با تشدید بحران‌های زیست‌محیطی و فشارهای بین‌المللی برای کاهش انتشار کربن، صنعت فولاد به‌عنوان یکی از منابع اصلی انتشار گازهای گلخانه‌ای، در مسیر تحولی اساسی قرار گرفته و فناوری‌های احیای مستقیم آهن با محوریت گاز طبیعی به ویژه MIDREX، HYL و PERED به کانون توجه این تحول تبدیل شده‌اند.
هر یک از فناوری‌های احیای مستقیم آهن با محوریت گاز طبیعی، رویکردی متمایز در پاسخ به الزامات فنی، اقتصادی و زیست‌محیطی دارند. MIDREX با اتکا بر زیرساخت‌های گسترده و عملکرد پایدار، در کشورهای دارای گاز ارزان پیشتاز است؛ HYL با قابلیت بالاتر در استفاده از هیدروژن، آینده‌نگرترین گزینه برای تولید آهن سبز در بازارهای توسعه‌یافته بوده و PERED با رویکرد بهینه‌سازی مصرف انرژی و بازیافت درونی، گرچه هنوز در مراحل اولیه است، اما پتانسیل بالایی برای تحول در مسیر تولید فولاد کم‌کربن دارد. آینده صنعت فولاد، نه فقط به تکنولوژی، بلکه به توان انطباق با تحولات انرژی و سیاست‌گذاری سبز بستگی دارد.
طی سال‌های اخیر، در پی تشدید نگرانی‌های جهانی نسبت به تغییرات اقلیمی و الزام به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای، صنعت فولاد به عنوان یکی از صنایع با انتشار کربن بالا، با چالش‌های جدی در مسیر گذار به تولید پایدار مواجه شده است. در این راستا، فرآیند احیای مستقیم آهن (Direct Reduced Iron – DRI) با استفاده از گاز طبیعی، به عنوان یکی از گزینه‌های برجسته برای جایگزینی روش‌های سنتی مبتنی بر کوره بلند مورد توجه قرار گرفته است. فناوری‌های احیای مستقیم گاز محور، به دلیل حذف زغال‌سنگ کک‌شو به عنوان عامل احیاکننده، زمینه‌ساز کاهش معنادار انتشار دی‌اکسید کربن در زنجیره تولید فولاد می‌شوند. این مزیت، به ویژه در شرایطی که امکان جایگزینی تدریجی گاز طبیعی با هیدروژن سبز فراهم باشد، اهمیت دوچندانی پیدا کرده است.
در حال حاضر، چندین فناوری صنعتی با کارایی متفاوت در این حوزه توسعه یافته‌اند که از جمله مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به MIDREX، Energiron (HYL) و PERED اشاره کرد. هر یک از این فناوری‌ها از نظر بهره‌وری انرژی، ویژگی‌های محصول نهایی، الزامات زیرساختی و میزان انتشار آلاینده‌ها، دارای مزایا و محدودیت‌هایی هستند که تحلیل آن‌ها می‌تواند راهگشای انتخاب مناسب‌ترین گزینه در شرایط مختلف اقتصادی و اقلیمی باشد.
ایران، قطب جهانی فناوری MIDREX
فناوری MIDREX به‌عنوان یکی از پیشرفته‌ترین و گسترده‌ترین فرآیندهای احیای مستقیم مبتنی بر گاز طبیعی، جایگاهی کلیدی در تولید جهانی آهن اسفنجی دارد. در این روش، گندله سنگ‌آهن در یک راکتور عمودی با گاز احیایی حاصل از ریفورمینگ گاز طبیعی که عمدتا متان است، احیا می‌شود. طی این فرآیند، گاز طبیعی در واکنش با بخار آب و در حضور کاتالیست، به ترکیبی از هیدروژن و مونواکسید کربن تبدیل شده و سپس برای حذف اکسیژن از سنگ‌آهن به کار می‌رود. در مقایسه با سایر فناوری‌ها، MIDREX به بهره‌وری انرژی قابل‌توجهی دست یافته به‌طوری‌که در واحدهایی با ظرفیت بالا، مصرف ویژه انرژی کاهش یافته و بازدهی حرارتی فرآیند بهینه‌تر می‌شود؛ موضوعی که تاثیر مستقیمی بر کاهش هزینه‌های عملیاتی دارد. طراحی ماژولار این فناوری همچنین امکان انعطاف در مقیاس تولید را فراهم می‌سازد و آن را برای پروژه‌های متنوع صنعتی مناسب می‌کند.
