Чи є місце доменній печі в умовах Європейського зеленого курсу?

Автору неодноразово доводилося стикатися з критикою технології відновлення залізорудних матеріалів у доменних печах для отримання чавуну з подальшим його конвертуванням у сталь. Найчастіше її недоліками називають неекологічність, застарілість і як аргумент наводять необхідність ліквідації доменного...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:Вісник НАН України
Datum:2024
1. Verfasser: Меркулов, О.Є.
Format: Artikel
Sprache:Ukrainisch
Veröffentlicht: Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2024
Schlagworte:
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/201813
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Чи є місце доменній печі в умовах Європейського зеленого курсу? / О.Є. Меркулов // Вісник Національної академії наук України. — 2024. — № 4. — С. 69-79. — Бібліогр.: 33 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859996006641303552
author Меркулов, О.Є.
author_facet Меркулов, О.Є.
citation_txt Чи є місце доменній печі в умовах Європейського зеленого курсу? / О.Є. Меркулов // Вісник Національної академії наук України. — 2024. — № 4. — С. 69-79. — Бібліогр.: 33 назв. — укр.
collection DSpace DC
container_title Вісник НАН України
description Автору неодноразово доводилося стикатися з критикою технології відновлення залізорудних матеріалів у доменних печах для отримання чавуну з подальшим його конвертуванням у сталь. Найчастіше її недоліками називають неекологічність, застарілість і як аргумент наводять необхідність ліквідації доменного виробництва в Україні. Причому про цю технологію висловлюються зі зневажливістю не лише представники громадськості, а й фахівці-металурги. З прийняттям курсу на декарбонізацію металургійного виробництва таке негативне ставлення лише посилилося. У статті зроблено спробу привернути увагу до унікальності й переваг доменної плавки, її ефективності, багатофункціональності та обґрунтувати доцільність збереження і розвитку цієї технології в умовах «зеленого» курсу. The author has repeatedly had to face criticism of the technology of iron ore materials reduction in blast furnaces to produce pig iron with its subsequent conversion into steel. There are reproaches against it on the subject of environmental unfriendliness, prehistoric technology and the need to liquidate blast furnace manufacturing in Ukraine. Moreover, contempt is shown not only by common people, but also by metallurgical specialists, and with the adoption of the course for decarbonization of metallurgical production this negative attitude has only increased. The publication of this article is an attempt to draw attention to the uniqueness of blast furnace smelting, its efficiency, multifunctionality, as well as the need for its preservation and development under the European Green Deal.
first_indexed 2025-12-07T16:34:27Z
format Article
fulltext ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2024, № 4 69 ЧИ Є МІСЦЕ ДОМЕННІЙ ПЕЧІ В УМОВАХ ЄВРОПЕЙСЬКОГО ЗЕЛЕНОГО КУРСУ? Автору неодноразово доводилося стикатися з критикою технології віднов- лення залізорудних матеріалів у доменних печах для отримання чавуну з подальшим його конвертуванням у сталь. Найчастіше її недоліками нази- вають неекологічність, застарілість і як аргумент наводять необхідність ліквідації доменного виробництва в Україні. Причому про цю технологію висловлюються зі зневажливістю не лише представники громадськості, а й фахівці-металурги. З прийняттям курсу на декарбонізацію металургійно- го виробництва таке негативне ставлення лише посилилося. У статті зро- блено спробу привернути увагу до унікальності й переваг доменної плавки, її ефективності, багатофункціональності та обґрунтувати доцільність збереження і розвитку цієї технології в умовах «зеленого» курсу. Ключові слова: доменна піч, доменний процес, викиди СО2, чавун, сталь. Еволюція доменної плавки. Виникнення доменного виробни- цтва відносять зазвичай до середини ХIV ст. Цьому передував майже 25-віковий період (з II тис. до н.е.) отримання заліза сиродутним способом (рис. 1), який можна вважати передіс- торією доменного виробництва. Розгорнутий опис сиродут- ного процесу наведено в багатотомному, добре ілюстрованому трактаті «Про метали» німецького вченого-енциклопедиста Георга Бауера (1494—1555). У ХХ ст. сутність цього процесу найбільш докладно викладено в працях Д.К. Чернова [1] і ака- деміка О.О. Байкова [2]. З розвитком людської цивілізації зростання потреби в мета- лах приводило до збільшення розмірів печей, зокрема й їх ви- соти. Зі збільшенням висоти зростала область помірних тем- ператур, де відбувається відновлення оксидів заліза газом. У результаті шлак збіднювався оксидами заліза, збільшувалася його температура і зменшувався окисний вплив на вуглець у металі, що сприяло зниженню температури плавлення металу й переходу від одержання твердої губчастої маси — криці до отримання рідкого металу. Логіку цього переходу добре описано у Д.