ШЕВЕЛЕВ Леонид Николаевич

ШЕВЕЛЕВ

Леонид Николаевич

Научный руководитель ГНЦ ФГУП «ЦНИИчермет
им. И. П. Бардина» по направлению: «Оценка эмиссии парниковых газов, энергосбережение и повышение энергоэффективности в чёрной металлургии»

Доктор экономических наук, профессор,
академик РАЕН

Лауреат Премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники

Почётный гражданин России

Адрес: г. Москва, ул. Радио, 23/9, стр. 2

Сайт: www.chermet.net

Российский учёный Леонид Шевелев свою жизнь посвятил научно­производственной деятельности в области энергосбережения и экономии материальных ресурсов, повышения эффективности производства в чёрной металлургии. Он автор 135 научных публикаций, в том числе 6 монографий и 4 брошюр. Имеет 6 правительственных наград, 12 общественных наград, в том числе два почётных международных звания доктора наук.

В последние годы Леонид Шевелев уделяет большое внимание вопросам повышения энергоэффективности и снижения выбросов парниковых газов в чёрной металлургии. Для решения этих вопросов Леонидом Николаевичем разработан уникальный проект, представленный ниже.

«Создание углеродно­нейтральной технологии производства стали и обеспечение её реализации путём использования СО₂ в качестве возобновляемого источника энергии»

Шевелев Л.Н., проф., д.э.н., академик РАЕН;

shevelevln@rambler.ru

В целях ликвидации выбросов СО₂ в атмосферу, сокращения выбросов вредных загрязняющих веществ в окружающую среду, а также повышения энергоэкономической и экологической эффективности металлургического производства ГНЦ ФГУП «ЦНИИЧермет им. И. П. Бардина» совместно с ООО «Эпос­Инжиниринг» подготовили проектные предложения по низкоуглеродному развитию отрасли на перспективный период (2025—2050 гг.).

Эти предложения включают технические, технологические и экономические мероприятия. В частности, увеличение доли электросталеплавильного производства, в котором выбросы СО₂ в два раза ниже: в РФ за 2024 год доля конверторного производства стали (домна—конвертер) составила 67 %, доля электросталеплавильного производства (ДСП + лом чёрных металлов) составила 33 % (в США доля обратная = 33/67 %). При этом в РФ удельные выбросы СО₂/т стали составили: конвертерная сталь/электросталь = 1,5/0,72 (тонн). Увеличение доли электросталеплавильного производства ГНЦ ФГУП «ЦНИИЧермет им. И. П. Бардина» предусматривает путём замены схемы «домна—конвертер» инновационной схемой прямого восстановления железа в инновационных агрегатах, разработанных ООО «Эпос­Инжиниринг» (г. Новосибирск): рудотермические шахтноплазменные печи (РТШПП). Данная печь представляет собой комбинацию двух агрегатов: мини­домну, как восстановительный агрегат для металлизации исходного железорудного сырья с получением металлизованного окатыша (93—95 % Fе), а также второй агрегат — электропечь: ДСП шахтного типа, способную производить плазму с высокими температурами для быстрого расплавления металлизованного окатыша с получением жидкого расплава с пониженным содержанием углерода (низкоуглеродистая сталь с раздельным выпуском металла и шлака). В этом варианте РТШПП наиболее эффективно применима для реализации технологии прямого восстановления железа в части переработки минерального сырья (железная руда, железорудный концентрат, железосодержащие техногенные отходы металлургических комбинатов и др.) В частности, в ДСП шахтного типа, нагретых до высоких температур ионизированных газов, химические реакции восстановления железа протекают значительно быстрее, чем в доменной печи. Это способствует сокращению расхода электроэнергии при одинаковом выпуске жидкого металла.

В сравнении с зарубежным агрегатом «Мидрекс», построенным в Старом Осколе, отечественный РТШПП занимает значительно меньше площади для размещения риформера металлизации, соответственно 16800 м2 и 100 м2. Кроме того, он построен полностью из отечественных компонентов и не зависит от иностранных компаний.

Для реализации технологии прямого восстановления железа на действующих передельных электросталеплавильных предприятиях, работающих на ДСП с применением лома чёрных металлов необходимо модернизировать их путём внедрения установки шахтноплазменного типа.

