گزارش خواندنی از نگاه و روش کشور‌های مختلف جهان به تولید آهن اسفنجی

تأمین‌کنندگان عمده و بزرگ بین‌المللیِ کارخانه‌ها برای تولید آهن‌اسفنجی(DRI) شاهد این هستند که فناوری‌هایشان در مأموریت جهانی صنعت فولاد برای کربن‌زدایی در فولادسازی نقش اساسی ایفا می‌کنند. 

ماهنامه پردازش- تحولات و پیشرفت‌های فناوری با نیازها و گرایش‌های موجود در بازارهایی که در آن‌ها خدماتی را ارائه می‌دهند، هدایت می‌شوند. در طولانی‌مدت این بازارها تحت تأثیر اصول و مبانی عرضه و تقاضا برای کالاها قرار می‌گیرند و گاهی اوقات میزان انعطاف‌پذیری مواد می‌تواند بر بازار تأثیر بگذارد (اغلب انتخاب مواد مورداستفاده در آن زمان پویایی پیچیده‌تری ایجاد می‌کند). گرایش‌های جهانی مانند کربن‌زدایی نیز در این بازارها تأثیرگذارند. برای فلزات کانسنگی (آهن‌اسفنجی (DRI)، بریکت گرم (HBI) و آهن خام) تقاضای فولادسازان و کارخانه‌های ذوب آهن بر بازارهای آن‌ها تأثیر می‌گذارد و به‌خصوص برای تولید فولاد، فراز و نشیب‌های روش‌های تولید فولاد که در حال حاضر بیشتر استفاده می‌شوند یعنی از طریق مسیر کوره‌بلند (BF)، کوره اکسیژنی بازی (BOF) که حدود ۷۰ درصد تولید جهانی فولاد را تشکیل می‌دهد و اهمیت روزافزون فولادسازی مبتنی بر کوره قوس‌الکتریکی (EAF) که تقریباً تمام ۳۰ درصد باقیمانده تولید را تشکیل می‌دهد، نقش کلیدی دارند.

تأثیری که تقاضای نسبی برای مواد اولیه مختلف فولادسازی از جمله قراضه موردنیازِ کارخانه‌های فولاد، بر تقاضای تولید کارخانه‌های فعلی احیای مستقیم می‌گذارد و درعین‌حال موضع و هدف طولانی‌مدت تولید فولاد و به‌ویژه فشارهای روزافزون بر صنعت فولاد جهانی برای کربن‌زدایی فرآیندهای تولید فولاد (همراه با تردیدها و ابهاماتی در مورد قراضه موجود در بلندمدت) تأمین‌کنندگان کارخانه‌های احیای مستقیم را تشویق می‌کند تا تأکید کنند هم طرح‌های کارخانه‌های فعلی آن‌ها و هم طرح‌هایی که برای آینده توسعه می‌یابند چشم‌انداز امیدوارکننده‌ای دارند. 

تأمین‌کنندگان فلزات کانسنگی (OBM) به این نکته اشاره می‌کنند که رشد طولانی‌مدت در تولید فولاد مبتنی بر EAF همچنان تقاضا برای محصولات آن‌ها را افزایش می‌دهد. رشد ظرفیت تولید فولاد مبتنی بر EAF تا حدی با انتظارها برای ورود مقدار بیشتری از قراضه پس از مصرف به بازار تحریک می‌شود اما این مسئله که تولید فولاد از قراضه نسبت به مسیر BF/BOF با استفاده از مواد خام بکر کُک و سنگ‌آهن، دی‌اکسیدکربن بسیار کمتری تولید می‌کند هم بر این رشد تأثیر می‌گذارد. 

تولیدکنندگان OBM همچنین به این نکته اشاره می‌کنند که بدون قوانین سخت‌گیرانه‌تر برای محدود کردن میزان افزایش پسماند مس در منابع قراضه آهنی، حجم محصولاتی که در آن‌ها عناصر باقیمانده در فولاد مذاب باید رقیق شود نیز افزایش خواهد یافت (که دلیل دیگری است برای خوش‌بینی تأمین‌کنندگان DRI و HBI و فناوری‌های تولید این دو محصول). 

ایالات‌متحده نمونه خوبی از کشوری است که تولید فولاد مبتنی بر EAF درصد بالایی از تولید داخلی فولاد را تشکیل می‌دهد، یعنی حدود ۷۰ درصد و بعضی از تولیدکنندگان فولاد با کیفیت بالا از جمله محصولات نورد تخت در حال‌حاضر از HBI استفاده می‌کنند تا کیفیت و گِرید لازم را به وجود آوردند. برخی از تحلیلگران خاطرنشان می‌کنند جایی که صنایع فولاد آمریکا و اتحادیه اروپا که صنعتی بالغ است، پیشرو باشد، کشورهای دیگر مانند چین با کارخانه‌های فولادسازی خود که عمدتاً یکپارچه هستند در پشت سرِ آن‌ها قرار می‌گیرند. 

