فناوری احتراق اکسیژنی؛ گزینه‌ای سریع برای کربن‌زدایی در صنعت فولاد

به گزارش می‌متالز، گذار صنعت فولاد، به‌ مانند گذار بقیه صنایع پرمصرف انرژی و آلاینده، نتیجه کل اقدامات هر کارخانه در قالب این برنامه‌هاست که می‌تواند دهه‌ها به طول بینجامد. برقی‌سازی (electrification) سیستم‌ها مسیر مستقیمی برای کربن‌زدایی بسیاری از فرآیندهاست، بااین‌حال برقی‌سازی تعداد قابل‌ملاحظه‌ای از فرآیند‌های تولید فولاد به‌شدت دشوار است. عمده این فرآیند‌های چالشی در کارخانه فولاد شامل فرآیند‌های احیای سنگ‌آهن و همچنین فرآیند‌های گرمایشی کلان هستند که از احتراق با دمای بالا و در مقیاس بزرگ استفاده می‌کنند. با توجه به این موارد، در حال حاضر برای کربن‌زدایی روش‌های مرسوم و همچنین فرآیند‌های چالش‌برانگیز فوق، گزینه‌های اصلی شامل موارد زیر است:

• استفاده از احتراق اکسیژنی (oxyfuel combustion) برای افزایش بهره‌وری انرژی.
• استفاده از سوخت‌های کم‌کربن (low carbon fuels).
• استفاده از فناوری‌های جذب کربن (Carbon Capture Storage).
• استفاده از هیدروژن تمیز (سبز) به‌عنوان سوخت و عامل احیاکننده.

در بین موارد فوق گزینه‌های یک تا سه را می‌توان راه‌حل‌های سریع‌تر و در دسترس‌تر و اقتصادی‌تر در کوتاه‌مدت دانست. البته به نظر می‌رسد در نهایت، استفاده از هیدروژن به‌عنوان عامل احیاکننده و همچنین منبع سوخت، هدف پایانی این مسیر گذار است که فولادسازان زمانی که به منابع قابل‌ قبول، اقتصادی و در دسترس از هیدروژن دست یابند، اتخاذ خواهند کرد.

فناوری احتراق اکسیژنی راه‌حلی برای کربن‌زدایی فوری است که در صورت امکان می‌تواند با سوخت‌های هیدروژنی نیز سازگار شود. در بسیاری از واحد‌های تولیدی در یک کارخانه فولاد از هوا برای احتراق سوخت استفاده می‌شود که ۷۹ درصد آن نیتروژن است و هوا آن را با خود حمل می‌کند (تقریباً تمام نیتروژن در کوره گرم می‌شود و سپس در گاز دودکش خارج و منتشر می‌شود). نتیجه این امر، مصرف زیاد سوخت یا هدررفت انرژی و انتشار دی‌اکسیدکربن بیشتر است. به‌علاوه انتقال حرارت تابشی را از محصولات احتراق که مکانیسم غالب گرمایش در دمای بالاست مختل می‌کند. استفاده از اکسیژن به‌جای هوا، تحت نام احتراق اکسیژنی، این ناترازی نیتروژن را از بین می‌برد و می‌تواند باعث بهبود‌های زیر شود:

• صرفه‌جویی در مصرف سوخت و کاهش انتشار دی‌اکسیدکربن تا ۶۰ درصد.
• کاهش ۷۵ درصدی حجم گاز‌های خروجی دودکش.
• کاهش اکسید نیتروژن (NOx) تا ۹۰ درصد.
• قابلیت افزایش ظرفیت تولید با توجه به افزایش راندمان گرمایش.
• قابلیت استفاده از گاز‌های کم‌ کالری در عملیات گرمایش و گرمایش مجدد.

