چشم‌انداز تولید آهن به روش احیای مستقیم (قسمت دوم)

برای خواندن قسمت اول کلیک کنید.

فرآیند احیای مستقیم با استفاده از گاز 

در این فرآیند از گاز طبیعی به جای زغال‌سنگ به عنوان یک عامل احیاکننده استفاده می‌شود. در میان فرآیندهای احیای مستقیم با گاز، میدرکس بیشترین گستردگی را در جهان دارد. 

کانه آهن خواه به شکل گندله باشد خواه کلوخه، به کوره قائم شارژ می‌شود. همان‌طور که آهن از کوره پایین می‌آید حرارت نیز می‌بیند و به دلیل وجود گازهای احیا با درصد بالای CO و H2 عملیات حذف اکسیژن و احیاء صورت می‌گیرد. آهن احیا شده که آهن اسفنجی نیز نامیده می‌شود پس از طی فرآیند سرد شدن در انتهای کوره تخلیه می‌شود، همچنین می‌توان آهن اسفنجی را به صورت داغ برای شارژ مستقیم به کوره قوس و یا جهت بریکت‌سازی‌ از کوره احیا تخلیه کرد. 

بخش عمده گاز طبیعی را متان تشکیل می‌دهد، اما زغال‌سنگ از ترکیبات آروماتیک تشکیل شده که نسبت کربن به هیدروژن در آن از گاز طبیعی بالاتر است. از آنجایی که تقریبا تمام کربن و هیدروژن مورد استفاده در آهن و فولادسازی در نهایت به آب و دی اکسید کربن تبدیل می‌شود، گاز طبیعی دی اکسید کربن کمتری نسبت به زغال‌سنگ تولید می‌کند. در جدول شماره 3 نرخ انتشار دی اکسید کربن برای سوختن متان و دو نمونه زغال‌سنگ مقایسه شده است. 

میزان انتشار دی اکسید کربن بر واحد انرژی در گاز طبیعی حدود نصف زغال‌سنگ است که این مشخصه باعث شده تا گاز طبیعی منبع انرژی ایده‌آلی برای فولادسازی باشد، همچنین از گاز طبیعی می‌توان برای تولید برق مورد نیاز کوره قوس استفاده کرد. 

ترکیب فرآیندهای احیای مستقیم با گاز و کوره قوس در مقایسه با فرآیند کوره بلند ـ کنورتور میزان انتشار دی اکسید کربن در هر تن فولاد را بشدت کاهش می‌دهد. 

نمودار شماره 6 میزان انرژی مورد نیاز و نیز میزان انتشار دی اکسید کربن برای تولید یک تن فولاد مذاب را برای فرآیندهای احیای مستقیم گازی ـ کوره قوس و کوره بلند ـ کنورتور مقایسه کرده و میزان انتشار دی اکسید کربن در روش احیای مستقیم گازی ـ کوره قوس با استفاده از 80 درصد اسفنجی سرد و 20 درصد آهن قراضه 1140 کیلوگرم بر تن فولاد است که به مراتب کمتر از 1959 کیلوگرم بر تن فولاد در روش کوره بلند ـ کنورتور است. با شارژ آهن اسفنجی داغ به کوره قوس حتی می‌توان میزان انتشار دی اکسید کربن را کمتر نیز کرد. در صورتی که 80 درصد آهن اسفنجی داغ با 20 درصد آهن قراضه استفاده شود میزان انتشار دی اکسید کربن برابر با 1033 کیلوگرم بر تن فولاد می‌شود. 


تامین آهن قراضه مورد نیاز 

آهن‌های قراضه منبعی مهم در تولید فولاد به شمار می‌روند چرا که چرخه بازیافت آنها آسان است و بدون نیاز به احیا و فقط با ذوب کردن می‌توان آنها را به فولاد تبدیل کرد. اخیرا یک محقق ژاپنی به نام‌هاتایاما سه مصرف‌کننده عمده فولاد یعنی مهندسی عمران و ساختمان و حمل و نقل ـ که مصرف‌کننده حدود 70 درصد کالاهای فولادی هستند ـ را از طریق آنالیز جریان مواد و پیش‌بینی کالاهای فولادی مورد نیازشان مورد بررسی قرار داده و چشم‌انداز چرخه فولاد را تا سال 2050 ترسیم کرده است. 

در دهه اول این چشم‌انداز، تقاضای شدید برای فولاد از سوی چین و سپس هند پیش‌بینی شده و انتظار می‌رود تولید جهانی فولاد تا سال 2025 ـ 2020 روند روبه رشدی داشته باشد، اما پس از سال 2025 روند تقاضا تقریبا ثابت می‌ماند. 

تولیدات فولادی ابتدا در قالب کالا یا محصول در جامعه هستند و هر یک بسته به جنس خود پس از عمر مفید به عنوان قراضه قلمداد می‌شوند. این میزان تولید قراضه به تعداد و نوع کالا و قطعات فولادی بستگی دارد. 

