6. ТЕХНОЛОГІЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЕКОЛОГІЧНО СТАЛОГО РОЗВИТКУ В ГІРНИЧО-МЕТАЛУРГІЙНОМУ КОМПЛЕКСІ

6.1 Кращі наявні технології Важливою частиною забезпечення сталого розвитку є аналіз доступних

технологій, використання яких може забезпечити зменшення потреби у енергоресурсах та/або скорочення викидів парникових газів. На сьогодні створено дуже велику кількість технологічних та конструктивних рішень для гірничо-металургійного комплексу, що забезпечують зменшення витрат енергії та шкідливих викидів до навколишнього середовища [1]. Деякі з них успішно застосовано у виробництві, в той час як інші ще чекають впровадження. Детальний опис таких технологій виходить за рамки даного курсу: за необхідності відповідна інформація може бути знайдена в літературі. Слід зазначити, що інформація з цих питань у вітчизняній літературі недостатньо систематизована, зокрема, відсутнє науково обґрунтоване визначення пріоритетності (наприклад з огляду на цінові фактори, терміни окупності, «зрілість» технології, її ефективність тощо) подальшого впровадження технологічних та конструктивних рішень в контексті поступового досягнення стратегічних завдань розвитку вітчизняного гірничо-металургійного комплексу. Власне невизначеними залишаються і самі завдання. Тому потрібно звернути увагу на наявні збірки так званих Best Available Technologies (кращі наявні технології, далі – BAT), окремі з яких укладаються авторитетними інституціями на національному та міжнародному рівнях. Концепція ВАТ є динамічною: невпинно створюються нові та удосконалюються існуючі технології, з’являється новий досвід їх впровадження, тому ці збірки постійно оновлюються.

Оскільки в Україні відсутній аналог таких видань, можна рекомендувати наступні документи, розроблені та прийняті в якості важливих джерел інформації на міжнародному рівні.

Збірка ВАТ для чорної металургії [2], розроблена Інститутом перспективних технологічних досліджень (Institute for Prospective Technological Studies) із залученням відповідних експертів під егідою Європейської Комісії та запроваджена її Директивою у лютому 2012 року. Це один з найбільш фундаментальних документів (має посилання до 398 літературних джерел та викладений майже на 600 сторінках), що охоплює такі технологічні процеси:

− завантаження, розвантаження та транспортування сировинних матеріалів;

− змішування та дозування сировини; − агломерація та виробництво окатишів; − коксохімічне виробництво; − виробництво чавуну в доменних печах, включаючи переробку шлаку; − виробництво та рафінування сталі в кисневих конверторах, включаючи

десульфурацію чавуну, ковшову металургію та переробку шлаку; − виробництво сталі в електродугових печах, в тому числі ковшова

металургія та переробка шлаку; − безперервну розливку. Документ містить детальний опис технологічних процесів, шлях утворення

та характер шкідливих викидів, а також засоби запобігання їх утворенню чи

уловлювання. Оновлені версії документу знаходяться у вільному доступі у мережі Інтернет [3].

Інша важлива збірка – це довідник з найкращих технологій для чорної металургії (SOACT) [4], розроблений під егідою Державного департаменту США з залученням представників державного сектору та бізнесових структур Австралії, Індії, Канади, Китаю, Південної Кореї, США та Японії в рамках Партнерства країн тихоокеансько-азійського регіону для чистого розвитку та клімату (Asia Pacific Partnership for Clean Development and Climate). Довідник систематизує технологічні рішення з енергозбереження та зменшення екологічного впливу підприємств чорної металургії.

Досить цікавим є аналіз [5], виконаний Lawrence Berkeley National Laboratory (США) та Fraunhofer Institute for Systems and Innovation Research (Німеччина), який більше сфокусований на технологіях, що знаходяться у стані розробки, промислових випробувань або комерціалізації, узагальнюючи інформацію про 56 інноваційних технологій (emerging technologies), що мають суттєвий потенціал для зменшення витрат енергії та викидів діоксиду вуглецю.

Слід відзначити також аналітичний документ [6], розроблений Агенцією з захисту навколишнього середовища США (US Environmental Protection Agency), який систематизує відомості про технології, що мають найбільший потенціал відносно скорочення викидів парникових газів. Це, певною мірою, «приземлений» документ, який здебільшого включає добре апробовані технології. Він віддзеркалює специфіку американської промисловості. Це позначається наявністю у списку технології вдування природного газу в доменні печі, що пов’язане з дешевизною цього палива в США. В табл. 6.1 наведено підсумки аналізу для випадкуінтегрованого підприємства. Слід зазначити, що за даними Американського інституту чавуну і сталі (AISI – American Iron and Steel Institute) заходи з терміном окупності понад три роки, як правило, вважаються підприємствами економічно недоцільними.

Дані щодо терміну окупності також є специфічними для американського ринку. Зокрема, надзвичайно великий показник для ГУБТ, що трансформує енергію стиску колошникового газу в електричну енергію, вочевидь, пов’язаний з низькими цінами на електроенергію (в США вони майже вдвічі менші за середні в Євросоюзі) [1].

