احیای مستقیم و کوره قوس‌الکتریکی گزینه بهتر برای خاورمیانه و آفریقای شمالی

احیای‌مستقیم آهن (استخراج آهن فلزی از سنگ‌آهن بدون ذوب‌شدن مواد) یکی از اولین فرآیندهای صنعتی ایجادشده توسط بشر است. آهن‌سازان اولیه قادر به دستیابی به دمای بالای لازم برای ذوب‌کردن سنگ‌آهن نبودند، بنابراین آنها را با زغال چوب حرارت می‌دادند تا ماده خمیری فلزی تولید کنند که بتوانند با کوبیدن آنها را به ابزار و سایر وسایل تبدیل نمایند. امروزه، احیای‌مستقیم روشی با سریع‌ترین رشد، ابتکاری‌ترین و پاک‌ترین روش زیست‌محیطی برای تولید آهن فلزی با کیفیت بالا برای تولید فولاد است.

ماهنامه پردازش- آفریقای‌شمالی از پیشتازان عصر جدید آهن‌سازی است. یازده مدول احیای‌مستقیم، با ظرفیت کلی تقریباً ۱۴/۷ میلیون‌تن، در الجزایر، مصر و لیبی نصب یا در دست ساخت هستند. برای مقایسه، فقط دو کوره‌بلند (هر یک در الجزایر و مصر) با کل ظرفیت نصب شده دو میلیون تن وجود دارد (جدول ۱). تولید DRI در سال ۲۰۱۹ در این منطقه ۶/۴۶ میلیون‌تن در مقایسه با تقریباً ۰/۷۵ میلیون‌تن چدن خام مذاب بود.

صنعت فولاد آفریقای‌شمالی از زمان جنگ جهانی دوم

از پایان جنگ جهانی دوم (WW2)، مصر و الجزایر پیشروترین کشورهای تولیدکننده فولاد در آفریقای‌شمالی بوده‌اند. شرکت آهن و فولاد مصر، تاسیس شده در سال ۱۹۵۴، اولین کارخانه فولاد یکپارچه منطقه بر اساس کوره‌بلند/کوره‌بازی اکسیژنی (BF/BOF) را به صورت کلاسیک احداث کرد. فلسفه احداث در آن زمان التزام دولت برای ایجاد سودآوری به مفهوم اجتماعی بود، در حالی که سودآوری اقتصادی در درجه دوم بود. از دهه ۱۹۹۰، به بخش خصوصی دسترسی بیشتری به صنعت فولاد اعطا شد، سرمایه‌گذاری‌های عظیمی در تکنولوژی‌های جدید با هدف افزایش سودآوری اقتصادی انجام شده است. در نتیجه، تولید آهن‌اسفنجی (DRI) به عنوان روش غالب تولید آهن در نظر گرفته شده و کوره قوس‌الکتریکی (EAF) در ترکیب با کارخانه DRI به مسیر فولادسازی ترجیحی تبدیل گردیده است. با شروع به کار اولین مدول میدرکس در ال‌دیخیلا، مصر، توسط شرکت “ملی فولاد اسکندریه” (ANSDK) در سال ۱۹۸۶، توانایی مطابقت تولید فولاد با نیازهای بازار با EAF و فرصت برای کسب ارزش افزوده از منابع گاز طبیعی با کارخانه‌های DRI، رشد و خوداتکایی در صنعت فولاد آفریقای‌شمالی را تحریک کرده است. ANSDK کار را با افزودن دو مدول میدرکس دیگر در سال‌های ۱۹۹۷ و ۲۰۰۰، که همراه با کارخانه‌های فولاد مربوطه اکنون تحت مالکیت و مدیریت شرکت Ezz Steel قرار دارند ادامه داد. این شرکت از امکانات تولیدی با DRI/EAF در Adabia و AinSokhna، مصر نیز بهره‌برداری می‌کند که شامل واحدهای HYL/Energiron است و مجموع ظرفیت نصب‌شده DRI شرکت Ezz را به ۱/۵ میلیون‌تن می‌رساند.

