هدف از طرح «تولید فولاد سبز» افزایش کیفیت، بهره­وری و کاهش انتشار گاز دی اکسید کربن در صنایع تولیدی فولاد است. به طور متوسط در روش­های قدیمی و انرژی­بر فولادسازی، تولید هر یک تن فولاد همراه با تولید حدود دو تن گاز دی اکسید کربن است. فولاد سبز یک فرآیند جدید تولید فولاد از طریق بهبود فناوری است که انتشار گازهای گلخانه­ای را کم کرده، هزینه­ها را پایین آورده و کیفیت فولاد تولیدی را بالا می­برد. امروزه روش­های مختلفی در صنعت فولاد برای کاهش میزان آلودگی به کار برده­ می­شود. این روش­ها، انتشار گاز دی اکسید کربن را کاهش می­دهد که امری مهم در مبحث سه­گانه محیط‌زیست، جامعه و اقتصاد است.

ماهنامه پردازش- امروزه عامل اساسی که می­تواند ضمن افزایش مطلوبیت محصولات و خدمات، سازمان را خشنود نماید و سود مناسبی را نیز ایجاد نماید، توجه به بهره­وری سبز است. بهره­وری سبز، راهبردی جهانی به منظور ایجاد تغییرات مورد نیاز در فناوری و صنعت موجود به منظور ساختن جامعه­ای مبتنی بر توسعه پایدار است. توسعه پایدار توسعه­ای است که نیازهای فعلی جامعه را بدون به خطر انداختن توانایی نسل­های آینده برآورده می­سازد. صنایع فولادی نقش مهم و اساسی در توسعه یک کشور دارند. در طول سالیان گذشته صنایع فولادی رفاه، اشتغال و فرصت­های معیشت را افزایش دادند. البته از طرفی دیگر، صنایع فولادی عامل افزایش مصرف سوخت­های فسیلی و انتشار آلاینده­های جامد، مایع و گازی در محیط اطراف هستند. انتشار CO_۲ یک مشکل بزرگ برای صنایع فولادی است. هدف تولید فولاد سبز صرفه­جویی در مصرف انرژی و کاهش انتشار گاز دی اکسید کربن ضمن استفاده مؤثر از بازیافت قراضه آهن به عنوان راهی در توسعه پایدار صنعت فولاد است. این روند تولید گازهای گلخانه­ای در صنایع آهن و فولاد را کاهش داده و منابع تولیدی پاک­تری را در راستای تکنولوژی عرضه می­نماید که در نهایت صنعت فولادسازی را در راستای محیط‌زیست سالم­تر و به سمت استفاده بهینه از منابع رهنمون می­سازد.  افزایش بهره­وری از طریق به کارگیری تکنولوژی کارآمد در بخش تولید برای محیط‌زیست و توسعه اجتماعی مؤثر است. در این نوشتار فنآوری­های کاهش انتشار CO_۲ در صنعت فولاد مورد مطالعه قرار گرفته‌اند.

