احتراق ثانویه
از نظر ترمودینامیکی، نسبت تعادلی CO₂/CO در فولاد مذاب حتی در محتوای کربن کم نیز مهم است و مقدار مونوکسید کربن قابل اشتعال منتشر شده از دودکش باید در نظر گرفته شود. اگر مونوکسید کربن خروجی سوزانده شود، انرژی تقریباً سه برابر بیشتر از واکنش مونوکسید کربن از کربن و اکسیژن آزاد میشود. احتراق مونوکسید کربن روی سطح آزاد مذاب به عنوان احتراق ثانویه شناخته میشود. انرژی حاصل از تزریق کک در کوره حداکثر ۲۵ کیلوواتساعت بر تن است، اما اگر تمام مونوکسید کربن در کوره به دیاکسید کربن تبدیل شود، ۱۴۰ کیلوواتساعت بر تن انرژی آزاد میشود [۶۹]. بنابراین، بازده انرژی افزایش مییابد و حجم گازهای خروجی نیز کاهش مییابد [۷۰].
پیشگرم کردن با مشعل اکسیژن-سوخت
پیشگرم کردن کوره پاتیل برای صرفهجویی در انرژی سالها مورد استفاده قرار گرفته و به طور منظم انجام میشود. اما استفاده از مشعل اکسیژن-سوخت به جای مشعل هوا-سوخت موثرتر است زیرا بازده را افزایش میدهد و تلفات انرژی و مواد را کاهش میدهد. دلیل اصلی این افزایش بازده، دمای بالاتر شعله مشعل اکسیژن-سوخت است. دلیل دیگر کاهش تلفات این است که بیشتر تشعشع حرارتی در مشعل از تشعشع مولکولهای دیاکسید کربن و آب است و نیتروژن تشعشع حرارتی کمتری دارد. در مشعل اکسیژن-سوخت، فشار جزئی دیاکسید کربن و آب بیشتر است و انتقال حرارت از طریق تشعشع گاز افزایش مییابد. از طرف دیگر، حجم گاز تولید شده در شرایط استفاده از هوا باعث کاهش شدید دما میشود.
شکل ۱۲: مقایسه بازده حرارتی مشعل اکسیژن-سوخت با مشعل هوا-سوخت [۷۲].
وجود نیتروژن همچنین مانع از رسیدن و تماس موثر اکسیژن با سوخت میشود و در کاهش دمای شعله موثر است. سایر مزایای مشعل اکسیژن-سوخت شامل افزایش دمای شعله، کاهش مصرف سوخت، بهبود انتقال حرارت، و احتراق کارآمدتر و سریعتر؛ کاهش حجم جریان گاز و در نتیجه گازهای خروجی کمتر، و کاهش انتشار ترکیبات مضر نیتروژن است. با استفاده از مشعل اکسیژن-سوخت به جای مشعل هوا-سوخت، زمان کار در پاتیل به ۲۰ دقیقه کاهش مییابد و دمای ریختهگری به ۱۵ درجه سانتیگراد کاهش مییابد و ۵-۶ کیلوواتساعت بر تن در انرژی صرفهجویی میشود [۷۱]. یکی از مهمترین ویژگیهای مشعلهای اکسیژن-سوخت، بازده حرارتی بسیار بالا حتی در دمای بالای گازهای خروجی بدون پیشگرم کردن سوخت و اکسیژن است. تفاوت بین بازده حرارتی هوا و اکسیژن در احتراق در شکل ۱۲ نشان داده شده است. مشاهده میشود که در هر دمایی بازده احتراق اکسیژن-سوخت بیشتر از هوا-سوخت است. یکی از دلایل اصلی بازده پایین هوا-سوخت، حتی با دمای پایینتر گازهای خروجی، حجم بیشتر گاز داغ منتشر شده به دلیل وجود نیتروژن است [۷۲].
سرباره فومی شکل
تولید مناسب سرباره فومی شکل در کوره یکی از موثرترین عوامل در کاهش مصرف انرژی، نسوز و الکترود است. یکی از مهمترین نتایج استفاده از تجهیزات دمیدن جدید برای تزریق همزمان اکسیژن و پودر کربن، ایجاد سرباره فومی شکل و حفظ ضخامت فوم برای پوشش کامل قوس است. در چنین حالتی، انتقال حرارت از قوس به مذاب افزایش مییابد. تولید سرباره فومی شکل در حین دمیدن اکسیژن و کربن به مذاب اتفاق میافتد. در چنین شرایطی، نسبت مناسب مصرف اکسیژن و کربن ضروری است. در غیر این صورت افزایش مصرف اکسیژن باعث کاهش بازده میشود.
