Ресурсо- и энергосбережение в металлургии

Основной причиной высокой энергоемкости промышленной продукции в России по сравнению с зарубежными странами являются устаревшие по современным стандартам технологии и соответственно технологические и тепловые агрегаты. Сам вывод не нов, но при этом, по различным причинам, все кампании по энергосбережению направлены в основном на решение только организационно-правовых вопросов. Видимо, в этой связи и термин «энергосбережение» стал обозначать с некоторых пор самостоятельное научно-техническое направление вне всякой связи с технологией, процессом, агрегатом. Энергосбережение в промышленном производстве всегда связано, по большому счету, с технологией процесса и заниматься энергосбережением – значит заниматься снижением затрат энергии любого вида на осуществление конкретного технологического процесса в конкретном технологическом или тепловом агрегате.

Значительное же сокращение энергоемкости металлопродукции может быть достигнуто только за счет внедрения передовых малоэнергоемких металлургических технологий. В силу различных субъективных и объективных причин металлургическая промышленность развитых стран еще в 50–60-е годы прошлого столетия пошла по пути интенсивного снижения энергоемкости продукции за счет применения современных малоэнергоемких технологий, в т.ч. созданных в нашей стране (непрерывная разливка стали, испарительное охлаждение и др.).

Сегодня металлургический комплекс России в балансе страны потребляет 30 % производимой электроэнергии, 25 % природного газа, 10 % нефти и нефтепродуктов. Удельный расход топлива на 1 т проката в России выше на 25,0 %, чем в Японии и на 37,5 %, чем в странах ЕС. Это связано как с использованием морально устаревших технологий и физически изношенной, выработавшей свой ресурс техники, так и с низким уровнем внедрения научных достижений в области энергосбережения и использования внутренних вторичных ресурсов.

Главная цель развития металлургической промышленности России – преобразование ее в динамично развивающуюся, высокотехнологичную, и конкурентоспособную отрасль, интегрированную в мировую металлургию в рамках международного разделения труда. Для достижения указанной цели главными задачами являются:

- техническое перевооружение действующего производства;

- внедрение современных энерго- и ресурсосберегающих экологически безопасных технологий.

Развитие отечественной металлургии в ХХI веке происходит в новых условиях:

1. Практически сформировались рынки сырья и топлива. Импорт сырья для производства металлов и экспорт продукции стал повсеместным явлением отечественной металлургии.

2. В мире происходит сокращение, а для некоторых регионов исчезновение месторождений чистых по примесям руд.

3. В России наблюдаются изменения экологических систем, что неизбежно приведет к смене приоритетов в технологической деятельности. Производительность, как главный приоритет в плановой экономике, уступит свое место энерго- и ресурсосбережению. Возрастут требования к экологической чистоте металлургического производства.

4. В ближайшие годы следует ожидать сокращения использования в металлургии природного газа.

5. В первой половине ХХI века производство черных металлов альтернативными способами не изменится. Об этом свидетельствует развитие черной металлургии на протяжении последних 20 лет, в течение которых доля черных металлов, производимых внедоменным путем в мире, не превышала 5-6 %.

Факторами, лимитирующими развитие черной металлургии в большинстве стран, в том числе и России, в настоящее время являются дефицит природных и энергетических ресурсов и загрязнение окружающей среды.

Сложные, энергоемкие, высокотемпературные, зачастую быстропротекающие физико-химические процессы получения чугуна, повышенные требования к экологической безопасности технологий и агрегатов, требуют проведения детального как предпроектного математического моделирования этих процессов, так и создания математических моделей реального времени для автоматизированных систем управления. Разработка новых технологий, математическое моделирование процессов возможны лишь на основе дальнейшего развития теории тепломассообменных процессов с учетом специфики пирометаллургических технологий.

Среди переделов современной черной металлургии доменное производство остается самым энергоемким, на долю которого приходится 40–50 % используемого в черной металлургии топлива. Одна из главных задач совершенствования доменного производства – сокращение расхода кокса – основного энергоносителя.

Пути совершенствования технологий доменного производства и результаты этой работы хорошо известны. На рубеже XXI века достигнуты рекордные показатели работы доменных печей по производительности, по удельному расходу кокса и углеводородных добавок – природного газа, мазута, пылеугольного топлива, по расходу кислорода и температуре дутья.

