Очистка газов при производстве стали с использованием водорода

Когда говорят про очистку газов в контексте водородной металлургии, многие сразу представляют себе некую идеальную, почти стерильную систему. На деле же, особенно в пилотных проектах, это часто выглядит как борьба с непредсказуемыми побочными продуктами и поиск решений для оборудования, которое раньше с таким не сталкивалось. Основная сложность — не сам водород, а то, что он меняет весь состав и поведение отходящих газов, особенно в зоне прямого восстановления. Тут классические скрубберы могут оказаться бесполезны, а то и вредны.

Смена парадигмы: почему водород всё усложняет

В традиционной доменной печи мы имеем дело с газами, где преобладают N?, CO, CO?. Системы очистки под них и заточены. С переходом на водород или богатые водородом смеси в процессах прямого восстановления (DRI/HBI) картина радикально меняется. Резко возрастает содержание H? и H?O, меняется теплопроводность, взрывоопасные пределы. Но главное для очистки — меняется химия примесей. Пыль, пары цинка, щелочные металлы — они ведут себя иначе.

Например, конденсация паров цинка и свинца происходит в других температурных окнах. Если неверно рассчитать температурный режим газоочистки, можно получить спекание мелкодисперсной пыли прямо на фильтрах или теплообменниках. У нас на одной из экспериментальных установок была такая история: после перехода на 70%-ную водородную смесь в восстановителе, рукавные фильтры начали выходить из строя вдвое быстрее. Оказалось, тончайшая пыль, которая раньше улавливалась, теперь из-за повышенной влажности и водорода начинала образовывать плотные, почти цементированные отложения, которые не удавалось отрегенерировать стандартной импульсной продувкой.

Это привело к первому важному выводу: система очистки газов для водородного процесса должна проектироваться с большим запасом по температурному диапазону и с расчётом на более сложный, ?липкий? аэрозоль. Часто приходится комбинировать методы: например, предварительное охлаждение и грубую очистку в циклонном аппарате, а затем — тонкую очистку. Но и охлаждение — это отдельная головная боль, потому что терять теплоту отходящих газов, которую можно рекуперировать, экономически невыгодно.

Мембранные технологии: не панацея, но прорыв в конкретных нишах

Вот здесь как раз появляются решения, на которых специализируются, к примеру, коллеги из ООО Чэнду Итай Технология (сайт: https://www.yitaicd.ru). Их профиль — металлические мембранные материалы и технологии мембранного разделения для агрессивных сред. Когда мы столкнулись с проблемой очистки газа от CO? после конвертера в комбинированном процессе, классические аминовые скрубберы выглядели слишком громоздко и энергозатратно.

Мы рассматривали вариант мембранного разделения. Суть в том, что металлические мембраны, особенно на основе палладиевых сплавов, могут селективно пропускать водород. Это казалось идеальным для нашей задачи: отделить H? для рециркуляции обратно в процесс восстановления, а поток, обогащённый CO и CO?, отправить на утилизацию тепла или последующую очистку. Технологии мембранного разделения, которые продвигает компания, позиционируются как пионерские для высокотемпературных газов, что для металлургии критически важно.

Однако на практике встала проблема не селективности, а долговечности. Газ после конвертера — это не чистый синтез-газ. Там есть следовые количества сероводорода, паров хлоридов, той же пыли. Даже ничтожные концентрации этих примесей для тонких металлических мембран — яд. Они приводят к необратимому пассивированию поверхности. Внедрение такой системы требовало бы идеальной, практически абсолютной предварительной очистки, что сводило на нет все экономические преимущества. Поэтому от идеи чисто мембранного узла на этом этапе отказались. Но это не значит, что технология бесперспективна. Её место, на мой взгляд, — на финальной стадии, для доочистки и выделения водорода из уже подготовленных газовых потоков, где состав стабилен и предсказуем.

