«Зелёная» металлургия

О технологиях, призванных снизить вредное воздействие процессов выплавки чугуна

Мы решили поинтересоваться, к каким же результатам привела работа этой фабрики, оправдались ли ожидания металлургов. С этим вопросом обратились к самому Бижанову. Он ответил, процитировав крылатое выражение Расула Гамзатова: «Если пить, то из источника». Источником в этом случае стала информация, размещенная официальным телеграм-каналом ОАО НЛМК 4 апреля этого года. «Работа фабрики позволила переработать более миллиона тонн отходов, что в свою очередь высвободило более 20 тысяч квадратных метров территории, ранее занятой отвалами».

Однако Айтбер Бижанов заметил, что в этом пресс-релизе допущена неточность: липецкая фабрика, производящая более 500 тысяч тонн брэксов в год, названа крупнейшей в мире, работающей по его технологии. На самом деле это не так. Крупнейшей является построенная еще в 2012 году фабрика по производству брэксов (BREX FACTORY) в Нагое (Япония). Сегодня ее производительность – 1 миллион тонн брэксов для доменной печи в год.

– Но дело даже не в масштабах подобных фабрик, – продолжил специалист. – Анализ результатов доменных плавок в Японии, России и Индии, где также работает несколько фабрик по производству брэксов, показал, что при использовании в доменной печи брэксов, содержащих, кроме оксидов железа, еще и углеродистые материалы (кокс, уголь, древесный уголь и т. п.), суммарный расход энергии на выплавку чугуна сокращается. Происходит это благодаря расположению таких материалов в непосредственной близости друг от друга, что значительно ускоряет доменный процесс. А это, кроме снижения расхода дорогостоящего кокса, означает и снижение выбросов углекислого газа.

Впервые предположение о таком эффекте от комбинированных железо-углеродных брэксов было высказано Айтбером Бижановым еще в 2012 году в виде гипотезы. Объяснить механизм такого эффекта и подтвердить его практически удалось только сейчас, на основе результатов доменных плавок в Липецке. Эти результаты однозначно расценены российскими металлургами как фундаментальные. На конференции Экспертного центра «Зеленая металлургия» в Москве в ноябре прошлого года было отмечено, что «перевод выплавки чугуна в доменных печах на руднотопливные брикеты (А. М. Бижанов) вместо агломерата и окатышей должен и будет генеральной линией в металлургии ХХI века».

Сегодня главным критерием жизнеспособности металлургических технологий как раз является радикальное сокращение потребления углерода (как ключевого источника парниковых газов, к которым относятся водяной пар, углекислый газ, метан, закись азота, озон) – так называемая декарбонизация. Декарбонизацию называют воротами в чистую, «зелёную» металлургию.

Современный этап развития черной металлургии отмечен небывалым вниманием к декарбонизации. Здоровый скептик может спросить: а чем же вреден углекислый газ, если все растения как раз его и поглощают, выделяя кислород. Это так, сам по себе газ CO2 не вреден, но, попадая в атмосферу, он способствует росту ее тепловой изоляции, что выражается в снижении теплового потока в космос и в перегреве поверхности нашей планеты, что в свою очередь приводит к заметным изменениям климата, сопровождающимся существенным воздействием на флору и фауну.

В докладе Межправительственной группы экспертов по изменению климата в 2018 году была определена цель ограничить глобальное потепление до 1,5 °C к 2050 году. Одной из отраслей промышленности, вклад которой в глобальное потепление наиболее существенный, как раз и является металлургия. Почти половина всех вредных выбросов черной металлургии приходится на долю агломерации – процесса получения железосодержащего материала для выплавки чугуна в доменной печи. Снижение доли агломерата в доменном процессе позволило бы сократить и уровень вредных воздействий.

Впервые в России и в мире научно обоснованная концепция частичной замены агломерата на брэксы была разработана Айтбером Бижановым в 2017 году. Сегодня она известна как концепция синергии агломерации и брикетирования. Предложенные им рекомендации позволяют достичь синхронизация работы аглофабрик и брикетной фабрики, обеспечивающей высокую эффективность доменного процесса и снижение выбросов. Разработанная Бижановым технология включена в Информационный справочник по наилучшим доступным технологиям для выплавки чугуна, стали и ферросплавов, что явилось признанием его заслуг.

Продолжая разговор о декарбонизации, наш собеседник заметил, что, как это часто бывает, смена главенствующих представлений о путях развития металлургии привела к повсеместной жесткой критике традиционного способа выплавки стали с использованием чугуна, производимого доменными печами. Взамен предлагается перейти на предварительное получение так называемого железа прямого восстановления в специальных реакторах, работающих на конверсированном природном газе с дальнейшим переплавом получаемого железа в электросталеплавильных печах. Как вариант рассматривается и перевод доменных печей на работу с водородом в качестве газа-восстановителя (вместо окиси углерода, получаемой газификацией кокса).

