Энерго-экологический анализ эффективности металлургических процессов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2418

Кафедра теплофизики и экологии металлургического производства

Л.А. Шульц 
 
 

Энерго-экологический анализ 
эффективности металлургических 
процессов 

Учебное пособие 

Допущено учебно-методическим объединением по образованию 
в области металлургии в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, обучающихся 
по направлению 150400 – Металлургия 

Москва 2014 

УДК 669.1.013 
Ш95

Р е ц е н з е н т ы :
канд. техн. наук, доц. В.Л. Гусовский (ООО «Институт Стальпроект»);
канд. техн. наук, доц. В.А. Муравьев

Шульц, Л.А.
Ш95  
Энерго-экологический анализ эффективности металлургических процессов : учеб. пособие / Л.А. Шульц. – М. : Изд. Дом
МИСиС, 2014. – 267 с.
ISBN 978-5-87623-765-1 

В учебном пособии приведена информация по энерго-экологическим показателям основных производств черной металлургии (агломерационные установки, коксовые печи, доменные печи, кислородно-конвертерный и электродуговой процессы
выплавки стали, альтернативные новые технологии производства железа, прокатные и кузнечные печи со стадийным сжиганием топлива). Эта информация включает сравнительный анализ энерго-экологических достижений в России и за рубежом за последние два десятилетия. Оцениваются также возможные результаты
и направления развития черной металлургии в первой половине XXI в. Особое внимание уделено достижениям по снижению вредных выбросов, включая и стойкие
органические загрязнители (СОЗ). В пособии приведены данные по наилучшим
доступным технологиям в металлургии ЕС.
Предназначено для магистров НИТУ «МИСиС» и других металлургических вузов, обучающихся по направлениям «Металлургия» и «Защита окружающей среды», а также инженерно-технических работников металлургических предприятий.

УДК 669.1.013 

ISBN 978-5-87623-765-1 
© Л.А. Шульц, 2014 

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие..............................................................................................5 
Введение....................................................................................................7 
1. Современные методы очистки газов.
Техническое нормирование, основанное на показателях наилучших
доступных технологий и гармонизированное с европейским
природоохранным законодательством.....................................................14 
1.1. Современные методы очистки газов......................................................14 
1.2. Стандарты EMAS, ISO серии 14 000, 
некоторые другие нормативы и их реализация в России..........................18 
1.3. Нормирование на основе изучения
и анализа удельных показателей производства ..........................................23 
Контрольные вопросы........................................................................26 
2. Энерго-экологическая оценка металлургического
производства России в конце ХХ в.......................................................27 
2.1. Энергетическая оценка .............................................................................27 
2.2. Экологическая оценка...............................................................................47 
2.3. Оборот лома черных металлов
и его энерго-экологическая оценка................................................................64 
Контрольные вопросы........................................................................75 
3. Долгосрочный прогноз развития металлургии массового
производства стали.................................................................................76 
Контрольные вопросы......................................................................109 
4. Наилучшие доступные технологии по материалам
Европейской комиссии государств – членов ЕС....................................111 
4.1. Общая информация о производстве стали
и проблемах экологии в Европе ЕС-27.......................................................111 
4.2. Агломерационные установки................................................................131 
4.3. Производство окатышей.........................................................................143 
4.4. Коксовые печи..........................................................................................148 
4.5. Доменные печи.........................................................................................159 
4.6. Производство стали.................................................................................172 
4.6.1. Конвертерное производство стали..................................172 
4.6.2. Производство стали в электродуговых печах.....................188 
4.7. Сравнительный анализ уровня выбросов в воздух черной
металлургии ЕС и России в начале ХХI в..................................................209 
4.8. Новые методы производства железа
и их энерго-экологические особенности ....................................................213 

Контрольные вопросы......................................................................224 
5. Доступные энерго-экологически эффективные технологии нагрева
металла в прокатном и кузнечном производствах
по разработкам в России ........................................................................226 
5.1. Печи для безокислительного нагрева стали перед пластической
деформацией и сравнительная оценка показателей их работы.............231 
5.2. Выбор доступных эффективных путей реализации
безокислительного необезуглероживающего
высокотемпературного нагрева стали в топливных печах.....................245 
Контрольные вопросы......................................................................257 
6. Основные доступные направления и возможные результаты
повышения энерго-экологической эффективности
черной металлургии в первой половине ХХI в. .....................................258 
Библиографический список.................................................................260 
Приложение. Сокращения и определения..........................................263 

