استفاده از سوخت‌های کم‌کربن: گزینه‌ای مؤثر برای کربن زدایی در صنعت فولاد

به گزارش پایگاه خبری معدن نامه، در طی سالیان اخیر، صنعت فولاد تحت فشار زیادی برای کاهش انتشار دی‌اکسیدکربن و دیگر آلاینده‌های خود از منظر زیست‌محیطی و همچنین اقتصادی قرار گرفته است.

صنعت فولاد نقش مهمی در کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای ایفا می‌کند، زیرا در میان سه بخش تولیدکننده عمده دی‌اکسیدکربن است که حدود ۷ تا ۱۰ درصد از انتشار گاز گلخانه‌ای جهانی را تشکیل می‌دهد؛ بنابراین کارخانه‌های فولاد هدف خوبی برای تمرکز جهت کربن‌زدایی هستند. سازگار کردن فرایندهای صنعت فولاد با محیط‌زیست همچنین تضمین می‌کند که صنعت می‌تواند در درازمدت به فعالیت خود ادامه دهد.

با هدف رفع این چالش، راه‌حل‌های کوتاه‌مدت و سریع نیز برای کاهش انتشارات آلاینده‌ها مدنظر فولادسازان بزرگ دنیا قرار دارند. می‌توان گفت در میان راه‌حل‌های مختلف و رویکردهای متنوع برای کربن‌زدایی در تولید فولاد (اعم از کوتاه‌مدت، میان‌مدت و بلندمدت) استفاده از سوخت‌های کم‌کربن (low carbon fuels) راه‌حلی مؤثر، سریع، در دسترس و نسبتاً اقتصادی در مقایسه با بسیاری از روش‌های بلندمدت به شمار می‌رود.

به‌عنوان مقایسه، یک نمونه مؤثر عملی امروزه توجه فزاینده‌ای به ترکیب درصد معینی از هیدروژن تمیز با سوخت‌هایی مانند گاز طبیعی برای کاهش ردپای کربن در صنعت فولاد می‌شود. بر اساس این رویکرد به کربن‌زدایی سوخت کمک می‌شود؛ بااین‌حال، خطرات ناشی از افزایش انتشار NOx نیز کاهش می‌یابد. به‌عنوان نمونه‌های عملی حجم‌های ترکیبی ۵ تا ۵۰ درصد حجمی هیدروژن ذکر شده‌اند، بااین‌حال، باید توجه داشت که وقتی هیدروژن با گاز طبیعی مخلوط می‌شود، صرفه‌جویی در دی‌اکسیدکربن مستقیماً با حجم هیدروژن مخلوط‌شده متناسب نیست.

دلیل این مطلب این است که هیدروژن یک‌سوم ارزش گرمایشی گاز طبیعی را دارد. در نتیجه، برای حفظ همان ارزش حرارتی سوخت، به حجم نسبتاً بیشتری (مترمکعب) گاز مخلوط‌شده با توجه به حجم هیدروژن خالصی که به آن اضافه شده است، نیاز داریم. با فرض اینکه ردپای کربن هیدروژن صفر باشد، یعنی فرایند تولید هیدروژن «سبز» است، پس کاهش حاصل از اختلاط در هیدروژن ۲۰ و ۵۰ درصد به ترتیب چه خواهد بود؟ ۲۰ درصد هیدروژن ردپای کربن را تا ۷ درصد کاهش می‌دهد و ۵۰ درصد هیدروژن ردپای کربن را تا ۲۵ درصد کاهش می‌دهد.

نهایتاً می‌توان نتیجه گرفت بر اساس محاسبات اقتصادی بر مبنای قیمت‌های حال حاضر، کاهش ردپای کربن با احتراق سوخت اکسیژنی (مقاله شماره قبل) بسیار ارزان‌تر از ترکیب هیدروژن در گاز طبیعی است؛ درحالی‌که هیدروژن به‌طورکلی به‌عنوان راه‌حل نهایی سوخت با کربن کم یا صفر در آینده در نظر گرفته می‌شود، رویکردهای دیگری برای سوخت‌های کم‌کربن در کوتاه‌مدت با منابع حاصل از زیست‌توده (bio mass)، پسماندهای پلاستیکی، زباله‌های جامد شهری (MSW) و… وجود دارد.

