آشنايى با طرح مفهومى جديد ميدركس براى حفاظت از محيط‌‌‎‎‎‎ زيست؛
“ميدركس هيدروژنى” راه مؤثر براى توليدDRI با كمترين هزينه؛
قسمت آخر

میدرکس H2
شبیه به نمودار فرآیندی میدرکس NG استاندارد است، بجز اینکه گاز هیدروژن ورودی بیرون از واحد برای فرآیند تولید می‌گردد (شکل a5 را ببینید) یا در فرآیند یکپارچه می‌شود (شکل b5). بنابراین، نیازی به مبدل وجود ندارد؛ فقط گرمکن گاز برای گرمایش گاز تا دمای لازم مورد نیاز است.

برای یک کارخانه موجود، مبدل می‌تواند به راحتی به گرمکن تبدیل شود زیرا به دلیل عدم وجود واکنش‌‌های تبدیل کننده گرماگیر، وظیفه گرمایش کمتر است. برای یک کارخانه جدید، وظایف هر بخش اصلی تجهیزات به ویژه برای هیدروژن به خوبی تعریف می‌شود.

مدلسازی فرآیند و آزمایش‌‌های آزمایشگاهی انجام شده در مرکز تکنولوژی R&D میدرکس ثابت کرده است که از هیدروژن تقریبا خالص می‌توان برای تولید DRI در کوره ستونی میدرکس، به صورتی که در حال حاضر طراحی شده است، استفاده کرد.

برای این نمودار فرآیندی، مصرف هیدروژن تقریبا Nm³/t DRI 650-550 است. علاوه بر این، تا Nm³/t DRI 250 هیدروژن یا یک منبع گرمای سازگار با محیط زیست دیگر، همانند گرمای پسماند [تلف شده در خروجی]، برق و گاز طبیعی، به عنوان سوخت برای گرمکن گاز احیائی مورد نیاز است. با این فرآیند، انتشار CO2 می‌تواند تا ۸۰ درصد در مقابل مسیر تولید فولاد با BF/BOF کاهش یابد.

در سپتامبر ۲۰۱۹، شرکت آرسلورمیتال توافق با شرکت میدرکس برای طراحی یک کارخانه اثبات کننده در سایت‌هامبورگ خود برای تولید فولاد با هیدروژن را اعلام کرد (شکل ۶). این پروژه تولید و مصرف در مقیاس بزرگ DRI تولید شده با ۱۰۰ درصد هیدروژن به عنوان ماده احیاکننده را نشان می‌دهد.

در سال‌‌های آتی، کارخانه اثبات کننده حدود ۱۰۰ هزار تن DRI در سال، در ابتدا با هیدروژن “آبی” تامین شده از گاز طبیعی تولید خواهد کرد. تبدیل به هیدروژن سبز حاصل از منابع انرژی تجدیدپذیر احتمالا در زمان قابل دسترس بودن مقادیر کافی و با هزینه اقتصادی، رخ خواهد داد.

این کارخانه اولین کارخانه احیای مستقیم جهان در مقیاس صنعتی که با انرژی هیدروژن کار می‌کند خواهد بود.

مسائل مقابل تولید آن با هیدروژن

چند مسأله در ساخت DRI با هیدروژن وجود دارد که باید در نظر گرفته شوند؛ اولین مورد دما است. با چنین مقدار زیادی هیدروژن، موازنه انرژی کوره ستونی تحت‌تأثیر عدم وجود احیای گرمازای مونوکسیدکربن (واکنش ۲ در شکل(۲)) برای موازنه احیای گرماگیر (واکنش ۱) قرار می‌گیرد. بنابراین، لازم است انرژی لازم به کوره ستونی اضافه شود تا گرما به بار منتقل گردد. میدرکس چند گزینه برای کنترل موازنه حرارتی کوره ستونی در دسترس دارد.

