کاربرد آب در صنعت فولاد
صنایع فولاد ایران طی سالیان گذشته، به مثابه پیشران توسعه منطقه ای، اشتغالزایی و ارزآوری برای کشور مطرح شده و ایفاگر نقشی بی‌بدیل در اقتصاد ایران بوده و هست. با این همه، این صنعت جهانی با چالش هایی از جمله مدیریت و مصرف آب در کشور مواجه است که در ادامه گزارش دانیال زاده نمین؛ به مهم‌ترین پژوهش‌های این حوزه اشاره می شود.
مساله آب در صنعت فولاد موضوع امروز و دیروز نیست؛ خنک‌کاری (تجهیزات، کوره‌ها، محصولات میانی تولیدشده آهنی و فولادی، کک فرآوری‌شده و…) منبع بخار مورد استفاده در فرآیند تولید یا نیروگاه‌های برق، کنترل، فرو نشاندن و پاک‌سازی غبارها و گازهای آلوده‌کننده، تمیزکاری سطوح و زدودن پوسته‌های اکسیدی، محلول‌های خطوط اسیدشویی، حلال محیط آبی به منظور روان‌کاری‌های روغنی یا پایه آب، غبارزدایی مواد اولیه، مصارف شست‌وشو و… اصلی ترین موارد مصرف آب در صنایع فولاد به شمار می آیند.
میزان مصرف آب در صنایع فولاد به چه عواملی متکی است؟
توجه به این نکته ضروری است که اگرچه میزان مصرف آب در این صنایع با توجه به نوع محصول، حجم کار، فرایندهای مورد استفاده و فناوری استفاده شده متفاوت است، اما در اغلب کشورهای توسعه یافته راهی متناسب با اقلیم، تکنولوژی و ظرفیت هایشان برای مصرف بهینه آب در صنایع فولاد ایجاد کرده اند. مدیریت پایدار و مصرف آب در صنایع فولاد مبتنی بر سیاست گذاری و انجام اقدامات نظارتی، اجرایی و قانونی است که برای تحقق برنامه ها و اهداف این صنعت ضرورت دارد.
مروری بر پژوهش های مطرح در حوزه مدیریت و مصرف پایدار آب در صنعت فولاد می تواند منجر به راهکارهای بهینه آب در این صنعت شود. در ادامه به برخی از مهم‌ترین پژوهش ها در این زمینه اشاره می شود:
استفاده از پساب؛ راهکاری برای مصرف بهینه آب در صنعت فولاد
«ارتقا کیفیت آب شستشوی مستعمل واحد اسیدشویی مجتمع فولاد مبارکه به روش تعویض یونی» پژوهشی است که در سال ۱۳۹۳ انجام گرفته است. این پژوهش با اشاره به استفاده ناگزیر از آب در صنایع فولادی، بازیابی و یا تصفیه پساب در این صنایع را عاملی در جهت صرفه جویی حجم زیادی از آب به شمار می آورد. از جمله یکی از پساب‌هایی که در در صنایع فولادسازی ارزش بازیابی دارد، پساب حاصل از شستشوی واحد اسیدشویی است. هدف از این پژوهش بررسی تصفیه این پساب به روش رزین های تعویض یونی است که بتواند مجددا در واحد شستشوی صفحات فولادی مورد استفاده قرار گیرد.
«بهینه‌سازی مصرف آب و استفاده مجدد از پساب فولاد در سیستم احیای مستقیم» پژوهش دیگری است که در سال ۱۳۹۸ صورت گرفته و نویسندگان ضمن اشاره به این که قسمت اعظم پساب از صنایع آهن و فولاد، از بخش خنک سازی، تولید میشود. مقاله بر این باور است که با بهره گیری مجدد از پساب و برگرداندن آن به سیستم، میتوان از هدررفت آب جلوگیری کرد. بنابراین مقوله هایی مانند افزایش بازده آبیاری، تکنولوژی‌های جدید و خدمات مشاوره‌ای در کنار کنترل مصرف آب و کنترل برداشت از منابع آب زیرزمینی می‌تواند به صنعت فولاد و همچنین اقتصاد کشور و بحران کم آبی کمک کند.