استفاده از هیدروژن

هنوز برخی از بهترین محل‌ها برای کارخانه‌های DRI مکان‌هایی است که منابع انرژی فراوان و نسبتاً ارزان به راحتی در دسترس است، مانند مکان‌هایی در خاورمیانه که گاز طبیعی در دسترس دارند و جاهایی که سنگ‌آهن با کیفیت مناسب موجود است.  

با توجه به آینده، شتاب فزاینده‌ای به سمت تولید فولاد مبتنی بر هیدروژن وجود دارد و ارائه‌دهندگان فناوری DRI وعده کاهش انتشار کربن را می‌دهند. آن‌ها خاطرنشان می‌کنند که در طرح‌های کارخانه‌های فعلی آن‌ها، درصد قابل‌توجهی از هیدروژن در گاز فرآیندی برای تولید DRI استفاده می‌شود. اگر یک کارخانه فولادسازی تمایل به افزایش درصد هیدروژن مصرفی و امکانات این کار را داشته باشد درصورتی‌که هیدروژن ۱۰۰ درصد به مقدار کافی و با هزینه معقول و مقرون‌به‌صرفه در دسترس باشد (ترجیحاً با تولید آن از طریق ذخایر انرژی تجدیدپذیر) آن‌ها طراحی کارخانه و فناوری‌های لازم برای اجرای آن را در اختیار دارند. 

کارشناسان صنعت اذعان می‌کنند که برخی دیگر از فناوری‌های جدید و موفق برای تولید فولاد در آینده مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته‌اند، اما این کارشناسان بر این باورند که واقعیت‌های تجاریِ سرمایه‌گذاری‌های هنگفت در کارخانه‌های فولاد فعال و در حال کار به این معنی است که سال‌های زیادی طول می‌کشد تا به سطح کربن‌زدایی موردنظر صنعت و دولت‌ها دست یابند. این کار با کمک آن انتقال چندساله که ارائه‌دهندگان فناوری DRI می‌گویند نقش مهمی ایفا می‌کند، انجام می‌شود. 

یک رویکرد سه مرحله‌ای

“کریستین بوهم” (Christian Böhm)، رئیس فروش کارخانه‌های احیای مستقیم در “پرایمتالز تکنولوژیز” (Primetals Technologies)، در سخنرانی خود درباره کربن‌زدایی صنعت فولاد در کنفرانس “انجمن بین‌المللی فلزات آهنی” (International Iron Metallics Association) در سال ۲۰۲۱، یک بازه زمانی احتمالی برای یک رویکرد سه مرحله‌ای برای کربن‌زدایی مطرح کرد؛ این رویکرد شامل یک فاز بهینه‌سازی، یک فاز انتقال و یک فاز نهایی تولید فولاد سبز است. 

فاز بهینه‌سازی برای کارخانه‌های فولاد موجود تا سال ۲۰۲۵ می‌تواند سطح فعلی دی‌اکسیدکربن را ۱۰ تا ۲۰ درصد کاهش دهد؛ این کاهش از طریق بهینه‌سازی فرایند، انرژی و مواداولیه و همچنین پیشرفت فناوری از جمله افزایش استفاده از قراضه در BOFها به دست خواهد آمد. با اقداماتی از قبیل غنی‌سازی هیدروژن در کارخانه‌های DRI موجود و افزایش جذب و استفاده از کربن، در فاز انتقال شاهد کاهش انتشار دی‌اکسیدکربن به میزان ۳۰ تا ۴۰ درصد نسبت به سطح فعلی خواهیم بود و فاز نهایی تولید فولاد سبز، با احیای مستقیم که ۱۰۰ درصد با هیدروژن انجام می‌شود و انتخاب گسترده برق سبز برای EAFها می‌تواند از سال ۲۰۳۰ تا ۲۰۵۰ بین ۷۰ تا ۸۰ درصد دی‌اکسیدکربن را کاهش دهد؛ علاوه بر این، افزایش جذب کربن و استفاده از دی اکسید کربن، “بارگیری گرم” (hot charging) DRI به EAFها، که توسط برخی از فولادسازان انجام می‌شود، میزان انتشار کربن را کاهش می‌دهد.

بوهم خاطرنشان کرد که یک رویکرد کلی برای کربن‌زدایی فولادسازی در ادامه کار به مواردی نیاز دارد، مانند تأمین برق «سبز یا زرد» کافی با هزینه‌های مقرون‌به‌صرفه، ضرورت تعیین هزینه برای انتشار دی اکسید کربن، مانند طرح‌های تجاری انتشار کربن یا اخذ مالیات برای کربن و داشتن یک چارچوب حقوقی بین‌المللی مناسب و در نظر گرفتن یارانه برای انجام انتقال. 

او گفت: «فکر می‌کنم این موضوع کربن‌زدایی صنعت فولاد در سال‌ها و دهه‌های آینده مدام مطرح می‌شود و درباره آن می‌شنویم. باید بگویم که این پروژه کربن‌زدایی زمان‌بَر است زیرا نمی‌توان در یک مرحله آن را انجام داد.»