گرچه هزینه سرمایه‌گذاری اولیه در MIDREX به دلیل نیاز به تجهیزات پیچیده‌تری مانند ریفورمرها، سامانه‌های بازیافت حرارتی و سیستم‌های دقیق کنترل فرآیند بالا است؛ اما در کشورهایی که به منابع گاز طبیعی ارزان و پایدار دسترسی دارند، این هزینه‌ها به خوبی قابل توجیه است. ایران نمونه بارزی از این شرایط است که با برخورداری از ذخایر غنی گاز و تمرکز راهبردی بر توسعه زنجیره فولاد، موفق به راه‌اندازی واحدهایی با ظرفیت حدود ۳۹.۷ میلیون تن در سال شده است؛ رقمی که نزدیک به ۴۰ درصد از کل ظرفیت جهانی MIDREX را شامل می‌شود.
طبق آخرین گزارش‌های سالانه MIDREX در سال ۲۰۲۳، ایران به تنهایی بزرگ‌ترین دارنده واحدهای فعال MIDREX در جهان به شمار می‌رود. پس از آن، هند و روسیه هر یک با حدود ۹ میلیون تن و الجزایر با ۷.۵ میلیون تن در جایگاه‌های بعدی قرار دارند. سایر کشورها در مجموع حدود ۳۸ میلیون تن در سال ظرفیت تولید دارند. نمودار ۱ توزیع این ظرفیت را به‌خوبی نمایش می‌دهد و نشان می‌دهد که MIDREX به‌ویژه در کشورهایی با دسترسی به گاز طبیعی توسعه بیشتری دارد.
در زمینه الزامات فنی، اجرای موفق واحدهای MIDREX، نیازمند زیرساخت‌های توسعه‌یافته‌ای شامل تامین پایدار گاز طبیعی، دسترسی به گندله باکیفیت، شبکه‌های حمل و نقل مناسب و تاسیسات جانبی نظیر ریفورمر و سامانه‌های بازیافت انرژی است. این نیازمندی‌ها در برخی مناطق، می‌تواند موانعی برای استقرار این فناوری ایجاد کند. در نهایت، مزیت راهبردی MIDREX در توانایی انطباق با تحولات آینده در بخش انرژی نهفته است. قابلیت جایگزینی گاز طبیعی با هیدروژن، چه به‌صورت جزیی و چه کامل، این فناوری را به گزینه‌ای پیشرو در کاهش انتشار کربن در زنجیره تامین فولاد تبدیل کرده است و ترکیب عملکرد فنی قابل‌اعتماد، ظرفیت‌پذیری بالا و تطبیق‌پذیری با مسیرهای گذار انرژی، MIDREX را در میان گزینه‌های موجود برای تولید آهن اسفنجی برجسته ساخته است.
دو رویکرد فناورانه با یک هدف: تحلیل عملکرد HYL و PERED در تولید آهن سبز
فناوری HYL/Energiron یکی از روش‌های برجسته احیای مستقیم آهن است که بر پایه استفاده از گاز طبیعی در فرآیندی چند مرحله‌ای و پیچیده‌تر طراحی شده است. برخلاف فرآیندهای راکتور عمودی، این فناوری از راکتورهای مدور یا افقی بهره می‌برد که امکان کنترل دقیق‌تر دما و ترکیب گاز احیایی را فراهم می‌سازد. در این سیستم، گاز طبیعی پس از ورود به واحد ریفورمینگ، به همراه بخار آب و در حضور کاتالیست به مخلوطی از هیدروژن و مونواکسید کربن تبدیل می‌شود. فرآیند احیا به صورت مداوم و در چند مرحله انجام می‌گیرد که این موضوع باعث افزایش راندمان واکنش‌ها و بهبود کیفیت آهن اسفنجی تولیدی می‌شود.
یکی از ویژگی‌های متمایز فناوری HYL، قابلیت انجام واکنش‌ها در دماهای پایین‌تر نسبت به برخی فناوری‌های مشابه است که باعث کاهش مصرف انرژی و بهبود پایداری فرآیند می‌شود. طراحی مدولار و امکان ادغام سامانه‌های پیشرفته بازیافت حرارت، این فناوری را به گزینه‌ای با بهره‌وری انرژی بالا و اثرات مخرب زیست‌محیطی کمتر تبدیل کرده است. محصول نهایی، آهن اسفنجی با خلوص و متالیزاسیون بالا است که قابلیت تبدیل به بریکت گرم (HBI) را نیز دارا است. انعطاف‌پذیری در استفاده از سوخت‌های جایگزین مانند هیدروژن، چشم‌انداز مناسبی برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای در این تکنولوژی فراهم کرده است.
