**مروری بر پیشرفتهای اخیر در بهینهسازی و کاهش مصرف انرژی در کورههای قوس الکتریکی صنعت فولاد**
**چکیده**
صنعت فولاد بیشترین انرژی را در مقایسه با سایر صنایع مصرف میکند. روند کاهشی منابع طبیعی و ذخایر انرژی فسیلی و گاز، دانشجویان و محققان این حوزه را مجبور کرده است تا با تشکیل تیمهای تخصصی و انجام مطالعات علمی و با توجه به سیر تاریخی و تجربی کارخانههای فولاد در نقاط مختلف جهان، روشهای عملی در زمینه کاهش مصرف انرژی در این صنعت ارائه دهند. تلاشها برای استفاده از مواردی که اثرات مفید و مؤثری در این زمینه داشتهاند و برخی دیگر از شاخصهای عملکرد خوب در مکانهایی که مجاز است، انجام شده است. در این تحقیق، نگاهی مختصر به مباحث مربوط به مکانیابی مناسب برای ساخت کارخانههای فولاد، انرژی مورد نیاز در صنعت فولاد و اندازهگیری مصرف انرژی حرارتی و الکتریکی فرآیند کوره قوس الکتریکی و تأثیرات محیطی و مشکلات و چالشهای آن و ارزیابی بازیابی حرارت تلف شده در کوره قوس الکتریکی ارائه شده است.
**کلمات کلیدی:** مصرف انرژی، صنعت فولاد، بهینهسازی انرژی، کوره قوس الکتریکی
**اختصارات:** ORC: چرخه رانکین آلی، EPI: شاخص عملکرد محیطی، EAF: کوره قوس الکتریکی، IISI: انجمن آهن و فولاد
**مقدمه**
روند توسعه اقتصادی در قرنهای اخیر با استفاده متنوع از انرژی همراه بوده است. اما بحرانهای انرژی در دهههای اخیر، همراه با رکود در بسیاری از کشورها، به انرژی جایگاه ویژهای در ادبیات اقتصادی داده است. منابع محدود انرژی در جهان و هزینههای بالای سرمایهگذاری در انرژیهای جدید و تجدیدپذیر، که باعث شده است انرژی تولید شده بسیار گران و غیراقتصادی باشد، و همچنین دیدگاه منفی جوامع انسانی در کشورهای صنعتی که بیشترین مصرف انرژی را در جهان دارند، گاهی تا حد تعطیلی نیروگاههای هستهای یا جلوگیری از ساخت نیروگاههای جدید، این کشورها را به سرمایهگذاری گسترده در کاهش مصرف انرژی به ازای هر واحد تولید سوق داده است. از آنجا که صنعت فولاد، به ویژه فولاد، که مصرف انرژی بسیار بالایی از طریق کوره قوس الکتریکی دارد، مطالعه عمیق در مورد چگونگی مصرف انرژی، راههای کاهش آن و رسیدن به نقطه مطلوب، که رقابت در بازار جهانی است، از اهمیت ویژهای برخوردار است. در بخش صنعتی، به ویژه در صنعت انرژی مانند صنعت فولاد، یافتن راهحلهای مناسب برای بهروزرسانی فناوری، تولید و کاهش مصرف انرژی بسیار مهم است. بنابراین، موضوع این مقاله به “مرور پیشرفتهای اخیر در بهینهسازی و کاهش مصرف انرژی در کوره قوس الکتریکی صنعت فولاد” اختصاص یافته است. در ادامه، کوره قوس الکتریکی معرفی میشود و سپس آمار تولید و مصرف برق مورد بحث قرار میگیرد.
کورههای قوس الکتریکی بر اساس طراحی اولیه کوره هرولد با ذوب بار کوره که توسط قوس الکتریکی بین الکترودهای گرافیتی و بار فلزی ایجاد میشود، کار میکنند. این کوره در شکل ۱ نشان داده شده است. در این کوره قوس الکتریکی، قوس الکتریکی از الکترودها به فلز داخل کوره منتقل میشود. به دلیل این انتقال، جریان الکتریکی از فلز داخل کوره عبور میکند و به دلیل مقاومت الکتریکی فلز در برابر این جریان، گرما تولید میشود. این گرما با استفاده از عبور جریان الکتریکی همراه با گرما، شرایط لازم برای ذوب بار فلزی داخل کوره را فراهم میکند. در واقع، در این نوع کوره، با ایجاد قوس الکتریکی بین الکترودها و فاز مذاب یا آهن قراضه و آهن اسفنجی، انرژی الکتریکی به گرما تبدیل شده و از طریق تابش و مقاومت حرارتی به مذاب منتقل میشود [۱]
*شکل ۱:** طراحی اولیه کوره قوس الکتریکی هرولد ]۱[
