دفع تطبيق توليد الأكسجين VPSA: توسع إمداد واستخدام الخردة الفولاذية في الهند

1. الخلفية
بسبب اعتماد الهند الكبير على الوقود الأحفوري مثل الفحم والنفط، تستخدم صناعة الصلب الهندية بشكل أساسي فحم الكوك لصناعة الحديد في الأفران العالية والفحم غير المكربن للاختزال المباشر وتوليد الطاقة. يستخدم النفط كوقود (لإعادة التسخين) وللنقل الداخلي. تمثل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من صناعة الصلب الهندية حوالي 12٪ من إجمالي الانبعاثات الصناعية في البلاد، مما يشكل حوالي 7٪ -9٪ من الإجمالي العالمي. على الرغم من أن عملية الفرن العالي-محول الأكسجين الأساسي (BF-BOF) تمثل أقل من 50٪ من إجمالي إنتاج الصلب في الهند، فإن كثافة انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في الهند تزيد بأكثر من 30٪ عن المتوسط العالمي.
الحياد الكربوني هو أحد أكثر القضايا إلحاحًا التي تواجه العالم اليوم. كما وضعت الحكومة الهندية الحياد الكربوني على جدول الأعمال، واقترحت تحقيق صافي انبعاثات صفرية بحلول عام 2070. لتحقيق هذا الهدف، تتخذ صناعة الصلب الهندية إجراءات لتقليل كثافة الانبعاثات. تشمل الخيارات قصيرة المدى تقليل استهلاك الطاقة في العمليات المستخدمة حاليًا وزيادة استخدام الخردة الفولاذية. يعد احتجاز الكربون واستخدامه وتخزينه (CCUS) خيارًا أيضًا، لكنه ينطوي على نفقات رأسمالية. تهدف وزارة الصلب الهندية إلى زيادة نسبة الخردة إلى 50٪ بحلول عام 2050.
2. وضع الإنتاج لكبار منتجي الصلب في الهند
2.1 عمليات صناعة الصلب ترد القدرات الحالية وعمليات صناعة الصلب لكبار مصنعي الصلب الهنود في الجدول 1 أدناه. في السنة المالية 2023، بلغ إنتاج الصلب الخام لكبار المصنعين 60.7٪ من الإجمالي، مع إنتاج حوالي 70٪ عبر محول الأكسجين الأساسي (BOF) والـ 30٪ المتبقية عبر فرن القوس الكهربائي (EAF).
الجدول 1- القدرات الحالية وعمليات صناعة الصلب لكبار مصنعي الصلب في الهند
2.2 استخدام خام الحديد والخردة الفولاذية
في الهند، يظل استخدام كبار منتجي الصلب للخردة الفولاذية أقل من 10٪، حيث انخفض من 8.44٪ في السنة المالية 2022 إلى 7.27٪ في السنة المالية 2023. بشكل عام، على الرغم من زيادة الواردات، انخفضت حصة الخردة الفولاذية في إجمالي مدخلات الصلب من 22.76٪ في السنة المالية 2022 إلى 21.16٪ في السنة المالية 2023، ويرجع ذلك أساسًا إلى ارتفاع أسعار الخردة الفولاذية. بلغ استهلاك الخردة الفولاذية المحلية في السنة المالية 2023 21.649 مليون طن، انخفاضًا من 27.837 مليون طن في السنة المالية 2022.
يُعزى الانخفاض في استخدام الخردة الفولاذية إلى انخفاض الإنتاج المحلي وزيادات الأسعار ومحدودية توفر الخردة الفولاذية المستوردة. تلاحظ وزارة الصلب في الهند أن المستويات الحالية لاستخدام الخردة الفولاذية لا تلبي توقعات الحكومة لتقليل انبعاثات الكربون. حوالي 60 دولة إما حظرت أو في طور حظر صادرات الخردة الفولاذية. في حين أن إنتاج الخردة الفولاذية المحلية في الهند قد يزيد، إلا أنه من غير المرجح أن يقلل الانبعاثات بشكل كبير. بسبب عدم كفاية توفر الخردة الفولاذية، تضطر مصانع الصلب التي تستخدم فرن القوس الكهربائي (EAF) إلى استخدام الحديد المصهور، والذي يمثل أكثر من 40٪ من إجمالي مدخلات الصلب، متجاوزًا 42.2٪ في السنة المالية 2022 و 43.2٪ في السنة المالية 2023. لا يساهم زيادة استخدام الحديد المختزل المباشر (DRI) (القائم على الفحم) بشكل كبير في تقليل الانبعاثات. النسبة المنخفضة من الخردة الفولاذية هي أحد أسباب كثافة الانبعاثات العالية في الهند. كل طن من الخردة الفولاذية يمكن أن يقلل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بمقدار 1.5 طن ويوفر 1.4 طن من خام الحديد و 740 كيلوجرامًا من الفحم و 120 كيلوجرامًا من الحجر الجيري.