مصرف کربن برای تولید سرباره فومی شکل با ضخامت مورد نیاز به طول قوس بستگی دارد و میتواند ۴-۱۰ کیلوگرم بر تن باشد [۷۳،۷۴]. ظرفیت و پایداری فوم تشکیل شده به خواص فیزیکی سرباره مانند ویسکوزیته، چگالی، کشش سطحی و غلظت ذرات جامد حلنشده بستگی دارد. همه این خواص توسط ترکیب سرباره و دمای آن تعیین میشوند. در سربارههای قلیایی، توانایی افزایش فوم با افزایش غلظت CaO افزایش مییابد. با تزریق پودر آهک و دولومیت به سرباره و همچنین شارژ کک به سرباره در مراحل اولیه ذوب، میتوان سرباره فومی شکل ایجاد کرد. اهمیت این مورد در کنترل سرباره FeO به قدری زیاد است که امروزه کنترل آنلاین سرباره فومی شکل با تحلیل سیگنالهای الکتریکی یا آکوستیک کوره استفاده میشود [۷۷-۷۵].
افزایش نسبت ضایعات به آهن اسفنجی
مقدار تولید ضایعات در کشورها به عوامل مختلفی مانند توسعه، جمعیت، مصرف ظاهری فولاد، تولید فولاد، درآمد سرانه و شاخص رفاه، فرهنگ مصرف، ساختار بازیافت کشورها، فناوری تولید و نرخ بهرهوری محصولات فولادی، ضریب تجمع محصولات فولادی در سالهای قبل و غیره بستگی دارد. مقدار ضایعات مصرفی در جهان حدود ۳۸٪ از کل تولید فولاد است. مهمترین عامل ورودی موثر بر مصرف انرژی در صنعت آهن و فولاد، مواد اولیه است. از آنجا که حدود ۷۳٪ از فولاد در ایران به روش کوره قوس الکتریکی تولید میشود، و از آنجا که ضایعات بر خلاف آهن اسفنجی نیازی به انرژی احیا ندارند، افزایش نسبت ضایعات به آهن اسفنجی در کورههای EAF به کاهش مصرف انرژی کمک میکند.
از طرف دیگر، افزایش مصرف ضایعات مشکلاتی مانند کاهش منابع طبیعی و گرمایش جهانی به دلیل افزایش انتشار آلایندههای گازی مانند CO₂ را حل میکند. اگر ۱۰۰٪ ضایعات برای تولید فولاد استفاده شود، نیاز به واحدهای گندلهسازی و احیا که بزرگترین مصرفکنندگان انرژی در صنعت فولاد هستند، از بین میرود [۵۶]. شکل ۱۳ چرخه بازگشت ضایعات آهن به تولید فولاد را نشان میدهد [۴]. روند کلی در صنعت فولاد جهان افزایش مصرف ضایعات و کاهش مصرف مواد اولیه است. تغییرات در نسبت منابع آهن برای تولید فولاد تا سال ۲۰۵۰ در شکل ۱۴ نشان داده شده است [۷۸].
شکل ۱۳: چرخه بازگشت آهن به صنایع فولاد ضایعاتی.
شکل ۱۴: تغییرات در نسبت مواد اولیه و ضایعات به عنوان منبع آهن برای تولید فولاد در طول زمان.
شارژ ضایعات
ابعاد ضایعات مورد استفاده در کورههای قوس الکتریکی تاثیر قابل توجهی بر مصرف انرژی دارد. کاهش اندازه ضایعات باعث کاهش مصرف انرژی مورد نیاز برای ذوب میشود. همچنین، افزایش ظرفیت سبدهای تغذیه ضایعات به کورههای قوس الکتریکی منجر به کاهش تعداد دفعات باز شدن درب کوره و در نتیجه افزایش بازده فرآیند میشود. به همین دلیل، اندازه کوچکتر ضایعات میتواند تعداد دفعات شارژ ضایعات را کاهش دهد. بنابراین، اگرچه وجود ضایعات منجر به کاهش مصرف انرژی در کورههای قوس الکتریکی میشود، اما افزایش تعداد دفعات شارژ ضایعات به دلیل باز شدن درب کوره باعث افزایش مصرف انرژی میشود. گفته میشود که شارژ دو سبد ضایعات به کوره EAF با حداکثر شارژ میتواند بازده فرآیند را افزایش داده و زمان ذوب را کاهش دهد. به دلایل ذکر شده، افزایش بیش از دو سبد توصیه نمیشود. برای کاهش اندازه ضایعات و افزایش چگالی سبدهای شارژ ضایعات، میتوان طراحیهای خاصی در زمینه استفاده از ماشینهای برش و پرس مکانیزه انجام داد [۷۹].