Таблиця 6.1 Характеристика кращих наявних технологій за даними US Environmental

Protection Agency

Технологічна ділянка Індекси доцільності та

готовності до застосування

Термін окупності

(роки) Аглофабрика

Утилізація теплоти аглогазів C 2,8 Скорочення підсосів повітря C 1,3 Збільшення висоти шару C, S 0,0 Удосконалення автоматизації процесу C, EX 1,4

Утилізація відпрацьованих палив C, S 0,5

та мастил при спіканні Коксохімічне виробництво

Контроль вологості вугілля C, EX >50 Покращення управління нагріванням шихти C, EX 0,7

Компресор коксового газу зі змінною швидкістю обертання C 21,2

Сухе гасіння коксу C 35,7 Використання надлишкового коксового газу C, EX

Однокамерний реактор з підігрівом вугілля C, N

Коксові печі з внутрішнім спалюванням газоподібних продуктів

C, EX

Доменне виробництво Вдування ПУТ з витратою до 130 кг/т чавуну C, EX 2,0

Вдування ПУТ з витратою до 225 кг/т чавуну C, N 2,4

Вдування природного газу до 140 м3/т чавуну C, EX 1,3

Вдування мазуту C Вдування коксового та конвертерного газу C <1,0

Використання залізорудних матеріалів, що містять вуглець P

Використання енергії стиску колошникового газу (ГУБТ) C, N 29,8

Утилізація колошникового газу з міжконусного простору C, EX 2,3

Автоматизація повітронагрівачів EX 0,4 Повітронагрівачі рекуператорного типу C 8,7

Покращення горіння в повітронагрівачах C, EX

Покращення автоматизації доменного процесу EX 0,4

Рециркуляція доменного газу P Утилізація теплоти шлаку P

Киснево-конвертерне виробництво Використання фізичної та хімічної теплоти конвертерного газу C 11,9

Використання ексгаустерів зі змінною швидкістю обертання C, EX 9,9

Покращення автоматизації процесу EX

в конверторі Покращення нагрівання сталерозливального ковша

C, EX

Розливка Покращення нагріву в проміжному ковші C, EX 1,3

Розливка близько до кінцевої форми – тонкі сляби N, S 3,3

Розливка близько до кінцевої форми – штрипс N, S

Індекси готовності до застосування та доцільності (AISI, 2011): C – особливості підприємства можуть впливати на вартість та практичність

використання; EE – заходи, які покращують енергоефективність та зменшують викиди

парникових газів, але можуть призвести до збільшення викидів інших забруднювачів;

EX – технології, що широко застосовуються на багатьох існуючих підприємствах;

N – доцільно лише для нових підприємств; P – не остаточно апробовані технології, що знаходяться у стадії досліджень

або пілотної перевірки; S – спеціалізовані технології, що можуть застосовуватися лише для певних

конфігурацій або типів обладнання. В роботі [7], виконаній під егідою Європейської Комісії, на підставі

аналізу стану підприємств 27-ми країн Євросоюзу, запропоноване ранжування ВАТ за потенціалом енергозбереження та розроблено сценарії щодо майбутнього розвитку чорної металургії Європи в контексті виконання завдань щодо скорочення викидів парникових газів. Результати ранжування наведено на рис. 6.1. Як вказано в роботі [1], представлений аналіз містить окремі помилки (зокрема щодо поширеності використання вдування ПУТ та використання машин безперервної розливки сталі), тому його слід використовувати з певними застереженнями. Результати дослідження доводять, що, з урахуванням прогнозованого зростання виробництва, використання лише ВАТ не зможе забезпечити суттєвого зменшення викидів СО2 до 2030 року, і лише за умов використання радикально інноваційних технологій (деталі цих технологій буде розглянуто нижче у цьому розділі) можна сподіватися на досягнення завдань, встановлених керівними документами Євросоюзу. Як зазначається в рекомендаціях Круглого столу високого рівня з питань майбутнього європейської чорної металургії (лютий 2013 року) [8], потенційно можливе зменшення викидів СО2 для чорної металургії Євросоюзу не перевищує 10%, при цьому найбільш ефективні підприємства Європи вже працюють на межі фізичних можливостей, використовуючи практично всі відомі на сьогодні кращі технології.

Рис. 6 .1.ВАТ з найбільшим потенціалом щодо скорочення витрат енергії в

EU27 (зеленим кольором позначено технології, які мають суттєвий потенціал для сталого розвитку).

З огляду на неоднаковий рівень технологічного розвитку, потенційні

можливості щодо скорочення викидів діоксину вуглецю в різних країнах є неоднаковим. На рис. 6.2 наведено дані щодо потенційного зменшення викидів СО2, що може бути досягнуто в різних країнах у разі застосування ВАТ за розрахунками IEA (цитується за даними роботи [8] станом на 2007 рік – тобто ще до того як структура споживання енергоносіїв в металургії України дещо змінилася, призвівши до зростання викидів СО2). На рис. 6.3 наведено дані щодо можливостей енергозбереження для чорної металургії різних країн та світу в цілому за розрахунками IEA станом на 2011 рік [9], які демонструють потенціал різних заходів з модернізації виробництва. Дані вказують на те, що в Японії та Південній Кореї можливості зменшення викидів СО2 та енергозбереження за рахунок впровадження ВАТ є дуже обмеженими, оскільки більшість з цих технологій вже впроваджено. Наприклад, ще у 2007 році рівень використання газових утилізаційних безкомпресорних турбін сягнув 100%, а рівень використання технології сухого гасіння коксу у 2010 році складав 93%. За даними табл. 6.1 ці технології мають найдовший термін окупності. З огляду на це, в розвинутих країнах фінансується розробка радикально інноваційних технологій, що надалі можуть забезпечити дуже суттєве скорочення витрат енергії та зменшення споживання вуглецю як палива або відновника.

Рис. 6.2. Потенціал зменшення викидів СО2

для чорної металургії різних країн світу У той же час, як видно з рис. 6.2 – 6.3, в Україні можливо дуже суттєво

скоротити викиди СО2 та витрати енергії за рахунок використання добре відомих та випробуваних технологій, у тому числі тих, що мають досить короткий термін окупності [1].

