חישוב תרמודינמי של יבול ברזל מתכתי ופליטות CO2 בתהליך החיזור הישיר בתנור עמוד מבוסס גז

הפיכת גז פסולת למתכת שימושית

הפלדה מהווה בסיס לחיי המודרניים, אך ייצור שלה משחרר כמויות עצומות של פחמן דו־חמצני. בסין, שבה מיוצר יותר מחצי מהפלדה העולמית, צמצום פליטות הוא חיוני למטרות האקלים. המחקר הזה בוחן כיצד תוצר לוואי מנוצל לעיתים מעט במפעלי קוקס, שנקרא גז ממטחנת קוקס, יכול להפוך לדלק ולחומר כימי שישפר את יעילות יצור הברזל בתנור מסוג עמוד, תוך הורדת זיהום פחמני.

מדוע ערימות העשן של הפלדה חשובות

ייצור פלדה בדרך כלל מסתמך על פחם בתנורי גלייה גבוהים, שמובילים לפליטות פחמן גבוהות. במקביל, מפעלי קוקס שמכינים את הפחם למתכת משחררים כמויות גדולות של גז עשיר במימן ומתאן. חלק גדול מהגז הזה נשרף או מבוזבז. מאחר שלגז זה יש השפעה אקלימית דומה ליחידת אנרגיה כמו גז טבעי, שימוש מושכל יותר בתוצר הלוואי הזה יכול להחליף דלקים מאובנים שיש לכרות או לייבא. השאלה שהמחברים בוחנים היא עד כמה גז ממטחנת קוקס יכול לתמוך בתפעול תנורי עמוד מבוססי גז שממירים עפרות ברזל לברזל מוצק, ומה משמעות הדבר עבור פליטות פחמן דו־חמצני.

בניית מפעל ברזל וירטואלי

במקום להפעיל מתקני ניסיון יקרים, החוקרים יצרו מודל תרמודינמי מפורט, מעין מפעל וירטואלי המבוסס על חוקי השימור של אנרגיה וחומר. הם עקבו אחר גז ממטחנת קוקס כשהוא קודם מחומם ומרופק (reformed) בתנור חיצוני ליצירת תערובת עשירה במימן, ואז מוזרם לתנור העמוד שבו הוא מסיר חמצן מפסולת העפרה. המודל עוקב כמה ברזל מתכתי מיוצר, כמה גז מופנה לתגובות כימיות ולחימום, וכמה פחמן דו־חמצני יוצא עם הפליטה. על ידי שינוי קלטים מרכזיים כגון תכולת הברזל בעפרה, חלק הברזל שהופך לחלוטין למתכת, והטמפרטורה שבה נוצרת המתכת, הם יכלו לראות כיצד כל בחירה משפיעה על היבול והפליטות.

איכות העפרה גוברת על כיוונון עדין

מסקנה ברורה היא שתואר הברזל של העפרה הוא הזרוע המשמעותית ביותר. כשתכולת הברזל עולה מעפרה יחסית דלה של 45 אחוז לעפרה עשירה של 70 אחוז, מסת הברזל המתכתי המיוצרת לכל כמות קבועה של גז ממטחנת קוקס עולה ביותר מ־60 אחוז. באותו זמן, פליטת פחמן דו־חמצני לטון מתכת יורדת באופן חד, מכ־1.2 טון לכ־0.74 טון. הדבר נובע מכך שעפרה עשירה מכילה פחות חומר לא מתכתי שיש לחמם אך לעולם לא הופך לברזל. פחות סלע חסר תועלת בתערובת פירושו פחות גז שנשרף רק כדי לספק חום, ויותר מהגז יכול לשמש להפחתה של תחמוצות הברזל למתכת.

כיוונון תנאי התנור

הצוות בדק גם שני כפתורים תפעוליים בתוך תנור העמוד: עד כמה העפרה מומרת לחלוטין למתכת, והטמפרטורה שבה מתבצעת השורה האחרונה של החיזור. דחיפה של דרגת המתליזציה (metallization) גבוה יותר נוטה להעלות הן את יבול הברזל והן את פליטת ה־CO2 לכל טון מוצר מוצק, אך היא מקטינה את הפליטות לטון מתכת טהורה מפני שכמות הגז הנתונה מייצרת יותר ברזל שימושי. העלאת טמפרטורת היווצרות הברזל המתכתי מעט מפחיתה את היבול ומגבירה את הפליטות, שכן תפעול בטמפרטורות גבוהות דורש יותר גז לחימום. בסך הכל, גורמים אלה משפיעים, אך הרבה פחות מאשר התחלה עם עפרה באיכות גבוהה יותר.

מחזור גזים חמים כדי לצמצם בזבוז

המודל מראה שאיזון החום, לא רק התגובות הכימיות, שולט במידה רבה בכמה גז המערכת צריכה. כאשר הפליטה החמה מקצה עליון של תנור העמוד נשרפת בתנור החימום, רק כרבע מהגז המנוקה הזה נדרש לכסות את דרישת החימום. ארבעת החמישיות הנותרות יכולות, עקרונית, להיות מנוקות מפחמן דו־חמצני ולהישלח חזרה למערכת כגז מחזר. בדוגמה מעשית המשתמשת בקוקס שמייצר גז מתפוקה שנתית של 1.2 מיליון טון קוקס, הגז הזמין יכול לתמוך בייצור של כ־4.9 מיליון טון ברזל מתכתי בשנה בתנור עמוד, תוך שהפליטות השנתיות של פחמן דו־חמצני נקבעות על־פי כמות הגז המיוצרת ואז מופחתות הפליטות לטון ברזל.

מה משמעות הדבר לפלדה נקייה יותר

לקוראים המתעניינים בתעשייה ידידותית לאקלים, המסקנה היא ששימוש מדוקדק בתוצר גז קיים ואיכות עפרה טובה יותר יכולים לצמצם בצורה ניכרת את טביעת הרגל הפחמנית של יצור הברזל. המחקר אינו מבטיח פליטות אפס, אך ממפה את הגבולות התרמודינמיים של מה שתנורי עמוד מבוססי גז ממטחנת קוקס יכולים להשיג. על ידי תעדוף עפרות בעלות תכולת ברזל גבוהה, מחזור רוב הפליטה החמה, והימנעות מהתחממות מיותרת, יצרני פלדה יוכלו לקבל יותר מתכת מאותו דלק תוך שיגור פחות פחמן דו־חמצני לאוויר.

ציטוט: 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

מילות מפתח: גז ממטחנת קוקס, תנור עמוד, ברזל מחוזר ישיר, דה-פחממום הפלדה, מיפוי תרמודינמי