В условиях глобального стремления к углеродной нейтральности Европа сталкивается с промышленной трилеммой: достижение климатической нейтральности при сохранении стратегической автономии и конкурентоспособности. Металлургическая промышленность, являющаяся основой европейской промышленности, ежегодно потребляет около 50–60 миллионов тонн коксующегося угля. Выбросы CO₂ в этом секторе составляют около 8% от общего объема выбросов парниковых газов в ЕС. Поэтому его декарбонизация имеет ключевое значение для достижения климатических целей Европы. В этом контексте биоуголь, как возобновляемый источник углерода, приобретает уникальную ценность и огромный потенциал в европейской металлургической промышленности.
Производство и применение биоугля
Биоуголь, получаемый методом контролируемого пиролиза устойчивой биомассы, получил признание благодаря своему потенциалу удаления углерода при внесении в почву. В последние годы его промышленное применение расширилось, особенно в сталелитейной и металлургической промышленности. Биоуголь стал надёжной заменой угля в промышленных процессах. Он соответствует химическим и структурным требованиям к элементарному углероду в металлургии, одновременно снижая выбросы ископаемого углерода в источнике.
Роль восстановителя
- Улучшение металлургического качества: Биоуголь, выступая в качестве восстановителя, эффективно способствует восстановлению оксидов металлов в рудах, таких как железо, алюминий, медь и цинк. Это повышает качество и чистоту продукта, одновременно снижая содержание примесей.
- Сокращение выбросов углерода: По сравнению с традиционным коксом, биоуголь выделяет меньше CO₂ в процессе восстановления и сгорает более чисто. Это значительно снижает выбросы углерода при плавке и уменьшает воздействие парниковых газов.
Роль возобновляемой энергии
- Сокращение использования ископаемого топлива: В металлургической промышленности биоуголь может частично или полностью заменить уголь и кокс в качестве высокотемпературного топлива при плавке, нагревании и работе печей. Это снижает зависимость от невозобновляемых источников энергии.
- Поддержите углеродную нейтральность: Биоуголь, получаемый из возобновляемой биомассы, выделяет контролируемое количество углерода при использовании. Он может стать частью стратегии углеродной нейтральности, помогая отраслям промышленности достичь целей по сокращению выбросов.
Применение биоугля в европейской сталелитейной промышленности: полная цепочка декарбонизации
кремний
Кремний играет ключевую роль в фотоэлектрических элементах, полупроводниках, высокопроизводительных сплавах и силиконах. В Европе традиционное производство кремния основано на импортном каменном угле, который имеет относительно низкое содержание связанного углерода (около 55%) и низкую реакционную способность по сравнению с биоуглем. Следовательно,
- Для производства 1.6 тонны кремния обычно требуется 1 тонны угля, тогда как достаточно 1.1 тонны высококачественного биоугля.
- Замена угля биоуглем может сократить прямые выбросы CO₂ с 4.5 тCO₂/тSi до всего лишь 0.5 тCO₂/тSi.
В настоящее время европейское производство кремния по-прежнему зависит от импорта древесного угля и каменного угля, что не является устойчивым. Развитие локального, современного производства биоугля может обеспечить поставки, снизить выбросы на начальном этапе производства и укрепить позиции Европы на мировом рынке низкоуглеродной металлургии.
ферросплав
Европейский сектор ферросплавов играет ключевую роль в металлургических цепочках создания стоимости на континенте, поставляя такие важнейшие материалы, как ферросилиций, силикомарганец, ферромарганец и феррохром, для сталелитейной и литейной промышленности. Эти сплавы выполняют различные функции при рафинировании стали, включая раскисление, десульфурацию и улучшение специфических свойств материала. Все эти сплавы требуют использования углеродсодержащих восстановителей в высокотемпературных процессах плавки в электродуговых печах. Это делает этот сектор особенно актуальным для использования биоугля для минимизации выбросов ископаемого топлива.
| ферросплав (название) |
Данные по ископаемому справочному материалу | Данные о заменителе биоугля | Радиопередача «Биоуголь» | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Тип | Цена €/т | Потребление топлива | Тип | Коэффициент замещения | Потребление топлива | 2030 | 2040 | 2050 | |
| Ферросилиций | Промытый уголь | 350 | 1,2 | кусковой | 0,71 | 0,85 | 50% | 100% | 100% |
| Силикомарганец | Кокс | 340 | 0,47 | Брикет / кусковой | 1,11 | 0,52 | 30% | 90% | 100% |
| Ферромарганец | Кокс | 340 | 0,462 | брикет | 1,2 | 0,55 | 20% | 70% | 100% |
| Феррохром | Кокс | 340 | 0,511 | брикет | 1,2 | 0,61 | 30% | 80% | 100% |
Сталь
Сталь — краеугольный камень современной экономики. Элементарный углерод остаётся важнейшим компонентом всех процессов производства стали. Биоуголь, как возобновляемый, химически активный носитель углерода, способствует декарбонизации как в переходных, так и в будущих технологических цепочках, как описано ниже. Прогнозируется, что спрос на биоуголь в европейской сталелитейной промышленности достигнет 620,000 2030 тонн к 4.1 году, а к 2050 году увеличится примерно до XNUMX млн тонн и стабилизируется в последующие годы.
