برنامه کاهش انتشار گاز‌های گلخانه‌ای در صنعت فولاد هند

به گزارش ‌می‌متالز، در حال حاضر، صنعت فولاد هند را می‌توان به کارخانه‌هایی که از فرآیند‌های فولادسازی مسیر اکسیژن استفاده می‌کنند (کوره بلند) و کارخانه‌هایی که با استفاده از جریان الکتریکی (کوره قوس الکتریکی و کوره القایی) فولاد تولید می‌کنند طبقه بندی کرد، تقریبا نیمی از تولید فولاد هند از تولیدکنندگان فولاد به روش الکتریکی هستند. یکی از مسائل مهم برای تولیدکنندگان هر دو مسیر، در دسترس بودن مواد خام مانند سنگ آهن با کیفیت و با عیار بالا، آهن اسفنجی با درصد پایین آلومینا و سیلیس، زغال سنگ کک شو و قراضه با کیفیت مناسب است. تولیدکنندگان فولاد مسیر اکسیژن عمدتاً از کوره بلند استفاده می‌کنند، اما علاوه بر این، دو کارخانه با چهار واحد COREX برای تولید مذاب برای ساخت فولاد وجود دارد. از سوی دیگر، فولادسازان مسیر الکتریکی از DRI تولید شده در واحد‌های مبتنی بر مصرف زغال سنگ یا واحد‌های مبتنی بر مصرف گاز به عنوان عامل احیایی و قراضه وارداتی برای ساخت فولاد استفاده می‌کنند. هند متخصص احداث و بهره برداری از تعداد بسیار زیاد کوره‌های القایی با اندازه کوچک (تعداد فعلی ۱۱۲۸) با تولید سالانه تنها ده‌ها هزار تن فولاد است.

چالش متوقف کردن گرمایش جهانی، صنعت فولاد در دنیا را مجبور کرده است تا انتشار CO۲ خود را به شدت کاهش دهد. در مورد هند، این هدف با توجه به تکرار تکنولوژی‌های تولیدِ برنامه ریزی شده و عدم تغییرات بنیادی در تکنولورژی تولید تا سال ۲۰۳۰ بسیار دشوار خواهد بود. فرایند‌های کاهش CO۲ در هند با بهبود فرآیند‌های فعلی مانند بازیافت تاپ گس top gas، افزایش تزریق زغال‌سنگ پودر شده (PCI) و هیدروژنه سازی hydrogenation و همچنین اجرای فرآیند‌های جدید مانند HIsarna متمرکز است. علاوه بر این، حرکت به سمت احیا هیدروژنی با استفاده از الکتریسیته "سبز" الزامی به نظر می‌رسد. با بهینه سازی در تأسیسات فعلی و سرمایه‌گذاری‌های شجاعانه در فناوری‌های جدید بدون کربن، انتشار CO۲ در صنعت فولاد هند می‌تواند پس از اینکه در سال ۲۰۳۰ به اوج خود برسد؛ روند نزولی به خود بگیرد و به سمت تولید بدون کربن حرکت کند.

در کوره‌های بلند، تزریق زغال سنگ پودر شده تا ۲۰۰ کیلوگرم در هر تن مذاب در حال حاضر استفاده می‌شود و انتظار می‌رود که به دلیل محدودیت‌های عملیاتی، این مقدار فقط به میزان اندکی افزایش یابد. علاوه بر این، کارخانه‌های فولاد در حال بررسی احتمالات تزریق گاز‌های دارای نسبت قابل‌توجهی از هیدروژن از طریق tuyeres و/یا در stack برای کاهش ردپای کربن هستند. برای تغییر فرآیند و استفاده از گاز در فرآیند فولادسازی ممکن است از گاز طبیعی وارداتی یا تولیدکننده‌های گاز (gasifiers) بزرگ با استفاده از زغال سنگ داخلی انجام شود و همچنین می‌توان زغال سنگ وارداتی ارزان تری را مورد توجه قرار داد.

