Инновационные методы снижения потребления энергии при переработке металлов

Металлообрабатывающая промышленность является краеугольным камнем современной цивилизации, поставляя сырье для строительства, транспорта, электроники и обороны. Тем не менее, этот важный сектор несет тяжелое бремя: на него приходится примерно 8-10% мирового потребления энергии и аналогичная доля выбросов CO2, связанных с энергетикой. С глобальным спросом на металлы, прогнозируемым резко расти - особенно на медь, алюминий и сталь в инфраструктуре возобновляемых источников энергии и электрификации - давление, чтобы отделить рост производства от использования энергии, никогда не было большим. Достижение этого разделения требует большего, чем постепенный рост эффективности; это требует принципиально переработанных процессов, которые сокращают потребление энергии на каждом этапе, от добычи и обогащения путем плавки, переработки и финиширования. В этой статье рассматриваются наиболее перспективные инновационные методы, развертываемые и разработанные для сокращения потребления энергии в металлообработке, включая электромагнитные технологии, передовую переработку, сокращение на основе водорода, цифровизацию процессов и интеграцию возобновляемых источников энергии. Изучая как технические механизмы, так и реальные тематические исследования, мы выдвигаем на первый план путь к более экономичной, более устойчивой металлургической промышленности.

Энергетическое бремя традиционной обработки металлов

Обычная добыча и переработка металлов зависят от вековых химических и термических процессов, которые по своей сути являются энергоемкими. Например, плавка требует температуры выше 1500 ° C, чтобы отделить металл от руды, в то время как производство стали в основной кислородной печи потребляет около 6-7 ГДж на тонну сырой стали. Плавка алюминия через процесс Холла-Эрулта еще более прожорлива, требуя до 13-15 МВтч на тонну первичного алюминия - большая часть его подается в виде электроэнергии. Эти процессы также генерируют огромное количество отработанного тепла и полагаются на углеродные редукторы (кокс, уголь, природный газ), которые способствуют как потерям энергии, так и прямым выбросам парниковых газов.

Дополнительная энергия потребляется при обработке материалов, дроблении, шлифовании и термообработке. Например, шлифование медной руды для плавания может составлять более половины общей энергии, используемой в медном концентраторе. Чистый результат: металлический сектор является одним из самых сложных для сокращения промышленных сегментов, а традиционные постепенные улучшения - лучшая изоляция, более эффективные горелки, восстановление отработанного тепла - могут обеспечить только ограниченную экономию. Радикальные технологические инновации необходимы для глубокого сокращения, необходимого для нулевых целей.

Электромагнитная обработка: точное нагревание и перемешивание

Индукционное нагревание

Индукционное отопление использует чередующиеся магнитные поля для генерации тепла непосредственно в проводящей заготовке или расплаве. По сравнению с обычными печами сопротивления или газовыми горелками, индукция обеспечивает гораздо более высокую эффективность (85-95% против 40-60%), потому что энергия откладывается именно там, где это необходимо, без нагрева окружающей облицовки печи или атмосферы. Индукционное отопление может применяться для нагрева заготовки для ковки, плавления в безсердечных индукционных печах и даже быстрого отжига полосового металла. Такие компании, как Inductotherm и ABB, разработали высокочастотные системы индукции, которые сокращают потребление энергии на 20-40% для применений нагрева стали, а также позволяют быстрее наращивать температуру и уменьшать потери металла от окисления.

Часто упускается из виду преимущество индукции в способности точно контролировать температурный профиль. В обычных процессах перегрев является общим для обеспечения однородности, которая тратит энергию и ухудшает качество материала. Локализованное регулируемое нагревание индукции устраняет эту неэффективность. Пример исследования на европейском сталелитейном заводе показал, что замена печи с газовым печью на индукционный заготовочный нагреватель сократила общее потребление энергии на тонну на 32% и сократила потери масштаба на 50%.

Электромагнитное перемешивание

Электромагнитное перемешивание (ЭМС) использует вращающееся или движущееся магнитное поле для придания движения расплавленному металлу, обычно в ковшовой, непрерывной литейной форме или индукционной печи. Активно смешивая расплав, EMS гомогенизирует температуру и состав, ускоряет реакции шлака-метала и способствует разделению включений. Прямое потребление энергии катушками EMS является скромным, но общее преимущество энергии процесса является существенным : улучшенная химическая однородность уменьшает потребность в вневидовых теплах и кондиционировании вниз по течению; лучшая однородность температуры позволяет снизить перегрев, который сокращает энергию при литье и охлаждении; и более быстрые циклы очистки переводят на более высокую пропускную способность для данного входа энергии.

Например, на медном НПЗ электромагнитное перемешивание в анодных литейных печах сокращало время цикла переработки на 15-20%, что приводило к 10-процентному падению потребления природного газа на тонну. При непрерывном литье стали EMS в пресс-форме может уменьшить сегрегацию, что позволяет повысить скорость литья, что повышает производительность без увеличения энергии на тонну.