بررسی اثرات زیستمحیطی و آسیبهای زیستمحیطی صنعت فولاد
شاخص عملکرد زیستمحیطی (EPI) ابزاری برای سیاستگذاری کشورها در مورد مسائل زیستمحیطی است. این شاخص بر اساس دو سیاست اصلی زیستمحیطی است: سلامت زیستمحیطی، که فشارهای زیستمحیطی بر سلامت انسان را اندازهگیری میکند، و سرزندگی. این شاخص با استفاده از ۲۲ شاخص تخمین زده میشود؛ مهمترین آنها عبارتند از: سلامت زیستمحیطی، آب (اثرات بر سلامت انسان)، آلودگی هوا (اثرات بر سلامت انسان)، آلودگی هوا (اثرات زیستمحیطی)، منابع آب (اثرات زیستمحیطی) تنوع زیستی و زیستگاه، جنگلداری، شیلات، کشاورزی، تغییرات آب و هوایی و انرژی. بررسی روند نزولی رتبه ایران بر اساس شاخص EPI نشان میدهد که موقعیت ایران از ۷۸ در سال ۲۰۰۰ به ۱۰۵ در سال ۲۰۱۶ افزایش یافته است. در این دوره، بهترین موقعیت رتبه ۵۳ در سال ۲۰۰۶ بود [۸۰]. فولادسازی صنعتی در حال تغییر است که دائماً در تلاش است تا اثرات مضر آلایندههای کربنی را کاهش دهد و با استفاده از گروهی از فناوریهای نوآورانه، تاثیر منفی زیستمحیطی محصولات صنعتی را کاهش دهد.
با این حال، این صنعت در حال برداشتن گامهایی برای ارتقای گواهیهای زیستمحیطی خود و همچنین استقرار مجموعهای از فناوریهای نوآورانه برای کاهش تاثیر زیستمحیطی تولید فولاد است. با توجه به اینکه صنعت فولاد یکی از بزرگترین مصرفکنندگان انرژی در جهان است، تاثیرات نامطلوبی بر محیط زیست دارد، به طوری که تخمینها نشان میدهد که به ازای هر تن فولاد تولید شده حدود ۱٫۹ تن CO₂ منتشر میشود که باعث افزایش گرمایش جهانی میشود [۸۱]. امروزه، یک راهحل مناسب در راستای اهداف ذخیره انرژی و کاهش تلفات، بازیابی انرژی حرارتی از دست رفته در فرآیند تولید فولاد است، بنابراین توجه به تحقیقات جهانی برای توسعه فناوریهای بازیابی انرژی حرارتی به روشهای مختلف در صنعت آهن و فولاد طرفداران زیادی دارد [۸۲]. حرارت قابل بازیافت در این صنعت عموماً در بخش محصول، سرباره مذاب و گازهای خروجی قابل استخراج است. سرباره مذاب، که یک محصول جانبی از کورههای تولید فولاد است، در دمای بسیار بالا از کوره تخلیه میشود و باعث اتلاف انرژی مصرفی در صنعت فولاد میشود [۸۳].
برخی روشهای خنککردن سرباره مذاب
روش خنککردن با آب
هیچ عنصری برای خنککردن سرباره مذاب مناسبتر از آب نیست؛ بنابراین در حال حاضر در صنعت آهن و فولاد، مقدار زیادی آب برای تسریع فرآیند خنککردن استفاده میشود، که روشی برای خنککردن سرباره است، مشکلاتی دارد و مشکلات زیر را دارد [۸۴].
الف) مقدار زیادی آب برای دانهبندی سرباره مذاب با دمای بالا مورد نیاز است، به عنوان مثال، در روش دانهبندی سرباره کوره بلند، ۱۰۰۰ متر مکعب آب برای خنککردن ۱ تن سرباره استفاده میشود.
ب) عناصر قلیایی در سرباره در ترکیب با آب باعث ایجاد پساب میشوند که به نوبه خود باعث آلودگی آب و محیط زیست میشود.