3. إنتاج الصلب المتوقع والعمليات لعامي 2030 و 2050
3.1 إنتاج الصلب
وفقًا للسياسة الوطنية للصلب في الهند الصادرة في عام 2017، من المتوقع أن يصل إنتاج الصلب الخام في السنة المالية 2031 إلى 255 مليون طن. وهذا يستلزم معدل نمو سنوي مركب (CAGR) بنسبة 9.2٪ لإنتاج الصلب الخام من السنة المالية 2023 إلى السنة المالية 2031.
وفقًا لتوقعات Crisil، من المتوقع أن تنفق الهند ما يقرب من 143 مليار روبية على تطوير البنية التحتية خلال السنوات المالية 2024-2030، أي أكثر من ضعف الـ 670 مليار روبية التي تم إنفاقها في السنوات المالية السبع السابقة ابتداءً من عام 2017. على مدى السنوات المالية الخمس عشرة من 2016-2031، من المتوقع أن يبلغ متوسط معدل النمو السنوي المركب 7٪؛ لسنوات المالية الخمس عشرة من 2008-2023، كان معدل النمو السنوي المركب الفعلي 5.8٪؛ وللخمس سنوات المالية من 2018-2023 (باستثناء السنة المالية 2021 المتأثرة)، كان معدل النمو السنوي المركب 7.2٪. لذلك، نظرًا لتركيز الحكومة الهندية على تطوير البنية التحتية، من المتوقع أن يصل معدل النمو السنوي المركب إلى 8٪ للسنة المالية 2031. بناءً على معدل نمو سنوي مركب 8٪، من المتوقع أن يصل إنتاج الصلب الخام في السنة المالية 2031 إلى 233.7 مليون طن. بالنظر إلى التوقعات المختلفة، يقدر إنتاج الصلب الخام في الهند بحوالي 500 مليون طن بحلول عام 2050.
3.2 عمليات الصلب
وفقًا للسياسة الوطنية للصلب، بحلول السنة المالية 2031، سيكون 60٪ -65٪ من إنتاج الصلب الخام في الهند عبر مسار BF-BOF، و 35٪ -40٪ عبر عملية DRI-EAF. بالنظر إلى الوضع الحالي الذي تمتلك فيه الهند حاليًا 71 فرنًا عاليًا مع 5 قيد الإنشاء، وتم الإعلان عن 22 فرنًا عاليًا جديدًا إضافيًا. لذلك، حتى بحلول عام 2050، من المتوقع أن تمتلك الهند طاقة إنتاجية كبيرة من BF-BOF، مما يشير إلى أن الأفران العالية ستستمر في لعب دور حاسم.
4. توقعات توفر الخردة الفولاذية في الهند لعامي 2030 و 2050
كان توليد الخردة الفولاذية المقدر في الهند
المركبات المنتهية الصلاحية هي أحد مصادر خردة الفولاذ. نفذت الحكومة الهندية سياسة إلغاء المركبات في عام 2022، تلزم بموجبها إلغاء مركبات الركاب التي يزيد عمرها عن 20 عامًا والمركبات التجارية التي يزيد عمرها عن 15 عامًا. ويقدر أن خردة الفولاذ من المركبات الملغاة ستبلغ 4.6 مليون طن في السنة المالية 2023، و5.3 مليون طن في السنة المالية 2025، و7.3 مليون طن بحلول عام 2030. وبحلول عام 2050، قد يرتفع هذا الرقم إلى حوالي 15 مليون طن.
تشمل مصادر خردة الفولاذ الأخرى السفن المخرجة للخدمة، ومواقع البناء، والمصانع، وورش العمل، وخردة الفولاذ المتولدة داخليًا من مصانع الصلب. بحلول عام 2030، يمكن أن ينتج تكسير السفن ما بين 7 و7.5 مليون طن من خردة الفولاذ، وتمثل خردة الفولاذ المتولدة داخليًا في مصانع الصلب حوالي 8% من إنتاج الفولاذ الخام. بحلول عامي 2030 و2050، تشير التقديرات إلى أن هذا المصدر يمكن أن يولد حوالي 200 مليون طن و400 مليون طن من خردة الفولاذ على التوالي.
على الصعيد العالمي، تشير التقديرات إلى أن إنتاج الفولاذ الخام سيصل إلى 1.95 مليار طن بحلول عام 2030، مع استهلاك خردة الفولاذ بمقدار 828 مليون طن، ومعدل استخدام خردة الفولاذ بنسبة 35%-36%. من المتوقع أن تكون نسبة الفرن العالي إلى فرن القوس الكهربائي 60:40، مقارنة بالنسبة الحالية البالغة 70:30.
5. هيكل مدخلات الفولاذ والعمليات المتوقعة للسنتين الماليتين 2030 و2050
تتكون عمليات الفولاذ في الهند للسنة المالية 2023 من 46% فرن عالي-محول أكسجين قاعدي، و22% فرن عالي/حديد اختزال مباشر-فرن قوس كهربائي، و32% فرن حثي (حديد اختزال مباشر وخردة). تبلغ معدلات استخدام خردة الفولاذ في الأفران العالية وأفران القوس الكهربائي والأفران الحثية حوالي 8% و27% و30% على التوالي؛ بينما تبلغ معدلات الحديد المنصهر 92% و43% و0%، ومعدلات حديد الاختزال المباشر 0% و30% و70%. من حديد الاختزال المباشر المستخدم في أفران القوس الكهربائي، حوالي 85% يعتمد على الغاز، والنسبة المتبقية 15% تعتمد على الفحم، وتستخدم الأفران الحثية حديد اختزال مباشر قائم على الفحم بنسبة 100%. يشمل الحديد المنصهر الإنتاج من أفران الاختزال بالصهر.
