چراغ راه آینده در تولید فولاد سبز

این مطلب توسط دکتر محوی، مشاور تخصصی سیگماس در زمینه آب، تهیه و تدوین شده است.

صنایع فولاد سازی 7 – 10 %مسئولیت انتشار گاز CO2 جهانی را عهده دار هستند .حال که برای اولین بار موسسه راهبردی فولاد سبز در ایران تاسیس شده است لزوم تدوین یک نقشه را ه Green Steel Master Plan با سه سناریوی کوتاه مدت،میان مدت و بلند مدت را باید مد نظر قرار داد .

این نقشه راه مسلما نمی تواند بدون توجه به فن آوری ها و وقایع جهانی تهیه شود واز فاز بالادستی یعنی کانسار سنگ آهن )کمی و کیفی صنایع معدن(فاز بهره برداری، دانه بندی و تغلیظ ) تا تولید زنجیره فولاد سبز را شامل می شود.

در خور توجه است که دسترسی به گاز طبیعی و کانسار های آهن برای توسعه روش های جدید ظرفیت سازی تولید به روش احیای مستقیم یکی از مراحل حیاتی است.لیکن دسترسی به انرژی برای تولید هیدروژن پاک یکی از چا لش های این فن آوری در آینده بشمار می رود .

در راستای تهیه این نقشه راه ،گذشته فن آوری صنعت فولاد ،حال و پیش بینی آینده آن و نقش جهانی ایران بسیار حایز اهمیت است . بعنوان مثال تولید DRI در سال 2019 به رکورد 108 میلیون تن رسید که نسبت به سال قبل 7.3 درصد افزایش نشان می دهد و شایان ذکراست که کشورهای هند،ایران و الجزایر نقش اساسی را در این برهه از زمان ایفا کرد ه اند .

در این سناریو پیش بینی های آژانس بین المللی انرژی IEA حاکی از آنست که در سال 2030 سهم DRI مبتنی بر گاز معادل 8 درصد خواهد بود.

آنچه که امروز شاهد آن هستیم و پیش بینی می شود ،این است که میزان تولید فولاد به روش BF حتی با مداخله نو آوری های کاهش و جذب کربن ، در جهان و در گذر زما ن تا سال 2019 به بیش از 1 میلیارد تن رسید و سپس بر اساس تفکر دستیابی به کربن صف ر تولید به این روش روند نز ولی خواهد داشت و در سال 2070 به 43 میلیون تن کاهش خواهد یافت .

با واقعیت تغییرات آب و هوایی و مواجهه جهانی، در کنفرانس 153 کشور گلاسکو تحت عنوان COP26 که برگزار شد، دستیابی به تصاعد صفر CO2، کاهش مصرف سوخت‌های فسیلی، حذف یارانه‌های زغال‌سنگ، کاهش انتشار متان، توسعه انرژی‌های مورد استفاده در صنایع فولاد و متعاقب آن در کنفرانس COP27 شرم‌الشیخ مصر، تصمیمات مرتبط با اقدامات و سازوکارهای اقتصادی در راستای توسعه پایدار جهانی مورد تاکید مجدد قرار گرفت.

چالش‌های صنعت فولاد با گرم شدن زمین همراه می‌باشد و رخدادهای زیر در این مسیر اتفاق می‌افتد:

1- کاهش تولید یکپارچه فولاد با روش کوره بلند و مصرف زغال‌سنگ کک‌شو، کک و تولید اکسیژن پایه که از سال 2019 در جهان صنعت فولاد شکل می‌گیرد.
2- افزایش فولادسازی با استفاده از کوره قوس الکتریکی
3- افزایش سهم قراضه در تولید فولاد
4- افزایش استفاده از روش احیای مستقیم، به ویژه بریکت گرم آهن یا HBI در تولید فولاد

با توجه به مطالب گفته شده، ارزیابی آژانس بین‌المللی انرژی از روند تولید فولاد سبز به روش‌های احیای مستقیم تجاری، همچنین جذب، نگهداری و استفاده از کربن و استفاده از روش تولید با 100 درصد هیدروژن به صورت تجمعی در نمودار شماره 2 به تصویر آمده است که روش‌های نامبرده اخیر وزن بیشتری را به خود اختصاص می‌دهند.