ПРЕДИСЛОВИЕ

Постепенное истощение природных ресурсов и загрязнение окружающей среды (ОС) отходами деятельности человека требуют совершенствования промышленного производства путем внедрения ресурсосберегающих технологий. Такие технологии в конце ХХ в. было принято называть безотходными (реже – малоотходными), подразумевая
под этим понятием «метод производства продукции, при котором все
сырье и энергия используются наиболее рационально и комплексно
в цикле сырьевые ресурсы – производство – потребитель – вторичные
ресурсы и воздействие на окружающую среду не нарушают ее равновесия». Авторами такой формулировки были: Европейская экономическая
комиссия ООН (1984 г.), лауреаты Нобелевской премии академики
Н.Н. Семенов, И.В. Петрянов-Соколов, Б.Н. Ласкорин и др. Позднее
ООН по промышленному развитию ЮНИДО (англ. UNIDO – United 
Nations Industrial Development Organization) была разработана программа ЕSID (Ecologically Sustainable Industrial Development), утвержденная
резолюцией ООН в 1992 г., – модель современного и будущего промышленного
развития,
удовлетворяющего
потребности
человека
и сохраненяющего устойчивость экосистем. Одновременно появился
новый синоним ресурсосберегающей технологии – «экологически чистое производство» (ЭЧП), понимая под этим не какое-то производство
с конкретными показателями, а производство, которое имеет перспективы на будущее и может непрерывно совершенствоваться. При лицензировании новых предлагаемых технологий в настоящее время все
больше используется сравнение с лучшими из возможных и уже осуществленных на практике технологий – ВАТ (Best Available Technology). 
Важнейшие показатели ЭЧП и ВАТ: расход энергии, материалов и величина выбросов в производстве. Расход энергии является наиболее важной характеристикой производства, в которой суммируются не только
энергетические показатели, но отражаются и ресурсные, и экологические.
Помимо новых технологических решений в настоящее время все большее
значение приобретает повышение эффективности использования вторичных энергетических и материальных ресурсов (ВЭР и ВМР) традиционных технологий. ВЭР в черной металлургии могут достигать 50 % 
от первичной энергии. Особенно эффективно рекуперативное использование как ВЭР, так и ВМР, т.е. их использование в том же производстве,
в котором они образовались.
В отличие от металлургических производств ЕС и США в черной
металлургии России заметно меньшее внимание уделяется использова

нию ВЭР, сокращению организованных, а особенно неорганизованных
выбросов и предотвращению образования чрезвычайно вредных стойких органических загрязнителей (СОЗ) группы диоксинов и фуранов.
На все эти вопросы в настоящей работе обращается особое внимание.
Учебное
пособие
написано
по
матералам
НИТУ «МИСиС»,
ФГАОУ ВПО УрФУ, справочного документа по наилучшим доступным технологиям для черной металлургии ЕС от 8 марта 2012 г.
«Best Available Techniques (BAT) Reference Document for Iron and 
Steel Production», переведенного канд. техн. наук А.Г. Юдиным, и
трудов автора.
Основные разделы учебного пособия посвящены материалам одноименного с ним курса для магистров «Энерго-экологический анализ эффективности металлургических процессов» по направлениию
«Металлургия», профиль «Теплофизика, автоматизация и экология
промышленных печей». Оно также может быть полезно при изучении соответствующих разделов дисциплин для инженеров и бакалавров «Вторичные энергоресурсы и энергосбережение», «Энергоэкологический анализ и малоотходные технологии» и др. по направлениям «Металлургия» и «Защита окружающей среды».
Для облегчения понимания информации, содержащейся в гл. 4, в приложении приведен переводной глоссарий сокращений и определений.
Автор выражает искреннюю благодарность канд. техн. наук, доц.
В.Л. Гусовскому и канд. техн. наук, доц. А.Е. Лифшицу (ООО «Институт Стальпроект») за их замечания и советы, которые были учтены при написании и окончательном редактировании рукописи.

