Процесс HYL

Процесс HYL — это технология прямого восстановления железа (DRI) из железной руды с использованием природного газа в качестве восстановителя и источника тепла. Процесс относится к классу газофазных методов получения губчатого железа, минуя доменную плавку, и является одной из ключевых альтернатив традиционному коксохимическому производству чугуна. Название происходит от испанской компании HYL (Hojalata y Lámina), разработавшей технологию в 1950-х годах. В настоящее время процесс HYL (включая его модернизированную версию HYL-ZR) широко применяется в странах с доступным природным газом, таких как Мексика, Венесуэла, Индия, Иран и Россия.

История

Разработка процесса HYL началась в 1957 году в Мексике компанией HYLSA (Hojalata y Lámina S.A.), которая искала способ снизить зависимость от импортного кокса и чугуна. Первая промышленная установка была запущена в 1957 году в Монтеррее (Мексика) производительностью около 100 тонн губчатого железа в сутки. Технология быстро зарекомендовала себя как экономически эффективная при наличии дешёвого природного газа.

В 1970-х годах процесс HYL был усовершенствован: внедрена система рециркуляции восстановительного газа и повышена температура реакции. В 1980-х годах компания HYL (позже переименованная в Tenova HYL) разработала версию HYL-ZR (Zero Reformer), которая исключала стадию внешнего риформинга природного газа, что значительно упростило оборудование и снизило капитальные затраты. К 2020-м годам по технологии HYL работало более 30 заводов в 12 странах мира, совокупная мощность которых превышала 30 млн тонн DRI в год.

Химические основы

В основе процесса HYL лежит восстановление оксидов железа (гематита Fe₂O₃, магнетита Fe₃O₄) газообразными восстановителями — водородом (H₂) и монооксидом углерода (CO). Эти газы получают из природного газа (в основном метана CH₄) путём его частичного окисления или паровой конверсии (риформинга). Основные реакции:

1. Восстановление гематита до магнетита:

\[ 3Fe_2O_3 + H_2 \rightarrow 2Fe_3O_4 + H_2O \] \[ 3Fe_2O_3 + CO \rightarrow 2Fe_3O_4 + CO_2 \]

1. Восстановление магнетита до вюстита (FeO):

\[ Fe_3O_4 + H_2 \rightarrow 3FeO + H_2O \] \[ Fe_3O_4 + CO \rightarrow 3FeO + CO_2 \]

1. Восстановление вюстита до металлического железа:

\[ FeO + H_2 \rightarrow Fe + H_2O \] \[ FeO + CO \rightarrow Fe + CO_2 \]

Реакции являются эндотермическими (поглощают тепло), поэтому процесс требует постоянного подвода тепла, которое обеспечивается сжиганием части природного газа или рециркуляцией горячих газов.

Технологическая схема

Классический процесс HYL

Традиционная установка HYL состоит из следующих основных узлов:

• Реактор (шахтная печь) — цилиндрический вертикальный аппарат, в котором железная руда (окатыши или кусковая руда) движется сверху вниз под действием силы тяжести, а восстановительный газ подаётся снизу вверх противотоком. Температура в реакторе поддерживается на уровне 850–950 °C.
• Риформер — устройство для конверсии природного газа в синтез-газ (смесь H₂ и CO). В классической схеме риформинг осуществляется в отдельном аппарате при температуре 900–1100 °C с использованием катализатора (обычно никелевого).
• Система рециркуляции — отработанный газ, содержащий CO₂ и H₂O, после очистки от пыли и влаги частично возвращается в риформер, а частично сбрасывается. Это повышает эффективность использования газа.
• Система охлаждения и выгрузки — готовое губчатое железо (DRI) охлаждается инертным газом (азотом) до температуры 100–150 °C и выгружается в виде горячего или холодного продукта.

Процесс HYL-ZR (Zero Reformer)

Модернизированная версия HYL-ZR, запатентованная в 1990-х годах, отличается отсутствием внешнего риформера. Вместо этого природный газ подаётся непосредственно в реактор, где происходит его частичное окисление кислородом (или воздухом) внутри слоя руды. Это позволяет:

• Упростить конструкцию и снизить капитальные затраты на 20–30%.
• Повысить гибкость по отношению к составу руды и газа.
• Работать при более высоких температурах (до 1050 °C), что увеличивает скорость восстановления.

