تأثیرات هیدروژن در روش احیای مستقیم سنگ آهن(DRI)
یکی از چالش‌ها امروزه در صنایع مسئله محیط زیست است؛ این چالش به دلیل بی‌توجهی بدل به بحران‌هایی همچون گرم شدن کره زمین شود که معضلاتی همچون آب شدن یخچال‌های قطبی یا آلودگی هوا گردید. یکی از علل‌های مهم این معضلات را می‌توان در کارخانه‌ها جست، زیرا کارخانه‌ها الخصوص صنایع مربوط به حوزه آهن معدن، آلاینده‌های فراوانی را تولید می‌کنند که نتایح آن امروزه در کمبود آب و افزایش گرما در کشور آشکار می‌شود. در همین راستا فرآیندهایی همچون ساخت سنگ آهن را از مدل‌های منسوب به حوزه فولاد سبز را به کار گیرند و یکی از مهم‌ترین این مدل‌ها استفاده از هیدروژن در احیای مستقیم آن است.
روش احیای مستقیم یکی از مدل‌های در عصر جدید شناخته می‌شود و نسبت به مدل‌های همچون کوره بلند از صبغه تاریخی کمتری برخوردار است. اما باز هم می‌توان ریشه این روش را در عصر یافت که بشر نخستین بار توانست استخراج سنگ آهن را انجام دهد. در عصری که منسوب به دوران اولیه است از کوره‌های کوچک چاهک شکل برای ساخت آهن خام به کار گرفته می‌شد؛ زغال چوب در این کوره در جهت منبعی برای میزان حرارت و احیاکننده به کار گرفته می‌شد و می‌توانسند سنگ آهن‌ها را با دمایی کم به آهن‌های جامد تبدیل کنند. در واقع این روند به‌عنوان نخستین روش احیای مستقیم شناخته می‌شود که البته هنوز به عملیات ذوب کامل نرسید و از آغاز انقلاب صنعتی تا کنون تحولاتی اساسی در این روش رخ داده که آن را بدل به یکی از مهم‌ترین مدل‌ها در صنعت فولاد کرد.
سیر رشد عملیات احیای مستقیم
دهه ۱۹۵۰ میلادی را می‌توان نقطه اساسی در تحول این روش دانست؛ چراکه در این دهه نخستین کوشش‌های مؤثر در این عملیات با ابداع فرآیند اچ‌وای‌ال (HYL) در کشور مکزیک شروع شد که همین فرآیند شروعی بر یک توسعه‌‌ی جنجال‌‌‌براگیز دانست. بعد از به کارگیری روش (HL)، در دهه ۱۹۷۰ با ابداع تکنولوژی تازه‌ای به نام میدرکس(MIDREX) توسط یکی از کارخانه‌ها در کشور آمریکا انقلابی مهم در این حوزه رخ داد؛ انقلابی که توانست از طریق به کارگیری گاز طبیعی برای منبع احیاکننده موجب صرفه‌جویی در هزینه تولید شود. پایدار و اقتصادی بودن این روش سبب گسترش فناوری فوق در سطح جهانی گردید و آن را به رکنی اساسی و کارآمد در عملیات مذکور بدل کرد.
سپس در دهه‌های آتی این عملیات به مدد رشد علم و تکنولوژی توانست به روشی مهم‌تر، کارآمدتر و بهینه‌تر به نام پرد(PERED) دست یابد. این تکنولوژی در جهت اهدافی همچون پایین آمدن مصرف انرژی، بالا رفتن میزان بهره‌برداری و پایین آمدن میزان آلاینده ابداع گردید. عملیات احیای مستقیم بستری مهم را در صنعت فولاد به ارمغان آورد و توانست از طریق روش‌های نوین و کارآمد بتواند موجب بهینه‌سازی، بالا بردن خط تولید و بهبود عملکرد انرژی موجب توسعه در کشورهایی گوناگونی شود. از آنجایی در کشور ایران منابعی فراوانی وجود دارد و یکی از این مهم‌ترین منابع را می‌توان در میزان وجود گازهای طبیعی دانست و همچنین با وجود چالش‌هایی مانند آلودگی هوا استفاده از گازهای طبیعی در این عملیات یک روش ضروری و حائز اهمیت است.
به کارگیری گاز هیدروژن در عملیات احیا
در این شیوه از تولید روند اینگونه است که گاز اکسیژن در فرآیند شیمیایی محصول حذف شده و در حالتی جامد به فرآورده اطلاق می‌گردد. آهن و فولادها عموماً از طریق سوخت‌های فسیلی مانند زغال سنگ ساخته می‌شود. به عبارت دیگر در سنگ آهن هیچ گونه آهن خالصی وجود ندارد و این محصول ترکیبی از آهن و اکسژن است، به همین جهت اکسیژن درون ماده با کربن ترکیب شده و واکنش نشان می‌دهد و نتیجه‌ی این واکنش منجر به فلز آهن . گاز کربن‌دار می‌شود اما هنگامی که محصول مورد نظر هیدروژن جایگزین کربن می‌شود، گازی که از این واکنش شکل می‌گیرد بخار آب است.
