تولید فولاد عاری از آلاینده محیط زیست؛ از ایده تا عمل

تولید فولاد حدود هفت درصد از گازهای گلخانه ای را تشکیل می دهد. دو دلیل عمده برای این واقعیت شگفت انگیز وجود دارد، اولا، فولاد با استفاده از روش‌های متالورژیکی ساخته می‌شود که پیشینیان عصر آهن ما آن را کشف کرده اند. دوم، فولاد تقریبا بخشی از همه چیز است، از جمله ساختمان ها، پل ها، یخچال ها، هواپیماها، قطارها و اتومبیل ها. بر اساس برخی برآوردها، تقاضای جهانی برای فولاد تا سال 2050 تقریباً دو برابر خواهد شد. 

بنابراین، اگر بخواهیم با تغییرات آب و هوایی مقابله کنیم، تولید فولاد سبز ضروری است.

✅ مقاله پیشنهادی: فولاد سبز چیست؟

برای درک فولاد، باید در سطح شیمی دبیرستان فکر کنید - حتی شیمی که در روز اول یاد گرفتید کافی است. اساساً، فولاد آهن است و برای افزایش استحکام، کمی کربن به آن اضافه می‌شود: اتم‌های کوچک کربن بین اتم‌های بزرگ‌تر آهنی قرار می‌گیرند و فولاد را چگال‌تر و انعطاف‌پذیرتر می‌کنند. در واقع، یافتن آهن چندان سخت نیست - از نظر وزنی پنج درصد از پوسته زمین را تشکیل می دهد - اما فلزات موجود در سنگ با عناصر دیگر مخلوط می شوند. قبل از اینکه بتوانید آن شمشیر یا برج ایفل را بسازید، باید آنها را به شکل خالص بیرون بیاورید. از این نظر، آهن یک چالش خاص را ارائه می‌کند: اتم‌های آهن به‌طور محکم با اتم‌های اکسیژن متصل می‌شوند، مانند قطعات مکمل در یک پازل. دو آهن و سه اکسیژن اکسید آهن یا Fe2O3 می‌سازند - تصویری کامل که جدا کردن آن سخت است. اکسید آهن به راحتی تشکیل می شود - به قدری آسان که در حضور آب، آهن برهنه به اکسیژن هوا می چسبد و زنگ می زند.

 

بنابراین، در بیشتر تاریخ بشر، مشکل استخراج آهن غیرقابل حل بود. پنج هزار سال پیش، مصریان باستان مهره‌هایی را از آهن می‌ساختند، اما فلز خود را از شهاب‌سنگ‌هایی که قبلاً توسط یک فرآیند ناشناخته فرازمینی از اکسیژن جدا شده بود، به دست آوردند. 

هزار سال دیگر گذشت تا ساخت آهن قابل استفاده از طریق فرآیندی به نام کاهش ممکن شد. حدوداً در سال 2000 قبل از میلاد، احتمالاً به طور تصادفی کشف شد که سنگ آهن یا سنگ معدنی، هنگامی که بر روی آتش زغال سنگ گرم می شد، چکش خوار می شد. 

امروزه، می‌توانیم توضیح دهیم که چرا این اتفاق می‌افتد: در دمای کافی بالا، اتم‌های آهن چسبندگی خود را بر روی اتم‌های اکسیژن شل می‌کنند. اکسیژن به کربن موجود در زغال چوب متصل می شود و CO2 را تشکیل می دهد که به هوا می رود. آنچه باقی می ماند، آهن خالص یا «کاهش یافته» است، روند کاهش باعث شد که عصر آهن آغاز شود.