Реализация таких подходов предусматривает капитальную реконструкцию металлургических заводов, замену доменных печей печами прямого восстановления, создание промышленности производства и хранения водорода. При этом следует помнить, что и само производство водорода имеет свой «углеродный» след. При использовании природного газа как источника водорода для доменной печи по существующей технологии эмиссия СО2 составит 0,98 кг на 1 м3 водорода.

– В общем, доменная печь стала «мачехой», – шутит Айтбер Бижанов. – Понятно, что такой масштабный переход займет значительное время и потребует колоссальных вложений, что могут себе позволить лишь немногие экономически мощные государства. А что же делать странам третьего мира, не имеющим запасов природного газа? И кроме того, понятно, что и в работе реакторов прямого восстановления и электросталеплавильных печей также образуются содержащие железо отходы, которые необходимо эффективно использовать.

Известно, что схема выплавки стали – «реакторы прямого восстановления + электросталеплавильная печь» очень распространена в странах Персидского залива. Так вот, для одной из них (государство Катар) Бижанов лично проводил исследования в обоснование возможности повторного использования отходов таких процессов в виде брэксов в этих же реакторах.

Брэксы могут эффективно использоваться не только в доменных печах и в реакторах прямого восстановления. Уже седьмой год в Актобе работает фабрика по производству брэксов на основе пылей аспирации, содержащих хром, в печах, выплавляющих феррохром. Ранее эти пыли складировались и являлись серьезным и опасным источником загрязнения воздуха в городе. Ферросплавный завод – в черте города. Попытки утилизации пыли иными способами оборачивались прямыми экономическими потерями. Проблема была решена с использованием экструзии. Весь ранее накопленный объем пыли использован в виде брэксов в феррохромных печах, а вновь образуемый также брикетируется и отправляется на выплавку феррохрома. По такой же схеме работает и фабрика по производству брэксов в Челябинске. Вообще же в мире действует до десятка подобных фабрик в составе ферросплавных заводов в различных странах мира.

В настоящее время Айтбер Бижанов в соавторстве с известными российскими металлургами и специалистами в доменном процессе из Таиланда готовит к изданию в Springer новую книгу по малым доменным печам для стран, которые сегодня не в состоянии осуществлять резкий переход к полной декарбонизации. Основная концепция новой книги заключается в том, что малая доменная печь является одним из наиболее эффективных агрегатов для переработки железосодержащих отходов в виде железо-углеродных брикетов, причем в качестве источника углерода рекомендуется использовать обширные ресурсы биомассы.

Книга должна выйти в начале следующего года. Это уже десятый труд по металлургии нашего земляка. В прошлом году в издательстве Инфра-Инженерия вышло сразу две его книги – первый в России учебник по зеленым технологиям окускования и монография по теории и практике брикетирования.

– Мне было очень приятно узнать, что моя книжка по окускованию рекомендована в качестве учебника в одном из университетов в Бразилии, – рассказывает автор. – Так получилось, что технология брикетирования, которой я занялся еще в 2004 году, многими расценивалась как «гадкий утенок», а потому о ней практически никто не писал, не исследовали. В литературе образовался информационный вакуум. Мне посчастливилось переубедить металлургическое сообщество и обратить его внимание на эту технологию. Поиски новых способов брикетирования привели меня к экструзии, в которой мне удалось увидеть значительный потенциал. Спустя пару лет началось ее, как говорят, триумфальное шествие. Помню комичный случай на переговорах в одной известной российской металлургической компании. Когда я завел разговор о брикетах, мне было сказано, что я отстал от жизни, поскольку сейчас в моде… брэксы. В тот момент я отчетливо представил себе эмоции лягушки-путешественницы, но кричать, что это я и придумал брэксы, не стал.

Научная составляющая в разработке металлургических технологий – одна из главных, она критически важна. К сожалению, долгое время в металлургии превалировала эмпирика, основанная на опыте, зачастую специфичном для данной доменной печи. Среди доменщиков популярна шутка о том, что у двух доменщиков три различные точки зрения. Для того чтобы хорошо разбираться в доменном процессе, специалист должен иметь глубокие познания в термодинамике, физической химии, владеть современным математическим аппаратом.

Всеми этими знаниями я обязан Московскому физико-техническому институту. Со многими однокашниками я продолжаю общаться поныне. Недавно вместе с одним из них нам удалось создать новую эвристическую модель, позволившую найти новые, ранее в литературе не описанные свойства пористости брэксов, позволяющие улучшить их свойства и поведение в доменном процессе. Опубликовали статью, и этим новым подходом уже заинтересовалась крупнейшая индийская компании Тата Стил.

Сегодня технология, разработанная Айтбером Бижановым, признана во всем мире, объемы производства брэксов неуклонно растут. Не требующая никакого высокотемпературного обжига, как при агломерации или производстве окатышей, технология дружественна по отношению к окружающей среде. На рынке оборудования появляется все больше компаний, производящих экструдеры. Созданием российского экструдера занимается как раз Айтбер Бижанов.