فرصت ارزشمند توسعه

امروزه در اکثر همایش ها، کنفرانس ها و نمایشگاه های بین المللی صنعت فولاد، از کاهش انتشار کربن، تولید فولاد سبز و اینکه چگونه از هیدروژن برای کربن زدایی صنعت فولاد استفاده می شود، صحبت به میان می آید. در مورد لزوم دستیابی به تولید فولاد بدون انتشار کربن تا سال 2050 و همچنین چالش ها و موانع تحقق این هدف، مطالب زیادی گفته و نوشته شده است. اما پیشنهادهای محدودی برای کاهش انتشار دی اکسید کربن در آینده نزدیک که تاثیر مالی کمتری بر صنایع فولادی داشته باشد ارائه شده است.

با اینکه فولادسازی بدون انتشار کربن در راه است، اما یک شبه اتفاق نخواهد افتاد. زمان می برد تا تولیدکنندگان فولاد رویه های عملیاتی استاندارد خود را با واقعیت جدید تولید فولاد هیدروژنی تطبیق دهند. در حال حاضر در صنعت فولاد، برای فولادسازی ها، مخصوصا فولاد سازی های بر پایه کک، کربن زدایی تدریجی با استفاده از بریکت گرم آهن اسفنجی (HBI) فوری ترین و مؤثرترین روش برای کاهش انتشار CO2 است. استفاده ازHBI نه تنها انتشار CO2 را کاهش ، بلکه بهره وری کوره های فولاد سازی را نیز افزایش می دهد.

بریکت گرم آهن اسفنجی (HBI) یک فرم فشرده از آهن اسفنجی است که با ویژگی‌های شیمیایی و فیزیکی کاملاً مشخص و ثابت تولید می‌شود. HBI به دلیل مقاومت در مقابل اکسیداکسیون و آتش سوزی، برای حمل و نقل در فواصل دور و ذوب در انواع فرآیندهای آهن و فولاد طراحی و تولید شده است. برخلاف قراضه که در فصول خاصی از سال، امکان جمع آوری بیشتر آن فراهم است، بریکت گرم آهن اسفنجی در طول سال در دسترس است. ترکیب شیمیایی HBI مشابه آهن اسفنجی است و استانداردهای کیفیت ISO به شدت در آن رعایت می شود.

همانطور که در شکل بالا نشان داده شده است، مهم ترین اصلاحِ فرآیند، حذف مدار گاز خنک کننده است. منطقه خنک کننده در یک مدول DRI فقط برای تنظیم درصد کربن و خنک کردن DRI قبل از تخلیه استفاده می شود که در واحد بریکت سازی گرم، این واحد حذف شده است.

با توجه به اینکه در واحدهای تولید بریکت گرم آهن اسفنجی امکان افزایش کربن به دلیل حذف مدار گاز خنک کننده وجود ندارد، اخیرا میدرکس فناوری Midrex ACT[فناوری کربن قابل تنظیم] را معرفی کرده ، که می‌تواند در واحدهای جدید گنجانده شود و در کارخانه‌های موجود بهینه سازی شود تا امکان افزایش کربن به 4 درصد وجود داشته باشد و در عین حال یکپارچگی و کیفیت و استحکام فیزیکی HBI را حفظ کند. البته در درصد کربن بیش از 3%، ممکن است نتوان چگالی ظاهری 5 گرم بر سانتی متر مکعب را محقق کرد.

پس از احیا اکسید آهن، DRI داغ (HDRI) به طور مداوم در دمای 650 درجه سانتیگراد یا بالاتر در یک محفظه تخلیه محصول (PDC) وارد می شود، که PDC باعث می شود هر گونه گاز قابل احتراق را از بستر HDRI تخلیه و نوسانات تولید را یکنواخت کند. گاز پرچ نیز باعث می شود تا HDRI را در دمای مناسب برای بریکت سازی نگه دارد..