✅ مقاله پیشنهادی: 5 مانع اصلی عدم استفاده از ضایعات فولادی  

به سختی می توان گفت دقیقا چه زمانی فولاد برای اولین بار ساخته شد. گاه به گاه، زمانی که کربن از زغال چوب به آهن پخش می شود، ایجاد می شود و آن را تقویت می کند. اما کنترل تولید فولاد تا چند صد سال پیش، زمانی که کوره بلند اختراع شد، دشوار بود. کارگران فولاد با استفاده از دم، دمای آتش زغال سنگ خود را به نزدیک به سه هزار درجه افزایش دادند - به اندازه ای گرم که آهن را در مقادیر زیاد ذوب کند. امروزه کوره بلند همچنان روش اصلی مورد استفاده برای کاهش فولاد است. 

مدل های فعلی حدود صد فوت ارتفاع دارند و می توانند ده هزار تن آهن در روز تولید کنند. آنها به جای زغال چوب از کک استفاده می کنند که شکل فرآوری شده زغال سنگ است. کک و سنگ معدن در بالای کوره می روند و آهن مذاب از پایین آن بیرون می آید و کربن تزریق می شود. این آهن را می توان به راحتی به فولاد تبدیل کرد. صنعت فولاد هر سال حدود دو میلیارد تن از آن را در یک بازار 2.5 تریلیون دلاری تولید می کند، در حالی که سالانه بیش از سه میلیارد تن CO2 منتشر می کند که بیشتر آن از کوره بلند است

خوشبختانه، اکنون می دانیم که بیش از یک راه برای تصفیه آهن وجود دارد، به جای استفاده از کربن برای حذف اکسیژن از سنگ معدن و ایجاد CO2، می توانیم از هیدروژن استفاده کنیم و H2O - یعنی آب را ایجاد کنیم.

بسیاری از شرکت ها روی این رویکرد کار می کنند، تابستان امسال، یک سرمایه گذار سوئدی از این روش برای تولید فولاد در یک کارخانه آزمایشی استفاده کرد. اگر این تکنیک به طور گسترده مورد استفاده قرار بگیرد، می تواند انتشار گاز دی اکسید کربن ناشی از صنعت فولاد را تا نود درصد کاهش دهد. این یک گام بزرگ به سوی نجات جهان است.

پروژه سوئدی که هیبریت نامیده می شود – فناوری ساخت آهن با پیشرفت هیدروژنی – کارخانه آزمایشی خود را در لولئو، در بخش شمالی سوئد ساخته است. «هیبریت» با فونت شیک در کناره‌های دستگاه نوشته شده است؛ آینده پاک، نه گذشته تلخ. 

این پروژه یک همکاری بین Vattenfall، شرکت برق دولتی سوئد است. L.K.A.B.، معدنچی دولتی سنگ آهن. و S.S.A.B.، یک شرکت خصوصی فولادسازی است. هنگامی که کارخانه در آگوست گذشته افتتاح شد، نخست وزیر سوئد سخنرانی کرد و آن را به عنوان یک "فرصت تاریخی" توصیف کرد. 

وی گفت: من از شرکت هیبریت درخواست کردم مراتبی را جهت بازدید ویدئویی از کارخانه فراهم کنند، ولی نمایندگان آن با استناد به نیاز به حفاظت از فناوری اختصاصی، نپذیرفتند. اگرچه، آنچه در داخل اتفاق می افتد چیزی شبیه یک راز است، ولی آنچه در تابستان امسال ظاهر شد آشکار بود: آهن "سبز" که برای اولین بار به فولاد تبدیل شد و به مشتری تحویل داده شد.

به طور معمول، فولاد از چندین مرحله تولید حاصل می شود. سنگ آهن معمولاً خرد و گندله می شود. در همین حال، زغال سنگ به کک تبدیل می شود. سنگ معدن، کک و سنگ آهک به داخل کوره بلند می روند و آهن مایع درخشان را همراه با یک محصول جانبی به نام سرباره و مقادیر زیادی CO2 تولید می کنند. 