همانگونه که نمودار 2 نشان می‌دهد، پیش‌بینی می‌شود تولید فولاد سبز به روش‌های DRI، DRI تجاری با جذب CCUS و نگهداری و انبارش کربن و در نهایت 100%H2 DRI از 22 میلیون تن در سال 1990 به 648 میلیون تن در سال 2070 افزایش یابد. لیکن در پیش‌بینی‌های آژانس بین‌المللی انرژی IEA، تولید فولاد با استفاده از روش ذوب نوآورانه با کاهش CCUS نیز نقش سنگینی را بازی خواهد کرد که نمودار 3 نشان‌دهنده توسعه و پیشرفت جهانی این روش در آینده می‌باشد.

میزان مصرف آب در یک کارخانه فولاد سبز (Green Steel)

میزان مصرف آب در یک کارخانه فولاد سبز (Green Steel) به فناوری تولید، میزان بازیافت آب، کیفیت آب ورودی و نوع محصول بستگی دارد. بنابراین یک عدد ثابت وجود ندارد، اما با توجه به گزارش‌های انجمن جهانی فولاد (World Steel Association)، پروژه‌های HYBRIT و H2 Green Steel و طرح‌های مشابه، مقادیر زیر می‌تواند برآوردهای اولیه و مناسب برای امکان‌سنجی مطالعات باشند. مقادیر معمول به شرح زیر است:

نوع آب

مصرف معمول برای تولید 1 تن فولاد خام آب خام (Raw Water Intake) حدود 1 تا 3 مترمکعب

آب تصفیه شده (Treated/Demineralized Water): حدود 0.2 تا 0.8 مترمکعب

برای کارخانه‌های فولاد سبز مبتنی بر DRI + کوره قوس الکتریکی (EAF) که از هیدروژن یا گاز طبیعی و برق تجدیدپذیر استفاده می‌کنند، مقادیر معمول عبارتند از:

آب خام مورد نیاز: حدود 1.5 تا 2.5 مترمکعب به ازای هر تن فولاد

آب صنعتی تصفیه شده: حدود 0.3 تا 0.6 مترمکعب به ازای هر تن فولاد

در صورت استفاده از هیدروژن سبز

اگر هیدروژن در محل کارخانه از طریق الکترولیز تولید شود، مصرف آب افزایش می‌یابد:
برای تولید 1 کیلوگرم هیدروژن، حدود 9 تا 10 لیتر آب خالص مصرف می‌شود.
معمولاً برای تولید یک تن فولاد با هیدروژن بسته به فرآیند، 50 تا 70 کیلوگرم هیدروژن نیاز است.
بنابراین آب مورد نیاز الکترولیز حدود 0.45 تا 0.7 مترمکعب به ازای هر تن فولاد خواهد بود که باید به آب‌های فرآیندی اضافه شود.

نمودارهای 4 و 5 رابطه نیاز آبی و تولید فولاد سبز با فناوری‌های گوناگون را نشان می‌دهد.

نتیجه:

دنیا بصورت شتابان و فزاینده ای در راستای جایگزینی فن آوری های نوین تولید فولاد سبز به جای روش احیای غیر مستقیم پیش می رود بگونه ای که پیش بینی شده است که در سال 2070 از 1015 میلیون تن تولید ، سهم تولید فولاد به روش BF کوره بلند به 4 % تنزل خواهد یافت آنچه که در 2019 برعکس آن بوده به این تعبیر که از 1307 میلیون تن سهم تولید فولاد به روش DRI فقط 9 %بوده است.

برای یک مجتمع فولاد سبز با بازیافت بالای آب:
آب خام کل: حدود 1.5 تا 3 مترمکعب بر تن فولاد
آب تصفیه شده مورد نیاز فرآیند: حدود 0.3 تا 0.8 مترمکعب بر تن فولاد
در صورت تولید هیدروژن در محل: حدود 0.5 مترمکعب آب خالص اضافی برای الکترولیز به ازای هر تن فولاد.