ج) در این روش، حرارت سرباره اغلب از دست میرود. سرباره مذاب مقدار زیادی انرژی حرارتی دارد که در فرآیند دانهبندی سرباره با آب، حجم زیادی بخار با دمای پایین تولید میشود که یا هدر میرود یا به ندرت برای گرمایش در زمستان استفاده میشود.
د) این روش خنککردن سرباره باعث آلودگی هوا میشود به طوری که در واکنش آب با سرباره، دیاکسید گوگرد، سولفید هیدروژن و سایر ترکیبات سولفاتی که باعث آلودگی هوا میشوند، تولید و منتشر میشوند [۸۵].
روش خرد کردن مکانیکی سرباره
در این فرآیند، سرباره مذاب به ذرات جامد تبدیل میشود، سپس ذرات جدید سرباره با ذرات بازیافتی جمعآوری شده و در چند مرحله به بستر سیال تزریق میشوند، جایی که حرارت از طریق جابجایی به هوا منتقل میشود. ذرات بزرگتر از ۶ میلیمتر به دانهبند بازگردانده میشوند تا به اندازه ۳ میلیمتر برسند [86و87].
دمیدن هوا
در این روش، هوای با سرعت بالا نه تنها سرباره مذاب را خرد میکند، بلکه سرباره دانهبندی شده را به یک بویلر تزریق میکند تا حرارت از طریق دیوارههای خنککننده دریافت و منتقل شود، یک روش در مقیاس تجاری با ظرفیت دانهبندی ۲۰ تن سرباره در ساعت به طور متوسط و حداکثر ۸۰ تن در ساعت بهرهبرداری شده است [88و87].
روش گریز از مرکز
در این روش، سرباره مذاب با دمای بالا به طور مستقیم با سرعت بالا به دیسک چرخان تخلیه میشود و به دلیل نیروی گریز از مرکز و کشش سطحی به صورت ذرات کوچک از قسمت خارجی خارج میشود. قطر دیسک در نظر گرفته شده در این مقاله ۷ متر با ضخامت ۱۰ میلیمتر است که در شکل ۱۵ نشان داده شده است. یک لایه سرباره جامد در طول فرآیند روی دیسک باقی میماند و عاملی است که دمای دیسک را ثابت نگه میدارد. پارامترهای موثر در این روش عبارتند از جریان سیال ورودی، سرعت زاویهای دیسک، شعاع دیسک چرخان، ویسکوزیته دینامیکی سیال سرباره و چگالی سیال سرباره، که هر کدام تاثیر قابل توجهی بر فرآیند دانهبندی و بازیابی حرارت دارند. مزایای طراحی دانهبندی سرباره با روش دیسک اتمیزه شامل توانایی کنترل قطر ذرات دانهبندی شده، بازده بالا و توانایی بالا برای بازیابی انرژی حرارتی است [۸۹].
شکل ۱۵: نمودار سهبعدی یک دیسک چرخان.
استفاده از تایرهای فرسوده به جای کربن در کورههای قوس الکتریکی
سالانه بیش از یک میلیارد و سیصد میلیون تایر فرسوده، معادل ۱۲ میلیون تن، دور انداخته میشود. حدود ۸۴٪ از کل حجم تایرهای فرسوده شامل تایرهای خودروهای سواری است. در ایالات متحده، ژاپن، روسیه، به ترتیب ۵۰، ۱۱۶ و ۳۰۰ میلیون تایر فرسوده سالانه دور انداخته میشوند. اگرچه حدود ۱۱۰ کاربرد برای تایرهای فرسوده وجود دارد، اما ازدحام و تجمع تایرهای فرسوده در سراسر جهان یک مشکل زیستمحیطی است. ۱۰ تا ۱۵٪ از وزن تایرها از فولاد پرکربن ساخته شده است و از طرف دیگر، تجزیه و تحلیل شیمیایی بخش غیرفلزی تایرها نشان میدهد که ترکیب لاستیک شبیه به زغال سنگ و کک است [۹۰]. ۱۰ تا ۱۵٪ از وزن تایرها از فولاد پرکربن ساخته شده است و از طرف دیگر، تجزیه و تحلیل شیمیایی بخش غیرفلزی تایرها نشان میدهد که ترکیب لاستیک شبیه به زغال سنگ و کک است. استفاده از تایرهای فرسوده در کورههای سیمان و نیروگاههای حرارتی رایج است. مطالعات در برخی از صنایع فولاد جهان، مانند شرکت آمریکایی Server، Ipsco، Gardavo، Timken و Faircrest، نشان داده است که در فرآیند فولادسازی، تایرها میتوانند جایگزین سوختهای کمکی مانند کک، زغال سنگ، گاز طبیعی و غیره شوند و در پیشگرم کردن شارژ فلزی و سنگ آهک موثر باشند. همچنین، بخش فولادی لاستیک میتواند به عنوان ضایعات درجه یک و تمیز در شارژ کوره استفاده شود.