Есть ещё одно важное преимущество РТШПП, реализовавшего идею прямого восстановления железа: глубокая диверсификация шихтовых материалов и топлива, обеспечившая замену расхода дорогих часто покупных материальных и энергетических ресурсов дешёвыми собственными, включая использование вторичных ресурсов. В частности, в РТШПП (без ущерба снижения качества металлопродукции строительного сортамента) можно применять собственные шламы, пыли и другие железосодержащие отходы взамен железорудного концентрата до 40 %.

Кроме того, ООО «Эпос­Инжиниринг» усовершенствовал механизм газификации дешёвых некоксующихся углей марок Т и Д (вместо дорогих коксующихся марок углей) с получением нового угольного продукта — Карбосила. Он лучше по всем техническим характеристикам кокса и дешевле его более чем в два раза.

Себестоимость Карбосила:

• Затраты на энергетический уголь = 2100 руб./т;
• Транспортные затраты на его перевозку = 2100 руб./т
• Расходы по переделу угля в Карбосил = 5000 руб./т

Итого себестоимость Карбосила = 9200 руб./т

Расход на 1 т чугуна:

• Карбосил = 9200руб./т × 0,400 = 3680 руб./т
• Кокс = 22500 руб./т × 0.400 = 9000 руб./т

Итого снижение себестоимости чугуна = 5320 руб./т

Карбосил дешевле кокса = 22500/9200 = 2,4 раза

Кроме того, Карбосил имеет более высокую калорийность топлива (Карбосил = 8141 ккал/кг, кокс = 6930 ккал/кг), что в пересчёте на условное топливо обеспечивает снижение его расхода (8141/6930 = 117,5 %) на 17,5 %.

Более того, Карбосил имеет более высокую пористость, чем кокс, соответственно 70 % и 35 %, т. е. больше в два раза. Это способствует увеличению площади контакта углерода Карбосила с кислородом оксида металла, ускоряет процесс отбора кислорода восстановительным газом (СО + Н₂), ускоряет металлизацию железа и его восстановление в соответствие с формулой прямого восстановления железа.

В соответствии с установленным регламентом РТШПП и с целью повышения энергоэффективности технологии прямого восстановления железа железорудное сырьё и угольный восстановитель (Карбосил) брикетируются и загружаются в РТШПП в виде рудо­угольных брикетов. В соответствие с режимами плавки и структурными преобразованиями внутри брикетов в результате рециркуляции восстановительных газов через плазмотроны осуществляется равномерное движение брикетов вниз в противотоке вверх восстановительных газов. При этом брикеты последовательно проходят в шахте зоны различных структурных превращений, соответствующие определённым температурным уровням. В ванне ДСП происходит расплавление продуктов плавки и если требуется жидкофазное довосстановление.

Газификация угля в РТШПП обеспечивается путём подачи в зону восстановительных процессов водяного пара. В начальной стадии процесса, когда уголь разжигается до красного каления (до температуры 600­800°С), в РТШПП подаётся водяной пар. В результате взаимодействия углерода угля с водяным паром происходит реакция по формуле (1) и образуется восстановительный газ:

С + Н₂О = (СО + Н₂)                                                  (1)

Восстановительнеый газ (СО+Н₂) в РТШПП вступает в реакцию с железорудным концентратом. В результате их взаимодействия происходит реакция (2) восстановления железа из оксида (температура 900—1100 °С) с получением парникового газа (СО₂) и чистого водорода (Н₂):

(СО + Н₂) + FеО = Fе + СО₂ + Н₂                          (2)

При этом чистый (зелёный) водород, получается в 25 раз дешевле чистого (зелёного) водорода, производимого электролизом воды (по программе ЕС).

СО₂ нейтрализуется с помощью водяного пара и катализатора с получением топлива (СО + Н₂) и кислорода (О₂):

СО₂ + Н₂О = (СО + Н₂) + О₂                                  (3)

Реакция 3 протекает при более высоких температурах: 1200—1300 °С. Выбросы СО₂ в атмосферу исключаются, а (СО + Н₂) используется для нагрева и расплавления металла, а также для получения электроэнергии, пара и горячей воды. СО₂ улавливается плазмотронами и аккумулируется в установке генерации пароводяной плазмы. Здесь он нейтрализуется водяным паром и превращается в топливо. В данном варианте СО₂ используется как возобновляемый источник энергии (ВИЭ).

