معرفی فرآیند آهن‌سازی هیدروژنی HyREX

به گزارش می‌متالز، در خارج از کارخانه، هر ساله با تشدید بحران گرمایش جهانی، تقاضای بازار و مشتریان برای خرید محصولات با ردپای کم‌کربن در حال افزایش است، در حالی‌ که در داخل پلنت نیاز به توسعه فناوری‌های جدید و سرمایه‌گذاری‌های بزرگ در تأسیسات تولید برای کاهش ردپای کربن در فرآیند‌های آهن‌سازی و فولادسازی در حال افزایش است. فرآیند‌های فولادسازی که برای دهه‌ها مورد استفاده قرار گرفته‌اند باید در سطوح مختلف اعم از تجهیزات، فناوری و مواد به سیستم‌های کم‌کربن تبدیل شوند، بنابراین اغراق نیست اگر بگوییم «بقای» شرکت‌های فولادی در آینده به میزان حرکت و توسعه آن‌ها در زمینه کربن صفر خالص بستگی دارد.

در مجموعه POSCO حرکت «تبدیل تعالی به فرآیند تولید فولاد سازگار با محیط‌ زیست با کربن کم» آغاز شده و برای دست‌یابی به هدف «کربن صفر خالص ۲۰۵۰» توسعه مجموعه روش‌ها و پروژه‌های اجرایی با اهداف کربن صفر خالص در حال ترویج است. به‌ عنوان نمونه، پروژه‌های توسعه فرآیند‌های آهن‌سازی و احیای هیدروژنی، گسترش استفاده از منابع انرژی‌های تجدیدپذیر و توسعه سیستم‌های جمع‌آوری و ذخیره کربن یا CCS، برای یافتن راهی برای «بقا» در آینده در حال اجراست.

فولادسازی بر پایه احیای هیدروژنی یک فناوری نوآورانه است که آهن را به‌جای سوخت‌های فسیلی با استفاده از هیدروژن (H۲) تولید می‌کند. هنگامی که سوخت‌های فسیلی مانند زغال‌ سنگ و گاز طبیعی با سنگ‌ آهن واکنش شیمیایی می‌دهند، دی‌ اکسید کربن (CO۲) زیادی تولید می‌شود، در حالی‌ که واکنش فوق با هیدروژن فقط آب (H۲O) تولید می‌کند. بنابراین، تولید فولاد بر پایه احیای هیدروژنی می‌تواند به‌ طور چشمگیری انتشار کربن را در فرآیند فولادسازی کاهش دهد.

فرآیند HyREX (Hydrogen Reduction) یک روش فولادسازی است که در آن آهن احیاشده بر اساس احیای سنگ‌آهن ریزدانه با هیدروژن به آهن مذاب (hot metal) تبدیل می‌شود و در فرآیند فولادسازی مورد استفاده قرار می‌گیرد. مرحله احیای این فرآیند بر اساس فناوری احیا در راکتور‌های بستر سیال (Fluidized Bed Reduction Reactor) شبیه فرآیند FINEX است با این تفاوت که به‌ جای استفاده از زغال به‌ عنوان عامل احیاکننده از گاز هیدروژن حاصل از منابع پایدار استفاده می‌شود. محصول مرحله احیا همان آهن اسفنجی (DRI) است که می‌تواند بعداً در کوره قوس الکتریکی به آهن مذاب تبدیل شود. بدیهی است قلب این فرآیند کوره‌های بستر سیال احیا سنگ‌آهن ریزدانه با گاز هیدروژن است که برای اولین بار در دنیا در این شرکت توسعه پیدا کرده‌اند. در حقیقت، همین قسمت فرآیند است که آن را با دیگر فرآیند‌ها و تکنولوژی‌های احیای هیدروژنی آهن در جهان که عمدتاً بر پایه کوره‌های شفتی (shaft furnace) است متمایز می‌کند.

تفاوت‌های اساسی فرآیند HyREX با فرآیند‌های احیای هیدروژنی بر پایه کوره‌های شفتی در سه زمینه می‌تواند بیان شود:

۱- تفاوت در مواد اولیه: در فرآیند‌های کوره‌های شفتی سنگ‌ آهن کنسانتره‌شده باید در کارخانه مجزا به گندله تبدیل شود؛ در حالی‌ که در این فرآیند طبق ادعای POSCO سنگ‌ آهن ریزدانه می‌تواند مستقیماً استفاده شود.

۲- تفاوت در نحوه احیای مواد: در فرآیند‌های کوره‌های شفتی هیدروژن به‌عنوان یک گاز احیاکننده دما بالا باید از فضای خالی بین گندله‌ها از پایین کوره وارد و حین خروج از بالا گندله‌های اکسیدی را احیا کند. در این مرحله جهت حفظ راندمان فرآیند نیاز به الزاماتی در زمینه سایز و استحکام و نفوذپذیری گندله‌هاست. در مقابل در فرآیند HyREX ذرات سنگ‌ آهن ریزدانه در طی عبور از بستر سیال توسط هیدروژن به‌ عنوان یک گاز احیاکننده دما بالا احیا می‌شوند. ذرات آهن احیاشده با طی چند مرحله در راکتور‌های متوالی در نهایت تبدیل به آهن اسفنجی می‌شوند؛ بنابراین در این فرآیند نیاز به مرحله آماده‌سازی مواد اولیه نیست.

۳- تفاوت در تولید دی‌ اکسید کربن: به‌ طور معمول در فرآیند گندله‌سازی در حدود ۵۰ تا ۱۵۰ کیلوگرم CO۲ به ازای هر تن گندله تولید می‌شود. پس در فرآیند‌های کوره‌های شفتی، اگر بخواهیم به کربن صفر نزدیک شویم باید از برق تولیدی از منابع پایدار مانند باد و خورشید برای کارخانه گندله‌سازی استفاده کنیم. در‌ حالی‌ که در این فرآیند دغدغه‌ای برای تأمین انرژی پاک برای فرآیند گندله‌سازی وجود ندارد، چون نرمه سنگ‌ آهن مستقیماً به‌عنوان ماده اولیه استفاده می‌شود.

با در نظر گرفتن محدودیت‌های کیفیتی در منابع سنگ‌ آهن معادن مختلف در آینده و همچنین ظرفیت محدود پلنت‌های گندله‌سازی می‌توان چالش دسترسی به گندله ارزان‌قیمت در حال حاضر و آینده را احساس کرد. قیمت ارزان‌تر نرمه سنگ‌ آهن در مقایسه با گندله تولیدی، در کنار انعطاف بیشتر نرمه مورد استفاده در فرآیند HyREX در مقایسه با الزام هماتیت و مگنتیت برای گندله‌سازی عواملی است که در آینده این فرآیند را از نظر اقتصادی بسیار مقرون‌به‌صرفه‌تر خواهد کرد.

شرکت POSCO در نظر دارد یک پلنت صنعتی بر اساس فرآیند HyREX با ظرفیت ۱ میلیون تن در سال را در مجتمع Pohang تا سال ۲۰۲۸ راه‌اندازی کند. البته شرکای دیگری در این پروژه وجود دارند که شامل دیگر فولادساز‌های کره‌ای و نیز دولت کره می‌شوند. همچنین برای ذوب‌آهن تولیدی به این روش در مرحله فولادسازی نوعی کوره قوس الکتریکی با خصوصیات جدید طراحی شده و درحال‌توسعه و ساخت است. سال‌ها تجربه شرکت POSCO در زمینه تحقیق، طراحی، و توسعه فرآیند FINEX باعث سرعت بیشتر توسعه این فرآیند شده است.

منبع: فولاد مبارکه