تعد صناعة الصلب من أكبر مصادر انبعاثات الكربون عالميًا، حيث تساهم بنسبة تتراوح بين 7% و11% من إجمالي الانبعاثات الكربونية العالمية. في ظل التغير المناخي العالمي المتسارع، وضعت الدول أهدافًا لتحقيق ذروة الكربون والحياد الكربوني، وتواجه الصين، التي تنتج نصف إنتاج العالم من الصلب الخام، ضغوطًا سياسية كبيرة لتحقيق أهداف "الحياد الكربوني".

تنبع انبعاثات الكربون في صناعة الصلب بشكل أساسي من العمليات الكيميائية واستهلاك الطاقة الهائل أثناء الإنتاج. تعتمد تقنية صناعة الصلب التقليدية ذات الدورة الطويلة السائدة على فحم الكوك كعامل مختزل في الأفران العالية لتحويل خام الحديد إلى حديد مصهور، مما ينتج عنه كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون. لا تقتصر مشاكل العملية التقليدية على كثافة انبعاثات الكربون العالية فحسب، بل تشمل أيضًا طول دورة الإنتاج، واستهلاك الطاقة الكبير، والاعتماد الشديد على خام الحديد عالي الجودة، مما يجعل من الصعب تحقيق تخفيض جذري في الكربون على المدى القصير من خلال التحسينات الجزئية. تشير دراسات وكالة الطاقة الدولية إلى أنه لتحقيق أهداف التحكم في درجة الحرارة المنصوص عليها في اتفاقية باريس، يجب خفض انبعاثات الكربون في صناعة الصلب بنسبة تزيد عن 90% بحلول عام 2050، مما يعني أن ثورة تكنولوجية شاملة أصبحت ضرورة حتمية.

في مسارات تقليل الكربون التقليدية، كان مسار الاختزال المباشر بالهيدروجين - فرن القوس الكهربائي القصير يُعتبر الحل الجذري. يستبدل هذا المسار فحم الكوك بالهيدروجين، حيث يكون ناتج الاختزال بخار الماء، مما يلغي انبعاثات الكربون من الناحية الكيميائية [2†L14-L17]. ومع ذلك، يواجه مسار الهيدروجين تحديات في التطبيق العملي: عدم اكتمال نظام توفير الهيدروجين الأخضر الاقتصادي والموثوق، مشاكل استهلاك الطاقة ونقل انبعاثات الكربون أثناء إنتاج الهيدروجين، التكاليف المرتفعة والعقبات التكنولوجية في تخزين ونقل الهيدروجين، والمتطلبات الصارمة لجودة المواد الخام في أفران الاختزال بالهيدروجين، كلها عوامل تحد من تطبيقه الصناعي على المدى القصير [14†L4-L10].

في مواجهة "معضلة الهيدروجين"، بدأ المجتمع العلمي في إعادة النظر في مسار تكنولوجي آخر وهو علم التعدين الكهروكيميائي. مقارنةً بإعداد الهيدروجين وعملية الاختزال التي تتمان في مرحلتين منفصلتين، تُظهر طريقة التحليل الكهربائي ميزة طبيعية في كفاءة استخدام الطاقة. لقد أثبتت تقنية التحليل الكهربائي للأكاسيد المنصهرة (MOE) التي طورتها شركة Boston Metal الأمريكية، ومشروع الاختزال الكهروكيميائي المباشر (DER) الذي تقوده شركة Fortescue الأسترالية، جدوى هذا المسار التكنولوجي [6†L42-L47]، لكن التحديات التكنولوجية مثل التآكل السريع للأنود وانخفاض كفاءة التحليل الكهربائي لا تزال تشكل عقبات كبيرة أمام التصنيع.

لقد وجدت الأبحاث التي أجراها فريق جامعة بكين للعلوم والتكنولوجيا وشركة Baowu الثغرة في هذا الجمود التكنولوجي. من خلال التصميم الدقيق لبنية الخبث، تم تحسين استقرار الأنود بشكل كبير في بيئة الملح المنصهر ذات درجات الحرارة العالية، مما رفع استدامة وكفاءة عملية التحليل الكهربائي بالكامل إلى مستوى جديد.

استكشاف "خيمياء بنية الخبث"

يكمن جوهر هذه التكنولوجيا في أن "الخبث" لم يعد مجرد منتج ثانوي للتفاعل، بل أصبح "منظمًا" يتحكم في التفاعل الكهروكيميائي بأكمله.

تصميم جديد لبنية الخبث

بدون تغيير المبادئ الفيزيائية والكيميائية الأساسية لصناعة الصلب، أجرى الباحثون تعديلاً دقيقًا على بنية نظام الخبث الرباعي CaO-SiO₂-Al₂O₃-FeOx، مما شكل طبقة "واجهة نشطة" على سطح الأنود ذات موصلية عالية لأيونات الأكسجين. من خلال التحكم في دور تعويض الشحنة لأيونات Fe³⁺/Fe²⁺ في الخبث، تم إعادة تشكيل شبكة أيونات الخبث، مما زاد بشكل كبير من سرعة نقل O²⁻ على واجهة الأنود. أظهرت نتائج محاكاة الديناميكا الجزيئية أن معامل انتشار أيونات الأكسجين في نظام الخبث المحسن زاد بمقدار 3.14 مرة، مما أدى إلى زيادة كبيرة في قوة دفع التحليل الكهربائي.