К. Чернова: «Уявимо собі тепер, що розміри печі зростають, що кількість палаючого вугілля збільшується, що замість маленького міху doi: https://doi.org/10.15407/visn2024.04.069 МЕРКУЛОВ Олексій Євгенович — доктор технічних наук, заступник директора з наукової роботи Інституту чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України 70 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2024. (4) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ працює великий, навіть кілька міхів, що об- ласть високої температури в поясі горіння зна- чно розширюється. Уявимо, що ми маємо перед собою вже шахтну піч значної продуктивності, так звану «блауофен», і подивимося, що там відбуватиметься. Газ вуглецевого окису, що піднімається вгору по шахті, так само як і в сиродутному горні, відновлює залізо з руди; але внаслідок розши- рення області високих температур відновлен- ня заліза закінчується, коли воно ще далеко від поясу горіння. Просуваючись потім між розпе- ченим вугіллям у ділянку фурми, де відбуваєть- ся остаточне зварювання залізної губки, залі- зо дотикається до вугілля під заслоною окису вуглецю, густо поширеного по всьому жаркому району, і встигає настільки обвуглецюватися з поверхні кусків, що деяка частина його пере- творюється на чавун. І як більш легкоплавкий, ніж залізо, чавун оплавляється з поверхні за- лізних шматків при наближенні до фурми та стікає на под печі, решта ж маси заліза зва- рюється в загальну крицю. І дійсно, вже в біль- ших штучних печах став утворюватися в не- великих кількостях чавун, який випливав з печі разом зі шлаками, які спускаються перед добу- ванням криці. В «блауофенах» це явище значно посилилося; мало того, вже в цих печах можна було одержувати майже все залізо у вигляді чавуну — варто було лише відсунути фурму ближче до зовнішньої поверхні печі, зменшити рудну колошу й підсилити дуття. При переході до печей, які постійно дають чавун, «флософе- нів» і «гохофенів», тобто до доменних печей, за- лишалося пройти виробленим досвідом шляхом, тобто ще більшим розширенням області висо- кої температури біля фурм, звуженням горна, висуванням фурм назад до стінки печі, ще біль- шим зменшенням рудної колоші й подальшим посиленням дуття тепер уже забезпечувалося постійне одержання лише чавуну й шлаку, без шматків заліза, що не перейшло в чавун. Економічний бік виробництва через це дуже багато вигравав. Тепер хід печі став безперерв- ним; відпала потреба обмежувати завалку печі лише такою кількістю, яка відповідає найбіль- шій величині криці, яку можна добути з горна (як це було, наприклад, у штучних печах), і щоразу зупиняти піч для нового завантажен- ня; обидва одержувані продукти — і чавун, і шлак — виливаються з печі, не потребуючи та- кої важкої праці кількох людей, як при вийманні криці. Втрата теплоти, що розвивається горін- ням палива, доведена тепер до мінімуму. Якщо уявимо собі високу піч, а нині її можна зроби- ти дуже високою, то побачимо, що продукти горіння, піднімаючись через шматки руди й вугілля, які лежать у шахті, можуть віддати їм майже всю свою теплоту, відновити наяв- не в руді залізо й вийти з печі вже дуже сильно охолодженими. Збільшуючи висоту печі, можна дійти до того, що віддача теплоти холодному матеріалу, який знову закидається, може бути доведена до повної досконалості. Незручність тут полягає насамперед у тому, що гази вже будуть не в змозі проходити так вільно через дуже високий і ущільнений стовп, і в такому разі потрібно значно збільшувати тиск дуття, а на це необхідно витрачати більшу механічну силу, що й урівноважує вигоду від заощадження теплоти в печі» [1]. Перехід від домниць до більш високих до- менних печей (від слова «дменіє» — дуття) міг відбутися лише в разі посилення повітродув- них засобів. Приблизно з XIII ст. для руху мі- хів почали використовувати водяне колесо. У середині XVI ст. замість клинчастих міхів уже застосовували дерев’яні ящикові з поршнем. Збільшення інтенсивності горіння деревно- Рис. 1. Схема сиродутного горна (домниці): 1 — кам’яна кладка; 2 — ущільнений шар глини; 3 — обмазка з вог- нетривкої глини; 4 — робочий простір горна; 5 — шла- кова льотка; 6 — криця; 7 — зона горіння вугілля ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2024, № 4 71 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ го вугілля сприяло підвищенню температури горна. Тому поряд із залізною губкою, а потім замість неї, стали виплавляти рідке вуглецеве залізо. Знадобилося кілька віків, щоб виробити під- ходи до перероблення чавуну в кричних горнах і з’ясувати, що одержання рідкого вуглецевого металу в домницях і окисне перероблення його в горнах вигідніше, ніж сиродутний процес, як щодо продуктивності, так і щодо добування заліза й витрат вугілля, тому не можна чітко сказати, в якому саме столітті виникло домен- не виробництво. Джон Персі писав, що «на- прикінці XII або на початку XIII ст. відбулося ключове для залізної справи відкриття — це відкриття чавуну». Найбільш давнім свідчен- ням виробництва чавуну в Англії вважають чавунну дошку XIV ст. Перші чавунні гармати в Британії з’явилися в середині XVI ст. Акаде- міки М.О. Павлов і О.О. Байков відносять ви- никнення доменного виробництва до XIII ст., відомий історик металургії Л. Бек — до XV ст.; в американській літературі появу доменного виробництва пов’язують з другою половиною XIV ст. Переломним моментом у розвитку домен- ного виробництва стало застосування коксу замість деревного вугілля. Необхідність такої заміни була спричинена зростанням потреби в металі в період розвитку промислового капіта- лізму, а також виснаженням лісових ресурсів у країнах Західної Європи, насамперед у Брита- нії, яка тоді за промисловим розвитком зали- шила інші країни далеко позаду. Заміна деревного вугілля на кокс потре- бувала переходу на більш основні шлаки для отримання металу з меншим вмістом сірки, необхідність чого було встановлено емпірич- но в результаті довготривалих пошуків. Газо- проникність стовпа плавильних матеріалів у доменних печах з використанням коксу зна- чно погіршилася, а тому знадобилося підси- лити повітродувні засоби. Тільки після того, як у металургії почали застосовувати парові повітродувні машини Джеймса Ватта (1775— 1776), доменне виробництво на коксі почало розширюватися в Англії. Отже, опанування плавки чавуну на коксі тривало близько двох століть: слід було пере- конатися в непридатності сирого кам’яного вугілля для виплавки чавуну, освоїти вироб- ництво міцного коксу, визначити