توسعه یک اکوسیستم جدید برای تولید آهن اسفنجی سبز؛ FerroSilva
تقاضا برای محصولات فولادی با انتشار کم گازهای گلخانه‌ای باعث شده بسیاری از تولیدکنندگان بزرگ فولاد در جهان برای برنامه‌های جاری یا آینده خود کوره‌های بلند را با فرایندهای جایگزین مانند احیا مستقیم و کوره‌های قوس الکتریکی جایگزین کنند.
تقاضا برای محصولات فولادی با انتشار کم گازهای گلخانه‌ای باعث شده بسیاری از تولیدکنندگان بزرگ فولاد در جهان برای برنامه‌های جاری یا آینده خود کوره‌های بلند را با فرایندهای جایگزین مانند احیا مستقیم و کوره‌های قوس الکتریکی جایگزین کنند.
در مناطق و کشورهای خارج از محدوده‌های غنی از گاز طبیعی، معمولاً کوره‌های قوس به‌تنهایی برای ذوب قراضه‌ها و ضایعات استفاده می‌شوند. ازآنجاکه مقدار قراضه در دنیا محدود است، این گذار (از کوره بلند به فرایندهای جایگزین) باید با افزایش ظرفیت تولید آهن اسفنجی، به‌اصطلاح DRI ترکیب شود. امروزه DRI عمدتاً با گاز طبیعی شکسته‌شده به‌عنوان یک عامل احیاکننده تولید می‌شود و با ادغام با سیستم‌های جذب و استفاده یا ذخیره دی‌اکسید کربن تشکیل شده که اصطلاحاً CCUS نامیده می‌شوند، فرایند می‌تواند به مقادیر کم انتشار گازهای گلخانه‌ای برسد. گاز طبیعی شکسته‌شده تقریباً یک‌سوم مونوکسید کربن و دوسوم هیدروژن دارد. DRI تولیدشده به این روش معمولاً دارای درجه فلزی شدن حدود ۹۲ درصد و محتوای کربن حدود ۲ درصد است. نقش اصلی کربن در DRI احیای آخرین قسمت‌های اکسید آهن به آهن در مرحله ذوب است. DRI را می‌توان همراه با قراضه استفاده کرد که حاوی عناصر زائدی مانند مس نیست. یک جایگزین برای گاز طبیعی استفاده از هیدروژن خالص به‌عنوان یک عامل احیاکننده است که نتیجه آن DRI بدون کربن است. تعدادی پروژه در این زمینه در حال انجام است؛ اما هنوز نتایج عملیاتی بسیار کمی از آن‌ها منتشر شده است. بااین‌حال، واضح است که دسترسی به مقادیر زیاد الکتریسیته کم‌کربن یا سبز و یک فناوری الکترولایز توسعه‌یافته برای این مسیر الزامی است.
این واقعیت که برخی از کوره‌های بلند طبق برنامه‌ریزی باید تعطیل شوند و کارخانه‌های کاملاً جدید کوره قوس الکتریکی برنامه‌ریزی شده‌اند و اینکه توسعه تولید برق و توسعه فنی فرایندهای هیدروژنی می‌تواند زمان ببرد، این نگرانی را در میان کارخانه‌های فولادی مبتنی بر قراضه ایجاد می‌کند که در دسترس بودن ضایعات با کیفیت بالا به یک عامل محدودکننده تبدیل خواهد شد. این کمبود احتمالی نیروی محرکه سه شرکت فولادی در سوئد با نام‌های Ovako، Alleima و Uddeholm است تا با همکاری مجموعه‌های جنگل‌داری و کشاورزی و چند مؤسسه و دانشگاه فناوری و همچنین شرکت‌های مشاور و مهندسی شراکتی برای تشکیل پروژه FerroSilva با هدف بررسی شرایط احیای سنگ‌آهن با زیست‌توده گازی‌شده (gasified biomass) و با بخشی از بودجه آژانس انرژی سوئد، یک مطالعه امکان‌سنجی طی سال‌های ۲۰۲۱ تا ۲۰۲۲ با نتایج بسیار امیدوارکننده انجام دهند.