Усовершенствованная переработка: закрытие петли с меньшим количеством энергии

Переработка широко признана как единственная наиболее эффективная стратегия сокращения потребления энергии при производстве металлов. Вторичный алюминий из лома требует только около 5% энергии, необходимой для первичного производства из бокситов; для меди экономия составляет примерно 80-90%; для стальных, основанных на ломе электрических дуговых печей (EAF) маршруты потребляют около одной трети энергии доменной печи - основной кислородной печи (BF-BOF). Тем не менее, глобальные показатели переработки для многих металлов остаются намного ниже их теоретического потенциала из-за загрязнения, сложной сортировки сплава и сложности обработки остатков измельчителя.

Сортировка и очистка на основе сенсоров

Инновации в автоматизированных системах сортировки теперь позволяют гораздо более чистые потоки лома, тем самым увеличивая выход и уменьшая энергетический штраф переплавки. Рентгеновская передача (XRT) и лазерная спектроскопия разрушения (LIBS) сортировщики могут идентифицировать и отделять сплавы с высокой точностью на скоростях линии до 3 метров в секунду. Например, сортировщик на основе LIBS, разработанный Институтом Фраунгофера, может классифицировать измельченный алюминиевый лоб в кованые и литые семейства сплавов в режиме реального времени, позволяя переработчикам производить расплавы с точно контролируемыми композициями. Это позволяет избежать необходимости разбавлять загрязненные расплавы с высококачественным первичным металлом - практика, которая добавляет значительный спрос на энергию.

Аналогичным образом, вихревые токоотделители и технологии флотации совершенствуются для извлечения ценных цветных металлов из остатков автоизмельчителя (ASR). Содержание металлов, запертое в электронных отходах и строительном мусоре, представляет собой большую «городскую шахту», которую можно использовать за небольшую часть стоимости энергии, получаемой при добыче девственников.

Гидрометаллургическая рециркулировка

Традиционная пирометаллургическая переработка металлов, таких как литий, кобальт и никель, из батарей использует высокотемпературную плавку, которая является энергоемкой и теряет ценные элементы в шлак. Новые гидрометаллургические маршруты используют водные растворы (кислоты, щелочи или глубокие эвтектические растворители) при температурах ниже 100°C для выборочного растворения и извлечения металлов. Не только энергетический след намного меньше (по оценкам, энергия на 50-70% ниже, чем пирометаллургия), но и процессы достигают более высоких показателей извлечения для кобальта и лития. Такие компании, как Li-Cycle и Redwood Materials, масштабируют эти процессы, демонстрируя, что переработка замкнутого цикла металлов батареи может быть экономически жизнеспособной и экологически превосходной.

Сокращение выбросов водорода: альтернатива нулевому углероду

Возможно, наиболее преобразующей инновацией для энергоемкого производства первичных металлов является замена углеродсодержащих редукторов водородом. В сталеплавильном производстве прямое сокращение водорода (H2-DR) превращает железорудные гранулы в прямое сокращение железа (DRI) с использованием водорода вместо природного газа или кокса. Химическая реакция - Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O - производит водяной пар без CO2. Если сам водород производится путем электролиза с использованием возобновляемого электричества, вся цепочка производства стали может приблизиться к почти нулевым выбросам.

Потребление энергии в H2-DR сопоставимо с DRI на основе природного газа (около 10,5 ГДж на тонну DRI), но устранение улавливания углерода или компенсирующих упрощений и будущих доказательств процесса. Крупные сталелитейные компании, такие как SSAB (проект HYBRIT), ArcelorMittal и Thyssenkrupp объявили о демонстрационных заводах коммерческого масштаба. Предприятие HYBRIT в Швеции произвело свой первый без ископаемых губок железо в 2021 году, используя электролитический водород из гидроэнергетики. Тот же водород также может быть применен к переработке стали и сокращению медных шлаков, что еще больше расширяет охват технологии за пределами стали.

Для алюминия впрыск водорода в плавильную ванну может частично заменить углеродный анод, уменьшая как потребность в энергии (поскольку меньше кислорода реагирует с углеродом), так и выбросы. Пилотные испытания Rio Tinto и Alcoa в рамках консорциума Elysis направлены на устранение прямых выбросов CO2 от плавки алюминия с использованием инертных анодов - еще одна инертная инновация с нулевым выбросом углерода, которая дополняет водород для применений термообработки.

Оптимизация процессов с помощью цифровых близнецов и ИИ

Экономия энергии достигается не только за счет изменения основной химии или физики обработки металлов; они также происходят от запуска существующих установок ближе к их теоретическому оптимуму. Цифровые двойники — виртуальные копии физических процессов, которые постоянно обновляются данными датчиков — позволяют операторам прогнозировать тепловые профили, химические реакции и механические нагрузки в режиме реального времени. В сочетании с алгоритмами машинного обучения эти двойники могут рекомендовать настройки установки, которые минимизируют потребление энергии при сохранении качества продукта.