     شرکت “آهن و فولاد لیبی” (LISCO) طی سال‌های ۹۰-۱۹۸۹ با دو مدول میدرکس برای تغذیه DRI به کارگاه ذوب جدید EAF خود در Misurata، لیبی، شروع به کار کرد و یک کارخانه میدرکس برای تولید HBI را در سال ۱۹۹۷ نیز اضافه کرد تا از مزایای رشد بازار فلزات تجاری بهره‌مند شود. گرچه مجتمع DRI/EAF در سال‌های اخیر به دلیل محدودیت تامین گاز طبیعی و جنگ داخلی دچار اختلال شده است، LISCO تولید DRI در سال ۲۰۱۹ را بیش از ۵۵ درصد نسبت به سال ۲۰۱۷ افزایش داد.

     الجزایر تازه‌وارد فولادسازی DRI/EAF در آفریقای‌شمالی است. شرکت Tosyali Algérie، که از سال ۲۰۱۳ تولیدکننده میلگرد آجدار فولادی در بتیوآ (اوران)، الجزایر بوده است، بزرگترین کارخانه تخلیه همزمان (محصول گرم و سرد) DRI در جهان را در جولای ۲۰۱۸ شروع به راه‌اندازی کرد و تولید DRI سرد (CDRI) را از نوامبر ۲۰۱۸ آغاز نمود. اولین محصول DRI گرم (HDRI) در فوریه سال ۲۰۱۹ به کارگاه ذوب مجاور آن منتقل شد و این واحد میدرکس با ظرفیت ۲/۵ میلیون‌تن در سال در جولای ۲۰۱۹ (یک سال پس از راه‌اندازی) رکورد جهانی روزانه تولید DRI را ثبت کرد. دومین واحد میدرکس تخلیه همزمان با ظرفیت ۲/۵ میلیون‌تن در سال در بلارا، الجزایر، برای شرکت “فولاد الجزایر قطر” (AQS) در حال اتمام است و انتظار می‌رود در آینده نزدیک به بهره‌برداری برسد. جزئیات بیشتر این دو کارخانه در ادامه این مقاله آمده است.

فولادسازی DRI/EAF در آفریقای‌شمالی

تردیدی نیست که تکنولوژی مسیر کوره‌بلند/کنورتر بازی اکسیژنی (BF/BOF) بازدهی، بهره‌وری و کیفیت محصول فولادسازی را در مقایسه با کوره‌باز (open-hearth) بهبود بخشیده شده است. اما، مسیر احیای‌مستقیم آهن/قوس‌الکتریکی (DRI/EAF) گزینه بهتری برای منطقه خاورمیانه-آفریقای‌شمالی (MENA) است. چه چیزی ترکیب DRI/EAF را در مقایسه با تولید فولاد سنتی BF/BOF جذاب می‌کند؟  
استفاده از ارزش‌افزوده همراه با گاز طبیعی

      ظرفیت متناسب با نیاز بازار

انعطاف‌پذیری بیشتر برای روبرویی با شرایط بازار

هزینه سرمایه‌ای کمتر

انتشار آلاینده‌های کمتر، محصولات جانبی جامد کمتر

نیاز به آب کمتر

توانایی تامین سخت‌گیرترین مشخصات فولاد

     فراوانی گاز طبیعی و هزینه کم برق برای مصارف صنعتی دو دلیل اصلی تسلط مسیر تولید فولاد DRI/EAF در منطقه MENA است. چنان‌که در شکل(۱) نشان داده شده است، الجزایر در سال ۲۰۱۸ سومین پایین‌ترین قیمت گاز طبیعی جهان را داشت و قطر، عربستان سعودی و امارات متحده عربی در زمره ۱۰ پایین‌ترین قیمت گاز طبیعی قرار داشتند. مصر بیست و ششمین پایین‌ترین قیمت گاز طبیعی در سال ۲۰۱۸ را داشته است.

قیمت برق برای کسب و کار در الجزایر ۰/۰۳۶ دلار بر کیلووات ساعت و در مصر ۰/۰۷۳ دلار بر کیلووات ساعت است. اما، وابستگی به گندله‌های اکسید آهن وارداتی برای تولیدکنندگان فولاد منطقه نگران‌کننده است (گندله‌های اکسید آهن به‌طور معمول ۸۰-۷۰ درصد از هزینه عملیاتی (OPEX) تولیدDRI  را تشکیل می‌دهند). توسعه یک منبع منطقه‌ای، مانند مراکش و الجزایر، در دست بررسی است.

