در سال‌های اخیر، محققان صنعت فولاد همواره به دنبال یافتن راهکارهای نویدبخش با هدف تولید فولاد کربن خنثی جهت کاهش آلایندگی‌های ناشی از صنعت فولاد هستند. این راهکارها در سه دستۀ ۱- جذب و ذخیره‌سازی کربن (Carbon Capture and Storage-CCS)، ۲- جذب و استفاده مجدد از کربن (Carbon Capture and Utilize-CCU) و ۳- استفاده از عامل‌های احیای دیگر نظیر هیدروژن طبقه‌بندی می‌شوند. راهکارهای گروه سوم به‌شدت به در دسترس بودن انرژی‌های تجدیدپذیر در راستای تولید H۲ وابسته هستند. نگاه دقیق به صنعت آهن و فولاد نشان داد که تحقق شعار «فولاد کربن خنثی» از دو مسیر زیر دنبال می‌شود: الف) تغییر فناوری‌های تولید موجود که با هدف حذف وابستگی ذاتی به سوخت‌های فسیلی انجام می‌گیرد؛ ب) حفظ تکنولوژی‌های تولید رایج و پیاده‌سازی CCS و CCU برای کاهش مقدار انتشار نهایی CO۲ در مسیر تولید. در شکل ۱ میزان کاهش مقدار انتشار CO۲ بر مبنای هر یک از مسیرهای مذکور نشان داده شده است.

شکل یک- پیش‌بینی اثرگذاری مسیرهای کاهش انتشار CO۲ در صنعت آهن و فولاد

فناوری‌های مبتنی بر مسیر (الف): با توجه به گسترش روزافزون تولید انرژی الکتریکی از منابع تجدیدپذیر، استفاده از این انرژی‌ها در جهت کربن‌زدایی صنعت فولاد یک گزینه امیدبخش محسوب می‌شود. یکی از فناوری‌های پیشنهادی در این زمینه، الکترولیز سنگ‌آهن است که فرایند آن مشابه تولید آلومینیوم از اکسید آلومینیوم است. بااین‌حال، این فرایند هنوز در مراحل اولیه توسعه بوده و تنها در مقیاس آزمایشگاهی انجام شده است. امیدوارانه، این روش یک گزینه فولادسازی با راندمان بالا با وعده کاهش انتشار CO۲ در درازمدت است. در حال حاضر، شرکت سیدروین (SIDERWIN) به‌طور جدی بر روی تجاری‌سازی این روش با هدف کاهش انتشار CO۲ و کاهش مصرف انرژی به ترتیب به میزان ۸۷ درصد و ۳۱ درصد در مقایسه با کوره بلند تمرکز کرده است. در شکل ۲ شماتیکی از چگونگی نقشه فرایند این شرکت در جهت به‌کارگیری الکترولیز سنگ‌آهن در مسیر فولادسازی نشان داده شده است.

یکی دیگر از راهکارهایی که در راستای تغییر فناوری‌های فولادسازی به سمت کربن خنثی معرفی شده است، استفاده از هیدروژن سبز به‌عنوان عامل احیاکننده است. هیدروژن برای فولادسازی به‌عنوان یک راه برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای مورد توجه قرار گرفته است. به‌صورت تئوری پیش‌بینی شده است که می‌توان با استفاده از هیدروژن سبز حاصل از برق تجدیدپذیر، انتشار گازهای گلخانه‌ای را از کوره احیای DRI به نزدیکی صفر رساند. فرایند HYBRIT یکی از فرایندهای درحال‌توسعه بر پایه H۲ بوده که در آن با استفاده از الکترولیز مبتنی بر نیروی الکتریکی تجدیدپذیر، H۲ تولید و در پایان فولادسازی، بخار آب به‌جای CO۲ منتشر می‌شود (شکل ۳).

شکل دو- شماتیکی از چگونگی نقشه فرایند شرکت سیدروین در جهت بکارگیری الکترولیز سنگ‌آهن در مسیر فولادسازی

شکل سه- شماتیکی از فرایند فولاسازی برپایه هیدروژن سبز تولیدشده به روش الکترولیز مبتنی بر انرژی تجدید پذیر

فناوری‌های مبتنی بر مسیر (ب): پیاده‌سازی CCS یکی دیگر از راهکارهای شناخته‌شده در مسیر کاهش انتشار CO۲ است. پیاده‌سازی CCS می‌تواند در کاهش آلایندگی صنعت فولاد نقش مهمی داشته باشد. لیکن برخی محدودیت‌ها ازجمله رقابتی بودن بازار تولید فولاد، تولیدکنندگان فولاد را در مسیر پیاده‌سازی CCS به دلیل امکان افزایش هزینه کوتاه‌مدت دچار تردید می‌کند. پیش‌بینی شده است که جمع‌آوری و ذخیره ۶۰-۶۰ تا ۶۰ درصد انتشار CO۲ در یک سایت صنعتی می‌تواند حدود ۷۰ تا ۸۰ دلار در هر تن CO۲ هزینه به دنبال داشته باشد. بااین‌حال، برخی از فناوری‌های فولادسازی با دی‌اکسید کربن فوق‌العاده کم (ULCOS) نشان داد که پیاده‌سازی CCS می‌تواند در مسیر تولید فولاد کربن خنثی مؤثر باشد. شکل ۴ شماتیکی از فرایند ULCOS را همراه با پیاده‌سازی CCS نشان می‌دهد. فناوری TGR-BF (بازیافت گاز – کوره بلند) یکی دیگر از فناوری‌های مبتنی بر CCS بوده که با موفقیت در کارخانه آزمایشی، منجر به کاهش ۲۴ درصدی انتشار CO۲ شده است. با وجود تمامی پیشرفت‌های انجام‌شده، CCS در صنعت فولاد هنوز با چالش‌هایی ازجمله پراکندگی منابع انتشار و ذخیره طولانی‌مدت روبه‌رو است. در سال‌های اخیر، CCU نیز به‌عنوان راهکاری برای تبدیل گازهای باطله فولادسازی به محصولات هدفمند مورد توجه قرار گرفته است. تخمیر بیولوژیکی گاز که در آن، میکروب‌ها برای تبدیل گازهای حاوی کربن به محصولات جانبی هدفمند استفاده می‌شوند ازجمله روش‌های پیاده‌سازی CCU بوده که توسط شرکت لانزاتک توسعه یافته است (شکل ۵). در همین راستا، شرکت تاتا استیل و آرسلورمیتال نیز در پروژه Steel۲Chemicals رویکردی را در راستای پیاده‌سازی CCU در پیش گرفتند. بااین‌حال، چالش اصلی آن‌ها پاک‌سازی گازهای باطله فولادسازی تا سطح مناسب جهت جلوگیری از مسمومیت کاتالیزورهاست.

شکل چهار- شماتیکی از فرایند ULCOSبه منظور کاهش CO۲

شکل پنج- تولید اتانول به روش تخمیر بیولوژیکی گازهای باطله فولادسازی حاوی کربن

با توجه به مطالب فوق و اهمیت آن در پیشبرد صنعت فولاد به سمت فولاد کربن خنثی، تولیدکنندگان فولاد با توجه به منابع موجود، اقلیم جغرافیایی و… تصمیم خواهند گرفت که کدام‌یک از مسیرهای تکنولوژیکی و اقتصادی برای رسیدن به فولاد کربن خنثی مناسب است.

منبع: ایراسین