آشنایی با مفهوم فولاد سبز

آشنایی با مفهوم فولاد سبز

صنعت فولاد و کاهش انتشار کربن

صنعت فولاد یکی از مهم‌ترین صنایع پایه به‌شمار می‌رود و نقش مهمی در تقویت اقتصاد ملی دارد. با این حال، مصرف انرژی بالا و در نتیجه انتشار بالای دی اکسید کربن آن را به یکی از منابع عمده سهیم در گرمایش جهانی و تغییرات اقلیم تبدیل می کند. همچنین  بخش فولاد یکی از چالش‌برانگیزترین بخش‌ها برای کربن‌زدایی است و اخیراً به دلیل امکان استفاده از فرآیندهای تولید نوین و همچنین استفاده بالقوه از هیدروژن کم کربن (سبز و آبی) برای کاهش احتراق سوخت و انتشار کربن مربوط به فرآیند مورد توجه ویژه قرار گرفته است.

حدود 7% از کل انتشار گازهای گلخانه¬ای تولید بشر مربوط به صنایع فولاد می¬باشد. البته تکنولوژی¬های مختلف موجود برای تولید فولاد سهم یکسانی نداشته و عواملی مانند نوع سوخت مصرفی (ذغال¬سنگ، گاز طبیعی و ...)، نوع تکنولوژی مورد استفاده و همچنین خوراک مصرفی بر میزان انتشارات گلخانه¬ای تاثیر دارد. در ادامه میزان انتشار دی اکسید کربن به ازای تولید یک تن فولاد برای تکنولوژی¬های مختلف تولید فولاد آورده شده است:

• کوره بلند (BOF): 2.3 تن
• کوره بلند با فناوری روز: 1.9 تن
• کوره بلند با شارژ سوخت بیوسوخت: 1.1 تن
• روش احیا مستقیم با گاز طبیعی (DR) (تولید آهن اسفنجی): 1.1 تن
• کوره بلند با فناوری جذب و ذخیره کربن (BOF+CCS): 0.9 تن
• کوره قوس الکتریکی (EAF) با شارژ قراضه: 0.4 تن
• کوره قوس الکتریکی با برق بدون کربن (تجدیدپذیر): 0.1 تن

در حال حاضر در سطح جهانی متداول¬ترین تکنولوژی تولید  فولاد بر اساس روش کوره بلند با استفاده از ذغال¬سنگ است (71% از کل تولید فولاد جهانی). اما در ایران  به دلیل فراوانی گاز طبیعی مانند دیگر کشورهایی که از این منبع برخودارند، از روش احیای مستقیم و سپس کوره قوس الکتریکی (با سهم 28% از کل تولید فولاد جهانی) استفاده می¬شود. شایان ذکر است، همانطور که در دسته¬بندی فوق ذکر شد، روش احیای مستقیم نسبت به کوره بلند از انتشار کمتری برخوردار است.

در ایران حدود 20 واحد تولید آهن اسفنجی بر مبنای روش احیای مستقیم وجود دارد که تکنولوژی¬های مختلفی استفاده می¬کنند و طبق گزارش آماری انجمن فولاد، تولیدکنندگان آهن اسفنجی در سال 1401،  31.7 میلیون تن از این محصول را تولید کرده‌اند. بیشترین تکنولوژی مورد استفاده در حال حاضر روش Midrex  (مانند فولاد مبارکه و فولاد ارفع) می¬باشد. همچنین تعداد محدودی واحد از تکنولوژی HYL ( مانند واحد بوتیا) استفاده می¬کنند. در ضمن تکنولوژی توسعه یافته توسط متخصصین ایرانی PERED ( مانند فولاد بافت و فولاد شادگان ) هم اکنون در حال استفاده است. طبق موارد ذکر شده در طرح جامع فولاد، وضع قوانین سخت¬گیرانه زیست محیطی تولیدکنندگان را تشویق به بهبود فرآیندهای تولید در آینده خواهد کرد و کشورهای دارای رتبه در تولید فولاد جهانی اقدام به تغییر روش¬ها و تکنولوژی¬های موجود خواهند کرد. این تغییرات به خصوص در بازه¬ی زمانی بعد از سال 1404 دارای اهمیت زیادی خواهند بود.