види коксів- ного кам’яного вугілля і розробити способи коксування, винайти методи видалення сірки з металу в шлак і, нарешті, замінити водяні пові- тродувні машини на більш потужні парові. У подальшому важливими віхами розвитку доменного виробництва стали такі впрова- дження, як нагрівання дуття, вдування вугілля і природного газу у фурми печей, винахід за- сипного апарату «воронка-конус» тощо. Осно- вні ознаки сучасної доменної плавки сформу- валися до кінця XIX ст. До цього часу в біль- шості розвинених країн завершився перехід на мінеральне паливо — кокс, а конструкція доменної печі набула форми, яка принципово не відрізнялася від нинішньої (рис. 2). Розвиток доменної плавки протягом XX ст. привів до зростання об’єму печей до 5500— 6000 м3, збільшення в 3—4 рази їх питомої про- дуктивності, скорочення в 2—3 рази питомої витрати коксу. Впровадження нових заходів із Рис. 2. Схема сучасної доменної печі: 1 — скіповий підйомник (конвеєр); 2 — завантажувальний пристрій; 3 — шахта печі; 4 — фурма для дуття; 5 — шлаковоз; 6 — чавунна льотка; 7 — чавуновоз; 8 — система газо- відведення; 9 — система газоочищення; 10 — повітро- нагрівачі 72 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2024. (4) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ вдосконалення процесу дозволило поліпши- ти його показники і досягти питомої продук- тивності 3,5—4,0 т/м3 на добу та витрат кок- су 250—300 кг/т чавуну, що наближається до граничних можливостей доменної плавки за умови газопроникності найбільш напруженої зони печі — зони фільтрації рідких продуктів плавки крізь кокс [3]. Більшість еволюційного шляху доменної плавки вже пройдено, і подальше вдоскона- лення процесів (як, до речі, це буває і в усіх інших складних технічних системах) наштов- хується на дедалі зростаючі труднощі, природу яких можна описати як окремий випадок зна- менитого принципу Окермана—Павлова [4]: «Будь-яка причина, що зменшує витрати тепла в доменній плавці, дає тим більше заощаджен- ня палива, чим меншим був коефіцієнт корис- ної дії тепла в доменній печі». Уповільнення темпів поліпшення показників плавки зумов- лене зменшенням ефективності, що припадає на одиницю витрат ресурсів, у міру того, як вдосконалюються процеси доменної плавки. Для порівняння ефективності теплової роботи доменної печі в табл. 1 наведено коефіцієнти корисної дії деяких агрегатів. Доменна плавка — одна з небагатьох про- мислових технологій, включно з процесами й агрегатами, що попри всі технічні революції зберегла свою сутність і значущість. Цей фе- номен заслуговує на особливий розгляд з по- зицій його специфіки та системних властивос- тей, що забезпечують його стійкість у динаміч- ному промисловому середовищі. Протитечійний принцип технології, реалі- зовуваної в закритому агрегаті шахтного типу, дозволяє забезпечити максимальну утилізацію підведеної енергії в основній системі й просто- ту використання відведених продуктів. Завдяки наявності в нижній частині до- менної печі коксової насадки ця технологія має унікальну, характерну лише для неї, осо- бливість: поєднання в одному агрегаті трьох фазових станів шихти (твердого, рідкого й розм’якшеного), що перебуває в протитечії з газом. Якби постало завдання розробити поді- бну технологію, воно могло б видатися техніч- но нереалістичним, але ж доменна плавка існує. Причому процес доменної плавки в сучасних агрегатах характеризується високою стійкістю при довгочасно безперервному режимі роботи, що було досягнуто в результаті тривалого ево- люційного розвитку, під час якого закріплю- валися і вдосконалювалися переваги шахтної протитечії. Наприклад, відома двоступінчаста схема теплообміну в доменній печі [10] забез- печує гнучкість технології в разі змінення ре- жимів і стійкість процесів до зовнішніх впли- вів завдяки наявності «резервної зони», яка «пом’якшує» теплові відхилення. Це властиво також процесам відновлення оксидів, форму- вання коксової насадки, змінення агрегатного стану матеріалів тощо. Отже, доменну плавку можна порівняти з технічним «організмом», у якому явища різної фізичної природи поєднані спільними цілями функціонування. І цей «організм» характери- зується неадитивністю, тобто до властивостей його складових частин, як правило, додаються системні властивості, притаманні організму в цілому і сформовані в ході еволюції. Саме тому спроби підвищити ефективність одержання металу «розчленовуванням» агре- гату на більш прості частини — твердофазну (шахту), рідкофазну (горно) — з метою отри- мати вигоду в паливовикористанні не дають позитивних результатів. Досягнення очіку- ваних переваг породжує нові проблеми, вирі- шення яких потребує додаткових витрат, що зводить нанівець усі докладені зусилля. Твердофазне відновлення в шахтній печі призначене для одержання високоякісної сталі з чистих руд. Через це обсяг виробництва тако- го металу регламентований, а витрати енергії Таблиця 1. Коефіцієнти корисної дії деяких агрегатів Агрегат ККД, % Теплова електростанція [5] 45 Двигун внутрішнього згоряння [6] 40 Сонячна панель [7] 31,8 Дугова сталеплавильна піч [8] 60 Доменна піч [9] 85 ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2024, № 4 73 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ перевищують аналогічну величину в масовій металургії внаслідок використання електро- енергії, отримання якої потребує в 3—4 рази більших витрат первинного палива. Необ- хідність захисту металізованого продукту від окиснення звужує сферу його використання. Процес рідкофазного відновлення перед- бачає повну заміну коксу й підготовленої за- лізорудної сировини некоксівним вугіллям та низькосортною сировиною. Однак витрати первинної енергії в разі рідкофазного віднов- лення (включно з енергією, необхідною