الجزایر، ستاره در حال طلوع تولید DRI

دلایل مزیت الجزایر عبارتند از:

۱٫ ثبات سیاسی برای افزایش اعتماد سرمایه‌گذاران خارجی

۲٫ در دسترس بودن منابع گاز طبیعی، سهم هزینه NG در هزینه عملیاتی تولیدDRI  (شکل ۲)

• الجزایر سومین کمترین قیمت عمده‌فروشی NG در جهان را دارد (فقط قیمت در ونزوئلا و ترکمنستان پایین‌تر است)

۳٫ سیاست‌های قوی دولت به نفع بخش صنعتی

• رقابت با صادرات گاز طبیعی با قیمت‌های بالاتر (درآمد برای دولت) در مقابل استفاده از آن برای توسعه صنعت ملی
• سیاست‌های قیمت‌گذاری بلندمدت برای انرژی الکتریکی بخش صنعتی

پروژه‌های DRI در الجزایر

شرکت TOSYALI ALGÉRIE

ویژگی‌های اصلی:

• بزرگ‌ترین کارخانه تولیدکننده HDRI/CDRI در جهان
• کوره ^® MEGAMODمیدرکس با قطر ۷/۶۵ متر
• ریفورمر گاز ۸ ردیف x 18 بخش این شرکت یکی از شرکت‌های تابعه شرکت ترکیه‌ای Tosyali Holding می‌باشد، که در سال ۲۰۱۳ تولید میلگرد آجدار فولادی را در بتیوآ، نزدیک اوران، الجزایر، با استفاده از قراضه به عنوان ماده‌اولیه آغاز کرد. در پی آن ۵۰۰ هزار تن در سال ظرفیت تولید سیم مفتول را که در سال ۲۰۱۵ شروع به کار کرد به تولید خود اضافه نمود و تصمیم به افزودن یک کارخانه احیای مستقیم گرفت که در سال ۲۰۱۸ به بهره‌برداری رسید و تولید آن در سال ۲۰۱۹ آغاز شد. این بزرگ‌ترین کارخانه تک‌مدول میدرکس (۲/۵ میلیون‌تن در سال) در حال بهره‌برداری است.

      یک کارخانه تولید گندله ۴ میلیون‌تن در سال برای تولید گندله‌های اکسیدآهن جهت استفاده در کارخانه DRI ساخته شد و در پایان سال ۲۰۱۸ به مرحله اجرا درآمد. امکانات گندله‌سازی و تولید DRI با استفاده کارآمد از منابع زیرزمینی معدنی کشور کمک قابل توجهی به اقتصاد الجزایر خواهد کرد.

شرکت فولاد الجزایری قطری (AQS)

ویژگی‌های اصلی:

• بزرگ‌ترین کارخانه تولیدکننده HDRI/CDRI در جهان
• کوره ^® MEGAMODمیدرکس با قطر ۷/۶۵ متر
• ریفورمر گاز ۸ ردیف x 18 بخش

شرکت AQS، سرمایه‌گذاری مشترک بین شرکت Qatar Steel International؛ SIDER، یک گروه سرمایه‌گذاری الجزایری؛ و صندوق سرمایه‌گذاری ملی الجزایر است، که قراردادی با شرکت‌های میدرکس و “پل‌وورث” (PAUL WURTH) برای تامین یک کارخانه احیای‌مستقیم ۲/۵ میلیون‌تن در سال با توانایی تولید DRI سرد (CDRI) و DRI گرم (HDRI) منعقد نمود. کارخانه میدرکس بخشی از یک مجتمع فولاد بر پایه EAF مستقر در بلارا، الجزایر، ۳۷۵ کیلومتری شرق الجزیره است. ساخت کارخانه DRI تحت‌تأثیر همه‌گیری COVID-19 در بهار سال ۲۰۲۰ قرار گرفت و انتظار می‌رود تولید آن در آینده نزدیک آغاز شود.

پروژه‌های آینده DRI در آفریقای‌شمالی

الجزایر

اگر دولت الجزایر با فروش گاز طبیعی با قیمت پایین به حمایت از صنعت محلی ادامه دهد، امکان واقعی برای داشتن کارخانه‌های جدید تولید DRI/HBI در الجزایر در میان‌مدت وجود دارد. امکان بهره‌برداری از ذخایر محلی سنگ‌آهن، مانند Gara Djebilet در استان تیندوف، OPEX برای تولید DRI را بیشتر کاهش می‌دهد.

