شنبه 11 تير 1401  
 
Saturday, July 02, 2022  
 
السبت, ذو الحجة 03, 1443  
 

...

  • ارسال به دوستان
نام ارسال کننده :  
ایمیل ارسال کننده:
نام دریافت کننده :
ایمیل دریافت کننده :  
موضوع ایمیل :
کد تصویری :
 

یادداشت و مقالات
یادداشت و مقالات
کربن زدایی در صنعت آهن و فولاد از طریق احیاء مستقیم سنگ آهن با استفاده از گاز هیدروژن به عنوان ی ک جایگزین پاک
زهرا اسدی، مجتمع فولاد میانه توضیحات:
صنعت آهن و فوالد حدود 7 درصد از گازهای گلخانه ای جهان را تولید می کند. اعمال تغییرات در فن آوری های اولیه تولید فوالد برای دستیابی
به اهداف کاهش انتشار گازهای گلخانه ای کافی نخواهد بود لذا جایگزینی گازهیدروژن تولید شده از الکترولیز آب ، به عنوان یک عامل کاهنده
به طور قابل توجهی پتانسیل کاهش گازهای گلخانه ای را دارد. نتایج حاصل از محاسبات نر م افزاری پایتون با استفاده از مدل جریان جرم و
انرژی نشان می دهد استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت پاک امکان کاهش بیشتر از 35 %میزان کربن در فرایند تولید فوالد با استفاده از روش
احیاء مستقبیم سنگ آهن - کوره قوس الکتریکی )EAF_HDRI (وجود دارد. هیدروژن یک سوخت پاک است که به طور فزاینده ای در حمل
و نقل و کاربردهای تولید برق مورد استفاده قرار می گیرد. عالوه بر این، هیدروژن به عنوان وسیله ای برای کربنزدایی فرآیندها ی صنعتی که
برا ی کاهش انتشار گازهای گلخانه ای تالش کرده اند، از جمله تولی د شیمیایی، هیدروژن به عنوان منبع گرمایش، و تولید آهن و فوالد مورد بررس ی
قرار میگیرد. وزارت انرژ ی ایاالت متحده نقش هیدروژن در کربن زدایی صنعت آهن و فوالد را مورد توجه قرار داده است، و از طریق ارائه ها ی
ابتکاری ، کاربردهای هیدروژن را در ای ن بخش معرفی می کند. آهن و فوالد برا ی زندگی مدرن حیاتی هستند. استحکام و تطبیق پذیر ی آهن و
فوالد منجر به استفاده از آنها در بخش های بی شماری از جمله ساخت و ساز، حمل و نقل، انرژ ی و غیره شده است. با این حال، تولید این مواد
اثرات زیست محیطی قابل توجهی دارد. از سال 2017 ،صنعت آهن و فوالد هفت تا نه درصد از کل انتشار گازهای گلخانه ای جهانی را تولی د
می کند. انتشار کربن مستقیماً با کاهش سنگ آهن مرتبط است، فرآیند ی که آهن خام قابل استفاده را تولی د می کند تا به فوالد خام تبدیل
شود. فرآیندهای جدید تولی د در حال بررسی استفاده از گاز هیدروژن به جا ی کک هستند. هیدروژن با اکسید آهن به روشی مشابه مونوکسی د
کربن واکنش می دهد، اما به جا ی تول ید دی اکسید کربن، تنها محصول جانبی بخار آب است. هنگامی که هیدروژن مورد استفاده در این فرآیند
از منابع تجدید پذیر یا کربن زدایی به دست می آید، فرآیند ساخت فوالد می تواند کامالً بدون انتشار باشد و "فوالد سبز" ایجاد کند.
فرایند احیاء گندله اکسید آهن توسط گاز هیدروژن: احیاء مستقیم سنگ آهن در واقع تبدیل آهن جامد به آهن فلزی بدون تبدیل به
حالت مذاب می باشد. قسمت اصلی احیاء مستقیم سنگ آهن از طریق انجام واکنش احیاء بر روی اکسید آهن با استفاده از عوامل کاهنده
هیدروکربنی حاصل از ریفورمینگ گاز طبیعی و یا گاز حاصل از ذغال سنگ می باشد. مطالعات سنتیکی نشان می دهد که احیاء هماتیت در