در فناوری HYL نیز مشابه با فناوری MIDREX، سرمایه‌گذاری اولیه به دلیل نیاز به تجهیزات پیشرفته‌تر مانند سامانه‌های بازیافت حرارت و کنترل فرآیند دقیق بالا است؛ اما بهینه‌سازی مصرف انرژی و کاهش هزینه‌های عملیاتی، این فناوری را از لحاظ اقتصادی رقابتی کرده است. بهره‌وری انرژی بالا در واحدهای با ظرفیت متوسط تا بزرگ باعث کاهش مصرف سوخت و هزینه‌های جاری شده که در بازارهای دارای گاز طبیعی با قیمت رقابتی، مزیت اقتصادی قابل توجهی ایجاد می‌کند.
طبق آخرین آمار در سال ۲۰۲۳، کشورهایی مانند امارات متحده عربی با ظرفیت تولید ۴.۲ میلیون تن، مصر با ۳.۸۵ میلیون تن، مکزیک با ۳.۷۹ میلیون تن و آمریکا با ۲.۵ میلیون تن، از پیشگامان استفاده از فناوری HYL هستند. همچنین مجموع ظرفیت سایر کشورها حدود ۱۵.۶۶ میلیون تن در سال است. نمودار ۲ این توزیع ظرفیت را به خوبی نمایش می‌دهد.
در زمینه زیرساخت، فناوری HYL نیازمند تامین پایدار گاز طبیعی، زیرساخت‌های پیشرفته بازیافت حرارت و سامانه‌های کنترل فرآیند دقیق است که این الزامات می‌تواند هزینه‌های توسعه و بهره‌برداری را افزایش دهد؛ اما در مقابل باعث بهبود عملکرد و کاهش مصرف انرژی در بلندمدت می‌شود که برای سرمایه‌گذاران با دید بلندمدت جذابیت بالایی دارد.
مشابه با فناوری MIDREX، قابلیت جایگزینی تدریجی گاز طبیعی با هیدروژن به عنوان سوختی پاک‌تر، موقعیت فناوری HYL را نیز در چشم‌انداز کاهش کربن و گذار انرژی تقویت می‌کند. این ویژگی در بازارهایی که سیاست‌های سخت‌گیرانه زیست‌محیطی اعمال می‌کنند، اهمیت استراتژیک پیدا کرده و می‌تواند عامل تعیین‌کننده‌ای در انتخاب فناوری‌های احیای مستقیم باشد. در نهایت، تحلیل‌های فنی و اقتصادی نشان می‌دهد که فناوری HYL با تمرکز بر بهینه‌سازی مصرف انرژی، ظرفیت‌پذیری مناسب و انعطاف‌پذیری در استفاده از سوخت‌های جایگزین، گزینه‌ای رقابتی و آینده دار برای تولید آهن اسفنجی در سطح جهانی است.
اگرچه هر دو فناوری MIDREX و HYL فرآیندهای احیای مستقیم آهن با استفاده از گاز طبیعی هستند، اما تفاوت‌های بنیادینی در طراحی، عملکرد و مدل اقتصادی دارند که انتخاب بین آن‌ها را متاثر می‌سازد. فناوری MIDREX که مبتنی بر راکتور عمودی و فرآیند ریفورمینگ گاز طبیعی است، به دلیل طراحی نسبتا ساده و ماژولار، امکان پیاده‌سازی سریع و هزینه سرمایه‌گذاری اولیه معقول‌تری را فراهم می‌آورد. این فناوری با بهره‌وری انرژی قابل‌توجه به ویژه در واحدهای با ظرفیت بالا، هزینه‌های عملیاتی رقابتی و انعطاف‌پذیری در مقیاس تولید، گزینه‌ای مطلوب برای بازارهایی با دسترسی پایدار و قیمت مناسب گاز طبیعی به شمار می‌رود. از سوی دیگر، MIDREX نیازمند زیرساخت‌های استاندارد و گندله سنگ‌آهن با کیفیت است و هزینه‌های عملیاتی آن به نوسانات بازار گاز وابسته است.
