طرح جایگزین نمودن گاز سنتز حاصل از زغال سنگ به جای گاز طبیعی در فرایند تولید آهن اسفنجی

سید محسن هاشمی کارشناس شرکت ملی فولاد ایران:

توسعه صنعت فولاد کشور طی سال‌های گذشته با توجه به وجود میادین گسترده گازی در کشور، به درستی از مسیر آهن اسفنجی-کوره قوس (DRI-EAF) انجام شده است. این مسیر نسبت به مسیر کوره بلند و کوره کنورتوری (BOF-BF) مزیت‌های زیادی همچون تولید آلاینده‌ها و گازهای گلخانه‌ای کمتر را دارا است. اهمیت این موضوع زمانی بیشتر نمایان می‌شود که امروزه شاهد تکافوی صنعت فولاد جهان در تولید فولاد سبز برای کاهش سهم خود در تغییرات آب و هوایی و اقلیمی هستیم. تغییرات آب و هوایی که زیست بشر را مورد تهدید قرار داده است. همچنین این مسیر انعطاف‌پذیری زیادی در استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت پاک به عنوان خوراک اصلی خود را دارا است و کشور از این بعد یک گام از نرم جهانی در دستیابی به فولاد سبز جلوتر است.
از طرفی پیش‌بینی‌های بنیان‌گذاران این صنعت که فرض را بر دسترسی منابع گازی در کشور گذاشته بودند، در حال حاضر با چالش جدی مواجه شده است. طی سال‌های اخیر با عنایت به عدم توسعه کافی بخش گاز کشور و روند تراز منفی گاز در فصل زمستان، گاز مصرفی تمام واحدهای احیا مستقیم کشور از یک تا چهار ماه در سال قطع می‌شود. این امر علاوه بر عدم‌ نفع قابل توجه تولید در حد چندین میلیون یورو، سبب خسارت‌های جدی در بخش تجهیزات و همچنین تحمیل هزینه‌های بالاسری قابل توجه به واحدهای احیا مستقیم شده است.
از طرفی با توجه به آمارهای رسمی چشم‌انداز سرمایه‌گذاری در بخش گاز کشور نیز متناسب با تقاضای آتی نخواهد بود و قطعا وضعیت تحویل گاز به صنایع با مشکلاتی بیش از پیش، روبه‌رو خواهد شد، چنانچه در سال 1414 میزان ناترازی گاز کشور تا بیش از 500- میلیون متر مکعب در روز پیش‌بینی شده است.
علاوه بر آنچه در خصوص تراز منفی گاز به ‌خصوص در فصل زمستان گفته شده، بهای گاز مصرفی بخش فولاد نیز افزایش چشم‌گیری داشته است و در سال جاری به بیش از 3000 تومان بر نرمال متر مکعب رسیده است. این افزایش بها قطعا بر سودآوری واحدهای فولادی تاثیر مستقیم خواهد داشت و حاشیه سود این صنعت را تحت تاثیر قرار خواهد داد. همچنین با توجه به پیش‌بینی میزان عرضه و تقاضای گاز طی سال‌های آتی، قطعا قیمت گاز از این مبلغ نیز فراتر خواهد رفت و همچنان حاشیه سود این صنعت که از قبل کاهش یافته بود، را بیشتر خواهد کاست و عملا بخشی یا تمام این صنعت زیان‌ده خواهد شد.
شرکت ملی فولاد ایران از ابتدای مواجه با محدودیت‌های گاز در کشور، به دنبال راه حل‌های جایگزین برای رفع این مشکل بوده است و تا کنون مطالعات گسترده‌ای در این زمینه انجام شده است. اهم زمینه‌های مطالعاتی در این بخش شامل موارد زیر است:

ذخیره‌سازی گاز طبیعی به صورت LNG مقیاس کوچک در تابستان و مصرف در زمستان
بررسی امکان سرمایه‌گذاری در میادین گازی کشور
بررسی امکان سرمایه‌گذاری در پروژه انتقال گاز از میدان گازی کیش
امکان استفاده از خوراک‌های جایگزین مانند متانول و نفتا

امکان سرمایه‌گذاری در بازیابی گاز فلر
بررسی امکان خرید و یا سوآپ گاز از ترکمنستان یا روسیه
تولید گاز سنتز از زغال‌سنگ

