احیای سنگ‌ آهن بر پایه الکترولیز

به گزارش می‌متالز، تغییرات اقلیمی، دنیای متالورژی را مجبور کرده است تا گام‌های بزرگی در جهت پایداری بردارد. تولید فولاد در دهه گذشته پیشرفت زیادی در زمینه کاهش انتشار CO۲ و کاهش مصرف انرژی از طریق به حداکثر رساندن استفاده از قراضه و توسعه فناوری‌های پیشرفته داشته است. مهم‌ترین راه‌حل‌های عملی ممکن که برای رفع این مشکل پیشنهاد شده شامل دسته‌های کلی زیر است: جذب، استفاده و ذخیره‌سازی دی‌اکسید کربن (CCUS)؛ جایگزینی کربن با هیدروژن در فرآیند‌های احیا و در نهایت روش الکترووینینگ یعنی احیای سنگ آهن با استفاده از انرژی الکتریکی. بااین‌حال، می‌توان ادعا کرد در حال حاضر، هیچ فناوری فولادسازی مقرون‌به‌صرفه‌ای وجود ندارد که به‌طور همه‌جانبه پتانسیل دست‌یابی به اهداف آب‌وهوا و انرژی اتحادیه اروپا برای سال ۲۰۳۰ را داشته باشد. در بهترین حالت، کاهش ۱۵ درصدی در شدت کلی انتشار CO۲ در بخش فولاد می‌تواند با استفاده از فناوری‌هایی که می‌توانند در آینده مقرون‌به‌صرفه شوند حاصل شود. بنابراین، فناوری‌های نوآورانه ضروری و اجتناب‌ناپذیرند.

پروژه ΣIDERWIN یک نوآوری پیشرفته در مقایسه با فرآیند‌های تولید فولاد فعلی را پیشنهاد می‌کند که در آن فولادسازی را با فرآیند الکتروشیمیایی ترکیب می‌کند. فرآیند الکترولیز با استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر، هر نوع اکسید آهن را از جمله آنهایی که در داخل محصولات جانبی سایر فرآیند‌های متالورژیکی فعلی قرار دارند، با کاهش قابل‌توجه مصرف انرژی به محصولات فولادی صفحه‌ای تبدیل می‌کند. این فرآیند در شرایط ملایم، اما با سرعت واکنش شدید، اکسید‌های آهن طبیعی مانند هماتیت را به آهن فلزی و گاز اکسیژن تجزیه می‌کند. با ارائه فرآیند تولید فولاد بدون CO۲، این پروژه در صورت تجاری‌سازی می‌تواند به کاهش کل انتشار گاز‌های گلخانه‌ای در بخش فولاد کمک قابل‌توجهی کند.

در مقایسه با کارخانه‌های فولادسازی سنتی، این فناوری نوآورانه چندین تأثیر مثبت دارد، مانند کاهش ۸۷ درصدی انتشار مستقیم CO۲، کاهش ۳۱ درصدی مصرف مستقیم انرژی، توانایی تولید فولاد از محصولات جانبی غنی از اکسید‌های آهن از بقایای متالورژیکی غیرآهنی مرسوم، امکان ادغام با انرژی‌های تجدیدپذیر بر پایه فرآیندی انعطاف‌پذیرتر. هدف پروژه ΣIDERWIN توسعه یک فناوری جدید مبتنی بر الکترولیز سنگ آهن است، یعنی جداسازی مستقیم آهن و اکسیژن از سنگ آهن به کمک انرژی الکتریکی. این فناوری اغلب به‌عنوان «الکترووینینگ» (electrowinning) نامیده می‌شود و در پروژه قبلی به نام ULCOWIN توسعه داده شده است که شروع آن به سال ۲۰۰۴ برمی‌گردد، جایی که از سطح آمادگی فناوری (TRL ۰) ۰ به سطح TRL ۴ گرفته شده است. پروژه ΣIDERWIN این فناوری را به سطح TRL ۶ می‌برد. این پروژه توسط گروه آرسلورمیتال (ArcelorMittal) به‌عنوان هلدینگ پیشرو در صنعت فولاد و معدن در جهان هدایت می‌شود. این شرکت به مدت ۱۲ سال روی توسعه این فناوری کار کرده است تا آن را از طریق ساخت ۵ پایلوت مختلف از سطح TRL ۰ به سطح TRL ۴ برساند و پتانسیل این فناوری را اثبات کند. با این پیشینه قوی، شرکت آرسلورمیتال که در این پروژه توسط ۱۱ شریک نوآور اروپایی دیگر احاطه شده است، قصد دارد یک پایلوت آزمایشی جدید به طول ۳ متر ایجاد کند تا صحت این فناوری را در سطح TRL ۶ تأیید کند.