ایده اصلی شامل استفاده از محصولات باقی‌مانده از جنگل‌داری و کشاورزی جمع‌آوری‌شده و تبدیل به گاز سنتز با همان ترکیب گاز طبیعی شکسته شده است. سپس از این گاز به‌عنوان گاز احیا در یک کوره شفت استفاده می‌شود که یک DRI با همان خواص مشابه تولیدشده با گاز طبیعی تولید می‌کند. حدود ۱ تن دی‌اکسیدکربن در هر تن DRI تشکیل می‌شود که برای انتقال به تأسیساتی که می‌تواند آن را بعداً به متانول تبدیل کند جمع‌آوری می‌شوند. متانول تولیدی به‌عنوان نقطه شروع برای سایر محصولات شیمیایی یا به‌عنوان سوخت استفاده می‌شود. مصرف انرژی فرایند فروسیلوا ۳۰۰ کیلووات ساعت برق و ۳۵۰۰ کیلووات ساعت زیست‌توده معادل حدود ۱.۴ تن یا ۳.۷ مترمکعب زیست‌توده با چگالی ۳۸۰ کیلوگرم بر مترمکعب است.
اولین کارخانه فروسیلوا ظرفیت ۵۰ هزار تن DRI در سال خواهد داشت و در داخل منطقه صنعتی Ovako در محلی که چندین دهه پیش کوره بلند قدیمی در آن قرار داشت، احداث می‌شود. ساخت‌وساز در سایت موجود مزایای زیادی دارد زیرا زمین آماده شده است؛ تقریباً تمام زیرساخت‌ها و خدمات در محل قرار دارند و مشتری برای DRI تولیدشده تنها حدود ۱۰۰ متر با پروژه فاصله دارد.
برنامه فعلی شروع تولید در نیمه دوم سال ۲۰۲۶ با افزایش بهره‌وری تا ۵۰ هزار تن DRI در سال ۲۰۲۷ است. مفهوم فرایند دارای مزیت استفاده از فناوری‌های بالغ موجود در کنار هم به سبکی جدید است. علی‌رغم اندازه نسبتاً کوچک کارخانه، تولید برای تأمین مواد خام بدون مس لازم برای پاسخ‌گویی به تقاضاهای با کیفیت بالا در فولاد Ovako کافی است. زیست‌توده و گندله خام از طریق راه‌آهن از تأمین‌کنندگان مواد خام به مخازن مواد اولیه در کارخانه تحویل داده می‌شوند و سپس با نوار نقاله به کارخانه گازسازی و شفت احیا منتقل می‌شوند.
محصول مستقیماً توسط کامیون برقی به کارخانه فولاد برده می‌شود. دی‌اکسیدکربن مایع پیش از بارگیری در واگن‌های راه‌آهن برای انتقال به کارخانه نزدیک برای تولید متانول یا در صورت وجود دی‌اکسیدکربن مازاد، در مخازن بستر سنگی به‌طور موقت ذخیره می‌شود. استفاده از زیست‌توده برای تولید گاز احیایی به این معنی است که استفاده از بخش قابل‌توجهی از مواد باقی‌مانده که از جنگل‌داری و کشاورزی به دست می‌آید سودآور می‌شود.
برخلاف تولید گرمایش منطقه‌ای، فروسیلوا نیاز به جریان ثابت زیست‌توده در طول سال دارد. جمع‌آوری محصولات جانبی جنگلی برای ۵۰ هزار تن DRI از ۰.۳ درصد از ضایعات باقی‌مانده استفاده می‌کند که امروز جمع‌آوری نمی‌شود و اگر کل ۳ میلیون تن آهن سوئد با محصولات فرعی جنگلی گازی‌شده احیا شوند، تنها شامل ۱۹ درصد از محصولات استفاده‌نشده است. همچنین نحوه استفاده از خاکستر کارخانه فروسیلوا نیز در نظر گرفته خواهد شد.
پلنت‌های احیا مستقیم گاز طبیعی که امروزه ساخته می‌شوند به‌طور معمول ظرفیتی بیش از ۲ میلیون تن DRI در سال دارند. تقریباً ۶۰ سال طول کشید تا این تکنولوژی از اولین پلنت‌های ۵۰ تا ۱۰۰ هزار تنی به اندازه‌های امروزی برسد. برای هیدروژن، صحبت از ساخت پلنت‌های ۱ تا ۲ میلیون تنی DRI پس از آزمایش‌های اولیه است. در این مقایسه، ۵۰ هزار تن بسیار محدود به نظر می‌رسد، اما با توجه به اینکه قرار است یک سیستم لجستیک کامل از جنگل تا کارخانه متانول ساخته شود، اندازه آن قابل مدیریت است. پس از ایجاد اکوسیستم صنعتی جدید، برای گام بعدی احداث پلنت ۵۰۰ هزار تنی برنامه‌ریزی شده است.