بهره­وری سبز

یکی از راهبردهای زیست‌محیطی صنعت، پیشگیری از ایجاد آلودگی است. یکی از معروف‌ترین رویکردهای پیشگیری، بهره­وری سبز است. مفهوم بهره­وری سبز با تلاش و هماهنگی سازمان بهره­وری آسیایی در سال ۱۹۹۴ برای مواجه با عملکردهایی که موجبات آلایندگی محیط‌زیست را فراهم می­آورند مطرح شد. بهره­وری سبز، به کارگیری تکنولوژی­های مناسب و تکنیک‌های مدیریتی صحیح در راستای تولید کالاها و خدمات سازگار با محیط‌زیست و در جهت افزایش بهره­وری و سوددهی است. در همین راستا، بهره­وری سبز از دو اصل بهره­‌وری و محیط‌زیست به دست آمده است. بهره­وری سبز راهبردی چند بعدی است که عملکرد تجارت و از همه مهمتر کیفیت زندگی را بهبود می‌بخشد. به عبارت دیگر، بهره­وری سبز عبارت از به کارگیری نظام مدیریت، تکنولوژی­ها و فنون مناسب و صحیح برای تولید کالا، ارایه خدمات سازگار با محیط‌زیست و استفاده بهینه از منابع در راستای ایجاد کمترین آلایندگی است. مقایسه انجام یک فرآیند معمولی با یک فرآیند که در آن بهره­وری سبز در نظر گرفته شده در شکل (۱) آمده است. برای اجرای پروژه بهره­وری سبز، باید ۶ مرحله طی شود که در شکل (۲) ارایه شده است. بهره­وری سبز از ائتلاف دو راهبرد مهم «بهبود بهره‌وری» و «حمایت از محیط‌زیست» شکل گرفته است. گاز گلخانه­ای CO_۲، بیشترین اهمیت را در صنعت فولاد جهان دارد. به طور متوسط در سال ۲۰۱۷، میزان ۱/۸۳ تن گاز CO_۲ برای هر تن فولاد تولید شده انتشار یافته است. صنعت فولاد بین ۷ تا ۹ درصد میزان انتشار مستقیم از استفاده جهانی از سوخت­های فسیلی را تولید می­کند. بر اساس گزارش ارایه شده توسط آژانس ارزیابی محیط‌زیستی هلند (N.E.A.A) میزان انتشار گاز CO_۲ کشور ایران در سال ۲۰۱۴ برابر ۶۲۰ میلیون تن بوده و روند تغییرات سرانه انتشار گاز CO_۲ در محدوده زمانی ۱۹۹۰ تا ۲۰۱۴  با رشد ۱۱۷ درصد روبه‌رو بوده است. یکی از شیوه‌­های اصلی راهبرد بهره­‌وری سبز، بهبود فنآوری است که در این نوشتار، هدف‌ بررسی این راهبرد است.

روش‌های تولید فولاد سبز

۱. تزریق زغال‌سنگ پودر شده (PCI)

این فرآیند شامل دمیدن حجم زیادی از دانه­های ریز زغال‌سنگ در کوره‌بلند است. این روش یک منبع کربن مکمل را برای تسریع در تولید فولاد و کاهش نیاز به تولید کک را فراهم می­کند. در نتیجه، مصرف انرژی و انتشار گاز CO_۲ می­تواند کاهش یابد. میزان زغال‌سنگ قابل تزریق به کیفیت کک و زغال‌سنگ، هندسه کوره‌بلند و بازدهی عملیات بستگی دارد. حداکثر میزان زغال‌سنگی که می­توان در آن تزریق کرد، تقریباً ۰/۲۷ تن در تن فلز گرم است. استفاده از زغال‌سنگ خالص حدود ۲۰ درصد افزایش در تزریق زغال‌سنگ را فراهم می­كند و به كاهش میزان كك بر این اساس كمك می­كند. با استفاده از فلز داغ ۲۰۰-۱۷۰ کیلوگرم بر تن و تزریق زغال‌سنگ پودر شده، مصرف کک به میزان کم ۳۲۰-۲۸۶ کیلوگرم بر تن فلز گرم در کوره­های بلند مدرن حاصل شده است. شماتیک این روش در شکل (۳)آمده است.

۲. خاموش کردن کک به روش خشک (CDQ)

این سیستم بازیابی گرما برای خاموش کردن کک داغ قرمز از کوره به دمای مناسب برای حمل و نقل است. این سیستم صرفه­جویی در مصرف انرژی است که در آن گرمای محسوس کک داغ قرمز برای تولید برق بازیابی می­شود. از ویژگی­های فرآیند خاموش کردن کک به روش خشک می­توان به موارد زیر اشاره کرد:

1. سیستم خاموش‌کننده تدریجی کک با افزایش استحکام کک و بهبود توزیع اندازه کک می‌شود.
2. میکرون کک M40 به میزان ۳ تا ۸ درصد و میکرون کک M10 به میزان ۰/۳ تا ۰/۸ درصد بهبود می­یابد.
3. مقدار CSR کک به میزان دو درصد بهبود می­یابد.
4. کک خنک شده خشک، نسبت به حالت مرطوب موجب کاهش کک کوره‌بلند می­شود (۲ درصد تا ۲/۵درصد).
5. صرفه‌جویی در مصرف انرژی در حدود ۰/۲۵ گیگاکالری در تن کک مصرفی.
6. از آنجاکه برق به جای بخار حاصل از سوزاندن سوخت­های فسیلی از طریق بخار حاصل از انرژی اتلافی در بویلرها حاصل می­شود، میزان انتشار گاز CO_۲ به میزان ۱۳۰ کیلوگرم در تن کک کاهش می­یابد.
7. گرد و غبار کک و مؤلفه قابل احتراق در گازهای در حال گردش با دمیدن هوا به داخل گاز سوزانده می­شوند تا بتوان دمای گاز در گردش را بالا برد.
8. تولید ۵۰۰ تا ۷۰۰ کیلوگرم بخار در هر تن کک و تولید ۱۴۰ تا ۱۸۵ کیلووات ساعت برق در تن کک مصرفی
9. بازگشت سرمایه­گذاری اولیه است طی سه تا پنج سال.

این روش یکی از اقدامات عالی برای جلوگیری از گرم شدن کره زمین است. گرمای بازیابی شده توسط کک خشک برای تولید توان الکتریکی استفاده می­شود که منجر به کاهش مصرف سوخت فسیلی در نیروگاه­ها می­شود. بنابراین می­توان انتشار CO_۲ را در کل کاهش داد. شماتیک این روش در شکل (۴) آمده است

۳. جذب و ذخیره‌سازی کربن(CCS)

یکی از راه­های فنی برای کاهش انتشار گازهای گلخانه­ای، جذب و ذخیره­ سازی کربن می­باشد. از آثار بعدی آن بهبود و تسکین وضعیت تغییرات آب و هوایی جهانی است. CCS تکنولوژی است که به وسیله آن می­توان ۹۰ درصد دی اکسید کربن منتشر شده را که حاصل از مصرف سوخت­های فسیلی در تولید برق و فرآیندهای صنعتی است، جذب و از انتشار آن در اتمسفر جلوگیری کرد. مراحل جذب و ذخیره دی اکسید کربن (CCS) در ادامه ارایه شده است.

1. جذب دی اکسید کربن

جداسازی (جذب) دی اکسید کربن به سه روش انجام می­­شود. روش اول جداسازی پس از احتراق، روش دوم جداسازی از سوخت قبل از احتراق و روش سوم احتراق با اکسیژن خالص است.

• انتقال دی اکسید کربن

با توجه به شرایط خاص و حجم انتقال، خطوط انتقال اقتصادی­ترین و به صرفه­ترین روش برای فواصل ۱۰۰۰ تا ۱۵۰۰ کیلومتری است. برای فواصل بیشتر انتقال با کشتی­ها مقرون به صرفه­تر می­باشد. برای مثال در آمریکا ده­ها میلیون تن دی اکسید کربن به میدان­های نفتی منتقل می­شود تا در پروژه­هایEOR  استفاده شود.

• ذخیره امن دی اکسید کربن

مرحله پایانی CCS ذخیره­سازی امن CO_۲ جدا شده در زیر زمین است. ساختارهای زمین شناختی زیادی وجود دارد که  CO_۲  وگاز طبیعی را برای میلیون­ها سال ذخیره کرده‌اند. CO_۲ جذب شده را می­توان در مناطق مختلف زمین‌شناختی از جمله حوضچه­های رسوبی، میدان­های خالی نفت و گاز، سفره­های آب شور و لایه­های عمیق زغال‌سنگ غیرمعدنی ذخیره کرد.

۴.فنآوری استفاده از هیدروژن به جای کک (Hybrit)

Hybrit فرآیند جدید تولید فولاد است که به جای کک از هیدروژنی استفاده می­کند که در واکنش با اکسیژن موجود در سنگ‌آهن بخار آب تولید می‌کند. هیدروژن خود به‌طور ساده و بدون استفاده از توان الکتریکی از انرژی تجدیدپذیر در آب و هوا تولید می­شود. به این ترتیب، این فرآیند در نهایت می­تواند «فولاد سبز» واقعی تولید کند. هم‌چنین در روش احیاء مستقیم نیز می­توان برای احیاء از گاز هیدروژن استفاده کرد و در نهایت با گرفتن بخار آبی که در بالای کوره به وجود می­آید و با چگالش و تصفیه، آن را تبدیل به آب کرد و از الکترولیز آب گاز هیدروژن را به وجود آورد. این روش نسبت به روش معمول ۲۰ تا ۳۰ درصد هزینه بیشتری برای ساخت و اجرا دارد اما مشکلات زیست‌محیطی در صنعت فولاد را کاهش داده و تولید فولاد سبز را محقق می­سازد. در (شکل ۵) این فرآیند به صورت شماتیک نشان داده شده است.