پروژه اولیه با نام ULCOWIN ابتدا در پنج محور اساسی توسط شرکا تعریف شد: ۱- توسعه، ساخت و تولید آزمایشی فلز آهن از اکسید آن بدون دخالت مستقیم کربن یا سوخت‌های فسیلی و با توجه به ساده‌ترین واکنش استوکیومتری از تجزیه اکسید آهن؛ ۲- تولید آهن از طریق فرآیند الکترووینینگ در سلول نمونه اولیه مجهز به اجزای کلیدی نسخه نهایی؛ ۳- ارتباط سلول تست الکترووینینگ با یک سیستم ارتباطی با شبکه که بتوان عملکرد آن را بر اساس اولویت‌های شبکه برق در زمان واقعی تست کرد؛ ۴- تولید آهن فلزی از اکسید آهن سنگ معدن کم‌عیار یا پسماند‌های فرآیند‌های متالورژیکی فعلی که برای استفاده در فرآیند‌های احیای مرسوم ناسازگارند؛ ۵- پیشنهاد یک مدل سودآور اقتصادی که حمایت مالی از توسعه مراحل بعدی فرآیند ULCOWIN را تسهیل کند، یعنی هدف این مرحله، پل زدن بین TRL ۶ و TRL ۸ است که در آن سرمایه‌گذاری برای برنامه‌های تحقیقاتی بسیار زیاد بوده و مشارکت صنعتی بسیار ریسک‌پذیری را نیاز دارد. در کارخانه پایلوت ΣIDERWIN، در فرانسه، اکسید آهن در محلولی بین آند نیکل و کاتد کربن حل می‌شود. جریان الکتریکی اکسید آهن را شکافته و لایه‌ای از آهن روی کاتد ایجاد می‌کند. ازآنجاکه در این فرآیند نه‌تن‌ها آهن، بلکه اکسیژن نیز ایجاد می‌شود، مدیریت جریان حباب‌های اکسیژن یک چالش بود. محققان از دینامیک سیالات محاسباتی برای شبیه‌سازی جریان سیال و حباب‌های اکسیژن استفاده کردند و در نتیجه طرحی بهینه برای پایلوت پلنت به دست آوردند. این پایلوت یک سلول مستطیلی شکل است که به‌صورت مورب قرار گرفته است تا حباب‌های اکسیژن بتوانند به سمت بالا حرکت کنند.

تا سال ۲۰۲۵، آرسلورمیتال انتظار دارد تصمیم سرمایه‌گذاری برای یک کارخانه بزرگ‌تر با ظرفیت تولید بین ۴۰ هزار تا ۱۰۰ هزار تن در سال اتخاذ شود و تا پایان دهه، آرسلورمیتال می‌تواند یک کارخانه در مقیاس کامل بسازد. به‌طورکلی هنوز به نظر می‌رسد فرآیند‌های احیا مستقیم مبتنی بر هیدروژن محتمل‌ترین مسیر برای کربن‌زدایی تولید فولاد برای آینده نزدیک است. با وجود اینکه همه پروژه‌های فعلی و اعلام‌شده با استفاده از الکترولیز مستقیم در مقایسه با پروژه‌های آزمایشی و طرح‌های شرکت‌های فولادی برای احیا مبتنی بر هیدروژن کوچک است، اما بازهم الکترولیز اکسید آهن یک زمینه جالب‌توجه است.

منبع: پایگاه خبری - تحلیلی ایراسین