Рис. 6.3. Можливості енергозбереження у чорній металургії світу та окремих

країн (в ЕДж/рік та ГДж/т сталі ) з урахуванням потенціалу різних технологічних заходів

6.2. Приклади технологій гірничодобувної галузі для екологічно сталого розвитку

Розглянемо деякі забруднюючі фактори гірничого виробництва та шляхи адаптації технологій даної галузі до вимог екологічно-сталого розвитку. Гірниче виробництво тісно пов’язане зі збагаченням корисних копалин, тому аналіз екологічного впливу даної галузі промисловості доцільно проводити комплексно. Екологічні та соціальні проблеми гірничої галузі промисловості зумовлені великою кількістю різних факторів: викидами в атмосферу отруйних речовин при підриванні гірського масиву, утворенням сейсмічних явищ, які негативно впливають на будівлі та споруди різного призначення, утворенням величезної кількості мілко дисперсного пилу, забрудненням річок та ґрунтів, викидами небезпечних речовин рудо-збагачувальних та агломераційних фабрик.

У теперішній час найбільше застосування для розробки родовищ корисних копалин отримав відкритий спосіб завдяки високій продуктивності праці, сучасному рівню механізації гірничих робіт та високим техніко-економічним показникам. Проте він також має найбільший негативний вплив на довкілля, що суперечить вимогам сталого розвитку суспільства. Дотепер темпи науково-технічного прогресу в світі перевищували темпи погіршення гірничо-геологічних умов розробки родовищ корисних копалин. У результаті питомі витрати на видобуток і переробку мінеральної сировини за останнє сторіччя знижувалися у середньому на 0,8% за рік, але в останнє десятиріччя вони скоротилися до 0,15% за рік. З урахуванням експонентної форми залежності темпи зниження витрат у майбутньому будуть продовжувати сповільнюватися. Чим нижче буде вихідний вміст цінного компоненту в руді і гірші умови розробки, тим складніше і дорожче буде створювати нові технології розробки корисних копалин. Як показав аналіз наукових праць [10, 11] на найближчу перспективу в гірничодобувній галузі будуть застосовуватись існуючі технології розробки корисних копалин, які характеризуються великою ресурсоємністю, відходністю та значним негативним впливом на навколишнє середовище. Оскільки Україна свій подальший розвиток пов’язує з умовами сталого розвитку, то нині існуючі технології розробки корисних копалин необхідно адаптувати до його вимог.

Адаптація технологій відкритих гірничих робіт до вимог сталого розвитку повинна виконуватись для окремих операцій технологічних процесів, для технологічних процесів і технологій в цілому та техногенних об’єктів гірничого виробництва. Розглянемо дане положення на прикладі зниження негативного впливу на навколишнє середовище технологічних процесів відкритих гірничих робіт (рис. 6.4).

Відкрита розробка скельних гірничих порід розпочинається з технологічного процесу буріння гірського масиву і проходки свердловин. Аналіз способів пилопригнічення показує, що для найбільш поширених механічних способів буріння (шарошечного і ударно-обертального) широке застосування отримали сухе пиловловлювання, повітряно-водне та повітряно-емульсійне пилопригнічення. Більш низьке значення запиленості повітряного середовища у верстатів термічного буріння пов’язане із зростанням

газоподібної складової за рахунок додавання до стислого повітря від компресора продуктів згорання і парів води, яка охолоджується.

Рис. 6.4. Методології адаптації технологій відкритого видобутку

корисних копалин відповідно до вимог сталого розвитку Одним з основних чинників впливу на ефективність пилопригнічення при

термічному бурінні є спосіб охолоджування пальника термобуру. Дослідженнями [10] встановлено, що при водному охолоджуванні пальника зі свердловини виносяться частинки шламу в 5 разів більші, ніж при повітряному, а пилу – в 8-240 разів менше.

Транс-формація існуючих

технологій

Прогнозування стану навколишнього

середовища району розробки

Технології відкритої розробки родовищ

Прогноз розвитку технологій за перспективами

трансформації мінерально-сировинної бази

Розроб-лення нових

технологій

Основні принципи адаптації гірництва за умови сталого

розвитку

Мінімізація ресурсоспоживання

Максимізація ресурсозбереження

Мінімізація негативного впливу на

навколишнє середовище

Втр

ати

та

розу

бож

уван

ня

сиро

вини

Вик

орис

танн

я пр

ирод

них

ресу

рсів

Утво

ренн

я від

ході

в ви

робн

ицтв

а

Вик

орис

танн

я ви

добу

тої м

інер

альн

ої

сиро

вини

Вик

орис

танн

я ви

луче

них

прир

одни

х ре

сурс

ів

Вико

рист

ання

від

ході

в ви

робн

ицтв

а

Спри

яння

са

мові

днов

ленн

ю

сере

дови

ща

Задо

воле

ння

вимо

г сп

ожив

ачів

Техн

олог

ічні

і те

хніч

ні

Шляхи удосконалення технологій

Екон

оміч

ні

Орг

аніза

ційн

і

Пра

вові

і но

рмат

ивні

Корі

нна

змін

а те

хнол

огій

Змін

а те

хнол

огіч

них

проц

есів

і оп

ерац

ій

Змін

а об

ладн

ання

Мін

імум

вит

рат н

а ут

воре

ння

і фун

кціо

нува

ння

Мін

імум

вит

рат н

а роз

робк

у по

рід

Упр

авлі

ння

виро

бнич

ою с

трук

туро

ю

і гос

пода

рськ

ою д

іяль

ніст

юО

пера

тивн

е уп

равл

іння

тех

ноло

гічн

ими

проц

есам

иЗа

кони

та

прав

ові а

кти

у га

лузі

захи

сту

прир

одни

х ре

сурс

івРе

глам

ента

ція

ступ

еня

дії н

а на

вкол

ишнє

сер

едов

ище

Технології видобуткукорисної копалини

Технології виїмкирозкривних порід

Розкривні породи

Порожні породи

Збалансовані руди

Заст

осув

ання

опт

имал

ьних

пара

метр

ів р

озро

бки

Селе

ктив

на в

иїм

ка п

орід

Фор

мув

ання

нео

бхід

ної

якос

ті с

иров

ини

(усе

редн

ення

)

