كيف يمكن معالجة مشكلات استهلاك الطاقة وانبعاثات الكربون في عملية إنتاج أقطاب الجرافيت؟

يمكن تحسين مشكلات استهلاك الطاقة وانبعاثات الكربون في إنتاج أقطاب الجرافيت بشكل منهجي من خلال الحلول متعددة الأبعاد التالية:

أولاً: جانب المواد الخام: تحسين التركيبة وتقنيات الاستبدال

1. استبدال فحم الكوك بالإبر وتحسين النسبة
تتطلب أقطاب الجرافيت فائقة القدرة فحم الكوك الإبري (ذو التبلور العالي ومعامل التمدد الحراري المنخفض)، إلا أن إنتاجه يستهلك طاقة أكبر من فحم الكوك البترولي. ويمكن تقليل استهلاك الطاقة للمواد الخام مع الحفاظ على الأداء من خلال تعديل نسبة فحم الكوك الإبري إلى فحم الكوك البترولي (على سبيل المثال، 1.1-1.2 طن من فحم الكوك الإبري لكل طن من منتجات الأقطاب فائقة القدرة). فعلى سبيل المثال، نجحت الأقطاب فائقة القدرة ذات القطر الكبير (600 مم) التي طُوّرت في تشنغتشو في خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الناتجة عن صناعة الصلب في أفران القوس الكهربائي ذات العمليات المختصرة بأكثر من 70% من خلال تحسين نسب المواد الخام.

2. تحسين كفاءة المادة الرابطة
قطران الفحم، المستخدم كمادة رابطة ويشكل ما بين 25% و35% من المواد الخام، لا يترك سوى ما بين 60% و70% من البقايا بعد الخبز. ويمكن تحسين كفاءة الربط وتقليل استهلاك المادة الرابطة وخفض الانبعاثات المتطايرة أثناء الخبز باستخدام قطران معدل أو إضافة مواد نانوية مالئة.

ثانيًا: جانب العمليات: ابتكارات توفير الطاقة وخفض الاستهلاك

1. تحسين استهلاك الطاقة في عملية التغرافيت

• فرن التغرافيت الداخلي المتسلسل: بالمقارنة مع أفران أتشيسون التقليدية، فإن هذا يقلل من استهلاك الكهرباء بنسبة 20٪ - 30٪ عن طريق تسخين الأقطاب الكهربائية على التوالي مع مواد المقاومة، مما يقلل من فقدان الحرارة.
• تقنية التغرافيت في درجات الحرارة المنخفضة: تطوير محفزات جديدة أو تحسين عمليات المعالجة الحرارية لخفض درجات حرارة التغرافيت من 2800 درجة مئوية إلى أقل من 2600 درجة مئوية، مما يقلل من استهلاك الطاقة لكل طن بمقدار 500-800 كيلوواط ساعة.
• أنظمة استعادة الحرارة المهدرة: إن استخدام الحرارة المهدرة من فرن التغرافيت لتسخين المواد الخام مسبقًا أو توليد الطاقة يحسن الكفاءة الحرارية بنسبة 10٪ - 15٪.

2. استبدال وقود الخبز
يؤدي استبدال النفط الثقيل أو غاز الفحم بالغاز الطبيعي إلى زيادة كفاءة الاحتراق بنسبة 20% وتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بنسبة تتراوح بين 15% و20%. كما تعمل أفران الخبز عالية الكفاءة المزودة بتقنية التسخين الطبقي على تقصير دورات الخبز، مما يقلل من استهلاك الوقود بنسبة تتراوح بين 10% و15%.

3. التشريب وإعادة تدوير الحشو
يمكن لعوامل تشريب القطران المعدلة (0.5-0.8 طن لكل طن من الأقطاب الكهربائية) أن تقلل من دورات التشريب باستخدام تقنية التشريب الفراغي. تصل معدلات إعادة تدوير حشوات فحم الكوك المعدني أو رمل الكوارتز إلى 90%، مما يقلل من استهلاك المواد المساعدة.

ثالثًا: جانب المعدات: ترقيات ذكية وواسعة النطاق

1. أفران واسعة النطاق وأنظمة تحكم آلية
تُقلل أفران القوس الكهربائي الكبيرة فائقة القدرة (UHP) والمجهزة بأنظمة التحكم في المعاوقة والمراقبة داخل الفرن من معدلات كسر الأقطاب الكهربائية إلى أقل من 2%، وتُخفض استهلاك الطاقة لكل طن بنسبة 10% إلى 15%. وتقوم أنظمة توصيل الطاقة الذكية بضبط جهد القوس الكهربائي وذروة التيار ديناميكيًا بناءً على أنواع الفولاذ وعمليات التصنيع، مما يمنع فقدان الطاقة الناتج عن الأكسدة التفاعلية.

