مروری بر ردپای کربن در تولید آهن و فولاد با فناوری‌های مختلف

به گزارش می‌متالز، به‌طورکلی، بخش صنعت در جهان سهمی در حدود یک‌چهارم از تولید ناخالص ملی کشور‌ها (GDP) و به همین میزان اشتغال در بخش‌های مربوطه را به خود اختصاص داده است. امکان تهیه تمام مواد و کالا‌هایی که مردم هرروزه و با اهداف مختلف به آن‌ها نیاز دارند در این بخش فراهم می‌شود. در مقابل، بخش صنعت مسوول تولید و انتشار حدود ۲۸ درصد از گلخانه‌های جهان گاز (GHG) است و در این میان صنایع تولید آهن و فولاد سهم ۷ تا ۸ درصدی از کل این انتشار را دارد. برای نمونه در سال ۲۰۲۲، صنعت فولاد مسوول انتشار تقریباً ۲.۶ تا ۲.۷ میلیارد تن CO ۲ eq بود که تقریباً ۷ تا ۸ درصد از کل انتشار جهانی را تشکیل می‌داد. این امر، فولاد را در کنار آلومینیوم و سیمان در میان سه ماده با بیشترین میزان انتشار گاز و ردپای کربن به ازای واحد وزن قرار می‌دهد. به‌طور متوسط، تولید یک تن فولاد خام در ۱۵ کشور برتر تولیدکننده فولاد، منجر به انتشار ۲ تن CO ۲ eq می‌شود. پرداختن به موضوع انتشار آلاینده‌های تولید فولاد نه‌ تنها یک چالش ژئوپلیتیکی و جغرافیایی است، زیرا صنعت فولاد از اهمیت راهبردی برخوردار است و بسیاری از کشور‌ها تولید منطقه‌ای و تولید پایین‌دستی را بر واردات ترجیح می‌دهند، بلکه چالش بزرگی برای تحقیقات پایه و مهندسی پیشرفته نیز به حساب می‌آید. بااین‌حال، فولاد در مقایسه با سایر مواد مهندسی یک مزیت بزرگ دارد و آن قابلیت بازیافت ۱۰۰ درصدی است که باعث می‌شود ماده‌ای عالی برای تضمین اقتصاد چرخشی (circular economy) و در نتیجه ایجاد جهانی پایدارتر از نظر زیست‌محیطی گردد.

فولاد با تولید جهانی سالانه نزدیک به ۲ میلیارد تن، بخشی ضروری در طیف وسیعی از صنایع است. تطبیق‌پذیری، شکل‌پذیری، تحمل آسیب، دوام و استحکام بالا آن را به یک ماده ایده‌آل برای ساخت‌وساز و کاربرد‌های مهندسی متنوع تبدیل کرده است. علاوه بر این، تقاضای فولاد جهانی به‌طور مداوم در حال رشد است و پیش‌بینی می‌شود تا سال ۲۰۵۰ مصرف سالانه فولاد در جهان به حدود ۲.۶ میلیارد تن برسد. به‌منظور پاسخگویی به این خواسته‌ها به‌صورت پایدار (sustainable)، ضروری است صنایع تولید فولاد به سمت استفاده از فناوری‌های جدید با قابلیت‌های عملیاتی، کیفی و زیست‌محیطی بالا به‌منظور کاهش چشمگیر در انتشار CO ۲ سوق داده شوند.