Від

окре

млен

е ск

ладу

ванн

я,

яке

забе

зпеч

ую с

табі

льну

як

ість

сиро

вини

Скла

дува

ння

за р

ізно

вида

ми з

ур

ахув

ання

м еф

екти

вної

по

втор

ної р

озро

бки

Ком

плек

сне в

икор

иста

ння

в на

родн

ому

госп

одар

стві

Вик

орис

танн

я дл

я утв

орен

ня

необ

хідн

их л

андш

афті

в та

мі

крок

ліма

ту

Буріння свердловин нерозривно пов’язане з виробництвом вибухових робіт для розпушення скельних порід, які підлягають розробці відкритим способом. Масові вибухи в кар’єрах є потужним джерелом пилогазовиділення – 200-600 т пилу/рік, 6,0-8,0 тис. м3 шкідливих газів за вибух. Миттєвий викид такої кількості шкідливих речовин (рис. 6.5) вимагає контролю за станом зміни їх концентрацій в атмосфері, переміщенням, розсіюванням, нейтралізацією і можливістю управління деякими процесами. Управління складом атмосфери кар’єру при вибухах необхідно виконувати шляхом застосування способів і засобів боротьби зі шкідливими викидами, які повинні здійснюватися на етапах підготовки до вибуху, під час його проведення і після його виконання. Заходи щодо впливу на атмосферу кар’єрів при вибухах включають:

– технологічні; – інженерно-технічні; – організаційні. Одним з основних технологічних чинників, що забезпечують значне

зниження виділення шкідливих газів при вибуху (у 2-9 разів), є застосування для руйнування порід вибухових речовин з нульовим або близьким до нього кисневим балансом. Дана проблема може бути вирішена широким застосуванням емульсійних вибухових речовин.

Рис. 6.5. Формування пило-газової хмари

при масовому вибуху на кар’єрі ГЗК Принципове значення при цьому має обґрунтування розміру блоку, який

підриватиметься, з технологічних, технічних, економічних та екологічних міркувань з урахуванням збереження виробничої потужності кар’єру. Перехід на масові вибухи з малим обсягом вибухових речовин повинен здійснюватися

на основі урахування гірничотехнічних особливостей кар’єру та створення індивідуальних енергетичних і транспортних комунікацій для кожного вибою.

Інженерно-технічні способи і засоби пилогазопригнічення при вибухових роботах зводяться до наступного: застосування ефективної забійки свердловин, зрошування зони випадання пилу з пилогазової хмари водою або пилозволожуюючими добавками з розрахунку 10 л води на 1 м2 зрошуваної площі. Зона зрошування влаштовується на відстані 50-60 м від межі блоку, що підривається.

Матеріал (тип і якість) і довжина забійки впливають на склад і кількість утворюваних токсичних газів. Наприклад, заміна глиняної забійки на вапняну знижує вміст NO, N2O3, NO2 і СО у газах вибуху. Забійка з гашеного вапна у порівнянні з глиняною знижує вміст СО на 30%, забійка з вапняного пилу – приблизно на 10%. Зменшення вмісту окисів азоту у присутності гашеного вапна складає у середньому 25%, вапняного пилу – 15%. Використання 10 кг гашеного вапна на заряд масою 600-800 кг акватолу ГЛТ-20 або гра- моніту 79/21 дозволяє практично повністю нейтралізувати виділяємий NO, NO2 і на 40-69% понизити вміст СО.

У зимових умовах зниження пиловиділення в 3-5 разів можливе за рахунок нанесення штучного снігу на вибуховий блок і прилеглу територію з витратою 8-13 кг/м2 поверхні. У даний період можна застосовувати внутрішню сніжно-крижану забійку свердловин, при якій її верхня частина заливається 20 л води при температурі -4 – -8 С , що зменшує пиловиділення в 5-6 разів.

Наступним технологічним процесом адаптації до вимог сталого розвитку суспільства є виймально-навантажувальні роботи. Аналіз тенденцій розвитку виймально-навантажувальних робіт показав, що їх вдосконалення спрямоване на застосування устаткування великої одиничної потужності. Це веде до підвищення інтенсивності пило- виділення. Так, застосування екскаватора ЕКГ-10 замість ЕКГ-8, веде до зростання продуктивності на 11%, тоді як питоме пиловиділення збільшується на 20-30% [10]. Тому розробка засобів і способів пилопригнічення, а також їх ефективність повинна випереджати підвищення продуктивності механізмів гірничих робіт.

Зниження запилення повітря при виймально-навантажувальних роботах може бути здійснене шляхом винесення пилу з екскаваторного забою за допомогою штучної вентиляції, осадженням пилу за рахунок його коагуляції і обважніння, а також зволоженням пилу, що знаходиться в масиві або насипі. Ці способи можуть використовуватися окремо або в комбінації один з одним. Одним із способів обважніння літаючих пилових частинок є конденсація на них вологи, що може бути досягнуто при подачі в забій водяної пари, хоча внаслідок дорожнечі цей спосіб навряд чи отримає широке застосування.

Основним джерелом пилогазового забруднення атмосфери кар’єрів і прилеглих територій є технологічний транспорт і автодороги (рис. 6.6). На даний час самим поширеним видом збирального і магістрального транспорту на відкритих гірничих роботах є автосамоскиди, якими перевозиться 60-80% всієї гірської маси при різноманітних схемах транспортування. Відпрацьовані гази дизельних двигунів автосамоскидів містять значну кількість токсичних речовин, альдегідів та органічних компонентів. Існує три основних напрямки

зменшення шкідливих викидів автосамоскидів: створення малотоксичних двигунів, очистка або нейтралізація відпрацьованих газів і використання «екологічно чистого» газового палива. Достатньо простим і результативним рішенням проблеми зниження викидів токсичних компонентів у відпрацьованих газах двигуна є використання удосконалених дизельних двигунів з малотоксичними робочими процесами, а також використання двигунів інших видів і типів (газотурбінних або електродвигунів з автономним живленням від спеціальних джерел). Оскільки це пов’язане з розробкою принципово нових рішень їх роботи, які відповідатимуть конструктивним змінам і вимогам до виду і якості палива, тому даний напрямок може бути реалізований лише у віддаленій перспективі.