با افزایش استفاده از گاز در فرآیند تولید فولاد در هند، واحد‌های مبتنی بر DRI به صورت ویژه‌ای رشد خواهد کرد. علاوه بر این، اگر تولید هیدروژن در آینده اقتصادی شود، این واحد‌ها می‌توانند به سمت تولید DRI مبتنی بر هیدروژن حرکت کنند. علاوه بر این، کوره بلند به دلیل تولید بر پایه سنگ معدنی و ظرفیت بالای تولید؛ همچنان به تولید محصولات تخت و با کیفیت بالا ادامه می‌دهند.

در سال‌های اخیر، با روند افزایشی مصرف قراضه در تولید فولاد مواجه بودیم، زیرا مصرف قراضه انتشار گاز‌های گلخانه‌ای را کاهش می‌دهد. هر تن قراضه‌ای که برای تولید فولاد استفاده می‌شود از انتشار ۱.۵ تن CO۲ و مصرف ۱.۴ تن سنگ آهن، ۷۴۰ کیلوگرم زغال سنگ و ۱۲۰ کیلوگرم سنگ آهک جلوگیری می‌کند. تا مارس ۲۰۱۹، ۴۷ کوره قوس الکتریکی و ۱۱۲۸ کوره القایی در سراسر کشور هند فعال بوده که منبع اصلی مواد اولیه آن‌ها قراضه است.

پلاستیک‌های زباله وقتی در غیاب اکسیژن گرم می‌شوند، CO و هیدروژن تولید می‌کنند که می‌توان از آن در کوره‌های بلند استفاده کرد. با این حال، قبل از تزریق پلاستیک، نیاز به خرد کردن و گندله سازی pelletized (در صورت لزوم) دارد. همه انواع پلاستیک را نمی‌توان تزریق کرد. آن‌ها باید تفکیک و دانه بندی شوند. تزریق پلاستیک پس از جمع‌آوری مناسب، جداسازی و پیش پردازش، به همراه زیست توده و حتی مواد تزریقی جامد مانند سرباره BOF به یک کوره بلند می‌تواند برای بهبود تولید کوره بلند و کاهش ردپای کربن مورد بررسی قرار گیرد. با افزایش آگاهی زیست محیطی و سیاست‌های دولت، انتظار می‌رود این تلاش‌ها شتاب بیشتری پیدا کند.

جدای از فناوری‌هایی که قبلاً مورد بحث قرار گرفت، جایگزینی تزریق زغال سنگ در کوره بلند با زیست توده (زغال چوب، مواد ذوب شده، گلوله‌های چوب)، پلاستیک، تزریق زغال سنگ پودرشده PCI، بهینه سازی توربین فشار برگشتی، طراحی بهینه سیستم‌های فن، کنترل جریان و فشار، استقرار CDQ (کوئنچ خشک کک) و بازیابی حرارت از زینترینگ، بهینه‌سازی ترکیب شارژ کوره بلند با به حداکثر رساندن درصد آهن در مواد خام برای کاهش استفاده از زغال‌سنگ به عنوان یک احیا کننده، استفاده از گاز بالای کوره بلند در دو مرحله، مرحله اول، گاز را می‌توان در کوره بلند بازیافت کرد تا مصرف کک را کاهش دهد. در مرحله دوم، گاز را می‌توان در یک توربین بازیابی بالا (TRT) برای تولید برق استفاده کرد و همچنین فناوری‌های جذب کربن و بازیافت CO۲ در فرایند کوره بلند را به آن اشاره کرد. با هیدروژنه کردن اتانول، متانول و ... می‌توان از انتشار CO۲ از کوره بلند جلوگیری کرد. جایگزینی کک با تزریق گاز طبیعی و استقرار وسایل نقلیه الکتریکی برای تدارکات درون معادن، افزایش مصرف قراضه در شارژ فلزی، همچنین تزریق هیدروژن به جای زغال سنگ در کوره بلند به عنوان یک عامل احیا کننده می‌تواند انتشار CO۲ را تا ۲۰ ٪ کاهش دهد. اگر این فناوری با فناوری‌های جذب کربن همراه شود، می‌تواند انتشار گاز‌های گلخانه‌ای را حتی بیشتر کاهش دهد.