فرآیند استخراج سنگ‌ آهن راندمان نسبتاً خوبی در زمینه تولید کربن دارد و میانگین انتشار آن ۰.۲۵ tCO ۲ e در هر تن سنگ معدن استخراج شده است. بااین‌حال، ردپای کربن در استخراج سنگ‌ آهن می‌تواند به‌طور قابل‌توجهی بسته به کیفیت ذخایر سنگ و زمین‌شناسی منطقه متفاوت باشد. برخی سنگ‌های آهن پس از استخراج نیاز به فرآوری بیشتری دارند که می‌تواند ردپای کربن آن‌ها را افزایش دهد. تولید آهن خام در کوره بلند به دلیل استفاده از کک به‌عنوان یک عامل احیاکننده، فرآیندی با ردپای کربن بالا است. کک با حرارت دادن زغال‌ سنگ در غیاب هوا تولید می‌شود که ترکیبات فرار را دفع می‌کند و مواد متخلخل و غنی از کربن را باقی می‌گذارد. سپس این کک در کوره بلند برای احیای سنگ‌ آهن به آهن خام استفاده می‌شود، فرآیندی که شامل واکنش کربن با اکسیژن برای تولید دی‌اکسید کربن (CO ۲) می‌شود. علاوه بر انتشار کربن در فرآیند‌های کک‌سازی و کوره بلند، استخراج و حمل‌ونقل زغال‌سنگ نیز به افزایش ردپای کربن در فولادسازی به روش کوره بلند کمک می‌کند. روش‌های جایگزین برای تولید آهن خام که ردپای کربن کمتری دارند، مانند آهن‌سازی به روش احیا مستقیم (DRI) با استفاده از هیدروژن یا گاز طبیعی در حال استفاده روزافزون است. علاوه بر انتشار گاز و ردپای کربن کمتر مربوط به ماهیت فرآیند‌های تولید عوامل (گازهای) احیاکننده، در مسیر‌های احیا مستقیم، این فرآیند‌ها همچنین پتانسیل آن را دارند که در تأمین عوامل احیاکننده از منابع انرژی تجدیدپذیر استفاده شوند. به‌عنوان مثال، هیدروژن را می‌توان از طریق الکترولیز با استفاده از الکتریسیته تولیدشده از منابع تجدیدپذیر مانند باد یا انرژی خورشیدی تولید کرد. این امر ردپای کربن در فرآیند احیا مستقیم را در مقایسه با فولادسازی کوره بلند به‌شدت کاهش می‌دهد.

مسیر فولادسازی از طریق ذوب قراضه/بریکت داغ (HBI) /آهن اسفنجی (DRI) در کوره قوس الکتریکی (EAF) بااینکه در آمار‌های جهانی سهم بسیار کمتری از مسیر کوره بلند/کنورتور (BF-BOF) در تولید کل فولاد خام دارد، ولی دارای میزان انتشارات گازی پایین‌تر و ردپای کربن کمتری نسبت به روش مرسوم است. ضمن اینکه ماهیت مسیر تولیدی به روش کوره بلند قابلیت و انعطاف‌پذیری ذاتی کمتری در زمینه کاهش فرآیندی انتشارات گاز و ردپای کربن از خود نشان داده است. شاید سهم اصلی برای کاهش انتشارات گاز و ردپای کربن در مسیر تولیدی به روش کوره استفاده از فناوری‌های جمع‌آوری و استفاده از کربن (CCUS) باشد. البته در فرآیند فولادسازی به روش کوره قوس الکتریکی میزان بسیار زیادی انرژی الکتریکی استفاده می‌شود، بنابراین در مسیر کلی DRI-EAF نوع و تکنولوژی تولید برق در منبع بسته به کشور و منطقه تأثیر زیادی بر میزان کل انتشارات گازی و ردپای کربن در تولید فولاد خام دارد. با در نظر گرفتن تمام موارد، به‌طورکلی تولید فولاد خام از سنگ‌آهن به روش DRI-EAF دارای میزان مصرف انرژی و انتشارات گازی و ردپای کربن کمتر در مقایسه با روش BF-BOF است. اعداد زیر بسته به نوع و منبع انرژی الکتریکی مورداستفاده و نیز منطقه و کشور تولیدکننده فولاد خام می‌توانند دچار تغییرات شوند: متوسط میزان انتشارات تولید فولاد خام به روش DRI-EAF: ۱.۲ tCO ۲ e و •متوسط میزان انتشارات تولید فولاد خام به روش BF-BOF: ۲.۲ tCO ۲ e

منبع: پایگاه خبری - تحلیلی ایراسین