بیوچار در صنعت فولاد

کک سازی یکی از اصلی ترین انتشار دهنده های صنعتی دی اکسید کربن (CO2) است که حدود ۷ تا ۹ درصد از انتشار جهانی این گاز را تشکیل می دهد. این به این دلیل است که از آنجایی که جهان فولاد بیشتری مصرف می‌کند، نیاز به روش‌های مقرون‌به‌صرفه‌تر و پایدارتر برای تولید مواد برای مبارزه با تغییرات آب و هوایی اهمیت زیادی پیدا می‌کند. بیوچار نوعی زغال چوب است که از زیست توده گیاهی تولید می شود و یکی از برنامه های امیدوارکننده احتمالی استفاده از آن است. با نگاهی به پیشرفت‌ها و مطالعات اخیر، بیوچار به عنوان جایگزینی برای سوخت‌های فسیلی در تولید فولاد مورد توجه قرار گرفته است. اما آیا بیوچار واقعا می تواند به خنثی سازی کربن فولادسازی کمک کند؟

این دانشنامه نقش بیوچار در صنعت فولاد و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و موانع و چشم‌اندازهایی که این فناوری امیدوارکننده را تعریف می‌کنند، ارائه و بررسی می‌کند.

بیوچار چیست؟

بیوچار صرفاً زغالی است که از چوب و هر گونه زیست توده دیگر مانند باقیمانده کشاورزی یا به سادگی آن چیزی که در معرض تجزیه در اثر حرارت قرار گرفته است، ساخته شده است. این فرآیند تجزیه فیزیکی زیست توده در دماهای بالا با نیاز نسبتاً کم به اکسیژن است و محصولی که از تجزیه در اثر حرارت خارج می شود به عنوان بیوچار شناخته می شود. این فرآیند کربن را در بیوچار تثبیت می کند و به همین دلیل است که بیوچار می تواند به عنوان وسیله ای برای ذخیره کربن یا ترسیب کربن تعریف شود که در آن کربنی که در غیر این صورت می تواند به عنوان CO2 در اتمسفر آزاد شود، وجود دارد. جدای از تولید فولاد، بیوچار را می توان در مزرعه نیز برای بهتر کردن خاک، بهبود رژیم آبی و تحریک رشد گیاه به کار برد.

توانایی بیوچار برای جداسازی کربن برای استفاده طولانی مدت و مجدد به عنوان یک راه حل محتمل برای جبران سوخت فسیلی و به حداقل رساندن انتشارات داوطلبانه توسط کاربردهای صنعتی پذیرفته شده است.

فولادسازی و انتشار دی اکسید کربن (CO2)

در فولادسازی معمولی، مراحلی وجود دارد که به مراحل احیا معروف هستند که در آن آهن کاهش می‌یابد که اکسیژن برای تولید آهن حذف می‌شود. این فرآیند تمایل به استفاده از کک دارد، یک سوخت قوی کربنی تولید شده از زغال سنگ برای تامین دمای بالا برای کاهش و به عنوان یک کاهنده. با این وجود، این واکنش همچنین CO2 را به عنوان یکی از محصولات نیز بازسازی می کند. به عنوان مثال، انتشار CO2 در هر تن فولاد تقریباً ۱.۸ تن است.

کاهش استفاده از CO2 در فولادسازی آسان نیست. برخی از فرآیندها به دماهای بالا نیاز دارند و واکنش های شیمیایی زیادی را شامل می شوند. با این حال، مطالعه کنونی نشان می‌دهد که بیوچار می‌تواند جایگزینی پایدار برای کک برای فولادسازی باشد، زیرا کربن مورد نیاز را تامین می‌کند و ردپای محیطی کم‌تری دارد.

چگونه بیوچار می تواند فولادسازی را کربن خنثی کند؟

مهمترین کاربرد بیوچار در کاهش انتشار فولاد این است که تجدیدپذیر است و به ذخیره کربن کمک می کند. بیوچار بیشتر یا کمتر از کک CO2 تولید می کند زیرا کربن موجود در بیوچار از CO2 جذب شده در گیاهان به دست می آید. در حالی که سوخت‌های فسیلی کربنی را فراهم می‌کنند که از زمین خارج می‌شود، فرضیه biochar به صورت فرضی می‌تواند فرآیندی بدون کربن برای ساخت فولاد با این تئوری ارائه کند که فقط کربن موجود در اکوسیستم را به گردش در می‌آورد.

به عنوان مثال، کربن منتشر شده هنگام احتراق بیوچار یا کاهش سنگ آهن ممکن است توسط گیاهان دوباره جدا شود. با این چرخه، CO2 که در طول فولادسازی تولید می شود، CO2 اضافی را در جو آزاد نمی کند و بنابراین می تواند کل فرآیند را بدون کربن کند.