بنابر موارد ذکر شده توجه به روش¬های کاهش انتشار کربن از صنایع فولاد ضروری می¬نماید. برای دستیابی به این هدف می¬توان روش¬های مختلفی را دنبال کرد که  در ادامه موارد اصلی قابل بررسی ذکر شده است:

• جایگزینی جزئی و یا کامل سوخت¬های فسیلی با بیوسوخت¬ها و یا هیدروژن کم کربن
• نصب واحدهای جذب و ذخیره¬ی کربن دی اکسید (CCS) بر واحدهای موجود تولید فولاد
• جایگزینی برق تامینی فعلی توسط برق تولید شده از منابع با انتشار کربن کمتر
• جایگزینی واحدهای احیای مستقیم بر مبنای گاز طبیعی و یا ذغال¬سنگ با واحدهای بر مبنای بیوگاز و یا هیدروژن کم کربن (سبز و یا آبی)
• احداث واحدهای فولاد با تکنولوژی¬های نوین که مصرف انرژی کمتری دارند
• کاهش مصرف انرژی و انتشار دی اکسید کربن با بهبود تجهیزات فعلی صنایع احیای مستقیم

لازم به ذکر است که تمامی راه حل¬های فوق برای صنایع موجود در ایران مناسب نخواهند بود و باید با توجه به تکنولوژی¬های متداول و منابع در دسترس راه¬حل¬های مناسب برای صنعت فولاد ایران مشخص شود. همچنین از میان تمامی گزینه¬های موجود، هیدروژن آبی، بیومس کربن خنثی و نصب CCS کمترین هزینه و بیشترین تکامل تکنولوژی را دارد. با این حال امروزه هیچ راه حل یکتایی در صنایع آهن و فولاد قابلیت کربن زدایی گسترده را نداشته و تمامی راه حل ها افزایش هزینه زیادی را به همراه دارند. همچنین هیچ راه حل یکسانی برای تمامی حالات وجود نداشته و جغرافیا، زیرساخت¬ها و شرایط اقتصادی، راه حل بهینه¬ و قابل اجرا را مشخص خواهد کرد.

استفاده از هیدروژن در صنایع فولاد

تحقیق برای یافتن مسیری پایدار برای تولید هیدروژن منجر به دسته¬بندی¬های مختلف در روش¬های تولید هیدروژن شده است. در شکل زیر مقایسه کلی از روش¬های تولید هیدروژن با توجه به هزینه فرآیند و میزان انتشار گازهای گلخانه¬ای مشاهده می¬شود. همچنین با توجه به میزان و نحوه تولید گازهای گلخانه¬ای در فرآیند تولید یا تولید انرژی هیدروژن، یک دسته بندی بر اساس رنگ ارائه شده است که در ادامه بیشتر توضیح داده خواهد شد.

مقایسه هزینه و میزان اثر گلخانه¬ای روش¬های مرسوم تولید هیدروژن

استفاده از هیدروژن در تولید فولاد برای انتشار کاهش کربن به طور گسترده مورد بررسی قرار گرفته است. استفاده از هیدروژن می¬تواند به صورت جایگزینی بخشی از سوخت (گاز طبیعی) و یا احیای مستقیم به طور کامل توسط هیدروژن سبز باشد. پیش از بررسی این روش¬ها احتیاج به تعریف انواع هیدروژن تولیدی داریم:

• هیدروژن سیاه و یا قهوه¬ای: تولید شده از گازسازی ذغال (رنگ به نوع ذغال مصرفی بستگی دارد. لیگنیت: قهوه¬ای - بیتومینه: سیاه)
• هیدروژن خاکستری: هیدروژن تولید شده از سوخت¬های فسیلی (عموما از گاز طبیعی توسط ریفرمینگ با بخار و یا ریفرمینگ اوتوترمال)
• هیدروژن آبی: هیدروژن تولید شده به روش خاکستری و یا قهوه¬ای که دی اکسید کربن آن توسط CCS جداسازی و در ادامه ذخیره یا استفاده می¬شود
• هیدروژن بنفش: هیدروژن تولید شده توسط الکترولیز که برق مصرفی آن از نیروگاه¬های هسته¬ای است
• هیدروژن فیروزه¬ای: هیدروژن تولید شده از پیرولیز متان
• هیدروژن نور خورشید: هیدروژن تولیدی از تجزیه آب توسط واکنش فوتوکاتالیستی (در حال حاضر رنگ مشخصی ندارد)
• هیدروژن زرد: هیدروژن تولید شده از برق خورشیدی
• هیدروژن سبز: هیدروژن تولید شده از الکترولیز آب به نحوی که برق مصرفی تنها از منابع تجدیدپذیر باشد

تکنولوژی¬های نوین تولید فولاد

امروزه تکنولوژی¬های نوین تولید فولاد با انتشار کربن پایین در سطح جهان در حال توسعه هستند. در این بخش به برخی از این تکنولوژی¬ها که می¬تواند مناسب شرایط کشورمان باشد، اشاره شده است. در صورت نیاز به احداث واحدهای جدید فولاد در کشور، توجه به این تکنولوژی¬ها به عنوان راه¬های کاهش مصرف انرژی و همچنین کاهش انتشار دی اکسید کربن ضروری است.

