فناوری DRI؛ پل نوآوری به فولاد سبز

به گزارش می‌متالز، فناوری احیای مستقیم آهن با استفاده از گاز طبیعی (Natural Gas–Based Direct Reduced Iron یا DRI) در سال‌های اخیر به‌ عنوان یکی از مهم‌ترین مسیر‌های گذار در فرآیند کربن‌زدایی صنعت فولاد مطرح شده است. صنعت فولاد به‌ طور سنتی یکی از بزرگ‌ترین منابع انتشار دی‌اکسیدکربن در جهان محسوب می‌شود و بخش قابل توجهی از انتشار صنعتی گاز‌های گلخانه‌ای را به خود اختصاص می‌دهد. روش کلاسیک تولید فولاد که بر پایه ترکیب کوره بلند و کنورتور اکسیژنی (BF‑BOF) است، به‌ طور گسترده به زغال‌ سنگ کک‌شو وابسته بوده و در نتیجه شدت کربن بسیار بالایی دارد. در چنین شرایطی، فشار‌های فزاینده ناشی از سیاست‌های اقلیمی، مقررات زیست‌محیطی و تغییرات بازار جهانی، صنعت فولاد را به سمت فناوری‌هایی با شدت انتشار کم‌تر سوق داده است، در این میان احیای مستقیم مبتنی بر گاز طبیعی به‌ عنوان یک گزینه عملی و قابل اجرا در کوتاه‌مدت و میان‌مدت توجه بسیاری از کشور‌ها و شرکت‌های بزرگ فولادی را به خود جلب کرده است.

در مسیر فناوری DRI با گاز طبیعی، سنگ‌ آهن در واحد احیای مستقیم و در دمای بالا با استفاده از گاز‌های احیاکننده‌ای که بیشتر از متان موجود در گاز طبیعی تولید می‌شوند، به آهن اسفنجی تبدیل می‌شود. در این فرایند، گاز طبیعی ابتدا در واحد ریفرمر به مخلوطی از مونوکسیدکربن و هیدروژن تبدیل شده و سپس این گاز‌ها اکسیژن موجود در سنگ‌ آهن را حذف کرده و آن را به آهن فلزی تبدیل می‌کنند. محصول حاصل، یعنی آهن اسفنجی یا DRI، سپس به کوره قوس الکتریکی (Electric Arc Furnace یا EAF) منتقل می‌شود تا در آنجا ذوب شده و به فولاد تبدیل گردد، این مسیر تولیدی در مقایسه با مسیر سنتی کوره بلند از چند جهت متفاوت است؛ مهم‌ترین تفاوت آن حذف کامل زغال‌سنگ کک‌شو از فرآیند احیا و جایگزینی آن با گاز طبیعی است که از نظر شدت انتشار کربن به‌ مراتب کم‌تر است.

اهمیت این فناوری در چارچوب گذار انرژی زمانی روشن‌تر می‌شود که محدودیت‌های توسعه سریع فناوری‌های کاملاً بدون کربن در نظر گرفته شود. اگرچه بسیاری از سناریو‌های اقلیمی بلندمدت بر استفاده گسترده از هیدروژن سبز برای تولید فولاد تأکید دارند، اما واقعیت‌های اقتصادی و زیرساختی نشان می‌دهد که تولید انبوه هیدروژن سبز، ایجاد شبکه‌های انتقال آن و تأمین برق تجدیدپذیر کافی برای تولید آن، هنوز در بسیاری از کشور‌ها در مراحل اولیه توسعه قرار دارد. هزینه بالای الکترولیز، کمبود ظرفیت تولید برق تجدیدپذیر و چالش‌های ذخیره‌سازی و انتقال هیدروژن باعث شده است که گذار مستقیم از فناوری‌های سنتی به مسیر‌های کاملاً مبتنی بر هیدروژن در کوتاه‌مدت برای بسیاری از اقتصاد‌ها امکان‌پذیر نباشد. در چنین شرایطی، استفاده از گاز طبیعی در فرآیند احیای مستقیم به‌ عنوان یک راه‌حل انتقالی می‌تواند شکاف میان وضعیت موجود و آینده کم‌کربن صنعت فولاد را پر کند.

