تکنولوژی‌های احیا مستقیم

‌می‌متالز - حسین عزیزطائمه؛ مدیر مهندسی شرکت MME، اگر بخواهیم این دو شاخه را مورد بررسی قرار دهیم، باید گفت که شاخه اول یعنی کوره بلند (BOF-BF) در ایران آن چنان مرسوم نیست و تنها ذوب آهن و چند پلنت دیگر از این روش استفاده می‌کنند و اکثر فولاد ایران از طریق روش احیا مستقیم و کوره قوس الکتریکی تولید می‌شود؛ البته پلنت‌های بالادستی آن هم گندله سازی، کنسانتره‌سازی و معدن است و پایین‌دست آن هم پلنت‌های ریخته‌گری و نورد و ... قرار دارند.

حال اگر بخواهیم کمی جزئی‌تر شویم، در خود احیا مستقیم‌ها هم دو شاخه داریم، زغالی‌ها (COAL BASES) و گازی‌ها (GAS BASES)؛ شاخه ی، زغالی‌ها هم در ایران آن چنان مرسوم نیستند و سه روش عمده دارند؛ کوره‌های تونلی، کوره‌های چرخان یا آراچ‌اف (RHF) و روش دیگر نیز کوره‌هایی شبیه کوره‌های سیمان اس‌ال/‌آراِن (SL/RN)؛ این سه روش زغالی احیا مستقیم در ایران بسیار کم مورد استفاده قرار گرفته اند؛ بیشتر احیا مستقیم‌های زغالی در چین و هند فعالیت می‌کنند؛ اگر از بخش زغالی احیا مستقیم هم گذر کنیم، به احیا مستقیم‌های گازی می‌رسیم که عملا در ایران این نوع را استفاده می‌کنیم.

حال اگر بخواهیم احیا مستقیم‌های گازی را بررسی کنیم، باید بگوییم که گس بیس‌ها دو زیرشاخه دارند؛ یک آن‌هایی که از گاز سنتز استفاده می‌کنند یعنی گاز احیا را از روش‌های مختلفی تولید می‌کنند. آن گاز عملا می‌تواند از گاز حاصل از باتری‌های تولید کک و یا گسیفیکیشن‌های زغال تولید شود و به عنوان خوراک وارد احیا مستقیم شود. گروه دیگری از پلنت‌های احیا مستقیم گازی از گاز طبیعی به عنوان منبع تولید گاز احیا کننده در ریفورمر استفاده می‌کنند.

در این پلنت‌ها گاز طبیعی دو استفاده اصلی دارد؛ عمده مصرف آن به عنوان پروسس‌گس (PROCESS GAS) است؛ یعنی گازی که خوراک واکنش‌های ریفورمینگ است و مصرف دیگر آن مصرف گرمایشی است که ریفورمر را گرم و به دمای مناسب می‌رساند تا واکنش‌های ریفورمینگ انجام شوند.

برای انجام واکنش‌های ریفورمینگ در درون لوله‌های پر شده از کاتالیستِ ریفورمر دو واکنش اصلی داریم.

CH ۴+H ۲ O=>CO+۳H ۲
CH ۴+CO ۲=>۲ CO+۲ H ۲

واکنش اول ریفورمینگ با بخار آب (H۲O) و دومی با دی‌اکسید کربن (CO۲) است.

تکنولوژی‌های مختلفی برای احیا مستقیم گازی وجود دارند؛ اما سه تکنولوژی عمده داریم؛ البته تکنولوژی‌های دیگری نیز بوده‌اند که به دلیل مسائل مختلف کنار رفته و خیلی مورد استفاده قرار نگرفته‌اند. اولین تکنولوژی (HYL) است که اچ‌وای‌ال، اولین تکنولوژی گس بیس محسوب شده و به عنوان مبدع این نوع تکنولوژی مطرح بوده است. البته اولین پلنت اچ‌وای‌ال سال ۱۹۵۷ شروع به کار کرد و در سال ۲۰۰۶ پس از واگذاری به اِنرج آیرون تغییر نام داد.

