3.6. Баланс углерода и методология оценки энергоэффективности производства черных металлов и выбросов со2.

Проблема энергосбережения в развитии современной цивилизации имеет две важнейшие особенности: с одной стороны, принятая мировым сообществом концепция «устойчивого развития» требует динамичного роста производства энергии; с другой стороны, именно энергетические агрегаты и установки по-прежнему являются основными производителями выбросов всех видов. В связи с этим главными приоритетами в развитии производства и потребления энергии в рамках Ресурсо-экологической концепции являются:

• Снижение последствий производства, передачи и потребления энергии для окружающей среды;

• Оптимизация структуры потребления природных энергоресурсов;

• Увеличение доли потребления вторичных энергоресурсов (ВЭР);

• Снижение энергоёмкости оборудования за счет совершенствования технологии производства.

Черная металлургия является одной из наиболее энергопотребляющих отраслей промышленности. При этом ей присущи характерные особенности:

1. Основу топливного баланса металлургических предприятий составляют коксующиеся угли – дефицитное высококачественное сырье, весьма специфичное по химическому составу.

2. Используемое в металлургических процессах топливо, как правило, выполняет множественные функции: оно не только является источником энергии, но также играет роль восстановителя и «поставщика» элементов - микропримесей.

3. В черной металлургии, как ни в какой другой отрасли индустрии, высока доля ВЭР, представленных газами – наиболее технологичным видом энергоресурсов.

Наглядно вышеупомянутые обстоятельства и вытекающие из них проблемы подхода к оценке эффективности затрат энергии можно представить в виде таблицы 45.

Вплоть до настоящего времени энергоэффективность производства металлов часто оценивается показателем энергоёмкости вырабатываемой продукции, выраженной в единицах условного топлива (1 т.у.т. = 7000 ккал). При этом затраты всех видов энергии в виде топлива, электрической и тепловой энергии на всех стадиях производства суммируются и из полученной величины вычитается энергия, произведенная энергетическим хозяйством предприятия в виде электроэнергии, пара, горячей воды, сжатого воздуха и т.п. Вычисленный таким образом параметр имеет следующие недостатки: во-первых, он никаким образом не связан с последствиями функционирования предприятия для окружающей среды и, во-вторых, не дает информации об уровне использования вторичных энергоресурсов, а лишь показывает абсолютную величину энергии, вырабатываемой при их утилизации.

Предлагаемая методика оценки энергоэффективности производства металла базируется на составлении балансов основных энергетических элементов: углерода и водорода, а также электроэнергии. Центральное место при этом занимает баланс углерода, который составляется для всего производственного цикла получения металла от добычи сырья и источников энергии до обращения с производственными и отложенными отходами /8, 137…142/.

Таблица 45. Методические проблемы оценки эффективности энергосбережения в черной металлургии.

Особенности энергопотребления в черной металлургии	Факторы, требующие учета и специальной методической проработки	Проблемы отраслевого уровня	Проблемы регионального и глобального масштаба
Высокая энергоемкость металлургических агрегатов	Балансы углерода, водорода и электроэнергии	Уменьшение энергоемкости Оптимизация использования различных видов топлив	Распределение электроэнергии
Специфичность основного источника энергии (кокса)	Микропримесный состав коксующихся углей	Комплексная переработка металлургических углей	Развитие производства попутной продукции
Множественность функций металлургических топлив	Металлургические свойства топлива. Взаимозависимости между показателями потребления энергии, восстановительных процессов и интенсивность плавки	Минимизация расхода топлива без потери устойчивости процесса	Снижение выбросов «парниковых газов»
Высокая доля ВЭР	Параметры энергетической ценности и технологичности ВЭР. Эффективность газоочистных сооружений	Увеличение доли ВЭР в тепловом и энергетическом балансах предприятий	Уменьшение производства ЗШО с последующей ликвидацией ЗШН

Анализ энергоэффективности работы предприятий черной металлургии на основе балансов углерода позволяет:

• сопоставить долю различных видов энергии, используемых при производстве чугуна и стали,

• получить информацию о наиболее масштабных и токсичных выбросах в окружающую среду, например: золошлаковых отходов (ЗШО) и шламов различных процессов на поверхность земли, оксида и диоксида углерода и углеводородов – в атмосферу.