از سال ۲۰۲۰، استفاده از هیدروژن در صنعت فولاد می‌تواند نقش فزاینده‌ای در کاهش انتشار CO۲ و همچنین بهبود فرآیند موجود داشته باشد. انتظار می‌رود با افزایش استفاده از فرآیند‌های مبتنی بر گاز و افزایش منابع انرژی تجدیدپذیر، هزینه هیدروژن کاهش یابد. با توجه به لزوم کاهش انتشار گاز‌های گلخانه ای، می‌توانیم رشد فوق‌العاده‌ای در تقاضای هیدروژن را از سال ۲۰۳۰ پیش‌بینی کنیم. بنابراین، تولید هیدروژن از سال ۲۰۳۰ تا ۲۰۵۰ به سرعت افزایش خواهد یافت و امکان اضافه کردن واحد‌های جدید با استفاده از فرآیند‌های احیا مبتنی بر هیدروژن را فراهم می‌کند.

در هند کارخانه‌هایی که از مسیر‌های فولادسازی الکتریکی استفاده می‌کنند، عمدتاً بر اساس کوره‌های القایی، گرید‌های فولادی با کیفیت ساختمانی تولید می‌کنند و در نزدیکی بازار‌های مصرف قرار دارند، یعنی در سراسر کشور پخش شده اند. بسیاری از این واحد‌ها از DRI نیز استفاده می‌کنند که عمدتاً از طریق فرآیند‌های مبتنی بر زغال سنگ تولید می‌شود. با افزایش تهدیدات زیست محیطی، این واحد‌ها مجبور خواهند شد از فرآیند‌های مبتنی بر زغال سنگ به فرآیند‌های مبتنی بر گاز تغییر جهت دهند. گاز این واحد‌های DRI ممکن است گاز طبیعی وارداتی یا از واحد‌های گازسازی زغال سنگ وارد شود. در حال حاضر در هند از کوره‌های القایی با ظرفیت حداکثر ۵۰ تن استفاده می‌شود. بسته به تقاضای بازار‌های مصرف، به ویژه در نزدیکی شهر‌های بزرگ، واحد‌های فولادسازی مبتنی بر کوره قوس الکتریکی با ظرفیت‌های بزرگ نیز می‌توانند ایجاد شوند.

صرفه جویی در انرژی حدود ۲۰ درصد در هر تن فولاد خام را می‌توان با بهبود کارایی عملیاتی برای تمام واحد‌های مسیر تولید BF-BOF، نسبت به میانگین شدت انرژی جهانی برای این مسیر امروزی به دست آورد. استفاده از الکتریسیته برای جایگزینی سوخت‌های فسیلی در تامین گرمای فرآیند در تجهیزات خارج از واحد‌های اصلی فرآیند، به ویژه در پیش گرم کن‌ها و بویلرها، گزینه دیگری است که در آن برق رسانی می‌تواند تغییر بزرگی ایجاد کند.

برای دستیابی به اهداف زیست محیطی جهانی، انتظار می‌رود هند از فرآیند‌های مبتنی بر زغال سنگ به فرآیند‌های مبتنی بر گاز تغییر مسیر دهد. این تغییرات در هر دو بخش انتظار می‌رود: یعنی تولید کنندگان فولاد مسیر اکسیژن و همچنین تولیدکنندگان فولاد مسیر‌های الکتریکی. این امر با کاهش قیمت LNG به دلیل افزایش تعداد بنادر تسهیل می‌شود، بنابراین به گاز کمک می‌کند جای پای بزرگ‌تری در ترکیب هند پیدا کند. افزایش جایگزینی آهن اسفنجی مبتنی بر زغال سنگ با آهن اسفنجی مبتنی بر گاز نیز به کاهش مصرف انرژی نهایی و انتشار CO۲ کمک می‌کند. این تغییر در فرآیند‌ها در زیربخش آهن و فولاد باعث تغییر اکوسیستم صنعتی در کشور خواهد شد. با اعمال بهبود‌های لازم در فرآیند از جمله حرکت به سمت DRI مبتنی بر گاز، افزایش مصرف هیدروژن و اجرای فناوری‌های جدید مانند جهت جذب و استفاده از کربن باید شاهد کاهش محسوس انتشار دی اکسید کربن باشیم.