در نقطه مقابل، فناوری HYL با ساختار راکتورهای مدور یا افقی و فرآیند احیای چندمرحله‌ای پیچیده‌تر، کنترل دقیق‌تر دما و ترکیب گاز احیایی را ممکن ساخته و از این طریق، راندمان واکنش‌ها و کیفیت آهن اسفنجی تولیدی را بهبود می‌بخشد. قابلیت انجام واکنش‌ها در دماهای پایین‌تر و بهره‌مندی از سامانه‌های پیشرفته بازیافت حرارت، مصرف انرژی را کاهش داده و اثرات زیست‌محیطی کمتری به دنبال دارد. هرچند هزینه سرمایه‌گذاری اولیه HYL بالاتر است و نیازمند زیرساخت‌های پیشرفته‌تر و سرمایه‌گذاری بلندمدت است، اما بهینه‌سازی مصرف انرژی و هزینه‌های عملیاتی کمتر، مزیتی اقتصادی در بازارهای رقابتی ایجاد می‌کند. از منظر تطبیق‌پذیری، هر دو فناوری امکان جایگزینی تدریجی گاز طبیعی با هیدروژن را دارا هستند، اما طراحی چندمرحله‌ای و کنترل دقیق‌تر فرآیند در HYL، زمینه بهتری برای استفاده از سوخت‌های پاک‌تر فراهم می‌کند که در چشم‌اندازهای آینده‌نگر کاهش کربن و سیاست‌های زیست‌محیطی سخت‌گیرانه، اهمیت بیشتری پیدا می‌کند.
در نهایت، MIDREX با توجه به سهولت پیاده‌سازی، هزینه سرمایه‌گذاری اولیه کمتر و انعطاف‌پذیری عملیاتی، گزینه‌ای مناسب برای کشورهای با زیرساخت‌های استاندارد و بازارهای پایدار گاز طبیعی است؛ در حالی که HYL با بهره‌وری انرژی بالاتر، کیفیت محصول نهایی بهتر و ظرفیت تطبیق بیشتر با فناوری‌های پاک‌تر، برای سرمایه‌گذاری‌های بلندمدت و بازارهای پیشرفته‌تر از نظر زیرساختی و محیط‌زیستی برتری دارد.
با وجود مزایا و محدودیت‌های فناوری‌های MIDREX و HYL، حوزه احیای مستقیم آهن همچنان شاهد ظهور فناوری‌های نوآورانه‌تری است که سعی در ارتقا بهره‌وری و کاهش اثرات زیست‌محیطی دارند. یکی از این فناوری‌های نوظهور، فرایند PERED است که با رویکردی متفاوت، امکانات تازه‌ای را در تولید آهن اسفنجی به ارمغان آورده است. فرآیند PERED، برخلاف روش‌های رایج، تاکید قابل توجهی بر بازچرخانی گازهای احیایی و بازیافت حرارت داخلی دارد که به طور ملموسی مصرف انرژی کل واحد را کاهش می‌دهد. گاز طبیعی در این فناوری پس از فرآیند ریفورمینگ به هیدروژن و مونوکسید کربن تبدیل می‌شود؛ اما شیوه مدیریت انرژی در طول واکنش‌ها، نقطه قوت اصلی PERED است که باعث افزایش کارایی واکنش‌های شیمیایی و بهبود کیفیت محصول نهایی می‌شود.
محصول نهایی این فناوری، آهن اسفنجی با کیفیت بالا و متالیزاسیون قابل توجه است که قابلیت تبدیل به بریکت گرم (HBI) را نیز دارا است. انعطاف‌پذیری این فناوری در استفاده از سوخت‌های جایگزین از جمله هیدروژن، آن را در زمره فناوری‌های سازگار با سیاست‌های کاهش کربن و گذار به اقتصاد کم‌کربن قرار می‌دهد. از منظر اقتصادی، اگرچه PERED هنوز در مراحل نسبتا اولیه تجاری‌سازی به سر می‌برد، اما پتانسیل بالای آن در کاهش هزینه‌های عملیاتی از طریق مصرف کمتر انرژی، توجه سرمایه‌گذاران را به خود جلب کرده است. هزینه‌های سرمایه‌گذاری اولیه بالا ناشی از نیاز به تجهیزات پیشرفته بازیافت حرارت و سامانه‌های دقیق کنترل فرآیند، به عنوان یکی از موانع توسعه این فناوری شناخته می‌شود. با این حال، تحلیل‌های بلندمدت حاکی از بازگشت سرمایه مناسب و رقابت‌پذیری قابل توجه این فناوری است.
