استفاده از قراضه فولادی جهت کاهش انتشارات کربنی در صنایع آهن و فولاد

به گزارش می‌متالز، حدود ۷ تا ۹ درصد انتشارات کربنی جهان ناشی از فعالیت صنایع آهن و فولاد است. به دلیل استفاده از سوخت‌های فسیلی به ویژه زغال‌سنگ در این صنعت و آلایندگی بالا، همواره یکی از دغدغه‌های اصلی کارشناسان محیط زیست، جست‌وجوی تکنولوژی‌های پاک‌تر برای تولید فولاد بوده است. تولید فولاد جهان در سال ۲۰۲۱، حدود یک میلیارد و ۹۵۰ میلیون تن برآورد شد که ۵۳ درصد آن توسط کشور چین تولید شده بود. با در نظر گرفتن میانگین انتشارات کربنی ۱.۵ تن کربن دی‌اکسید به ازای تولید هر تن فولاد، می‌توان اظهار داشت که در این سال حدود سه میلیارد تن کربن دی‌اکسید توسط صنایع آهن و فولاد منتشر شده است.

به طور کلی دو روش اصلی برای تولید فولاد در جهان وجود دارد. روش کوره بلند یا (BF-BOF) و روش کوره الکتریکی یا (EF). در حال حاضر ۷۰ درصد فولاد جهان از روش کوره بلند تولید می‌شود. در سال ۲۰۲۱، حدود یک میلیارد و ۹۵۰ میلیون تن فولاد خام تولید شد که از این میزان، حدود یک میلیارد و ۴۰۰ میلیون تن از روش کوره بلند و مابقی از طریق کوره‌های الکتریکی بود.

در روش کوره بلند (BF-BOF)، از سنگ‌آهن و کک به عنوان خوراک ورودی اصلی استفاده می‌شود. برای تولید هر تن فولاد در روش کوره بلند، حدود ۰.۵ تا ۰.۶ تن کک مورد استفاده قرار می‌گیرد. از نظر تئوری، هر تن کربن حدود ۳.۶۶ تن کربن دی‌اکسید منتشر می‌کند؛ این در حالی است که کک به طور ۱۰۰ درصد از کربن تشکیل نشده است و مقادیری ناخالصی به همراه دارد. با در نظر گرفتن اینکه کک حاوی ۹۰ درصد وزنی کربن باشد، می‌توان گفت که هر تن کک حدود ۳.۳ تن کربن دی‌اکسید منتشر می‌کند؛ بنابراین برای تولید هر تن فولاد در روش کوره بلند، حدود ۱.۶ تا ۲ تن کربن دی‌اکسید منتشر می‌شود.

منبع تولید برق، عاملی تعیین‌کننده در انتشارات کربنی کوره الکتریکی

در روش کوره الکتریکی (EF)، خوراک ورودی از نوع آهن فلزی است که می‌تواند ضایعات و قراضه آهنی یا آهن اسفنجی باشد.. فولاد به دلیل برخورداری از خاصیت مغناطیسی می‌تواند به راحتی از دیگر باطله‌ها جدا شده و بار‌ها مورد استفاده مجدد قرار بگیرد؛ بدون آنکه خواص آن تغییر کند. در سال ۲۰۲۱، حدود ۸۰۰ میلیون تن فولاد در جهان بازیافت شد. علاوه بر کوره‌های الکتریکی، حدود ۱۵ تا ۲۵ درصد خوراک ورودی کوره‌های اکسیژن قلیایی (BOF) در روش کوره بلند نیز از قراضه فولادی تامین می‌شود؛ بنابراین می‌توان گفت که هر کارخانه تولید فولاد، نوعی واحد بازیافت آن نیز محسوب می‌شود.

آهن اسفنجی یا آهن احیای مستقیم (DRI) نیز می‌تواند به عنوان خوراک ورودی کوره‌های الکتریکی مورد استفاده قرار گیرد. احیای مستقیم، روش نسبتا جدیدی است که برای احیای سنگ‌آهن به آهن مورد استفاده قرار می‌گیرد. مزیت این روش نسبت به کوره‌های بلند این است که در این روش علاوه بر زغال‌سنگ، می‌توان از گاز طبیعی نیز به عنوان منبع انرژی و عامل احیاکننده استفاده کرد.