يحافظ نظام الخبث هذا على استقرار كيميائي ممتاز في درجات حرارة عالية تصل إلى 1600 درجة مئوية وبيئات شديدة التآكل، مما يثبط بشكل فعال الأكسدة السطحية والتقشر التآكلي للأنود الخامل، مما يطيل عمر الأنود إلى أكثر من 500 ساعة، وهو أعلى بكثير من المستويات التي تم الإبلاغ عنها في الأبحاث الدولية المماثلة سابقًا.

تفاعل إطلاق الأكسجين الانتقائي وإنتاج حديد مصهور عالي النقاء

في خلية التحليل الكهربائي فائقة الحرارة، تستخدم هذه التكنولوجيا خبث أكاسيد الحديد المحتوي على الحديد مباشرةً كإلكتروليت. عند تمرير تيار كهربائي مستمر، يتم اختزال أيونات الحديد عند الكاثود إلى حديد معدني، بينما تتأكسد أيونات الأكسجين عند الأنود إلى غاز الأكسجين. من خلال تعديل بنية خبث CaO-SiO₂-FeOx، استهدف فريق البحث بشكل انتقائي تفاعل إطلاق الأكسجين عند الأنود، وبالتالي تجنب إنتاج الغازات الضارة عند الأنود التي تحدث في عمليات التحليل الكهربائي للاملاح التقليدية. لا يستهلك التفاعل بأكمله أي عوامل اختزال قائمة على الكربون، والناتج الثانوي الوحيد للتفاعل هو الأكسجين، مما يحقق تحولًا "خاليًا من الكربون" من الخام إلى الحديد المصهور. مقارنةً بتقنية الاختزال المباشر بالهيدروجين، لا تتطلب هذه التكنولوجيا عملية تحويل طاقة ثنائية المرحلة ("كهرباء خضراء ← هيدروجين أخضر ← حديد مختزل")، مما يحسن كفاءة استخدام الطاقة بأكثر من 40% ويقلل بشكل كبير من تكاليف الطاقة الإجمالية من الناحية الديناميكية الحرارية. تتميز هذه التكنولوجيا بقدرة تكيف عالية مع المواد الخام، حيث يمكنها معالجة ليس فقط مركزات الحديد عالية الجودة ولكن أيضًا خامات الحديد المعقدة منخفضة الدرجة مباشرةً، دون الحاجة إلى عمليات تحضير معقدة مثل التركيز المسبق أو التكتيل [6†L30-L34].

يضمن التصميم الشامل لهذه التكنولوجيا نقاءً فائقًا يتجاوز 99.9% في منتج الحديد المصهور النهائي، مما يلغي تمامًا الحاجة إلى مرحلة إزالة الكربون العميقة في محولات الأوكسجين اللاحقة في العمليات التقليدية، مما يحقق إعادة هندسة وتقصير كبير في دورة إنتاج الصلب بأكملها من منظور التصميم الديناميكي الحراري الأعلى.

إعادة صياغة مسار صناعي كامل من "الكربون المنخفض" إلى "الكربون الصفري"

يمثل الإثبات الناجح لتقنية "الاختزال الكهروكيميائي المنصهر لخام الحديد" أن صناعة الصلب النظيفة ذات الدورة القصيرة والانبعاثات الصفرية قد امتلكت الأساس النظري والنواة التكنولوجية الأولية للتصنيع على نطاق واسع. هذه التكنولوجيا متوافقة بطبيعة الحال مع الثورة العالمية في الطاقة الخضراء؛ ومع الانخفاض المستمر في تكلفة توليد الكهرباء من مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، قد تصل نقطة التحول الاقتصادي لاستخدام الكهرباء الخضراء مباشرة في صناعة الصلب في وقت أبكر مما كان متوقعًا.

من منظور سلسلة القيمة الكاملة، لا تحل هذه التكنولوجيا مشكلة تكاليف الكربون والتكاليف البيئية المرتفعة التي تواجهها شركات الصلب فحسب، بل قد تؤدي أيضًا إلى ظهور نظام تجارة دولي جديد لـ "الصلب الأخضر" ومعايير اعتماد البصمة الكربونية.

إنجاز تاريخي لجامعة بكين للعلوم والتكنولوجيا في مجال صناعة الصلب الخالية من الكربون

يمثل هذا التعاون بين المختبر الرئيسي الوطني لعلم التعدين الأخضر ومنخفض الكربون للصلب في جامعة بكين للعلوم والتكنولوجيا، وجامعة يانشان، ومجموعة باوو للصلب، أن الصين تقف في طليعة العالم في مجال "الكهرباء الخضراء + علم التعدين الكهروكيميائي" كمسار رائد لصناعة الصلب الخالية من الكربون. لم تتغلب هذه الأبحاث فقط على مشكلة استقرار مواد الأنود الخاملة في بيئات الأملاح المنصهرة فائقة الحرارة، بل اقترحت أيضًا حلاً علميًا شاملاً لتحسين كفاءة التحليل الكهربائي ونقاء الحديد المصهور من خلال تصميم بنية الخبث، مما يمهد الطريق ليصبح حزمة العمليات الأساسية لمعامل الصلب الذكية والخضراء عالميًا في المستقبل. مع التطبيق الواسع النطاق للتكنولوجيا المتكاملة والمعدات الرئيسية، ستودع صناعة الصلب تاريخ "احتجاز الكربون العالي" إلى الأبد، لتقدم للعالم "حلاً صينياً" فعالاً ومؤثراً في مكافحة تغير المناخ العالمي.