4.2.1 Введение

Производство доменного кокса

Доменный кокс в основном используется для производства передельного чугуна в доменной печи. Кокс также применяется в других металлургических процессах, таких как производство литейного чугуна, ферросплавов, свинца и цинка, а также в обжиговых печах для производства извести и магния. Доменный кокс - это твердый продукт, получаемый карбонизацией угля (преимущественно коксующегося угля) при высокой температуре. Для него характерно низкое содержание влаги и летучих веществ. Коксующийся уголь - это битуминозный уголь с такими характеристиками, которые позволяют получать кокс, пригодный для использования в качестве сырья для доменной печи. Его высшая теплотворная способность составляет более 23865 кДж/кг (5700 ккал/кг) в пересчете на беззольное, но влажное вещество. Газ из камерных печей - это побочный продукт производства доменного кокса, предназначенного для выплавки чугуна и стали. На рисунке 4.2 показана технологическая схема производства кокса и связанных с ним выбросов CH₄ и CO₂.

Рисунок 4.2 Технологическая схема производства кокса

(выбросы учитывают в категории 1А сектора "Энергетика")

Примечание:

Жирные линии относятся к производству кокса на месте, на интегрированном предприятии по выплавке чугуна и стали. Пунктирные линии относятся к транспортировке на сторонние предприятия. Сторонние предприятия не включают интегрированные процессы производства чугуна и стали, которые считаются производством "на месте".

Обратите внимание, что газ из камерных печей можно сжигать с целью нагрева коксовых печей или транспортировать на интегрированный завод по производству чугуна и стали, а также использовать при производстве агломерата или чугуна. Газ из камерных печей можно также транспортировать за пределы предприятия (например, в систему распределения природного газа) и использовать в качестве энергетического источника. Сжигание кокса в доменных печах при производстве чугуна и стали сопровождается образованием доменного газа, который затем можно извлечь и транспортировать со сталелитейного завода на местный коксовый завод, чтобы сжечь в коксовых печах или использовать при производстве агломерата. Сжигание доменного газа и коксового газа - это основной источник выбросов CO₂ и CH₄ при производстве кокса.

Производство агломерата

Железную руду и другие железосодержащие материалы можно спекать на аглофабриках в рамках интегрированных металлургических предприятий перед загрузкой в доменную печь. Исходное сырье для аглофабрик может включать порошкообразные железные руды, добавки (например, известь, оливин) и железосодержащие материалы от последующих процессов производства чугуна и стали (например, пыль от процесса очистки доменного газа). Коксовая мелочь (мелкий кокс с размером частиц < 5 мм) - наиболее распространенный материал на аглофабриках. Коксовую мелочь можно получать на местных коксовых печах в составе интегрированного металлургического завода или покупать у стороннего производителя кокса. Доменный газ или газ из камерных печей, производимый на месте, в рамках интегрированного производства чугуна и стали, можно использовать на аглофабриках. Выбросы диоксида углерода на аглофабриках образуются в результате окисления коксовой мелочи и другого сырья. Отходящий газ от производства агломерата также содержит метан и другие углеводороды. На рисунке 4.3 показана технологическая схема производства агломерата.

Рисунок 4.3 Технологическая схема производства агломерата

Производство окатышей

Окатыши получают переработкой железосодержащего сырья (пылевидной руды и добавок) при очень высокой температуре. Они представляют собой шарики размером 9 - 16 мм. Процесс включает: размол, сушку, окатывание и термическую обработку сырья. Фабрики окатышей специально строят вблизи железных рудников или в грузовых портах, но также они могут располагаться внутри интегрированного металлургического комплекса. В качестве топлива на фабриках окатышей может использоваться природный газ или уголь; а на фабриках окатышей в рамках интегрированного металлургического комплекса может использоваться газ из камерных печей. Потребление энергии для процесса и связанные с этим выбросы CO₂ зависят частично от качества железной руды и другого сырья, используемого в процессе. Выбросы CO₂ также зависят от содержания углерода и теплотворной способности топлива, используемого в процессе.