مصرف تایرهای فرسوده در صنعت فولاد جهان روز به روز در حال افزایش است. با توجه به حجم بالای حلقههای لاستیکی در کشور، این مزیت میتواند برای کاهش مصرف انرژی در کورههای قوس الکتریکی استفاده شود. به طور کلی میتوان گفت که استفاده از تایرهای فرسوده جایگزین سوختهای کمکی، ورود بخش فلزی تایر به فولاد، کوتاه کردن زمان ذوب و نفوذ کربن به فولاد میشود. مصرف برق در کورههای EAF به طور قابل توجهی کاهش مییابد. اگر از تایرهای فرسوده استفاده شود، کک از فرآیند فولادسازی حذف میشود و نیاز به سرباره کاهش مییابد. زمان افزودن تایرها به کوره و محل آنها بر بازده و کاهش مصرف انرژی تاثیر میگذارد. به عنوان مثال، گزارش شده است که افزودن حلقههای لاستیکی فرسوده پس از ذوب شارژ کوره و روی سطح مذاب تاثیر مطلوبی بر کاهش مصرف انرژی ندارد زیرا لاستیک شناور شده و انرژی از طریق سوزاندن از دودکش هدر میرود [۹۳-۹۱].
مشکلات و چالشها در صنعت فولاد
یکی از مشکلات و چالشهای صنعت فولاد، تامین مواد اولیه و انرژی است. با توجه به روند شدید افزایش تقاضای انرژی به طور کلی و تقاضای آن در صنعت و ذخایر محدود انرژی، نگرانیهای تامین انرژی اهمیت بیشتری پیدا میکنند. تامین مواد اولیه نقش انکارناپذیری در ادامه تولید در صنعت فولاد دارد و اگر به هر دلیلی در تامین مواد اولیه اختلال ایجاد شود، تولید در کوتاه مدت با مشکلات مواجه خواهد شد. تامین پایدار در اقلام استراتژیک شامل کنسانتره، سنگ آهن، الکترود و ضایعات نقش موثری در پایداری تولید دارد.
تامین آب و انرژی
آب از مسائل عملیاتی به مسائل استراتژیک اهمیت فزایندهای پیدا میکند. دسترسی به آب یک ریسک رو به رشد برای صنعت برق در برنامهریزی سرمایهگذاری در نیروگاههای جدید است. به ویژه در مناطقی که با تنش آبی مواجه هستند، اختلاف بر سر حقوق آب یک جزء دیگر به ریسک در نیروگاههای جدید پیشنهادی اضافه میکند. آب همچنین یک نگرانی رو به رشد برای شرکتهای نفت و گاز است. تا آنجا که صنعت نفت بر روی بازیابی پیشرفته و بهتر نفت متمرکز است، شرکتهای نفت و گاز نیاز به یافتن منابع آب برای استفاده در تولید و حل مشکلات مربوط به آب تولید شده دارند. هنگامی که موجودی و مصرف آب با فشار برای کاهش استفاده از سوختهای فسیلی ترکیب میشود، ریسک برای شرکتهای انرژی افزایش مییابد. اگرچه سوختهای زیستی دافع آب هستند، به ویژه هنگامی که با استفاده از محصولات آبیاری تولید میشوند، استفاده از آب در سایر منابع انرژی تجدیدپذیر کمتر است. صنعت انرژی که در حال حاضر تحت فشار برای کاهش انتشار گازهای گلخانهای است، با چالش بالقوه تغییر به سوختهای جایگزین و کاهش نیاز به منابع آب شیرین محدود مواجه است.