для виробництва кисню) перевищують величину енергії в традиційному агло-коксо-доменному процесі сучасного технічного рівня [11]. Це зумовлено тим, що з технології рідкофазного відновлення виключено найбільш досконалий спосіб теплозасвоєння — шахтну протитечію. Викид же гарячих газів (1500—1800 °С) за межі технологічного процесу нічим не компенсуєть- ся, а утилізація цього тепла можлива лише на рівні вторинних ресурсів за значно меншого, ніж у доменній печі, ККД. До того ж у процесі рідкофазного відновлення ступінь вилучен- ня заліза в чавун є меншим, ніж у доменній плавці, а супутні важковідновлювані елементи практично повністю переходять у шлак. Отже, автономні агрегати, які по суті є фраг- ментами доменної печі, не мають переваг у виробництві масового металу. Енергетичні, екологічні, економічні характеристики та інте- гральні оцінки малококсівної доменної плавки перевершують характеристики всіх відомих способів прямого одержання заліза. До них наближається лише COREX-процес, у якому збережено основні переваги доменної плавки. Зважаючи на зазначені вище причини, до- менна піч залишається визначальним техно- логічним модулем чорної металургії, розвиток якого визначає стан усього металургійного комплексу. Подальша еволюція доменної плав- ки пов’язана з переходом на безкоксівне одер- жання металу з повною заміною коксу. Такий розвиток доменної плавки в разі раціонально- го і некон’юнктурного підходу настільки зміц- нює її позиції в металургії, що в осяжній пер- спективі альтернатив їй не проглядається. Характеристика продуктів доменної плав- ки. Найбільша у світі доменна піч (BF — blast furnace) виробляє за добу близько 15 000 т чавуну, 5000 т шлаку і 22 млн м3 доменного газу з теплотою згоряння 4,5 МДж/м3. Біль- ша частина рідкого чавуну конвертується в сталь із використанням базової кисневої печі (BOF — basic oxygen furnace), решта розлива- ється в чушки. Шлак переробляють на буді- вельну продукцію: гранульований шлак (гран- шлак), щебінь, пемзу, мінеральну вату, литво, бруківку, високоглиноземистий щебінь та ін. Газ, який виходить з доменної печі, має тиск від 0,16 до 0,4 МПа й температуру від 120 до 250 °С, і зазвичай енергія доменного газу втра- чається при зменшенні тиску в мембранному клапані. Одним зі способів використання енер- гії доменного газу є встановлення газової ути- лізаційної безкомпресорної турбіни (ГУБТ), або турбодетандерної установки. Блок ГУБТ найчастіше встановлюють у нижній частині газоочисного обладнання печі. Застосування ГУБТ — це базове енергоощадне рішення для доменної печі. Використовуючи енергію тис- ку відпрацьованого газу, установка може ви- робляти електроенергії до 80 кВт·год/1000 м3 доменного газу. Обсяг виробленої електричної енергії може становити близько 30 % загаль- них електроенергетичних потреб для роботи всього обладнання доменної печі. Доменний газ, що виходить із ГУБТ, можна також ви- користовувати як паливо на металургійному заводі. Багатофункціональність доменної плавки. Вдосконалення технології доменної плавки й поліпшення конструкції агрегату (доменної печі) завжди було спрямоване на підвищен- ня ефективності виплавки чавуну масового призначення. Інші функції були супутніми і, як правило, не впливали на цільові завдання виробництва. Проте здавна в доменних печах успішно виплавляють феросплави [12—15] і високоглиноземистий шлак для одержання цементу, а виробництво опалювального (до- менного) газу пов’язує всю енергетику мета- лургійного підприємства в єдиний комплекс, у центрі якого — доменне виробництво. Тому 74 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2024. (4) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ технологію доменної плавки та конструкцію кожної доменної печі адаптовано до вико- нання ще й супутніх завдань, крім її головної функції — одержання переробного й ливарно- го чавуну, а також до досягнення деяких інших металургійних цілей. Доменна плавка за будь-яких цільових за- вдань супроводжується виробництвом газо- подібного палива — доменного газу, а тому доменна піч є найважливішим енергетичним агрегатом металургійного комплексу. Харак- терно, що розвиток металургійної функції йде шляхом скорочення витрат палива та підви- щення ступеня його використання в печі, від- повідно, зменшуються обсяги і теплотворність доменного газу. При цьому вбачається, що роз- виток енергетичної функції відбуватиметься за такими двома напрямами: 1) автономізація технології виробництва відновлюваного й опалювального газів, що до- сягається переведенням окремих доменних пе- чей у режим газогенераторів на основі некок- сівних видів вугілля [16]; 2) організація у доменних печах виробни- цтва феросплавів і спеціальних шлаків, за яко- го енергетична складова технології зростає за- вдяки збільшенню теплотворності й кількості газу на одиницю сплаву. Однією із супутніх функцій доменної плав- ки є утилізація твердих відходів [17], перетво- рення яких у доменній печі є більш глибоким, ніж в інших агрегатах: оксиди переходять у ме- тал і шлак, а вуглець і вуглецевмісні компонен- ти — в газ, причому фільтрація газу через стовп шихти може бути керованою щодо поглинання низки компонентів, зокрема й шкідливих речо- вин. Ефективність утилізації найбільшою мі- рою залежить від підготовки відходів. Залізо- і вуглецевмісні відходи металургії легко утилі- зуються їх безпосереднім додаванням до агло- мераційної шихти. Цей шлях утилізації можна реалізувати й для відходів інших виробництв, а також для побутових відходів в разі їх відпо- відної підготовки. Деякі відходи в подрібне- ному стані можна використовувати разом із пиловугільним паливом. Дозування відходів при подачі в шихту залежить від особливостей їх підготовки та вмісту різних речовин, насам- перед