نوآوری های نوظهور در فولادسازی مبتنی بر بیوچار

با ریشه گرفتن چنین کاربرد در فولادسازی، مبتکران و صنایع به دنبال راه های جدید و بهبود تکنیک هایی برای افزایش استفاده از بیوچار هستند. در اینجا برخی از آخرین نوآوری ها و روندها آورده شده است:

۱. تولید بیوچار با کربن بالا

بیوچار مورد استفاده در فولادسازی هنوز یک ایده نسبتا جدید است، اما با توجه به افزایش علاقه به فناوری جدید و پیشرفت‌های فرآیندی خاص‌تر تا آنجایی که بیوچار می‌رود، در حال تحقیق و طراحی هستند. بیوچارهای مختلف یک چیز نیستند. مواد آلی مانند چوب و زباله های کشاورزی یا هر زیست توده دیگر. پیرولیز فرآیند گرم کردن زیست توده در محیطی است که اکسیژن کمی وجود دارد و محصول نهایی آن بیوچار است.

۲. بهینه سازی فرآیند پیرولیز

تولید بیوچار بسته به دما، مدت زمان و نوع زیست توده مورد استفاده می تواند بسیار متفاوت باشد. نوآوری‌ها در فناوری پیرولیز به بهینه‌سازی کیفیت و عملکرد بیوچار کمک می‌کنند. محققان همچنین بر روی دستیابی به شکل پایداری از بیوچار تمرکز می‌کنند که در طول فرآیند فولادسازی تجزیه نمی‌شود و اطمینان حاصل می‌کند که می‌تواند به عنوان یک جایگزین برای کک استفاده شود.

۳. ادغام با کوره های قوس الکتریکی (EAF)

کوره قوس الکتریکی، کوره ای که از برق استفاده می کند و نه کک، به تدریج وارد صنعت فولاد می شود تا در بازیافت ضایعات فولاد استفاده شود. اگر کارخانه‌ها از زیست توده تجدیدپذیر به عنوان ماده اولیه برای فرآیند اتصال به برق استفاده کنند، کوچ بیوچار با EAF می‌تواند انتشار گازهای گلخانه‌ای را کاهش دهد. EAF هایی که از بیوچار به عنوان یک عامل کاهنده استفاده می کنند، هنوز در مرحله آزمایشی هستند، اما برای تولید فولاد کم انتشار امیدوار کننده هستند.

۴. رویکردهای ترکیبی با هیدروژن

هیدروژن یکی دیگر از نامزدهای احتمالی در صنعت فولاد بدون کربن است. برخی از شرکت ها در حال حاضر به دنبال ادغام بیوچار با هیدروژن در کاهش سنگ آهن هستند. آنها دریافتند که هیدروژن می تواند به عنوان یک عامل کاهنده و بیوچار به عنوان منبع انرژی عمل کند. اما هنگامی که هر دو با هم استفاده می شوند، می توان انتشار CO2 را حتی بیشتر به حداقل رساند، زیرا هیدروژن به جای CO2 به عنوان پاسخ، آب تولید می کند.

۵. یکپارچه سازی جذب و ذخیره کربن (CCS).

Biochar هم‌اکنون می‌تواند کربن را روی زمین وارد کند و برخی از تولیدکنندگان فولاد در حال تحقیق در مورد چگونگی استفاده از بیوچار با CCS برای جلوگیری از انتشار دیگر CO2 به عنوان یک عامل کاهش‌دهنده، در حالی که بیوچار به عنوان منبع انرژی هستند، هستند. با استفاده از هر دو، می توان انتشار CO2 را حتی بیشتر کاهش داد، زیرا هیدروژن به جای CO2 به عنوان یک محصول جانبی، آب تولید می کند.

چالش های استفاده از بیوچار در فولادسازی

با وجود تمام مزایا و نقاط قوت، بیوچار در فولادسازی بدون چالش نیست:

۱. هزینه های تولید بالا

در حال حاضر، تولید بیوچار در مقیاسی که نیازهای صنعت فولاد را برآورده کند، گران است. فرآیند پیرولیز به انرژی نیاز دارد و تامین مقادیر زیادی از زیست توده به طور پایدار به هزینه ها می افزاید. سرمایه‌گذاری بیشتر در فناوری و افزایش امکانات تولید برای مقرون‌به‌صرفه ساختن بیوچار برای شرکت‌های فولادی مورد نیاز است.

