الفحم المضغوط في صناعة الصلب

 صناعة الصلب في البرازيل مسؤولة عن حوالي 5٪ من إجمالي انبعاثات ثاني أكسيد الكربون ، حيث تطلق حوالي 1.85 طن من ثاني أكسيد الكربون لكل طن من الصلب المنتج. يمكن أن يكون استخدام الفحم في قوالب خام الحديد ذاتية الاختزال بديلاً لتقليل استهلاك الوقود الأحفوري وتقليل انبعاثات الكربون في صناعة الصلب الأولية.

الفحم المضغوط وصناعة الصلب

أبرز العناوين

•          يؤثر حجم الجسيمات على معدل تفاعل الكتل ذاتية الاختزال في حركية اختزال خام الحديد .
•          توفر قوالب الفحم حلاً قابلاً للتطبيق لإنتاج الصلب المستدام، مما يقلل من استخدام الوقود الأحفوري .
•           تزداد طاقة التنشيط في المرحلة الثانية من عملية اختزال القوالب.

الفحم المعدني وانبعاثات الكربون في صناعة الصلب

انبعاثات الكربون هي موضوع مهم تمت دراسته من قبل مجالات بحثية مختلفة (باي وآخرون، 2023؛ بينج وآخرون، 2023؛ سو وآخرون، 2023). هناك إجماع عالمي على تقليل أو عكس كمية الكربون المنبعثة في الغلاف الجوي للأرض. وفقًا لـ Plataforma SEEG (2022)، كان قطاع التعدين والصلب مسؤولاً عن حوالي 5٪ من انبعاثات الغازات المسببة للانحباس الحراري العالمي في البرازيل. 

ترجع انبعاثات الكربون في صناعة الصلب بشكل أساسي إلى استخدام الفحم المعدني في عمليات تقليل خام الحديد (أوليفيرا، 2019). بالإضافة إلى ذلك، نما إنتاج الصلب الخام العالمي بمعدل 2.3٪ تقريبًا على مدى السنوات الخمس الماضية (رابطة الصلب العالمية، 2023)، مما يعني زيادة في كمية الكربون المنبعثة من القطاع.

1- الفحم والاحتباس الحراري

ثاني أكسيد الكربون، الذي يتم طرده في عملية اختزال خام الحديد بسبب الفحم، هو أحد الغازات الرئيسية التي تؤدي إلى تفاقم تأثير الاحتباس الحراري. وفقًا لفينكاتارامان وآخرون (2022) وهاوبت وآخرون (2017)، في إنتاج الصلب الأولي، لكل طن من الصلب الخام المنتج، يتم إطلاق حوالي 1.75 و1.85 طن من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي.

 لذلك فإن البدائل لتقليل استهلاك الفحم ضرورية للقطاع. بعض الطرق مستخدمة بالفعل، مثل استخدام الفحم أو الفحم الحيوي (روسيت وآخرون، 2011). أحد البدائل هو استخدام قوالب الاختزال الذاتي، والتي تحتوي بالفعل على الفحم، سواء كان نباتيًا أو معدنيًا، مما يقلل من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون عند استخدامها في طرق بديلة لأفران الصهر (كوليتي وآخرون، 2020).

2- الصلب الثانوي وانبعاثات الكربون

تعد طريقة الفرن العالي لإنتاج الحديد جزءًا من إنتاج الصلب الأولي، والذي يمثل 70٪ من إجمالي إنتاج الصلب في العالم (Sherif et al.، 2023؛ Zhang et al.، 2021). يؤدي إنتاج الصلب الثانوي، القائم على إعادة استخدام الصلب (صب الخردة)، إلى انخفاض انبعاثات الكربون (Stavropoulos et al.، 2022). 

يذكر Sherif) et al. 2023) أنه يتم انبعاث 0.28 طن من ثاني أكسيد الكربون لكل طن من الصلب المنتج، بينما يذكر Haupt et al. (2017) أن الانبعاثات يمكن أن تصل إلى 0.44 طن من ثاني أكسيد الكربون اعتمادًا على نوع الخردة المستخدمة. ومع ذلك، فإن المعروض من الخردة محدود. وبهذه الطريقة، يستهدف هذا العمل إنتاج الصلب الأولي بطرق بديلة لفرن الصهر، باستخدام قوالب ذاتية الاختزال يمكن تطبيقها في طرق مثل عملية Tecnored.