فرمول واکنش از طریق کربن: 2Fe2O3+3C->4Fe+3CO2
فرمول واکنش از طریق هیدروژن: Fe2O3+3H2->2Fe+3H2O
FeO+H2->Fe+H2O
گاز هیدروژن یکی از سوخت‌هایی است که درون آن مولکول‌های هیدروژن وجود دارد و می‌توان برای نمونه گاز طبیعی و زیست گاز را در نظر گرفت. همچنین یکی دیگر از مدل‌های کارآمد در تولید هیدروژن، الکترولیز آب بوده که امروزه نزدیک به ۷۵ درصد از هیدرژون‌های موجود در سطح جهانی که معادل ۷۰ میلیون تن در سال است به مدد گاز طبیعی به وجود می‌آید و تنها ۰.۱ درصد از هیدرژون‌ها از طریق الکترولیز آب به دست می‌آید. متأسفانه تنها 6 درصد در سطح جهانی از گاز طبیعی برای تولید هیدرژون استفاده می گردد. کشورهایی همچون ایران می توانند در لازم است تا مدیریت درست بتوانند با استفاده از این مدل بتوانند بحران‌هایی همچون کمبود آب را این طریق کنترل کنند وگرنه این امکان وجود تا آسیب‌هایی فراوانی به منابع کشور وارد شود.
حرکت به‌سوی فولاد سبز
استفاده از روش(DRI) با ترکیب گاز طبیعی منجر می‌شود که هیدروژن هم مانند کربن بدل به ایجاد گاز گلخانه‌ای شده و همین نکته سبب عدم استفاده از هیدروژن خالص برای تولید احیای فولاد می‌شود. اکنون منابع اصلی هیدروژن به سه دسته تقسیم می‌شوند:
- ۱. هیدروژن سبز: این عنصر به وسیله الکترولیز آب و به همراه انرژی‌های تجدید پذیر تولید می‌شود.
- ۲. هیدرژن آبی: این نوع گاز از سوخت‌های فسیلی به دست آمده که در مجموعه‌هایی که امکان محبوس کردن گاز کربن را دارند ساخته می‌شود.
- ۳. هیدروژن خاکستری: این هیدروژن بدون در نظر گرفتن آلاینده با استفاده از سوخت‌های فسیلی به دست می‌آید.
طبق برنامه‌ای که آژانس بین‌المللی انرژی در سال ۲۰۲۰ منتشر کرد؛ قرار است تا سال ۲۰۳۰ هیدروژن سبز اهرمی اساسی در حوزه فولاد در نظر گرفته می‌شود و در سال ۲۰۵۰ تولید و عرضه این محصول به ۱۲ میلیون تن در سال در نظر گرفته شد.
موانع و معضلات
هر توسعه‌ای چالش‌هایی را با خود به همراه دارد و اگر نتوان آن چالش‌ها را در متغیرها شناسایی کرد، این امکان وجود دارد تا توسعه بدل به تخریب شود. به همین منظور شناختن چالش‌ها یک امر ضروری است. در همین راستا موانع مربوط به ایجاد صنعت فولاد به شرح ذیل صورت‌بندی گردید:
بالا رفتن میزان مصرف برق و هیدروژن
طبق بیش‌بینی آژانس بین‌المللی انرژي تا سال ۲۰۵۰ حجم تولید به ۱۲ میلیون در سال می‌رسد و بیشترین میزان تقاضا از سوی هند و چین است. از آنجایی سهم الکترولیز آب در پیش‌بینی آژانس بین‌المللی سهم به سزایی دارد بنابر پیش‌بینی آژانس این حجم تولید احتیاج به ۳۶۰۰ تراوایت برق در ساعت دارد که این رقم حتی از تولید سالانه برق در اروپا فراتر می‌شود. همچنین با بالا رفتن تقاضای هیدروژن چالش دیگری در عرضه آن انجام می‌شود.
زیر بنا
امروزه ۵۰۰۰ کیلومتر خط انتقال هیدروژن وجود دارد و از آنجایی که این گاز سبک و کوچک است زمان زیادی برای طراحی خطوط صورت می‌گیرد. با توجه به افزایش تقاضای این گاز در سال‌های آتی، خطوط موجود برای حجم درخواست‌ها کافی نخواهد بود و همین نکته یکی از موانع مهم در روند توسعه خواهد بود.
هزینه بالا
استفاده از این گاز در هزینه تولید صرفه‌جویی می‌کند اما هنگام ایجاد زیرساخت طبق آمار آژانس موجب افزایش هزینه‌ی میان ۱۰ الی ۵۰ درصد است. البته پیش‌بینی می‌شود هیدروژن سبز تا سال ۲۰۳۰ تا ۳۰ درصد کاهش یابد و علت آن را منسوب به پایین آمدن مابع تجدیدپذیر و ساخت هیدروژن در حجم بالا می‌دانند.
بالا رفتن میزان خطر
این گاز به دلیل ریز بودن مولکول آن این امکان را به وجود می‌آورد تا سختی آهن و فولاد کاهش یابد. همچنین موجب نشتی فراوان، ترد شدن و نفوذ در بافت لوله‌ها می‌شود.
نتیجه‌گیری
به کارگیری گاز هیدروژن در روش (DRI) روشی است تثبیت شده که جهان به‌سوی آن حرکت کرده است و اگر نتوان زیرساخت‌های لازم را برای این مدل به کار گرفت سبب ایجاد مشکلات فراوانی می‌شود و از آنجایی که امروزه کشورها دیگر دخیل کردن اقتصاد از طریق سوخت‌های فسیلی نیستند، می‌کوشند تا برای به دو دلیل صنایع را به این سمت سوق دهند؛ دلیل نخست این است که جهان دچار چالش‌های زیست محیطی است و دیگر آنکه سوخت فسیلی روزی به پایان خواهد رسید. به همین جهت امروزه مدل‌های گوناگونی در همین راستا طراحی می‌گردد تا بتوان به تولید انرژی‌های پاک دست یافت.
