بررسی روش‌های تولید فولاد سبز در جهان
رضا بهاءالدینی - کارشناس صنعت فولاد
بازار و صنعت فولاد طی دهه‌های اخیر، جهش‌های قابل‌توجهی 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 دی‌اکسید کربن و از طرفی نیز الزام به کاهش حداقل ۵۰ درصدی انتشار دی‌اکسیدکربن تا سال ۲۰۵۰، ضرورت روی آوردن فعالان این صنعت به استفاده از تکنولوژی‌هایی در راستای تولید فولاد سبز را در سال‌های آتی آشکار می‌کند. میدرکس پایه هیدروژن، 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 سوی دیگر، تامین انرژی برای صنعت فولاد با توجه به غیرقابل تجدید بودن منابع انرژی فسیلی، می‌تواند یکی از چالش‌های مهم پیش روی این صنعت باشد.
تولید آهن مذاب به روش الکترولیز
در روش الکترولیز، ابتدا سنگ‌آهن در یک محلول الکترولیت حل شده و با عبور جریان برق از این محلول، امکان جداسازی آهن فراهم می‌شود. برای انجام این کار معمولا می‌توان از محلولی حاوی اکسیدهای سیلیکون، کلسیم، منیزیم و آلومینیوم در دمای یک هزار و ۶۰۰ 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 می‌شود و 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 حذف اکسیژن 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 (یک هزار و ۵۳۸ درجه سانتی‌گراد)، قدرت انحلال‌پذیری بالای یک مذاب اکسید چند جزئی و تکمیل گاز اکسیژن خالص در فشار اتمسفر با چالش روبه‌رو است. علاوه‌براین، برای برآورده ساختن الزامات تولید یک فرایند صنعتی، آند باید چگالی جریان بالایی داشته باشد.
تکنولوژی فلش
فناوری آهن‌سازی فلش، با کاهش بسیار در مصرف انرژی و انتشار دی‌اکسید کربن به عنوان یک فناوری تحول‌آفرین جدید برای آهن‌سازی جایگزین فناوری‌های مبتنی بر تولید دی‌اکسید کربن در حال توسعه است. فناوری آهن‌سازی فلش، پتانسیل کاهش مصرف انرژی را به میزان ۳۲ تا ۵۷ درصد و کاهش انتشار دی‌اکسید کربن را به میزان ۶۱ تا ۹۶ 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 و 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 ۱۰۰ هزار تن در سال به این روش راه‌اندازی شده است. این فناوری مزایای انرژی و زیست‌محیطی قابل‌توجهی خواهد داشت که عمدتا از حذف مراحل کک‌سازی و گندله‌سازی در فناوری غالب آهن‌سازی کوره‌بلند ناشی می‌شود. این روش نسبت به روش کوره بلند، به طور متوسط تا ۵۷ درصد صرفه‌جویی در مصرف انرژی به دنبال دارد. علاوه‌براین، استفاده از کک در کوره بلند در کنار سایر آلاینده‌ها، بیش از ۱/۱ تن دی‌اکسید کربن 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.
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 و کربن را در مرحله بریکت‌سازی به آن اضافه کرد. علاوه‌براین، در روش قوس الکتریکی «EAF» می‌توان با افزودن لنس برای تزریق گاز به منظور ایجاد سرباره پفکی، به جای تکیه بر «CO» تولید شده، 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 از جمله می‌توان به 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 فرایند تولید و سهولت در خوراک‌دهی مواد اولیه و امکان فولادسازی مستقیم در یک واحد اشاره کرد.
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 یک هزار و ۲۰۰ تا یک هزار و ۷۰۰ درجه سانتی‌گراد تولید شود. ذرات کنسانتره با اندازه کوچک همان طور 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 شده و یا ذرات آهن جامد تولید شود که به عنوان بار کوره فولادسازی استفاده می‌شود.