مادامیکه تولید فولاد از اسقاط آن بیشتر باشد، مرتبا به حجم کالاهای فولادی مورد استفاده در جامعه افزوده می‌شود. طبق آنالیز صورت گرفته پیش‌بینی می‌شود که میزان کالاهای فولادی در سال 2050 حدود شش برابر سال 2005 خواهد بود و میزان اسقاط قراضه از سه مصرف‌کننده فوق الذکر در سال 2050 حدود 5/1 میلیارد تن بر سال است که این میزان اسقاط بسیار بیشتر از میزان 1/0 میلیارد تن بر سال مربوط به سال 2005 است. نمودار شماره 7 این مطلب را به خوبی نشان می‌دهد. 

نمودار شماره 8 تغییرات تولید فولاد را به تفکیک منابع مختلف شامل مواد اولیه و آهن قراضه در بازه زمانی 2050 ـ 2005 نشان می‌دهد. همان‌طور که نمودار نشان می‌دهد پیش‌بینی می‌شود دهه اول پس از سال 2005 تولید فولاد متکی به مواد اولیه باشد و میزان اسقاط قراضه نسبت به تقاضا زیاد نباشد، اما انتظار می‌رود با گذشت زمان و افزایش میزان کالاهای فولادی، سهم قراضه به مرور افزایش یابد. 

پر واضح است که صنعت فولاد مجبور به استفاده از قراضه‌های اسقاطی بازار در آینده‌ای نه چندان دور خواهد بود و در آینده تحقیقات گسترده‌ای راجع به افزایش کیفیت تولید فولاد با استفاده از درصد زیادی قراضه انجام خواهد شد. 

از سوی دیگر با توجه به این‌که انتظار می‌رود مصرف زغال‌سنگ و سنگ‌آهن در دهه اول چشم‌انداز زیاد باشد، فراهم کردن مواد اولیه با خلوص بالا بسیار دشوار خواهد بود و تقاضا برای استفاده از مواد اولیه با خلوص کمتر افزایش خواهد یافت. بنابراین تولید آهن با استفاده از فرآیندهایی نظیر احیای مستقیم با استفاده از گاز بر فرآیند کوره بلند بسیار ترجیح دارد. 


فرآیند آهن‌سازی‌ با استفاده از قراضه 

آهن قراضه به‌طور طبیعی ناخالصی‌هایی نظیر مس، قلع، سرب و... دارد که اغلب استفاده از آن را با توجه به تامین کیفیت محصول، محدود می‌کند، اما قطعات آهنی و نیز آهن اسفنجی جزء منابع خالص آهن به شمار می‌روند که می‌توانند علاوه بر تامین کمیت تقاضا، کیفیت فولاد را نیز بهبود دهند. نرخ مصرف قطعات آهنی می‌تواند بسته به هدف کیفی محصول و کمیت و کیفیت آهن قراضه موجود برای کوره قوس متفاوت باشد. نمودار شماره 9 میزان محصولات مختلف با استفاده از روش‌های کوره قوس و کنورتور (کوره اکسیژن‌‌ دهی) در آمریکا را نشان می‌دهد. شایان ذکر است که اغلب تولیدات شامل نورد سرد و گرم به روش کوره قوس و استفاده از تغذیه با کیفیت بالا نظیر آهن اسفنجی تولید شده‌اند. هرچند که نرخ مصرف قراضه در کوره قوس می‌تواند بین 0 تا 100 درصد تغییر کند، اما نرخ مصرف متعارف آهن قراضه 60 ـ 80 درصد و آهن خالص مانند قطعات آهنی 40 ـ 20 درصد است. 

از سوی دیگر نرخ مصرف آهن قراضه در فرآیند کوره بلند ـ کنورتور حداکثر 20 درصد است که به دلیل محدودیت انرژی موجود در این روش است. 

نمودار شماره 10 تفاوت انتشار دی اکسیدکربن بین روش‌های کوره قوس و کوره بلند ـ کنورتور را نشان می‌دهد که در آن نرخ مصرف آهن قراضه برای روش کوره بلند ـ کنورتور حدود 20 ـ 0 درصد و برای روش کوره قوس حدود 80 ـ 60 درصد است. همان‌طور که نمودار نشان می‌دهد، میزان انتشار دی اکسید کربن در روش کوره قوس به دلیل استفاده زیاد از آهن قراضه 50 درصد کمتر از روش کوره بلند ـ کنورتور است. همین روند صرف نظر از موقعیت کارخانه و یا میزان انتشار کربن برای تولید برق نیز مشاهده شده است. 

فولادسازی به روش تغذیه آهن خالص (آهن اسفنجی یا قطعات آهنی) به همراه آهن قراضه می‌تواند کیفیت مورد نیاز فولاد را از طریق رقیق‌سازی‌ ناخالصی‌ها توسط آهن خالص تامین کرده و میزان انتشار دی اکسید کربنرا کاهش دهد. 