Рис. 6.6. Пилоутворення та викид СО2

при транспортуванні гірничої маси дизельними автосамоскидами Другий спосіб зниження викидів токсичних речовин це застосування на

двигунах внутрішнього згорання систем зі знешкодження відпрацьованих газів, у тому числі нейтралізаторів. Існують нейтралізатори трьох типів: термічні, каталітичні і рідинні. Термічні нейтралізатори знижують токсичність відпрацьованих газів на 90%. Недоліками термічних каталізаторів є необхідність застосування спеціальних жаростійких матеріалів для виготовлення реакційної камери. Ефективність каталітичних нейтралізаторів складає 70-90%. Найбільш універсальними є каталізатори на основі благородних металів (рутенію, родію, паладію, платини) і деяких окислів металів (оксидів міді, хрому, нікелю). Застосування каталітичних

нейтралізаторів ВГ стримується їх малим робочим ресурсом, зниженням ефективності нейтралізації з часом і високою вартістю.

Більш реальним і перспективним рішенням проблеми досягнення мінімального негативного впливу автосамоскидів на атмосферу кар’єру є використання природного газу у якості палива. Це дозволяє майже у 10 разів скоротити димність відпрацьованих газів, у 2-3 рази – викиди оксиду вуглецю, в 1,3-1,4 рази – оксидів азоту. Токсичність забруднюючих речовин у двигунів, що працюють на природному газі, у 1,5-5 разів менша, ніж у дизельних двигунів. Цей екологічний захід є й дуже економічно вигідним, оскільки природний газ у 3 рази дешевше дизельного пального.

Ще однією можливістю зменшення негативного впливу процесу транспортування на атмосферу довкілля є скорочення кількості задіяних автосамоскидів і відстані транспортування цим видом транспорту шляхом застосування циклічно-потокової технології з нарощування довжини діючих конвеєрних підйомників [10]. У такому випадку пилопригнічення на дробарних і перевантажувальних пунктах може мати локальний характер за допомогою розсіювачів води (рис. 6.7).

Рис. 6.7. Системи водяного пилопригнічення для конвеєрного транспорту

Відвалоутворення є невід’ємним процесом відкритих гірничих робіт,

оскільки виїмка корисної копалини неможлива без попереднього вилучення порожніх порід і їх складування в зовнішні або внутрішні відвали. У теперішній час найбільше розповсюдження отримали: екскаваторне відвалоутворення – при залізничному транспорті і бульдозерне – при автомобільному. Технологічний процес відвалоутворення відрізняється від раніше розглянутих технологічних процесів відкритих гірничих робіт впливом не тільки на атмосферу, але потребує також відчуження значних земельних площ для розміщення розкривних порід (рис. 6.8). Основними шляхами зменшення використання земельних площ для розміщення зовнішніх відвалів є: застосування внутрішнього відвалоутворення або засипка виробленого простору кар’єрів. Дослідженнями встановлено, що у виробленому просторі існуючих кар’єрів Кривбасу в досягнутих проектних контурах деяких ділянок можливо розташувати внутрішні відвали об’ємом близько 660 млн. м3

розкривних порід і зменшити кількість порушених земельних площ на 940-1320 га.

Рис. 6.8. Відвали Південного ГЗК

Разом з існуючим дефіцитом земельних площ для розміщення зовнішніх

відвалів в Кривбасі існують 1200-2300 га площі зон порушених земель, утворених від підземного видобутку багатих залізних руд. В даних зонах, в залежності від їх глибини, можливо заскладувати близько 240-1150 млн. м3 розкривних порід. Засипка зон, порушених підземними гірничими роботами, можлива до рівня денної земної поверхні або вище нього.

Таким чином, вищезазначені шляхи адаптації існуючих технологій відкритих гірничих робіт до вимог сталого розвитку суспільства дозволять значно зменшити негативний вплив гірничих робіт на оточуюче природне середовище, покращити його стан та відтворити умови до прискореного самовідновлення і розвитку порушених екосистем.

6.3 Інноваційні технології майбутнього в металургії Сьогодні існує досить велика кількість інноваційних технологічних рішень

на різній стадії розробки або випробувань, які мають дуже значний потенціал для зменшення викидів парникових газів підприємствами чорної металургії [1].

Уловлювання та захоронення вуглекислого газу (carbon capture and storage – CCS) – процес, що включає відділення СО2 від промислових і енергетичних джерел, транспортування до місця зберігання і довгострокову ізоляцію від атмосфери – як очікується, буде відігравати важливу роль у проведенні кліматичної політики. У ряді країн в даній області ведуться дослідження і створюються експериментальні установки [12].

Так, в одному з таких пілотних проектів бере активну участь корпорація Emirates Steel з ОАЕ. Ключова мета цього проекту, завершити який планується в 2016 році, – виробництво металу з мінімальною емісією СО2 шляхом уловлювання вуглекислого газу, що утворюється під час виплавки сталі, з метою використання для інтенсифікації видобутку нафти.

Викиди заводу Emirates Steel, що містять приблизно 90% СО2, будуть транспортуватися на установку стиснення і осушення на ділянці зберігання біля міста Муссафа. Там вуглекислий газ буде стискатися до створення СО2 з чистотою 98%, після чого по мережі трубопроводів протяжністю 50 км він буде передаватися для закачування на прибережне нафтове родовище, розробку якого веде нафтовидобувна компанія Abu Dhabi Company for Onshore Oil Operations (ADCO).