ВВЕДЕНИЕ

В современных условиях при оценке прогрессивности технологий различных производств энерго-экологический фактор становится приоритетным. В связи с этим можно говорить о новом
для производства понятии – его энерго-экологическом качестве,
определяемом количеством использованного основного природного ресурса – энергии и экологической чистотой ее получения
и потребления.
Для России с ее обширными и суровыми климатическими условиями энергетический фактор в оценке производства имеет
особое значение. Большие затраты энергии на компенсацию неблагоприятных природных условий и транспорт ставят РФ в неравные конкурентные условия с другими странами. И только коренные технологические перемены позволят решить специфические для страны проблемы. В связи с этим для оценки качества
новых технологий большое значение имеют общенациональные
составляющие энергозатрат производства.
Разработка новых подходов к оценке энергозатрат и воздействия
различных технологий на ОС важны и в связи с тем, что человечество уже вплотную подошло к необходимости широкого освоения
нетрадиционных источников энергии. Возможно, более полный
учет слагаемых общенациональных затрат и воздействия на ОС уже
в настоящее время может дать достаточные основания для их ускоренного развития и применения.
Комиссией ООН одобрен новый принцип оценки производства – 
по анализу энергетических затрат и отходов производства по всему
жизненному циклу изделия, выражаемый афоризмами «от колыбели
до могилы» или «от колыбели до колыбели». Они отражают методику расчета в основном эксплуатационных затрат – энергии, выбросов, сбросов и других отходов в технологической цепи: добыча
сырья, его подготовка и доставка, производство, реализация продукции, переработка или захоронение отходов. Очевидно, такой
подход еще не позволяет в полной мере учесть все энергозатраты
и отходы. Более полно экологический принцип оценки производства можно выразить афоризмом «от природы до природы», понимая
под этим энерго-экологический анализ жизненного цикла изделия
с учетом не только эксплуатационных, но и амортизационных энергозатрат и отходов.

Только такой принцип расчета потребления энергии и образования отходов не вступает в противоречие с основными законами природопользования:
– законом снижения энергетической эффективности (законом
убывающей отдачи) природопользования;
– законом неустранимости отходов и побочных воздействий производства;
– законом постоянства количества отходов в технологических цепях (созвучен с предыдущим).
В относительно длительный интервал времени, в течение которого
технологические принципы и применяемое сырье не претерпевают коренных изменений, энергозатраты неуклонно начинают увеличиваться,
а удельный уровень отходов на единицу потребляемой энергии стабилизироваться на каком-то устойчивом уровне. Уже сейчас можно говорить
о постоянном снижении энергоотдачи в топливодобывающей промышленности: начиная с 1980-х годов каждые 10–15 лет энергоотдача добычи
ископаемых топлив в среднем снижается в 1,5 раза.
Таким образом, перспективы развития общества тесно связаны
с разработкой новых технологических решений, с выбором новых
направлений в технике, отвечающих и энергетическим, и экологическим требованиям. Комплексный энерго-экологический анализ – основа наиболее объективного и количественного выражения качества
технологий, базовая составляющая инженерного заключения о перспективности того или иного направления в промышленности.
Основной
технологический
принцип
повышения
энергоэкологической эффективности предприятия – это рекуперативный
принцип использования различных отходов, т.е. в том же процессе,
на том же предприятии, где они образовались. К сожалению, не все
отходы имеют ту или иную энергетическую или ресурсную ценность
и их рециклинг имеет экономическое обоснование. Огромное количество дисперсных и газообразных отходов, не представляющих существенной экономической ценности, опасны для здоровья человека
и природной среды. Для эффективного подавления таких отходов
особую актуальность представляет экологическая культура управления предприятиями, опирающаяся на систему мониторинга различных отходов, на результаты комплексного экологического обследования предприятий – экомониторинга, на экологическое законодательство страны. Снижение энергетических затрат в производстве
экономически выгодно, предотвращение (сокращение) загрязнения
окружающей природной среды безусловно также выгодно. Пока же

