چشم ‌انداز تولید آهن به روش احیای مستقیم (قسمت اول)

برای بزرگنمایی تصویر کلیک کنید.

چکیده

همان‌طور که می‌دانید تولید فولاد با استفاده از سنگ‌آهن و زغال‌سنگ توام با انتشار گازهای گلخانه‌ای است. تولید سالانه فولاد خام از سال 2002 تاکنون از 9/0 به 3/1 میلیارد تن افزایش یافته و انتظار می‌رود با اقتصاد رو به رشد بخصوص در آسیا از این نیز فراتر رود. 

حدود دو سوم از فولاد خام به روش کوره بلند ـ کنورتور تولید می‌شود که این میزان بتدریج در حال افزایش است. فرآیند کوره بلند ـ کنورتور از لحاظ بهره‌وری و راندمان انرژی فرآیندی ممتاز است که نیازمند زغال‌سنگ و سنگ‌آهن با خلوص بالا است و تولید انبوه فولاد به این روش منجر به از بین رفتن سریع مواد اولیه با خلوص بالا می‌شود. 

از آنجایی که به ازای تولید هر تن فولاد در فرآیند کوره بلند ـ کنورتور دو تن دی اکسید کربن انتشار می‌یابد، لذا انتظار افزایش دی اکسید کربن در جهان را داریم. از سوی دیگر، دنیا سال به سال در حال استفاده بیشتر از قطعات فولادی است و در اثر افزایش قطعات فولادی میزان زیادی آهن قراضه بازیافت و روانه بازار خواهد شد. 

فولادسازی به روش تغذیه قطعات فلزی همراه با آهن قراضه به کوره قوس، می‌تواند به‌طور چشمگیری انتشار دی اکسید کربن را کاهش دهد در حالی‌که هم کیفیت فولاد را از طریق رقیق کردن ناخالصی‌های موجود در آهن قراضه تامین می‌کند و هم منابع طبیعی نظیر زغال‌سنگ و سنگ‌آهن را حفظ می‌کند. 

تولید فولاد از طریق فرآیند احیای مستقیم با استفاده از مقداری آهن قراضه روشی مناسب و منطقی برای تولید پایدار آهن و فولاد است. 


مقدمه مترجم

در دهه‌های اخیر مسائل محیط‌زیستی در صنعت اهمیت زیادی یافته و سازمان‌هایی که در رابطه با محیط‌زیست مسئولیت دارند از طریق آگاه کردن مردم، فشار بر دولت‌ها را افزایش داده‌اند، همچنین تکنولوژی‌ها نیز به سمت کاهش آلایندگی آب، خاک و هوا پیش می‌روند. در صنعت فولاد که صنعتی انرژی‌بر محسوب می‌شود استفاده از تکنولوژی احیای مستقیم با گاز و کوره قوس الکتریکی به دلیل کاهش انتشار گاز دی اکسید کربن مورد توجه قرار گرفته است. خوشبختانه ایران به دلیل برخورداری از منابع عظیم گاز از دو دهه قبل به سمت این تکنولوژی پیش رفته و در حال حاضر اکثر تولید فولاد در کشور به روش احیای مستقیم گازی و کوره قوس است. این مقاله سعی دارد کشورهایی که از تکنولوژی کوره بلند استفاده می‌کنند را به سمت تکنولوژی احیای مستقیم و کوره قوس ترغیب کند. مطلبی که در ادامه می‌آید اقتباسی از یکی از مقالات واحد تحقیق و توسعه شرکت کوبه استیل ژاپن است که با راهنمایی‌های سیروس شهروان مدون شده است. 


مقدمه

گرم شدن زمین در دهه‌های اخیر مهم‌ترین موضوع زیست‌محیطی دنیا بوده است. پروتکل کیوتو بیشترین فشار را بر صنایع کشورها جهت کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای وارد می‌آورد. طبق این پروتکل کشورهای عضو، متعهد شده‌اند که 5 درصد از گازهای گلخانه‌ای خود را طی دوره پنج ساله 2012 ـ 2008 نسبت به سال 1990 کاهش دهند. به دلیل گسترش روزافزون صنایع در کشورهای در حال توسعه بخصوص آسیایی، با وجود تلاش‌های زیاد کشورهای توسعه یافته، انتشار گازهای گلخانه‌ای در جهان در سال 2007 حدود 38 درصد افزایش یافته است. 