استفاده از فناوری؛ راهکار بهینه‌سازی مصرف آب در فولاد مبارکه
«مدل یکپارچه سیستم واترژی (آب-انرژی) برای ارزیابی ترکیب بهینه فناوری در صنعت فولاد (فولاد مبارکه اصفهان)» پژوهشی است که در سال ۱۳۹۹ صورت گرفته است و با اشاره به مفهوم «واترژی» از آن برای تحلیل ارتباط میان آب و انرژی در واحدهای مختلف فولاد بهره گرفته شده است.
با استفاده از مدل ریاضی سیستم واترژی صنعت فولاد و در نظر گرفتن رشد قیمت منابع آب و انرژی الکتریکی، تحول فناوری در فولاد مبارکه بررسی شده است. در سناریوی بهینه با تحول فناوری و مقداری افزایش در مصرف انرژی الکتریکی در کارخانه فولاد مبارکه اصفهان، شاخص مصرف آب از ۷۸/۶ متر مکعب (آب متعارف) به حدود ۵/۵ متر مکعب کاهش یافته است.
«ارزیابی فناوری تکنولوژی های کاهنده آب در فولاد مبارکه» پژوهشی است که در سال ۱۳۹۶ صورت گرفته است. این پژوهش با اشاره به نیاز صنعت به آب که یا به عنوان ماده اولیه و یا به مثابه خنک کننده در فرایندها استفاده می شود، شرح میدهد که جایگزینی برای آب وجود ندارد. در نهایت نیز ضمن توضیح اهمیت شرکت فولاد مبارکه اصفهان در توسعه کشور، استفاده از بروزترین تکنولوژیها در فرایند تولید، چرخه استفاده و تصفیه آب (تعریف پروژه های بهینه سازی در فرآیندهای تولید، بازچرخانی و تصفیه آب خطوط تولید)، سرمایه‌گذاری در توسعه شبکه جمع آوری و تصفیه پساب شهرهای مجاور را راهی دانسته که این صنعت توانسته مصرف آب مورد نیاز خود را کاهش دهد.
بازچرخانی و استفاده چند باره در صنعت فولاد
«مدیریت تقاضای منابع آب در اصفهان با استفاده از روش بازچرخانی پساب در صنعت فولاد مبارکه» پژوهشی است که در سال ۱۳۹۲ نوشته شده است و ضمن اشاره به روش بازچرخانی آب، آن را عاملی در کاهش آسیب های کم آبی در مناطق کشور عنوان می کند. از آنجایی که تصفیه پساب و استفاده مجدد از آن نسبت به سایر روش‌های تهیه آب مقرون به‌صرفه‌تر است و از سوی دیگر جهت حفظ محیط زیست بایستی استانداردهای تخلیه به محیط زیست را رعایت نمود، چنانچه بازچرخانی پساب تصفیه شده به سقف ۸۰ درصد برسد میتوان انتظار تولید حدود ۴ میلیارد مترمکعب آب داشت.
این پژوهش با پرداختن به روش‌های موثر در این زمینه و با مطالعه موردی طرح های پیشنهادی اجرا شده در شهرهای مبارکه و لنجان در استان اصفهان، سعی کرده نگرشی دوباره به این مقوله و امنیت تامین آب مورد نیاز در صنعت فولاد داشته باشد. لذا ضمن طرح و بیان اهمیت موضوع مدیریت تقاضا و بازچرخانی آب در بخش های صنعتی به بررسی الگوی مصرف و وضعیت مصرف آب در بخش صنعت پرداخته شده و سپس به مطالعات و اقدامات انجام شده در این رابطه اشاره کرده است.
