مروری بر روش‌های تولید فولاد در جهان

حرکت صنعت فولاد به سمت همگامی با محیط‌زیست

بازار و صنعت فولاد طی دهه‌های اخیر جهش‌های قابل توجهی را تحت تاثیر گسترش فعالیت‌های صنعتی و در نتیجه افزایش روزافزون تقاضای فولاد تجربه کرده است و انتظار می‌رود در سال‌های آتی نیز روند صعودی این صنعت ادامه داشته باشد. این مسئله با توجه به سهم قابل توجه صنعت فولاد در انتشار دی‌اکسیدکربن و از طرفی نیز الزام به کاهش حداقل 50 درصدی انتشار دی‌اکسیدکربن تا سال 2050، ضرورت روی‌آوردن فعالان این صنعت به استفاده از تکنولوژی‌هایی در راستای تولید فولاد سبز را  در سال‌های آتی آشکار می‌کند. میدرکس پایه‌هیدروژن، الکترولیز و فلش چند نمونه از تکنولوژی‌هایی هستند که در حال حاضر به منظور کاهش میزان انتشار دی‌اکسیدکربن در صنعت فولاد مورد استفاده قرار می‌گیرند.

فولاد سبز در اصطلاح فولادی است که با روشی تولید شود که میزان انتشار گازهای گلخانه‌ای بسیار کمی داشته باشد. با توجه به افزایش روزافزون تقاضای فولاد در بازارهای جهانی، تولید این فلز در کشورهایی مانند چین، هند، ایران و سایر کشورهای فعال در این حوزه رو به افزایش است. از طرف دیگر تامین انرژی برای صنعت فولاد با توجه به غیر قابل تجدید بودن منابع انرژی فسیلی می‌تواند یکی از چالش‌های مهم پیش روی این صنعت باشد. به علاوه، بر اساس معاهده پاریس میزان انتشار دی‌اکسیدکربن تا سال 2050 باید حداقل 50 درصد کاهش یابد که کاهش حداقل 53 درصدی از این میزان سهم صنایع تولید آهن و فولاد است. بنابراین طی سال‌های آینده صنعت فولادسازی از لحاظ قوانین زیست‌محیطی با محدودیت‌های بیشتری مواجه خواهد بود. در نتیجه، نیاز به تکنولوژی‌های جدید به منظور رفع این موانع بیش از پیش احساس می‌شود.

میدرکس پایه‌هیدروژن

در بین روش‌های متداول تولید آهن و فولادسازی، فرایند میدرکس با گاز طبیعی همراه با کوره قوس الکتریکی کمترین میزان انتشار گاز دی‌اکسیدکربن را نسبت به سایر روش‌ها دارد. تولید با روش کوره بلند می‌تواند حدود 6/1 تا 2 کیلوگرم دی‌اکسیدکربن به ازای تولید هر کیلوگرم فولاد منتشر کند. اما در روش میدرکس با گاز طبیعی، میزان انتشار گاز دی‌اکسیدکربن در حدود 1/1 الی 2/1 کیلوگرم به ازای تولید هر کیلوگرم فولاد است که حتی همین مقدار را نیز می‌توان تا یک‌سوم انتشار دی‌اکسیدکربن در فرایند کوره‌بلند کاهش داد. در سال 2020، حدود 70 درصد از تولید یک میلیارد و 880 میلیون تنی فولاد جهان از طریق کوره‌بلند انجام شد. در همان سال، تنها 106 میلیون تن آهن احیاشده مستقیم و آهن بریکت‌شده داغ تولید شد. مانع اصلی برای اجرای میدرکس پایه‌هیدروژن دشواری تولید هیدروژن کافی با هزینه پایین و بدون رد پای دی‌اکسیدکربن است. در مورد هیدروژن، چالش‌های خاصی برای تبدیل آن به یک عامل اقتصادی اصلی وجود دارد. به عنوان مثال، برای افزایش چگالی انرژی هیدروژن لازم است که این گاز فشرده‌سازی و مایع شود. بنابراین، هزینه گزاف یک پیل سوختی هیدروژنی مانع بزرگی در به کارگیری آن است. سایر مسائل مرتبط مانند ذخیره‌سازی، زیرساخت‌های توزیع و خلوص کافی هیدروژن، و نگرانی‌های مربوط به ایمنی باید برطرف شوند تا اقتصاد هیدروژنی شروع به کار کند.

فلوشیت میدرکس هیدروژنی شبیه به فلوشیت استاندارد میدرکس گاز طبیعی است. با این تفاوت که گاز هیدروژن وظیفه احیا را بر عهده دارد. در روش میدرکس پایه‌هیدروژن، ورود هیدروژن به دو صورت تولید در خارج از فرایند و سپس اضافه شدن به فرایند یا تولید در طول فرایند انجام می‌شود.