Достижение таких показателей обусловлено:

- применением окускованного и офлюсованного железорудного сырья с высоким, до 59–61 %, содержанием железа;

- применением металлизованных окатышей и брикетов;

- применением комбинированного дутья за счет обогащения воздушного дутья углеводородными добавками – природным газом, мазутом и пылеугольным топливом, а также кислородом;

- возможностями нагрева дутья до 1200–1300 °С и более;

- применением бесконусных загрузочных устройств, позволяющих легко регулировать распределение рудной нагрузки по радиусу печей;

- применением компьютерных информационно-управляющих систем, специальных средств измерения и контроля состояния доменной печи и параметров доменной плавки;

- работой на устойчивых кислых шлаках с последующей десульфурацией выплавляемого сернистого (до 0,06 %) чугуна;

- применением высококачественных огнеупоров и эффективных систем охлаждения.

Анализ себестоимости чугуна, выплавляемого на предприятиях России, показывает, что более 50 % затрат приходится на железорудную (агломерат, окатыши) часть шихты и металлодобавки и около 40 % на топливо (кокс и природный газ). При этом затраты на кокс составляют более 90 % общих затрат на топливо. Таким образом, генеральным направлением в политике энерго- и ресурсосбережения в технологиях выплавки чугуна является борьба за экономию кокса – наиболее дорогой и дефицитной составляющей доменной шихты. Эта политика отражает применение дополнительных видов топлива, как заменителей части кокса, и обогащение дутья кислородом. Результаты работы доменных печей на протяжении последних десятилетий подтверждают перспективность такой технологии.

Не следует пренебрегать и железорудной частью шихты. Однако проблемы, связанные с уменьшением удельного расхода железорудных составляющих шихты при выплавке чугуна, лежат за пределами доменного производства, так как в значительной степени они определяются химическим составом руд, условиями их добычи и обогащения, а также технологиями окускования в производстве железорудного сырья.

Основные направления развития мирового доменного производства в ХХI веке будут связаны с минимизацией расхода природных ресурсов и негативного влияния на окружающую среду за счет:

• технического оснащения доменных печей. Новыми высокоэффективными российскими техническими разработками, превышающими мировой уровень, являются воздухонагреватели Калугина и загрузочное устройство с роторным распределителем шихты. Созданный в России воздухонагреватель Калугина, по сравнению с лучшими зарубежными воздухонагревателями, имеет не только меньшую материалоемкость, но и расходы при его эксплуатации. Что касается загрузочных устройств, то в настоящее время отечественные доменные печи оснащены в основном устаревшими двухконусными аппаратами. Замена их бесконусными лотковыми и роторными загрузочными устройствами обеспечит рост производства чугуна и экономию кокса на 5–6 %;

• снижения энергозатрат на выплавку чугуна. Температура дутья находится в среднем по России на уровне 1100–1150 °С. При применении воздухонагревателей конструкции Калугина температура дутья может быть увеличена до 1400 °С, что позволит сократить расход кокса и повысить производительность печей на 5–8 %. В настоящее время в мире эксплуатируют 184 таких воздухонагревателей и 51 находятся в стадии проектирования и строительства. На металлургических комбинатах России не используются (за исключением ОАО «Северсталь» и ОАО «НТМК») энергия сжатого доменного газа для выработки электроэнергии, теплота дымовых газов воздухонагревателей, система испарительного охлаждения с выработкой пара технологических параметров, современная сухая очистка от пыли доменного газа и аспирационных отсосов;

• разработки инновационных технологий, расширяющих использование низкосортных руд, некоксующихся и слабококсующихся углей и отходов. Основным энергоносителем, замещающим 15–20 % кокса в России, является природный газ, цена которого непрерывно увеличивается и может достичь критического значения 0,7-0,8 от цены кокса за 1000 м³. В этих условиях использовать природный газ становится экономически невыгодным. Снижение стоимости чугуна может быть достигнуто за счет использования более дешевых энергоносителей и, в частности, за счет подачи в доменные печи пылеугольного топлива. Большинство доменных печей за рубежом работает с вдуванием пылеугольного топлива (в среднем 150 кг/т чугуна, а на лучших заводах до 240 кг/т чугуна), в первую очередь это заводы Японии и Западной Европы. При использовании пылеугольного топлива, как свидетельствует мировой опыт, уже в настоящее время достигнута экономия кокса 20–30 %, а в перспективе эта экономия может достичь 40–50 %. Не осуществляется в полной мере рециклинг железосодержащих отходов и др. Объективными факторами более высоких энергетических затрат в черной металлургии России являются низкое содержание железа в руде, повышенные затраты на ее обогащение и получение товарного концентрата. Так, среднее содержание железа в добываемой руде в России составляет 36 %, в Бразилии – 58 %, в Индии – 61 %, в ЮАР – 62 %, в Австралии – 64 %. В связи с этим особое внимание следует уделять утилизации отходов на предприятиях черной металлургии: окалины, сухой пыли и шлама газоочисток технологических газов, аспирационного воздуха. Полной переработке подлежат все текущие шлаки доменного, сталеплавильного и ферросплавного производств, выход которых составляет более 30 млн т/год. Все текущие и отвальные железосодержащие отходы следует полностью использовать в производстве, при этом мощности по переработке отходов должны быть рассчитаны на ликвидацию отвалов в течение 15 лет, что исключит загрязнение почвы и бассейнов рек тяжелыми металлами. Использование всех текущих и отвальных железоуглеродсодержащих отходов позволит сократить затраты на добычу, обогащение и транспортировку первородного железорудного сырья, исключить загрязнение почвы и бассейнов рек оксидами тяжелых металлов и другими вредными веществами;