سپس آهن خالص شده برای بار دوم، بدون کک، در آنچه به عنوان کوره "اکسیژن پایه" شناخته می شود، گرم می شود. در این مرحله، اکسیژن روی سطح آهن مذاب دمیده می شود تا تولید CO و CO2 را تشدید کند. این امر محتوای کربن موجود در آهن را از حدود چهار درصد به کمتر از یک درصد کاهش می دهد. در این مرحله سنگ آهن تبدیل به فولاد می شود. 

والنتین ووگل، دانشجوی فارغ التحصیلی که در حال نوشتن پایان نامه خود در مورد کربن زدایی صنعت فولاد در دانشگاه لوند در سوئد است، بیان کرده است که: «این فرایند شبیه یک دستور پخت بزرگ است، افرادی هستند که در کارخانه‌های فولاد کار می‌کنند که زندگیشان نظارت بر کوره بلند است و کوره بلند را در سطحی بصری درک می‌کنند.» محصول نهایی در بشقاب ریخته می شود و در صفحات فشرده می شود، سپس نورد می شود و ارسال می شود.

هیبریت از یک استراتژی متفاوت و سبزتر استفاده می کند که چند سرمایه گذاری دیگر نیز آن را دنبال می کنند. در سیستم آن، گلوله های سنگ آهن به بالای کوره شفتی می روند که تقریباً به اندازه یک کوره بلند است. به جای کک، گاز هیدروژن به آن دمیده می شود. در داخل کوره، فرآیندی به نام "کاهش مستقیم" رخ می دهد.

دمای کوره به حدود هزار و پانصد درجه می رسد که آنقدر داغ نیست که آهن را ذوب کند، در نتیجه، "آهن با کاهش مستقیم" که بیرون می آید هنوز جامد است و تقریباً هیچ کربنی ندارد، بنابراین به یک کوره قوس الکتریکی می رود (ظرفی که پیچ های برق را بین الکترودهای داخلی عبور می دهد). در آنجا، همراه با کمی زغال سنگ ذوب می شود و فولاد (و کمی CO2) تولید می شود. 

در روش قدیمی در هر مرحله مقدار زیادی کربن دی اکسید منتشر می شد، ولی در فرآیند جدید تا حد امکان کمتر منتشر می شود. کارخانه آزمایشی هیبریت اکنون حدود یک تن فولاد در ساعت تولید می کند. گام بعدی ساخت یک کارخانه آزمایشی در مقیاس تجاری در گالیواره، همچنین در شمال است که تا سال 2026 سالانه 1.3 میلیون تن فولاد تولید خواهد کرد.

احیای فولاد با هیدروژن سال هاست که در مقیاس کوچک در آزمایشگاه ها انجام می شود. مارتین پی، مدیر ارشد فناوری S.S.A.B، شرکت فولادسازی گفت که هیچ مانع علمی بزرگی برای افزایش این فرآیند وجود ندارد. در عوض، بیشتر موضوع بهینه‌سازی شرایط عملیاتی بوده است: برای مثال، مهندسان باید با ماشین‌هایی آزمایش کنند که هیدروژن را قبل از پمپاژ آن گرم می‌کند. به گفته وی، مانع واقعی تامین هیدروژن است. 

هیدروژن خالص بیشتر از گاز طبیعی، معمولاً متان به دست می‌آید، اما خروج هیدروژن از متان به انرژی نیاز دارد و همچنین مونوکسید کربن ایجاد می‌کند که هنگام سوختن CO2 تولید می‌کند. 

یک منبع سبز هیدروژن وجود دارد: آب. تقسیم آب به هیدروژن و اکسیژن، با عبور جریان از آن، در فرآیندی به نام الکترولیز امکان پذیر است. اما الکترولیز، به نوبه خود، فقط در صورتی سبز است که الکترون های درگیر از انرژی تجدیدپذیر نیز حاصل شوند.

