دسته‌بندی فناوری‌های كاهش ردپای كربن در صنعت تولید آهن و فولاد

زمانی که یک کشور به این سطح از موجودیت فولاد در کاربرد‌های مختلف رسید، به‌طور تئوری می‌تواند تنها به فرایند‌های بر پایه بازیافت فولاد جهت تأمین نیاز‌های جاری تکیه کند. بااین‌حال، برای بسیاری از کشور‌های درحال‌توسعه (ازجمله چین و هند) ذخایر فولاد مصرفی کمتر از ۵ تن به ازای هر نفر است و می‌توان انتظار داشت که تا رسیدن به اشباع در حدود ۱۳ تن در هر نفر تولید اساسی فولاد افزایش یابد. بنابراین، انتظار می‌رود تقاضا برای فولادسازی اولیه (یعنی تولید فولاد خام از سنگ‌آهن) برای سال‌های آینده همچنان بالا باشد.

در حال حاضر، دو مسیر غالب برای فولادسازی اولیه وجود دارد: ۱- مسیر کوره بلند - کوره اکسیژن بازی (کنورتور) یا (BF-BOF) و ۲- مسیر احیا مستقیم آهن - کوره قوس الکتریکی یا (DRI-EAF). در مقالات قبلی مقایسه جامعی بین این دو مسیر از نظر شدت مصرف انرژی و میزان انتشار گاز‌های گلخانه‌ای (CO۲) صورت گرفت. انتشار گاز‌های آلاینده برای مسیر احیا مستقیم آهن - کوره قوس الکتریکی کمتر از مسیر کوره بلند است؛ بااین‌حال شدت CO۲ همچنان برای فرایند‌های فولادسازی اولیه زیاد است، زیرا در حال حاضر به‌شدت به منابع فسیلی هم به‌عنوان منبع گرما و هم به‌عنوان یک عامل احیاکننده برای احیای اکسید آهن وابسته است. به همین دلیل در حال حاضر پروژه‌های بسیاری در سراسر جهان با هدف کاهش انتشار CO۲ فسیلی از صنعت آهن و فولاد در حال انجام است.

البته گفتنی است صنعت آهن و فولاد به دلیل نیاز‌های حرارتی بالا، استفاده از کربن به‌عنوان ورودی اساسی فرایند، حاشیه سود کم، شدت سرمایه‌بری بالا، عمر طولانی دارایی و چالش‌های تجاری، یکی از سخت‌ترین صنایع برای کربن‌زدایی محسوب می‌شود. یکی دیگر از چالش‌های مهم روند جهانی کاهش ردپای کربن در صنعت آهن و فولاد کوره‌های بلند چینی هستند که بیش از ۵۰ درصد از تمام پلنت‌های آهن‌سازی دنیا را تشکیل می‌دهند. این تأسیسات به‌شدت به برق فسیلی و زغال‌سنگ متکی است و منابع اصلی انتشار CO۲ به شمار می‌رود. همچنین این پلنت‌ها نسبتاً جوان به شمار می‌آیند و به‌طور متوسط حدود ۱۳ سال عمر دارند؛ بنابراین جایگزینی آن‌ها با تجهیزات کارآمدتر مقرون‌به‌صرفه نیست.

کاهش ردپای کربن در صنعت آهن و فولاد را می‌توان از طریق تکنیک‌های مختلف، از بهبود بهره‌وری انرژی گرفته تا استفاده از فرایند‌های تولید سبز، به‌منظور کاهش انتشار مستقیم و غیرمستقیم کربن به دست آورد. از طریق استفاده از این روش‌ها، صنعت آهن و فولاد می‌تواند سهم معناداری در کاهش ردپای کربن داشته باشد. نوع پروژه‌های کاهش انتشار CO۲ ذاتاً به چند دسته زیر تقسیم می‌شود: فناوری‌های کاهش انرژی و رویکرد انرژی‌های سبز، فناوری‌های جذب و استفاده از کربن، فناوری‌های اجتناب مستقیم کربن (فرایندی) و فناوری‌های کاملاً جایگزین. یکی دیگر از دسته‌بندی‌های بین‌المللی تکنیک‌های قابل‌قبول کاهش ردپای کربن در صنعت آهن و فولاد توسط آژانس بین‌المللی انرژی (IEA (International Energy Agency به شرح زیر ارائه شده است: جذب و استفاده از کربن (CCUS)، توسعه فرایند‌های هیدروژنی، الکترولیز مستقیم آهن، و استفاده از انرژی‌های زیستی.

یکی از راه‌های افزایش بهره‌وری انرژی و کاهش انتشارات در کل مسیر تولید، استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر و سبز است. نیروگاه‌های بادی، خورشیدی و آبی همگی می‌توانند به‌عنوان منابع تولید برق سبز استفاده شوند. شرکت‌ها همچنین می‌توانند با استفاده از سیستم‌های بازیابی گرما و بهینه‌سازی فرایند‌های تولید خود، انتشار گاز‌های گلخانه‌ای را کاهش دهند و کارایی را بهبود بخشند. راه دیگر برای کاهش انتشار کربن در صنعت آهن و فولاد، اتخاذ فرایند‌های کارآمدتر است. با استفاده از ماشین‌آلات نسل جدید و تکنیک‌های تولید هوشمندتر، این بخش می‌تواند مصرف انرژی خود را به‌طور چشمگیری کاهش دهد. به‌عنوان مثال، برخی از تولیدکنندگان فولاد به مدل‌های کامپیوتری پیشرفته روی می‌آورند که ترکیب بهینه مواد، دما و فشار را در تولید آهن و فولاد برای کاهش مصرف انرژی و بهبود کیفیت محصول پیش‌بینی می‌کنند. اجرای این استراتژی‌ها می‌تواند به‌طور قابل‌توجهی انتشار کربن در صنعت را کاهش دهد و به آن کمک کند تا از نظر زیست‌محیطی پایدارتر شود.

با در نظر گرفتن اهمیت آهن و فولاد در جامعه مدرن و دشواری کربن‌زدایی از زنجیره‌های تولید و تأمین فولاد، نیاز به بررسی‌های جامع تکنیک‌های کربن‌زدایی در صنعت آهن و فولاد از طریق یک بازنگری سیستماتیک و رویکرد میان‌رشته‌ای دقیق به‌شدت وجود دارد؛ بنابراین تحقیقات عمیق و تخصصی برای پاسخ‌گویی به سؤالات کلیدی در این زمینه باید انجام گیرد، سؤالاتی از این قبیل: کدام گزینه برای کربن‌زدایی صنعت آهن و فولاد در دسترس و امیدوارکننده است و در نتیجه این صنعت را از نظر زیست‌محیطی پایدارتر می‌کند؟ عوامل کلیدی مصرف انرژی و ردپای گاز‌های گلخانه‌ای در این صنعت چیست؟ از نظر اقتصاد صنعتی، کربن‌زدایی صنعت آهن و فولاد چه مزایایی دارد و با چه موانعی مواجه خواهد شد؟