هیدروژن و چالش صنعت فولاد

از آنجا که پتانسیل کاهش دی اکسید کربن در فولادسازی های فعلی کم است، برای رسیدن به این هدف استفاده از فناوری های پیشرفته ضروری است. فولادسازیِ مبتنی بر هیدروژن یکی از راهکارهای تحقق فولادسازی بدون انتشار دی اکسید کربن است. بر این اساس احیا مستقیم بر پایه گاز طبیعی (N.G.) می تواند به عنوان پایه ای برای اولین مرحله از این دوران گذار به کار گرفته شود. انعطاف پذیری زیاد این روش امکان افزایش تدریجی هیدروژن را فراهم می کند تا در بلند مدت، نهایتا این فرآیند فقط با هیدروژن خالص کار کند. 

هیدروژن

هیدروژن ساده ترین و فراوان‌ترین عنصر موجود بر روی زمین است و به راحتی با سایر عناصر شیمیایی ترکیب می شود و به عنوان بخشی از مواد دیگر مانند آب، هیدروکربن ها و یا الکل یافت می شود. هیدروژن در مواد زیستی طبیعی ) بقایا و مواد مشتق شده از موجودات زنده) نیز یافت می‌شود. به این دلیل که هیدروژن در طبیعت به صورت خالص وجود ندارد و از منابع دیگر به دست می آید و به عنوان حامل انرژی در نظر گرفته می شود نه منبع انرژی.

منابع هیدروژن

هیدروژن را می توان از منابعی مانند گاز طبیعی و زغالسنگ، مواد زیستی طبیعی  و با استفاده از منابع انرژی تجدیدناپذیر مانند سوخت های فسیلی، انرژی هسته ای و یا منابع انرژی تجدیدپذیر مانند خورشید، باد، هیدروالکتریک یا انرژی حرارتی موجود در پوسته زمین تولید کرد. این تنوع منابع، هیدروژن را به یک حامل انرژی امیدبخش تبدیل می کند. امکان تولید هیدروژن با استفاده از منابع و فرایندهای مختلف یکی از جنبه های مورد توجه واقع شدن آن است.

فرآیندهای تولید هیدروژن

هیدروژن از طریق فناوری های مختلفی قابل دستیابی است؛ از جمله فرآیندهای حرارتی (ریفورمینگ گاز طبیعی، اکسیداسیون جزئی، ریفورمینگ مایعات مشتق شده از مواد زیستی و نیز گسیفیکیشن زغالسنگ)، الکترولیز (تجزیه آب با استفاده از منابع مختلف انرژی) و فتولیتیک (تفکیک آب با استفاده از نور خورشید از طریق بیولوژیکی و مواد الکتروشیمیایی).  اما دو روش اصلی تهیه هیدروژن در حال حاضر استفاده از ریفورمینگ گاز طبیعی با بخار آب و نیز الکترولیز آب است.

میزان مصرف هیدروژن و سهم هر فرآیند در تولید آن

در حال حاضر، کاربردهای اصلی هیدروژن در سراسر جهان شامل سنتز آمونیاک، پالایشگاه های شیمیایی و پتروشیمی و تولید متانول است. تولید سالیانه هیدروژن در سال 2020 به حدود 80 میلیون تن رسیده است.

امروزه هیدروژن عمدتا از روش ریفورمینگ گاز طبیعی با بخار آب تولید می شود، فرآیندی که منجر به انتشار حجم عظیمی از گازهای گلخانه ای می شود. در گزارش منتشر شده در سال 2018 نزدیک به 48 درصد از تقاضای جهانی برای هیدروژن از این روش تامین می شود، حدود 30 درصد از ریفورمینگ نفت/نفتا در پالایشگاه‌ها/گازهای خروجی صنایع شیمیایی، 18درصد از گسیفیکیشن زغالسنگ، 3.9 درصد از الکترولیز آب و 0.1 درصد از منابع دیگر تولید می‌گردد. فرآیندهای الکترولیتی و پلاسما برای تولید هیدروژن راندمان بالایی از خود نشان می دهند، اما متاسفانه انرژی زیادی مصرف می کنند.

کدهای رنگی هیدروژن

هیدروژن (H₂) یک گاز بی رنگ است، اما معمولاً بازار بین منبع تولید هیدروژن تمایز قائل می شود، به ویژه برای تشخیص هیدروژن مبتنی بر منابع فسیلی تجدید ناپذیر از هیدروژن با منابع تجدیدپذیر. کدهای رنگی هیدروژن به صورت زیر است؛

هیدروژن «خاکستری»

هیدروژن خاکستری حاصل سوخت های فسیلی است، مانند ریفورمینگ متان با بخار آب یا گسیفیکیشن زغالسنگ. تولید هیدروژن خاکستری باعث ایجاد مقادیر قابل توجهی دی اکسید کربن می شود.