دومین تکنولوژی میدرکس است که اولین پلنت صنعتی آن در سال ۱۹۶۶ راه افتاد و سومین تکنولوژی نیز پرد است که سال ۲۰۰۶ برای نخستین بار ثبت اختراع شد. پرد یک تکنولوژی ایرانی است که در آلمان ثبت و در بسیاری از کشور‌های دیگر هم ثبت جهانی شد و اکنون پنج کارخانه با این تکنولوژی در حال کار هستند.

در آخرین آماری که از کلیات احیا مستقیم در دست است، می‌توان به آمار سایت میدرکس اشاره کرد؛ سایت میدرکس اطلاعاتی را به صورت آماری ارایه می‌دهد؛ آخرین آمار ارائه‌شده توسط این سایت برای سال ۲۰۱۹ بود؛ کل تولید جهانی آهن اسفنجی با شفت فِرنیس‌ها ۸۲ میلیون تن در سال است؛ ۲۶ میلیون تن آهن اسفنجی به روش زغالی و ۸۲ میلیون تن آهن اسفنجی به روش گازی با شفت فِرنیس داریم. جمعا در حدود ۱۰۸ میلیون تن تولید سالانه آهن اسفنجی زغالی و گازی داریم؛ اگر به طور کلی نگاه کنیم، هند تولید کننده اول در جهان است که ۳۳.۷میلیون تن تولید داشته؛ ایران با ۲۸.۵ میلیون تن در مقام دوم، روسیه سوم، مکزیک چهارم و عربستان سعودی پنجم است؛ از کل آهن اسفنجی تولید شده در روش‌های گازی مقدار ۱۱.۳میلیون تن HDRI و ۹.۷ میلیون تن HBI می‌باشد. باید توجه داشت که ایران در تولید آهن اسفنجی گازی مقام اول را داراست.

این موضوع از این نظر مهم است که به دلیل صرفه‌جویی زیاد انرژی در پلنت‌های هات (داغ)، صرفه‌جویی انرژی زیادی خواهیم داشت. پلنت‌های احیا مستقیم دارای چند محصول مختلف است که یکی از متداول‌ترین و قدیمی‌ترین آن‌ها CDRI است که بیشترین تولید ایران نیز از این نوع است. این محصول سرد است و ۴۰ تا ۴۵درجه دما دارد؛ یعنی آهن اسفنجی که در دمای حدود ۸۰۰ درجه سانتیگراد در شفت فرنیس تولید می‌شود، موقع خروج دمایش به ۴۰ تا ۴۵درجه کاهش می‌یابد و از کوره خارج می‌شود.

محصول دوم هات‌دی‌آرآی است که با دمای خروجی ۶۵۰درجه سانتی‌گراد از کوره خارج می‌شود و به چند روش به کوره قوس الکتریکی شارژ می‌شود؛ یکی از این روش‌ها هات ترنسفر با نوار نقاله است؛ نوار نقاله خاصی که در دمای ۶۵۰درجه به مشکل برخورد نمی‌کند و تحت اتمسفر اینرت (نیتروژن) حمل می‌شود؛ زیرا آهن اسفنجی داغ شدیدا آتش زاست و اگر در اتمسفر اینرت نباشد به مشکل آتش سوزی برمی‌خورد؛ به این دلیل با این نوار حمل و به بافر بین‌های بالای کوره قوس الکتریکی شارژ و از آنجا به کوره قوس الکتریکی تخلیه می‌شود؛ مزیت این روش این است که به جای دمای ۴۰درجه با دمای ۶۵۰درجه سانتیگراد وارد کوره قوس می‌شود؛ همین‌جا مشخص است با بازدهی بالای انرژی مواجه هستیم؛ علاوه بر اینکه زمان تخلیه تا تخلیه کوره قوس کاهش می‌یابد و زمان گرمایش در کوره قوس الکتریکی کاهش خواهد یافت. پلنت احیا مستقیم چادرملو در ایران از این روش استفاده می‌کند.

روش دیگر این است که توسط کامیون و یا ریل مخازن حاوی آهن اسفنجی داغ را حمل کنیم، در حمل با نوار، محدودیت فاصله ماکسیمم ۲۰۰متر را شاهد هستیم؛ زیرا این نوع نوار نقاله به هر حال محدودیت‌های انحنا و سایر محدودیت‌های خاص خود را دارد؛ و با مخازن می‌توان تا فاصله‌های بیشتر این انتقال را انجام داد؛ اما مخازن نیز نیازمند اتمسفر نیتروژن هستند و محدودیت‌های خاص خود را دارند.