Практический кейс: улавливание пыли в условиях высокой влажности

Вернёмся к нашей пилотной линии. После проблем с рукавными фильтрами мы протестировали мокрый электрофильтр. Теория гласила, что высокая влажность должна даже помогать — увеличивать электропроводность частиц. Отчасти так и было. Эффективность улавливания по массе была прекрасной, выше 99.5%.

Но возникла новая, совершенно неочевидная проблема — с шламом. Образовывалась не просто жидкая грязь, а очень мелкодисперсная суспензия, которую было крайне сложно обезвоживать. Она забивала каналы отвода, насосы. Химический анализ показал, что в условиях восстановительной атмосферы с водородом часть оксидов металлов в пыли переходила в легкорастворимые формы, что и меняло реологию шлама. Пришлось разрабатывать целую систему химической кондиции этой воды и подбирать специальные флокулянты. Это типичный пример того, как изменение восстановителя каскадом влияет на все сопутствующие процессы, включая, казалось бы, простую механическую очистку.

Этот опыт заставил нас по-новому взглянуть на комплексные решения. Недостаточно купить эффективный фильтр. Нужна интегрированная система, которая рассматривает газоочистку как цепочку: от предварительного охлаждения/нагрева (для конденсации или предотвращения конденсации определённых компонентов), через ступень грубой и тонкой очистки, до утилизации или захоронения твёрдых и жидких отходов. И на каждом этапе — свой контроль химического состава.

Коррозия: невидимый враг водородной газоочистки

Тема, о которой часто забывают в теоретических расчётах, — это коррозионная активность газовой среды после введения водорода. Казалось бы, водород восстановитель. Но в присутствии водяного пара и при переменных температурах (на участках охлаждения) создаются идеальные условия для низкотемпературной коррозии. Углеродистая сталь обычных газоходов начинает ?цвести?.

Мы это обнаружили, когда через полгода работы на одной из тестовых линий в зоне перехода от горячего участка к скрубберу появились свищи. Металл был источен. Анализ показал активное образование серной и сернистой кислот из следов SOx в условиях ?точки росы?. При традиционном процессе эта точка росы была одна, а при повышенном содержании H?O от сгорания/реакции водорода — она сместилась, и конденсация началась в другом, непредусмотренном месте конструкции.

Борьба с этим идёт по двум путям: либо дорогостоящие коррозионно-стойкие сплавы для всего тракта (что редко экономически оправдано), либо точнейший контроль температуры стенки газохода, чтобы не допускать её падения ниже новой, пересчитанной точки росы для конкретного состава газа. Это требует дополнительного слоя автоматики и нагревательных элементов. Экологически чистые процессы очистки, как заявлено в профиле упомянутой компании, должны включать в себя и это — долговечность оборудования без внеплановых остановок тоже часть экологии, ведь каждый ремонт — это новые выбросы и отходы.

Интеграция и будущее: куда движется отрасль

Итак, что мы имеем на сегодня? Очистка газов при производстве стали с использованием водорода — это не готовая коробочная технология. Это набор адаптивных решений, которые нужно подбирать под конкретную конфигурацию печи, состав сырья и целевой продукт. Универсального ответа нет.

Наиболее перспективным видится гибридный подход. Например, комбинация высокотемпературного циклонного предсепаратора (для грубой очистки и сохранения тепла), затем — система рекуперации тепла с тщательным контролем температуры стенки, и на финише — модуль тонкой очистки. Вот здесь могут быть востребованы продвинутые решения, в том числе и на основе металлических мембран для финального выделения водорода, но только после того, как газ прошёл серьёзную подготовку.

Ключевой тренд — это цифровизация и предиктивная аналитика. Установка множества датчиков (температура, давление, состав в реальном времени) позволяет строить модель поведения системы и предсказывать, например, момент спекания пыли на фильтре или риск коррозии. Без этого любая, даже самая передовая аппаратура, будет работать вслепую и не на полную эффективность. Опыт пилотных проектов, включая наши набитые шишки, как раз и формирует ту базу знаний, которая позволит в будущем создавать стандартизированные, но гибкие решения для очистки газов в новой водородной металлургии. Работы, как видите, непочатый край.