با توجه به قیمت بالای سوخت و نیاز به کربن‌زدایی، فناوری احتراق سوخت اکسیژنی اولین گام فوری را برای کارخانه‌های فولادی ارائه می‌کند تا در سراسر جریان تولید خود از آن استفاده کنند. فناوری احتراق اکسیژنی با موفقیت در واحد‌های عملیاتی متعددی در کارخانه‌های فولاد استفاده شده‌اند، از جمله پیشگرم‌کن‌های گاز کوره بلند، کوره‌های گندله‌سازی/ سینترینگ، کوره‌های قوس الکتریکی، پیش‌گرمایش کوره‌های پاتیلی (۴۰ تا ۶۰ درصد صرفه‌جویی در مصرف سوخت) کوره‌های گرمایش و گرمایش مجدد (دسته‌ای و پیوسته) و کوره‌های عملیات حرارتی. احتراق اکسیژنی، حجم گاز دودکش را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهد و درعین‌حال این گاز‌های خروجی دارای غلظت بالای دی‌اکسیدکربن نیز هستند. این عامل همچنین استفاده از فناوری‌های جذب و ذخیره کربن (CCUS) را به‌طور مؤثری پشتیبانی و اقتصادی می‌کند.

استفاده از غنی‌سازی اکسیژن در کوره‌های پیشگرم گاز یک گزینه کاملاً اثبات‌شده است که می‌تواند نسبتاً به‌راحتی در کارخانه‌های فولادسازی یکپارچه استفاده شود و باعث صرفه‌جویی در مصرف سوخت و کاهش انتشار گاز‌های گلخانه‌ای گردد. همچنین در کوره‌های ذوب، پیش گرم و گرمایش مجدد، نیز فناوری‌های اثبات‌شده احتراق اکسیژنی برای پیاده‌سازی موفقیت‌آمیز کربن‌زدایی با استفاده از هیدروژن در حال حاضر یا در آینده در دسترس است. راه‌حل استفاده از احتراق اکسیژنی را می‌توان بلافاصله و در بسیاری از کارخانه‌های فولادی با دوره بازگشت سرمایه بسیار کوتاه استفاده کرد. موارد مهم استفاده از فناوری احتراق اکسیژنی شامل نمونه‌های زیر است:

فناوری‌های تزریق احتراق اکسیژنی به کوره‌های قوس الکتریکی، (نفوذ بیشتر در عمق مذاب کوره، تمام عملیات لانس و تزریق مواد در کنار این فناوری می‌توانند از دیواره‌های کوره انجام گیرند، کربن‌زدایی مذاب مؤثرتر و اختلاط سرباره کمتر، کاهش مصرف الکترود و سایش نسوز).

فناوری‌های احتراق اکسیژنی در مشعل‌های پیشگرم پاتیل‌ها و کنورتورها، (زمان پیشگرم کمتر، توزیع دمای یکنواخت‌تر، بهبود عمر نسوز، تأسیسات جمع‌وجور در مقایسه با سیستم‌های احتراق هوا با پیشگرم).

فناوری‌های احتراق اکسیژنی در کوره‌های پیشگرم نورد و عملیات حرارتی محصولات مختلف فولادی، (قابل‌استفاده در انواع کوره‌های پیشگرم نورد، خارج کردن نیتروژن از اتمسفر کوره، یکنواختی دمایی در داخل کوره).

این فناوری‌ها همگی برای استفاده از هیدروژن به‌عنوان سوخت جایگزین پاک آماده هستند و اولین تأسیسات دائمی با استفاده از صددرصد هیدروژن به‌عنوان سوخت برنامه‌ریزی‌شده در سوئد (در سال ۲۰۲۳) راه‌اندازی شده است. هنگامی که هیدروژن به‌عنوان سوخت احتراق، با اکسیژن واکنش می‌دهد محصول دوباره به آب تبدیل می‌شود. با بخار به‌عنوان تنها محصول جانبی احتراق، هیدروژن یک گزینه امیدوارکننده برای مقابله با انتشار گاز‌های گلخانه‌ای به شمار می‌رود.

منبع: پایگاه خبری - تحلیلی ایراسین