سومین روش دایرکت شارژینگ است؛ کوره قوس الکتریکی مستقیم زیر کوره احیا قرار می‌گیرد و آهن اسفنجی مستقیم به کوره قوس شارژ می‌شود که البته روش‌هایی که لینک مستقیم بین پلنت احیا مستقیم و کوره قوس برقرار می‌کنند با مشکلاتی نیز مواجه اند که البته راه حل‌هایی نیز دارد؛ زیرا هرچه دو کارخانه را بیشتر به هم وابسته کنید، مشکلات مربوطه هم بیشتر می‌شود. زیرا اگر کارخانه دوم به مشکل بر بخورد، کارخانه اول هم به مشکل برمی‌خورد؛ بنابراین به همین علت، ترکیبی از محصولات را استفاده می‌کنند. یعنی با وجود اینکه پلنت می‌تواند اچ‌دی آرآی را با نوار نقاله به کوره قوس حمل کند همچنان می‌تواند محصول سرد هم تولید کند. یعنی شما یک انتخاب دارید که می‌توانید با اچ دی آرآی شارژ کنید و آهن اسفنجی را با دمای حدود ۶۵۰درجه به کوره قوس انتقال دهید و به هر دلیل که کوره قوس به مشکل برخورد محصول آهن اسفنجی داغ را به سمت بخش کولینگ می‌برید و در ناحیه کولینگ که یک مخزن خارج از کوره است، سرد می‌کنید که البته این ناحیه کولینگ خارج از کوره با تجهیزات دیگری نیز همراه است. در این حالت آهن اسفنجی داغ در خارج از کوره اصلی خنک و محصول به ۴۵درجه می‌رسد و هنگامی که مشکل فولادسازی یا سایر مسائل حل شود انتقال آهن اسفنجی داغ به کوره قوس از سر گرفته می‌شود.

البته محصول HBI را نیز نباید فراموش کرد که در صورتیکه مایل به انتقال با کشتی و یا مسافت‌های بسیار طولانی باشید، گزینه بسیار مناسبی خواهد بود.

جدیدا مباحثی مطرح شده است که متاسفانه ما در ایران در این تکنولوژی عقب‌تر از بقیه کشور‌ها هستیم. بحث احیا با هیدروژن؛ به دلایل محیط زیستی که در جهان مورد بحث قرار گرفته و تواقفنامه پاریس ۲۰۵۰ هم در همین باره امضا شده، انتشار دی اکسید کربن باید تا سال۲۰۵۰ به شدت کاهش یافته و خنثی شود. یکی از گاز‌های سنتز که در بالا اشاره کردیم می‌تواند هیدروژن باشد؛ این تکنولوژی، تکنولوژی پاک است؛ اهمیت این موضوع آن قدر زیاد است که قرارداد‌های مختلفی برای ساخت احیا مستقیم با هیدروژن در اروپا در حال عقد و انجام پروژه هستند.

سوال این است که هیدروژن چگونه تولید می‌شود. در حال حاضر در جهان، غالبا برای تهیه هیدروژن از استیم ریفورمینگ استفاده می‌کنند؛ در استیم ریفورمینگ، هیدروژن تولید می‌شود، اما خود تولید هیدروژن از هیدروکربن‌ها پاک نیست و خود این موضوع با مشکلات انتشار CO۲ مواجه است؛ هیدروژن و به تبع آن فولاد تولید شده می‌تواند یا گِرِی یا خاکستری باشد که یعنی هیدروژن آن از روش استیم ریفورمینگ هیدروکربن‌ها تولید شده باشد و یا تولید فولاد از روش بلو (آبی) باشد. فولاد بلو یعنی در طی فرآیند، دی اکسید کربن تولید می‌گردد، اما این دی اکسید کربن گرفته شده و ذخیره می‌شود و به صنایع دیگر جهت استفاده داده می‌شود؛ فولاد گرین (سبز) آن است که شما فولادسازی به روشی دارید که همه چیز بدون تولید و انتشار دی اکسید کربن باشد و از ابتدا انرژی که تولید کرده اید از خورشید، باد و سایر انرژی‌های تجدید پذیر گرفته شده است؛ و از طریق این انرژی پاک، هیدروژن نیز به روش الکترولیز آب و کاملا پاک تولید می‌شود.