اقتصاد در حال تحول

ارائه‌دهندگان فناوری DRI می‌گویند که فناوری‌های مورد نیاز در حال حاضر در دسترس هستند اما اقتصادهای گسترده‌تر باید توسعه یابند تا به فراهم شدن سرمایه‌گذاری لازم برای استفاده از این فناوری‌ها کمک کنند. 

در اوایل سال‌جاری، “پائولو آرجنتا” (Paolo Argenta)، معاون رئیس اجرایی “تنوا” (Tenova)، در مقاله‌ای مفصل در مورد شتاب روزافزون در فولادسازی مبتنی بر هیدروژن و مشارکت تنوا در این روند، گفت که اگرچه مزایای زیست‌محیطی استفاده از هیدروژن برای ساخت فولاد روشن و واضح است، هزینه‌های اضافی بهره‌برداری از آن همچنان یک چالش است. 

او گفت: «امروزه اقتصاد روی پای خودش نمی‌ایستد. تولید هیدروژن هنوز خیلی گران است. در بیشتر کشورها ساخت DRI و EAF هزینه بیشتری نسبت به تولید فولاد از طریق کوره‌بلند دارد. می‌دانم که در آینده هنوز لازم است دولت‌ها و انجمن‌های تجاری بین‌المللی از این تغییر حمایت کنند. مثلاً اروپا اکنون کارهای زیادی انجام می‌دهد.» 

فولادسازان تصمیم گرفته‌اند فولادسازی مبتنی بر EAF را جایگزین تولید BF/BOF کنند و همچنین قابلیت انعطاف‌پذیری بیشتری را در انتخاب مواداولیه خود ارائه دهند. آرجنتا گفت: «قابلیت انعطاف‌پذیری بیشتر DRI وEAF  نه تنها از نظر سهولت روشن و خاموش کردن با توجه به شرایط بازار، بلکه همچنین از نظر قابلیت استفاده از مقادیر مختلف قراضه در مقابل سنگ‌آهن، اهمیت زیادی دارد زیرا برخی از ویژگی‌های خاص فولاد ممکن است به واحدهای آهن بکر کمتر یا بیشتری نیاز داشته باشند و نوسانات زیادی در قیمت فولاد و سنگ‌آهن وجود دارد.»

او این نکته را هم متذکر شد که نسبت مواد خام در بارگیری با توجه به قیمت‌های رایج و معمول قراضه و سنگ‌آهن ممکن است تغییر کند.

 او گفت: «وقتی کیفیت فولادی که محصول از آن تولید می‌شود خیلی مهم نباشد همیشه می‌توانید مقادیر بیشتری از قراضه را تهیه كنید.» بنابراین تغییر مسیر به سمت استفاده از DRI به علاوه EAF در مورد محل تهیه مواد خام هم به تولیدکنندگان فولاد انعطاف بیشتری می‌دهد. آرجنتا اضافه کرد: «در پایان، می‌بینیم که بیش از ۵۰ درصد هزینه‌های تولید فولاد مربوط به هزینه مواد خام است. ما در تنوا انتظار داریم EAFهای بیشتری در آینده ساخته شود و همچنین فلزات بیشتری وجود داشته باشد و حتی شرکت‌های معدن کاری بیشتری در این عرصه فعالیت کنند.» 

مسیر پیش‌ رو

“استفن مونتاگ” (Stephen Montague) رییس و مدیرعامل “میدرکس تکنولوژیز” (Midrex Technologies)، دیدگاه شرکتش درباره DRI را شرح داد.

او توضیح داد: «ما یک پلتفرم فناوری داریم که امروزه آماده تولید DRI با استفاده از گاز طبیعی، در صورت موجود بودن هیدروژن و افزایش هیدروژن در صورت در دسترس بودن در آینده است. ما این توانایی را داریم که برای تولید فولاد الکتریکی، DRI داغ در محل ایجاد کنیم و تاجران HBI را وادار کنیم آن را برای فولادسازان حمل و ارسال کنند. این آهن با احیای مستقیم با CO_۲  کمتر نه تنها به EAF مربوط می‌شود، بلکه در مورد HBI به کوره بلند و BOF برای کمک به انتقال آن‌ها کمک می‌کند.» 

او گفت فکر می‌کند که کربن‌زدایی بزرگ‌ترین چالشی است که صنایع آهن و فولاد در دهه‌های اخیر با آن مواجه شده است. «من در حرفه‌ام چرخه‌های تجارت فولاد را تجربه کرده‌ام. مدیریت آن‌ها و در حال حاضر هم مدیریت شرایط ناشی از همه‌گیری کووید ۱۹ سخت است اما بررسی چالش‌های پیشِ رو برای کربن‌زدایی از این صنعت نشان می‌دهد که این مسیر حتی سخت هم خواهد شد. این مثل کلید برق نیست که فقط آن را فشار دهید و همه چیز درست شود، برای کربن‌زدایی لازم است شرکت‌ها تفکر و امکانات و تجهیزات تولیدشان را تغییر دهند و همه باید آماده کمک باشند. این نقشی است که DRI قرار است ایفا کند