шкідливих. Наприклад, навряд чи мож- на орієнтувати технологію плавки тільки на утилізацію твердих побутових відходів, про- те подача їх невеликими партіями в доменну Рис. 3. Порівняння різ- них технологій за рівнем викидів вуглекислого газу; питомі прямі й не- прямі викиди наведено в т СО2/1 т сталі [22] Таблиця 2. Вплив різних паливних добавок до дуття доменної плавки на емісію СО2 (PCI — пиловугільне паливо; NG — природний газ; COG — коксовий газ; Н2 — водень) PCI 250 кг/т NG 160 кг/т COG 130 кг/т H2 45 кг/т –11 % –15 % –15 % –30 % З урахуванням попереднього нагрівання паливних добавок –44 % –40 % –32 % –31 % ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2024, № 4 75 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ піч, яка працює в режимі газифікації вугілля, цілком реальна в разі належного опрацювання методу підготовки та вивчення поведінки ком- понентів в умовах печі. Загалом конкретні варіанти технології до- менної плавки містять, як правило, всі три функції — металургійну, енергетичну та еколо- гічну, але різняться їхніми пріоритетами [18]. Доменна піч як джерело утворення СО2. У структурі глобальних викидів СО2 частка металургії становить 6 % і поступається енер- гетиці (39 %), транспорту (23 %) і домашнім господарствам (9 %) [19]. У доменному ви- робництві чавуну утворюється 1,3 т СО2 на 1 т сталі. На другому місці за рівнем викидів вуглекислого газу стоїть коксохімічний завод (0,3 т СО2 на 1 т рідкої сталі). Викиди СО2 кок- сохімічного заводу пов’язані з високотемпера- турним нагріванням коксівного вугілля, яке на 100 % складається з вуглецю. На третьому місці за викидами СО2 — фабрики агломерації й огрудкування (0,2 т СО2 на 1 т рідкої сталі) [20]. У табл. 2 наведено дані [21], що ілюструють ефективність застосування різних паливних добавок до дуття доменної плавки з урахуван- ням їх максимальної засвоюваної кількості на викиди CO2. Порівнюючи різні промислові техноло- гії одержання сталі за рівнем викидів СО2 (рис. 3), можна дійти висновку, що технологіч- ний маршрут доменна піч — кисневий конвер- тер (BF-BOF) має значний резерв щодо змен- шення викидів вуглекислого газу до значень, зіставних з рівнем викидів у технологіях пря- мого відновлення заліза, що дозволяють отри- мувати альтернативну металобрухту сировину для електродугових печей: металізовані окати- ші (Direct Reduced Iron — DRI) і гарячебрике- товане залізо (Hot Briquetted Iron — HBI). Процес уловлювання й утилізації СО2, що міститься в доменному газі (Carbon capture and use — CCU), передбачає, що вуглекислий газ не просто утримується в спеціальних схо- вищах, а використовується в інших виробни- чих процесах (наприклад, у виробництві мета- ну або полімерів). Отже, перевага технологій CCU полягає в підвищенні економічної до- цільності вловлювання СО2. На рис. 4 наведено концептуальну схему до- менного процесу з використанням технології рециркуляції вуглецю [23]. Перевагою такого підходу є те, що процес не призводить до збіль- шення викидів СО2, оскільки вуглець, утво- рений з відновника, не викидається за межі системи, а повторно застосовується у вироб- ництві. Витрати коксу для одержання 1 т ча- вуну зменшуються завдяки вдуванню синтезо- ваного з CO2 вуглецьнейтрального відновника у фурми доменної печі, аналогічно пилоподіб- ному вугіллю, яке вже давно використовують у доменних печах. З можливих відновників, синтезованих з CO2, було обрано метан (CH4), технологію синтезу якого з CO2 і Н2, відому під назвою «метанування», відкрив на початку ХХ ст. Поль Сабатьє. Як видно з рівняння цієї хіміч- ної реакції CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O + 165 кДж/моль, вона є екзотермічною і супроводжується по- рівняно значним виділенням тепла. З 2013 р. в компанії Etogas Power [24] працює промис- лова установка метанування, що використовує CO2, виділений з біогазу, і водень, отриманий електролізом води. Рис. 4. Схема доменного процесу з використанням технології рециркуляції вуглецю 76 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2024. (4) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ Є також промисловий досвід рециркуляції очищеного від СО2 і H2O підігрітого домен- ного газу з киснем для спалювання коксу [25]. Очищення відбувається за допомогою моное- таноламіну та інших реагентів. Економія коксу при цьому становить 25 %, а підвищення про- дуктивності — 11 %. Пізніше випробування но- вої технології та вивчення параметрів плавки було проведено на експериментальній домен- ній печі LKAB [26, 27]. Чи не ставимо ми віз поперед коня? Неваж- ливо, чия точка зору в суперечці щодо фактора найбільшого впливу на зміну клімату — чи то промислова діяльність людини, чи то прецесія земної осі — виявиться в підсумку істиною, але очевидно, що «зелений» енергетичний перехід необхідний, і він приведе до повної структур- ної трансформації економіки. Ці зміни стосу- ються й металургії, яка відіграє ключову роль у процесі декарбонізації. Для «зеленого» пере- ходу потрібна «зелена» сталь, або, інакше ка- жучи, металургія потребує декарбонізації, але й декарбонізація інших галузей залежить від металургії. Згідно з даними ArcelorMittal, бу- дівництво 1 МВт потужностей сонячної елек- тростанції вимагає від 35 до 45 т сталі, вітрової електростанції — від 120 до 180 т [28]. Тому де- карбонізація галузей енергетики й транспорту, як основних джерел викидів СО2, має відбува- тися паралельно з декарбонізацією металургії, щоб забезпечити можливість руху в одному напрямку. Тим більше, що технології виробни- цтва сталі з низькими викидами СО2 так і не набули поширення, оскільки вони потребують вищих виробничих витрат. Так, порівняно з традиційним маршрутом доменна піч—кон- вертер (BF-BOF) виробництво тонни