فولاد و انرژی

[XMEHRDADX 7,514]

صنعت فولاد به‌طور فعالانه‌اي مصرف انرژي را مديريت مي‌كند. براي تضمين رقابت صنعت و كاهش صدمات زيست‌محيطي از قبيل كنترل انتشار گازهاي گلخانه‌اي، حفظ انرژي در صنعت توليد فولاد بسيار حائز اهميت است. گذشته از اين فولاد به واسطه پتانسيل وزني سبك، استحكام و بازيافت پذيري صددرصد، ماده‌اي حياتي براي توليد، انتقال و همچنين كاهش مصرف انرژي در طي چرخه حيات خود است.

 

در سال 2007 در حدود 3/1 ميليارد تن فولاد توليد شد. براي پاسخگويي به افزايش تقاضاي فولاد در سرتاسر جهان، انتظار مي‌رود كه ميزان توليد تا سال 2050 به دو برابر افزايش پيدا كند.

 

 

مصرف انرژي در صنعت توليد فولاد

ـ توليد فولاد يك فرآيند انرژي‌بر است اما، سيستم‌هاي پيچيده مديريت انرژي در طي فرآيند فولاد‌سازي براي استفاده مجدد در هر كجا كه ممكن باشد، مي‌تواند ضامن مصرف كارآمد و بازيابي انرژي باشد. همان‌طور كه در نمودار شماره يك مشاهده مي‌كنيد از سال 1975بهبود در بهره‌وري انرژي منتج به كاهش تقريبي 50 درصدي در مصرف انرژي مورد نياز براي توليد يك تن فولاد خام در اكثر كشورهاي بزرگ توليدكننده فولاد شده است.

 

 

انرژي‌هاي ورودي و هزينه‌هاي وابسته

 

ـ انرژي دربر گيرنده بخش عمده‌اي از هزينه‌هاي توليد فولاد است كه در برخي از كشورها از 20 تا 40 درصد را به خود اختصاص مي‌دهد. از اين رو بهبود در بهره‌وري انرژي موجب كاهش هزينه‌هاي توليد و در نتيجه افزايش رقابت‌پذيري مي‌شود.

 

ـ ميزان بهره‌وري انرژي در كارخانه‌هاي فولادسازي، وابستگي بسيار زيادي به روش توليد، نوع سنگ‌آهن و زغال‌سنگ مصرفي، نوع محصول فولادي، تكنولوژي كنترل عمليات و راندمان مواد اوليه دارد.

 

ـ همچنين در فرآيندهاي معدنكاري، آماده‌سازي و انتقال مواد خام از قبيل سنگ‌آهن، زغال‌سنگ، فولاد بازيافت شده و سنگ آهك نيز، انرژي به‌طور غير مستقيم مصرف مي‌شود (در حدود 8 درصد از كل چرخه حيات انرژي لازم براي توليد فولاد).

 

ـ تقريبا در حدود 95 درصد از انرژي ورودي مجتمع‌هاي فولادسازي از سوخت جامد (عمدتا زغال‌سنگ)، 3 تا 4 درصد از سوخت گازي و يك تا 2 درصد از سوخت‌هاي مايع به‌دست مي‌آيد.

 

 

انرژي‌هاي ورودي به‌عنوان عوامل احيا

 

ـ همان‌گونه كه در شكل شماره 2 مشاهده مي‌كنيد، براي توليد فولاد خام نسبت به فولاد ثانويه به انرژي بسيار بالاتري نياز است كه اين امر ناشي از انرژي شيميايي مورد نياز براي احياي سنگ‌آهن به چدن خام با استفاده از عوامل احيا است.

 

جدول شماره يك نشان‌دهنده انرژي‌هاي ورودي مهم در يك فرآيند توليد فولاد و همچنين كاربردهاي آنها به‌عنوان انرژي و عوامل احيا است.

 

ـ به دليل اين‌كه فرآيند احيا نمي‌تواند در دماي اتاق رخ دهد، عوامل احيا از قبيل زغال‌سنگ، كك و گازهاي طبيعي به‌عنوان يكي از منابع حرارتي نيز عمل مي‌كنند.

 

ـ كك كه به‌وسيله كربورايزينگ زغال‌سنگ ايجاد مي‌شود (به‌طور مثال در غياب اكسيژن در دماي بسيار بالا به آن حرارت داده مي‌شود)، اولين عامل احياي سنگ‌آهن است و اكثرا سوخت‌هاي ديگر به‌عنوان جانشين قسمتي از كك به‌كار گرفته مي‌شوند. اگر كارخانه نتواند كك مصرفي و يا انرژي الكتريسيته خود را در محل سايت تامين كند اين مواد بايد از خارج تهيه شوند.

 

ـ بيش از 75 درصد انرژي كه دريك مجتمع فولادسازي‌سازي توسط كك ايجاد مي‌شود در كوره بلند مصرف مي‌‌شود كه به شكل كك چندين نقش از قبيل عامل احياكنندگي، تامين‌كننده بار كوره و سوخت كوره را به عهده دارد. باقي مانده آن نيز به شكل فرآورده‌هاي جانبي گازي به‌عنوان يك منبع انرژي جانشين ديگر سوخت‌ها در مراحل مختلف فرآيندهاي پايين‌دستي به‌كار گرفته مي‌شود كه تامين‌كننده حرارت در كارخانه‌هاي زينتر و پخت است.