Маршрут 1: Доменная печь – Конвертерная печь (ДП-КП) – Переходные варианты использования
В переходный период постепенного отказа от традиционного метода доменной печи и кислородно-конвертерного сжигания (до 2050 года) биоуголь может способствовать сокращению выбросов тремя способами:
- Замена кока-колы: Биококс все еще находится в стадии разработки и имеет ограниченный потенциал замены, но он может дать отрасли ценное переходное время.
- Замена кока-колы: При спекании расходуется 50 кг коксовой мелочи на тонну стали, которую можно напрямую заменить биоуглем в соотношении 1:1.
- Замена вдувания пылевидного угля: Внеся незначительные изменения в конструкцию установки, биоуголь можно практически сразу применять в больших объемах, заменяя его в соотношении 1:1.
Маршрут 2: Производство стали в электродуговой печи (ЭДП): приоритет для скорейшей замены
В будущем в основных направлениях использования ЭДП биоуголь будет играть более важную роль:
- Поддержка работы ДСП на металлоломе: Для таких печей требуется 12–24 кг углерода на тонну для обеспечения стабильности электрической дуги, энергоэффективности и контроля шлакообразования. Биоуголь особенно привлекателен благодаря низкой зольности и высокой реакционной способности.
- Поддержка производства стали на основе водорода: Железо прямого восстановления (DRI) на основе водорода также необходимо плавить в электродуговой печи (ЭДП), но при этом расход углерода увеличивается до 30–40 кг/т. Помимо перечисленных выше функций, биоуголь необходим для максимального выхода железа и повышения эффективности процесса.
Качество биоугля и его применение в металлургии
Для соответствия строгим эксплуатационным требованиям металлургических процессов биоуголь должен обладать высоким содержанием связанного углерода (>75%) и стабильным качеством по множеству физико-химических параметров. Преимуществом является низкая зольность и низкое содержание микроэлементов, таких как сера, железо, фосфор, бор и др. Что касается размера частиц, плотности и механической прочности, биоуголь можно проектировать или агломерировать для соответствия конкретным требованиям различных сфер применения.
| Категория продукта | Описание | Размер | ФК (%) | Случаи использования |
|---|---|---|---|---|
| Биоуглеродные комки | Высокая реакционная способность для Si/FeSi | 10 – 60 мм | на 80–82% | Кремний/FeSi |
| Средние летучие вещества | 10 – 60 мм | на 82–85% | Ферросплавы, ДСП (полуоткрытая) | |
| Закрытые печи | 10 – 60 мм | > 85% | Ферросплавы, ДСП (закрытая) | |
| Штрафы за биоуголь | Для инъекций или агломерации | 3 – 8 мм | на 80–90% | ДСП, доменная печь, инжекция |
| Брикеты | Прессованный роликом или штампованный | Технология | на 75–85% | Общие процессы |
| Пеллеты | Экструдированный со связующими веществами | <20 мм | на 75–85% | Разработано для совместимости с процессами |
| Экструдированные комки | Формат высокой плотности | > 20 мм | > 85% | Ферросплавы в закрытых печах |
| Электронная кола | Смесь биоугля и антрацита | Технология | > 85% | Переход EAF/BF/BOF |
| H-кокс | Кока-кола с долей биоугля | Технология | > 85% | Гибрид с традиционной колой |
Перспективы спроса на биоуголь в Европе
Спрос на биоуголь в металлургической промышленности Европы вступает в фазу быстрого роста. Этот рост не произойдет автоматически. Чтобы полностью реализовать потенциал биоугля, Европа должна действовать уже сейчас, чтобы подтвердить его применение, оптимизировать нормативно-правовое регулирование и поддержать инвестиции в промышленное производство. В целом, к 2040 году мощности по производству биоугля должны будут достичь 20.6 миллионов тонн для удовлетворения спроса металлургического сектора на возобновляемый углерод, создавая чистый углеродный эффект, эквивалентный 400 миллиона тонн CO₂ (т.е. циклический эффект использования углерода в биоугле). На рисунке ниже представлены эти прогнозы по всем видам промышленного применения, включая производство кремния и ферросплавов, стали (как доменно-конвертерной, так и электродуговой печи), а также другие металлургические и химические процессы и ответственное использование углерода.
Заключение
Применение биоугля в европейской металлургической промышленности — это не только технологическая замена, но и изменение парадигмы в отрасли. Целью этого является институционализация механизмов переработки отходов и сокращения выбросов углерода, не оказывающих негативного влияния на климат, что делает их краеугольным камнем европейской отраслевой политики. Это имеет далеко идущее и долгосрочное значение для будущего устойчивого развития.