پیش‌بینی مدل آینده فولاد‌سازی‌ 

همان‌طور که در بخش‌های یک و 2 گفته شد، کاهش ذغایر غنی زغال‌سنگ و سنگ‌آهن، مانند گرم شدن کره زمین یکی از جدی‌ترین مشکلات در آینده نه چندان دور خواهد بود. از سوی دیگر مواد اولیه با عیار پایین در سرتاسر زمین پراکنده شده و درخواست برای استفاده از آنها با وجود پایین بودن عیارشان رو به افزایش خواهد بود. فرآیند کوره قوس به دلیل استفاده از نرمه‌های سنگ‌آهن و زغال‌سنگ کک نشده و نیز کاهش انتشار دی اکسید کربن به دلیل استفاده از آهن قراضه قادر به حل مشکل است. 

مدل مورد انتظار فولادسازی در آینده عبارت است از ساخت و راه‌اندازی کارخانه نزدیک سایت معدنی جهت تامین آهن اسفنجی و یا قطعات آهنی و ارسال به بازار که در آن فولادسازان این تولیدات را به همراه آهن قراضه برای تولید فولاد خود استفاده می‌کنند. این مدل در نمودار شماره 11 ترسیم شده است. در این مدل قطعات آهنی و آهن اسفنجی می‌توانند از لحاظ منابع انرژی به یکدیگر وابسته باشند؛ از این رو انتشار دی اکسید کربن و انرژی مورد نیاز می‌تواند به‌طور چشمگیری با استفاده از قطعات آهنی در سایت مصرف‌کننده کاهش یابد. گرچه موقتا انتشار دی اکسید کربن در سایت‌های معدنی افزایش می‌یابد، اما از منظر کلی این میزان کاهش می‌یابد. 

نظرات زیادی از سوی محققان دانشگاهی در مورد لزوم تعهد مشترک بین معادن و فولادسازی در رابطه با انتشار دی اکسید کربن مطرح شده که این مدل فولادسازی می‌تواند راه‌حلی عملی برای ایجاد تعهد مشترک بین سایت‌های معدنی و فولادسازی ایجاد کند، همچنین این مدل می‌تواند برای حل مشکل زیست‌محیطی انتشار گرد و غبار در مجتمع ذوب‌آهن و فولادی که نزدیک مناطق مسکونی هستند نیز مفید باشد. 


نتیجه‌گیری 

طبق مطالب پیشین انتظار می‌رود که کاهش انتشار دی اکسید کربن تاثیر قوی بر جلوگیری از گرم شدن زمین داشته باشد، همچنین انتظار می‌رود به دلیل توسعه صنعتی در کشورهای در حال توسعه بخصوص هند و چین، تقاضای زیاد برای زغال‌سنگ و سنگ‌آهن پر عیار همچنان وجود داشته باشد. در چارچوب فولادسازی پایدار درخواست‌ها برای فرآیندهای فولادسازی که نه تنها دوستدار محیط‌زیست هستند، بلکه قابلیت استفاده از سنگ‌آهن و زغال‌سنگ کم عیار محلی را نیز دارند، رو به افزایش است. 

روش احیای مستقیم با گاز فرآیند تولید آهن است که از لحاظ انتشار دی اکسید کربن و استفاده از مواد اولیه بر روش مرسوم کوره بلند برتری دارند. 

پیش‌بینی می‌شود با توجه به انباشت میزان زیادی محصولات فولادی در طول دهه‌های اخیر در سرتاسر جهان و بخصوص چین و افزایش تامین آهن قراضه برای بازار فولاد، فرآیندی که توانایی استفاده از این میزان قراضه را داراست مورد نیاز باشد. 

تغذیه قراضه به همراه قطعات آهنی و یا آهن اسفنجی راه‌حل عملی و موثری برای مشکلات فولادسازی است، زیرا علاوه بر این‌که می‌توان اغلب محصولات فولادی را با کیفیت مناسب از طریق کنترل مقادیر آهن اسفنجی و قطعات آهنی تولید کرد، انتشار دی اکسید کربن در اثر استفاده از قراضه نیز کاهش می‌یابد. 

بنابراین یک مدل تجاری جدیدی پیشنهاد می‌شود که طبق آن بایستی از طریق منابع طبیعی محلی و در نزدیکی معادن اقدام به تولید آهن اسفنجی و قطعات آهنی کرد و آنگاه این محصولات را به سایت مصرف‌کننده منتقل کرد تا با اضافه کردن آهن قراضه محصولات فولادی را تولید کند. 


منبع: 

Research and Development Dept. Iron Unit Division, KOBE STEEL, LTD. ,Takao HARADA and Hidetoshi TANAKA , ISIJ International, Vol. 51 (2011), No. 8, pp. 1301–1



تهیه و تنظیم: 
علیرضا اکبریان / کارشناس فرآیند و کنترل کیفیت شرکت پامیدکو (گندله‌سازی اردکان)