نمونه‌ای دیگر در مورد کوره بلند: نرخ مصرف کک را می‌توان با استفاده از مواد تزریقی با ردپای کربن پایین‌تر مانند پودر زغال‌سنگ (PCI)، گاز طبیعی، گاز کوره کک‌سازی، و به‌طور بالقوه هیدروژن در آینده از طریق تویرها کاهش داد. به‌عنوان مثال، هر تن پودر زغال‌سنگ تزریقی از تولید ۰.۸۵ تا ۰.۹۵ تن کک جلوگیری می‌کند، با صرفه‌جویی انرژی در حدود 3.75 GJ/t گیگاژول به ازای هر تن پودر زغال‌سنگ تزریقی. بااین‌حال تزریق مواد سوختی کم‌کربن از طریق تویرها می‌تواند اثرات منفی و محدودیت‌های فنی نیز داشته باشد، ازجمله اثر منفی روی دمای شعله آدیاباتیک، تغییر رژیم احتراق تویرها و… یک راه برای رفع کردن این مشکل‌ها تزریق ابتدایی مواد به‌منظور گازدار شدن آن‌هاست (gasified) که باعث تشکیل syngas با ترکیب CO+H2 می‌شود. فناوری استفاده از اکسیژن داغ یا (Hot Oxygen Technology) به‌عنوان یک تکنولوژی انعطاف‌پذیر می‌تواند برای هدف گازی‌سازی مواد و پسماندهای سوختی جامد یا گاز با ردپای کربن کم (مثال‌های ذکرشده) استفاده شود.

یک سیستم HOT معمولی به‌عنوان یک گازساز کارآمد و در مقیاس کوچک برای تولید گاز سنتز احیاکننده تا ۳۵ هزار نیوتن مترمکعب در ساعت در هر واحد می‌تواند استفاده شود. برای برآوردن نیازهای یک کوره بلند می‌توان از چندین واحد کنار هم استفاده کرد. این رویکرد کمک می‌کند تا ردپای دی‌اکسیدکربن یک کوره بلند موجود بدون تغییرات قابل‌توجهی در فرایند تولید به حداقل برسد.

به‌طور معمول، آهن اسفنجی (DRI) با استفاده از گاز طبیعی به‌عنوان گاز احیاکننده در یک کوره شفتی تولید می‌شود. در این مورد نیز می‌توان از سیستم HOT برای رساندن گاز سنتز به یک پلنت تولید DRI استفاده کرد که از منابع مختلفی از جمله گاز کوره کک‌سازی به دست می‌آید و می‌تواند جایگزین گاز طبیعی شود. شرکت Linde با شرکت MIDREX برای توسعه یک سیستم راکتور حرارتی (TRS) فعالیت‌های گسترده تحقیق و توسعه انجام داده که این واحد می‌تواند گاز سنتز تمیز را با استفاده از گاز کوره کک‌سازی و سایر منابع هیدروکربنی برای تولید DRI تولید کند.

سیستم TRS از فناوری اکسیداسیون جزئی بر پایه مکانیسم HOT استفاده می‌کند که پتانسیل انجام اکسیداسیون جزئی هیدروکربن‌ها را بدون تزریق بخار ارائه می‌دهد. هنگامی که این فناوری با یک محفظه واکنش اضافی که با یک جریان پیشگرم شده گاز کوره کک‌سازی شارژ می‌شود، ترکیب شود، محصول گاز خروجی از محفظه برای استفاده به‌عنوان گاز احیاکننده برای تولید DRI مناسب خواهد بود.

بر این اساس، گزینه‌ای برای تولید گاز سنتز با ردپای کم‌کربن برای استفاده در کوره‌های بلند و کوره‌های احیای مستقیم که بر اساس استفاده از زباله‌های پلاستیکی، MSW، زیست‌توده و… است، وجود خواهد داشت؛ بنابراین نه‌تنها می‌توان ردپای کربن در صنعت فولاد را کاهش داد، بلکه می‌توان به حل مشکل زباله‌ها و پسماندها و حمایت از اقتصاد چرخشی و حتی ایجاد یک سینک کربن کمک کرد.

منبع: ایراسین