چندین مرحله انجام می گیرد، در مرحله اول تبدیل به مگنتیت می شود و در دمای باالی 570 درجه سلسیوس وستیت تشکیل می گردد. در
دمای پایین تر از 570 درجه سلسیوس وستیت ناپایدار است و هماتیت به مگنتیت تبدیل می گردد. واکنش های کاهشی با استفاده از گازهای
هیدروکربنی به عنوان عامل کاهنده در معادله های زیر نشان داده شده است.
واکنش گرماده احیاء هماتیت توسط گاز مونو اکسید کربن CO 3 +Fe 2) g(3CO)+ S(Fe2O3
 Fe2O3(S)+ 3H2(g) 2 Fe +3 H2O : هیدروژن گاز توسط هماتیت احیاء گرماگیر واکنش
گاز طبیعی از طریق فرایند ریفورمینگ گاز طبیعی تبدیل به مخلوطی از گاز مونو اکسید کربن و هیدروژن می گردد که نوعی واکنش گرماگیر
می باشد. واکنش کاهش سنگ آهن با استفاده از گاز هیدروژن در معادله های زیر نشان داده شده است و نحوه پیشرفت واکنش احیاء و فرایند
های مختلف در گیر در آن در شکل 1 نشان داده شده است.
3Fe2O3(S)+ 3H2(g) 2 Fe3O4 + H2O (1) Fe3O4(S)+ H2(g) 3 FeO +H2O (2)
FeO (S)+ H2(g) Fe (S) + H2O (g) (3)
همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، با جذب گاز هیدروژن روی سطح اکسید آهن واکنش شیمیایی رخ می دهد. در دماهای باال،
سرعت واکنش شیمیایی باالتر از سرعت انتقال جرم واکنش دهنده ها و محصوالت می باشد این مشاهده بر اساس معادله آرنیوس می باشد. در
یک واکنش گاز- جامد در دماها ی باال، انتشار واکنش دهنده ها و محصوالت اغلب در مرحله محدود کننده سرعت اتفاق می افتد. 
و تخلخل گلوله ها یک عامل مهم درسرعت واکنش است، زیرا تخلخل باالتر موجب نفوذپذیر ی بیشتر مواد خام و انتشار بیشتر واکنش دهنده ها و محصوالت می شود. همچنین اندازه هندسه گندله ها و دما ی گاز ورودی تاثیر زیاد ی بر میزان واکنش دارند طوری که سرعت واکنش به طور معکوس با اندازه گلوله ها تغییر م ی کند. سرعت واکنش با سنگ معدن هماتیت از سنگ معدن مگنتیت سریعتر است به علت اینکه تخلخل محصوالت واکنش می انی تشکیل شده توسط هماتیت بیشتر است. افزودن زیست توده در گلوله ها ی سنگ آهن می تواند تخلخل سنگ آهن را افزایش و انرژ ی فعال ساز ی ظاهر ی مورد نیاز برا ی واکنش کاهش گندله ها را کاهش دهد. بخار آب تشکیل شده در طی احی ای اکسی د آهن نسبت به هیدروژن سرعت جذب و دفع کمتری دارد که در دماها ی پایین تر، این امر می تواند بر سرعت واکنش تأثیر بگذارد. مطالعات تجربی نشان داده است که در دمای بین 700-900 درجه سانتیگراد سرعت واکنش کاهش سنگ آهن با هیدروژن خالص بیشتر از گاز سنتز سنتی )مخلوط CO و H2 )می باشد. شکل 1 :مدل هسته انقباضی که تکامل مراحل واکنش کاهشی سنگ آهن با هیدروژن را به تصویر می کشد )سمت چپ( مراحل فرآ یندی احی ای گندله های سنگ آهن با استفاده از هیدروژن. موقعیت مراحل فرآیندی از اعداد 1 تا 5 ارایه شده است، که در مدل هسته ای نیز به تصویر کشیده شده است.)