عندما يتعلق الأمر بالاستدامة والصلب الأخضر، يتحدث الجميع عن الهيدروجين، لكن الوسائل الحالية لتخزين ونقل الهيدروجين تتطلب ضغوطًا عالية ودرجات حرارة منخفضة، وهي مكلفة من حيث الطاقة والاقتصاد.
من المعروف أن الأمونيا ناقل جيد للهيدروجين، أظهر باحثون أنه لا يمكن استخدام الأمونيا فقط لنقل الهيدروجين ولكن أيضًا للاختزال المباشر للحديد، مما يجعل الأمونيا مرشحًا قابلاً للتطبيق للتغلب على أوجه القصور في الهيدروجين.
يستخدم علماء المواد في ماكس بلانك الأمونيا في صناعة الحديد والصلب بشكل مستدام، لقد نشروا أحدث نتائجهم في مجلة Advanced Science.
يعد إنتاج الصلب حاليًا أكبر سبب منفرد للاحترار العالمي، وهو مسؤول عن حوالي 7 ٪ من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية، لخفض هذه الانبعاثات، يبحث العلماء في الصناعة بشكل مكثف عن مناهج صناعة الحديد القائمة على الهيدروجين كمسارات مستدامة لاستبدال مخفضات الكربون.
تحدي رئيسي
في حين أن التخفيض المباشر لخام الحديد القائم على الهيدروجين واعد، يواجه الباحثون تحديًا رئيسيًا واحدًا: لجعل عملية صنع الفولاذ بأكملها صديقة للمناخ، يجب إنتاج الطاقة المستخدمة والهيدروجين بطرق مستدامة، لكن الأسواق تفتقر إلى ما يكفي من الهيدروجين الأخضر والوسائل الحالية لتخزين ونقل الهيدروجين تتطلب ضغوطًا عالية ودرجات حرارة منخفضة، وهي مكلفة من حيث الطاقة والاقتصاد.
واجه باحثو معهد ماكس بلانك (MPIE) هذا التحدي باستخدام الأمونيا كناقل للهيدروجين وكمختزل للحديد، قارنوا الحديد والصلب المنتج مع الاختزال المباشر القائم على الأمونيا مع الاختزال المباشر القائم على الهيدروجين، وحللوا خصائص العملية الجديدة والتكاليف ونشروا نتائجهم في مجلة Advanced Science.
الأمونيا كمختزل مباشر لها العديد من المزايا، هناك حاجة إلى كمية متزايدة من الهيدروجين في جميع أنحاء العالم، ولكن تخزين ونقل الهيدروجين أمر صعب: يجب تخزينه في درجات حرارة منخفضة جدًا أو ضغوط عالية بسبب كثافة الطاقة الحجمية المنخفضة.
تكلف هذه الشروط 30٪ من الطاقة الكيميائية المجسدة التي يسلمها الهيدروجين.
على النقيض من ذلك ، يتم تداول الأمونيا بالفعل في جميع أنحاء العالم مع لوجستيات راسخة ومن المعروف أنها حامل هيدروجين ممتاز مع تكاليف تسييل منخفضة.
يشرح الدكتور يان ما ، قائد المجموعة في MPIE والمؤلف الأول للنشر، “كان هدفنا دراسة ما إذا كان يمكن استخدام الأمونيا بشكل مباشر لتقليل خامات الحديد دون تكسيرها إلى هيدروجين ونيتروجين، ويمكن أن يؤدي تجنب عملية التكسير هذه إلى تقليل التكاليف الإجمالية بنسبة 18%، علاوة على ذلك، قمنا بتحليل كيفية تأثير الأمونيا كعامل اختزال على خصائص الحديد المختزل”.
أدخل العلماء الأمونيا في مفاعل على نطاق معمل حيث يتم تحويل خامات الحديد إلى ما يسمى بالحديد الإسفنجي، خلال هذه العملية، يقترن مقياس الجاذبية الحرارية مع مقياس الطيف الكتلي بقياس الوزن وتكوين الغاز الذي يوضح درجة الاختزال وبداية تحلل الأمونيا، “يتم إجراء الاختزال المباشر المستند إلى الأمونيا من خلال تفاعل التحفيز الذاتي.
تم مقارنة حركته بالاختزال المباشر القائم على الهيدروجين، كلاهما لهما خصائص متشابهة وينتجان نفس درجة المعدن، على عكس الاختزال المستند إلى الهيدروجين، تتشكل النيتريد أثناء التبريد في الأمونيا، والذي يمكن أن يحمي الحديد الإسفنجي من التآكل ويسهل التعامل معه”.
يمكن إذابة مرحلة النيتريد وإزالتها تمامًا أثناء عملية الصهر اللاحقة، وهو أمر ضروري للمعالجة النهائية، المنتج الآخر لتحلل الأمونيا، النيتروجين، يمكن أن يعمل كحامل حرارة في فرن العمود للحفاظ على درجة حرارة التفاعل وتعزيز الكفاءة لتقليل خامات الحديد.
التوقعات المستقبلية
يربط الاختزال المباشر القائم على الأمونيا بين اثنين من أكثر الصناعات كثافة في استخدام ثاني أكسيد الكربون، وهما إنتاج الصلب والأمونيا ، ويمهد الطريق لانتقال مستدام معًا، باستخدام الأمونيا، يتم التغلب على العيوب اللوجستية والحيوية للهيدروجين ويمكن استخدام تقنيات الأفران الموجودة بالفعل، أي أفران العمود والقوس الكهربائي، مع تعديل طفيف فقط.
في الخطوة التالية، سيختبر فريق Max Planck معلمات عملية مختلفة مثل درجة الحرارة أو خليط الغاز لتسريع عملية الاختزال القائمة على الأمونيا لتطبيق صناعي واسع.