Баланс углерода строится в размерности: «кг углерода / кг (т) железа в конечной продукции предприятия» для каждого конкретного металлургического завода, что позволяет, во-первых, сравнивать показатели производств с различной структурой, а, во-вторых, получать сквозные, сводные балансы, учитывающие транспортные затраты (и выбросы) на перевозку сырья, полуфабрикатов, готовой продукции и передачу электроэнергии.

Учитывая, что наиболее достоверной информацией являются данные по содержанию углерода в твердых металлургических материалах, в расходной части балансов эта информация учитывается непосредственно, данные о выбросах СО контролируются расчетами на основе известных технологических параметров, а выбросы СО₂ определяются по разности приходной и рассчитанной вышеупомянутым способом расходной частей баланса.

В разделе «Приход углерода» указываются удельные расходы углеродсодержащих материалов и газов, поступающих на предприятие, а также содержание в них углерода. Приход углерода в виде электроэнергии «со стороны» для условий России рассчитывается исходя из следующих условий:

• расход условного топлива на выработку 1 кВтч электроэнергии составляет 385 г или 286 г углерода/ кВтч;

• потери при передаче электроэнергии составляют 42 % (отн.).

В разделе «Расход углерода» рассчитываются выбросы углерода в виде СН₄, СО, а также выбросы углерода в твердом виде, в том числе выход углерода с готовой продукцией, а затем – по разнице с приходом углерода – определяется выброс углерода в виде СО₂. При расчете выбросов углерода в виде шламов и ЗШО принимается, что при сжигании газов улавливается от 1,2 до 3,8 г сажистого углерода, а при сжигании энергетического угля и «промпродукта» улавливается от 40 до 60 г сажистого углерода на 1 кВтч вырабатываемой электроэнергии. Примеры балансов углерода для отдельных предприятий России и Германии приведены Приложении. Усредненный баланс углерода для интегрированного предприятия черной металлургии для условий европейской части России представлен в таблице 46.

Целесообразность применения различных видов топлив в конкретных металлургических производствах. Применение топлива на металлургических предприятиях России имеет еще один важнейший аспект: распределение топливных ресурсов между предприятиями различной мощности и различного профиля. В настоящее время это происходит на основе приоритетности технологических характеристик топлива (т.е. удобства его использования при прочих равных условиях). Именно этим можно объяснить повышенную долю газообразного топлива на крупных металлургических предприятиях, и, соответственно, высокую долю низкокалорийных твердых видов топлива на предприятия мини - и микро - металлургического профиля. Между тем, мировая практика показывает /284…286/, что при приоритете эффективности использования энергии все должно быть наоборот. Таким образом, оценка энергоэффективности металлургических технологий с точки зрения затрат «условного топлива» не отражает реального существа вещей.

Таблица 46. Баланс углерода при производстве стального проката в условиях европейской части России с учетом транспортировки сырых и шихтовых материалов от мест их добычи и производства к металлургическим комбинатам.

Статьи баланса	Расход углерода
	кг/т железа	% масс.
Приход
1. Угольный концентрат для коксования	828	51,45
2. Природный газ	149	9,25
3. Мазут топочный	2	0,10
4. Энергоресурсы для сжигания на собственных ТЭЦ в пересчете на углерод «условного топлива».	123	7,65
5. Электроэнергия из внешних сетей в пересчете на углерод «условного топлива»*.	377	23,40
6. Взрывчатые вещества.	1	0,05
7. Горючесмазочные материалы, масла, спирты и т.п.	7	0,45
8. Дизельное топливо, керосин и т.п. для осуществления транспортных перевозок.	31	1,95
9. Железорудные материалы, ферросплавы, металлолом	5	0,30
10. Флюсы	87	5,40
Итого приход	1610
Расход
1. Готовая продукция	2	0,10
2. Попутная продукция КХП	34	2,10
3. Шламы и ЗШО от сжигания и углепереработки.	46	2,85
4. Пыль, шламы, золы, спель и прочие твердые материалы, не утилизируемые в рамках производственного рециклинга.**	27	1,65
5. Выбросы в атмосферу в виде СО	113	7,00
6. Выбросы в атмосферу в виде СО2	1388	86,30
в том числе:
при сжигании для производства электрической и тепловой энергии		54,3
при агломерации		6,3
при переработке флюсов		3,5
при сжигании доменного и коксового газов		15,7
потери газов (в том числе технологические)		6,5

*- Свыше 60% электроэнергии, используемой при производстве черного металла в центральной части РФ, производится на АЭС (в основном Курской и Воронежской).