مسأله دوم، میزان کربن DRI حاصل است؛ DRI احیاشده با هیدروژن خالص صفر درصد کربن خواهد داشت. اکثر DRI در EAF‌ها استفاده می‌شود، و شیوه فولادسازی EAF به طور کلی از افزودن کربن در مواد شارژ فلزی مانند DRI، HBI و چدن خام یا حتی کربن خالص استفاده می‌کند. بخشی از کربن برای دستیای به درجه فلزی DRI مورد نیاز است و بیشتر آن با تزریق اکسیژن برای ایجاد مقدار قابل توجهی حرارت سوزانده می‌شود، بنابراین مصرف برق را کاهش داده و امکان ذوب کردن سریع‌تر را فراهم می‌سازد. DRI بسته به فرآیند، نوع گاز احیائی و نحوه عملیات کارخانه احیا (DR) می‌تواند ۴/۵-۱ درصد کربن داشته باشد.

اکثر فولادسازان با EAF ترجیح می‌دهند از DRI با ۱/۵تا ۳ درصد کربن استفاده کنند، اما میزان بهینه کربن بر اساس مخلوط شارژ فلزی و گرید فولاد تولیدی متفاوت است. تحت روش‌‌های ذوب فعلی، افزودن هیدروکربن‌‌ها در برخی نقاط در فرآیند (احیا) برای دستیابی به میزان کربن مورد نظر از جمله افزودن هیدروکربن به منطقه خنک‌کننده یا در مخروط پایینی کوره احیا، لازم است. هرچند، این کربن اضافه شده بعدا در EAF به CO2 تبدیل می‌شود. تحول بعدی در فولادسازی ذوب کردن آهن بدون استفاده از کربن خواهد بود، اما بسیار انرژی‌بر است زیرا با کاهش میزان کربن، نقطه ذوب فولاد افزایش می‌یابد.

روش دیگر، کربن حاصل از یک منبع تجدیدپذیر (مانند زیست توده (biomass)) می‌تواند در فرآیند میدرکس برای کربن خنثی ساختن فرآیند مورد استفاده قرار گیرد.

انتقال ۳ مرحله ای

برای تولید آهن و فولاد

از آنجا که بعید است فرآیند BF-BOF بتواند اهداف کاهش CO2 را تامین کند، فولادسازان به‌ویژه فولادسازان اروپایی با چالش هولناکی در انتقال به آهن سازی (تقریباً) کربن خنثی مواجه هستند. کوره‌های بلند عموما فرسوده هستند و نیاز به نسوزچینی مجدد گران‌قیمت دارند و EAF‌ها نمی‌توانند میزان عناصر باقیمانده هدف را بدون مقادیر قابل توجهی از شارژ فلزی بر پایه سنگ معدن (مانند چدن خام یا HBI) برآورده کنند.

هیدروژن در مقادیر و قیمت لازم برای رقابت در دسترس نیست. و هیچکس نمی‌تواند پیش‌بینی کند که کی قابل دسترس خواهد شد.

به عنوان یک جواب احتمالی، میدرکس دو اصلاحیه از فرآیند میدرکس  NGرا معرفی کرد که از مقداری یا تماما هیدروژن به عنوان گاز احیاکننده استفاده می‌کند (شکلهای ۴ و ۵ را ببینید)، که امکان انتقال ۳ مرحله‌ای به اقتصاد هیدروژنی را می‌دهند:

مرحله ۱: ساخت کارخانه میدرکس  NGو بهره‌مندی فوری از کاهش انتشار CO2. از محصول این کارخانه (CDRI، HDRI یا HBI) می‌توان در کارگاه‌‌های ذوب BOF و EAF موجود و همچنین BF‌ها (در مورد HBI) استفاده کرد.

مرحله ۲: با قابل دسترس شدن هیدروژن اما نه در مقدار یا هزینه مناسب برای انتقال کامل به میدرکس H2 مقدار آن‌را تا ۳۰ درصد افزایش دهید. کارخانه میدرکس به اندازه کافی انعطاف‌پذیر است تا امکان تغییر در منبع انرژی در طی زمان را فراهم کرد برای اینکه با نوسانات احتمالی قابلیت دسترسی به هیدروژن در هنگام انتقال زیرساخت‌‌ها از اقتصاد کربنی به هیدروژنی سازگار شود.