طبق مطالعات انجام شده ذخیره‌سازی گاز طبیعی به دلیل ریسک ناشی از امکان تراز منفی گاز در تابستان‌های آتی و عدم تحویل گاز جهت ذخیره‌سازی توسط شبکه در تابستان و همچنین حجم نسبتا بالای سرمایه‌گذاری آن از اولویت خارج گردید.
در خصوص سرمایه‌گذاری در میادین گازی، انتقال گاز میدان گازی کیش و همچنین فراوری گاز فلر، با توجه به مذاکرات انجام شده با شرکت ملی نفت و گاز ایران، امکان سرمایه‌گذاری در این بخش‌ها وجود دارد اما در حال حاضر با توجه به تراز منفی گاز در فصل زمستان، در صورت افت فشار در شبکه و خطوط انتقال، قطعا گاز صنایع جهت تامین گاز بخش خانگی، همچنان با محدودیت مواجه خواهد شد. بنابراین با توجه به ریسک بالای سرمایه‌گذاری در این بخش، این گزینه نیز در حال حاضر از اولویت سرمایه‌گذاری خارج شده است.
مطالعات انجام شده نشان می‌دهد امکان استفاده از سوخت‌های جایگزین مانند متانول و نفتا در واحدها احیا مستقیم از لحاظ فنی وجود دارد، اما با توجه به قیمت آنها در بازار و هزینه‌های اصلاح سیستم جهت قابلیت مصرف این نوع خوراک، اقتصادی تشخیص داده نشد.
خرید و یا سوآپ گاز از کشور ترکمنستان و یا روسیه در حال پیگیری است و این مورد همچنان جز گزینه‌های امکان‌پذیر است و می‌تواند مشکلات گاز این صنعت را در آینده بر طرف نماید.
نهایتا در خصوص تولید گاز سنتز از زغال‌سنگ (جایگزین گاز سنتز تولیدی فعلی از گاز طبیعی) مطالعات فنی و اقتصادی اولیه انجام شده است و مطابق مطالعات انجام شده که در ادامه به جزئیات آن خواهیم پرداخت، چشم‌انداز مناسبی برای سرمایه‌گذاری در این بخش ترسیم شده است که با توجه به دسترسی مناسب به معادن زغال‌سنگ در کشور و هزینه‌های مناسب احداث، می‌تواند بهترین راه حل ممکن در این مقطع از زمان باشد.

تولید گاز سنتز از زغال‌سنگ(Coal Gasification)

در حال حاضر آنچه در واحدهای تولید آهن اسفنجی کشور اتفاق می‌افتد تولید گاز سنتز (با ترکیب اصلی CO و H2) از گاز طبیعی در تجهیزی به نام ریفرمر است. اکنون با توجه به کمبود و قطع گاز طبیعی واحدها، می‌توان این گاز سنتز مورد نیاز را از منبع دیگری مانند زغال سنگ تولید کرد. تجربه تولید گاز سنتز از زغال سنگ در سراسر دنیا به خصوص در کشور چین به دلیل وجود معادن گسترده زغال سنگ وجود دارد. محصولات بسیار متنوعی شامل گاز سنتز، گاز طبیعی، متانول، اوره، انواع سوخت تقطیری و حتی برق را می‌توان به این روش تولید نمود. بنابراین از لحاظ وجود و دسترسی به تکنولوژی گازی‌سازی از زغال سنگ (Coal Gasification) مشکل خاصی پیش رو نخواهد بود. همچنین لازم به یاداوری است هزینه احداث این گونه واحدها در کشور چین حدود 60% هزینه تمام شده در اروپا و ایالات متحده است.
استفاده از تکنولوژی گاز سنتز از زغال سنگ در واحدهای آهن اسفنجی در چند کشور مانند هند، آفریقای جنوبی و چین تجربه شده است. در اغلب موارد گاز سنتز مورد نیاز واکنش‌های احیا از طریق Coke Oven و یا فرایند Corex تامین می‌شود و فقط یک مورد بهره‌برداری از واحد Coal Gasification در واحد احیا مستقیم در شرکت جیندال هند توسعه یافته است. این واحد یک مگامدول احیا مستقیم 1.8 میلیون تنی است که با تکنولوژی مکس‌کول (®MxCol) در شرکت جیندال هند در سال 2014 به بهره‌برداری رسیده است. این واحد تاکنون به تولید پیوسته خود ادامه داده است و نشان می‌دهد که میدرکس توانسته است تکنولوژی مکس‌کول (®MxCol) خود را در این کارخانه با موفقیت به اجرا درآورد.

