Термодинамический расчет выхода металлического Fe и выбросов CO2 в газофицированном шахтном процессе прямого восстановления

Превращение отходящего газа в полезный металл

Сталь лежит в основе современной жизни, но её производство сопровождается большими выбросами диоксида углерода. В Китае, где производится более половины мировой стали, сокращение выбросов критично для климатических целей. В этом исследовании изучается, как малоиспользуемый побочный продукт коксовых заводов — коксовый газ — может служить топливом и химическим реагентом для более эффективного получения железа в типе реактора, известном как шахтная печь, одновременно снижая углеродное загрязнение.

Почему трубы сталелитейной отрасли важны для климата

Производство стали обычно опирается на уголь в высоких доменных печах, что обеспечивает неизбежно высокие углеродные выбросы. В то же время коксовые заводы, подготавливающие уголь для сталелитейного производства, выделяют большие объёмы газа, богатого водородом и метаном. Значительная часть этого газа сжигается или теряется. Поскольку его климатическое воздействие на единицу энергии сопоставимо с природным газом, более рациональное использование этого побочного продукта может заменить ископаемое топливо, которое нужно добывать или импортировать. Вопрос, который рассматривают авторы, — насколько широко коксовый газ может быть использован для работы газовых шахтных печей, превращающих руду в металлическое железо, и что это будет означать для выбросов диоксида углерода.

Построение виртуальной фабрики по производству железа

Вместо дорогих опытно-промышленных испытаний исследователи создали подробную термодинамическую модель — своего рода виртуальную фабрику, основанную на законах сохранения энергии и вещества. Они проследили путь коксового газа: сначала его нагревают и реформируют в отдельной печи, получая смесь, обогащённую водородом, затем подают в шахтную печь, где он отнимает кислород у пеллетов руды. Модель учитывает, сколько металлического железа производится, сколько газа расходуется на химические реакции и на тепло, и сколько CO2 уходит с отработанными газами. Варьируя ключевые входные параметры — содержание железа в руде, долю железа, полностью превращённого в металл, и температуру, при которой формируется металлическое железо — они оценивали, как каждый выбор влияет на выход продукции и на выбросы.

Качество руды важнее тонкой настройки

Одним из очевидных результатов является то, что содержание железа в руде — главный рычаг. При увеличении содержания железа от относительно «бедной» руды с 45 % до более богатой с 70 % масса производимого металлического железа на фиксированный объём коксового газа возрастает более чем на 60 %. Одновременно выбросы диоксида углерода на тонну металла резко уменьшаются — примерно с 1,2 тонн до около 0,74 тонн. Это происходит потому, что в более богатой руде меньше неметаллических компонентов, которые нужно нагревать, но которые так и не превращаются в железо. Меньше «пустой» породы в смеси означает, что меньше газа сжигается только для обеспечения тепла, и больше газа может идти непосредственно на восстановление оксидов железа в металл.

Тонкая настройка режимов печи

Команда также изучила два управляемых параметра внутри шахтной печи: насколько полно руда превращается в металл (степень металлования) и температуру, при которой происходит последний этап восстановления. Увеличение степени металлования, как правило, повышает и выход металла, и общие выбросы CO2 на тонну твердого продукта, но уменьшает выбросы на тонну чистого металла, поскольку то же количество газа производит больше полезного железа. Небольшое повышение температуры формирования металлического железа снижает выход металла и увеличивает выбросы, так как более горячая работа требует дополнительного газа на подогрев. В целом эти факторы имеют значение, но значительно уступают по влиянию простому выбору руды более высокого качества.

Рециклинг горячих газов для сокращения потерь

Модель показывает, что тепловой баланс, а не только химические реакции, во многом определяет, сколько газа требуется системе. Когда горячий отработанный газ из верхней части шахтной печи сжигается в нагревательной печи, лишь около одной пятой этого очищенного газа необходимо для покрытия потребности в нагреве. Оставшиеся четыре пятых, по сути, можно очистить от диоксида углерода и вернуть в систему в виде свежего восстановительного газа. На практическом примере для коксового завода, производящего газ при выпуске 1,2 миллиона тонн кокса в год, доступного газа могло бы хватить примерно на производство 4,9 миллиона тонн металлического железа в год в шахтной печи, при этом годовые выбросы CO2 были бы ограничены количеством производимого газа и при этом выбросы на тонну железа снижались бы.

Что это значит для более чистого производства стали

Для тех, кто интересуется климатически дружественной промышленностью, вывод таков: разумное использование существующего побочного газа и улучшение качества руды могут заметно снизить углеродный след производства железа. Исследование не обещает нулевых выбросов, но задаёт термодинамические пределы того, чего можно достичь при использовании коксового газа в шахтных печах. Отдавая приоритет рудам с высоким содержанием железа, рециркулируя большую часть горячего отработанного газа и избегая ненужного перегрева, производители стали могут получать больше металла из того же топлива, при этом выбрасывая в атмосферу меньше CO2.

Цитирование: Jiang, X., Deng, X., Fan, X. et al. Thermodynamic calculation of metallic Fe yield and CO₂ emissions in gas-based shaft furnace direct reduction process. Sci Rep 16, 15263 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45162-4

Ключевые слова: коксовый газ, шахтная печь, прямовосстановленное железо, декарбонизация сталелитейной промышленности, термодинамическое моделирование