حسابات حرارية لإنتاج الحديد المعدني وانبعاثات CO2 في عملية الاختزال المباشر في أفران العمود المعتمدة على الغاز

تحويل الغاز النافق إلى معدن مفيد

الصلب ركيزة للحياة الحديثة، لكن تصنيعه يطلق كميات هائلة من ثاني أكسيد الكربون. في الصين، حيث يُنتج أكثر من نصف صلب العالم، فإن تقليل الانبعاثات أمر حاسم للأهداف المناخية. تستكشف هذه الدراسة كيف يمكن لمنتج ثانوي غير مُستغَل جيدًا من مصانع الكوك، يُسمى غاز أفران الكوك، أن يتحول إلى وقود وعامل كيميائي لصنع الحديد بكفاءة أكبر في نوع من المفاعل يعرف بفرن العمود، بينما يخفض التلوث الكربوني.

لماذا مداخن الصلب مهمة

عادة ما يعتمد إنتاج الصلب على الفحم في أفران الانفجار العالية، والتي ترتبط بانبعاثات كربونية مرتفعة. في الوقت نفسه، تطلق مصانع الكوك التي تُعِد الفحم لصناعة الصلب كميات كبيرة من الغاز الغني بالهيدروجين والميثان. يُحرق كثير من هذا الغاز أو يُهدر. وبما أن له أثرًا مناخيًا لكل وحدة طاقة يشبه الغاز الطبيعي، فإن استخدام هذا المنتج الثانوي بصورة أكثر حكمة قد يساعد في استبدال الوقود الأحفوري الذي يجب استخراجه أو استيراده. السؤال الذي تناولَه الباحثون هو إلى أي مدى يمكن لغاز أفران الكوك أن يدعم تشغيل أفران العمود المعتمدة على الغاز التي تحول خام الحديد إلى حديد صلب، وماذا سيعني ذلك بالنسبة لانبعاثات ثاني أكسيد الكربون.

بناء مصنع حديد افتراضي

بدلاً من تشغيل محطات تجريبية مكلفة، أنشأ الباحثون نموذجًا حراريًا مفصلاً، نوعًا من المصنع الافتراضي المرتكز على قوانين الحفاظ على الطاقة والمادة. تتبعوا غاز أفران الكوك أثناء تسخينه وإعادة تشكيله أولاً في فرن منفصل لصنع خليط غني بالهيدروجين، ثم إرساله إلى فرن العمود حيث يزيل الأكسجين من حبيبات خام الحديد. يتتبع النموذج كمية الحديد المعدني المنتجة، وكمية الغاز المستهلك للتفاعلات الكيميائية وللتدفئة، وكمية ثاني أكسيد الكربون التي تغادر مع العادم. من خلال تغيير مدخلات رئيسية مثل محتوى الحديد في الخام، وحصة الحديد المحولة بالكامل إلى معدن، ودرجة الحرارة التي يتكوّن فيها الحديد المعدني، تمكنوا من رؤية كيف تؤثر كل خيار على العائد والانبعاثات.

جودة الخام تفوق الضبط الدقيق

نتيجة واضحة هي أن درجة حديد الخام هي الرافعة الرئيسية. عندما يرتفع محتوى الحديد من خام ضعيف نسبيًا بنسبة 45 بالمئة إلى خام أغنى بنسبة 70 بالمئة، تزيد كتلة الحديد المعدني المنتجة لكل كمية ثابتة من غاز أفران الكوك بأكثر من 60 بالمئة. وفي الوقت نفسه، ينخفض ثاني أكسيد الكربون المنبعث لكل طن من المعدن بشكل حاد، من نحو 1.2 طن إلى حوالي 0.74 طن. يحدث ذلك لأن الخام الأغنى يحتوي على مواد غير معدنية أقل يجب تسخينها لكنها لا تتحول إلى حديد أبدًا. القليل من الصخور غير المفيدة في المزيج يعني حرق أقل للغاز فقط لتوفير الحرارة، والمزيد من الغاز يمكن أن يذهب فعليًا نحو اختزال أكاسيد الحديد إلى معدن.

الضبط الدقيق لظروف الفرن

درس الفريق أيضًا مفتاحي تشغيل داخل فرن العمود: مدى اكتمال تحويل الخام إلى معدن، ودرجة الحرارة التي يحدث فيها آخر خطوة من الاختزال. دفع درجة التمعدن إلى الأعلى يميل إلى رفع كل من عائد الحديد وثاني أكسيد الكربون لكل طن من المنتج الصلب، لكنه يخفض الانبعاثات لكل طن من الحديد الخالص لأن نفس كمية الغاز تنتج مزيدًا من الحديد المفيد. رفع درجة حرارة تكوّن الحديد المعدني قليلًا يقلل من العائد ويزيد الانبعاثات، حيث أن التشغيل الأكثر حرارة يتطلب غازًا إضافيًا للتدفئة. بشكل عام، هذه العوامل مهمة، لكنها أقل بكثير أهمية من البدء بخام أعلى درجة.

إعادة تدوير الغازات الحارة لخفض الهدر

يبين النموذج أن توازن الحرارة، وليس التفاعلات الكيميائية وحدها، هو ما يتحكم إلى حد كبير في كمية الغاز التي يحتاجها النظام. عندما يُحرق عادم الفرن الحار من قمة فرن العمود في فرن التسخين، يُحتاج نحو خُمس ذلك الغاز المنظف فقط لتغطية طلب التسخين. يمكن، من الناحية المبدئية، تجريد الأربعة أخماس المتبقية من ثاني أكسيد الكربون وإعادتها إلى النظام كغاز اختزال طازج. في مثال عملي يستخدم غازًا من فرن كوك ينتج عن 1.2 مليون طن من الكوك سنويًا، يمكن للغاز المتاح أن يدعم إنتاج ما يقرب من 4.9 مليون طن من الحديد المعدني سنويًا في فرن عمود، مع إبقاء انبعاثات ثاني أكسيد الكربون السنوية محددة بكمية الغاز المنتجة ومن ثم خفض الانبعاثات لكل طن من الحديد.

ماذا يعني هذا لصلب أنظف

بالنسبة للقراء المهتمين بصناعة صديقة للمناخ، الخلاصة هي أن الاستخدام الحكيم للغاز الثانوي الموجود وتحسين جودة الخام يمكن أن يحدث تأثيرًا ملحوظًا في البصمة الكربونية لصناعة الحديد. لا تعد الدراسة بصفر انبعاثات، لكنها ترسم حدودًا حرارية لما يمكن أن تحققه أفران العمود المعتمدة على غاز أفران الكوك. من خلال إعطاء الأولوية لخام الحديد عالي التركيز، وإعادة تدوير معظم غاز العادم الحار، وتجنب التسخين المفرط غير الضروري، يمكن لمُنتجي الصلب استخلاص مزيد من المعدن من نفس الوقود مع إطلاق كمية أقل من ثاني أكسيد الكربون إلى الهواء.

الاستشهاد: Jiang, X., Deng, X., Fan, X. et al. Thermodynamic calculation of metallic Fe yield and CO₂ emissions in gas-based shaft furnace direct reduction process. Sci Rep 16, 15263 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45162-4

الكلمات المفتاحية: غاز أفران الكوك, فرن عمودي, حديد مختزل مباشر, خفض كربون صناعة الصلب, النمذجة الحرارية