در روش میدرکس پایه‌هیدروژن، مصرف هیدروژن تقریباً 550 – 650 مترمکعب به ازای هر تن محصول است. با این فرآیند، انتشار دی اکسید کربن را می‌توان تا 80 درصد در مقایسه با مسیر فولادسازی کوره‌بلند کاهش داد. در میان تکنولوژی‌های مبتنی بر هیدروژن، اصلی‌ترین مانعی که منجر به محدودیت در توسعه این فناوری می‌شود، تامین هیدروژن از منابع سبز است. زمانی فرایند احیا با هیدروژن باعث کاهش گسترش گازهای گلخانه‌ای می‌شود که برای تولید هیدروژن از سوخت‌های فسیلی استفاده نشده باشد. در حال حاضر هیدروژن در یک ریفرمر متان-بخار با استفاده از گاز طبیعی به عنوان خوراک تولید می‌شود. ریفرمر، گازی حاوی هیدروژن و مونوکسید کربن تولید می‌کند، سپس مونوکسید کربن حذف می‌شود. اما این روش تولید هیدروژن راه حلی برای کاهش انتشار دی‌اکسیدکربن ارائه نمی‌کند، زیرا گاز طبیعی یکی از نهادهای اصلی تولید آن است و این فرایند همچنان انتشار دی‌اکسیدکربن قابل توجهی دارد.

فناوری دیگر برای تولید هیدروژن، الکترولیز است که از برق برای شکست آب به هیدروژن و اکسیژن استفاده می‌کند. الکترولیز آب 4 درصد از تولید جهانی هیدروژن را تشکیل می‌دهد. از آنجایی که در این فناوری، مولکول‌های هیدروژن به جای هیدروکربن‌ها از آب به دست می‌آیند، «سبز» نامیده می­شود. با این حال، استفاده از این فناوری نیز با دو مشکل اساسی انتشار دی‌اکسیدکربن ناشی از به کارگیری سوخت‌های فسیلی در تولید الکتریسیته و بالا بودن هزینه هیدروژن برای بسیاری از کاربردها مواجه است.

تولید آهن مذاب به روش الکترولیز

در روش الکترولیز، ابتدا سنگ‌آهن در یک محلول الکترولیت حل می‌شود و با عبور جریان برق از این محلول امکان جداسازی آهن فراهم می‌گردد. برای انجام این کار معمولا می‌توان از محلولی حاوی اکسیدهای سیلیکون، کلسیم، منیزیم و آلومینیوم در دمای 1600 درجه سانتی‌گراد استفاده کرد. یون‌های منفی اکسیژن به سمت آند با بار مثبت و یون‌های مثبت آهن به سمت کاتد حرکت می‌کنند. فرایند احیا در این روش طی واکنش (Fe₂O₃+e^–®Fe+O₂) انجام می‌شودو محصول آن نیز آهن فلزی و اکسیژن خواهد بود. الکترولیز اکسید مذاب یک روش الکتروشیمیایی بدون کربن برای تجزیه اکسید فلزی به طور مستقیم به فلز مایع و گاز اکسیژن است.

از منظر زیست‌محیطی نیز، آن‌چه روش الکترولیز اکسید مذاب را جذاب می‌کند، توانایی آن در استخراج فلز بدون تولید گازهای گلخانه‌ای است. از این رو، یک آند خنثی که قادر به حذفاکسیژن است، یک جزو فعال‌کننده حیاتی برای این فناوری محسوب می‌شود. برای این منظور، ایریدیوم در سلول‌های آهن‌سازی که با دو الکترولیت مختلف کار می‌کنند، استفاده می‌شود. مکانیسم احیا با این روش شبیه به فرایند هال-هروولت برای تولید آلومینیوم است که شامل تجزیه الکترولیتی اکسید آلومینیوم محلول در یک حلال فلوراید مذاب شامل کرایولیت است. در الکترولیز اکسید مذاب، واکنش کمکی تولید اکسیژن محسوب می‌شود، با این حال تولید آند برای این فرایند به علت دمای بیش از نقطه ذوب آهن (1538 درجه سانتی‌گراد)، قدرت انحلال‌پذیری بالای یک مذاب اکسید چند جزئی و تکمیل گاز اکسیژن خالص در فشار اتمسفر با چالش روبه‌رو است. علاوه بر این، برای برآورده ساختن الزامات تولید یک فرآیند صنعتی، آند باید چگالی جریان بالایی داشته باشد.