• разработки и совершенствования технологии доменной плавки комплексных железных руд, в том числе титаномагнетитовых. На Урале и далее на восток железорудная база черной металлургии России представлена преимущественно рудами подобного типа – месторождения Медведевское, Копанское, Чинейское, Кручининское, Куранахское, Большой Сэйим, содержащие свыше 30 % запасов титана России. При разработке этих месторождений возникнут научно-технические проблемы извлечения из железованадиевых руд не только титана, но и железа и ванадия. Кроме того, при переработке руд по схеме «доменная печь – конвертер» потребуется совершенствование технологии доменной плавки с учетом повышения содержания соединений титана в доменном шлаке;

• разработки мер, направленных на продление кампании доменных печей до 20 и более лет. Разработка систем контроля состояния огнеупорной футеровки горна доменной печи получает все большее развитие. Также необходима разработка мер, направленных на управление формированием гарнисажа в нижней части доменной печи, например, путем введения в шихту титансодержащих материалов. Такие меры используются на доменных печах ряда стран мира;

• внедрения современных информационно-моделирующих систем, максимальное приближение управления доменным производством к автоматизированному. Отечественный и зарубежный опыт убедительно доказывает, что развитие предприятий металлургического комплекса, его техническое перевооружение, решение проблем качества и конкурентоспособности металлопродукции на мировом рынке требуют коренного совершенствования систем сбора, хранения, обработки, передачи и использования информации, применяемых как для управления технологическими процессами, так и для управления производством в целом. Период экономического финансового кризиса характеризуется нестабильным спросом на металлопродукцию, изменением условий снабжения предприятий железорудными материалами и коксом, а также изменением цен на сырье и железнодорожные тарифы. В период кризиса условия работы доменных цехов существенно изменились. Эти изменения приводят к необходимости частых перешихтовок и периодической остановке и переводу печей на тихий ход. Следует отметить, что анализ в целом состояния вопроса по реально используемым математическим моделям в практике технологии ведения доменной плавки показывает: в настоящее время разрыв между потенциальными возможностями средств автоматизации и реальными возможностями используемого программного обеспечения огромен. В связи с этим следует выделить научные и технические проблемы создания автоматизированного управления производством чугуна, первостепенными из которых являются:

- использование современных достижений в области математического моделирования, моделирования знаний, распознавания образов, теории и практики доменной плавки, теории управления при разработке автоматизированных систем управления;

- разработка на основе современных принципов соответствующего математического, алгоритмического и программного обеспечения;

- создание интегрированных интеллектуальных компьютерных систем поддержки принятия решений для управления как доменной печью, так и комплексом доменных печей цеха в целом.

Решение этих проблем возможно только при наличии финансовых средств, заинтересованности металлургических предприятий и интеграции интеллектуальных ресурсов вузов, НИИ, проектных институтов.

1. Все энергетические программы должны быть направлены, в первую очередь, не на обеспечение роста производства энергоресурсов, а на их экономное и рациональное использование. Для этого должны быть созданы соответствующие механизмы и условия, которые в настоящее время отсутствуют или практически не работают.

2. Проведение энергосберегающей политики в области пирометаллургии и в доменном производстве, в частности, разработка и реализация энергоэкологосберегающих технологий и агрегатов возможны только на основе теоретических представлений, базирующихся на фундаментальных науках, таких как математика, теплофизика, термодинамика и гидродинамика.

3. Одной из важнейших задач, решаемых научной школой металлургов-теплотехников, является развитие теплофизики процессов, теории тепломассообмена применительно к металлургическим технологиям. При этом на государственном уровне следует заинтересовать компании в реальной поддержке отечественных ведущих научных школ в области ресурсоэнергосбережения в промышленности (в металлургии, в частности). В противном случае не только развитие, но и сохранение отечественных ведущих научных школ, а также подготовка необходимого квалифицированного научного и инженерно-технического и производственного персонала, способного решать проблемы энерго- и ресурсосбережения в России, станет проблематичным.