** - Около 60кг углерода/1 т железа циркулирует в производственном цикле в рамках рециклинга.

Предлагаемый переход на использование баланса углерода является методически более обоснованным, поскольку позволяет оценить в совокупности собственно энергоэффективность производства, последствия для окружающей природной среды и возможности производственного рециклинга ВЭР, которые на крупных предприятиях намного больше, чем на малых.

Анализ полученных данных позволяет сделать следующие выводы:

1. Предложен новый показатель, оценивающий энергоэффективность металлургического производства и представляющий собой приведенный расход углерода, затрачиваемого на производство железа в единице металлопродукции. Применение этого показателя дает возможность, кроме оценки энергоэффективности, определять последствия производства металла с точки зрения воздействия на окружающую природную среду, а также уровень использования ВЭР в рамках производственного рециклинга.

2. Выявлена необходимость в разработке показателя (группы показателей), оценивающего возможность комплексной переработки металлургических углей.

3. Суммарный расход углерода на производство одной тонны железа в виде проката (от момента извлечения сырья из недр до выхода проката с территории предприятия, включая добычу источников энергии, производство и передачу энергии и транспорт сырых материалов) на предприятии полного цикла для условий европейской части России составляет от 1300 до 1700 кг. Суммарный расход углерода на производство одной тонны железа в виде концентрата на ГОК центра России составляет 220-270 кг.

4. От 4 до 7 % углерода теряется в виде шламов, выбросов пыли и т.п., что ранее в балансах т.у.т. не учитывалось.

5. Выбросы диоксида углерода – «основного парникового газа» - для металлургических предприятий полного и неполного циклов составляют от 80 до 87% от общего расхода углерода, а для ГОКов – 95-98 %.

В передовых индустриальных странах в последнем десятилетии вопросы сбережения и оценки эффективности использования энергии, как правило рассматриваются во взаимосвязи с выбросами СО₂. Необходимость разработки методологических аспектов анализа энергоэффективности черной металлургии в рамках концепции ЭЧП впервые подробно обсуждалась на Конференции металлургов в Торонто в 2001 году /284…286/.

Была отмечена необходимость разработки трех видов методик.

1. Определение затрат энергии и выбросов СО₂ «от технологического процесса». В работах /285…290/ для этого предлагается использовать «баланс углерода» - «простой, на подобие бухгалтерского, учет всех затрат углерода на производство на интегрированном сталеплавильном заводе, а также на выработку энергии и получение сырьевых материалов» /286/. После составления баланса углерода его общее количество переводится в СО₂ и относится на счет производства технически необработанной (жидкой) стали. Такой способ анализа предполагает, что отходящие газы основных металлургических агрегатов сжигаются на последующих этапах технологического потока, либо в нагревательных печах, либо на электростанции.

2. Анализ жизненного цикла материала - стали или чугуна. Было предложено «дополнительно учитывать затраты энергии и выбросы при добыче и транспортировке сырьевых материалов, а также выбросы при выработке и транспортировке электроэнергии» /284…290/.

3. Анализ жизненного цикла изделия черной металлургии. Отмечалось /286…290/, что он выполняется для потребительских товаров, что дает результаты трудно сопоставимые с приведенными выше методиками, так как затраты энергии и выбросы относятся на единицу использования товара, а не на материалы, из которых они изготавливаются.

На конференции были подробно рассмотрены материалы, подготовленные несколькими группами исследователей IISI /287…290/. Основное внимание исследователей фокусировалось на проведении анализа возможностей экономии энергии и снижении выбросов СО₂. Был выполнен детальный обзор возможных усовершенствований металлургических технологий на каждом этапе процесса производства стального проката. Предложено рассматривать перспективы новых технологий с позиций анализа экологических сценариев. Подробно анализировались два гипотетических сталеплавильных предприятия: завод с применением технологии «Экотех» (Ecotech) для выполнения краткосрочных прогнозов и «Олтех» (Alltech) для выполнения среднесрочных прогнозов. Впоследствии концепция экологических сценариев для анализа тенденций развития металлургии в направлении сбережения энергии и снижения выбросов получила активное развитие /113, 276, 291…294/.

Значительное внимание было уделено методической проблеме учета в балансе выбросов С0₂ их уменьшения вследствие применения доменного шлака в цементной промышленности /286, 295/.