Поєднання зберігання СО2 з підвищеним отриманням нафти може дати додаткові вигоди в результаті видобутку нафти або газу. В ОАЕ на нафтових родовищах для інтенсифікації видобутку нафти традиційно використовуються вуглеводневі гази. Однак у зв'язку з ростом попиту на енергоносії, проект CCS, реалізований Emirates Steel, дасть можливість зберегти та використовувати значні обсяги природного газу для вироблення електроенергії [12].

В останні 10 років в Європі проводяться серйозні науково-дослідні і дослідно-конструкторські розробки, спрямовані на розробку технологій з виробництва сталі з ультранизькими викидами СО2. Одна з таких програм – проект ULCOS (Ultra-Low СО2 Steelmaking) – здійснюється з 2004 року 48 європейськими фірмами та неприбутковими організаціями з 15 країн, включаючи Arcelor Mittal, Tata Steel і інші. Її головною метою є скорочення викидів СО2 на металургійних виробництвах в Європі на 50% до 2030 року. Згідно з прогнозами експертів, обсяг вуглекислого газу, що потрапляє в атмосферу в результаті функціонування металургійних заводів, до 2020 року може досягти 2,3 млрд. т на рік.

У 2012 році почалася друга фаза реалізації проекту ULCOS, а в 2014 році почалися роботи з будівництва пілотних та демонстраційних підприємств в інтересах промислового впровадження цієї технології і інших подібних розробок в металургійну галузь Європи до 2020 року [12].

Зусилля проекту зосереджені головним чином на наступних чотирьох технологіях [1]:

1) ULCOS-BF – рециркуляція колошникового газу з застосуванням засобів уловлювання та складування CO2 (CCS);

2) технологія рідкофазного відновлення HIsarna з засобами CCS; 3) технологія отримання металізованого продукту ULCORED з засобами

CCS; 4) відновлення залізних руд шляхом електролізу ULCOWIN, ULCOLYSIS. Окрім того, в рамках ULCOS ведеться розробка технологій отримання

металу з використанням біомаси та водню у якості відновника. Технологічні аспекти рециркуляції колошникового газувідпрацьовувалися

у 2007-2009 роках на єдиній у світі на цей час експериментальній доменній печі в м. Лулео. Найкращі результати було досягнуто у випадку, коли частину очищеного від СО2 колошникового газу вдували після підігріву до 1000°С в нижню частину шахти, а іншу частину після підігріву до 1250°С – в горн через

звичайні фурми. За цих умов при ступені рециркуляції 90% було забезпечено зменшення витрати коксу на 25%. При виробництві чавуну скорочення викидів СО2 становить 24%. Втім, за умов інтегрованого металургійного підприємства впровадження рециркуляції колошникового газу позбавить енергетичне господарство цього виду палива, що вимагатиме застосування інших енергоносіїв (наприклад, природного газу) у прокатному виробництві. З огляду на це, зменшення викидів СО2 у розрахунку на тонну кінцевого продукту складатиме до 15% [13]. Зменшення викидів СО2 до 50% планується досягнути за рахунок застосування технологій CCS.

Найперспективнішою технологією, розробленою в рамках проекту ULCOS, вважається процес HIsarna, що дозволяє зменшити викиди вуглекислого газу більш ніж на 50%. Технологія HIsarnaTM поєднує в собі компоненти двох технологій – Cyclone Converter Furnace (CCF, циклонний пічний конвертер) та HIsmeltTM Smelt Reduction Vessel (SRV, апарат рідкофазного відновлення), тобто являє собою двостадійний процес, схему якого наведено на рис.6.9.[14]. Ця технологія вже тестується в пілотному режимі на спеціально побудованому заводі Tata Steel потужністю 60 тис. т в рік в нідерландському місті Еймейден. В ході процесу HIsarna виробляється досить чистий (вільний від домішок) вуглекислий газ, який може бути використаний для уловлювання та зберігання лише з незначним наступним очищенням.

Рис. 6.9. Схема технології HIsarna.

Як саме технологічні концепції CCF та SRV поєднуються в апараті HIsarna,

показано на рис. 6.10. Подрібнена руда та кисень вдуваються до циклону, розміщеного над SRV, продукуючи частково відновлений розплав, що стікає до SRV. Пиловугільне паливо з великою швидкістю вдувається до ванни таким чином, щоб підтримувати рівень вуглецю, розчиненого у металі, на тому рівні, який потрібен для плавки. Метал має температуру 1400-1450 °C та містить близько 4,0 % вуглецю. Розплавлена руда з циклону миттєво розчиняється у шлаці, а змішування металу зі шлаком, що відбувається внаслідок вдування вугілля, утворює велику площу міжфазної взаємодії. Кінцевий шлак містить близько 5-6% FeO. Вуглець, розчинений у металі, відновлює залізо зі шлаку, продукуючи CO, що разом з летючими речовинами вугілля піднімається

нагору. У верхній частині SRV цей газ частково спалюється киснем, генеруючи теплоту. Частина теплоти повертається до ванни металу циркулюючим в SRV потоком металу і шлаку. В результаті газ має температуру 1450-1500 °C при рівні допалювання близько 50 %. Залишок фізичної теплоти та хімічного потенціалу газу використовується для часткового відновлення та плавлення руди в CCF.