عند التخطيط للعمليات المستقبلية، هناك نقطتان رئيسيتان حاسمتان: الأولى، تقليل النسبة العالية للفرن العالي-محول الأكسجين القاعدي لخفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون؛ الثانية، تقليل نسبة الأفران الحثية لإنتاج درجات فولاذ عالية الجودة. يوصى باعتماد العمليات الموضحة في الجدول 2 أدناه.
الجدول 2- العمليات الفولاذية الموصى بها (بالنسبة المئوية)
يسرد الجدول 3 إنتاج الفولاذ الخام المتوقع، ومتطلبات المدخلات، ونسبها (الحديد المنصهر: حديد الاختزال المباشر: خردة الفولاذ) لمصانع الصلب الرئيسية وغيرها من المصنعين في السنتين الماليتين 2030 و2050، إلى جانب البيانات الفعلية للسنة المالية 2023.
الجدول 3 – إنتاج الفولاذ الخام المتوقع، ومتطلبات المدخلات، والنسب (مليون طن، %) لمنتجي الفولاذ الهنود
6. الخاتمة
حالياً، تزيد كثافة انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في صناعة الفولاذ الهندية بنسبة 30% عن المتوسط العالمي، مما يواجه تحدياً مزدوجاً يتمثل في عدم كفاية توافر الخردة والغاز الطبيعي. ونتيجة لذلك، يؤدي الاستخدام الكبير للحديد المنصهر وحديد الاختزال المباشر القائم على الفحم إلى ارتفاع كثافة الانبعاثات. علاوة على ذلك، وبسبب القيود أو الحظر على صادرات الخردة من قبل معظم الدول لزيادة استخدام الخردة محلياً، فإن استيراد الخردة يمثل أيضاً تحدياً بالغ الصعوبة.
سيكون من الصعب استبدال جميع الأفران العالية بحلول عام 2050، حيث تم تشغيل بعضها مؤخراً والبعض الآخر لا يزال قيد الإنشاء. لذلك، فإن زيادة استخدام الخردة إلى 50% بحلول عام 2050 ليس أمراً ممكناً لمصانع الفولاذ الهندية الكبرى.
من المتوقع أنه بحلول عام 2050، قد تصل نسبة الخردة في الهند إلى 25% (حوالي 20% حالياً)، مع تحقيق مصنعي الفولاذ الكبار 20% (حوالي 10% حالياً).
يعتمد إنتاج خردة الفولاذ التقليدي بشكل كبير على الفحم وحديد الاختزال المباشر القائم على الفحم، مما يؤدي إلى انبعاثات كربونية عالية. في المقابل، يستخدم صهر الفولاذ بالفرن القوس الكهربائي الكهرباء لتسخين خردة الفولاذ والحديد، مما يقلل الطلب على الفحم ويخفض انبعاثات الكربون بشكل كبير.
في عملية صهر الفولاذ بالفرن القوس الكهربائي قصيرة المسار، يعتبر تطبيق الامتزاز بالضغط المتأرجح الفراغي وحدات الأكسجين أمراً حاسماً لتحسين التحكم في الفرن وكفاءة الإنتاج. تستخدم محطات أكسجين الامتزاز بالضغط المتأرجح المناجي الجزيئي لتوليد أكسجين مركز من الهواء. مقارنة بأنظمة التبريد العميق التقليدية، فإن أنظمة أكسجين الامتزاز بالضغط المتأرجح لها تكاليف إنشاء وتشغيل أقل، ويمكنها ضبط معدل تدفق الأكسجين وفقاً لتغيرات الطلب أثناء عمليات الصهر، مما يساعد في تحسين جو الفرن والتفاعلات الكيميائية في المصهور لزيادة تحسين كفاءة تشغيل الفرن وجودة منتجات الفولاذ والمساهمة في تخفيضات كبيرة في استهلاك الطاقة والانبعاثات، مما يخفض البصمة الكربونية الإجمالية.
بفضل خبرتها التي تمتد لـ 25 عاماً في فصل الغازات، تتصدر شركة PKU Pioneer دولياً في تكنولوجيا إنتاج الأكسجين بالامتزاز بالضغط المتأرجح من حيث سعة الأكسجين وأداء المعدات وكفاءة الطاقة. وقد قدمت شركة PKU Pioneer حلولاً عالية الجودة لتوليد الأكسجين لأكثر من 70 مؤسسة فولاذية في جميع أنحاء العالم، بما في ذلك شركات عالمية رائدة مثل باوستيل، مما يساعد المستخدمين على تحسين عمليات الصهر، وتقليل استهلاك الطاقة، وتحقيق التنمية المستدامة الخضراء.