متن حاضر خلاصه ای از یک تحقیق بین رشته ای است که در ژورنال سلطنتی تحقیقات بین رشته ای در سال ۲۰۱۷ میلادی به چاپ رسیده است . این خلاصه حاوی بخش مقدمه و نتیجه گیری حاصل از تحقیقات بعمل آمده است و موید رویکرد سیستمی به موضوع مدیریت انرژی است . اگرچه به موضوعات تکنولوژیک پرداخته شده است اما نتایج با اهمیتی در کاربرد تکنولوژی با توجه به سایر موضوعات و نیز مولفه های موثر می باشد . در نهایت راهکارهای ارایه شده کاملا این موضوع را تایید می کنند .
در این تحقیق بایستی به موضوع اکسرژی توجه می شد و اینکار بعنوان زیرساخت انجام روش کار انتخاب شد. تعریفی از آن را در این بخش ارایه می شود :
انرژی به شکل‌های مختلف یافت می‌شود (انرژی الکتریکی، انرژی مکانیکی و انرژی گرمایی) که می‌توان آنها را با محدودیت‌هایی به یکدیگر تبدیل کرد .”پر ارزش‌ترین انرژی”ها نورانی و انرژی صوتی هستند و آنها را می‌توان به راحتی کاملاً به انرژی هسته ای تبدیل کرد ضمنی که تبدیل انرژی هسته ای به انرژی صوتی یا انرژی نورانی ضایعات فراوان دربر دارد. در نتیجه می‌توان گفت، شکل‌های مختلف انرژی دارای کمیت‌های متغیر هستند. دانش اکسرژی به ما کمک می‌کند تا این کمیت‌ها را به خوبی تعریف کنیم و بهینه‌سازی بیلان مصرف انرژی را تحت نظر داشته باشیم. انرژی الکتریکی و مکانیکی را می‌توان اکسرژی ناخالص نامید، در صورتی که انرژی گرمایی در راه تبدیل به نوع دیگر انرژی‌ها، با درنظر گرفتن صوت اولیه سیستم و اطراف آن، ضایعاتی بهمراه ندارد.
اکسرژی اصطلاحی ترمودینامیکی است و به بیشینه نیروی مفیدی گفته می‌شود که در یک فرایندِ رسیدن به تبادل ترمودینامیکی می‌توان از سامانه دریافت کرد.
تعریف ساده ولی غیر علمی: اکسرژی به آن بخشی از کل نیرو گفته می‌شود که به مصرف مفید می‌رسد، مثلاً برای ثابت نگه داشتن خودرو. بخش هدر رفته انرژی آنرتسی نام دارد.
فرمول ساده ارتباط آنها را به شکل : نیرو = اکسرژی + آنرتسی بیان می دارد .
تکنیک ها و روش های متنوع و ویژه ای برای کاهش مصرف انرژی در صنعت آهن و فولاد تعریف و مشخص شده اند . این روشها برای آنکه پتانسیل های بهبود در آینده را ارایه نمایند اولویت هایی برای انجام امور تحقیق و توسعه در این زمینه ها را نیز تعریف نموده اند . شاخص جهانی مصرف انرژی در تاریخ تهیه این گزارش معادل ۲۴ گیگا ژول برای هر تن تخمین زده شده است . در بهترین وضعیت در بهترین کارخانه ها ۱۹ گیگا ژول برای هرتن تولید درفرایند اولیه فولاد و ۷ گیگا ژول برای ثانویه است .
در این بررسی هفت فرایند ویژه برای ذوب و چهار فرایند برای ریخته گری نزدیک به شکل نهایی مورد تحلیل و ارزیابی قرار گرفته اند . انتظار میرود که در آینده بلند مدت میزان مصرف برای تولید آهن از ماده خام سنگ آهن به ازای هر تن تولید معادل ۵/۱۲ گیگا ژول انرژی مصرف شود . در مراحل بعدی نیزانتظار می رود که این کاهش تا میزان ۵/۲ گیگا ژول برای تولید هرتن فولاد خام انجام خواهد شد. این کاهش زمانی شکل خواهد گرفت که توانایی بازیافت و استفاده انرژی از آهن با درجه حرارت بالا شکل بگیرد .
میزان مصرف انرژی در بخش ثانویه نیز تا میزان ۵/۳ گیگا ژول امکان کاهش دارد مشروط به آنکه روشهای ذوب و شکل دهی مبتنی بر کاهش مصرف انرژی شکل اجرایی بخود بگیرند .
در این تحقیق بر مبنای آنچه که در خصوص اکسرژی بدان اشاره شد جمع بندی ها در محوریت کاهش اتلافات شکل گرفته و هرگونه بهبود وضعیت مصرف را بر مبنای این امردر سه گروه اصلی زیر انجام شده است .
الف : اجتناب و جلوگیری از هرگونه پیش گرم و خنک کردن های میانی
ب: کاهش درجه حرارت مورد نیاز در مراحل مختلف فرایند ها
ج : بازیافت و استفاده از حرارت درجات بالا
از آنجا که تمرکز در این تحقیق بر کاهش در فرایند های ذوب بوده است که اجتناب از تولید کک و فرایند اگلومراسیون و نیز روشهای ریخته گری بر مبنای شکل دهی نزدیک به شکل نهایی که باعث کاهش میزان کرم کردن مجدد و خنک سازی تکراری بوده است بنابر این پیش بینی می شود که میزان مصرف انرژی ( شاخص مصرف ) در بهترین تجربیات برای هرتن فولاد با کاهشی معادل ۳۵ درصد به میزان ۵/۱۲ گیگا ژول برای هر تن برسد.