رشد تولید پیش بینی شده به معنای افزایش چشمگیر انتشار گاز‌های گلخانه‌ای از سال ۲۰۲۰ تا ۲۰۵۰ خواهد بود. اقدامات برنامه ریزی شده برای کاهش انتشار منجر به کاهش ۵۶ درصدی تا سال ۲۰۵۰ به سطحی می‌شود که مجموع انتشار تقریباً ۲۰ درصد بیشتر از امروز خواهد بود! اوج انتشار در حدود سال ۲۰۳۰ خواهد بود. این مسائل ناشی از رشد تولید پیش بینی شده است.

اگرچه صنعت فولاد هند و دولت به دنبال کاهش انتشار CO۲ و همچنین مصرف انرژی تجدیدپذیر هستند، اما تحقق این امر مستلزم تعهد قوی‌تر در توسعه فناوری‌های کم کربن و کربن خنثی و اجرای سریع بهترین فناوری‌های موجود برای بهبود است. پیشرفت‌های فنی عمده در فرآیند‌های جاری و همچنین ترویج تحقیقات در زمینه ساخت آهن بدون کربن/بدون کربن مورد نیاز است. این می‌تواند از طریق افزایش استفاده از هیدروژن در فرآیند به دست آید، که به تولید و ذخیره سازی هیدروژن مرتبط است. علاوه بر این، مصرف رو به رشد قراضه یک روند قوی در هند است، که به معنای افزایش تقاضا برای فرآیند‌های مبتنی بر قراضه است، که به طور متناظر تقاضا برای برق کربن خنثی را افزایش می‌دهد.

نتیجه گیری

وضعیت فعلی صنعت فولاد هند و چشم‌انداز‌های آینده برای سال ۲۰۳۰ و پس از آن با تمرکز اصلی بر کاهش انتشار CO۲ در رابطه با روندها، اهداف و توافق‌های جهانی مورد بررسی قرار گرفت؛ و این نتایج حاصل شد:

۱- هند به عنوان یک کشور در حال توسعه، هدف بلندپروازانه‌ای را برای بیش از دو برابر کردن تولید فولاد خود تا ۲۵۰ تن در سال ۲۰۳۰ تعیین کرده است. استفاده از زغال سنگ فسیلی به عنوان منبع انرژی اولیه این چالش CO۲ را بسیار سخت می‌کند.

۲- یک موضوع مثبت این است که گاز طبیعی تا حدی می‌تواند جایگزین زغال سنگ هم در کوره بلند و هم در احیا مستقیم می‌شود. در نتیجه انتشار گاز دی‌اکسید کربن کمتری تولید می‌کند.

۳- با توجه شرایط فعلی هند و برنامه ریزی‌های انجام شده، بدیهی است که انتشار CO۲ به رشد خود ادامه خواهد داد و با توجه به برنامه ریزی‌های دولت و صنعت فولاد، انتظار می‌رود که نقطه عطف کمی بعد از سال ۲۰۳۰ باشد.

۴- سطوح فعلی مصرف انرژی و انتشار CO۲ در صنعت فولاد هند به دلیل ضعف در مواد خام و انرژی و همچنین کمبود‌های تکنولوژیکی، بسیار بالاتر از میانگین جهانی است. با استفاده از بهترین فناوری‌های موجود، کاهش مصرف انرژی و کاهش انتشار ۳۵ تا ۴۰ درصد از میزان فعلی تا پایان دهه ۲۰۲۰ واقع بینانه است. این امر افزایش انتشار گاز‌های گلخانه‌ای را تا حدودی کاهش می‌دهد، اما آن را متوقف نمی‌کند.

۵- برای قرار گرفتن در مسیری رو به کاهش انتشار CO۲، ابزار‌های کربن زدایی قوی‌تر الزامی است. سهم قابل‌توجهی از سرمایه‌گذاری‌های کارخانه فولاد جدید باید بر اساس احیاء هیدروژنی و برق تولیدی از منابع تجدید پذیر در تمامی عملیات‌ها از جمله تولید هیدروژن باشد. این راهی است که می‌توان به سمت تولید فولاد بدون کربن در اواسط قرن حرکت کرد. با تعهد قوی به فناوری‌های کربن خنثی در سرمایه‌گذاری‌های جدید، صنعت فولاد هند می‌تواند در مبارزه با گرمایش آب و هوا جایگاهی پیشرو داشته باشد.

یادداشت: احسان رسولی - @ehsanrasooli.official