فناوری ULCORED

در این فرآیند از اکسیژن خالص برای اکسیداسیون جزئی گاز طبیعی استفاده می¬شود. از فرآیند جابجایی آب-گاز برای تبدیل مونوکسید کربن گاز خروجی از واحد احیا به دی اکسید کربن استفاده می¬شود. همچنین از واحد جذب نوسانی فشار و یا جذب با آمین برای جداسازی دی اکسید کربن استفاده می¬شود.

فناوری CIRCORED

این فرآیند اولین روش تجاری تولید آهن اسفنجی از هیدروژن خالص است. در این روش از یک فرآیند دو مرتبه¬ای بستر سیال برای محیط احیا استفاده شده است. هیدروژن مورد استفاده این واحد از ریفرمینگ با بخار متان تولید می-شود.

فناوری ENERGIRON DR

فرآیند ENERGIRON مشابه فرآیند احیای مستقیم به روش HYL است. با انجام اصلاحاتی در فرآیند ENERGIRON متداول، می¬توان انتشار کربن دی اکسید را به طور قابل توجهی کاهش داد. این تغییرات شامل جداسازی دی اکسید کربن از گازهای احیای برگشتی از خروجی راکتور احیا و همچنین جداسازی هیدروژن برای استفاده به عنوان سوخت به جای احتراق گاز طبیعی می¬باشد.

جذب و ذخیر¬ه¬ی دی اکسید کربن از خروجی واحد احیای مستقیم

یک راه حل مناسب برای واحدهای احیای مستقیم موجود در کشور، استفاده از روش¬های جذب و ذخیره¬ی دی اکسید کربن در خروجی این واحدها است. مزیت این روش عدم احتیاج به ایجاد تغییرات در واحد فولاد موجود است. در این روش گازهای خروجی از اجکتور استک وارد واحد جداسازی دی اکسید کربن می¬شوند. برای جداسازی دی اکسید کربن از گازهای احتراق، می¬توان از تکنولوژی¬های متداول جذب با آمین و یا جذب نوسانی فشار استفاده کرد.

برنامه کربن مرزی اتحادیه اروپا

یکی از جنبه‌های مهم آسیب‌پذیری شرکت در سال‌های پیش رو، کاهش حاشیه سود شرکت‌های تولیدکننده محصولات صنایع انرژی‌بر مانند صنایع فولاد به واسطه برنامه‌های جهانی کاهش انتشارات گازهای گلخانه‌ای و مقابله با تغییر اقلیم است. این برنامه‌ها مشتمل بر دو جنبه کاهش انتشارات مستقیم از صنایع و کاهش انتشارات انباشته در زنجیره تولید آنهاست. از این رو، کشورهای متعهد به کاهش انتشارات گازهای گلخانه‌ای، در حال تنظیم و پیاده‌سازی سازوکارهای مالیاتی متناسب با میزان مصرف انرژی و انتشارات گازهای گلخانه‌ای در زنجیره تولید محصولات وارداتی هستند. این سازوکارها که طی چند سال پیش رو عملیاتی خواهند شد، منجر به وضع مالیات کربن بر محصولات وارداتی و کاهش حاشیه سود تجارت این محصولات می‌شود. به عنوان مثال، یکی از این سازوکارهای تنظیم شده در سطح جهان، سازوكار تنظيم مرزي كربن اتحاديه اروپا (CBAM) است.

بر اساس پيمان سبز اروپا، کاهش 55 درصدی انتشار در مقایسه با سطح انتشار سال 1990 تا سال 2030 و دستيابي به انتشار خالص صفر تا سال 2050، اهداف اصلي اتحاديه اروپا در زمينه كاهش انتشار گازهاي گلخانه¬اي هستند. این برنامه¬هاي سخت¬گيرانه اتحاديه اروپا براي كاهش انتشار و اعمال قيمت كربن براي محصولات مختلف باعث بالارفتن هزينه توليد در اروپا مي¬شود؛ در حاليكه توليدكنندگان محصولات مشابه در خارج از اين اتحاديه ممكن است با قيمت-گذاري كربن مواجه نبوده يا قيمت¬هاي كربن بسيار پايين¬تري را تجربه كنند كه به ايجاد مزيت رقابتي براي آنها منجر مي¬شود. سازوكار تنظيم مرزي كربن در واقع یک مالیات مرزی است که تضمین می¬کند محصولات صنعتی وارداتی اروپا مشمول قیمت کربني مشابه تولیدکنندگان داخلی هستند. هدف CBAM حذف مزیت رقابتی و ایجاد زمینه بازی برابر بین تولیدکنندگان خارجی و داخلی است. در غياب چنين سازوكاري ممكن است انتشارات مربوط به توليد يكسري از محصولات از داخل اتحاديه اروپا به خارج از آن منتقل شود كه به اين پديده نشت كربن گفته مي¬شود. بدون جلوگيري از نشت كربن، در واقع سياست¬هاي كاهش انتشار اتحاديه اروپا بطور همزمان باعث كاهش انتشارات كربن در داخل اتحاديه اروپا و احتمالاً افزايش انتشارات در خارج از اين اتحاديه خواهد شد.