دانسیته بیشتر بریکت نسبت به آهن اسفنجی به آن اجازه عبور سریعتر از لایه سرباره کوره را می دهد. HBI صد برابر بیشتر از DRI معمولی در برابر اکسیداسیون مقاوم است و 75% آب کمتری جذب می کند. HBI همچنین نرمه و فاین کمتری ایجاد می کند که ارزش بیشتری را برای کاربران فراهم می کند و نگرانی های ایمنی را در حین جابجایی و حمل و نقل کاهش می دهد. همچنین اندازه و شکل آن با تجهیزات استاندارد جابجایی مواد سازگار است. HBI را هم می توان با سبد قراضه در کوره شارژ کرد و هم به طور مداوم از طریق نوار نقاله به کوره اضافه کرد.

مزایای بریکت گرم آهن اسفنجی (HBI)

HBI یک ماده شارژ مدرن برای استفاده به صورت ترکیب با قراضه و یا به عنوان جایگزین قراضه و آهن اسفنجی در کوره‌های فولادسازی قوس و القایی یا به عنوان افزودنی به کوره بلندکاربرد دارد. از آنجایی که HBI مستقیماً از اکسیدهای آهن بدون اینکه ذوب شود ساخته می شود، هیچ یک از ناخالصی های ناشی از کک، سنگ آهک و قراضه در آن موجود نیست. ولی متناسب با ترکیب گندله مورد استفاده در تولید آن، HBI دارای مقداری گانگ های غیر فلزی و عناصر مضر مثل گوگرد و فسفر نیز هست.

این ویژگی های منحصر به فرد HBI مزایای دیگری را به همراه دارد:

• چگالی بالا (5.0 گرم بر سانتی متر مکعب) اجازه عبور سریع از لایه سرباره کوره را می دهد.

• انبارش و نگهداری در فضای باز به مدت طولانی

• افزایش هدایت حرارتی و الکتریکی برای ذوب سریعتر

• تولید کمتر فاین و نرمه در حین جابجایی، حمل و نقل و ذخیره سازی

• حمل، نگهداری و انتقال آسان در انواع آب و هوا و با تجهیزات استاندارد حمل مواد

• حمل و نقل دریایی ایمن تر و کم هزینه تر

استفاده از HBI می تواند به سه روش برای فولادسازی مفید باشد:

1. امکان تولید محصولات فولادی با کیفیت بالا را فراهم می کند. به این دلیل که عاری از عناصر مزاحم موجود در اکثر قراضه های مورد استفاده در بازار است و به همین دلیل، باعث می شود کیفیت محصولات فولای افزایش یابد.

2. امکان استفاده از قراضه های ارزان قیمت را برای تولید گریدهای پایه فولادی را فراهم می‌کند.

3. به دلیل اینکه از گاز طبیعی برای احیا استفاده می نماید، میزان کمتری دی اکسید کربن نسبت به فرایندهای احیا بر پایه کک و ذغال منتشر می نماید که به کاهش انتشار کربن کمک می کند.

در این مقاله به این موضوع می‌پردازد که چگونه HBI، در جهت کاهش انتشار CO2 به فولاد سازها کمک می‌کند و می‌تواند ما را به سمت اقتصاد هیدروژنی حرکت دهد.

چالش کربن:

از کربن در طول قرن ها برای ساخت فولاد استفاده می شود و یکی از بهترین و موثرترین عناصر در تولید فولاد شناخته شده است. از کربن (C) و اکسیژن (O2) برای تأمین انرژی و کاهش نقطه ذوب فولاد استفاده می شود. بنابراین، این یک واقعیت ترمودینامیکی است که برای ساخت فولاد به کربن نیاز است. پس عملا حذف کامل کربن از صنعت فولاد عملیاتی نیست و از هیدروژن نیز بیشتر در زنجیره بالادستی صنعت فولاد استفاده می شود.

بر طور عمده، سه راه برای کاهش انتشار CO2 در طول فرایند تولید آهن و فولاد وجود دارد:

1. کاهش مصرف انرژی، در نتیجه ی کاهش مصرف انرژی میزان مصرف کربن و انتشار دی اکسید کربن نیز کاهش خواهد یافت.

2. جذب و ذخیره CO2 در زیر زمین، که از این CO2 می توان جهت افزایش بازیافت نفت نیز استفاده نمود.

3. از منابع تامین انرژی با کربن کمتری نسبت به زغال سنگ استفاده شود.