CH₄ + 2H₂O –> 4H₂ + CO₂

هیدروژن «آبی»

هیدروژن آبی نیز از روشی مشابه با هیدروژن خاکستری تولید می‌شود. با این تفاوت که دی اکسید کربن حاصل شده در فرآیند تولید هیدروژن جداسازی و ذخیره سازی می شود. راندمان روش های جداسازی در بهترین حالت 85 تا 95 درصد است. این بدان معناست که هنوز 5 تا 15 درصد از دی اکسید کربن در اتمسفر رها می شود. البته با توجه به اینکه در عمل این ماکزیمم درصد جداسازی قابل دستیابی نیست، می‌توان نتیجه گرفت که هیدروژن آبی به عنوان یک روش کوتاه مدت برای حذف گازهای گلخانه ای در نظر گرفته می شود.

هیدروژن «فیروزه ای»

هیدروژن فیروزه ای محصول جانبی پیرولیز متان است که متان را به گاز هیدروژن و کربن جامد تفکیک می کند. از طریق فرآیند پیرولیز، کربن موجود در متان تبدیل به کربن سیاه یا دوده صنعتی می شود. برای این کربن سیاه در حال حاضر بازارهایی نیز وجود دارد که جریان درآمد اضافی را فراهم می کند. قابل ذکر است که دوده صنعتی بسیارراحت تر از دی اکسید کربن گازی ذخیره می شود. در حال حاضر، تولید هیدروژن فیروزه ای هنوز در مرحله آزمایشی است.

هیدروژن «سبز»

در میان کدهای رنگی مختلف هیدروژن، هیدروژن سبز به معنی هیدروژن تولید شده ازانرژی تجدیدپذیراست. بهترین گزینه فنآوری ایجاد شده برای تولید هیدروژن سبز الکترولیز آب است جایی که برق از منابع تجدیدپذیر مانند خورشید و باد تامین می شود. راهکارهای دیگری نیز مبتنی بر انرژی تجدیدپذیر وجود دارند. با این حال، به جز ریفورمینگ بیوگازها با بخار آب، این فناوری ها هنوز در مقیاس تجاری ارائه نشده اند. هزینه های کم انرژی تجدیدپذیر و پیشرفت تکنولوژی، هزینه های تولید هیدروژن سبز را کاهش می دهند و به همین دلیل، روش الکترولیز در تولید هیدروژن مورد توجه قرار گرفته است.

رنگ های دیگر هیدروژن

هیدروژن «صورتی» هیدروژنی است که از طریق الکترولیزی تولید می شود که برق آن توسط انرژی هسته‌ای تامین می‌شود.

برخی از هیدروژن «زرد» برای اشاره به هیدروژن تولید شده از طریق الکترولیز با انرژی خورشیدی، یا هیدروژن الکترولیز شده با استفاده از مخلوط انرژی تجدیدپذیر و فسیلی استفاده می کنند.

«هیدروژن سفید» هم یک هیدروژن زمین شناسی طبیعی است که در کانسارهای زیرزمینی یافت می شود و از طریق فراکینگ ایجاد می شود.

نقش صنعت آهن و فولاد در تولید گازهای گلخانه ای

صنعت آهن و فولاد به عنوان یکی از بزرگ ترین تولیدکنندگان دی اکسید کربن، تقریباً عامل انتشار 7 تا 9 درصد دی اکسید کربن صنعتی جهان و حدود 30 درصد از انشار دی اکسید کربن صنایع است.  تنها در اروپا صنعت آهن و فولاد 3 درصد از تولید کل دی اکسید کربن و در قسمتهای صنعتی 22 درصد این آلاینده را به خود اختصاص داده است.