сталі за низьковуглецевими технологіями буде на 80 % дорожчим [29]. Ця обставина також свідчить на користь збереження й модернізації техно- логічного маршруту BF-BOF як мінімум доти, доки викиди СО2 в енергетиці й на транспор- ті не зменшаться до зіставних з металургією значень. Використання раціонального і системного підходу можна продемонструвати на прикладі металургії Японії. За даними на 2021 р., Япо- нія, яка не має власного видобутку руди, вугіл- ля й газу, посідає 3-тє місце у світі з виплав- ки сталі (96,3 млн т), отриманої переважно за маршрутом BF-BOF [30]. Більшу частину ре- сурсів для виплавки чавуну Японія імпортує з Австралії (28-ме місце у світовому рейтингу виробників сталі з показником 5,8 млн т). При цьому в стратегії розвитку найбільшої мета- лургійної корпорації Японії Nippon Steel [31] немає планів відмовитися від маршруту BF- BOF, на відміну від, наприклад, української металургійної компанії Metinvest [32]. На- впаки, Японська федерація чавуну й сталі [33] просуває таку думку: незважаючи на те, що у виробництві сталі доменна піч (BF) для від- новлення залізної руди справляє сильніший вплив на навколишнє середовище, ніж метод плавки сталевого брухту в електродуговій печі (EAF), маршрут BF-BOF створює сталеву продукцію, в результаті експлуатації якої утво- рюється брухт, переробка якого в кінцевому підсумку приводить до загального скорочення викидів CO2. Оскільки ефект переробки ме- талобрухту компенсує викиди CO2 у процесі BF-BOF, сукупний вплив маршрутів BF-BOF і EAF на навколишнє середовище є таким са- мим, як і в разі багаторазової переробки сталі [31]. Цей підхід відображено в японському стандарті JIS Q 20915 «Life cycle inventory of steel products». Висновки. Розглядаючи доменну плавку в широкому діапазоні її функціональних мож- ливостей, слід характеризувати цей модуль як універсальну технологію, в якій домінування окремих функцій задається вимогами до про- дуктів і залежить від шихтових, дуттєвих та інших умов. Отже, доменна плавка, як багато- функціональна технологія, може бути орієнто- ваною на режими, в яких домінує одна з функ- цій: металургійна, енергетична чи екологічна. Перша з них передбачає виробництво металу й шлаку заданих складів і властивостей. У цій функції домінує виплавка переробного чавуну. Енергетична функція означає, що доменна піч працює як газовиробний апарат і є потужним газогенератором з рідким шлаковидаленням. Екологічна функція полягає в утилізації від- ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2024, № 4 77 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ ходів, зокрема й тих, що містять марганець, титан, хром, ванадій, рідкісноземельні метали і кількість яких нині не контролюється. Така утилізація може бути перетворена на керова- ний процес з максимальним добуванням ко- рисних компонентів. Часто можна почути, що використання до- менного процесу критикують через його заста- рілість, проте подібні закиди є безпідставними і ґрунтуються лише на анахронічності сприй- няття доменної плавки без урахування її бага- тофункціональності й ефективності. Наявна в Україні структура первинного одержання металу за маршрутом BF-BOF сформувалася в процесі промислової еволюції й зумовлена високими позиціями у світі за розвіданими запасами залізної руди (18 %), загальними за- пасами марганцевої руди (12 %), доведеними запасами вугілля (3,8 %), а також розвиненою транспортною мережею (залізниця, порти) та промисловою й науковою спадщиною УРСР. Зазначені фактори визначають основну схему виробництва сталі для умов України: видобу- ток руди — виплавка чавуну в доменній печі (BF) — переробка чавуну в сталь у кисневому конвертері (BOF). Це становить основу про- мислової незалежності України, яка при цьо- му, безперечно, має доповнюватися розвитком нових технологій, спрямованих на ресурсо- і енергоощадність поточної структури металур- гійного виробництва. Автор присвячує цю статтю пам’яті док- тора технічних наук, професора Йосипа Гри- горовича Товаровського, який, на жаль, пішов у засвіти в 2020 р. В основу публікації покладено сформульовані ним принципи пізнання та ево- люції доменної плавки. REFERENCES [СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ] 1. Chernov D.K. About direct production of ingot iron and steel in the blast furnace. In: D.K. Chernov i nauka o metal- lakh [D.K. Chernov and Science of Metals]. Leningrad, Moscow, 1950. P. 307—327 (in Russian). [Чернов Д.К. О прямом получении литого железа и стали в доменной печи. В кн.: Д.К. Чернов и наука о металлах. Ленинград, Москва, 1950. С. 307—327.] 2. Baikov A.A. Izbrannyye trudy [Selected works]. Moscow, 1961. P. 6—9 (in Russian). [Байков А.А. Избранные труды. Москва, 1961. С. 6—9.] 3. Yusfin Yu.S., Chernousov P.I., Travyanov A.Ya. Determination of the minimum possible coke consumption for blast- furnace smelting. Metallurgist. 1998. 42(4): 124—128. https://doi.org/10.1007/BF02765163 4. Pavlov M.A. Metallurgiya chuguna [Metallurgy of cast iron]. Part 2. Domennyy protsess [Blast Furnace Process]. Mos- cow, 1949 (in Russian). [Павлов М.А. Металлургия чугуна. Ч. 2. Доменный процесс. Москва: Металлургиздат, 1949.] 5. Global CCS Institute. Efficiency in Thermal Power Generation, Energy efficiency technologies: overview report. 1 March 2014. https://www.globalccsinstitute.com/resources/publications-reports-research/energy-efficiency- technologies-overview-report/ 6. Dahham R.Y., Wei H., Pan J. Improving Thermal Efficiency of Internal Combustion Engines: Recent Progress and Remaining Challenges. Energies. 2022. 15(17): 6222. https://doi.org/10.3390/en15176222 7. LONGi announces the new efficiency of 31.8% for perovskite/crystalline silicon tandem solar cells based on com- mercial CZ silicon wafers. 