энергетические и экологические составляющие производства имеют
совершенно разную экономическую основу. Если производство
и потребление энергии жестко контролируется его экономическими
составляющими, то экологический контроль часто носит лишь символический характер. К сожалению, из-за отсутствия на производстве должной системы контроля, учета и анализа природоохранных
составляющих, на предприятиях не всегда есть возможность управлять ими, что фактически на современном этапе развития ставит решение
экологических
задач
в
первый
ряд
решения
энергоэкологических проблем производства.
В резолюции IV Всероссийской конференции (18 ноября 2008 г.,
Москва, Кремль) «Новые приоритеты национальной экологической
политики в реальном секторе экономики» наиболее радикальным
и абсолютно правильным и давно ожидаемым направлением деятельности по оздоровлению экологической обстановки в стране
и совершенствованию
системы
государственного
регулирования
в этой сфере являются предложения:
1. Признать правильным предложение по установлению порядка экологического нормирования по показателям наилучших доступных технологий.
2. Признать, что существующая система экологического нормирования не адаптирована к развитию и модернизации производства, приводящему к снижению уровня воздействия на окружающую среду.
3. Признать, что существующая система экологического нормирования является тормозом для экологически ориентированного инновационного производства.
4. Отказаться от практики индивидуальных разрешений и выделения целевых зон (промышленные, рекреационные, природные) с различными нормативными показателями уровня воздействия.
Участники IV Всероссийской конференции просили Правительство Российской Федерации, Государственную Думу и Совет Федерации Федерального Собрания «форсировать принятие решений о поэтапном переходе к современной системе экологического нормирования и контроля, основанной на внедрении наилучших доступных
технологий и гармонизированной с европейским природоохранным
законодательством».
При этом подчеркивалось, что нормативы должны быть стимулирующие, а не загоняющие в тупик промышленные предприятия.
Система положительной мотивации – самое слабое звено финансирования и налогообложения природоохранной сферы. Применяемые

в западных странах льготные ставки налогообложения и кредиты,
ускоренная амортизация экологически привлекательных инвестиционных проектов в России не используются. В резолюции конференции в очередной раз отмечалось, что «необходимо разработать систему позитивных стимулов для предприятий, направленную на стимулирование снижения уровня негативного воздействия на природную среду и экономию природных и энергетических ресурсов».
Очевидно, что тема настоящей работы созвучна теме IV Всероссийской конференции по экологической политике в нашей стране.
Не противоречит она и материалам V аналогичной конференции,
прошедшей в Кремле 3–5 декабря 2013 г.
Основой стратегии устойчивого развития любого государства является переориентация производства на ресурсосберегающие технологии. Причем, как показала международная экологическая конференция 3–4 июня 1992 г. в Рио-де-Жанейро, корень решения техногенной экологической проблемы не столько в создании вспомогательной индустрии эффективных очистных аппаратов и систем,
сколько во внедрении новых технологий, обеспечивающих уменьшение потребления энергии и сырья при использовании меньших площадей и снижение выделений углеродсодержащих (парниковых),
токсичных и канцерогенных соединений.
Для выбора концепции создания нормативов показателей различных технологий и оборудования уместно остановиться на высказываниях известных ученых:
– В.А. Коптюг [1]: «Изъятие природных ресурсов, которое мы
осуществляем, ущерб окружающей среде, который мы наносим,
должны быть переведены в денежные единицы. Утрата этого природного капитала должна учитываться на всех стадиях. Она должна
входить в цену предлагаемого продукта и вычитаться из валового
национального продукта. В связи с этим развивается специальное,
новое направление науки – экологическая экономика, которая и призвана учитывать прирост и утрату этих двух капиталов. Вот тогда
действительно в стоимость автомобиля надо будет вложить все те
затраты, которые сделаны при добыче и переработке сырья, изготовления автомобиля плюс затраты, которые отражают ущерб природе».
– Ф. Содди [2]: «Все, что необходимо человеку, в конечном счете
удовлетворяется пригодной энергией (эксергией)…».
– В.И. Вернадский [3]: «…Необходимо и можно свести к единой
(энергетической) единице все; только при этом условии можно подойти
к полному количественному анализу той потенциальной энергии стра

