Эко-сталь: ученые нашли способ сделать «грязное» сталелитейное производство почти полностью безвредным для планеты

Вот в чем проблема: сейчас человечество производит где-то около двух миллиардов тонн стали в год во всем мире, и процент экологически чистого металла в нем настолько мал, что в 2021 году стало большой новостью, когда блок такой стали действительно был доставлен покупателю. Это колоссальная отрасль с огромным количеством активов, объектов и оборудования, уже полностью функционирующих и построенных на века.

Переход на электродуговую печь — нетривиальное занятие. По данным второго по величине производителя стали в мире, он обойдется в сумму от $1 100 000 000 до $1 700 000 000, не считая расходов, связанных с существующими активами доменных печей. «Зеленый» водород еще недоступен в необходимых масштабах, и, таким образом, себестоимость производства эко-стали на 60% выше, чем грязного материала.

Таким образом, сталь из доменных/конвертерных печей (BF-BOF) будет иметь оборот на рынке еще как минимум несколько десятилетий, и именно поэтому эта новая система модернизации, разработанная Бирмингемским университетом, может стать одним из самых важных достижений года в области экологически чистых технологий. Даже несмотря на то, что она не полностью «зеленая».

Говоря кратко, новый подход заменяет около 90% кокса, используемого в доменной печи, с непосредственным впрыском моноксида углерода. Угарный газ поступает из системы, которая улавливает и рециркулирует собственный выхлопной «колошниковый газ» печи, отделяя при высоких температурах угарный газ, двуокись углерода, водород и газообразный азот. Эти газы затем направляются через окислительно-восстановительную систему с двумя реакторами, которая удерживает углерод внутри замкнутого контура.

Двуокись углерода проходит через процесс термохимического окисления в одной камере реактора с использованием двойного перовскита (Ba2Ca0,66Nb0,34FeO6, или для краткости BCNF1), который превращает его в окись углерода при температуре около 800 °C со скоростью около 10,1% на каждом проходе, захватывая атомы кислорода из молекул углекислого газа и используя их для заполнения кубической кристаллической структуры BCNF1.

Тем временем азот и небольшое количество водорода из колошникового газа поступают во второй реактор BCNF1 для процесса термохимического восстановления при 700 °C, в результате которого из структуры BCNF1 высвобождается чистый кислород. Он и питает основную кислородную печь, превращающую горячий металл из доменной печи в жидкую сталь, при этом оставляя кислородные излишки. Отходящий газ из основной кислородной печи возвращается прямо в газосепаратор.

Примерно каждые 24 часа структуры BCNF1 в камерах восстановления и окисления начинают снижать скорость своей реакции, высвобождая или сохраняя слишком много атомов кислорода соответственно. Затем оператор сталелитейного завода просто переключает потоки газа, входящие и выходящие из этих двух реакторов, используя перовскит в бесконечном термохимическом окислительно-восстановительном цикле, чтобы поддерживать эффективное протекание этих реакций.

Эта система очень эффективно перерабатывает как углерод, так и тепло. Но удаление большей части кокса и перепрофилирование выхлопных газов, которые обычно сжигаются, отнимает много энергии, обычно используемой для работы сталелитейного завода. Эта система требует около 306 кВтч дополнительной электроэнергии на тонну произведенной жидкой стали.

«Если электроэнергия, необходимая для питания электронагревателей и газосепараторов, закупается из возобновляемых источников, это не увеличит выбросы TC-BF-BOF, — отмечают авторы исследования в работе, опубликованной в Journal of Cleaner Production. — Но стоимость этой электроэнергии плюс электроэнергия, необходимая для питания газовых сепараторов, превышает экономию от замены кокса в системе».

Команда из Бирмингема уверяет, что модернизация этой термохимической окислительно-восстановительной системы для существующих сталеплавильных заводов BF-BOF должна значительно удешевить производство стали. Взяв в качестве примера предприятие British Steel (BS) в Сканторпе, ученые подсчитали, что BS потребуется 10 таких переключаемых окислительно-восстановительных реакторов, каждый около 15 метров в высоту и 9,5 метров в диаметре, по цене около 359 миллионов фунтов стерлингов (445 миллионов долларов США).

Но компания сэкономит $232 000 000 в год на своем бюджете на кокс — и будет получать около $16 000 000 в год в виде продаж избытков чистого кислорода. По оценкам отчета, всего через пять лет баланс BS выйдет в плюс примерно на $740 000 000! Материал BCNF1 необходимо будет заменять каждые пять-десять лет, что обойдется примерно в $248 000 000.

Если эти цифры подтвердятся, то для любого сталелитейного предприятия, имеющего доменный конвертер, осуществить переход будет совсем несложно.

Сильнее всего данная инновация скажется не на кошельках промышленников, а на здоровье нашей планеты. Поскольку система замкнутая и почти все парниковые газы остаются в системе, воздействие на атмосферу удастся сократить примерно на 90%. В Великобритании есть только еще один сталеплавильный завод BF-BOF, завод Tata в Порт-Талботе. В настоящее время он извергает около 11,4 миллиона тонн углекислого газа в год, или около 3,1% всех выбросов Великобритании. Новая система обещает снизить этот показатель примерно до 680 000 тонн в совокупности, то есть на 94%.

И это только Великобритания; около 70% стали в мире в настоящее время производится на установках BF-BOF. Потенциальные возможности декарбонизации здесь просто огромны.

Но — поскольку всегда есть «но» — в настоящее время это не более чем исследовательская работа, расчеты из первых принципов вокруг идеи. Команде еще предстоит создать прототип такого объекта, а также проработать ряд пока неизвестных переменных, прежде чем двигаться вперед.

Во-первых, кокс используется в качестве структурной опоры в доменных печах, и команда отмечает, что необходимо изучить то, насколько сильно изменятся тепловые и массовые потоки, если его убрать. Во-вторых, дополнительные исследования должны быть сосредоточены на снижении энергетических потребностей разделения азота и угарного газа. И в-третьих, необходимо будет проводить эксперименты в течение нескольких лет, прежде чем можно будет понять скорость замещения перовскитовых материалов.

Тем не менее, учитывая колоссальный потенциал сокращения выбросов и впечатляющие финансовые прогнозы для производителей стали, получить финансирование для продвижение данной инициативы скорее всего будет несложно. Редко можно найти технологию декарбонизации, которая (по идее) будет эффективна как экономически, так и экологически.