کارخانه آزمایشی هیبریت کوچک است و مشکلی برای تامین هیدروژن سبز ندارند. اما، مهندسان آن می‌گویند، ایجاد هیدروژن سبز کافی از طریق الکترولیز برای تولید یک تن فولاد، به حدود دو هزار و ششصد کیلووات ساعت برق نیاز دارد که برای تأمین انرژی یک خانه متوسط برای سه ماه کافی است. 

شرکت هیبریت همچنین قصد دارد از الکتریسیته سبز برای تولید سنگ معدن، کوره قوس الکتریکی و غلتک‌های فولادی، در مجموع سه هزار و پانصد کیلووات ساعت در هر تن فولاد استفاده کند.

حال این عدد را در دو میلیارد تن فولادی که در حال حاضر در یک سال تولید می کنیم ضرب کنید، تقریباً هفت هزار تراوات ساعت برق نیاز خواهیم داشت. برای پر کردن این تقاضا بدون تولید دی‌اکسید کربن، باید عرضه سالانه برق هسته‌ای و انرژی‌های تجدیدپذیر جهان را تقریباً دو برابر کنیم. 

این امر نیازمند ساخت تقریباً صد نسخه از بزرگترین تأسیسات هسته ای موجود بشریت، نیروگاه هسته ای کاشیوازاکی-کاریوا، در ژاپن است. 

بنابراین این یک مشکل بزرگ است. ما همچنین باید کارخانه‌های آهن و فولاد موجود خود را جایگزین کنیم و تأسیسات عظیم الکترولیز بسازیم. حتی در آن زمان، چون در استخراج از معدن و فرآیند حمل و نقل، احتمالاً همچنان CO2 منتشر می شود، تولید کاملاً سبز نخواهد بود.

با این حال، یک تغییر اساسی باید از جایی آغاز شود - در این مورد، سوئد پیشرو در انجام این تغییر بزرگ استسوئد قصد دارد تا سال 2045 اولین کشوری باشد که به انتشار خالص صفر دی اکسید کربن در فرآیند تولید فولاد دست یابد.

 چین که بیشتر فولاد جهان را تامین می کند، همچنین قصد دارد انتشار گازهای گلخانه ای خود را کاهش دهد. بنا بر گزارشات انتظار می رود قیمت فولاد سبز حداقل در ابتدا بیست تا سی درصد بیشتر از قیمت فولاد سنتی باشد. اما، در صورتی که فرآیندهای الکترولیز و منابع انرژی سبز کارآمدتر شوند، هزینه ممکن است کاهش یابد. در همین حال، یارانه ها، مالیات ها، تعرفه ها و سایر مداخلات دولت می تواند فولاد سبز را رقابتی کند. 

 

آهن سبز هیبریت پس از تبدیل شدن به فولاد توسط S.S.A.B نورد شد. اولین تحویل فولاد سبز شرکت S.S.A.B به ولوو انجام شد. همچنین خبرهایی از همکاری با مرسدس بنز به گوش می رسد.

 گوکچه مته، که گروه انتقال صنعت در موسسه محیط زیست استکهلم را رهبری می کند، ابراز کرده است که خودروهای ساخته شده با فولاد سبز حدود سیصد یورو قیمت بالاتری خواهند داشت. (ماشین لباسشویی، یکی دیگر از محصولات بالقوه، حدود بیست یورو بیشتر قیمت خواهد داشت.) 

مته گفت: «فولاد سبز در سوئد بسیار مورد توجه است. فولاد سبز در حال تبدیل شدن به یک موضوع بسیار داغ در زندگی روزمره مردم سوئد است. او این شور و شوق را مرهون ترکیبی از پوشش رسانه‌ای، اشتیاق گسترده در مورد پاکیزگی آب و هوا و اقتصاد صنعتی سوئد می‌داند: تخمین زده می‌شود که از هر ده سوئدی، یک نفر در تولیدات پیشرفته همکاری می‌کند.»

سوانت اکسلسون، هماهنگ‌کننده ملی طرح دولتی سوئد بدون فسیل، وظیفه دارد به دولت و صنعت کمک کند تا در مورد چگونگی تغییر اقتصاد به توافق برسند.