حدود 75% از آهن جهان توسط روش BF-BOF تولید می شود. این روش کک را به عنوان منبع انرژی و همچنین عامل احیا کننده  به کار می‌برد. در حال حاضر، تولید فولاد خام در اتحادیه اروپا تقریباً بین فرآیندهای کوره بلند/کوره اکسیژن پایه (BF/BOF) و کوره قوس الکتریکی قراضه (EAF) تقسیم شده است. در سال 2018، 58.3٪ فولاد از طریق BF/BOF تولید شد، در حالی که 41.7 درصد فولاد خام از طریق کوره قوس تولید گردید. برای دستیابی به هدف کاهش 80 درصدی دی اکسید کربن، پیاده سازی اصطلاحاً «فناوری های پیشرفته» در سیستم های فولادسازی آینده ضروری است. از آنجا که فرآیندهای تولید فولاد در حال حاضر نزدیک به محدوده ترمودینامیکی خود عمل می کنند، پتانسیل کاهش دی اکسید کربن در این روش ها محدود است. در مورد رایج ترین روش یعنی BF/BOF به طور متوسط به ازای هر تن فولاد خام حدود 1.6 تا 2 تن دی اکسید کربن (بسته به تکنولوژی استفاده شده) منتشر می شود. اما با روش DRI-EAF از مرحله سنگ تا تولید فولاد میزان انتشار دی اکسید کربن 1.1 تا 1.2 است که البته با اضافه شدن سیستم حذف دی اکسید کربن در مرحله احیا مستقیم می توان یک سوم این مقدار انتشار دی اکسید کربن را نیز حذف کرد. پتانسیل کاهش دی اکسید کربن قابل دستیابی با روش های تولید واقعی (با توجه به کاهش شدت دی اکسید کربن در بخش برق و همچنین افزایش در دسترس بودن ضایعات) بین سالهای 2010 و 2050 حداکثر 15 درصد پیش بینی می شود. به دلیل رد پای کمتر کربن در روش کوره قوس مبتنی بر استفاده از قراضه، این فرایند به وضوح از نظر انتشار دی اکسید کربن (455 کیلوگرم دی اکسید کربن به ازای هر تن فولاد خام) نسبت به فرآیند دیگر برتری دارد.

راه های کاهش دی اکسید کربن در بخش فولاد

برای دستیابی به کاهش قابل توجه دی اکسید کربن در صنعت فولاد، دو رویکرد اصلی قابل تشخیص است:

1. استفاده هوشمند از کربن ( (SCUشامل اقدامات یکپارچه برای کاهش استفاده از کربن در فرایندهای موجود و استفاده از دی اکسید کربن حاصل شده به عنوان ماده اولیه برای تبدیل های شیمیایی (جذب و استفاده از کربن)، که در کنار آن جذب و ذخیره کربن (CCS) به عنوان گزینه جایگزین باشد.
2.  جایگزینی کربن با برق تجدیدپذیر و/یا احیا کننده های غیر فسیلی برای جلوگیری از انتشار مستقیم دی اکسید کربن یا (CDA) .

فرآیندهای CDA را می توان عمدتا به فرآیندهای احیا مبتنی بر هیدروژن و برق تقسیم کرد. فناوری های احیای آهن مبتنی بر برق برای تولید فولاد، از الکترولیز سنگ آهن در درجه حرارت های مختلف استفاده می کنند (الکترودینگ آهن در دمای پایین، پیروالکترولیز در دمای بالا). این فناوری ها پتانسیل بالایی برای کاهش دی اکسید کربن تا 95 درصد در صورت استفاده صد درصدی از برق تجدیدپذیر دارند. این فرایندها در حال حاضر در حال توسعه هستند.

همین امر در مورد فرآیندهای جایگزینی عوامل احیا کننده حاوی کربن با هیدروژن، در حالت جامد (احیا مستقیم (DR)) یا در حالت مایع (plasma smelting reduction) نیز صدق می‌کند. plasma smelting reduction مستقیما ریز سنگ آهن را از طریق هیدروژن به شکل یونیزه به فولاد مایع تبدیل می کند. پلاسما هیدروژن برای احیای اکسیدهای آهن استفاده می شود و همزمان حرارت را برای ذوب آهن فلزی فراهم می کند.

پلنت های احیا مستقیم فعلی

فرآیندهای احیا مستقیم همراه با کوره قوس الکتریکی زمینه کاهش دی اکسید کربن را در صنعت فولاد فراهم می کند. استفاده از  گاز طبیعی به عنوان منبع تولید عامل احیا کننده باعث می شود تقریباً یک سوم انتشار دی اکسید کربن در مقایسه با روش BF/BOF کم شود. این کاهش به دلیل محتوای هیدروژن بیشتر گاز طبیعی است که به عنوان عامل احیا کننده عمل می کند.

در حال حاضر سه فناوری اصلی برای فرآیندهای احیا مستقیم مبتنی بر گاز طبیعی وجود دارند HYL/Energiron و MIDREX  و PERED .

فرایند میدرکس حدود 65 درصد از کل فرایندهای احیا مستقیم در سراسر جهان برای تولید آهن اسفنجی را در اختیار دارد. بخش اصلی پلنت های احیا مستقیم، کوره است محلی که فرآیند احیای آهن در آن صورت می گیرد.