26.05.2023. https://www.longi.com/en/news/new-efficiency-of-solar-cells/ 8. Lee B., Sohn I. Review of innovative energy savings technology for the electric arc furnace. JOM. 2014. 66: 1581— 1594. https://doi.org/10.1007/s11837-014-1092-y 9. Tovarovskiy I.G. Poznaniye protsessov i razvitiye tekhnologii domennoy plavki [Knowledge of processes and develop- ment of blast furnace smelting technology]. Dnepropetrovsk, 2015 (in Russian). [Товаровский И.Г. Познание процессов и развитие технологии доменной плавки. Днепропетровск: Журфонд, 2015.] 10. Kitaev B., Yaroshenko Y., Lazarev B. Teploobmen v domennoy pechi [Heat transfer in blast furnace]. Moscow, 1966 (in Russian). [Китаев Б.И., Ярошенко Ю.Г., Лазарев Б.Л. Теплообмен в доменной печи. Москва: Металлургия, 1966.] 78 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2024. (4) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ 11. Tovarovskiy I.G. Comparison of fuel consumption in blast furnace smelting and Romelt liquid-phase reduction pro- cess. Steel in Translation. 1998. 28(12): 6—13. 12. Babanakov V.V., Pavlov V.V., Zaitsev V.A. et al. Smelting of blast furnace ferromanganese in conditions of JSC “Nos- ta”. In: Proceedings of the V Congress of Blast Furnace specialists. Dnepropetrovsk, 1999. P. 322—326 (in Russian). [Бабанаков В.В., Павлов В.В., Зайцев В.А. и др. Выплавка доменного ферромарганца в условиях ОАО «Носта». В кн.: Труды V конгресса доменщиков. Днепропетровск: Пороги, 1999. С. 322—326.] 13. Babanakov V.V., Borodulin A.V., Shkurko E.F. et al. Ural manganese: past, present and future. In: Teplofizika i infor- matika v metallurgii: dostizheniya i problemy [Thermophysics and Informatics in Metallurgy: Achievements and Prob- lems]. Ekaterinburg, 2000. Р. 83—89 (in Russian). [Бабанаков В.В., Бородулин А.В., Шкурко Е.Ф. и др. Уральский марганец: прошлое, настоящее и будущее. В кн.: Теплофизика и информатика в металлургии: достижения и проблемы. Екатеринбург, 2000. С. 83—89.] 14. Mikhailov V.V. Smelting of ferrochrome in a blast furnace on oxygen blast. Kislorod. 1945. (1): 16—25 (in Russian). [Михайлов В.В. Выплавка феррохрома в доменной печи на кислородном дутье. Кислород. 1945. № 1. С. 16— 25.] 15. Gaidukov G.V., Lukashenko M.H. Blast-furnace ferrochrome from slags of mine furnaces smelting low-carbon fer- rochrome by fluxless method. Steel in Translation. 1943. (9-10): 3—7. [Гайдуков Г.В., Лукашенко М.Х. Доменный феррохром из шлаков шахтных печей, выплавляющих малоуглеродистый феррохром бесфлюсовым методом. Сталь. 1943. № 9-10. С. 3—7.] 16. Tovarovskiy I., Merkulov A. Domennaya plavka s vduvaniyem produktov gazifikatsii ugley [Blast furnace smelting with blowing of coal gasification products]. Kyiv: Naukova Dumka, 2016 (in Russian). [Товаровский И.Г., Меркулов А.Е. Доменная плавка с вдуванием продуктов газификации углей. Киев: Наукова думка, 2016.] 17. Chernousov P.I. Retsikling. Tekhnologii pererabotki i utilizatsii tekhnogennykh obrazovaniy i otkhodov v chernoy metallurgii [Recycling. Technologies of processing and utilization of technogenic formations and wastes in ferrous metal- lurgy]. Moscow, 2011 (in Russian). [Черноусов П.И. Рециклинг. Технологии переработки и утилизации техногенных образований и отходов в черной металлургии. Москва, 2011.] 18. Merkulov O. Multifunctional blast furnace technology. In: Poznaniye protsessov i razvitiye tekhnologii domennoy plavki [Process knowledge and development of blast furnace technology]. Dnipro, 2016. P. 27—42 (in Russian). [Меркулов А. Многофункциональная технология доменной плавки. В кн.: Познание процессов и развитие технологии доменной плавки. Дніпро: Журфонд, 2016. С. 27—42.] 19. Global Energy Transitions Stocktake. IEA50. https://www.iea.org/topics/global-energy-transitions-stocktake 20. Cavaliere P. Ironmaking and Steelmaking Processes. Springer Cham, 2016. https://doi.org/10.1007/978-3-319- 39529-6 21. Chaika O., Kornilov B., Alter M. et al. Analysis of new and existing technologies for reducing carbon dioxide emis- sions based on the energy balance of blast furnaces. In: METEC & 6th ESTAD 2023 Conf. (12—16 June 2023, Düs- seldorf, Germany). 22. Decarbonization of the steel industry: the challenge for the coming decades. Kyiv, 2021. https://gmk.center/wp- content/uploads/2021/07/Decarbonisation-rus_2021.pdf [Декарбонизация стальной отрасли: вызов на ближайшие десятилетия. Киев, 2016.] 23. Kawashiri Y., Nouchi T., Kashihara Y. Reduction of CO2 Emissions from Blast Furnace with Carbon Recycling Meth- ane. JFE Technical Report. 2022. No. 28. Р. 1—7. https://www.jfe-steel.co.jp/en/research/report/028/pdf/028-03.pdf 24. EtoGas Power-to-Gas. https://www.hz-inova.com/renewable-gas/etogas/ 25. Pukhov A., Stepin G., Tseytlin M. et al. Mastering of blast furnace smelting technology with hot reducing gases injec- tion. Steel in Translation. 1991. (8): 7—13. [Пухов А.П., Степин Г.М., Цейтлин М.А. и др. Освоение технологии доменной плавки с вдуванием горячих восстановительных газов. Сталь. 1991. № 8. С. 7—13.] 26. van der Stel J. et al. Developments and evaluation of the ULCOS Blast furnace process at LKAB Experimental BF in Luleå. In: Scrap Substitutes and Alternative Ironmaking V. Conf. (November 2-4, 2008, Baltimore, USA). 27. Danloy G. et al. ULCOS — Pilot testing of the Low CO2 Blast Furnace Process at the Experiment BF in Lulea. Met- allurgical Research & Technology. 2009. 