گزینه 1 سالهاست که مورد توجه جدی قرار گرفته است. از سال 1980، صنعت فولاد ایالات متحده مصرف انرژی در هر تن فولاد را تقریبا 50 درصد کاهش داده است. با این حال، با توجه به افزایش کارآمدی فرآیندها، کسب دستاوردهای بهتر، بسیار دشوار می شود.

گزینه 2 در حال توسعه است و خبرهای نوید بخشی نیز از این گزینه به گوش می رسد. با این حال، محدودیت های عملی، مسائل زیست محیطی و درگیری های سیاسی وجود دارد که باید بر آن غلبه کرد.

گزینه 3 ممکن است امیدوار کننده ترین و عملی ترین راه حل برای کاهش قابل توجه انتشار کربن در کوتاه مدت باشد. گاز طبیعی یک منبع انرژی جایگزین جذاب و یک عامل احیایی مناسب نسبت به زغال سنگ است.

همه منابع انرژی و احیایی که در حال حاضر برای آهن‌سازی استفاده می‌شوند - به جز گاز طبیعی - یک ویژگی مهم مشترک دارند: آنها تقریباً به طور کامل از کربن تشکیل شده‌اند و مقدار زیادی دی اکسید کربن را به عنوان محصول جانبی تولید می‌کنند. آهن‌سازی سنتی بر پایه کک بین 2 تا 2.3 تن CO2 در هر تن آهن تولید می‌کند. از سوی دیگر، گاز طبیعی، که در درجه اول متان (CH4) است، دارای چهار اتم هیدروژن برای هر اتم کربن است. تقریبا تمام کربن و هیدروژن موجود در گاز طبیعی در نهایت به CO2 و H2O (آب) تبدیل می شود، پس در نتیجه در این روش CO2 بسیار کمتری نسبت به زغال سنگ تولید می کند.

هنگامی که آهن با کک یا زغال سنگ احیا می شود، هر اتم اکسیژن موجود در اکسید آهن (سنگ آهن) به یک اتم کربن نیاز دارد. در کوره بلند، کربن حاصل از کک یا زغال سنگ ابتدا تا حدی با استفاده از اکسیژن گازی (O2) به مونوکسید کربن (CO) تبدیل می شود، سپس مونوکسید کربن یک اتم اکسیژن اضافی را از اکسید آهن جذب و باعث ایجاد آهن فلزی (Fe) و تشکیل دی اکسید کربن (CO2) می شود.

هنگامی که از متان استفاده می شود، هر مولکول CH4 ابتدا به یک مولکول مونوکسید کربن (CO) و دو مولکول هیدروژن (H2) تبدیل می شود. هر یک از این سه مولکول از هر مولکول CH4 یک اتم اکسیژن می گیرد و هر یک از این سه مولکول یک اتم اکسیژن از اکسید آهن می گیرد. بنابراین، محصولات واکنش احیایی، دو مولکول آب (H2O) و یک مولکول دی اکسید کربن (CO2) هستند. به عبارت دیگر، تنها یک سوم، CO2 تولید می شود.

اگر تولید کل آهن جهان، با استفاده از احیای مستقیم گاز طبیعی امکان پذیر بود، می توانستیم از انتشار بیش از یک میلیارد تن CO2 در سال جلوگیری کنیم.

گزارشی که در ژوئن 2021 توسط Global Energy Monitorمنتشر شد، توصیه می‌کند که سه هدف اصلی باید توسط صنعت فولاد محقق شود تا به هدف تولید گازهای گلخانه‌ای در اواسط قرن برسیم:

1. ظرفیت فولادسازی باید به شدت از مسیر اصلی فولادسازی کوره بلند و کنورتور (BF-BOF) به فولادسازی کوره قوس الکتریکی (EAF) منتقل شود.

2. تمام BF-BOF های باقی مانده باید با بهترین فناوری موجود تجهیز شوند یا برچیده شوند.

3. فن‌آوری‌های جدید تولید فولاد با آلایندگی کم ، از جمله تولید آهن اسفنجی مبتنی بر هیدروژن، نیاز به توسعه سریع، افزایش مقیاس و استقرار دارند.