۵. آهن­سازی به روش HYL(III) و اسفاده از سیستم HYTEMP

يكی از روش­هاي مهم آهن­سازي روش HYL است که از نام اولین کمپانی سازنده مکزیکی به نام هیلسا گرفته شده است. فرآیند HYL شامل چهار نوع صفر، نوع یک، نوع دو و نوع سه می­باشد. در فرآیند HYL(III) گاز احیاء کننده تازه توسط ریفرمینگ گاز طبیعی با بخار تولید می­شود. گاز طبیعی گرم می­شود و به کمتر از یک پی پی ام گوگرد، گوگرد زدایی می­شود سپس با بخار فوق اشباع مخلوط می­گردد و تا حدود دمای ۶۲۰ درجه سانتی­گراد پیش­گرم می شود. سپس در لوله­های آلیاژی پر شده با کاتالیست مبتنی بر نیکل در دمای ۸۳۰ درجه سانتی­گراد ریفورم می­شود. گاز ریفورم شده برای حذف بخار آب خنک می­شود و باگاز بازیافت شده از کوره شفت مخلوط شده تا اینکه مجدداً در یک بخاری غیر مستقیم  تا دمای ۹۲۵ درجه سانتی­گراد گرم شده و به کوره شفت تزریق ­شود. یکی از مزیت­های مهم این روش این است که چون گاز خروجی به ریفرمر بازیافت نمی‌شود، ریفرمر کوچکتر است. با حذف دی اکسید کربن از گاز که به کوره بازیافت می­شود، استفاده بهینه از گاز احیاء بدست می­آید. این کار اجازه می­دهد که اندازه رآکتورکوره شفت عمودی کاهش یابد. هم‌چنین یک اصل جایگزین در این روش استفاده از آهن احیاء شده داغ در کوره شفت عمودی به عنوان کاتالیزور برای ریفرمرینگ گاز طبیعی است. به این ترتیب، ریفرمر نیز احیاء می یابد. سیستم HYTEMP، یک سیستم پنوماتیک برای انتقال آهن‌اسفنجی داغ (DRI) با استفاده از گاز نیتروژن یا فرآیند به عنوان گاز حامل به کوره قوس‌الکتریکی می­باشد که در (شکل ۶) نشان داده شده است. این یک فرآیند سازگار با محیط‌زیست است، زیرا آهن‌اسفنجی از زمان تخلیه از راکتور احیاء تا ورود به کوره قوس‌الکتریکی محصور شده است. تفاوت بین DRI سرد با کربن ۲/۲ درصد و DRI داغ با دمای ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد با کربن ۴ درصد در شکل (۷( و شکل (۸) آمده است (Ref 1 و Ref 2). این فرآیند باعث کاهش kWh/tlS  ۱۸۰ و کاهش حدود ۱۲ دقیقه زمان احیاء می­شود که پتانسیل بهره­وری بالای ۲۵ درصد را دارد.

نتیجه‌گیری

1. استفاده از ضایعات فولادی باعث کاهش انتشار کربن از چرخه عمر فولاد می‌شود. یکی از راه­های اجرای بهره­وری سبز، پراختن به موضوع ارزیابی چرخه­ی عمر (LCA) فولاد است. با استفاده از این روش می­توان میزان CO_۲‌ خروجی را حساب کرد و برای کاهش آن اقدام کرد.
2. اجرای تولید سبز با محوریت بررسی صرفه­جویی در مصرف انرژی و انتشار CO_۲ از تولید فولاد و استفاده مؤثر از بازیافت ضایعات فولادی به عنوان راهی برای توسعه پایدار در صنعت فولاد است.
3. در بسیاری از صنایع، کاهش اثرات محیط‌زیستی راهبردی هزینه­بر تلقی می شود اما برخلاف این دیدگاه، کاهش اثرات زیست‌محیطی همراه با سود اقتصادی است.