الصلب باستخدام الفحم الحيوي

الاختزال الذاتي لخام الحديد باستخدام الفحم الحيوي

يمكن اعتبار عمليات الاختزال الذاتي لخام الحديد التي تستخدم الفحم القوالب الحيوي بشكل كامل خالية من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، لأن الكربون الموجود في الكتلة الحيوية المستخدم كمختزل ووقود يتم التقاطه بواسطة الكتلة الحيوية في عملية النمو. في هذا النهج، يكون توازن الكتلة سلبيًا، أي أن احتجاز ثاني أكسيد الكربون لزراعة الكتلة الحيوية أكبر من ذلك المنبعث في عملية الاختزال (نولدين جونيور وآخرون، 2005).

1- قوالب الاختزال الذاتية لتقليل استهلاك الفحم

تتكون قوالب الاختزال الذاتية من خام الحديد (مصدر الحديد) والفحم (عامل الاختزال والوقود) والمواد المضافة، مثل البنتونيت والمواد المضافة، لضمان القوة الميكانيكية للقوالب (da Silva et al.، 2019). 

يذكر يوكوياما وآخرون (2014) أن استخدام قوالب الاختزال في عملية الاختزال يقلل من استهلاك الفحم، وبالتالي يقلل من توليد الغازات المسببة للانحباس الحراري العالمي. وبهذا المعنى، نُشرت دراسات للتحقيق في تأثير اختلاف نسبة خام الحديد إلى الكربون (Gandra et al.، 2023) على الاختزال بالإضافة إلى تأثير الوقت ودرجة الحرارة (LI et al.، 2013؛ Man et al.، 2014) وأنواع الفحم المختلفة (Coleti et al.، 2020).

2- تفاعل جزيئات الفحم الحيوي

وفقًا لفلوريس وآخرون. (2014)، يؤدي تغيير حجم جسيمات الفحم الحيوي إلى تعديل تفاعله، مما يشير إلى أن الآليات الحركية التي تنطوي على اختزال قوالب خام الحديد ذاتية الاختزال تتغير أيضًا عند استخدام الفحم الحيوي بنطاقات مختلفة من حجم الجسيمات. علاوة على ذلك، هناك نقص في الدراسات التي تبلغ عن تأثير حجم جسيمات الفحم الحيوي على حركية قوالب خام الحديد ذاتية الاختزال.

وبالتالي، فإن الهدف من هذا العمل هو تقييم حركية اختزال قوالب خام الحديد ذاتية الاختزال المصنوعة من نطاقات مختلفة من حجم جزيئات فحم الأوكالبتوس، للمساهمة في تقليل استهلاك الفحم وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون في قطاع الصلب

3-الخصائص الفيزيائية للفحم المضغوط

الخصائص الفيزيائية، وخاصة الفحم المضغوط الصناعي، ليست أقل أهمية. في صناعة الحديد والفحم، تتمتع الخصائص الفيزيائية بأهمية كبيرة. الفحم هو المادة الخام الأكثر تكلفة في شحنة فرن الصهر. تؤثر الخصائص الفيزيائية للفحم على إنتاج فرن الصهر بينما ترتبط الخصائص الكيميائية بكمية الفحم اللازمة لكل طن من الحديد وتركيب الحديد أو الفولاذ النهائي.

يجب أن يكون فحم الفرن العالي قويًا في الضغط ليتحمل الحمل الساحق لشحنة الفرن العالي أو "عبءه". هذه القوة الانضغاطية، والتي تكون دائمًا أقل من منافس الفحم، وهو الفحم المعدني المصنوع من الفحم، تحدد الارتفاع العملي وبالتالي كفاءة وإنتاجية الفرن العالي. تعد القدرة على مقاومة الكسر عند التعامل معها أمرًا مهمًا للحفاظ على نفاذية ثابتة لشحنة الفرن للهواء، وهو أمر حيوي للحفاظ على إنتاجية الفرن وتوحيد العمليات.

خاتمة

تم التحقيق في تأثير نطاق حجم الجسيمات للفحم المضغوط الحيوي على التحليل الحركي لاختزال قوالب خام الحديد ذاتية الاختزال بهدف المساهمة في تقليل استهلاك الفحم وكذلك انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في قطاع الصلب. وقد لوحظ أن حجم جسيمات الفحم الحيوي يؤثر على اختزال تكتلات خام الحديد ذاتية الاختزال. 

 

 

المصدر: sciencedirect

========================= ---------------------