از منظر زیست‌محیطی، فناوری DRI مبتنی بر گاز طبیعی به‌ طور قابل توجهی شدت انتشار کربن را در مقایسه با مسیر BF‑BOF کاهش می‌دهد. در فرآیند کوره بلند، زغال‌ سنگ نه تنها به‌ عنوان منبع انرژی بلکه به‌ عنوان عامل احیاکننده اصلی عمل می‌کند و در نتیجه حجم زیادی دی‌اکسیدکربن تولید می‌شود. در مقابل، در فرآیند DRI بخش قابل توجهی از واکنش‌های احیا توسط هیدروژن موجود در گاز احیاکننده انجام می‌شود و همین موضوع باعث کاهش انتشار CO₂ می‌گردد. مطالعات مختلف نشان می‌دهد که مسیر DRI همراه با کوره قوس الکتریکی می‌تواند در مقایسه با مسیر سنتی کوره بلند تا حدود ۳۰ تا ۵۰ درصد انتشار کربن کم‌تری داشته باشد، به‌ ویژه اگر برق مصرفی در کوره قوس الکتریکی از منابع کم‌کربن یا تجدیدپذیر تأمین شود.

علاوه بر مزیت‌های زیست‌محیطی، این فناوری از نظر صنعتی نیز مزایای قابل توجهی دارد. یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های آن بلوغ فناوری و تجربه گسترده صنعتی در استفاده از آن است. طی چند دهه گذشته، بسیاری از کشور‌ها به‌ ویژه در مناطقی که دسترسی به گاز طبیعی ارزان دارند، سرمایه‌گذاری گسترده‌ای در واحد‌های احیای مستقیم انجام داده‌اند. کشور‌هایی همچون ایران، عربستان سعودی، قطر، امارات متحده عربی و ایالات متحده از جمله نمونه‌هایی هستند که ظرفیت قابل توجهی در تولید آهن اسفنجی مبتنی بر گاز طبیعی ایجاد کرده‌اند. این تجربه عملی باعث شده است که فناوری DRI از نظر مهندسی، بهره‌برداری، تعمیر و نگهداری و مدیریت زنجیره تأمین به‌ خوبی شناخته شده و ریسک‌های فنی آن به‌ نسبت پایین باشد.

ویژگی مهم دیگر این مسیر، انعطاف‌پذیری آن در سازگاری با تحولات آینده انرژی است، بسیاری از واحد‌های جدید احیای مستقیم به گونه‌ای طراحی می‌شوند که بتوانند در آینده بخشی از گاز طبیعی مصرفی خود را با هیدروژن جایگزین کنند. این قابلیت به صنعت فولاد اجازه می‌دهد که بدون نیاز به تغییر کامل زیرساخت‌ها، به‌ تدریج به سمت استفاده بیشتر از هیدروژن حرکت کند. در واقع، فناوری DRI مبتنی بر گاز طبیعی می‌تواند به‌ عنوان یک سکوی انتقالی برای توسعه تدریجی فولاد سبز مبتنی بر هیدروژن عمل کند. در چنین سناریویی، با گسترش ظرفیت تولید هیدروژن سبز و کاهش هزینه‌های آن، سهم هیدروژن در گاز احیاکننده افزایش یافته و در نهایت می‌توان به احیای کامل سنگ‌ آهن با هیدروژن دست یافت.