CBAM در واقع منعکس¬کننده برنامه تجارت انتشار اروپا (EU ETS) مي¬باشد به این معنا که واردکنندگان محصولات تحت پوشش CBAM ملزم به خرید و ارائه گواهی¬هاي مربوطه خواهند بود. گزارش‌دهی محصولات وارداتی تحت پوشش CBAM و انتشارات مربوطه از سال 2023 و پرداخت تعرفه كربن این محصولات از سال 2026 آغاز خواهد شد. همچنین طبق توصیه جدیدی که از طرف نهادهای مشورتی اتحادیه اروپا پیشنهاد شده است، دوره عملیاتی شدن این سازوکار از ابتدای سال 2024 شروع شود.

سازوكار تنظيم مرزي كربن اتحاديه اروپا در ابتدا واردات سيمان، آهن و فولاد، آلومينيوم، كودها و برق را مدنظر قرار داده است. بر اساس ليست اوليه محصولات تحت پوشش CBAM، بخشي از صنايع شيميايي و پتروشيميايي (واحدهاي توليد كود) تحت تاثير سازوكار تنظيم مرزي كربن اتحاديه اروپا قرار گرفته¬اند؛ هرچند به احتمال زياد محصولات بيشتري از اين صنعت (بويژه محصولات انرژي¬بر) در سال¬هاي بعد به ليست محصولات مشمول CBAM اضافه خواهند شد. بر اساس گزارش اخير کمیته محیط زیست، بهداشت عمومی و ایمنی غذاي پارلمان اروپا نمایندگان اين پارلمان خواستار اين هستند كه CBAM محصولات ديگري شامل هیدروژن، پلیمرها و مواد شیمیایی آلی را نيز پوشش دهد.

سابقه انجام برخی پروژه¬های کاهش انتشار در صنایع فولاد در سایرکشورها

• در سال 2019 شرکت Midrex با همکاری شرکت ArcelorMittal اعلام کرد که در هامبورگ آلمان شروع به احداث یک واحد احیای مستقیم با هیدروژن خالص می¬کند. این واحد ظرفیتی برابر 100000 تن آهن اسفنجی در سال خواهد داشت.
• در منطقه خاورمیانه، در سال 2015 یک واحد احیای مستقیم در ابوظبی متعلق به شرکت امارات استیل به تکنولوژی CCS مجهز شد. این واحد از ریفرمنگ بخار گاز طبیعی استفاده می¬کند تا گازهای احیا را برای واحد HYL برای تولید آهن اسفنجی تامین کند. خروجی این واحد شامل دی اکسید کربن و بخار آب است که وارد واحد جداسازی دی اکسید کربن می¬شود. ظرفیت جداسازی این واحد 800000 تن کربن دی اکسید در سال است که توسط یک خط لوله¬ی 42 کیلومتری به میدان باب برای ازدیاد برداشت نفت (EOR) انتقال داده می¬شود.
• پروژه ULCOS که شامل تمامی واحدهای اصلی فولاد اروپایی، دانشگاه¬ها و مراکز تحقیقاتی می¬شود. پیش¬بینی می¬شود این پروژه در 5 تا 15 سال آینده وارد فاز صنعتی شود و هدف نهایی آن کاهش 50 درصدی انتشار دی اکسید کربن صنایع فولاد است. چهار تکنولوژی که برای دستیابی به این هدف انتخاب شده¬اند شامل جریان برگشتی گاز خروجی احیا (ULCOS-BF)، فرآیند FastMelt برای احیای مستقیم (ULCORED)، فولادسازی بدون کک (HIsarna)، الکترولیز (ULCOWIN and ULCOLYSIS) می¬باشد.

گردآوری و تدوین توسط دکتر رضا فلاح

واحد ارتباطات و برندینگ گروه فراطرح