واقعیت منابع آب محدود صنعت انرژی را مجبور میکند تا در استخراج، تبدیل و تحویل انرژی از آب بسیار کارآمدتر استفاده کند. تلاشها برای بهبود کارایی آب همچنین میتواند منجر به صرفهجویی قابل توجهی در مصرف آب (و انرژی) شود. تبدیل نگرانیهای جهانی آب و انرژی به راهحلهای موثر نه تنها نیاز به افزایش آگاهی از چالشها دارد، بلکه نیاز به درک بهتری از رابطه پیچیده آب-انرژی بخش انرژی دارد. تصمیمگیرندگان نیاز به ادغام مسائل انرژی در سیاست آب و مسائل آب در سیاست انرژی دارند. عدم رویکرد یکپارچه به سیاست آب و انرژی، تامین آب و انرژی را به خطر میاندازد [۹۴،۹۵] مقدار مصرف آب در این صنعت به ازای هر تن محصول بسیار بالا است طبق جدول ۳ [۹۶].
جدول ۳: مصرف آب در بخشهای مختلف صنعت فولاد (میانگین جهانی و ایران) [۹۶].
از طرف دیگر، همانطور که در شکل ۱۶ مشاهده میشود، تولید فولاد در ایران از سال ۱۹۸۰ در حال افزایش بوده و از کمتر از ۱۰۰۰ تن در سال به ۱۵۰۰۰ تن در سال افزایش یافته است [۹۷]. با این حال، طبق جدول ۴، مصرف انرژی این صنعت در ایران در تمام بخشها بالاتر از میانگین جهانی است [۹۸]. در مورد مصرف آب واحدهای فولادی ایران، فاصله بین مصرف فعلی و میانگین جهانی شواهدی از تخریب منابع آب و البته پتانسیل بازیابی آن است. شبکههای آب در این زمینه مهمتر هستند زیرا طبق آنچه در شکل ۱۷ نشان داده شده است؛ ایران یکی از مناطق مواجه با بحران آب است. بنابراین، صنعت فولاد در ایران نیاز به استخراج یک رویکرد برای رسیدن به نقطه بهینه استفاده از منابع آب و انرژی دارد تا بیشترین استفاده از این منابع محدود را ببرد. بنابراین، شناسایی دقیقتر جریانهای آب و انرژی در این صنعت، به ویژه در ایران، برای یافتن پتانسیلهای کاهش تخریب منابع، ضروری است [۹۸].
جدول ۴: مصرف انرژی واحدهای تولید آهن-فولاد.
شکل ۱۶: روند تولید فولاد خام در ایران از سال ۱۹۸۰ تا ۲۰۱۵ واحد در هزار تن [۹۷].
تخمین امکان استفاده از انرژی تجدیدپذیر برای صنعت فولاد
امروزه، تامین بخشی از انرژی مورد نیاز از منابع انرژی جدید و تجدیدپذیر به عنوان یک راهحل ایمن و در راستای ملاحظات زیستمحیطی توسط بسیاری از صنایع در سراسر جهان مورد توجه قرار گرفته است. در صنایع مختلف، مقدار زیادی انرژی حرارتی به روشهای مختلف هدر میرود، مانند انتقال حرارت از سطوح داغ و تلفات ناشی از بخارات تولید شده و غیره. با استفاده از فناوریهای مختلف، این حرارت میتواند بازیابی شود و علاوه بر استفاده در پیشگرمکنها و آب گرم و غیره، میتواند برای تولید انرژی الکتریکی نیز استفاده شود. با توجه به پیشرفتهای فناوری، نیروگاههای بازیابی حرارت تلف شده برای بهبود بازده و تولید برق پاک در صنایعی که پتانسیل بالایی برای تلفات حرارتی مداوم با حداقل دمای ۱۰۰ درجه سانتیگراد دارند، استفاده میشوند.
استفاده از فناوریهای بازیابی حرارت در فرآیندهای صنعتی مزایای زیادی دارد، برخی از آنها شامل اشتغال پایدار، توسعه و بهرهوری صنعتی، افزایش فرصتهای تحقیق و توسعه، و همچنین کاهش آلودگی و توسعه پایدار است. بنابراین، توجه به بازیابی حرارت، که یکی از مهمترین منابع انرژی در صنعت آهن و فولاد است، ضروری است. به عنوان مثال، در صنعت فولاد چین، ۸٫۴۴ گیگاژول حرارت به ازای هر تن فولاد تولید شده تولید میشود، که تنها ۲۸٪ آن بازیابی میشود [۹۹].
شکل ۱۷: پیشبینی کمبود منابع آب تا سال ۲۰۲۵ ایران نزدیک به کمبود آب است [۹۸].
