معرفی پروژه فناوری فولاد سبز بر پایه پلاسمای هیدروژن SuSteel

شرکت فولادسازی اتریشی Voestalpine در تلاش است تا سال ۲۰۵۰ فولاد بدون ردپای کربنی را مطابق با اهداف آب‌وهوایی اتحادیه اروپا تولید کند. این گروه جهانی در حال حاضر سخت در حال فعالیت برای توسعه فناوری‌های بسیار نوآورانه و فرایند‌های تولید در راستای توسعه «فولاد سبز»، به‌عنوان پروژه‌ای بلندپروازانه و فازبندی شده است. در سایت‌های Linz و Donawitz این شرکت، با جدیت بر روی فرایند‌های جدیدی کار می‌شود که امکان موفقیت در کربن‌زدایی تولید فولاد را خواهند داشت.


دو پروژه شاخص این شرکت در این راستا، H۲Future و SuSteel است که در زمینه تحقیق در مورد تولید و استفاده از هیدروژن سبز برای بهره‌برداری در فناوری‌های جدید تولید فولاد، این شرکت را به یکی از پیشگامان جهانی در صنعت تبدیل کرده‌اند. Voestalpine به‌طور مداوم برنامه خود را برای دست‌یابی به تولید فولاد بدون اثرات مخرب آب و هوایی و زیست‌محیطی دنبال می‌کند. هدف میان‌مدت تا سال ۲۰۲۷ جایگزینی درصدی از تأسیسات تولید موجود بر پایه مسیر کوره بلند با تولید فولاد به روش‌های هیبریدی با استفاده از برق و ادامه دادن افزایش متوالی سهم هیدروژن سبز مورداستفاده در فرایند تولید فولاد تا سال ۲۰۵۰ است. واضح است الزامات تحقق این چشم‌انداز انقلابی عبارت‌اند از: در دسترس بودن برق سبز و هیدروژن کافی با قیمت‌هایی که در شرایط رقابتی بازار قابل‌قبول باشد. در این راستا، سرمایه‌گذاری‌های اخیر در سایت Donawitz باعث توسعه و راه‌اندازی مرکز تحقیقات جدید در یک محیط آزمایش ایدئال شده است. TechMet، یک مرکز تحقیقات فنی متالورژی برای تولید فولاد‌های با کارایی بالا و همچنین دارای یکی از پیشرفته‌ترین خطوط ریخته‌گری پیوسته تمام دیجیتال در جهان است.

به‌عنوان بخشی از پروژه تحقیقاتی «فولادسازی پایدار» (SuSteel)، این شرکت استفاده از پلاسمای هیدروژن را در فرایند تولید فولاد بدون ردپای کربن، در یک مرکز آزمایشی جدید در سایت در Donawitz Voestalpine بررسی خواهد کرد. هدف از پروژه SuSteel یا معرف اختصاری Sustainable Steelmaking، طراحی و توسعه یک فناوری برای تولید فولاد خام بدون انتشار گاز CO۲ است که بر پایه استفاده از پلاسمای هیدورژنی بنا شده است. به نظر می‌رسد شرکت Voestalpine در حال حاضر تنها تولیدکننده فولاد در جهان است که در مورد استفاده از پلاسمای هیدروژنی در فرایند‌های آهن‌سازی و فولادسازی تحقیق می‌کند. این فرایند پایدار است، زیرا اجازه می‌دهد فولاد خام بدون انتشار دی‌اکسید کربن تولید شود. این فرایند تنها در یک مرحله، با استفاده از پلاسمای هیدروژن آهن موجود در سنگ معدن را از اکسیژن همراه آن جدا (احیا) می‌کند و آن را برای مرحله بعدی ذوب می‌کند؛ به همین دلیل این فرایند احیای ذوبی پلاسمای هیدروژن نامیده می‌شود. شرکای این پروژه که به شرکت Voestalpine در این حرکت تحقیقاتی اساسی پیوسته‌اند شامل مرکز تحقیقات متالورژی K۱-MET و دانشگاه Leoben هستند. در این فرایند از یک طرف هیدروژن برای احیا اکسید‌های آهن استفاده می‌گردد و از طرف دیگر انرژی آن در فاز پلاسما برای ذوب‌آهن فلزی استفاده می‌شود. استفاده از هیدروژن به‌عنوان یک عامل احیاکننده این مزیت را ارائه می‌دهد که تنها بخار آب به‌عنوان محصول جانبی واکنش احیا تولید می‌شود؛ بنابراین می‌توان از انتشار معمول CO۲ در فرایند آهن‌سازی به‌طور کامل اجتناب کرد. مواردی مانند تولید پلاسما، اثرات هیدروژن بر روی پوشش دیرگداز و همچنین جزئیات مربوط به کنترل شرایط فرایند و پارامتر‌های آن، نقاط تمرکز اصلی پروژه‌های تحقیقاتی این طرح را تشکیل می‌دهند.