توسعه کورههای قوس الکتریکی تکفاز و دو فاز منجر به ساخت کورههای قوس الکتریکی سهفاز شده است. در گذشته، کورههای قوس الکتریکی تنها برای تولید فولاد معمولی استفاده میشدند، در حالی که امروزه این نوع کورهها به طور گستردهای استفاده میشوند و حتی برای تولید فولادهای آلیاژی نیز به کار میروند. یکی از دلایل رشد سریع تولید فولاد در کورههای قوس الکتریکی این است که در این کورهها، انرژی الکتریکی میتواند با بازده خوبی به گرما تبدیل شود [۲]. به این ترتیب، ظرفیت ذوب بالا در یک کوره کوچک قابل دستیابی است. افزایش تولید انرژی الکتریکی و گسترش شبکههای برق، نصب واحدهای خنککننده آب در بدنه و سقف کورهها، تغذیه مداوم، کنترل خودکار ذوب و پالایش و روشهای جدید ذوب و پالایش، در دهه گذشته، استفاده از کورههای قوس الکتریکی را در مقیاس بزرگ ممکن ساخته است. شکل ۲ نمونهای از یک کوره قوس الکتریکی را نشان میدهد ]۳[
**شکل ۲:** نمونهای از یک کوره قوس الکتریکی]۳[
بر اساس استاندارد انجمن جهانی فولاد، تولید فولاد جهان تا سال ۲۰۲۰ حدود ۱۸۰۰ میلیون تن بوده است [۴]. میزان فولاد تولید شده توسط کورههای قوس الکتریکی، همانطور که در شکل ۳ مشاهده میشود، انتظار میرود تا سال ۲۰۲۰ از ۶۵۰ میلیون تن فراتر رود و میزان فولاد تولید شده توسط کورههای قوس الکتریکی حدود ۳۰ درصد از تولید جهانی فولاد را تشکیل دهد [۵]. مصرف برق در کورههای قوس الکتریکی به حدی بالاست که گاهی برابر با مصرف برق یک شهر است [۶]. امروزه، مسئله انرژی یکی از بحرانهای جدی در صنعت فولاد است که باید به هر دو مصرف برق و آب توجه ویژهای شود. در زمینه مصرف گاز و سوختهای فسیلی، روشهای مصرف بهینه باید اعمال شود تا شرکتهای فولاد بتوانند در مصرف خود صرفهجویی کرده و آن را کاهش دهند. بر اساس برنامه استراتژیک وزارت صنعت، معدن و تجارت، ایران برنامهای برای تولید ۵۵ میلیون تن فولاد تا سال ۲۰۲۵ تنظیم کرده است [۷]. بر اساس محاسبات کلی بر اساس دادههای برنامه جامع فولاد، برای دستیابی به این هدف، ایران به حدود ۲۹۵ میلیون متر مکعب مصرف آب و افزایش ظرفیت نیروگاههای کشور به میزان ۵۶۳۰ مگاوات و ۱۸ میلیون متر مکعب گاز در سال نیاز دارد. این در حالی است که نیروگاهها نیز حدود ۸.۲ متر مکعب آب به ازای هر مگاوات ساعت تولید برای چرخه خنککننده استفاده میکنند [۸]. با استفاده از روشهای بهرهوری انرژی، مصرف برق در کوره قوس الکتریکی از ۶۳۰ کیلووات ساعت بر تن در سال ۱۹۶۵ به ۲۸۰ کیلووات ساعت بر تن در سال ۲۰۱۵ کاهش یافته است، همانطور که در شکل ۴ نشان داده شده است [۹]. همچنین، کاهش زمان TTT (tap to tap) از ۱۸۰ دقیقه به ۴۰ دقیقه نشاندهنده بهبود در استفاده از فناوری و کاهش مصرف انرژی و افزایش تولید است.
**شکل ۳:** (الف) پیشبینی تولید فولاد به روش کوره قوس الکتریکی (ب) درصد تولید فولاد به روش کوره قوس الکتریکی.
**شکل ۴:** توسعه فناوری در کوره قوس الکتریکی فولاد بر اساس زمان (سال) [۹].
**شکل ۵:** وضعیت انرژی ورودی و خروجی یک کوره قوس الکتریکی معمولی در صنعت فولاد [۱۰].
برای تولید یک تن فولاد در کوره قوس الکتریکی در دمای ۱۶۰۰ درجه سانتیگراد، به طور متوسط حدود ۶۹۴ کیلووات ساعت انرژی نیاز است. بیشتر این انرژی ورودی به فولاد منتقل میشود، اما مقدار قابل توجهی از آن از طریق گازهای خروجی و سرباره، حدود ۱۹۶.۵ کیلووات ساعت بر تن (۲۸.۳ درصد) تلف میشود. بسته به انرژی گازهای خروجی از کوره قوس الکتریکی، میتوان از چرخه رانکین آلی (ORC) برای بازیابی حرارتی کوره قوس الکتریکی استفاده کرد. اولین استفاده از این سیستم در یک کوره قوس الکتریکی در آلمان بوده است [۱۱]. بر اساس سوابق موجود، برای گازهای داغ منتشر شده از کوره قوس الکتریکی از هر تن محصول فولاد مذاب، امکان بازیابی حرارت و تولید برق در محدوده ۱۵ تا ۲۵ کیلووات ساعت فراهم میشود [۱۲]. همچنین پیشبینی مقدار مورد نیاز هر ماده اولیه در بار کوره برای بررسی راههای کاهش مصرف انرژی در کورههای قوس الکتریکی مهم است [۱۳].