مشخصات چرخه رانکین آلی برای بازیابی حرارت تلف شده
با توجه به افزایش مصرف انرژی و مشکل کمبود برق، استفاده از سیستمها و مکانیسمهای مختلف برای افزایش بازده انرژی مورد توجه قرار گرفته است. یکی از این فناوریها استفاده از حرارت تلف شده در کارخانهها است. یکی از مهمترین راههای استفاده از حرارت تلف شده، استفاده از حرارت تلف شده از دودکشهای کارخانه توسط چرخه رانکین آلی است. چرخه رانکین آلی میتواند برای بازیابی حرارت تلف شده با دمای پایین استفاده شود. این چرخه شبیه به چرخه رانکین بخار است، با این تفاوت که از سیالات آلی به عنوان سیال کار استفاده میشود. شناختهشدهترین سیال کار بخار آب است و سایر سیالات شامل مخلوط آمونیاک و آب، آمونیاک، دیاکسید کربن و سیالات آلی هستند. استفاده از آب یا بخار آب به عنوان سیال انتقال حرارت در مواردی که منبع حرارت تلف شده صنعتی در دمای پایین در دسترس است، محدود میشود. چرخههای رانکین آلی از سیالات آلی مانند تولوئن، پنتان یا روغن سیلیکون به عنوان گزینه مناسبتری استفاده میکنند. محدوده دمایی چرخه رانکین آلی پایینتر از چرخه رانکین بخار است و بنابراین میتواند در بازیابی حرارت استفاده شود [۱۰۰].
چرخه رانکین آلی، چرخه رانکین بخار است که به جای دیگ بخار از یک تبخیرکننده استفاده میکند. این چرخه عمدتاً شامل توربینها، کندانسورها، تبخیرکنندهها و پمپها است. از آنجا که سیالات عملیاتی مورد استفاده در این چرخه معمولاً نقطه جوش پایینی دارند، استفاده از یک منبع حرارت با دمای پایین میتواند بخار مورد نیاز برای مصرف توربین را در تبخیرکننده تولید کند. برای این کار، منبع حرارت میتواند حرارت تلفشده فرآیندهای صنعتی، انرژی خورشیدی، بیوگاز و غیره باشد. رابط مورد استفاده برای جذب حرارت نیز آب است. منابع انرژی با دمای پایین چرخه رانکین آلی میتواند حرارت تلفشده در صنایعی مانند گازهای خروجی کورههای ذوب فلزات، تولید شیشه، کارخانههای سیمان، پالایشگاهها و توربینهای گازی باشد [۱۰۱].
نیروگاه ORC در کورههای قوس الکتریکی (EAF)
سیستم ORC اولین بار در سال ۲۰۱۳ برای بازیابی حرارت تلفشده از کورههای نورد گرم در سنگاپور استفاده شد و اولین استفاده از این سیستم در کورههای قوس الکتریکی در آلمان بوده است [۱۰۱]. در صنعت فولاد، ORC برای بازیابی حرارت کورههای قوس الکتریکی و نورد بسیار مناسب است. شکل ۱۸ یک تصویر شماتیک از نحوه ارتباط اجزای ORC با EAF را نشان میدهد [۱۰۲]. بر اساس سوابق موجود، برای هر گاز گرم منتشر شده از EAF، از هر تن محصول فولاد مذاب، خروجی حرارت و تولید برق در محدوده ۱۵ تا ۲۵ کیلوواتساعت ارائه میشود. بنابراین، برای یک نمونه EAF، با فرض تولید ۱.۵ میلیون تن محصول در سال و با فرض بازیابی حرارت تا ۲۵ کیلوواتساعت، توان طراحی ORC مورد نیاز حدود ۵ مگاوات است که با فرض ۷۲۰۰ ساعت کار در سال، میتواند ۳۷۵۰۰ مگاواتساعت برق تولید کند [103و102].
شکل ۱۸: سیستم بازیابی حرارت گازهای خروجی کوره قوس الکتریکی با فناوری ORC [۱۰۱].