مصرف آب صنعت فولاد چقدر است؟
درباره صنعت فولاد میزان مصرف آب به ازای تولید هر تن فولاد خام به شدت به عواملی چون نوع فرآیندهای تولید، نرخ محصولات تولیدی و سطح فناوری های مورداستفاده در هر واحد صنعتی بستگی دارد. در سال 2011 میلادی یک ابر پروژه بین المللی درزمینهٔ مدیریت مصرف آب در صنعت فولاد با محوریت انستیتوی بین المللی آهن و فولاد و با مشارکت 29مجتمع بزرگ تولید آهن و فولاد از 5 قاره جهان با سطوح فناوری و نیز اقلیم آب و هوایی متنوع در طول دو سال اجرا شد.
حاصل این پروژه آمار و ارقام و اطلاعات طبقه بندی شده و متنوعی است که به عنوان ورودی برای استفاده و ارائه راهکارهای مؤثر و فراگیر در مدیریت بهینه مصرف آب در صنعت فولاد به کاررفته است. همچنین در این پروژه سعی شده که با مقایسه الگوهای مصرف و راهبردهای مدیریت آب در هر یک از مجتمع ها یک نتیجه گیری جامع درزمینهٔ فناوری های کاهنده آب، بازیافت پساب و محیط زیست ارائه شود.
نکته مهم در این پروژه محدوده بسیار بازمصرف سرانه آب به ازای تولید هر تن فولاد در این شرکت ها است که از 1 تا 150 مترمکعب بر تن بوده است. به طور متوسط میزان مصرف سرانه آب به ازای تولید هر تن فولاد در میان تمام این شرکت ها چیزی حدود 28 مترمکعب بر تن بوده که از این میزان متوسط حدود 1/5درصد بازیافت شده و به خطوط تولید بازمی گردد و 3درصد به طورمعمول به صورت بخار و ضایعات دیگر هدر می رود و بقیه دورریز می شود.
به طورکلی مهم ترین موارد مصرف آب در صنعت فولاد عبارت اند از: خنک کاری، (تجهیزات، کوره ها، محصولات میانی تولیدشده آهنی و فولادی، کک فراوری شده و… ) منبع بخار مورداستفاده در فرآیند تولید یا نیروگاه های برق، کنترل، فرونشاندن و پاک سازی غبارها و گازهای آلوده کننده، تمیزکاری سطوح و زدودن پوسته های اکسیدی، محلول های خطوط اسید شویی، حلال محیط آبی به منظور روان کاری های روغنی یا پایه آب، غبارزدایی مواد اولیه و درنهایت مصارف شست وشو و…
مهم ترین پارامترهای مؤثر بر میزان مصرف آب برای تولید هر تن فولاد عبارت اند از: نوع محصولات، فرآیندهای تولید مورداستفاده در کارخانه برای تولید آهن و فولاد، سطح فناوری و نوع طراحی دستگاه ها و ماشین آلات در زمینه های مصرف آب و میزان بازیابی و تصفیه آب در سیستم تولید.
البته نکته بسیار مهم میزان آبی است که به ازای تولید هر تن فولاد با استفاده از سیستم های تصفیه پساب به سیستم برگردانده می شود. به طورکلی امروزه در تمامی کشورهای پیشرفته سعی بر آن است که میزان آب تلف شده در صنعت تولید فولاد (به صورت بخار دورریز یا پساب غیرقابل بازیافت) به حداقل میزان و درنهایت نزدیک به صفر برسد. بزرگ ترین واحدهای مصرف کننده آب در صنعت فولاد به ترتیب عبارت اند از: واحد آهن سازی (کوره بلند)، واحد نورد گرم، واحد نورد سرد، واحد کک سازی، واحد کوره قوس الکتریکی، واحد ریخته گری پیوسته و بقیه واحدها.
به طورکلی تمامی راهکارها و برنامه ریزی های موجود و پیش رو برای مدیریت پایدار مصرف آب در صنعت فولاد را می توان به 3دسته اصلی زیر تقسیم بندی کرد: راهکارهای مؤثر در کاهش مصرف آب(Reduce)، راهکارهای مؤثر در استفاده مجدد و چندباره از آب در فرآیندهای مختلف تولید (Reuse) و درنهایت راهکارهای مؤثر در بازیافت آب یا تصفیه پساب تولیدی (Recycie). این استراتژی مدیریتی به 3استراتژی یا 3R معروف است.