Основным недостатком HYL-ZR является более высокий расход природного газа (на 10–15% выше, чем в классическом процессе).

Продукция

Основным продуктом процесса HYL является губчатое железо (DRI) — пористый материал с содержанием металлического железа 85–95% и низким содержанием примесей (серы, фосфора). DRI может использоваться:

• В электросталеплавильных печах (дуговых печах) в качестве заменителя лома — для производства стали.
• В доменных печах — как добавка к шихте для снижения расхода кокса.
• Для производства горячебрикетированного железа (HBI) — прессованных брикетов, удобных для транспортировки и хранения.

Побочными продуктами являются отработанный газ (содержит CO₂, H₂O, N₂), который может использоваться для выработки электроэнергии, и пыль, улавливаемая фильтрами.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Экологичность — отсутствие коксохимического производства, выбросы CO₂ на 30–50% ниже, чем при доменной плавке (особенно при использовании водорода).
• Энергоэффективность — процесс HYL-ZR потребляет около 10–12 ГДж на тонну DRI, что сопоставимо с лучшими показателями других технологий DRI.
• Гибкость — возможность использования различных видов руды (окатыши, кусковая руда, смеси) и газов (природный газ, коксовый газ, синтез-газ из угля).
• Компактность — установки HYL занимают меньшую площадь, чем доменные печи.

Недостатки

• Зависимость от природного газа — в регионах без доступа к дешёвому газу (например, в России за Уралом) процесс экономически невыгоден.
• Ограничение по размеру руды — мелкая руда (< 5 мм) не может использоваться без предварительного окомкования.
• Качество DRI — губчатое железо склонно к окислению при хранении на воздухе, поэтому требует брикетирования или использования в горячем виде.

Применение в России

В России процесс HYL применяется на нескольких предприятиях. Наиболее известным является завод «Металлоинвест» в Старом Осколе (Белгородская область), где с 2017 года работает установка HYL-ZR производительностью 1,8 млн тонн DRI в год. Это одна из крупнейших установок прямого восстановления в Европе. Также технология используется на заводе «Северсталь» в Череповце (пилотный проект) и на ряде мини-заводов в Сибири.

Российские производители активно внедряют процесс HYL в рамках стратегии декарбонизации металлургии, поскольку он позволяет снизить выбросы CO₂ на 30–40% по сравнению с доменным производством. Однако полный переход на DRI сдерживается высокой стоимостью природного газа в удалённых регионах и необходимостью модернизации существующих мощностей.

Сравнение с другими технологиями DRI

Процесс HYL конкурирует с другими технологиями прямого восстановления, такими как Midrex (наиболее распространённая в мире, доля около 60%) и FINMET (использует уголь). Основные отличия:

• Midrex — также использует природный газ, но с внешним риформингом; работает при более низких температурах (750–850 °C) и требует более качественной руды. HYL-ZR (без риформера) проще и дешевле в строительстве, но менее эффективен по расходу газа.
• FINMET — основан на использовании угля и пара, что делает его менее экологичным, но более подходящим для регионов с дешёвым углём (например, в Индии).

По данным Международного института чугуна и стали (IISI), на 2023 год доля HYL в мировом производстве DRI составляла около 20%, уступая Midrex (60%) и другим технологиям (20%).

Перспективы развития

В контексте глобального перехода к «зелёной» металлургии процесс HYL рассматривается как платформа для внедрения водородного восстановления. В 2021 году компания Tenova HYL объявила о разработке модификации HYL-H2, в которой природный газ полностью заменяется «зелёным» водородом, полученным электролизом воды. Пилотные установки работают в Швеции (проект HYBRIT) и Германии (проект SALCOS). Ожидается, что к 2030–2040 годам водородные версии HYL могут стать основой безуглеродного производства стали.

Источники

• Tenova HYL. «HYL Process: Technology Overview». — Tenova S.p.A., 2020.
• Chatterjee, A. «Sponge Iron Production by Direct Reduction of Iron Oxide». — PHI Learning, 2012.
• Международный институт чугуна и стали (IISI). «World Direct Reduction Statistics 2023». — Brussels, 2024.
• «Металлоинвест»: Годовой отчёт за 2022 год. — Москва, 2023.
• ГОСТ Р 53678-2009 «Железо губчатое (DRI) и горячебрикетированное железо (HBI). Технические условия». — Москва, 2009.