هزینه های تولید ورق در کارخانه های یکپارچه آینده که از فناوری ذوب کاهشی و ریخته گری ورق استفاده می کنند با روشهای یکپارچه تولید فعلی بسیار متفاوت و کمتر خواهد بود . این دو فناوری احیای مستقیم طی دو دهه ی آینده قابل حصول بوده و میزان مصرف انرژی را تا حد زیادی پایین خواهند آورد .
اگر چه سیستم ذوبی متعاقب آن نیاز است تا شکل دهی فولاد را تکمیل نماید . زیرا که بعلت پایین بودن کربن در آن دی آر آی آن بایستی در کوره قوس الکتریکی ذوب گردد. شاخص ویژه انرژی در تولید این فرایند معادل ۲ گیگا ژول بیشتر از فرایند . می باشد. کوره ذوب الکتریکی میتواند بر اساس تغذیه صد در صدی قراضه کار کند و نیاز به احیا مواد اولیه را ندارد.
شاخص ویژه انرژی فولاد سازی در بهترین تجربیات کوره قوس الکتریکی معادل عدد ۷ بر اساس مصرف حامل های اولیه انرژی می باشد که معادل ۴۰ درصد انرژی الکتریکی مصرف می نماید . این رق تا حدود نصف کاهش یافته و به ۵/۳ خواهد رسید و شرط آن بکار گیری تجهیزات با تکنولوژی با کارایی بالاتر در ریخته گری و شکل دهی و در نهایت استفاده از ۶۰ درصد انرژی الکتریکی خواهد بود .
کارخانجاتی که از کوره قوس الکتریکی استفاده می کنند طی دهه ی قبل کاملا تغییر یافته اند . آنها دیگر رقیب اصلی کارخانجا ت یکپارچه تولید در محصولات تخت هستند ُ که اکنون از حیطه انحصار آنان خارج شده است . از آنجا که استفاده کامل از ضایعات برای تولید بعلت محدودیت آن امکان پذیر نیست و همچنین کیفیت همه انواع قراضه بحدی نیست که هر محصولی را تولید نمود . در آینده مسیر های متفاوتی ایجاد خواهند شد که پا به پای این خطوط به تولید خواهند پرداخت.
در تمامی مسیر ها و فرایند ها کاهشی معادل ۵/۲ گیگا ژول قابل دستیابی است و این امر مبتنی بر بازیافت حرارت و بکار گیری آن از درجه حرارت بالای محصول و سرباره داغ می باشد . روشهای متنوعی برای جذب حرارت از سرباره داغ ابداع شده اند که بعلت سرمایه بری زیاد کاربرد تجاری نیافته اند . فناوری بازیافت حرارت از محصول داغ زیر ۸۰۰ درجه سانتیگراد هم اکنون شکل تجاری خود را یافته است . امور تحقیق و توسعه بازیافت حرارت از درجات بالاتر از بالای ذوب هم بایستی هدایت شده و انجام شود که تا کنون نشده است. این فناوری ها احتمالا تا سا ۲۰۲۰ شکل اجرایی خواهند یافت.
انتشار این فناوری ها در دهه های آتی با معرفی به بازارها انجام خواهند شد . در این فاصله زمانی احتمالا روشهای دیگری از بهبود مصرف انرژی ایجاد می شوند . مشاهده می شود که در زمانیکه از هترین روشهای کارایی انرژی در عرصه ی بین المللی استفاده شود آنگاه تقاضای جهانی برای انرژی در صنعت فولاد حالت تعادل بخود گرفته و احتمالا کاهش خواهد یافت .اگر چنین تعادلی در انرژی در صنعت فولاد در حوزه ی اولیه و ثانویه تولید شکل بگیرد شاهد رشد تقاضای فولاد به میزان ۷/۱ در سال را شاهد خواهیم بود.
علاوه بر این در کشور های در حال توسعه شاهد رشد تقاضای ۴ درصدی خواهیم بود . باید توجه داشت که تلاشهای کاهش مصرف انژی که چنین تاثیری رابر بازار تقاضا خواهد داشت یک امر درونزا از داخل صنعت است . کمک هایی از ناحیه دولت ها برای جایگزینی روش های ذوب از طریق کوره بلند با احیای مستقیم صورت خواهد گرفت .
حوزه های متعددی موضوع تعیین خط مشی های دولتی قرار می گیرند که عبارتند از:
- پشتیبانی تامین سرمایه برای توسعه فناوری های مورد نیاز برای کارایی انرژی در صنعت فولاد
- تشویق شرکتهای تولید کننده آهن و فولاد در بکارگیری بهترین فناوری های کارایی انرژی برای مثال از طریق انعقاد تفاهم نامه های داوطلبانه
- ایجاد یک سیستم کارا و موثر بازیافت قراضه و ترغیب تولید کنندگان به استفاده هرچه بیشتر از قراضه
- تشویق تولید کنندگان به برپایی سیستم تحقیق و توسعه قدرتمند در راستای توسعه و بکارگیری فناوری های جدید کارایی انرژی در خصوص بازیافت حرارت و همچنین فرایند تولید مستقیم فولاد از سنگ معدن