داستان تولید فولاد سبز ممکن است در آمریکا به داغی سوئد نباشد، اما یک برنامه مشابه در ایالات متحده وجود دارد، در حالی که احیای مستقیم آهن با هیدروژن خالص جدید است، کاهش مستقیم با گاز طبیعی چنین نیست.

میدرکس، یک شرکت فولادسازی مستقر در کارولینای شمالی، روش دوم را پیشگام کرد و اولین کارخانه آزمایشی خود را در سال 1967 ساخت. امروزه، این شرکت ده‌ها کارخانه دارد که بر اساس این اصل در سراسر جهان کار می‌کنند و آهن با کاهش مستقیم بیشتری نسبت به مجموع رقبای خود تولید می‌کنند.

شرکت Midrex گاز طبیعی را به مونوکسید کربن و هیدروژن تبدیل می کند که با هم آهن را در یک کوره شفت کاهش می دهند. در مقایسه با کوره بلند که از کک استفاده می کند، یک سوم تا یک دوم دی اکسید کربن کمتری تولید می کند. هدف Midrex، مانند هیبریت، استفاده از هیدروژن کامل است. 

در هامبورگ، آلمان قصد دارد تا سال 2025 یک کارخانه آزمایشی در مقیاس تجاری برای ArcelorMittal، دومین فولادساز بزرگ جهان، بسازد. این نیروگاه قادر خواهد بود از هیدروژن و مونوکسید کربن یا هیدروژن خالص استفاده کند و دولت آلمان نیمی از هزینه صد و ده میلیون یورویی آن را پوشش خواهد داد.

 جابه‌جایی بین این دو روش چالش‌های مهندسی را به همراه دارد. لوتز باندوش، یکی از مدیران ArcelorMittal که مدیر سایت هامبورگ و شش نفر دیگر در اروپا است، گفت: «اینکه فقط شیلنگ را عوض کنید و هیدروژن تزریق کنید چندان واضح نیست. هنگامی که از گاز طبیعی برای کاهش آهن استفاده می کنید، پوسته مفیدی از کربن روی سطح گلوله های آهن تشکیل می شود. این گلوله ها را از زنگ زدگی و احتراق محافظت می کند. بدون چنین لایه ای، شرکت باید روش ذوب، ذخیره و نگهداری آهن خود را اصلاح کند. 

فابریس پتیسون، مهندس مدرسه معادن نانسی، در فرانسه، آهن احیا شده مستقیم مبتنی بر هیدروژن را در آزمایشگاه مطالعه کرده و شبیه‌سازی‌های کامپیوتری کوره‌های Midrex در مقیاس کامل ساخته است. او هیچ مشکلی نمی بیند، فقط سوالاتی در مورد شکل کوره بهینه، یا بهترین مکان برای افزودن هیدروژن - است، که نیاز به پاسخ دارند.

پتیسون نگران است که مهندسین فولادسازان همکاری نکنند. او بیان می کند که: «مشکل اصلی، حداقل در اروپا، این است که آنها برای یک قرن به کوره بلند تکیه کرده‌اند و اصلاً از دور انداختن آن خوششان نمی‌آید. 

او گفت که مقاومت «البته اقتصادی است، زیرا به معنای ساختن چیزهای جدید است. و همچنین روانشناسی، برای شاغلین فولادسازی. کوره های بلند کاملاً بهینه شده اند.» 

باندوش، مدیر ArcelorMittal، موافق بود. او گفت: «ما اکنون دویست سال را صرف بهینه سازی کوره بلند کرده ایم. اما ما دویست سال دیگر برای تبدیل صنعت فولاد فرصت نداریم. ما باید همه اینها را در ده تا بیست سال انجام دهیم، ولی بسیاری از همکارانی که می شناسم بسیار می ترسند.» 

