Производство прямовосстановленного железа в Индии и выбросы парниковых газов

Экономическое развитие большинства стран неразрывно связано с развитием промышленности, городской и транспортной инфраструктуры – все это включает в себя высокий объем потребления стали. Согласно данным Worldsteel по итогам 2021 года среднемировой показатель потребления стали на душу населения составил 233 кг, в том числе по регионам – в ЕС 344 кг, в Японии 456 кг, в Китае 667 кг, в Южной Корее 1076 кг.

В Индии объем потребления стали на душу населения значительно отстаёт от среднемирового показателя и составляет всего 76 кг. Многие эксперты считают, что Индия не повторит динамику экономического роста Китая, но у страны есть явный задел достичь среднемировых показателей по среднедушевому потреблению стали. По различным оценкам к 2050 году объем производства стали в Индии может составить 300…350 млн. тонн в год.

По итогам 2021 года производство стали в Индии составило 118,2 млн. тонн, из которых 45% пришлось на выплавку по технологии BF-BOF (доменная печь – кислородный конвертер). В 2017 году власти Индии утвердили стратегию по снижению выбросов в металлургическом секторе с реализацией программы до 2030 года, которая предполагает производство 80 млн. тонн прямовосстановленного железа (ПВЖ).

Технология ПВЖ считается экологичной из-за меньшей энергоёмкости и возможности полного перехода на водород в перспективе. ЕС стремится увеличить объем производства стали с использованием технологии ПВЖ для выполнения климатических целей.

Годовая мощность Индии по производству железа прямого восстановления в 2021 году составила 48 млн. тонн, а объем производства – 34 млн. тонн. В Индии насчитывается 285 заводов, работающих по технологии ПВЖ, большинство из которых используют вращающиеся печи с применением угля. Общая мощность таких угольных установок составляет 36,74 млн. тонн, на большинстве заводов суточная производительной одной установки не превышает 100 тонн.

Значительный объем установок ПВЖ, работающих на угле, обусловлен наличием внутренних запасов угля и отсутствием достаточных ресурсов природного газа в стране. Такие заводы в основном расположены в богатых полезными ископаемыми штатах, таких как Чхаттисгарх, Одиша, Западная Бенгалия, Джаркханд и Карнатака.

Основная проблема маломощных установок с производительностью менее 100 тонн в сутки заключается в относительно высоких выбросах CO2 – около 1,9 тонны на тонну ПВЖ. Такой объем выбросов связан с применением угля и низкой энергоэффективностью установок. С учетом, что доля таких предприятий составляет 70% от общих DRI-мощностей Индии, производство ПВЖ в Индии вносит серьезный вклад в выбросы парниковых газов. Для примера, установки, которые работают на природном газе, выделяют около 1,1…1,2 тонны CO2 на тонну ПВЖ.

Энергетический баланс маломощных установок прямого восстановления, работающих на угле, показывает, что только 37% вырабатываемой энергии потребляется на процесс восстановления. Основная же доля выработанной энергии теряется с отходящими газами (более 40%), которые включают физическое тепло отходящих газов и химическое тепло из-за образования несгоревших продуктов, таких как монооксид углерода.  На более крупных заводах установлены электростанции, работающие на основе рекуперации отходящих газов.

Удельный объем потребляемой энергии (показатель SEC - Specific Energy Consumption) для производства ПВЖ на основе угля варьируется от 4,10 до 5,26 Гкал на тонну ПВЖ. Уровни SEC зависят от конкретного предприятия, и их вариации могут быть связаны с такими факторами, как содержание железа в исходной руде, летучие вещества в угле, температурный профиль печи и особенности печной инфраструктуры. На установке ПВЖ мощностью 400 тонн в сутки с технологией рекуперации тепла из отходящих газов и угля возможно снизить уровни SEC с 5,20 до 3,19 Гкал на тонну ПВЖ.

Развитие технологий производства стали в электропечах (EAF) в Индии ограничено объёмом собираемого лома внутри страны. Установка модулей Midrex, Energiron и их аналогов, работающих на газе, приведёт к усилению зависимости от импортного сырья – природного газа и железорудного сырья высокого качества. Таким образом, развёртывание мощностей по производству ПВЖ в Индии без использования угля, выглядит маловероятным.

Остается путь модернизации существующего производства и строительство новых установок ПВЖ, работающих на угле, но с более высоким классом энергоэффективности.

Наиболее привлекательным вариантом является производство электроэнергии на основе рекуперации тепла (WHR – Waste Heat Recovery), особенно для заводов мощностью 200 т ПВЖ в сутки и выше. Например, если завод с двумя установками по 100 тонн ПВЖ в сутки применит технологию WHR, то потенциал сокращения выбросов парниковых газов составит около 19,3 тыс. т CO₂ в год.

Например, на заводе Kamachi Industries (штат Тамилнад) имеется 4 установки ПВЖ мощностью по 100 т/сутки каждая. Улавливаемый отходящий газ направляется для нагрева воды в котлах, пар подается на турбогенератор. 30% генерирующей мощности системы WHR при полной нагрузке потребляется на нужды установки ПВЖ, 10% необходимо для работы самой системы WHR, оставшиеся 60% электроэнергии могут быть реализованы сторонним потребителям.

В дополнение к внедрению жизнеспособных энергоэффективных технологических вариантов может быть предложена система газификации угля. В долгосрочной перспективе углеродно-нейтральное производство ПВЖ может быть налажено также за счет использования водородного топлива, доступные технологии получения которого в настоящее время только разрабатываются.