Например, в непрерывной литейной линии цифровой двойник может моделировать теплообмен через зоны охлаждения плесени и распыления, выявляя возможности снижения скорости потока воды и электрической потребности, не вызывая дефектов. На мельнице с горячей полосой близнец может имитировать графики прокатки для выбора последовательности температуры и снижения самой низкой энергии для каждой плиты. В документе Международного энергетического агентства (МЭА) задокументирована сталелитейная фабрика в Японии, которая реализовала модель глубокого обучения для прогнозного обслуживания на своей печи для повторного нагрева, уменьшая незапланированные простои и связанные с ними энергетические отходы на 12%.

Помимо уровня установки, системы управления энергией на основе ИИ могут оптимизировать планирование энергоемких процессов (например, плавление, замачивание, термообработка) в соответствии с периодами низких цен на электроэнергию или высокой выработки возобновляемой энергии. На европейской установке медных стержней был обучен агент обучения с подкреплением для перевода работы плавильных печей на непиковые часы, сократив затраты на энергию на 14% без снижения производительности.

Интеграция возобновляемых источников энергии и валоризация тепла

Переключение источника энергии является одним из самых быстрых способов уменьшения углеродного следа и, где возобновляемые источники энергии дешевы, эксплуатационные расходы на обработку металлов. Солнечная фотоэлектрическая и ветровая энергия все чаще используются для подачи электроэнергии для индукционных печей, EAF и вспомогательных систем. Для процессов, которые все еще требуют высокотемпературного тепла (например, спекания, кальцинирования), концентрированные солнечные тепловые системы (CST) тестируются для обеспечения температуры выше 1000 ° C, потенциально заменяя ископаемое топливо для технологического тепла.

Заметным примером является проект «SolMetal» в Чили, который продемонстрировал процесс кальцинирования медных концентратов на солнечной энергии, обеспечивая 90% необходимого тепла от гелиостатовой матрицы. Проект сообщил о 70%-ном сокращении потребления природного газа на тонну кальцинированного материала. Аналогичным образом, Minera El Abra в северном Чили использует солнечную электростанцию мощностью 27 МВт для питания всего медного рудника и концентратора, сокращая закупки электроэнергии в сетях на 20%.

Восстановление и использование тепла отходов

Даже самые эффективные металлические процессы генерируют отработанное тепло; восстановление его для материалов предварительного нагрева, генерирование пара для централизованного отопления или приводные абсорбционные чиллеры могут значительно повысить общую энергоэффективность. Инновационные системы рекуперации тепла с использованием сверхкритических циклов CO2 или органических циклов Rankine могут преобразовывать низко-среднего температурного отработанного тепла в электричество. На крупном сталелитейном заводе отработанное тепло от выхлопных газов коксующейся печи и доменной печи может быть захвачено и использовано для производства горячей воды для космического отопления или для высушивания поступающего угля. Экономический случай убедителен: Исследование 2019 года Института переработки стали подсчитало, что захват 30% от в настоящее время потраченного тепла на сталелитейных заводах США может сэкономить 400 миллионов долларов в год в расходах на топливо.

Для алюминиевых плавильных заводов отработанное тепло от электролизных элементов (труб) часто является низкосортным (90-150°C), что делает его пригодным для сетей централизованного отопления. Город Страумсвик в Исландии частично нагревается с использованием отработанного тепла алюминиевого завода ISAL с 1970-х годов, что снижает как тепловую нагрузку завода, так и зависимость сообщества от нефти.

Заключение

Императив сокращения потребления энергии в металлообработке обусловлен экономическим, экологическим и нормативным давлением, которое будет только усиливаться в ближайшие десятилетия. В то время как обычные меры по повышению энергоэффективности могут привести к постепенным улучшениям, масштаб проблемы требует принятия совершенно новых технологических маршрутов и технологий. Электромагнитное нагревание и перемешивание, передовая переработка с помощью сложной сортировки и гидрометаллургии, сокращение на основе водорода, цифровые двойники с оптимизацией ИИ и глубокая интеграция возобновляемых источников энергии предлагают пути для резкого снижения энергопотребления на тонну производимого металла.

Критически важно, что эти инновации не являются взаимоисключающими; они могут быть слоистыми в разных точках цепочки создания стоимости. Сталелитейный завод может развернуть индукционное отопление для своего нисходящего нагрева, переключить свою печь DRI вверх по течению на зеленый водород и использовать график AI, чтобы сгладить свою кривую электрической нагрузки, прежде чем использовать эту энергию из соседней солнечной фермы.Кумулятивный эффект таких многоуровневых улучшений может снизить потребление энергии в производстве первичных металлов на 50-70% к середине века, что позволит отрасли достичь климатических целей, обслуживая быстро электрифицирующую мировую экономику.

Переход потребует капитальных вложений, переподготовки рабочей силы и поддержки политики, но технологии готовы. Самые перспективные металлургические компании уже инвестируют в эти методы, зная, что те, кто действует первым, получат критическое конкурентное преимущество, поскольку цены на углерод, предпочтения клиентов и ограничения ресурсов меняют глобальный ландшафт металлов. Описанные здесь методы не являются теоретическими; они внедряются сегодня, и они предлагают четкий план для более эффективной, низкоэнергетической металлургической промышленности.