Электросталеплавильное производство открывает многообещающие возможности в Китае, обеспечивая светлое будущее для генерации кислорода методом VPSA

1. Необходимость развития короткого процесса электросталеплавильного производства (EAF)

Достижение углеродного пика к 2030 году и углеродной нейтральности к 2060 году является важным стратегическим решением китайского правительства и торжественным обязательством перед миром. С начала реформ и открытости сталелитейная промышленность Китая быстро развивалась. Производство сырой стали увеличилось с 31,78 млн тонн в 1978 году (4,4% мирового объема) до более 100 млн тонн впервые в 1996 году, достигнув 101,24 млн тонн (13,5% мирового объема), что сделало Китай крупнейшим производителем стали в мире, а затем превысило 1 млрд тонн в 2020 году — 1,053 млрд тонн (56,7% мирового объема).

Хотя за последние 3 года наблюдался небольшой спад, в 2022 году он все еще составил 1,013 млрд тонн (около 54% мирового объема). Сталелитейный сектор Китая по-прежнему сильно зависит от угольного ископаемого топлива, что приводит к значительным выбросам углерода, составляющим около 16% от общего объема в стране, уступая только электроэнергетике и транспорту.

Поэтому эффективное сокращение выбросов углерода в процессе производства стали стало важной проблемой, которую необходимо срочно решать сталелитейной промышленности и стране в целом.

Низкая доля производства стали в электродуговых печах (EAF) является одной из основных причин высоких выбросов углерода, энергопотребления и загрязнения в сталелитейной промышленности Китая.

В глобальном масштабе доля производства стали методом EAF в общем объеме выросла с 7,3% в начале 1950-х годов до 32–35% сегодня. В таких странах, как Иран, Турция, США и Индия, она превышает 50%, а в некоторых — даже 90%. По данным Китайской ассоциации черной металлургии, в 2022 году производство стали методом EAF в Китае составило всего 9,7% от общего объема производства сырой стали, что значительно ниже среднемирового уровня в 30%.

По сравнению с традиционным длинным процессом доменная печь-конвертер, короткий процесс EAF, полностью использующий стальной лом, снижает энергопотребление на тонну стали примерно на 50%, выбросы твердых отходов — примерно на 96%, выбросы отработанных газов — примерно на 78%, выбросы углерода — примерно на 73%, а общие загрязнители воздуха — примерно на 90%. Следуя закономерностям промышленного развития развитых стран, если общий объем производства стали в Китае останется постоянным, а доля электросталеплавильного производства возрастет до 30% к 2035 году, выбросы углекислого газа могут сократиться примерно на 15%. Таким образом, преимущества короткого процесса EAF в области энергосбережения и сокращения выбросов весьма значительны.

Кроме того, короткий процесс EAF обладает дополнительными преимуществами, такими как возможность запуска и остановки производства по мере необходимости, высокая эффективность и гибкость, а также потенциал использования в качестве центра по переработке городских отходов. Следовательно, акцент на развитии короткого процесса EAF, в первую очередь с использованием стального лома в качестве сырья, является важным стратегическим решением для достижения устойчивого развития сталелитейной промышленности.

2. Электросталеплавильное производство в Китае открывает благоприятные возможности для развития

Китайское электросталеплавильное производство сталкивается с благоприятными возможностями для развития, что отражается в трех основных областях:

1) Увеличение доступности ресурсов стального лома:

По оценкам, к 2025 году в Китае будет образовываться свыше 300 миллионов тонн стального лома. Значительное высвобождение ресурсов стального лома создает прочную основу для развития электросталеплавильного производства.

2) Стимулирование тенденциями низкоуглеродного развития в сталелитейной промышленности:

Интенсивность выбросов углерода при длинном процессе доменная печь-кислородный конвертер (ДП-КК) значительно выше, чем при коротком процессе с использованием только лома в электродуговой печи (ЭДП). Включение сталелитейной промышленности в национальный рынок торговли выбросами углерода и введение налогов на выбросы углерода еще больше повысят конкурентоспособность короткого процесса ЭДП. Кроме того, включение данных об углеродном следе и мерах по снижению выбросов углерода в показатели стальной продукции потребителями высококачественных специальных сталей также будет способствовать развитию электросталеплавильного производства.

3) Поощрение национальной политикой:

Начиная с 2016 года, на национальном и провинциальном уровнях был принят ряд политик и документов, поощряющих развитие технологии электросталеплавильного производства. Примечательно, что в августе 2019 года Министерство промышленности и информационных технологий (МПИТ) выпустило документ, в котором прямо предлагалось, чтобы к концу 2025 года доля мощностей ЭДП, замененных и построенных каждой провинцией, составляла не менее 30% от общего объема принятых производственных мощностей. Это создает благоприятные политические условия для развития электросталеплавильного производства.

3. Каково направление развития заводов ЭДП в Китае?

Из-за относительной нехватки ресурсов стального лома и высокой стоимости электросталеплавильного производства массовое развитие электросталеплавильного производства только на ломе в Китае пока не является зрелым. Значительное увеличение доли электросталеплавильного производства ожидается после 2030 года или даже после 2035 года. Это зависит от 3 факторов:

1) Предполагается, что Китаю потребуется еще 8-10 лет, чтобы обеспечить относительно достаточное предложение стального лома.

2) Прогнозируется, что после 2030 года общий спрос Китая на сталь снизится до менее 800 миллионов тонн. Закрытие некоторых заводов с длинным процессом сократит потребление стального лома, используемого в конвертерах.