Производство чугуна и роль кокса

Самые большие выбросы CO₂ в металлургической промышленности дает производство чугуна, а точнее - использование угля для превращения железной руды в железо. На рисунке 4.4 показана технологическая схема производства чугуна и связанных с ним выбросов. Углерод подается в доменную печь в основном в виде кокса, полученного из коксующегося металлургического угля (но также это может быть древесный уголь или другие формы углерода). Углерод имеет две функции в металлургическом процессе - в первую очередь это восстановитель в реакции восстановления оксидов железа до железа; он также является источником энергии, поскольку реакция углерода и кислорода сопровождается выделением тепла. Доменный газ образуется при сжигании кокса в доменных печах.

Рисунок 4.4 Технологическая схема производства

доменного чугуна

Обычно его извлекают и используют как топливо частично на самом заводе и частично в других металлургических процессах либо на электростанциях, оборудованных для его сжигания. Доменный газ также можно извлекать и транспортировать с металлургического предприятия на местный коксовый завод и сжигать в коксовых печах с целью получения энергии. Доменный газ можно также транспортировать за пределы предприятия или использовать как источник энергии для печей и для нагрева воздуха дутья. Газ кислородных конвертеров получают в качестве побочного продукта при производстве стали в кислородных конвертерах и извлекают после выхода газа из конвертера. Выбросы от использования углерода в доменных печах следует рассматривать как выбросы сектора ППИП.

Кроме того, железо можно получать в процессе прямого восстановления. Прямое восстановление заключается в восстановлении железной руды при температуре ниже 1000 °C до металлического железа в твердом состоянии. В процессе прямого восстановления образуется твердый продукт, который называется железом прямого восстановления (ЖПВ). В российской статистике до 2009 г. это - металлизированные окатыши и горячебрикетированное железо, после 2010 г. - окатыши и брикеты металлизированные. ЖПВ содержит менее 2% углерода. ЖПВ обычно используется вместо металлолома для получения стали в электродуговых печах. ЖПВ можно также переплавлять в брикеты (железо горячего брикетирования (ЖГБ)), если продукт приходится хранить или перевозить. Выбросы CO₂ от этих процессов можно оценивать исходя из потребления энергии и углеродного содержания топлива (природного газа, угля и т.д.).

Производство стали

Производство стали в кислородном конвертере начинается с загрузки расплава чугуна (70 - 90%) и стального скрапа (10 - 30%). Высокочистый кислород затем реагирует с углеродом чугуна с выделением тепла, которое расплавляет шихту, одновременно снижая содержание углерода. Чугун из доменных печей обычно содержит 3 - 4% углерода, которое должно снизиться до значений менее 1%; при этом железо очищается и сплавляется с добавками с образованием желаемой марки стали.

Производство стали в ЭДП обычно включает 100% загрузку вторичного стального скрапа и, на некоторых предприятиях, железа прямого восстановления, которая плавится с потреблением электроэнергии, прилагаемой к шихте через углеродные электроды; затем расплав очищается и сплавляется с добавками для получения стали желаемой марки. Хотя ЭДП могут входить в состав интегрированного предприятия, обычно они располагаются отдельно, поскольку в основном в качестве сырья используют скрап (стальной лом), а не чугун. Поскольку процесс ЭДП в основном один - плавка скрапа, без восстановления оксидов, то углерод не играет такой большой роли, как в доменном/конвертерном процессе. На большинстве ЭДП, работающих на скрапе, выбросы CO₂ связаны в основном с расходованием углеродных электродов. Все выбросы CO₂ от углерода, используемого в ЭДП и других сталеплавильных процессах, следует рассматривать как выбросы от ППИП. На рисунке 4.5 показана технологическая схема производства стали и связанных с ним выбросов.

Рисунок 4.5 Технологическая схема производства стали