ны, которая может дать удобное для жизни представление о пределах
заключающегося в данной стране природного богатства …». 
– Г. Одум, Э. Одум [4]: «Энергия – всеобщая основа, источник
и средство управления всеми природными процессами, базис культуры
и всей деятельности человека… Каждый проект (должен быть) обоснован с точки зрения его энергетической эффективности… Экологам необходимо научиться описывать окружающую среду и проекты, связанные с ее изменениями в понятиях энергоэффективности… Эффективность должна рассчитываться как отношение энергии, вложенной в продукцию, ко всем затратам энергии, включая окончательную энергетическую ценность – эксергию, купленных товаров и услуг…».
Приведенные высказывания достаточно близки по своей сути. Оценивая эффективность нового производства, необходимо учитывать затраты
по всему жизненному циклу изделий и только при прочих равных условиях могут быть учтены лишь затраты технологических и конструктивных изменений того или иного конкретного процесса. В настоящее время
все известные технологии в целом пока, к большому сожалению, еще не
вышли из рамок традиционных последних 20–50 лет, что во многих случаях допускает их сравнение и по усеченным чисто технологическим показателям. Очевидно, для действительно совершенно новых технологий,
особенно при изменении энергетической их базы, такое сравнение совершенно будет недопустимым.
В общенациональном масштабе, как и в масштабе отдельных отраслей (т.е. в крупных системах) при характерном для настоящего
времени (эпохи)
научно-техническом
развитии
энергетические
и экологические составляющие хорошо коррелируются друг с другом. Например, при выработке 1 кВт·ч в большой энергетике и на
ТЭЦ отраслей в настоящее время в атмосферу выбрасывается около
7...10 г/(кВт·ч) вредных веществ (15–25 лет назад их количество составляло 12...16 г/(кВт·ч)).
Основная причина снижения натуральной удельной массы выбросов в энергетике в 1980–1990 гг. – расширение применения природного газа в результате «газовой паузы». Последние 10–15 лет удельные выбросы в энергетике, как и доля применения природного газа
(62...65 %) в топливном энергетическом балансе страны, оставались
практически на одном уровне – 7...10 г/кВт·ч.
Сравнивая экологическую ущербоемкость (величину приведенной массы выбросов, обычно выражаемой через произведение натуральной массы выбросов на коэффициент их опасности, приходящейся на единицу продукции, выработанной или использованной

энергии) потребляемой энергии в металлургии с ущербоемкостью
энергии в тесно взаимодействующих с ней системах – электроэнергетике и стране в целом, пришли к выводу, что ущербоемкость потребляемой энергии в этих системах в первом приближении может
быть принята: 1990–1995 гг. – 525 прив. кг/т у.т. (условного топлива), 2005–2012 гг. – 450 прив. кг/т у.т. Это позволяет в какой–то ограниченный период проводить достаточно обоснованную оценку
выбросов вредных веществ в национальном и отраслевом масштабах по соответствующим энергетическим показателям [5].
Рассматривая последовательно энергетическую и экологическую
стороны металлургического производства, необходимо заметить, что
желание охватить как можно полнее и шире фактический материал
пришло в противоречие с закрытостью информации о работе заводов. Экологическая информация стала коммерческой тайной. В России доступность материалов о работе металлургических заводов,
прежде всего их экологическая составляющая, особенно усложнилась после 1995 г., что, правда, не могло серьезно повлиять на обоснованность сделанных в результате приведенного здесь анализа общих выводов. На наших металлургических заводах, в связи с перестройкой страны, за последние 10–15 лет пока мало что принципиально изменилось в энергетическом обеспечении и экологическом
совершенствовании.
Для металлургии России энерго-экологические проблемы, в том
числе и в относительно отдаленный период, в настоящей работе
в значительной степени рассмотрены, как и рекомендуется ООН, для
всего цикла производства металла, включая добычу сырья, транспортные расходы и пр. В целом подходы России и ЕС к решению
аспектов энерго-экологической проблемы металлургического производства идентичны. Характерны, например, такие общие выводы
по решению данных проблем:
– очистка газов, как основное средство защиты ОС, на данном
этапе технологического развития металлургического производства
в целом уже практически мало решает поставленные ей проблемы;
– все в большей степени решения энерго-экологической проблемы должны опираться на наилучшие технологии, важнейшими
показателями которых являются: энергоэффективность, непрерывность, подавление образования и использования материальных
и тепловых отходов, включая и загрязненный атмосферный воздух, и удаляемые сверх меры загрязненные технологические газы
в основном рабочем процессе.