مرحله ۳: کارخانه میدرکس NG را به نمودار فرآیندی میدرکسH2 تغییر دهید و هنگامی که به طور گسترده و قیمت مقرون به‌صرفه برای انجام آن در دسترس باشد از هیدروژن موجود به طور کامل بهره‌مند شوید.

این رویکرد امکان “خرید وقت” را در عین حال کوچک کردن ریسک‌‌های تکنولوژی را فراهم می‌کند. فرآیند میدرکس یک تکنولوژی اثبات شده و قابل اعتماد با فواید زیست‌محیطی فوری است. مرحله میانی افزودن هیدروژن نیاز به اصلاحات زیادی در کارخانه موجود ندارد و می‌توان آن را در کارخانه جدید از قبل مهندسی کرد. تبدیل به میدرکسH2 نیاز به تغییر برخی از تجهیزات فرآیند دارد، زیرا وظایف فرآیندی (جریان‌‌ها، دما، ترکیب گاز و غیره) تغییر خواهد کرد. این تغییرات صرف‌نظر از تکنولوژی احیای مستقیم انتخاب شده ضروری خواهند بود.

نتیجه‌گیری

تولید آهن و فولاد سهم زیادی در انتشار گازهای گلخانه‌ای، به‌ویژه CO2 دارند. این صنعت با فشارهای رو به افزایشی برای کاهش انتشار کربن روبرو است، اما چالش‌‌های بسیاری برای غلبه بر آن وجود دارند. آهن‌سازی با استفاده از هیدروژن یک امکان واقعی برای فولادسازی بدون انتشار کربن در آینده (نزدیک) است، اما در مورد در دسترس بودن هیدروژن در مقدار مورد نیاز برای آهن‌سازی و با هزینه رقابتی، عدم اطمینان قابل توجهی وجود دارد.

بهترین امکان برای کاهش اثرات CO2 در صنعت فولاد، استفاده از هیدروژن به عنوان منبع انرژی و احیاکننده سنگ‌آهن در فرآیند احیای مستقیم است. امروزه، ۵۰ درصد کاهش انتشار CO2 (نسبت به BF/BOF) قابل دستیابی می‌باشد و به خوبی اثبات شده است. گرچه هیدروژن از گاز طبیعی ناشی می‌شود (“هیدروژن آبی”)، این فرآیند انعطاف‌پذیر است تا هیدروژن “سبز” تولید شده از الکترولیز آب را همین که قابل دسترس و مقرون به‌صرفه شد، به کار گیرد و این باعث کاهش بیشتر انتشار CO2 می‌شود.

در نهایت، امید می‌رود استفاده از هیدروژن در فرآیند میدرکس معروف به میدرکس  H2 در کارخانه‌های DRI جدید یا موجود تحول و تحقق یابد. سرمایه‌گذاری‌‌ها برای آینده می‌تواند امروز با کارخانه میدرکس انجام شود، با دانستن اینکه با اقتصاد هیدروژنی قابل تطبیق است.

خلاصه

کاهش انتشار CO2 در صنعت آهن و فولاد در سراسر جهان، به‌ویژه در اروپای غربی با افزایش هزینه انتشار CO2 با گذشت زمان بسیار مهم می‌شود. فرآیند میدرکس  NGهمراه با کوره قوس‌الکتریکی (EAF)، یکی از کمترین میزان انتشار CO2 نسبت به هر مسیری دیگر فولادسازی امروزی را در بر دارد و از نظر تجاری اثبات شده است.

می‌توان با استفاده از هیدروژن سبز با میدرکس H2 برای تولید CDRI/HDRI/HBI به عنوان خوراک فولادسازی، به طور قابل ملاحظه‌ای اثرات CO2 را کاهش داد. متأسفانه در حال حاضر هیدروژن در مقیاس کافی و هزینه کم برای به‌کارگیری سریع در دسترس نیست.

در انتقال به اقتصاد هیدروژنی، فرآیند میدرکس می‌تواند در مراحلی به میدرکس H2 تبدیل شود که به فولادسازان امکان بهره‌مندی فوری از کاهش CO2 و کاهش بیشتر آنها در آینده بدون هزینه سرمایه‌ای عمده را می‌دهد.