۲. محدودیت های زنجیره تامین

یک چالش بزرگ، مواد اولیه زیست توده است که باید به مقدار کافی برای تولید بیوچار برای صنعت فولاد باشد. تولید بیوچار در مقیاس صنعتی پیامدهایی برای مواد اولیه زیست توده دارد که رقیبی با کشاورزی، انرژی زیستی و سایر صنایع خواهد بود.

۳. تغییرپذیری عملکرد

بیوچار در شکل خام خود ممکن است در فولادسازی بسیار موثر نباشد زیرا خواص بیوچار به مواد اولیه و شرایط خاص مورد استفاده در تولید بیوچار بستگی دارد. کاربرد کک بیوچار در صنعت باید منابع خوب و ثابت منابع چوب را برای تولید مناسب شناسایی کند.

۴. تنظیمات فنی در کارخانه های فولاد

کارخانه های فولادی که برای استفاده از کک طراحی شده اند، برای استفاده موثر از بیوچار نیاز به تنظیمات فنی دارند. از تغییرات در طراحی کوره گرفته تا فرآیندهای جابجایی جدید، مقاوم‌سازی کارخانه‌ها برای تطبیق بیوچار می‌تواند پرهزینه و زمان‌بر باشد.

مطالعات موردی و نمونه هایی از ابتکارات فولادسازی بیوچار

چندین شرکت و مؤسسه تحقیقاتی در حال آزمایش بیوچار در فولادسازی هستند:

پروژه های فولاد سبز سوئد: سوئد در ابتکارات فولاد سبز پیشرو بوده است. برخی از پروژه‌های سوئدی از بیوچار و هیدروژن در برنامه‌های آزمایشی با هدف تولید فولاد بدون کربن استفاده می‌کنند. شرکت هایی مانند SSAB و LKAB در حال آزمایش بیوچار در کوره های قوس الکتریکی برای کاهش انتشار هستند.

تحقیقات استرالیایی بیوچار: استرالیا با زیست توده زباله فراوان، مطالعات مداومی در مورد استفاده از زیست توده زباله برای تولید بیوچار برای فولادسازی دارد. در حال حاضر، دانشگاه‌ها و فولادسازان استرالیا از پسماندهای تولید شده در کشاورزی برای تولید بیوچار برای تامین بالقوه بیوچار برای صنعت فولاد محلی استفاده می‌کنند. پروژه‌های مختلفی در اتحادیه اروپا در تلاش برای ایجاد استفاده از بیوچار و سایر مواد با منبع زیستی در توده‌های تولید فولاد که تحت پیرولیز هستند، تامین شده است. پیرولیز فرآیندی است برای تجزیه فیزیکی زیست توده در دمای بالا تحت تقاضای کم برای اکسیژن و محصول حاصل از تجزیه در اثر حرارت بیوچار است.

پروژه های تامین مالی اتحادیه اروپا: اتحادیه اروپا ابتکارات متعددی را برای کاوش بیوچار و سایر مواد زیستی در تولید فولاد تامین مالی کرده است. این پروژه ها تحت ابتکارات اتحادیه اروپا (EU) با هدف کاهش انتشار صنعتی به منظور تسهیل بی طرفی کربن تا سال ۲۰۵۰ ساخته شده اند.

آینده بیوچار در فولادسازی با کربن خنثی

جستجو برای ابزارهای کم کربن برای تولید فولاد، بیوچار می تواند به عنوان یک راه حل چشم انداز در نظر گرفته شود، اگرچه استفاده بیشتر از آن باید با پیشرفت فناوری و همکاری بین صنایع فراهم شود. الزامات فوق اقدامات زیر را ضروری می سازد: هزینه تولید بیوچار باید به حداقل برسد. باید منابع کافی و پایدار زیست توده وجود داشته باشد. و کل فرآیند فولادسازی باید بهبود یابد. اگر همه این چالش ها برآورده شوند، بیوچار شانس خوبی برای ارائه راه حلی برای ایجاد فولاد بدون کربن دارد.

نتیجه گیری

Biochar پتانسیل را به عنوان راه حلی برای فولاد سبز نشان می دهد و تحقیقات، توسعه و تلاش های هماهنگی بیشتری برای تبدیل شدن به راه حل غالب مورد نیاز است. آنها دریافتند که کاری که باید انجام شود شامل کاهش هزینه تولید بیوچار، اطمینان از وجود منبع مناسب زیست توده و اطمینان از اینکه فرآیندهایی مانند فولادسازی تحت بهینه سازی مناسب است، است. با این حال، اگر چالش‌های برجسته‌شده در اینجا برطرف شوند، بیوچار می‌تواند راه‌حلی برای توسعه فولاد خنثی CO2 باشد.

منبع: Steel Technology
برای مشاهده دانشنامه‌های بیشتر در زمینه فولاد و آهن آلات کلیک کنید