Доменный шлак является главным вторичным материалом для цементной промышленности, он замещает сырьевые материалы с высокими выбросами диоксида углерода (известняк). При этом из технологической цепи производства цемента исключаются энергоемкие высокотемпературные вращающиеся обжиговые печи. Поэтому, если рассматривать металлургический завод как совместное производство стали и шлака, то выбросы парникового газа должны распределяться между этими двумя продуктами. На примере получения доменного шлака был проведен анализ, который показал, что на 1 т проданного в цементную отрасль промышленности шлака приходится сокращение выбросов СО₂ по данным разных источников примерно на 940 - 1250 кг /286, 295, 296/

Важная в методическом плане работа была опубликована в 2001 году /297/. Работа посвящена комплексному изучению выбросов СО2 при производстве стали с использованием технологической цепи доменная печь - конвертер, с учетом предварительных операций начиная с получения сырья. Согласно ранее опубликованным данным /286…290, 295, 296/ выбросы С02 в границах данной технологической цепи составляют от 1800 до 2100 кг на 1 т стали. Для проверки этих данных была проведена комплексная оценка выбросов СО2, исходя из существующих материальных потоков, с учетом побочных продуктов, а также утилизации отходящего тепла. При расчете выбросов С02 «использовали только производственные показатели современных агрегатов, отличающихся низкими удельными расходами кокса и восстановителей». Рассматривались заводы с полным циклом, имеющие коксохимическое производство и агломерационную фабрику. Для расчетов были приняты следующие краевые условия:

• использованы эксплуатационные данные современных установок, которые характеризуются низким удельным расходом кокса и восстановителей;

• рассматриваются только металлургические предприятия с коксохимическим производством и агломерационной фабрикой;

• тяжелый мазут рассматривается как непосредственно используемый отход нефтехимической отрасли и оценивается только с материальной точки зрения;

• вдуваемая угольная пыль является веществом, которое необходимо добыть, подвергнуть обогащению и только путем измельчения она станет пригодной для использования в доменной печи;

• оценка выбросов С0₂ при получении мелкой руды, кусковой руды и в производстве окатышей основана на данных поставщиков металлургического оборудования /298, 299/

• для оценки выбросов С0₂ при операциях транспортировки рассматривалась доставка из портов Бразилии в порты Северного моря и последующая перевозка речным транспортом на расстояние около 2100 км;

• поставка лома осуществляется грузовыми автомобилями из района, представляющего собой окружность радиусом 100 км;

• транспортировка известняка осуществляется железнодорожным транспортом из пункта, находящегося на расстоянии 200 км; при его добыче принимался такой же выброс С02, как при добыче руды;

• обожженная известь вносит в баланс С02 нагрузку, равную примерно 1000 кг С02 на 1 т;

• в балансе учитывать «возможные доходы» (имеются в виду факторы, снижающие отягощение окружающей среды диоксидом углерода);

• «возможным доходом» являются, например, доменный и конвертерный газы, реализуемые стороннему потребителю, точнее, только их составляющая СО, имеющая энергетическую ценность, а также гранулированный шлак, заменяющий соответствующее количество клинкера в производстве цемента, и кусковой шлак, реализуемый в дорожном строительстве и служащий адекватной заменой природному щебню;

• при производстве электроэнергии в Германии принята норма выбросов С02, равная 0,6 кг на 1 кВт-ч, применимая также и к части энергии, вырабатываемой на АЭС;

• избыточные газы, выделяющиеся в ходе описываемых процессов (применяемые, например, в печах прокатных станов), оценивались с материальной точки зрения по количеству заменяемой ими энергии.

При комплексном рассмотрении были получены следующие результаты:

• для коксохимических производств выбросы С0₂ составляют от 4120 до 4178 кг на 1 т кокса;

• при производстве агломерата выброс С0₂ получается в пределах 314—377 кг на 1 т агломерата;

• при выплавке чугуна эффективный выброс С0₂, в котором учитываются «возможные доходы» (косвенное уменьшение выбросов от использования гранулированного шлака и сжигания колошникового газа), колеблется в пределах 1593—1651 кг на 1 т передельного чугуна;

• вклад лома в баланс С0₂, исходя из его транспортировки и разделки, оценивается величиной 18,7 кг на 1 т стали;

• получение конвертерного газа является «возможным доходом», что в сумме для технологической цепи доменная печь — конвертер дает для принятых производственных условий значения суммарных выбросов С0₂ в интервале 1455—1510 кг на 1 т стали.