مصر

قوی‌ترین و سریع‌ترین رشد اقتصادی در آفریقای‌شمالی در حال حاضر دارای ظرفیت تولید حدود ۸ میلیون‌تن در سال DRI و سال‌ها تجربه عملیاتی، هم در تولید و هم در استفاده از DRI می‌باشد. در سال‌های اخیر، تولید از ۳۰ درصد به تقریبا ۶۰ درصد ظرفیت اسمی خود افزایش یافته است. اما، برای استفاده کامل از واحدهای موجود DR و امکان احداث واحدهای جدید باید مسئله کمبود گاز طبیعی حل شود.

لیبی

با وجود منابع طبیعی فراوان، آینده اقتصادی آن به تثبیت ساختار سیاسی و اجتماعی در سال‌های آینده بستگی دارد.

مراکش

به‌عنوان یکی از بالاترین رتبه‌های ثبات سیاسی در منطقه، این کشور می‌تواند یک تولیدکننده DRI در آینده به‌خاطر یافتن منابع جدید گاز در جنوب‌شرقی (Tendrara، با پتانسیل کوتاه‌مدت تا ۴-۳ تریلیون فوت‌مکعب گاز) باشد (شکل ۳).

فرصت‌ها:

• منابع گاز طبیعی فراوان
• نزدیکی به معادن سنگ‌آهن موریتانی
• توسعه صنعت خودرو (گروه پژو-سیتروئن (PSA)، رنو، فیات)

چالش‌ها:

• قابلیت دسترسی به گاز طبیعی برای صنعت آهن و فولاد
• اقتصاد صادرات گاز طبیعی به اروپا در مقابل استفاده داخلی (خطوط لوله در محل)

فرصت به‌وجود آمده از دستورالعمل‌های کاهش CO_۲ در اتحادیه اروپا

یک چالش اساسی برای همه صنایع در سراسر جهان چگونگی انطباق با استانداردهای سخت‌گیرتر انتشار آلاینده‌های زیست‌محیطی است. هدف توافق‌نامه پاریس، که از ۴ نوامبر ۲۰۱۶ به اجرا درآمد، افزایش واکنش جهانی به “تهدید تغییر آب و هوا با حفظ افزایش دمای جهانی در قرن‌جاری کاملا زیر ۲ درجه سلسیوس بالاتر از سطح قبل از صنعتی” است. کاهش انتشار دی‌اکسیدکربن (CO_۲) توسط بخش صنعتی به‌طور وسیعی به عنوان كلیدی برای دستیابی به این اهداف شناخته شده است، به‌ویژه در صنعت آهن و فولاد، كه در زمره بزرگ‌ترین سهم‌داران در انتشار گازهای گلخانه‌ای است. تولید آهن و فولاد تقریباً ۷ درصد از کل اثرات کربن ایجاد شده توسط بشر را تشکیل می‌دهد. تولید آهن به تنهایی ۸۵-۸۰ درصد از کل CO_۲ ایجاد شده در تولید آهن و فولاد را به خود اختصاص می‌دهد. مجتمع‌های یکپارچه فولاد از نظر حجم و درصد، بزرگ‌ترین تولیدکننده CO_۲ هستند.

     کاهش انتشار CO_۲ به ویژه در اروپای‌غربی در حال بحرانی شدن است، زیرا هزینه انتشار CO_۲ همچنان افزایش می‌یابد. برای مثال، قیمت اضافه انتشار در سال ۲۰۱۸ چهار برابر شد (شکل ۴). اتفاق نظر کلی این است که محدودیت‌های انتشار آلاینده‌ها در سطح جهانی بسته‌تر خواهد شد و این به شدت بر قابلیت بقای بسیاری از صنایع، به ویژه فولادسازان سنتی مجتمع‌های یکپارچه تأثیر خواهد گذارد، زیرا آنها به زغال‌سنگ فرآوری‌شده (کک) هم به‌عنوان منبع انرژی و هم احیاکننده برای تولید آهن فلزی با کربن بالا (تقریبا ۵/۴ درصد) از سنگ‌آهن متکی هستند.