نتیجهگیری
در این مطالعه، برخی از روشهای بهینهسازی انرژی در صنعت فولاد مورد بررسی قرار گرفت. تأثیر عواملی مانند پیشگرمایش قراضه آهن و آهن اسفنجی وارد شده به کورههای قوس الکتریکی با استفاده از گازهای خروجی از کوره، استفاده از مشعلهای کربنی برای تزریق کربن و اکسیژن به داخل مذاب در کوره و ایجاد سرباره پفکرده برای کاهش مصرف انرژی و الکترودها و مواد نسوز مورد استفاده در کوره و کاهش زمان ذوب و افزایش بازده ذکر شد. همچنین، احتراق ثانویه، پیشگرمایش پاتیل مذاب، افزایش نسبت قراضه آهن به آهن اسفنجی که البته به عوامل مختلفی مانند شاخص توسعه و رفاه و فرهنگ مصرف و غیره بستگی دارد، و همچنین اصلاح بار قراضه برای شارژ داخل کوره میتواند ذکر شود. تمامی عوامل ذکر شده به منظور کاهش مصرف انرژی و افزایش بازده است. یکی از روشها برای جلوگیری از اثرات مخرب زیستمحیطی صنعت فولاد میتواند استفاده از سرباره با حرارت بالا تولید شده در کورههای قوس الکتریکی و استفاده از گازهای زائد باشد. فرآیند تولید فولاد مذاب برای پیشگرمایش مواد (آهن اسفنجی و قراضه) و شارژ داخل کوره – یا استفاده از گازهای زائد برای استفاده در چرخه رانکین آلی به دلیل امکان بازیابی حرارت تلفشده در دمای پایین، همه روشهای فوق هم برای کاهش و بهینهسازی مصرف انرژی و هم برای جلوگیری از تولید CO2 و آسیبهای زیستمحیطی است.
استفاده از تایرهای فرسوده به عنوان منبع کربن نیز میتواند یکی از بهترین راهها برای کاهش مصرف انرژی در کورههای قوس الکتریکی و کمک به کاهش تأثیرات زیستمحیطی باشد. در مورد مکان، میتوان گفت که ساخت یک کارخانه به عوامل زیادی بستگی دارد. به عبارت دیگر، برای مکانیابی یک پروژه، باید عوامل مهم و مطلوب را به ترتیب اهمیت اولویتبندی کرد. البته اولویتبندی نیازها کار آسانی نیست، اما با زمانبندی مناسب و ملاحظات هماهنگ، بهترین مکان برای ساخت پروژه میتواند در نظر گرفته شود. برای توسعه پایدار در درازمدت، لازم است به محدودیتهای محیط زیست و منابع طبیعی توجه شود. یکی از راههای دستیابی به توسعه پایدار، ارزیابی تأثیرات زیستمحیطی پروژه است. این به معنای جلوگیری از اجرای پروژه نیست، بلکه به حداقل رساندن اثرات نامطلوب آن و بهبود قابل توجه وضعیت و رتبهبندی عملکرد زیستمحیطی است. با توجه به زیرساختها، دسترسی به منابع انرژی، آب، معادن و بازار مصرف، منطقه جنوبی کشور اولویت اول برای توسعه پایدار این صنعت است.
نکته قابل توجه در این منطقه، تأمین آب از فرآیند نمکزدایی آب دریا است که تأثیرات منفی زیستمحیطی بر اکوسیستم ساحلی و دریایی خلیج فارس خواهد داشت. بنابراین، در استفاده از این فناوری برای تأمین آب، باید مطالعه فنی و اقتصادی گستردهای انجام شود تا اثرات مخرب زیستمحیطی به حداقل برسد و در مورد ترتیبات لازم و انتخاب مناسب محل نصب کارخانه نمکزدایی، محل استخراج آب از دریا و به ویژه محل تخلیه آب برگشتی به دریا، اطمینان حاصل شود و پایداری صنعت تضمین شود. یکی از شاخصهای رشد صنعتی در هر کشور، میزان تولید و مصرف فولاد است.
صنعت فولاد نقش کلیدی در اقتصاد ملی و رفاه جوامع ایفا میکند، بنابراین توسعه این صنعت عاملی مؤثر در توسعه سایر بخشهای اقتصادی، صنعتی، علمی و اجتماعی کشور است. ایران با ۳.۳ میلیارد تن ذخایر زمینشناسی سنگ آهن و ۱۷.۹۳٪ از ذخایر گاز طبیعی جهان، مرزهای طولانی با آبهای بینالمللی، وجود نیروی کار ماهر و ارزان، امکان حمل و نقل ارزان و دانش و تجربه به دست آمده از اجرای پروژهها و کارخانههای متعدد فولاد، مزیت روشنی در تأیید انجمن بینالمللی آهن و فولاد (IISI) در تولید این محصول دارد. یکی از راههای دستیابی به اهداف توسعه پایدار، مکانیابی و مطالعه تأثیرات زیستمحیطی است که میتواند به عنوان ابزاری برنامهریزی در اختیار مدیران و تصمیمگیرندگان قرار گیرد تا از توسعه آلودگی و تخریب طبیعت جلوگیری کنند.