Fe₂O₃+3H₂à2Fe+3H₂O   ΔH_R = 99 kJ/mol @25^oC

Fe₂O₃+3COà2Fe+3CO₂   ΔH_R = -24 kJ/mol @25^oC

گازهای حاصل که عمدتا شامل H₂O و CO₂ است پس از شستشو و خنک شدن در تاپ گس اسکرابر مجددا در چرخه فرآیند احیا باقی مانده و مورد استفاده قرار می گیرند. دو سوم این گاز پس از مخلوط شدن با گاز طبیعی به عنوان خوراک ریفورمر استفاده می شود و باقی آن به عنوان منبع حرارتی ریفورمر صرف تامین گرمای مورد نیاز واکنش های ریفورمینگ می شود.

گاز از درون لوله های ریفورمر که با کاتالیست نیکل پر شده اند عبور می کند و واکنش های ریفورمینگ با بخار آب و ریفورمینگ خشک در دمای بالای 900 درجه سانتی گراد صورت می پذیرند. در نتیجه بخشی از CO₂ تولید شده به CO تبدیل می گردد که مجددا در فرآیند احیا استفاده می شود.

CH₄+CO₂à2CO+2H₂  ΔH_R = 247 kJ/ mol @25^oC

CH₄+H₂OàCO+3H₂     ΔH_R = 206 kJ/mol @25^oC

گازهای احیای حاصل از ریفورمینگ شامل 55 درصد هیدروژن و 35 درصد منوکسید کربن است. به عنوان یک روش جایگزین برای کاهش بیشتر دی اکسید کربن منتشر شده می توان از هیدروژن تجدیدپذیر به عنوان عامل احیا کننده یا منبع حرارتی استفاده کرد. با توجه به اینکه گاز خروجی ریفورمر بالای 55 درصد هیدروژن دارد این امکان وجود دارد که بخشی از گاز طبیعی با هیدروژن تجدیدپذیر جایگزین گردد. جایگزینی 30 درصدی گاز طبیعی با هیدروژن در فرآیندهای احیای موجود نیازمند تغییر خاصی در آن پلنت ها نمی باشد.

برای کاهش گازهای گلخانه ای تحقیقات زیادی در حال انجام است. در زیر نتایج برخی از این تحقیقات و چالش های پیش رو و نتایج آن ذکر می گردد.

استفاده از هیدروژن در پلنت های احیا مستقیم

اگرهیدروژن به عنوان تنها عامل احیاکننده استفاده شود، در این صورت دیگر به ریفورمر نیاز نیست. فقط برای تامین دمای مناسب برای گاز احیا کننده، گرم کن مورد نیاز است. منابعی مانند هیدروژن یا منابع سازگارتر با محیط زیست (NG، برق سبز، گرمای تلف شده) می توانند به عنوان سوخت برای این گرم کن مورد استفاده قرار گیرند.

اگر هیدروژن کاملا جایگزین گردد، 550 تا 650 نرمال مترمکعب بر تن برای فرآیند و 250 نرمال مترمکعب بر تن برای گرم کن نیاز می باشد. با این روش میزان انتشار دی اکسیدکربن تا حدود 80 درصد نسبت به روش BF/BOF کاهش می یابد.

با استفاده از هیدروژن در پلنت های احیای موجود، سرعت احیای سنگ آهن را افزایش می یابد اما ماهیت گرماگیر واکنش گندله با هیدروژن و پتانسل احیا و سایر تاثیرات آن باید در نظر گرفته شود.

تامین انرژی پلنت احیا مستقیم با هیدروژن

با توجه به اینکه پلنت احیا بر پایه هیدروژن برای تولید فولاد سبز نبایستی با سوخت های فسیلی کار کند پس باید از جایگزین های دیگر استفاده گردد. همانگونه که قبلا ذکرشد در حال حاضر آینده دارترین تکنولوژی برای هیدروژن سبز الکترولیز آب است. توجه به این نکته نیز مهم است که هیدروژن دانسیته انرژی زیادی به ازای وزن دارد در حالیکه دانسیته انرژی کمی به ازای حجم دارد.

تقریباً 3400 تا 3600 کیلووات ساعت به ازاء هر تن آهن اسفنجی برای تولید هیدروژن فرآیند و گرم کردن گاز احیا مورد نیاز است. این مقدار با در نظر گرفتن بازدهی 75 درصدی الکترولیز و HHV هیدروژن،3.54 KWh/m3  محاسبه شده است.