با وجود این مزایا، باید توجه داشت که این فناوری هم‌چنان محدودیت‌های مهمی دارد و نمی‌تواند به‌ تنهایی پاسخگوی اهداف بلندمدت کربن‌زدایی کامل صنعت فولاد باشد، مهم‌ترین محدودیت آن وابستگی ادامه‌دار به گاز طبیعی به‌ عنوان یک سوخت فسیلی است. هر چند انتشار کربن در این مسیر کم‌تر از روش سنتی کوره بلند است، اما هم‌چنان در فرآیند احیا و همچنین در تولید و انتقال گاز طبیعی انتشار قابل توجهی از گاز‌های گلخانه‌ای رخ می‌دهد، بنابراین در چارچوب اهداف جهانی دستیابی به کربن خالص صفر، این فناوری به‌ تنهایی کافی نخواهد بود.

برای کاهش بیشتر انتشار در این مسیر، دو گزینه اصلی مطرح می‌شود، نخست استفاده از فناوری‌های جذب و ذخیره کربن (Carbon Capture and Storage یا CCS) است که می‌تواند بخشی از دی‌اکسیدکربن تولیدشده در فرآیند احیا را جمع‌آوری و ذخیره کند. دوم، جایگزینی تدریجی گاز طبیعی با هیدروژن کم‌کربن یا هیدروژن سبز است. هر یک از این گزینه‌ها نیازمند سرمایه‌گذاری‌های قابل توجه، توسعه زیرساخت‌ها و حمایت سیاستی هستند و به همین دلیل تحقق کامل آنها به زمان نیاز دارد.

از منظر راهبردی، نقش DRI مبتنی بر گاز طبیعی در دهه پیش‌ رو را می‌توان در چارچوب یک استراتژی چندمرحله‌ای برای گذار صنعت فولاد تحلیل کرد. در مرحله نخست، این فناوری امکان کاهش فوری و نسبتاً سریع شدت انتشار کربن را فراهم می‌کند بدون آنکه نیاز به تغییرات بنیادین در کل زنجیره ارزش فولاد وجود داشته باشد. در مرحله دوم، با توسعه بازار‌های انرژی کم‌کربن و افزایش ظرفیت تولید برق تجدیدپذیر، می‌توان سهم برق پاک در کوره‌های قوس الکتریکی را افزایش داد که خود به کاهش بیشتر انتشار کمک می‌کند. در مرحله سوم، با گسترش تولید هیدروژن سبز و کاهش هزینه‌های آن، واحد‌های احیای مستقیم می‌توانند به‌ تدریج به سمت استفاده از مخلوط گاز طبیعی و هیدروژن و در نهایت احیای کامل با هیدروژن حرکت کنند.

این مسیر تدریجی به صنعت فولاد اجازه می‌دهد تا بدون ایجاد شوک‌های اقتصادی یا اختلال در تولید جهانی فولاد، خود را با الزامات اقلیمی آینده تطبیق دهد. همچنین برای بسیاری از کشور‌های در حال توسعه که هم‌زمان با چالش‌های رشد صنعتی و الزامات زیست‌محیطی مواجه هستند، این فناوری یک گزینه واقع‌بینانه برای کاهش انتشار بدون کاهش ظرفیت تولید محسوب می‌شود.

در جمع‌بندی می‌توان گفت که در افق زمانی سال ۲۰۲۶، فناوری احیای مستقیم مبتنی بر گاز طبیعی را باید به‌ عنوان یکی از مهم‌ترین گزینه‌های انتقالی در مسیر تحول صنعت فولاد در نظر گرفت. این فناوری نه بهترین گزینه نهایی برای تولید فولاد کم‌کربن است و نه می‌تواند به‌ تنهایی صنعت فولاد را به کربن خالص صفر برساند. با این حال، در شرایط کنونی که فناوری‌های کاملاً بدون کربن هنوز با چالش‌های اقتصادی و زیرساختی مواجه هستند، DRI مبتنی بر گاز طبیعی نقش یک پل راهبردی را ایفا می‌کند. این پل به صنعت فولاد امکان می‌دهد از سیستم تولید پرکربن گذشته به سمت آینده‌ای حرکت کند که در آن هیدروژن سبز، انرژی تجدیدپذیر و فناوری‌های جذب کربن نقش محوری در تولید فولاد پایدار ایفا خواهند کرد.

منبع: ایراسین