Рис. 6.10. Схема процесу HIsarna

Пілотну установку HIsarna було побудовано на базі станції десульфурації

торпедоподібних ковшів. Проектна потужність – 8 т чавуну на годину. Перші випробування було розпочато у 2011 році. Протягом другої кампанії (2012 р.) досягнуто 65 % проектної потужності з використанням звичайних сировинних матеріалів тривалий період. Під час третьої кампанії (2013 рік) використовували газове вугілля та низькосортну залізну руду, а перший отриманий чавун було переплавлено в конверторі. У 2014 році вивчалися особливості використання різних сировинних матеріалів та досліджувалася верхня межа продуктивності. На 2015 рік заплановано тривале дослідження протягом кількох місяців у стабільному режимі для визначення недоліків проектування та підготовки проекту для масштабування. Демонстраційні випробування планується завершити у 2018 році з наступною комерціалізацією після 2020 року.

Перешкодою для запровадження HIsarna в Європі та в деяких інших регіонах може стати незначний потенціал щодо зростання виробництва. Тобто наявні та перспективні потреби будуть повністю забезпечені існуючими доменними печами. Окрім того, капітальна реконструкція існуючої доменної

печі коштує приблизно вдвічі дешевше, ніж будівництво нової. Поєднання цих факторів не дозволяє сподіватися на швидку заміну доменного виробництва технологією HIsarna в межах терміну повної амортизації існуючих доменних печей. Можливості впровадження HIsarna у країнах, що розвиваються, є більш оптимістичними.

В розробці інноваційної технології виробництва металізованого заліза (далі – DRI, direct reduced iron) в рамках проекту ULCOS приймають участь: компанія LKAB, дослідницький інститут MEFOS із Швеції та австрійська компанія Voestalpine. Вихідні вимоги для створення нової технології були такими:

1) технологія суттєво відрізняється від існуючих, зокрема, таких як Midrex та HYL;

2) єдине джерело витоку СО2 з апаратів технологічного циклу; 3) споживання енергії не перевищує 8,4 ГДж/т DRI; 4) прості обладнання та технологія; 5) можливість використання інших видів палива, ніж природний газ; 6) капіталовкладення співставне з існуючими технологіями. Пізніше під час роботи над технологією, що отримала назву ULCORED,

було визначено наступні критерії: – використання кисню замість повітря задля отримання СО2 у викидах при

максимальній концентрації; – можливість скорочення витрати природного газу на 15-20 %; – можливість використання процесів газифікації вугілля, біомаси та

біовідходів, а також використання водню у якості альтернативи природному газу.

Електроліз залізної руди є найменш розвинутою технологією, що досліджується в рамках ULCOS. Цей процес має забезпечити перетворення залізної руди на залізо та газоподібний кисень із застосуванням лише електричної енергії. Як відомо, електроліз ефективно застосовується при виробництві інших металів: алюмінію, цинку та нікелю.

В процесі ULCOLYSIS залізну руду розчиняють у оксидному розплаві, що складається з оксидів кремнію та кальцію, при 1600°C, тобто при температурі вище за температуру плавлення заліза. Використовується анод, виготовлений з інертного, по відношенню до оксидного розплаву матеріалу. Електричний струм проходить через оксидний розчин між анодом та коміркою рідкого заліза, який служить катодом. В процесі електролізу кисень оксидів заліза на аноді перетворюється на газоподібний кисень, в той час як комірка рідкого металу поповнюється залізом, що виводиться за допомогою сифону.

Сьогодні процес ULCOLYSIS знаходиться на стадії лабораторних досліджень. Аналогічна технологія розробляється також під егідою Американського інституту чавуну і сталі.

В процесі ULCOWIN електроосадження (electrowinning) заліза з гематитової руди відбувається у водному розчині гідроксиду натрію при температурі 110 °С. ULCOWIN знаходиться на завершальній стадії лабораторних досліджень. Планується створити пілотну установку продуктивністю 5 кг на добу.

Слід зазначити, що процеси, засновані на застосуванні електролізу, можуть розглядатися як майбутні технології виробництва заліза, що забезпечують запобігання викидів СО2 лише у випадку, якщо використовується електроенергія, отримана з відновлювальних джерел або на атомних електростанціях [1]. Витрата енергії залежить від конфігурації процесу, хімічного складу електроліту та температури процесу. Електроліз у розплавленому електроліті споживає близько 2000 кВт×год/т заліза при 1600°C. Це значно менше, ніж кількість енергії, що витрачається у доменному процесі (4980 кВт×год /т чавуну (17.9 МДж)/т. При менших температурах витрата енергії може бути зменшена [15].

В японській програмі COURSE-50 приймають участь провідні японські та європейські виробники сталі, в тому числі Nippon Steel, JFE Steel, Arcelor Mittal, ThyssenKrupp і інші [12]. Вони мають намір спільно розробити технології, що повністю усувають викид вуглекислого газу в атмосферу в процесі виробництва металу. В рамках програми створено Науковий союз, який координує обмін інформацією та розробками. До нього увійшли шість японських металургійних компаній і дев’ять європейських, що беруть участь в проекті ULCOS.

Технології, що знаходяться у стані розробки проілюстровано на рис. 6.11 за даними роботи [13]. Особливість даного проекту в тому, що зберігається доменна піч та двохступеневе виробництво сталі.

Рис. 6.11. Компоненти проекту COURSE50

Проект включає декілька компонентів, зокрема [1]: 1) скорочення викидів CO2 при виробництві чавуну, що передбачає: – використання водню у якості відновника; – реформінг коксового газу з метою збільшення вмісту в ньому водню з

використанням теплоти відходів; – виробництво коксу з високою міцністю та підвищеною реакційною

здатністю, який придатний для використання в доменній печі, що використовує водень у якості відновника;

2) уловлювання CO2 з колошникового газу для подальшого використання газу в якості палива або відновника;

3) скорочення витрати енергії шляхом утилізації теплоти відходів. Найбільша південнокорейська металургійна компанія POSCO реалізує

власну програму з адаптації уловлювання та зберігання двоокису вуглецю до своєї технології виплавки металу Finex. Остання виключає перші стадії сталеплавильного виробництва – агломерацію і коксування – і дозволяє безпосередньо використовувати дешевші рудну і вугільну дрібну фракцію, істотно (на 20%) знижуючи тим самим виробничі витрати [12]. Корейці також проводять випробування з уловлювання вуглекислого газу, який виділяють доменні печі.