 

 

فرآورده‌هاي جانبي گازي

 

ـ فرآورده‌هاي جانبي گازي به‌دست آمده از كوره كك‌سازي، كوره بلند و كوره اكسيژن بازي (BOF) مي‌توانند به‌طور كامل دوباره مورد استفاده قرار گرفته و در منابع سوخت فسيلي اضافي صرفه‌جويي به عمل آيد.

 

ـ به‌عنوان مثال در كشور آلمان بازيافت فرآورده‌هاي جانبي گازي BOF، سالانه موجب صرفه‌جويي در انرژي معادل 300 ميليون مترمكعب از گازهاي طبيعي مي‌‌شود كه در غير اين صورت اين انرژي بايد از منابع طبيعي تامين مي‌شد.

 

ـ در حال حاضر تكنولوژي نويني وجود دارد كه امكان مي‌دهد گاز CO2 بازيافت شده و مجددا به فروش برسد، از قبيل كارخانه فولادسازي كه سالانه 50 هزار تن CO2 مورد نياز كارخانه گازي كناري را تامين مي‌كند. همچنين هم راستا با آن، گاز تصفيه مي‌شود و براي توليد نوشيدني‌هاي كربنات‌دار مورد استفاده قرار مي‌گيرد.

 

 

پيشرفت‌هاي بعدي در بهره‌وري از انرژي

ـ امروزه بهترين فرآيندهاي فولادسازي موجود داراي يك مصرف بهينه انرژي هستند.

 

ـ انتظار مي‌رود، به واسطه انتقال تكنولوژي يا به‌كارگيري بهترين فناوري‌هاي موجود در كارخانه‌هاي قديمي فولاد‌سازي سرتاسر دنيا، بهبود‌هاي ميان‌مدت در بهره‌وري انرژي در صنعت فولاد، امكان‌پذير شود.

 

ـ انتظار مي‌رود در يك دوره زماني تا سال 2020 و بيش از آن، تكنولوژي‌هاي پيشرفته منتج به تغييرات عمده در مسير توليد فولاد شوند.

 

 

اصول توليد فولاد

 

همان‌گونه كه در شكل شماره 2 مشاهده مي‌كنيد ،فولاد با استفاده از روش‌هاي اوليه و ثانويه توليد مي‌‌شود.

 

شكل شماره 2 مسيرهاي توليد فولاد و مصرف انرژي در هر مسير (واحد گيگاژول در هرتن از فولاد خام توليد شده) نشان داده شده است.

 

از آنجايي كه فرآيند فولاد‌سازي مي‌تواند از كارخانه‌اي به‌كارخانه ديگر متفاوت باشد، از اين رو اين شكل تنها به‌منظور توضيح مفاهيم است. در اين شكل مصرف انرژي به‌عنوان مبنا در نظر گرفته شده است زيرا تغييرات آن وابسته به نوع فولاد توليد شده و تكنولوژي به‌كار گرفته شده است. مقادير مصرف انرژي بر اساس ميزان انتشار گاز CO2 در نظر گرفته شده است. ميزان انتشار CO2 شامل خروجي‌هاي مستقيم و غيرمستقيم از فرآيندهاي كك سازي، زينتر، توليد چدن و همچنين ريخته‌گري و نورد است كه مرحله معدنكاري را شامل نمي‌شود.

 

فولاد خام به‌طور معمول بالغ بر 75 درصد از توليد فولاد جهان را شامل مي‌شود و از طريق احياء سنگ‌هاي آهن به چدن، توليد مي‌‌شود و در نهايت توسط كنورتور به فولاد تبديل مي‌شود.

 

ورودي‌هاي عمده سنگ‌آهن، زغال‌سنگ، سنگ آهك و آهن قراضه هستند. مهمترين روش‌هاي توليد فولاد خام عبارتند از:

 

ـ كوره بلند (BF) ـ كوره اكسيژن بازي (BOF): 66 درصد

 

ـ BF ـ كوره روباز (OHF): 3 درصد

 

ـ احياي مستقيم (DR) ـ كوره قوس الكتريكي (EAF): 6 درصد

 

فولاد ثانويه بالغ بر 25 درصد از كل توليد فولاد را به خود اختصاص مي‌دهد كه به‌وسيله تغذيه آهن قراضه به كوره‌هاي قوس الكتريك (EAF) توليد مي‌شود. مهمترين ورودي‌هاي اين كوره شامل قراضه و الكتريسيته هستند.

 

اكثر محصولات فولادي قبل از اين كه دوباره بازيافت شوند تا ده‌ها سال مورد استفاده قرار مي‌گيرند. بنابراين روش فولادسازي ثانويه به تنهايي نمي‌تواند پاسخگوي رشد تقاضا فولاد بازيافتي باشد.