در فرآیند کوره بلند ـ کنورتور که عمده‌ترین فرآیند تولید فولاد است، حدودا به ازای تولید یک تن فولاد دو تن دی اکسید کربن تولید می‌شود. به دلیل حجم زیاد تولید فولاد، انتشار دی اکسید کربن از صنایع فولاد تاثیر زیادی روی انتشار دی اکسید کربن در جهان دارد. به دلیل افزایش تولید فولاد، مصرف مواد اولیه نیز در صنایع فولاد افزایش یافته، همچنین تجارت سنگ‌آهن از آنسوی آب‌ها و کشورهایی نظیر برزیل و استرالیا که ذخایر غنی سنگ‌آهن دارند نیز افزایش یافته است. در سال 2008 بیش از 800 میلیون تن سنگ‌آهن معامله شده که این میزان نسبت به دهه قبل بیش از دو برابر است. هر چند به دلیل افزایش تقاضا بخصوص از سوی چین و هند پیش‌بینی می‌شود، تولید فولاد افزایش یابد، الزام تکنولوژی‌ها برای کاهش انتشار دی اکسید کربن و نیز حفظ و ذخیره منابع طبیعی پرعیار سنگ‌آهن و زغال‌سنگ قوی‌تر خواهد بود. 

در این مقاله مسیری برای تولید پایدار در صنعت فولاد آینده پیشنهاد می‌شود. 

شرایط اصلی و روند کلی در صنعت فولاد 

با توجه به این‌که دی اکسید کربن مهم‌ترین گاز گلخانه‌ای به‌شمار می‌رود و بیش از 90 درصد گرم شدن زمین به خاطر انتشار دی اکسید کربن است، کاهش انتشار دی اکسید کربن مهم‌ترین موضوع زیست‌محیطی است. همان‌طور که نمودار شماره یک نشان می‌دهد انتشار دی اکسید کربن در سراسر جهان رو به افزایش است. 

تولید سالانه فولاد خام در دنیا نیز رو به افزایش است و همان‌طور که نمودار شماره 2 نشان می‌دهد تولید فولاد از سال 2002 به بعد افزایش چشمگیری یافته است. صنعت فولاد، یکی از عمده‌ترین منابع انتشار دی اکسید کربن است و در سال 2006 حدودا 10 درصد انتشار دی اکسید کربن در جهان متعلق به این صنعت بوده که با مقایسه فرآیندهای کوره قوس و کوره اکسیژن‌دهی(کنورتور) بین سال‌های 2000 تا 2007 مشخص می‌شود که تولید سالانه به روش کوره قوس از 288 به 419 میلیون تن افزایش یافته است، این در حالی است که تولید سالانه به روش کنورتور از 496 به 890 میلیون تن افزایش یافته است و همان‌طور که در نمودار شماره 3 می‌بینید میزان افزایش تولید روش کنورتور سه برابر روش کوره قوس است. 

با توجه به این‌که در فرآیند کوره بلند ـ کنورتور به ازای تولید یک تن فولاد دو تن دی اکسید کربن انتشار می‌یابد، گمان می‌رود انتشار دی اکسید کربنتوسط صنایع فولاد طی این سال‌ها افزایش چشمگیر یافته باشد. 

در صنعت فولاد برای بهبود بازده انرژی، تکنولوژی‌های متفاوتی توسعه یافته است. نمودار شماره 4 گسترش عمده تکنولوژی‌های بهره‌ور انرژی را در فرآیند کوره بلند ـ کنورتور نشان می‌دهد. 