اولین تجهیزات آزمایشگاهی بر اساس این فرایند برای احیای ذوبی حدود ۱۰۰ گرم آهن قبلاً با موفقیت در مرکز تحقیقات متالورژی آهن و فولاد در دانشگاه Leoben راه‌اندازی شده است. این دانشگاه به‌علت نزدیکی به سایت Donawitz به‌عنوان یکی از شرکای دانشی این پروژه انتخاب شده است. دانش به‌دست‌آمده در مرحله بعد برای طراحی و ساخت یک رآکتور پایلوت (مقیاس کوچک) که ظرفیت ذوب آن حدود ۹۰ کیلوگرم است، استفاده شد. این تأسیسات آزمایشی برای نشان دادن شرایط فرایند و همچنین کنترل و دریافت داده‌ها و ویژگی‌های عملیاتی عمومی فرایند ناپیوسته اولیه در نظر گرفته شده است. در این مرحله همچنین، فرایند بهینه می‌گردد و هرگونه شرایط عملیاتی که به غیر بهینه شدن آن منجر شود شناسایی و حذف می‌شود. در این تأسیسات آزمایشی که در سال ۲۰۲۱ در Donawitz آغاز به کار کرد، تحقیقات در مورد استفاده از پلاسمای هیدروژن برای تولید فولاد خام بدون ردپای کربن تنها در یک مرحله انجام می‌شود.


در تولید فولاد معمولی از کک، زغال‌سنگ یا گاز طبیعی به‌عنوان عوامل احیاکننده سنگ معدن استفاده می‌شود. پروژه SuSteel این‌ها را با هیدروژن جایگزین می‌کند. پلاسمای هیدروژنی هم‌زمان برای احیای سنگ‌آهن و سپس ذوب آن به‌صورت فولاد خام در یک کوره قوس الکتریکی جریان مستقیم مخصوص استفاده می‌شود. مزیت استفاده از برق سبز در تولید هیدروژن و ورود آن به‌عنوان عامل احیاکننده این است که بخار آب تنها محصولی است که به‌طور کامل از انتشار دی‌اکسید کربن جلوگیری می‌کند. برخلاف فرایند فولادسازی EAF، روش احیای ذوبی تحت شرایط متوالی فرایند احیا و ذوب را انجام می‌دهد و بنابراین می‌تواند سنگ‌های معدنی با عیار آهن پایین و متوسط را نیز استفاده کند. این منابع سنگ معدن آهن‌دار با عیار پایین و متوسط حدود ۸۵ درصد از منابع سنگ‌آهن جهان را تشکیل می‌دهند. استفاده از این منابع در مقیاس صنعتی برای کاهش هزینه‌های اقتصادی در کنار تولید فولاد بدون ردپای CO ۲ مزایای اصلی جهت توجیه سرمایه‌گذاری در زمینه توسعه فناوری‌های جدید به شمار می‌روند.