106(1): 1—8. https://doi.org/10.1051/metal/2009008 28. Steel is the power behind renewable energy. https://corporate-cm-uat.arcelormittal.com/media/case-studies/steel- is-the-power-behind-renewable-energy ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2024, № 4 79 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ 29. Simplified levelised cost of competing low-carbon technologies in steel production. IEA, Paris. https://www.iea.org/ data-and-statistics/charts/simplified-levelised-cost-of-competing-low-carbon-technologies-in-steel-production 30. World Steel in Figures 2021. https://worldsteel.org/world-steel-in-figures-2021/ 31. Nippon Steel Corporation integrated report 2021. https://www.nipponsteel.com/en/ir/library/pdf/nsc_en_ir_2021_a3.pdf 32. Business and life during the war with Yuriy Ryzhenkov. https://youtu.be/s_YeZUFO5jg?si=YVjltDCvfRyC9teY [Бізнес та життя під час війни з Юрієм Риженковим.] 33. Isohara T. CRÈME Webinar on “Carbon Footprint of Steel Products”. The Japan Iron and Steel Federation. 2021. Oleksii Ye. Merkulov Iron and Steel Institute of Z.I. Nekrasov of the National Academy of Sciences of Ukraine, Dnipro, Ukraine ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7867-0659 DOES A BLAST FURNACE HAVE A RIGHT TO EXIST UNDER THE EUROPEAN GREEN DEAL? The author has repeatedly had to face criticism of the technology of iron ore materials reduction in blast furnaces to produce pig iron with its subsequent conversion into steel. There are reproaches against it on the subject of environmen- tal unfriendliness, prehistoric technology and the need to liquidate blast furnace manufacturing in Ukraine. Moreover, contempt is shown not only by common people, but also by metallurgical specialists, and with the adoption of the course for decarbonization of metallurgical production this negative attitude has only increased. The publication of this article is an attempt to draw attention to the uniqueness of blast furnace smelting, its efficiency, multifunctionality, as well as the need for its preservation and development under the European Green Deal. Keywords: blast furnace, blast furnace process, CO2 emissions, pig iron, steel. Cite this article: Merkulov O.Ye. Does a blast furnace have a right to exist under the European Green Deal? Visn. Nac. Akad. Nauk Ukr. 2024. (4): 69—79. https://doi.org/10.15407/visn2024.04.069
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-201813
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1027-3239
language Ukrainian
last_indexed 2025-12-07T16:34:27Z
publishDate 2024
publisher Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
record_format dspace
spelling Меркулов, О.Є.
2025-02-17T13:34:49Z
2024
Чи є місце доменній печі в умовах Європейського зеленого курсу? / О.Є. Меркулов // Вісник Національної академії наук України. — 2024. — № 4. — С. 69-79. — Бібліогр.: 33 назв. — укр.
1027-3239
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/201813
DOI: doi.org/10.15407/visn2024.04.069
Автору неодноразово доводилося стикатися з критикою технології відновлення залізорудних матеріалів у доменних печах для отримання чавуну з подальшим його конвертуванням у сталь. Найчастіше її недоліками називають неекологічність, застарілість і як аргумент наводять необхідність ліквідації доменного виробництва в Україні. Причому про цю технологію висловлюються зі зневажливістю не лише представники громадськості, а й фахівці-металурги. З прийняттям курсу на декарбонізацію металургійного виробництва таке негативне ставлення лише посилилося. У статті зроблено спробу привернути увагу до унікальності й переваг доменної плавки, її ефективності, багатофункціональності та обґрунтувати доцільність збереження і розвитку цієї технології в умовах «зеленого» курсу.
The author has repeatedly had to face criticism of the technology of iron ore materials reduction in blast furnaces to produce pig iron with its subsequent conversion into steel. There are reproaches against it on the subject of environmental unfriendliness, prehistoric technology and the need to liquidate blast furnace manufacturing in Ukraine. Moreover, contempt is shown not only by common people, but also by metallurgical specialists, and with the adoption of the course for decarbonization of metallurgical production this negative attitude has only increased. The publication of this article is an attempt to draw attention to the uniqueness of blast furnace smelting, its efficiency, multifunctionality, as well as the need for its preservation and development under the European Green Deal.
Автор присвячує цю статтю пам’яті доктора технічних наук, професора Йосипа Григоровича Товаровського, який, на жаль, пішов у засвіти в 2020 р. В основу публікації покладено сформульовані ним принципи пізнання та еволюції доменної плавки.
uk
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
Вісник НАН України
Статті та огляди
Чи є місце доменній печі в умовах Європейського зеленого курсу?
Does a blast furnace have a right to exist under the European Green Deal?
Article
published earlier
spellingShingle Чи є місце доменній печі в умовах Європейського зеленого курсу?
Меркулов, О.Є.
Статті та огляди
title Чи є місце доменній печі в умовах Європейського зеленого курсу?
title_alt Does a blast furnace have a right to exist under the European Green Deal?
title_full Чи є місце доменній печі в умовах Європейського зеленого курсу?
title_fullStr Чи є місце доменній печі в умовах Європейського зеленого курсу?
title_full_unstemmed Чи є місце доменній печі в умовах Європейського зеленого курсу?
title_short Чи є місце доменній печі в умовах Європейського зеленого курсу?
title_sort чи є місце доменній печі в умовах європейського зеленого курсу?
topic Статті та огляди
topic_facet Статті та огляди
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/201813
work_keys_str_mv AT merkulovoê čiêmíscedomenníipečívumovahêvropeisʹkogozelenogokursu
AT merkulovoê doesablastfurnacehavearighttoexistundertheeuropeangreendeal