تکنولوژی فلش

فناوری آهن‌سازی فلش با کاهش بسیار در مصرف انرژی و انتشار دی‌اکسیدکربن به عنوان یک فناوری تحول‌آفرین جدید برای آهن‌سازی جایگزین فناوری‌های مبتنی بر تولید دی‌اکسیدکربن در حال توسعه است. فناوری آهن‌سازی فلش، پتانسیل کاهش مصرف انرژی را به میزان 32 تا 57 درصد و کاهش انتشار دی‌اکسیدکربن را به میزان 61 تا 96 درصد در مقایسه با میانگین عملکرد روش کوره‌بلند فعلی دارد. اولین اقدامات در این فناوری تحت حمایت مالی موسسه آهن و فولاد آمریکا در دانشگاه یوتا در حال توسعه است.

در فرایند تولید آهن با استفاده از تکنولوژی فلش از عوامل کاهنده گازی مانند گاز طبیعی، هیدروژن، گاز سنتز یا ترکیبی از آن‌ها استفاده می‌شود. از این عوامل کاهنده در این روش باید به صورت مستقیم و پیوسته استفاده شود.

آزمایش در کوره فلش آزمایشگاهی منجر به ایجاد یک پایگاه داده سینتیک در محدوده وسیعی از شرایط عملیاتی و طراحی کامل یک راکتور پیشرفته شده است و با همکاری آرسورمیتال و دانشگاه یوتا خط تولید 100 هزار تن در سال به این روش راه‌اندازی شده است. این فناوری مزایای انرژی و زیست‌محیطی قابل توجهی خواهد داشت که عمدتا از حذف مراحل کک‌سازی و گندله‌سازی در فناوری غالب آهن‌سازی کوره‌بلند ناشی می‌شود. این روش نسبت به روش کوره‌بلند به طور متوسط تا 57 درصد صرفه‌جویی در مصرف انرژی به دنبال دارد. علاوه بر این، استفاده از کک در کوره بلند در کنار سایر آلاینده‌ها، بیش از 1/1 تن دی‌اکسیدکربن به ازای هر تن آهن تولید می‌کند که با فناوری جدید تا حد زیادی کاهش می‌یابد. فرایند تولید آهن با استفاده از تکنولوژی فلش همچنین می‌تواند به گونه‌ای طراحی شود که با هیدروژن خالص کار کند تا از توسعه اقتصاد هیدروژنی استفاده کند.

این محصول آهن کم‌کربن مستقیما در فولادسازی قابل استفاده است و به دلیل خلوص بسیار بالا امکان کنترل ترکیب شیمیایی فولاد نهایی را با دقت بالا در دسترس قرار می‌دهد. همچنین می‌توان این محصول را به ‌عنوان جامد جمع‌آوری کرد و کربن را در مرحله بریکت‌سازی به آن اضافه کرد. علاوه بر این، در روش قوس الکتریکی «EAF» می‌توان با افزودن لنس برای تزریق گاز به منظور ایجاد سرباره پفکی، به جای تکیه بر «CO» تولیدشده، از کربن محلول در اسفنجی برای افزایش واکنش‌های پالایش و فولادسازی، استفاده کرد.

فرایند آهن‌سازی با استفاده از تکنولوژی فلش در مقایسه با سایر فرایندهای جایگزین مزیت‌های گوناگونی دارد که عبارتند از:

• امکان استفاده مستقیم از کنسانتره اکسید آهن بدون نیاز به گندله‎سازی؛
• عدم نیاز به استفاده از کک در فرایند تولید آهن؛
• امکان تولید آهن به هر دو شکل جامد یا مذاب؛
• کاهش چشمگیر در مصرف نسوز در طول فرایند تولید؛
• سهولت در خوراک‌دهی مواد اولیه و امکان فولادسازی مستقیم در یک واحد.

ریز بودن ذرات کنسانتره امکان واکنش بسیار سریع را فراهم می‌کند. از این رو واکنش احیا بسیار سریع اتفاق می‌افتد. در این روش گاز به صورت ناقص با مقدار زیادی اکسیژن سوزانده می­شود تا گاز احیاکننده با دمایی حدود 1200 تا 1700 درجه سانتی‌گراد تولید شود. ذرات کنسانتره با اندازه کوچک همانطور که در کوره به سمت پایین حرکت می­کنند، احیا می­شوند. در این فرایند ممکن است بستر مذاب آهن تولید شود که به فرایند فولادسازی منتقل می­شود یا ذرات آهن جامد تولید شود که به عنوان بار کوره فولادسازی استفاده می‌گردد.