فرایند تولید آهن اسفنجی با گاز سنتز حاصل از زغال سنگ

با نیم نگاهی به وجود این تجربه موفق در میدرکس، به نظر می‌رسد با توجه به تجربه و دانش قابل توجه در فرایند احیا مستقیم و به خصوص تجربه توسعه تکنولوژی پرد در ایران، این تکنولوژی می‌تواند در کشور پیاده‌سازی و بومی‌سازی شود. از بعد اقتصادی، باید گفت اقتصاد پروژه در احداث واحدهای جدید بر مبنای این تکنولوژی نسبت به اصلاح واحدهای موجود احیا مستقیم (بر پایه گاز طبیعی) توجیه‌پذیرتر است. اما با توجه به عدم نفع قابل توجه واحدهای موجود در اثر قطع گاز، اصلاح این واحدها به تولید بر پایه زغال سنگ، می‌تواند همچنان جذاب باشد.
در همین راستا شرکت ملی فولاد ایران مطالعات فنی، اقتصادی طرح تولید آهن اسفنجی بر پایه گاز سنتز از زغال سنگ را به پایان رسانده است و به زودی اجرای این طرح را در یکی از واحدهای تابعه خود را به مناقصه خواهد گذاشت.
از مزایای این طرح علاوه بر سودآوری و تداوم تولید می‌توان به عدم حساسیت این تکنولوژی به نوع زغال سنگ مورد استفاده نام برد، که باعث می‌شود بتوان از منابع قابل توجه زغال سنگ حرارتی کشور (حتی با اَش در حدود 50%) به این منظور استفاده کرد. از دیگر مزایای این روش جایگزین، می توان به قابلیت تولید محصولات فرعی مانند سوخت تقطیری در فصول گرم سال که امکان تامین گاز از شبکه وجود دارد اشاره نمود، که آورده این محصولات جانبی خود کمک شایانی به اقتصاد پروژه خواهد نمود. همچنین شایسته یادآوری است که با شیفت فرایند تولید به مسیر زغالی (با توجه به حذف ریفرمر و محدودیت آن در نرخ تولید) امکان افزایش نرخ تولید تا 50% نرخ فعلی (تولید آهن اسفنجی با ریت 150 تن بر ساعت در مدول‌های سری 800) نیز در این طرح پیش‌بینی شده است و با پیاده‌سازی آن عملا یک تهدید به فرصت تبدیل خواهد شد.

آیا فرایند گازی‌سازی از زغال سنگ یک فرایند دوست‌دار محیط زیست است؟

در حالی که زغال سنگ سوخت کثیفی برای سوزاندن است اما گازی‌سازی آن یک فرایند پاک است. سوزاندن زغال سنگ باعث انتشار دی اکسید کربن، دی اکسید گوگرد، اکسیدهای نیتروژن، ترکیبات جیوه و بسیاری از عناصر کمیاب دیگر (که می‌توانند باعث باران اسیدی، خاکستر و آلودگی جیوه شوند) می‌شود.
گازی‌سازی یک راه حل مناسب و امیدوارکننده برای تولید انرژی از زغال سنگ است و به طور کلی از سوزاندن زغال سنگ جلوگیری‌ می‌کند. یکی از فرصت‌های زیست ‌محیطی اصلی این فناوری این واقعیت است که وقتی زغال‌ سنگ به گاز تبدیل می‌شود، ناخالصی‌ها را می‌توان تقریبا به طور کامل فیلتر کرد و بسیاری از نگرانی‌های زیست ‌محیطی زغال‌سنگ را کاهش داد. در واقع گازی کردن زغال سنگ یکی از بهترین راه‌ها برای پاکسازی آلاینده‌ها از زغال سنگ است و بسیاری از کارشناسان پیش‌بینی می‌کنند که گازی‌سازی زغال سنگ قلب فناوری زغال‌سنگ پاک برای چندین دهه آینده باشد. بنابراین تکنولوژی‌های موجود تا حد بسیار زیادی دغدغه‌های زیست ‌محیطی این طرح را مرتفع نموده‌اند و از این بعد به نظر نمی‌رسد که با چالش جدی مواجه باشیم.
علاوه بر گاز سنتز، یکی دیگر از مزایای گازی‌سازی زغال سنگ این است که به شما امکان می‌دهد قسمت‌های خوب را از بد جدا کنید و اجزایی را که‌ می‌خواهید نگه دارید را انتخاب کنید. به عنوان مثال، جیوه، گوگرد، آمونیاک و سایر ترکیبات را‌ می‌توان جدا کرده و فروخت. جداسازی و جذب دی اکسید کربن زمانی که از اکسیژن در گازی‌ساز (به جای هوا) استفاده می‌شود، آسان‌تر و کم‌هزینه‌تر است و منتج به کاهش میزان گازهای گلخانه‌ای منتشر شده در جو می‌شود.

فرصت‌های فوق العاده برای کشور

گازی‌سازی فرصت‌های فراوانی را برای کشور فراهم می‌کند: چرا که در دنیا یک فرایند تثبیت شده است، ایمن است، سازگار با محیط زیست است، آلاینده‌ها و اتکای ما به منابع گازی را کاهش می‌دهد، جذب و ذخیره‌سازی کربن نیز همچنان امکان‌پذیر است. از ذخایر قابل توجه زغال سنگ کشور بهره‌برداری سازنده خواهد شد و مشاغل زیادی را نیز ایجاد می‌کند. با توجه به اینکه در آینده نیز توانایی تولید برق، هیدروژن و مواد شیمیایی و حذف تقریبا همه آلاینده‌های هوا و انتشار گازهای گلخانه‌ای فراهم خواهد بود، تبدیل زغال ‌سنگ به گاز یکی از امیدوارکننده‌ترین فناوری‌ها برای چشم‌انداز آینده انرژی کشور می‌تواند باشد.
به نظر می‌رسد مهمترین چالش پیش‌رو عدم وجود تجربه پیاده‌سازی این تکنولوژی در کشور باشد، که چنانچه پیشتر اشاره شد با توجه به دانش فنی موجود در تولید به روش احیا مستقیم و تکنولوژی پرد به نظر می‌رسد متخصصان داخلی بتوانند بر این چالش نیز فائق آیند.