2. إنشاء خط إنتاج مستمر
يساهم الإنتاج المتواصل من البداية إلى النهاية، بدءًا من سحق المواد الخام وصولًا إلى عمليات التشغيل الآلي، في تقليل استهلاك الطاقة الوسيطة. فعلى سبيل المثال، يؤدي التسخين بالبخار أو الكهرباء في عملية الخلط إلى خفض استهلاك الطاقة لكل طن من 80 كيلوواط ساعة إلى 50 كيلوواط ساعة.

رابعاً: هيكل الطاقة: الطاقة الخضراء وإدارة الكربون

1. تبني الطاقة المتجددة
إن بناء محطات الطاقة في المناطق الغنية بموارد الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح، واستخدام الكهرباء النظيفة في عملية تحويل الجرافيت إلى غرافيت (والتي تمثل 80% إلى 90% من إجمالي إنتاج الكهرباء)، من شأنه أن يقلل انبعاثات الكربون لكل طن من 4.48 طن إلى أقل من 1.5 طن. كما تعمل أنظمة تخزين الطاقة على موازنة تقلبات الشبكة، مما يحسن من استخدام الطاقة النظيفة.

2. احتجاز الكربون واستخدامه وتخزينه (CCUS)
إن التقاط ثاني أكسيد الكربون المنبعث أثناء الخبز والتحويل إلى جرافيت لإنتاج كربونات الليثيوم أو الوقود الاصطناعي يتيح إعادة تدوير الكربون.

خامساً: السياسات والتعاون الصناعي

1. التحكم في الطاقة الإنتاجية وتوحيد الصناعة
يساهم الحدّ الصارم من القدرات الإنتاجية الجديدة عالية الاستهلاك للطاقة، وتعزيز تركيز الصناعة (مثل حصة شركة فانغدا كاربون السوقية البالغة 17.18%)، في الاستفادة من وفورات الحجم لخفض استهلاك الطاقة للوحدة. كما أن تشجيع التكامل الرأسي، مثل اعتماد شركة فانغدا كاربون على توريد 67.8% من فحم الكوك المكلس وفحم الكوك الإبري ذاتيًا، يقلل من استهلاك الطاقة في نقل المواد الخام.

2. تجارة الكربون والتمويل الأخضر
يُحفّز إدراج تكاليف الكربون في تسعير المنتجات على خفض الانبعاثات. فعلى سبيل المثال، بعد أن بدأت اليابان تحقيقات مكافحة الإغراق بشأن أقطاب الجرافيت الصينية، قامت الشركات المحلية بتحديث تقنياتها لخفض أعباء ضريبة الكربون. كما يدعم إصدار السندات الخضراء عمليات التحديث الموفرة للطاقة، مثل قيام إحدى الشركات بخفض نسبة ديونها إلى أصولها من خلال مبادلة الديون بالأسهم، وتمويل البحث والتطوير لأفران الجرافيت منخفضة الحرارة.

سادساً: دراسة حالة: تأثيرات خفض الانبعاثات لأقطاب تشنغتشو بطول 600 مم

المسار التقني: تحسين نسبة فحم الكوك الإبري + فرن التغرافيت المتسلسل الداخلي + استعادة الحرارة المهدرة.
مقارنة البيانات:

• استهلاك الكهرباء: انخفض من 5500 كيلوواط ساعة/طن إلى 4200 كيلوواط ساعة/طن (↓23.6%).
• انبعاثات الكربون: انخفضت من 4.48 طن/طن إلى 1.2 طن/طن (↓73.2%).
• التكاليف: انخفضت تكاليف الطاقة للوحدة بنسبة 18%، مما عزز القدرة التنافسية في السوق.

خاتمة

من خلال تحسين استخدام المواد الخام، وتطوير العمليات، وتحديث المعدات، والتحول في مجال الطاقة، وتنسيق السياسات، يمكن لإنتاج أقطاب الجرافيت أن يحقق انخفاضًا في استهلاك الطاقة بنسبة تتراوح بين 20% و30%، وانخفاضًا في انبعاثات الكربون بنسبة تتراوح بين 50% و70%. ومع تحقيق إنجازات في مجال التغرافيت في درجات حرارة منخفضة، واعتماد الطاقة النظيفة، فإن هذه الصناعة مهيأة للوصول إلى ذروة انبعاثات الكربون بحلول عام 2030، وتحقيق الحياد الكربوني بحلول عام 2060.