راهبردهای کاهش مصرف آب در کارخانه های تولید فولاد
بر اساس نتایج به دست آمده از تحقیقات و مستندات ارائه شده در حال حاضر مهم ترین راهبردهای پیشنهادی برای کاهش مصرف آب در کارخانه های صنعتی تولید فولاد عبارت اند از:
1- استفاده هرچه بیشتر از سیستم های آبی با سیکل بسته یا نیمه بسته با راندمان بالا برای سیکل های خنک کاری فرآیندهای تولیدی یا نیروگاهی (برای مثال برج های خنک کننده)
2- استفاده نکردن از سیستم های در رو یا یک بارمصرف در خنک کاری تولیدی یا نیروگاهی
3- طراحی مدارهای سیکل آبی به منظور استفاده از آب خروجی واحدی به عنوان ورودی واحد دیگر با توجه به میزان کیفیت آب موردنیاز هر واحد
4- استفاده از سیستم های مؤثر و بروز بازیافت و تصفیه پساب تولیدی
5- جایگزین کردن یا افزودن فناوری های خشک یا بدون آب به جای سیستم های کنونی مثل، فرآیند خنک سازی کک بدون آب، گرانوله سازی خشک سرباره و بازیابی حرارتی و استفاده از غبارگیرهای خشک
درباره پروژه های توسعه ای صنایع فولادی که در حال برنامه ریزی برای انتخاب محل هستند، موارد زیر به طور حتم باید در هنگام تهیه طرح توجیه فنی و اقتصادی پروژه به منظور برخورد نکردن به مشکلات بعدی درزمینهٔ تأمین منابع آبی در نظر گرفته شوند:
1- انتخاب محل هایی با امکان دسترسی و تأمین حداقل میزان آب موردنیاز فرآیندهای تولید با نگاهی به آینده
2- استفاده از فرآیندها و فناوری های بروز و دارای کمترین میزان مصرف آب برای تولید
3- طراحی خطوط بر اساس پیش بینی سیکل های باز استفاده در خطوط مختلف تولید
4- پیش بینی و طراحی بر اساس سیکل های تمام بسته در حداکثر محل های قابل استفاده از این فناوری
5- پیش بینی واحدهای بازیافت و تصفیه پساب بروز و مؤثر در کنار طرح با ظرفیت و کیفیت مناسب
البته لازم به ذکر است برای انتخاب و اجرای هر یک از این راهکارهای ابتدایی تحقیقات و بررسی های علمی و کارشناسی جامعی روی نیازسنجی و امکان سنجی آن موارد از سوی متخصصان این امر انجام شود تا ضمن ایجاد کمترین تغییرات در سیستم فعلی با صرف کمترین هزینه ها بتوان به سازگارترین، بهینه ترین و مؤثرترین راهکار ممکن در جهت بهینه کردن مصرف آب در صنعت فولاد دست پیدا کرد.
جمع‌بندی
به طور کلی با توجه به پژوهش های اشاره شده در بالا میتوان دریافت که مدیریت پایدار مصرف آب به سه دسته قابل تقسیم است: اول، راهکارهای موثر در کاهش مصرف آب مثلا به کارگیری هرچه بیشتر شبکه‌های آبی با چرخه بسته یا نیمه‌بسته با عملکرد بالا که برای چرخه‌های خنک‌کاری مناسب تر است. دوم، راهکارهای موثر در استفاده دوباره و چندباره از آب در فرآیندهای مختلف تولید؛
برای مثال استفاده از مدارهای چرخه آبی جهت به کارگیری دوباره آب خروجی واحدی به‌عنوان ورودی واحد دیگر با توجه به میزان کیفیت آب موردنیاز هر واحد. سوم، راهکارهای موثر در بازیافت آب یا تصفیه پساب تولیدی مثلا استفاده از تصفیه خانه برای پسابهای صنایع فولاد در جهت بازچرخانی آب مصرفی صنایع که بسته به هر مورد میتوانند مصرف آب را به میزان قابل توجهی کاهش دهند.