در حال حاضر حرکت اروپا به سمت تکنولوژی سبز است. در تمام شفت فِرنیس‌ها واکنش یکسانی انجام می‌شود و همیشه هماتیت به آهن فلزی تبدیل می‌شود؛ هماتیت همان Fe۲O۳ است که در واکنش با احیا کننده‌ها به آهن فلزی تبدیل می‌شود. دو واکنش زیر برای احیای اکسید آهن به آهن فلزی مورد نظر قرار می‌گیرند:

Fe۲O۳ + ۳H۲ => ۲F۲ + ۳H۲O
Fe۲O۳ + ۳CO => ۲F۲ + ۳CO۲

تفاوت‌های این تکنولوژی‌ها

در تمام کوره‌های شفت فرنیس گازی همین واکنش‌ها انجام می‌شود. در این سه تکنولوژی واکنش‌ها یکسان هستند. پس چه چیزی متفاوت است؟ درست است که واکنش‌های اصلی یکسان است، ولی هر یک از این تکنولوژی‌ها، اختلاف‌هایی با بقیه دارند. اچ‌وای‌ال به عنوان مبنا و اولین تکنولوژی است. میدرکس پس از آن با تغییراتی تکنولوژی خود را ایجاد کرد و پرد نیز بعدا با اعمال اصلاحات و تغییراتی به ثبت جهانی تکنولوژی پِرد دست یافت. بزرگترین اختلاف اچ‌وای‌ال با بقیه این است که فشار در تکنولوژی اچ‌وای‌ال بسیار بالاتر است و در فشار زیر ۸بار کار می‌کند، اما میدرکس در فشار حدود اتمسفریک کار می‌کند و تکنولوژی پرد فشارش کمی بالاتر از میدرکس است.

تفاوت عمده دیگری که در این تکنولوژی‌ها داریم این است که اچ‌وای‌ال، در سیلینگ (آب بندی) ورودی و خروجی کوره، از روش مکانیکال استفاده می‌کند. در حالی که دو تکنولوژی دیگر از آب‌بندی دینامیک استفاده می‌کنند. یعنی در تکنولوژی اچ‌وای‌ال انتقال خوراک ورودی به کوره مکانیکی است، زیرا کوره تحت فشار است و ورود و خروج باید با مخازن ایزوله انجام شود. اما در تکنولوژی میدرکس و پرد دینامیک سیلینگ داریم؛ یعنی شارژینگ و تخلیه کوره همزمان و پیوسته اتفاق می‌افتد و از طریق به کار بردن سیل گس گاز بیرون نمی‌زند و سیل گس به بخش بالا و پایین کوره تزریق می‌شود (شبیه پرده هوا). تفاوت دیگر در سیستم ریفورمینگ است که در تکنولوژی اچ وای ال غالبا از استیم ریفورمینگ استفاده می‌شود، ولی در دو تکنولوژی دیگر ریفورمر تعادلی به کار گرفته می‌شود که البته استفاده از نوع‌های دیگر ریفورمر در سایر تکنولوژی‌ها نیز عملی است. سیستم حذف دی اکسید کربن و وجود هیتر و ... نیز از تفاوت‌هایی است که به دلیل نوع ریفورمینگ و عدم برگشت گاز ضروری شده است. البته به دلیل همین سیستم حذف دی اکسید کربن این تکنولوژی به فولاد بلو (آبی) نزدیکتر است.

در تکنولوژی پرد استیم (بخار) هم در گاز ورودی ریفورومر تزریق می‌شود؛ باید توجه داشت که پتنت اصلی این تکنولوژی‌ها عمدتا بر روی خود کوره است نه سایر بخش‌های کارخانه.

مبحث تفاوت‌های مصارف (آب-برق-گاز) و هزینه‌های سرمایه گذاری و نیز جزئیات تفاوت‌های تکنولوژیکی، مباحثی است که در نوشته‌های بعدی باید به آن پرداخته شود.