آشنايى با طرح مفهومى جديد ميدركس براى حفاظت از محيط‌‌‎‎‎‎ زيست؛
“ميدركس هيدروژنى” راه مؤثر براى توليدDRI با كمترين هزينه
ماهنامه پردازش: کاهش انتشار دی‌اکسیدکربن (CO2) در صنعت آهن و فولاد در اروپای غربی با افزایش هزینه انتشار CO2 حتی بسیار مهم‌تر هم می‌شود. در حالی که فرآیند میدرکس با استفاده از گاز طبیعی، همراه با کوره قوس‌الکتریکی (EAF) کمترین میزان انتشار CO2 نسبت به هر مسیر دیگری را برای تولید فولاد با استفاده از سنگ‌آهن دارد، جای کاهش بیشتر انتشار آن با استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت و ماده واکنش‌کننده شیمیایی در فرآیند احیای مستقیم وجود دارد.

بهترین امکان برای کاهش قابل توجه اثرات CO2 در حال حاضر و در آینده استفاده از هیدروژن سبز برای تولید DRI/HBI است که بعداً می‌تواند به عنوان خوراک فولادسازی مورد استفاده قرار گیرد. این طرح مفهومی بنام میدرکسH2
  (MIDREX H2) شناخته می‌شود.

متأسفانه، هیدروژن اکنون در مقیاس مکفی و هزینه به قدر کافی کم برای به‌کارگیری سریع این روش در دسترس نیست. در این مقاله وضعیت انتقال از اقتصاد کربنی به اقتصاد هیدروژنی، چالش‌های آن و فعالیت‌های مختلف در حال انجام مورد بحث قرار می‌گیرند.

با دسترسی به هیدروژن سبز و مقرون به صرفه، می‌توان فرآیند میدرکس را در مراحلی به میدرکس  H2تبدیل کرد که به فولادسازان امکان می‌دهد بلافاصله از کاهش CO2 بهره‌مند شوند و در آینده بدون هزینه‌های سرمایه‌ای عمده انتشار آن‌را بازهم کاهش دهند.

حرکت به سوی اقتصاد هیدروژنی

اقتصاد هیدروژنی یک سیستم پیشنهادی برای تأمین انرژی با استفاده از هیدروژن است که برای حل برخی از تأثیرات منفی استفاده از سوخت‌های هیدروکربنی، که باعث انتشار کربن به اتمسفر به صورت CO2، CO، هیدروکربن‌های نسوخته و غیره می‌شوند، به‌کار گرفته شده است.

طرفداران اقتصاد هیدروژنی در مقیاس جهانی استدلال می‌کنند که هیدروژن می‌تواند یک منبع پاک‌کننده محیط‌زیستی انرژی برای مصرف‌کنندگان نهایی بدون انتشار آلاینده‌ها از جمله ذرات معلق یا دی‌اکسیدکربن در محل مصرف نهایی باشد. تنها آلاینده هوا از مصرف هیدروژن به عنوان سوخت یا در سلول‌های سوختی، آب است.

توافقنامه پاریس برای امضا در روز زمین در سال ۲۰۱۶ رونمایی شد و در ۴ نوامبر ۲۰۱۶ رسمیت یافت. هدف از این توافقنامه افزایش واکنش جهانی به “تهدید تغییر اقلیم با نگهداشتن افزایش دمای جهانی در این قرن کاملا زیر Cº ۲ بالاتر از سطح دوران پیش از صنعتی شدن است” كاهش CO2 از بخش صنعت به طور گسترده‌ای به عنوان كليدي براي دستيابي به اين اهداف شناخته شده است. صنعت فولاد، به‌ویژه روش سنتی تولید آهن (چدن خام)، به دلیل اتكای قابل توجه به زغال‌سنگ، در زمره بزرگترین انتشاردهندگان گازهای گلخانه‌ای (در محدوده ۹-۷ درصد از كل میزان انتشار) قرار دارد. حدود ۷۵ درصد از آهن تولیدی در جهان با استفاده از کوره بلند (BF) تولید می‌شود، که در کوره بازی اکسیژنی (BOF) پالایش می‌گردد.

BF از کک به عنوان منبع انرژی و ماده احیاکننده برای تولید آهن با ۵/۴ درصد کربن استفاده می‌کند، که کربن در BOF سوزانده شده و انرژی تولید می‌شود. در نتیجه، میزان انتشار گازهای گلخانه‌ای BF/BOF بسته به تکنولوژی‌های مورد استفاده می‌تواند CO2/kg steel 2.0-1.6 باشد.

فرآیند میدرکس NG (میدرکس با گاز طبیعی) همراه با EAF کمترین میزان انتشار دی‌اکسیدکربن را نسبت به هر مسیر اثبات شده دیگر تولید تجاری فولاد با استفاده از سنگ‌آهن بکر و با میزان CO2/kg steel 1/2-1/1 دارد. با افزودن سیستم حذف CO2، فرآیند میدرکس می‌تواند انتشار دی‌اکسیدکربن را بازهم تا حدود یک سوم انتشار از مسیر BF/BOF کم کند. با این حال، بازهم جای بیشتری برای کاهش انتشار از طریق مصرف هیدروژن به عنوان سوخت و ماده واکنش کننده شیمیایی در فرآیند میدرکس وجود دارد.

روش نهایی برای کاهش شدید اثرات CO2 در صنعت فولاد، استفاده از هیدروژن سبز (تولید شده از انرژی تجدیدپذیر) برای تولید DRI در کوره ستونی احیای مستقیم است. این طرح مفهومی، میدرکس H2، در کارخانه‌های میدرکس جدید یا موجود بسیار امیدبخش است.