تولید آهن در اروپا عمدتا بر اساس مسیر یکپارچه سنتی (BF/BOF) است. بر اساس میزان مصرف زغال‌سنگ در صنعت فولاد جهان، برآورد می‌شود که تولید چدن در کوره‌بلند (شامل کک‌سازی از زغال‌سنگ متالورژیکی) تقریباً ۱/۸ تن CO_۲ به ازای هر تن چدن تولیدی ایجاد می‌کند. از آنجا که هیچ سیستم اثبات‌شده جذب کربن برای کوره‌های بلند وجود ندارد، بهترین راه تولیدکنندگان یکپارچه فولاد برای کاهش انتشار CO_۲ تنها عدم‌ایجاد انتشار آلاینده‌ها در وهله اول است. بدون‌شک بستن درصد معینی از ظرفیت BF در چند دهه اندک آینده ضروری خواهد بود، اما اقتصادها فقط از جایگزینی کارخانه‌های BF/BOF با کارخانه‌های DRI/EAF جلوگیری خواهند کرد. یک روش عملی برای بهره‌برداری کارآمد از کوره‌بلند مورد نیاز است. این راه‌حل هنوز هم مزایای DRI را در بر دارد اما از دیدگاه عملیاتی نسبت به جایگزینی کامل ظرفیت BF ارجحیت دارد.

     فولادسازان اتحادیه اروپا (EU) شروع به برنامه‌ریزی برای تغییر تدریجی طی ۲۰ سال آینده به EAF کرده‌اند اما نگرانی جدی در مورد قابلیت دسترسی به قراضه وجود دارد. فولاد تولیدشده با قراضه پایان عمر (فرسوده) در EAF کمترین میزان انتشار CO_۲ را دارد اما ثبات موجودی فولاد در اقتصادهای بالغ همراه با رشد قوی تقاضای فولاد در اقتصادهای در حال توسعه به این معنی است که تامین قراضه فقط برای تقریبا سهم ۲۲ درصدی از ورودی فلزی برای تولید جهانی فولاد کفایت می‌کند. پیش‌بینی می‌شود که تامین قراضه رشد کند، اما قابلیت دسترسی به قراضه فرسوده ۱۰ تا ۵۰ سال پس از تولید، بسته به کاربرد، از تقاضای فولاد عقب می‌ماند.

     راه‌حل بلند‌مدت، تولید DRI با هیدروژن برای تکمیل موجودی قراضه است. اما، یک راه‌حل کوتاه تا میان‌مدت اکنون در دسترس است (HBI تجاری تولیدشده در آفریقای‌شمالی برای استفاده در کوره‌های بلند و EAF‌های اتحادیه اروپا) (شکل ۵).

پل‌وورث و میدرکس، یک رابطه قوی

شرکت میدرکس دارای سابقه طولانی و موفق همکاری با شرکت‌های بین‌المللی پیشرو برای توسعه، تأمین مالی و ساخت کارخانه‌های DRI بر اساس فرآیند میدرکس است. این شرکت‌ها از رهبران شناخته شده زمینه‌های خود هستند (از طراحی و مهندسی تجهیزات تولید آهن و فولاد گرفته تا تدوین و مدیریت پروژه‌های کامل کلیددردست کارخانه‌های آهن و فولاد). شرکای کاری میدرکس به دلیل تخصص فنی، رعایت برنامه زمان‌بندی پروژه و عملکرد استثنایی بسیار مورد توجه هستند.

      Tosyali Algérie و Algerian Qatari Steel، دو بزرگترین و جدیدترین واحدهای میدرکس توسط کنسرسیوم پل‌وورث و میدرکس تأمین شدند. پل‌وورث، با دفتر مرکزی مستقر در لوکزامبورگ که در سال ۱۸۷۰ تاسیس شده است، در طی مسیر تاریخی خود به یک شرکت مهندسی بین‌المللی تبدیل شده است. دانش قابل توجه و خط‌مشی موثر نوآوری آن گروه پل‌وورث را به یکی از رهبران جهانی در طراحی و تامین طیف کامل راه‌حل‌های تکنولوژیکی برای فولادسازی یکپارچه مرحله اولیه تبدیل کرده است (شکل ۶). پل‌وورث از دسامبر سال ۲۰۱۲ عضو گروه SMS و از سال ۲۰۱۴ دارای مجوز احداث واحد میدرکس بوده است. دامنه تأمین پل‌وورث برای دو پروژه الجزایری شامل مهندسی (پایه برای سازه‌ها و ساختمان‌ها؛ و تفضیلی برای سیستم لوله‌کشی، سازه فولادی و برق)، تأمین تجهیزات و مواد و خدمات محلی بود.