اگر انرژی مورد نیاز گرم کردن بتواند از انرژی هدر رفته تامین شود راندمان بالاتری خواهیم داشت. در این صورت میزان برق مصرفی به 2300 تا 2500 کیلووات ساعت بر تن آهن اسفنجی کاهش می یابد. 80 تا 125 کیلووات ساعت به ازای هر تن آهن اسفنجی  نیز برای کمپرسورها، تامین آب و تاسیسات جانبی نیاز است. عملیات فولادسازی در کوره قوس هم 310-640 کیلووات ساعت بر تن فولاد خام بسته به نسبت قراضه/آهن اسفنجی مصرفی ( مقدار بیشتر آهن اسفنجی مصرف انرژی را افزایش می دهد) و دمای آهن اسفنجی خروجی، دانسیته سرباره و .... انرژی نیازدارد.

پتانسیل کاهش گاز دی اکسید کربن

منبع اصلی آلودگی، گازهای خروجی از ریفورمر است که 124 کیلوگرم کربن بر تن آهن اسفنجی است. این مقدار حدود 500 کیلوگرم دی اکسید کربن بر تن آهن اسفنجی است. این آلودگی برای پلنت بر پایه هیدروژن به حدود 40 کیلوگرم دی اکسید کربن بر تن آهن اسفنجی می رسد.

مقدار گاز طبیعی هم که برای تنظیم کربن اضافه می گردد و در کوره قوس می سوزد 72 تا 180 کیلوگرم دی اکسید کربن به ازای هر تن فولاد خام تولید می کند.

برای بررسی رد پای کربن در یک فرایند احیا مستقیم، نه تنها انتشار مستقیم گاز دی اکسید کربن در خود فرآیند بلکه انتشار غیر مستقیم از برق مصرفی نیز باید مورد توجه قرار گیرد. شکل زیر میزان دی اکسید کربن حاصل از تولید برق را نشان می دهد. همانطور که در این شکل مشخص است در مورد هیدروژن نبایستی از 120 گرم دی اکسید کربن به ازاء هر کیلووات ساعت فراتر برود تا نسبت به پلنت بر پایه گاز طبیعی ارجح باشد.

وابستگی انتشار دی اکسید کربن فرآیند احیا مستقیم به دی اکسید کربن منتشر شده از برق

چالش استفاده از هیدروژن در صنعت فولاد سبز

با ادامه چرخه فولاد کنونی، اهداف توافقنامه پاریس دست نیافتنی است. تکنولوژی استفاده از هیدروژن دستاوردی نو در این زمینه است که همچنان در حال ارزیابی است. همانگونه که در بالا ذکر شد ارزیابی ها حدود 90 درصد کاهش دی اکسید کربن را نشان می دهند اما در این خصوص تولید هیدروژن موضوع اصلی است. هیدروژن بایستی از الکترولیز تولید شود و برای تامین برق آن منابع تجدیدپذیر به کار گرفته شود. در کنار همه این موارد باید آلودگی و برق تمام مراحل بالادستی و پایین دستی فولاد نیز در دستیابی به فولاد سبز در نظر گرفته شود.

علاوه بر این سوالات فنی در زمینه تکنولوژی استفاده از هیدروژن بایستی بررسی گردد. سوالات فنی مربوط به فناوری الکترولیز، گذار از سیستم های تولید انرژی موجود به انرژی های تجدیدپذیر نیز باید تحقق یابد. در کنار همه اینها عرضه مداوم و پایای منابع تجدیدپذیر برق در طول سال نیز باید برای پلنت تأمین شود.

با توجه به این واقعیت که تقاضای برق از منابع تجدیدپذیر در آینده به شدت افزایش می یابد، حدود 3500 کیلووات ساعت برق برای هر تن آهن اسفنجی برای پلنت بر پایه هیدروژنی نیاز است. تولید فولاد با ردپای کمتر کربن در سطح اروپا، تقاضای اضافی سالانه انرژی 400-500 TWh را ایجاد می کند. با توجه به اینکه مصرف برق  صنعت فولاد در حال حاضر  75 TWh است این افزایش تقاضا خودش 18 درصد تولید کنونی برق اتحادیه اروپا است.

 حتی اگر تقاضای انرژی اضافی برای استفاده از قراضه یا روش های تولید فولاد مبتنی بر ضایعات  کاهش یابد باز هم

توسعه الکترولیزرهای مناسب و تامین کافی مقدار انرژی تجدیدپذیر برای تمام بخشهای درگیر در صنعت فولاد چالش برانگیزخواهد بود.

* طراح پلنت‌های احیا مستقیم

* طراح پلنت های احیا مستقیم