جایگزینی مسیر ساخت فولاد BF/BOF با DRI/EAF به طور قابل توجهی انتشار CO2 را کاهش می دهد، اما هزینه های سرمایه گذاری بسیار بالایی را می طلبد. با این حال، به خاطر داشته باشید که برای اینکه آهن و فولادسازی از کربن خنثی شود، منبع انرژی نیز باید تجدید پذیر باشد و این حتی یک چالش بزرگتر از کربن زدایی صنعت فولاد است.

استفاده از HBI در BF برای کاهش انتشار CO2 باید بهترین روش موجود در نظر گرفته شود، ثابت شده است استفاده از HBI در BF انتشار CO2 را 20٪ یا بیشتر کاهش می دهد.

HBI دهه‌ها است که وجود داشته است، اما تأثیر کامل آن در صنعت فولاد تازه شروع شده است. دستاوردهای زیست محیطی و بهره وری با استفاده از HBI در مسیرهای مختلف تولید فولاد به خوبی مستند شده است. به طور معمول، HBI حاوی 90٪ آهن (با متالیزاسیون تا 96٪) است و بنابراین، این فلز نیازی به احیا بیشتر در BF را ندارند و فقط باید ذوب شوند. بریکت گرم آهن اسفنجی علاوه بر اینکه روشی برای کاهش انتشار CO2 ارائه می دهد، راهی برای افزایش بهره وری در BF نیز هست. در واقع، استفاده از HBI در شارژ BF ممکن است بهترین فرصت برای فعال نگه داشتن برخی از کارخانه های فولادی یکپارچه برای سال های آینده باشد.

استفاده از آهن بریکت گرم در کوره بلند:

شرکت مادر Midrex، کوبه استیل، فناوری احیا مستقیم Midrex را با فناوری عملیات کوره بلند ترکیب کرده است تا روشی پیشرفته را نشان دهد. در این روش شارژ بریکت آهن اسفنجی را تا 30 درصد برای کاهش قابل توجه کک و در نتیجه کاهش انتشار CO2 و افزایش بهره وری تست و عملیاتی کرده اند.

کوبه اخیراً موفق شد با استفاده از 305 کیلوگرم HBI در هر تن هات متال 20 درصد عامل احیایی را کاهش دهد. به گونه ای که عامل احیایی از 518 کیلوگرم در هر تن هات متال به 415 کیلوگرم در هر تن هات متال کاهش یافت.

مصرف کک در طول این تست به میزان 85 کیلوگرم بر تن هات متال کاهش یافت و به کمترین سطح جهانی یعنی 239 کیلوگرم بر تن هات متال رسید.

نتایج استفاده از HBI در Voestalpine :

استفاده از نرخ های شارژ مختلف HBI در کوره های Linz Voestalpine طی دوره -2017 تا 2018- بر اساس داده های میانگین روزانه مورد بررسی قرار گرفت. هنگامی که 100 کیلوگرم هات بریکت در یک تن هات متال شارژ می شود، نتایج زیر محقق شد:

1. عوامل احیایی را می توان به 21.9 - 27.5 کیلوگرم در تن هات متال کاهش داد، همچنین نرخ کک را می توان 10.9 - 18.1 کیلوگرم در تن هات متال کاهش داد.

2. بهره وری را تا 7.3 – 10.1% افزایش داد.

3. استفاده از گاز تقریباً 0.4 - 1.1٪ کاهش می یابد زیرا HBI یک ماده از پیش احیا شده است و اکسید کمتری به BF شارژ می شود.

4. ارزش حرارتی تاپ گس Wh/Nm3 12.3 - 23.5 به دلیل درصد بالاتری از CO و H2 در آن افزایش می یابد.

نتیجه گیری:

پایداری در نهایت موضوع کلیدی برای هر فولادساز آینده است. محصولات آهن اسفنجی که تا همین اواخر به عنوان یک ماده شارژ در کوره قوس الکتریکی در نظر گرفته می شدند، ممکن است راه حلی درازمدت و مقیاس پذیر برای مسیر کوره بلند در آینده نزدیک ارائه دهند. استفاده از HBI به عنوان یک ماده شارژ در کوره بلند اکنون به عنوان یک راه موثر برای کمک به کاهش انتشار CO2 و در عین حال افزایش تولید هات متال در نظر گرفته شده است.