Н₂ из формулы (2) используется для восстановления железа (Fe) из оксидов (Fe₂O₃, F₃O₄) с образованием водяного пара (Н₂О) и кислорода (О₂):

F₂О₃ + Н₂ = 2Fe + Н₂О + О₂                                    (4)

Чистого водорода по формуле (2) образуется больше, чем требуется для восстановления железа.
Избыток чистого водорода в чёрной металлургии может производиться для отгрузки на экспорт или в другие отрасли, например, транспортную.

Для РТШПП предусмотрена установка ковшевой и вакуумной обработки металла. Качество стали, полученное с использованием водорода, соответствует переплавным процессам. Железо из оксидов (FеО, Fе₂О₃, Fе₃О₄) в РТШПП вначале восстанавливается до металлизованного окатыша, как и в процессе «Мидрекс». Только вместо природного газа используется восстановительный газ (СО + Н₂). При этом плазменная температура процесса может подняться до 3500 °С и выше. Подача водяного пара снижает температуру плазменного потока до 1100 °С и обеспечивает нормальные условия службы огнеупорной кладки. С использованием плазменной технологии металлизованный окатыш расплавляется и превращается в жидкий чугун с пониженным содержанием углерода. Далее путём продувки жидкого чугуна кислородом он превращается в сталь в том же агрегате (осуществляется дожигание СО до СО₂). В зоне работы плазменных дуг происходит разделение продукта на металл и шлак, осуществляется раздельный слив металла и шлака (по аналогии с доменной печью).

Кроме технологии прямого восстановления железа из железорудного сырья ГНУ ФГУП «ЦНИИчермет им. Бардина» разработал технологию прямого восстановления железа и цветных металлов (Fe, Ti, V) из титаномагнетитового сырья под названием «RUSHmelt» (где: RUS – русская, Н – водородная, melt – плавка).

Реализация данной технологии позволит:

— снизить расход материальных ресурсов на 20,9 %;

— снизить расход топлива на 60 %;

— снизить себестоимость стали на 38,2 %;

— снизить выбросы СО₂ в атмосферу на 100 %;

— снизить выбросы вредных загрязняющих веществ на 74 %.

Общий экономический эффект от реализации 1 млн тонн стали по технологии «RUSHmelt» составит 10,0 млрд руб. Капиталовложения в данный проект с производством 1,0 млн т стали составят 6,0 млрд руб. Срок окупаемости капиталовложений: 6:10 = 0,6 года.

ООО «Эпос­Инжиниринг» опробовал переработку титаномагнетитового сырья из Казахстана и получил положительные результаты. В частности, выход чистого железа составил 95—98 %.

Данная технология находится в категории «перспективных». Чтобы её реализовать, требуются определённые производственные условия: введение механизма штрафных санкций за выбросы СО₂ в атмосферу; создание системы купли-продажи сниженных выбросов СО₂ между предприятиями и коммерческой организацией, специально созданной для этих целей, включая и порядок формирования ею цены углерода; разработка в отрасли программы повышения энергоэффективности производства для обеспечения конкурентоспособности российской продукции на мировых зарубежных рынках на период до 2060 года.

Ожидается разработка данных мероприятий после готовности Европейского Союза к вводу пограничных санкций за выбросы СО₂ по наиболее энергоёмким видам продукции, в число которых входит и сталь. Применительно к чёрной металлургии, учитывая высокую энергоэффективность технологии «RUSHmelt», металлургические предприятия могут начать её реализацию с 2027 года. Для этого «ЦНИИчермету» и «Эпосу» необходимо разработать промышленные образцы РТШПП и провести их промышленное опробование в 2026 году.

Реализация отраслевой программы энергосбережения позволит предприятиям чёрной металлургии России одними из первых в мировом производстве стали перейти на углеродно­нейтральное производство.