با این حال، Midrex امیدوار است که همه اینها را در کارخانه آزمایشی خود حل کند و سپس بقیه را تبدیل کند. یک روحیه رقابتی وجود دارد که تلاش را تحریک می کند. باندوش با اشاره به قرارداد هیبریت با مرسدس بنز گفت: «این تصور را دارید که آنها هزاران خودرو از این فولاد تولید می کنند. در واقع، اگر به حجم نگاه کنید، تقریبا چیزی نیست.» او استدلال می کند که مقیاس و تجربه Midrex و ArcelorMittal به آنها مزیت رقابتی بزرگی در مورد فولاد سبز می دهد.

 

با این حال، در کل سوئیچ صنعت به روش جدید، کند خواهد بود. استفان مونتاگ، مدیر ارشد اجرایی، می‌گوید: «بسیاری از مردم می‌خواهند یک جهش بزرگ تا هیدروژن انجام دهند و در حال حاضر دستیابی به این امر سخت است. این حجم از هیدروژن سبز و هزینه آن وجود ندارد.» 

با این حال، مونتاگ گفت: «جامعه مالی کاملاً روشن کرده است که نمی‌خواهند به پروژه‌هایی که سبز نیستند وام بدهند». مونتاگ گیاهان هیبریت و میدرکس را به عنوان "فانوس دریایی" توصیف کرد که "واقعاً راه را برای دیگران نشان خواهند داد." 

او افزود: «از نظر اجتماعی، ما باید آماده باشیم تا مبلغ بیشتری بپردازیم. صراحتاً نمی توانهمه بار ها را به دوش دولت انداخت. همچنین باید جامعه درک کند که فولاد سبز چیز خوبی است.» 

از مونتاگ در مورد خودروهای گران‌تر ولوو که با استفاده از فولاد سبز هیبریت تولید می‌شوند، پرسیده شده و او در پاسخ گفته: «من فکر می‌کنم افراد زیادی هستند که ممکن است آماده و مایل به کمک به این امر باشند. "

فولادسازی بر پایه هیدروژن تنها راه پیش رو نیست. گروه‌های دیگر در حال بررسی روش‌های آزمایشی‌تر فولاد سبز هستند.

 یک پروژه اتریشی به نام SuSteel - فولاد پایدار - از پلاسمای هیدروژن، که بسیار داغتر از گاز هیدروژن است، برای کاهش و ذوب سنگ آهن استفاده می کند. در حالی که ذوب می شود، کربن را اضافه می کنند و آهن سازی و فولادسازی را در یک مرحله ترکیب می کنند. 

بوستون متال، M.I.T. شرکت spinout، بر اساس "الکترولیز اکسید مذاب" است که در آن الکتریسیته از طریق اکسید آهن ذوب شده عبور می کند و فولاد و اکسیژن تولید می کند. 

شرکت ArcelorMittal همچنین در حال آزمایش "Electrowinning" است - فرآیندی که در آن جریان را از محلولی حاوی ذرات اکسید آهن عبور می دهد، به طوری که آهن روی یک الکترود جمع می شود در حالی که اکسیژن در الکترود دیگر جمع می شود.

البته می توانیم تغییرات دیگری نیز ایجاد کنیم. ما می‌توانیم از فولاد با کارایی بیشتری در ساخت‌وساز استفاده کنیم. 

ما می‌توانیم مقدار بیشتری از آن را بازیافت کنیم. (فولاد قدیمی را می توان با آهن جدید در کوره های قوس مخلوط کرد.) کاهش سهم CO2 فولادسازی از هفت درصد به یک درصد یا کمتر امکان پذیر است، اما این امر مستلزم تعهد و هماهنگی بسیاری از شرکت کنندگان - مهندسان، صنعتگران، بانکداران، قانونگذاران، و مصرف کنندگان همه ما باید به این تلاش و بسیاری دیگر کمک کنیم. همه ما باید همکاری را یاد بگیریم.