مانع اصلی پیاده‌سازی احیای مستقیم با هیدروژن، دشواری تولید مکفی هیدروژن و با هزینه به اندازه کافی کم و بدون اثرات زیاد CO2، به صورتی که اکنون در مبدل‌های (ریفرمرهای) متان بخار انجام می‌شود، می‌باشد. بازهم، ممکن است تحقق این ایده نزدیکتر از بسیاری از موارد دیگر باشد، زیرا ایده اقتصاد هیدروژنی کشش و پشتیبانی کسب می‌کند.

غلبه بر مسائل

گذشته از انرژی هسته‌ای، امروزه بیشتر انرژی از یکی از سه منبع هیدروکربنی یعنی نفت، زغال‌سنگ و گاز طبیعی حاصل می‌شود. انرژی‌های تجدیدپذیر مانند انرژی بادی، خورشیدی یا آبی به طور پیوسته سهم بازار خود را افزایش می‌دهند، اما نفوذ آنها غالبا توسط موقعیت جغرافیایی و توانایی شبکه برای همسازی با ایجاد نوسانات (با عنوان “منحنی اردک” نیز شناخته می‌شود) وابسته به آنها محدود می‌گردد. همچنین ذخیره‌سازی و توزیع انرژی برق به دلیل اتلاف بالای بازدهی در خطوط انتقال گران است.

در مورد هیدروژن، مسائل خاصی برای غلبه بر آنها وجود دارد تا آن‌را به عامل مهم اقتصادی تبدیل کند. برای نمونه، هیدروژن از نظر وزنی دارای چگالی انرژی بالایی است، اما در صورت عدم فشرده‌سازی یا مایع شدن، از نظر حجمی‌چگالی انرژی کمی دارد.

بنابراین، هزینه بازدارنده سلول سوخت هیدروژن یک مانع اصلی توسعه آن بوده است. باید بر سایر مسائل مرتبط با آن، از قبیل ذخیره‌سازی، زیرساخت‌های توزیع و خلوص کافی هیدروژن، و نگرانی‌های مربوط به ایمنی برای شروع حرکت اقتصاد هیدروژنی فائق آمد.

همچنین، مفهوم سندرم “مرغ و تخم مرغ”، نیز وجود دارد که در آن تولیدکنندگان بالقوه مشتاقانه منتظر مصرف‌کنندگان هستند تا بتوانند هیدروژن را در مقیاس (و هزینه کمتر از مقیاس اقتصادی) تولید کنند، در حالی که مصرف‌کنندگان ادعا می‌کنند بلافاصله پس از اینکه بتوان مقادیر کافی هیدروژن با هزینه رقابتی تولید کرد آماده مصرف می‌باشند.

برای رفع این چالش‌ها همکاری بین صنعت، دانشگاه، دولت و مصرف‌کنندگان نهایی لازم است. بسیاری از کشورها از قبل چنین ابتکاراتی را در دست اجرا دارند و در حال همکاری برای تسریع در تحقق کامل اقتصاد هیدروژنی هستند.

مصرف و تولید فعلی هیدروژن

امروزه دو مصرف عمده برای هیدروژن وجود دارد. حدود نیمی از آن برای تولید آمونیاک (NH3) جهت استفاده در کود مصرف می‌شود. نیم دیگری از آن برای تبدیل منابع نفتی سنگین به اجزای سبک‌تر مناسب برای استفاده به عنوان سوخت مصرف می‌شود که به عنوان هیدروکرکینگ شناخته می‌شود.

هیدروکرکینگ می‌تواند مواد منابع فقیری همانند ماسه‌های قیری و نفت شیل (shale) را به طور موثری ارتقا بخشد. در سال ۲۰۱۶، مقدار ۹۶ درصد از تولید جهانی هیدروژن از سوخت‌های فسیلی شامل: ۴۸ درصد از گاز طبیعی، ۳۰ درصد از نفت و ۱۸ درصد از زغال‌سنگ بوده است.

بیشتر این هیدروژن ” آبی (blue)” در یک محل تولید و مصرف می‌شود؛ تجارت و حمل نمی‌شود. اکثریت بسیار زیادی از این هیدروژن در مبدل متان بخار (SMR) با استفاده از گاز طبیعی به عنوان خوراک تولید می‌شود. مبدل، گازی حاوی H2 و CO تولید می‌کند، سپس CO حذف می‌شود.

در حالی که تولید هیدروژن در مقیاس بزرگ با استفاده از مبدل‌های متان بخار امروزه یک واقعیت است، اما راه‌حلی برای کاهش بسیار زیاد انتشار CO2 ارائه نمی‌دهد زیرا از گاز طبیعی ساخته می‌شود و هنوز هم انتشار CO2 قابل توجهی دارد. گرفتن هیدروژن از SMR امكان‌پذیر است، اما باید CO2 را نیز جدا كرد، زیرا تولید CO2 بسیار بیشتر از مصرف آن است.

احیای مستقیم سنگ‌آهن بر پایه گاز، در آن دسته از محصولات قرار می‌گیرد، خواه از فرآیند میدرکس یا از فرآیند HYL/Energiron.

هر دو تکنولوژی H2 را در محل از طریق یک مبدل تولید می‌كنند و از هیدروژن برای احیای مستقیم در كوره ستونی مجاور آن استفاده می‌شود.