در کارخانه‌هایی که راندمان انرژی در آنها پایین است، بایستی برای گسترش این تکنولوژی‌ها تلاش کرد تا میزان انتشار دی اکسید کربن کاهش یابد. پیش‌بینی می‌شود در آینده نزدیک به دلیل افزایش شدید تقاضا بخصوص در هند و چین ضمن افزایش تولید فولاد خام، انتشار دی اکسید کربن نیز افزایش یابد. همان‌طور که در جدول شماره یک نشان داده شده، گزارش‌ها حاکی از آن است که اگر شرایط به همین صورت پیش رود و اقدام متقابل خاصی صورت نگیرد در سال 2050، انتشار دی اکسید کربن توسط صنایع فولاد 3/5 ـ 8/4 میلیارد تن خواهد بود که این میزان حدودا دو برابر میزانی است که در سال 2006 داشته‌ایم. 

اخیرا طرح‌های جدیدی در روش کوره بلند برای کاهش انتشار دی اکسید کربن پیشنهاد شده که نمونه‌ای از آن گرفتن کربن از گاز بالای کوره بلند و همچنین احیای سنگ‌آهن از طریق تزریق گاز احیاکننده هیدروژندار است، اما بعید به نظر می‌رسد با توجه به افزایش تقاضا برای فولاد در آینده، صرفا بتوان از طریق طرح‌های بهبود فرآیند کوره بلند ـ کنورتور به هدف کاهش انتشار دی اکسید کربن دست یافت. 

جدول شماره 2 تولید سالانه و نیز ذخیره قطعی زغال‌سنگ و سنگ‌آهن را نشان می‌دهد. هر چند که در حال حاضر عمر هر دو ماده بیش از 100 سال است، انتظار می‌رود که کیفیت مواد بتدریج کاهش یابد. همان‌طور که قبلا اشاره شد، تولید فولاد خام در سال 2050 دو برابر خواهد شد و اگر ما همچنان روی فرآیند کوره بلند ـ کنورتور که نیاز به زغال‌سنگ و کک و سنگ‌آهن خلوص بالا دارد تکیه کنیم، شتاب از بین رفتن مواد اولیه خالص افزایش خواهد یافت. 

عمده‌ترین وظایف صنایع فولاد به‌طور خلاصه عبارتند از: 

ـ تامین ثابت محصولات فولادی برای جوابگویی پیوسته به سیل تقاضا مخصوصا در کشورهای آسیایی 

ـ با توجه به مشکلات پرعیارسازی در آینده، توسعه و گسترش تکنولوژی‌هایی که با زغال‌سنگ و سنگ‌آهن عیار پایین کارایی دارند. 

ـ انجام اقدامات تقابلی برای کاهش انتشار دی اکسید کربن و جلوگیری از گرم شدن زمین 


راهکارهایی برای فولادسازی آینده 

در زیر چند راهکار برای صنایع فولاد پایدار پیشنهاد می‌شود: 

ـ به‌کارگیری تکنولوژی‌های آهن‌سازی‌ که قابلیت استفاده از مواد اولیه عیار پایین را دارند. 

ـ به‌کارگیری تکنولوژی‌های آهن‌سازی‌ که برای کربن (عامل احیاکننده خود) از زغال‌سنگ استفاده کمتری می‌کنند. 

ـ به‌کارگیری فرآیند فولادسازی که بتواند از حجم زیادی آهن قراضه استفاده کند. 

ـ توسعه مدلی از فولادسازی با ترکیب مناسب آهن‌سازی‌ و فولادسازی با در نظر گرفتن محل مناسب برای آهن‌سازی‌. این محل می‌تواند بین محل معدن و یا محل مصرف‌کننده فولاد به‌گونه‌ای انتخاب شود که ضمن انعطاف پذیری در تامین مواد اولیه، مقررات انتشار دی اکسید کربن را نیز رعایت کند. 



برای خواندن قسمت دوم کلیک کنید.

علیرضا اکبریان کارشناس فرآیند و کنترل کیفیت شرکت پامیدکو (گندله‌سازی اردکان)