میزان انتشارات کربنی تولید فولاد به روش کوره الکتریکی، به دو عامل خوراک ورودی و منبع تولید برق بستگی دارد. در صورتی که خوراک ورودی از نوع قراضه فولادی باشد، منبع اصلی انتشارات کربنی برق مصرفی کوره است. به گزارش سایت «World Steel Association»، برای تولید هر تن فولاد خام با استفاده از قراضه فولادی حدود ۲.۳ گیگاژول الکتریسیته نیاز است. در حالتی که خوراک ورودی آهن اسفنجی باشد، باید علاوه بر برق مصرفی کوره، انتشارات کربنی مرحله تولید آهن اسفنجی را نیز در نظر گرفت. به طور میانگین برای تولید هر تن آهن اسفنجی با استفاده از منبع گاز طبیعی، ۰.۸۵ تن کربن دی‌اکسید تولید می‌شود. همچنین توجه به این نکته ضروری است که برق مصرفی کوره در حالتی که خوراک از نوع آهن اسفنجی باشد، اندکی بیشتر از برق مصرفی برای ذوب قراضه فولادی است.

با توجه به اینکه منبع تولید برق در کشور‌های مختلف متفاوت است، میزان انتشارات کربنی تولید فولاد به روش کوره الکتریکی نیز متفاوت خواهد بود. در نمودار شماره یک، میانگین انتشارات کربنی برای تولید هر گیگاوات ساعت برق طی سال‌های ۲۰۱۵ تا ۲۰۲۰ برای چهار کشور چین، ایران، ترکیه و آلمان نشان داده شده است. چین، بزرگ‌ترین تولیدکننده فولاد در جهان است. ترکیه و ایران، از جمله کشور‌های مطرح در تولید فولاد هستند و رقابت نزدیکی در این زمینه دارند. آلمان نیز از کشور‌های توسعه‌یافته در زمینه تولید فولاد است که در سال ۲۰۲۱ در رتبه هشتم جهان تولید فولاد جهان قرار گرفت. روش غالب تولید فولاد در این کشور‌ها متفاوت است و هریک بنا به شرایط خود از یکی از روش‌ها بیشتر از بقیه استفاده می‌کنند.

در کشور‌های توسعه‌یافته مانند آلمان، استفاده از منابع تجدیدپذیر برای تولید برق گسترش بیشتری پیدا کرده است؛ بنابراین میزان انتشارات کربنی برای تولید هر واحد برق کم است. در مقابل در کشور‌هایی مانند چین و ایران که غالبا از سوخت‌های فسیلی برای تولید برق استفاده می‌شود، انتشارات کربنی برای تولید هر واحد برق بیشتر است. به طور کلی نمی‌توان رقم دقیقی برای انتشارات کربنی روش کوره الکتریکی اعلام کرد و این رقم بستگی زیادی به نوع منبع تولید برق هر کشور دارد.

در بین روش‌های تولید فولاد، روش کوره بلند بیشترین میزان آلایندگی را دارد و علت این امر استفاده از زغال‌سنگ به عنوان خوراک ورودی کوره است. با توجه به اینکه در تولید آهن اسفنجی به جای زغال‌سنگ، می‌توان از گاز طبیعی به عنوان منبع انرژی و عامل احیاکننده استفاده کرد، آلایندگی آن کمتر از آهن کوره بلند است. از این رو روش کوره الکتریکی با خوراک آهن اسفنجی در مقایسه با روش کوره بلند، آلایندگی کمتری دارد و استفاده از قراضه فولادی به عنوان خوراک کوره الکتریکی، هم در کاهش انتشارات کربنی و هم در کاهش مصرف مواد خام نقش موثری ایفا می‌کند. در حالتی که از منابع پاک برای تولید برق استفاده شود و خوراک ورودی کوره الکتریکی نیز از نوع قراضه باشد، میزان آلایندگی به طور چشمگیری کاهش پیدا خواهد کرد.

منابع انرژی نقش موثری در انتخاب روش تولید فولاد دارند

در نمودار شماره ۲، شدت انتشارات کربنی صنعت فولاد برای چهار کشور چین، ایران، ترکیه و آلمان طی سال‌های ۲۰۱۲ تا ۲۰۲۱ نشان داده شده است. با توجه به این نمودار، شدت انتشارات کربنی صنعت فولاد ترکیه از بقیه کمتر است و کشور‌های چین و ایران تقریبا انتشارات مشابهی دارند.