Програма за участю China Steel Corporation і тайванського Альянсу з уловлення та зберігання двоокису вуглецю (Taiwan CCS Alliance) об'єднує 11 компаній і організацій [12]. Проведені Taiwan CCS Alliance в даний час дослідницькі заходи сфокусовані, головним чином, на двох ключових технологіях. Перша являє собою процес киснево-паливного спалювання, яка передбачає очистку СО2 шляхом спалювання без вмісту азоту, а друга – створення установки хімічної абсорбції з метою подальшого зменшення споживання енергії на одиницю двоокису вуглецю, що вловлюється. Додатковий проект в рамках вищевказаної програми передбачає також карбонізацію шлаку кисневого конвертора.

Австралійське Державне об'єднання наукових і прикладних досліджень (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization – CSIRO) разом з металургійними компаніями BlueScope і OneSteel працює над реалізацією двох великих проектів зі скорочення викидів СО2.

Перший полягає в частковій заміні в процесі виробництва сталі вугілля і коксу на парниковий газ і відновлене деревне вугілля, а другий – регенерацію (відновлення) тепла з рідкого шлаку через сухе гранулювання, яке вловлює тепло, що виділяється в результаті охолодження шлаку, знижуючи, таким чином, викиди вуглекислого газу. Ці проекти користуються широкою підтримкою з боку уряду Австралії [12].

У червні 2016 компанія Siemens та ряд компаній з енергетичної, хімічної і металургійної галузі, такі як Covestro, Evonik и Linde, запустили спільний проект під назвою «Carbon2Chem» [16]. На його підтримку Федеральне міністерство Німеччини з питань освіти і наукових досліджень виділив грант в сумі $ 55.9 мільйонів. Партнери проекту Carbon2Chem розглядають перетворення парникових газів, а також викиди таких шкідливих речовин як метан і азот, в матеріали багаторазового використання для хімічної галузі.

Компанії-партнери проекту з хімічної галузі, такі як Covestro, Evonik і Linde, шукають інноваційні способи для розщеплення води на водень і кисень (цей процес називається електроліз), а також для перетворення енергії сонця і вітру в метанол – органічну речовину, яка найбільш часто використовується. Велика частина вуглецю, необхідного для виробництва метанолу, в даний час надходить від викопного палива.

Список використаних джерел

1. Шатоха В.І. Сталий розвиток чорної металургії: Монографія / В.І. Шатоха. – Дніпропетровськ: «Дріант», 2015. – 184 с.

2. Best Available Techniques (BAT). Reference Document for Iron and Steel Production: Industrial Emissions Directive 2010/75/EU (Integrated Pollution Prevention and Control), 597р. Best Available Techniques (BAT). Reference Document for Iron and Steel Production: Industrial Emissions Directive 2010/75/EU (Integrated Pollution Prevention and Control), 597р.

3. http://eippcb.jrc.ec.europa.eu. 4. The State–of-the-Art Clean Technologies (SOACT) for Steelmaking Handbook (2nd Edition):

American Iron and Steel Institute, Washington, DC, 123 р. 5. Emerging Energy-efficiency and Carbon Dioxide Emissionsreduction Technologies for the Iron

and Steel Industry/ A.Hasanbeigi, M. Arens, L. Price: Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA, USA, 116 р.

6. Available and Emerging Technologies for Reducing Greenhouse Gas Emissions from the Iron and Steel Industry: U.S. Environmental Protection Agency, September 2012, 78 р.

7. Prospective Scenarios on Energy Efficiency and CO2 Emissions in the EU Iron & Steel Industry/ N. Pardo, J.A. Moya, K. Vatopoulos: EUR 25543. Joint Research Centre. Institute for Energy and Transport, 50 р.

8. High-level Round Table on the future of the European Steel Industry Recommendations. EUROPEAN COMMISSION: ENTERPRISE AND INDUSTRY DIRECTORATE-GENERAL. 12 February 2013, 25 р.

9. Kojima A. Steel Industry’s Global Warming Measures and Sectoral Approaches/Science & Technology Trends. Quarterly Review №33, October 2009, р. 55-68.

10. Просандєєв М.І. Основні шляхи адаптації технологій відкритих гірничих робіт до вимог сталого розвитку суспільства / М.І. Просандєєв, Л.М. Козлова // Екологія і природокористування. – 2011. – Випуск 14. – С. 143–160.

11. Латкин А.С. Пылеподавление при бурении / Латкин А.С. – М.: Недра, 1992. – 165 с.\ 12. Зайцев О. Экологические технологии в мировой металлургии.

http://www.rusmet.ru/promnews/show/63111/Ekologicheskie_tehnologii_v_mirovoy_metallurgii.

13. Top gas recycling blast furnace developments for ‘green’ and sustainable ironmaking/ J. van der Stel // Ironmaking and Steelmaking. - 2013 (40) - № 7 - Р. 483-489.

14. HIsarna Pilot Plant Project/K. Meijer, C. Guenther, R. J. Dry// Proceedings 6th European Coke and Ironmaking Congress ECIC, 27th June-1st July 2011, Düsseldorf, Germany. CD-ROM.

15. Carpenter А. CO2 abatement in the iron and steel industry. IEA CLEAN COAL CENTRE, January 2012, 119 р.

16. Steel Production – without CO2 Emissions? http://www.siemens.com/innovation/en/home/pictures-of-the-future/research-and-management/innovations-carbon2chem-environmentally-friendly-steel-production.html