Таким образом, при рассмотрении возможных доходов от использования побочных продуктов и утилизации отходящего тепла нетто - выбросы С0₂ в технологической цепи доменная печь - конвертер в среднем составляют 1480 кг/т стали.

Применение разработанной методики количественной оценки энергоэффективности и выбросов СО₂ исходя из элементопотока углерода для анализа передовой технологии производства стального проката в условиях Германии по конверторному маршруту дает следующий результат (таблица 47).

Таблица 47. Баланс углерода и расчет выбросов СО₂ для интегрированного предприятия черной металлургии Германии с учетом «возможных доходов» от производства электроэнергии «на сторону» и реализации доменного шлака строительной промышленности.

Статьи баланса	Количество углерода, кг/т Fe проката
Приход
Железорудные материалы с учетом транспортировки	14,78
Металлолом, с учетом транспортировки и подготовки	18,75
Флюсы с учетом транспортировки	5,20
Кокс с учетом транспортировки углей	341,46
Ферросплавы	0,05
Природный газ	84,42
Восстановительные добавки к доменному дутью	69,60
Дизельное топливо	0,85
Смазочные материалы	4,92
Известняк	20,33
Всего приход углерода	560,36
Расход
ЗШН	4,92
Обжиг известняка	9,15
Агломерационный газ	70,79
Доменный газ	328,86
Конвертерный газ	39,51
Прокат	0,31
«Возможные доходы»
Электроэнергия от сжигания металлургических газов	70,49
Доменный шлак в строительство	85,23
Выбросы углерода в виде СО, СО2 и углеводородов, по разности	399,41

В расчетах учитывались затраты углерода (в виде энергии, топлива и материалов) на добычу, транспортировку, подготовку к металлургическому переделу, собственно металлургическое производство с его инфраструктурой, а также «возможные доходы» от использования металлургических продуктов: газов и шлака. Результаты расчетов - выбросы СО₂ составляют около 1465 м3 - хорошо корреспондируются с данными работы /297/.Особо следует отметить, что методический подход, заключающийся в комплексной оценке затрат энергии и выбросов в окружающую среду на основе расчета параметров элементопотока углерода, может быть использован и при анализе этапов эксплуатации и рециклинга (или депонирования) любого продукта черной металлургии. Это в полной мере соответствует принципам «интегрированной политики экопродукта», реализуемой ЕС в настоящее время. Кроме того, именно построение элементопотока углерода вместо составления его балансов в наибольшей степени отвечает принципам анализа ЖЦИ на основе анализа экологических сценариев. На конференции «Stahl 2003» комитеты «Коксохимическое производство», «Доменное производство», «Сталеплавильное производство» и «Основы металлургии» Института стали Общества немецких специалистов по черной металлургии (VDEh) совместно представили доклады, основная тема которых «Материальный и энергетический КПД». В результате, методики комплексной оценки энергоэффективности технологий и производств черной металлургии и выбросов С0₂, основанные на составлении баланса углерода получили всеобщее признание. /103, 295/.

Методология анализа баланса (а по сути – элементопотока) углерода положена в основу программ «С0₂ Breakthrough Program» (прорыв в сокращении выбросов С0₂) и Ulcos (ultra low С0₂ steelmaking — производство стали со сверхнизким объемом выбросов С0₂), которые осуществляет международный институт черной металлургии /294, 295/. Методики оценки энергоэффективноси и выбросов СО₂, основанные на составлении балансов углерода, получили развитие и в России /300…302/. В работе /301/ для оценки воздействия вредных выбросов металлургического производства на окружающую среду применена методология последовательности воздействия (Impact Pathway Methodology).

Исходя из сказанного выше, для оценки соответствия металлургической технологии принципам «социальной ответственности производителя» концепции «3R» и требованиям ВАТ (BREF) предлагается ввести критерий «Приведенный расход углерода на единицу металлопродукции», С_ВАТ, ед.:

где: С_в^Г – выбросы углерода в составе газов, кг/т проката,

С_в^Тв – выбросы углерода в составе твердых отходов, кг/т проката,

С_Э.Э. – предотвращенные выбросы углерода за счет использования ВЭР, кг/т проката,

С_П.П. – предотвращенные выбросы углерода за счет использовании попутной продукции, кг/ т проката,

С_прод. – углерод в составе готовой продукции, кг/т проката,

С’_ВАТ – наилучший (минимальный) достигнутый расход углерода на единицу анализируемой металлопродукции, кг/т проката.