فناوری PERED عمدتا محدود به دو کشور ایران و چین است که ظرفیت تولید ایران ۳.۲ میلیون تن و چین تنها ۰.۳ میلیون تن در سال گزارش شده است. این تمرکز جغرافیایی محدود، معلول چالش‌های فنی و زیرساختی ویژه‌ای است که توسعه این فناوری را در سایر بازارها دشوار ساخته است. زیرساخت‌های پیچیده بازیافت حرارت، نیاز به سامانه‌های کنترلی دقیق و سرمایه‌گذاری‌های سنگین، بسیاری از کشورهای فولادساز را از پذیرش گسترده PERED بازداشته است. از سوی دیگر، سهم قابل توجه ایران نسبت به چین، نشان‌دهنده سیاست‌های کلان حمایتی و تمرکز راهبردی این کشور بر توسعه فناوری‌های نوین در زنجیره فولاد است. بهره‌مندی از منابع غنی گاز طبیعی، سرمایه‌گذاری‌های هدفمند و تجربیات موفق در پیاده‌سازی فناوری‌های احیای مستقیم، ایران را به پیشتاز منطقه‌ای در زمینه PERED تبدیل کرده است. چین نیز با توجه به رشد فزاینده در حوزه فناوری‌های پاک، به تدریج به این فناوری روی آورده است؛ اما هنوز ظرفیت آن محدود به مراحل اولیه است.
در چشم‌انداز کلان، فناوری PERED با تمرکز بر بهره‌وری انرژی، کاهش مصرف سوخت و قابلیت انطباق با سوخت‌های کم‌کربن، به عنوان یکی از گزینه‌های کلیدی در صنعت فولاد شناخته می‌شود که می‌تواند سهم ویژه‌ای در کاهش اثرات زیست‌محیطی و ارتقا پایداری این صنعت ایفا کند. البته تحقق این پتانسیل منوط به فراهم شدن زیرساخت‌های پیشرفته و تداوم حمایت‌های سرمایه‌گذاری خواهد بود.
مطابق با نمودار ۳، طی پنج سال اخیر، فناوری MIDREX با حفظ سهم غالب نزدیک به ۹۰ میلیون تن در ظرفیت تولید آهن اسفنجی، نقش بی‌بدیلی در تولید فولاد به روش احیای مستقیم ایفا کرده است؛ هرچند کاهش چشمگیر سهم این تکنولوژی در سال ۲۰۲۲، ناشی از اختلالات زنجیره تامین و افزایش هزینه‌های انرژی، نشان‌دهنده آسیب‌پذیری این فناوری در برابر نوسانات بازار بود. در نهایت در سال ۲۰۲۳ با بازگشت سهم این فناوری به بیش از ۹۰ میلیون تن، این کاهش جبران شد.
فناوری HYL با رشد تدریجی سهم خود از ۲۲ به ۲۷.۵ میلیون تن، موفق به تثبیت جایگاه خود به عنوان گزینه‌ای با کارایی بالاتر و قابلیت سازگاری با هیدروژن شده است؛ این امر به ویژه در بازارهای توسعه‌یافته که سیاست‌های زیست‌محیطی سخت‌گیرانه‌تر دارند اهمیت پیدا می‌کند. فناوری PERED با ظرفیت تولید پایدار ۳.۵ میلیون تن، هرچند هنوز در مراحل اولیه است، اما با تمرکز بر بازچرخانی گاز احیایی و بهینه‌سازی مصرف انرژی، پتانسیل قابل توجهی در مسیر گذار به فولاد کم‌کربن نشان می‌دهد. سایر فناوری‌ها با سهم محدود، نقش مکملی در تنوع‌بخشی فناوری‌های احیای مستقیم ایفا می‌کنند؛ اما جایگاه رقابتی آن‌ها در مقایسه با سه فناوری اصلی کمتر است. این روندها بیانگر تمایل صنعت به فناوری‌هایی است که نه تنها بازدهی و پایداری فنی دارند، بلکه توانایی تطبیق با چالش‌های انرژی و زیست‌محیطی آینده را نیز دارا هستند.