 

رشد تقاضا را مي‌توان به واسطه استفاده توام از روش‌هاي توليد اوليه و ثانويه پاسخ داد. تكنولوژي كوره روباز (OHF) نيز به دليل مشكلات اقتصادي و زيست‌محيطي در حال انحطاط است.

 

 

نقش فولاد در توليد و انتقال انرژي

 

استفاده از فولاد براي توليد و انتقال انرژي امري ضروري است. از اين فلز براي ساخت و توليد تجهيزات زير استفاده مي‌شود:

 

ـ تجهيزات معدنكاري و سكوهاي نفتي دريايي

 

ـ تجهيزات براي استخراج نفت و گاز و فرآوري آنها

 

ـ خطوط انتقال و مخازن ذخيره‌سازي گاز طبيعي و نفت

 

ـ كشتي‌ها، كاميون‌ها و قطارهاي مورد استفاده انتقال شكل‌هاي مختلف انرژي

 

ـ ترنسفورماتورها (هسته فولادي مغناطيسي)

 

ـ ژنراتورها و موتورهاي الكتريكي

 

ـ كابل‌ها و دكل‌هاي انتقال نيرو

 

فولاد همچنين نقش مهمي را در تكنولوژي انرژي‌هاي تجديدپذير بازي مي‌كند. به‌طور مثال:

 

ـ خورشيدي: فولاد ضدزنگ داراي يك نقش كليدي در تبديل انرژي خورشيدي به الكتريسيته يا آب گرم است. آنها به‌عنوان يك ماده اساسي براي صفحات حرارتي، پمپ‌ها، تانكرها و مبدل‌هاي حرارتي استفاده مي‌شوند.

 

ـ موج (wave) و جذر و مد (tidal): يك ستون فولادي از مهمترين اجزاي يك توربين جذر و مدي در سيستم‌هاي انرژي جذر و مدي است.

 

همچنين فولاد براي ساخت وسايل انرژي موجي به‌كار گرفته مي‌شود.

 

فولاد استفاده شده داراي مقاومت بالايي در محيط‌هاي دريايي نا ملايم نيز است.

 

ـ باد: فولاد مهمترين ماده مورد استفاده در توربين‌هاي بادي ساحلي و غيرساحلي است. تقريبا تمامي اجزاي يك توربين بادي از فونداسيون تا دكل، چرخ‌دنده و بدنه آن از فولاد ساخته شده است.

 

 

صرفه‌جويي انرژي در طي چرخه حيات فولاد

 

در حين اينكه توليد محصولات فولادي نيازمند صرف انرژي است، حتي برخي اوقات بيشتر از انرژي استفاده شده طي مراحل توليد، مي‌تواند در طول چرخه حيات خود در مصرف انرژي صرفه‌جويي كند.

 

به‌طور مثال، در طي 20 سال يك توربين بادي 3 مگاواتي مي‌تواند 80 بار بيشتر از انرژي به‌كار رفته براي توليد و نگهداري آن، انرژي توليد كند.

 

همچنين فولاد به شرح زير مي‌تواند موجب كاهش مصرف انرژي و توليد گازهاي گلخانه‌اي در طول چرخه حيات خود ‌‌شود:

 

ـ فولادهاي استحكام بالاي پيشرفته (AHSS) سبك وزن اين امكان را فراهم آورده‌اند كه فولاد كمتري در خودروها به‌كار گرفته شود همچنين موجب كاهش 9 درصدي در وزن، افت 1/5 درصدي مصرف سوخت در طي مرحله كاربرد و كاهش انتشار گازهاي گلخانه‌اي تا 7/5 درصد شده‌اند و همه اين مزيت‌ها ايمني خودرو را نيز افزايش مي‌دهند.

 

ـ محصولات فولادي طويل در طول چرخه حيات خود داراي استحكام و پايداري بالايي هستند. به‌عنوان مثال، ساختمان‌ها و پل‌هاي ساخته شده به‌وسيله فولاد در حدود 40 تا 100 سال يا در صورت نگهداري مناسب بيش از آن عمر مي‌كنند.

 

پوشش روي بر روي قاب‌هاي فولادي مي‌تواند محافظت در برابرخوردگي براي اين محصولات را تضمين كند و در نتيجه انتظار مي‌رود تا ميانگين عمر محصول به 377 سال برسد.

 

ـ آهن قراضه توسط آهن ربا به راحتي بازيافت مي‌شود و صددرصد بازيافت پذير است.

 

اين فولاد مي‌تواند به‌طور نا محدود بدون هيچ‌گونه افتي در كيفيت آن مورد بازيافت قرار گيرد.

 

بازيافت يكي از راه‌هاي كاهش استفاده از انرژي و ديگر مواد خام در توليد فولادهاي جديد است.

 

در سال 2006 در حدود 459 ميليون تن فولاد در سرتاسر جهان بازيافت شد و متعاقب آن معادل با 242 ميليون تن در مصرف آنتراسيت صرفه‌جويي شد.

 

معدن و توسعه299