منابع انرژی نقش بسزایی در انتخاب روش تولید فولاد دارند. در کشور‌هایی مانند چین که از منابع غنی زغال‌سنگ برخوردارند، روش کوره بلند جایگاه اصلی را به خود اختصاص داده است. در سال ۲۰۲۱، حدود ۸۹.۴ درصد از فولاد چین از طریق روش کوره بلند و مابقی از طریق کوره‌های الکتریکی با خوراک قراضه تولید شد. مصرف آهن اسفنجی برای تولید فولاد در چین بسیار ناچیز است. شدت انتشارات کربنی صنعت فولاد چین در سال ۲۰۲۱، حدود ۱.۷۹ تن کربن دی‌اکسید به ازای هر تن فولاد بود.

تولید فولاد با استفاده از آهن اسفنجی در کشور‌هایی مانند ایران که از منابع گاز طبیعی فراوانی برخوردارند، با استقبال بیشتری روبه‌رو شده است. در سال ۲۰۲۱، ایران حدود ۲۸.۳ میلیون تن فولاد تولید کرد. تولید آهن اسفنجی ایران در این سال، ۲۹.۳ میلیون تن بود؛ در حالی که تولید آهن کوره بلند آن، تنها ۲.۶ میلیون تن گزارش شد. مصرف قراضه ایران نیز در این سال حدود یک میلیون تن برآورد شد. شدت انتشارات کربنی صنعت فولاد ایران در سال ۲۰۲۱، حدود ۱.۸ تن کربن دی‌اکسید به ازای هر تن فولاد بود.

آلمان در سال ۲۰۲۱ حدود ۴۰.۱ میلیون تن فولاد تولید کرد. آلمان از هر سه روش کوره بلند، احیای مستقیم و بازیافت قراضه آهنی برای تولید فولاد استفاده می‌کند. میزان تولید آهن کوره بلند و آهن اسفنجی این کشور در سال ۲۰۲۱، به ترتیب ۲۵.۷ میلیون تن و ۰.۵ میلیون تن گزارش شد. مصرف قراضه آلمان نیز در این سال معادل ۱۵ میلیون تن بود. با توجه به توسعه منابع تجدیدپذیر در کشور‌هایی مانند آلمان، انتشارات کربنی این کشور در مقایسه با کشور‌های در حال توسعه مانند چین و ایران کمتر است.

ترکیه در زمینه بازیافت قراضه آهنی پیشرو است. با توجه به توسعه ساخت‌وساز در ترکیه، صنعت فولاد یک صنعت استراتژیک در این کشور محسوب می‌شود. از طرفی به دلیل کمبود معادن سنگ‌آهن و منابع سوخت فسیلی در این کشور، تولید آهن کوره بلند یا آهن اسفنجی در ترکیه توجیه اقتصادی ندارد؛ بنابراین با وجود هزینه‌های بالای انرژی برق در این کشور، ترکیه ترجیح می‌دهد از روش کوره الکتریکی با خوراک قراضه آهنی برای تولید فولاد استفاده کند. در سال ۲۰۲۱، ترکیه حدو ۴۰.۴ میلیون تن فولاد تولید کرد. در همین سال ترکیه ۲۹.۶ میلیون تن قراضه مصرف کرد که ۲۵ میلیون تن آن قراضه وارداتی بود. با توجه به اینکه تولید فولاد با استفاده از قراضه آلایندگی پایین‌تری دارد، شدت انتشارات کربنی صنعت فولاد ترکیه در مقایسه با سه کشور دیگر کمتر است. شدت انتشارات کربنی صنعت فولاد ترکیه در سال ۲۰۲۱، حدود یک تن کربن دی‌اکسید به ازای هر تن فولاد بود.

با توجه به موارد فوق می‌توان دریافت که استفاده از قراضه سهم بسزایی در کاهش انتشارات کربنی صنایع فولاد دارد و اگر در کنار استفاده از قراضه، از منابع تجدیدپذیر برای تامین برق کوره‌های الکتریکی استفاده شود، میزان آلایندگی این صنعت به طور قابل ملاحظه‌ای کاهش خواهد یافت. بر اساس محاسبات آتورپات، به ازای هر یک درصد مصرف بیشتر قراضه در خوراک ورودی فولادسازان، انتشارات کربنی حدود ۱۲.۵ کیلوگرم به ازای هر تن فولاد تولید شده کاهش می‌یابد.

منبع: پایگاه خبری - تحلیلی ایراسین