают и ещё один ограничивающий фактор — чем дальше, тем больше будет сокращаться количество металлолома требуемого качества и сортамента, потому что качество оборотного лома может ухудшаться за счёт накопления примесных элементов, таких как медь, никель, мышьяк и др.

Технология вдувания водорода

Вернёмся к докладу представителя ПАО «Северсталь». Специалист подробно остановился на реализованных компанией проектах, потому что они также внесли значительный вклад в снижение углеродного следа.

Третья доменная печь, запущенная компанией 9 декабря 2020 года, представляет собой более традиционное оборудование. Работает с расходником по твёрдому топливу 322-327 кг на тонну чугуна. Однако и здесь эксперты смогли добиться повышения экологических показателей.

«Расходник — это весь сухой скиповой кокс, все вторичные фракции и отсевы кокса, которые грузятся в твёрдом виде в доменную печь, и 210-215 кубических метров природного газа на тонну чугуна. Получаем CH4 — то есть один атом углерода и четыре атома водорода. Если европейские металлурги пытаются через одну фурму дуть чистый водород, мы вдуваем массово. Сейчас это наша объективная реальность, мы так работаем, именно поэтому нам удаётся достигать таких высоких показателей по эффективности и снижению расхода углерода», — рассказал Андрей Калько.

Эксперт не зря привёл сравнение с европейским подходом. Использование сегодня чистого водорода в сталелитейном деле также считается максимально экологичным вариантом. Однако, как уточняет в своей работе Вячеслав Плещенко, «использование водорода предъявляет повышенные требования к организации безопасной работы персонала, хранению и использованию данного газа <…> По некоторым данным, стоимость водородной технологии восстановления железа в 5 раз выше традиционного варианта металлургического производства».

Трамбование угольной шихты

Об этой технологии на третьей международной конференции METALLCONF-2023 спикер остановился более детально. Работу с ней обеспечила коксовая батарея №11 Paul Wurth. Загрузка первой батареи угольной трамбованной шихтой началась 27 ноября 2020 года. Компании пришлось самостоятельно осваивать технологию, так как поддержка европейских партнёров приостановилась из-за пандемии, однако со всеми трудностями удалось справиться, и оборудование было выведено на проектную мощность в 1 миллион 400 тонн валового кокса в год.

«Что даёт технология оттрамбованного кокса? Позволяет работать на угольной шихте, в которой присутствуют так называемые малоценные марки угля в количестве более 55%, которые не допускают в обычной гравитационной батарее получить качественный кокс.

Однако при помощи этой батареи был расширен диапазон угольных концентратов для получения доменного кокса высокого качества. В частности, использовался уголь с высоким содержанием летучих веществ и слабой спекаемостью. Также агрегат позволил утилизировать коксовую пыль», — перечислил Андрей Калько.

В докладе эксперт также отметил, что технологи доменных печей отмечали факты стабильной работы домны при изменении показателей «горячей прочности» трамбованного кокса.
К тому же при использовании в доменном производстве кокса, произведённого по технологии трамбования угольной шихты, во всём диапазоне качественной характеристики СЅR от 30 до 60% количество образующейся пылевидной фракции 0+0,5 мм в среднем в 1,68 раза меньшее по сравнению с коксом, произведённым по классической технологии.

Особенности взаимодействия кокса, полученного из трамбованной угольной шихты с диоксидом углерода в зоне высоких температур, позволяют прогнозировать значительные преимущества при его использовании в современной высокоэффективной доменной плавке совместно со значительными количествами коксовых заменителей.

Более того, эксперт заметил ещё одно преимущество агрегата, опираясь на свой опыт доменщика.

«Я прекрасно понимаю, как доменщики относятся к качеству кокса: любая неудача, холодная/горячая печь, чугун течёт, чугун не течёт — и всё, кокс плохой. А вот на наших крупных домнах, которые используют до 30% в шихте кокса новой батареи №11, эффективность доменной плавки не страдает даже при изменении показателя CSR.

Мы стали разбираться, почему так происходит. Пришли к выводу, что серьёзно на это повлиял способ загрузки шихты в коксовую батарею. Трамбованная шихта примерно в 1,7 раза даёт меньше увеличения класса минус 10 миллиметров после контакта с диоксидом углерода в зоне высоких температур.

Поэтому стройте доменные печи, которые используют в своей шихте максимальное количество окатышей и работают на максимальном железе в доменной шихте. Применяйте трамбованный кокс и получите великолепный результат по снижению парниковых газов. Пока это ещё далеко не бескоксовая металлургия, но она в будущем», — подчеркнул Андрей Калько.

Ценность обратной связи металлургов и угольщиков

Итак, ставить крест на коксе пока рановато, по крайней мере отечественным металлургам. Однако не стоит забывать и про второй элемент цепи — добытчиков.

В рамках той же конференции выступил и коммерческий директор АО «Стройсервис» Егор Юртов. Он поблагодарил спикера ПАО «Северсталь» за поддержку продукта, а после заверил слушателей, что добытчики смогут обеспечить российских металлургов необходимой продукцией, несмотря на рост себестоимости производства (который также приводит к дефициту углей с высокой горячей прочностью).

Свои сложности внесла и 7-процентная экспортная пошлина на вывоз каменного угля, которая ещё действовала на момент проведения мероприятия. Сегодня же пошлину на вывоз энергетического угля и антрацита временно отменили с 1 мая по 31 августа 2024. Многие профильные эксперты считают, что такая мера улучшит социально-экономическое положение угледобывающих регионов, что, в свою очередь, может повлиять на объёмы ценных марок угля на внутреннем рынке и на снижение производственных затрат добытчиков.

На METALLCONF-2023 представитель «Стройсервис» призвал к совместной работе, к более плотной обратной связи между металлургами и добытчиками.

«Многому нас буквально научили металлурги, мы у друг у друга учимся производить тот товар, который требуется. Работаем и по зольности, и по прочим качественным характеристикам. Именно коммуникация и сотрудничество могут привести к довольно-таки интересным, правильным результатам, в частности, в направлении сокращения выбросов», — подчеркнул Егор Юртов.