3) «Зеленое» развитие будет стимулировать строительство городских сталелитейных заводов. Короткий процесс ЭДП может потреблять социальные отходы, такие как стальной лом, избыточную электроэнергию и городские очищенные сточные воды, образующиеся вокруг городов, способствуя гармоничному сосуществованию сталелитейных предприятий и городов.

Итак, как должны развиваться китайские сталелитейные заводы, использующие короткий процесс ЭДП, в настоящее время и в будущем? Можно рассмотреть следующие подходы:

1) Изучить множество каналов для получения железосодержащих материалов, которые могут заменить стальной лом. Железо прямого восстановления (DRI), горячебрикетированное железо (HBI) и чугун из доменной печи являются в настоящее время наиболее распространенными альтернативами. Из-за отсутствия природного газа Китай еще не готов к разработке газовых шахтных печей для крупномасштабного производства DRI. Поэтому китайские сталелитейные компании поощряются к выходу на международный рынок, строительству заводов DRI в странах с относительно обильными запасами природного газа и железной руды и импорту продукции в Китай в качестве сырья для электросталеплавильного производства.

2) Развивать короткопроцессные городские сталелитейные заводы. При разработке короткопроцессного электросталеплавильного производства Китай может учиться на опыте американских мини-заводов и стратегически размещать сталелитейные заводы на окраинах городов. Такое расположение было бы выгодно для доступа к стальному лому и другим железосодержащим твердым отходам из города. Кроме того, пиролизные установки для биомассы могут использоваться для переработки городских отходов и сельскохозяйственных остатков, таких как солома, с получением восстановительных газов, таких как угарный газ и метан, а также других недорогих углеродных ресурсов в качестве восстановителей для вращающихся подовых печей. Отходящие газы и остаточное тепло могут использоваться для выработки электроэнергии, создавая интеллектуальную систему управления энергоснабжением в микроэнергосистеме. Эта система может в полной мере использовать электроэнергию в непиковые часы или энергию из чистых источников, позволяя ЭДП помогать балансировать нагрузку городской электросети. Это способствует эффективному и экологичному использованию энергии, снижает затраты на выплавку стали и способствует гармоничному сосуществованию сталелитейных предприятий и городов. Эти городские сталелитейные заводы, ориентированные на такую продукцию, как арматура и катанка, должны в идеале иметь производственную мощность около 1 миллиона тонн в год.

3) В конечном итоге перевести сталелитейную промышленность Китая на доминирование короткого процесса ЭДП в условиях относительно обильных ресурсов лома и чистой электроэнергии. По оценкам Китайской ассоциации черной металлургии и других соответствующих организаций, ресурсы стального лома в Китае могут достичь 400 миллионов тонн к 2035 году. В этот момент действительно начнется значительное развитие короткопроцессного электросталеплавильного производства. К 2050 году ожидается, что ресурсы стального лома в Китае достигнут примерно 550 миллионов тонн, а объем производства сырой стали составит около 800 миллионов тонн. В этом сценарии более 70% сырой стали будет производиться с использованием короткого процесса ЭДП, в основном со стальным ломом в качестве основного сырья, дополненного DRI, произведенным с помощью водородной металлургии, в то время как доля длиннопроцессного производства сырой стали не превысит 30%.

Промышленное оборудование для получения кислорода методом вакуумной короткоцикловой адсорбции (VPSA) играет решающую роль в короткопроцессном электросталеплавильном производстве. Установки VPSA могут экономично и эффективно подавать обогащенный кислород, повышая внутреннюю температуру ЭДП, ускоряя процесс плавки и, таким образом, значительно повышая эффективность сталеплавильного производства. Кроме того, это помогает снизить расход топлива, уменьшить затраты на электроэнергию и сократить выбросы CO₂ и других вредных газов, поддерживая экологические цели. Кроме того, подача кислорода способствует шлакообразованию, эффективно удаляя примеси из расплавленной стали, тем самым повышая чистоту и качество стали. Применение кислородных установок VPSA делает процесс сталеварения более гибким и управляемым, лучше удовлетворяя производственные потребности для различных видов стальной продукции.

Компания PKU Pioneer находится на переднем крае VPSA-генерации кислорода отрасли, утвердившись в качестве ведущего бренда, известного поставкой высококачественных решений для подачи кислорода. На сегодняшний день PKU Pioneer успешно предоставила высококачественные решения для установок VPSA почти 70 ведущим сталелитейным предприятиям по всему миру и впервые достигла максимальной мощности 10 000 Нм³/ч на одном сталелитейном заводе. Кроме того, собственная технология PKU Pioneer³PSA очистки CO из хвостовых газов сталелитейных заводов позволяет выделять 99,9% чистого CO высокой степени чистоты, который затем используется для синтеза химических продуктов, таких как муравьиная кислота и этиленгликоль, установив множество мировых рекордов. Производители стали не только добились значительного повышения эффективности производства и качества продукции, но и достигли заметных успехов в экономии энергии и снижении выбросов. Эти преимущества сыграли важную роль в содействии экологически чистым методам производства в сталелитейной промышленности, стимулируя переход к более устойчивым производственным процессам. Технология переработки хвостовых газов металлургических заводов позволяет выделять 99,9% чистого CO, который затем используется для синтеза химических продуктов, таких как муравьиная кислота и этиленгликоль, устанавливая множество мировых рекордов. Производители стали не только значительно повысили эффективность производства и качество продукции, но и добились заметных успехов в экономии энергии и сокращении выбросов. Эти преимущества способствуют внедрению экологичных методов производства в сталелитейной промышленности, стимулируя переход к более устойчивым производственным процессам.