سمت راست( در سال 2017 ،هر تن فوالد تولید شده به طور متوسط 83.1 تن دی اکسید کربن تولید کرده است. در همان سال شاهد تولید جهانی اندکی بیش از 1864 میلیون تن فوالد بودیم. فرآیندهای تولید جدید در حال بررسی استفاده از گاز هیدروژن به جای کک هستند. هیدروژن با اکسید آهن به روشی مشابه مونوکسی د کربن واکنش می دهد، اما به جای تولی د دی اکسید کربن، تنها محصول جانبی بخار آب است. هنگامی که هیدروژن مورد استفاده در این فرآیند از منابع تجدید پذیر یا کربن زدایی شده به دست می آی د، فرآیند ساخت فوالد می تواند کامالً بدون انتشار باشد و "فوالد سبز" ایجاد کند. سه شرکت سوئد ی، تولیدکننده فوالد SSAB ،شرکت معدنی LKAB و شرکت انرژی Vattenfall در حال بررسی استفاده از هیدروژن در فرآیندها ی تولید فوالد هستند. این تالش مشترک با نام HYBRIT ،مخفف Breakthrough Hydrogen Technology Ironmaking شناخته می شود. برای اینکه این فرآیند کامالً عار ی از فسیل باشد، هیدروژن مورد استفاده از برق تجدیدپذیر تولید خواهد شد. HYBRIT تخمین می زند که استفاده از هیدروژن کربن زدایی شده به جای کک می تواند انتشار کل دی اکسید کربن سوئد را ده درصد و فنالند را تا هفت درصد کاهش دهد. یک کارخانه آزمایشی AB Development HYBRIT در تابستان 2018 در سایت SSAB در لولئو، سوئد، با کمک مالی 500 م یلیون کرون )88.51 میلیون دالر( از سوی آژانس انرژی سوئد، شروع به ساخت کرد. انتظار می رود مرحله آزمایشی تا سال 2024 ادامه داشته باشد و به دنبال آن یک مرحله نمایشی از سال 2025 تا 2035 انجام شود. شرکت چند ملیتی تولید فوالد ArcelorMittal با تجهیز یک کارخانه تولید برا ی استفاده از هیدروژن برا ی کاهش سنگ آهن، اقداماتی را برا ی کاهش انتشار کربن خود انجام می دهد. ArcelorMittal قصد دارد با دانشگاه فرایبرگ برا ی آزمای ش روش هیدروژن در کارخانه تولید فوالد هامبورگ شریک شود. ArcelorMittal مقیاس نمایشی حدود 110000 تن کاهش سنگ آهن مبتنی بر ه یدروژن را تخمین زده است. فناوری هیدروژن تنها بخشی از سرمایه گذار ی 250 میلیون یورویی این شرکت )تقریباً 278 میلیون دالر( برای جلوگیر ی از دی اکسی د کربن است. انتقال جرم محصوالت گازی از طریق الیه سطحی و بازگشت به جریان گاز )5) انتشار محصوالت حاصل از واکنش گازی و بازگشت به الیه سطحی )5،4،3،2،1) انتشار مواد جامد حاصل از واکنش مواد جامد، هسته زایی و رشد هسته)2،3،4) دفع محصوالت حاصل از واکنش کاهشی) 2،3،4) حذف اکسیژن از اکسید آهن با تشکیل مولکول آب و یونهای آهن ) 4،3،2،1) جذب گاز کاهنده )هیدروژن( به سطح داخلی اکسید آهن ) 2،3،4،5) نفوذ هیدروژن از ناحیه سطحی به داخل اکسید آهن )2،3،4) انتقال جرم هیدروژن گازی از طریق الیه سطحی به سطح داخلی اکسید آ
شرکت آلمانی Steel Thyssenkrupp نیز به دنبال کربن زدایی فرآیندهای تولید خود با هیدروژن است. در آوریل 2019 ،سازنده فوالد از NRW.IN4climate ،یک ابتکار دولتی برای حمایت از تحوالت مرتبط با آب و هوا در صنعت، برا ی استفاده از هیدروژن در فرآیند کاهش آهن، کمک مالی دریافت کرد. Steel Thyssenkrupp گاز هیدروژن را از Liquide Air عضو FCHEA تامین خواهد کرد. مانند بسیاری از شرکت ها، تیسنکروپ به عنوان تعهدی به توافقنامه اخی ر پاری س در حال کربن زدایی است. آرند کوفلر، مدیر تولید، بیان می کند که با استفاده از هیدروژن می توانند انتشار کربن خود را تا 20 درصد کاهش دهند. هدف بلندمدت این شرکت کاهش انتشار دی اکسید کربن حاصل از تولید تا سال 2050 حداقل 80 درصد است. شرکت فوالد آلمانی (SZFG (GmbH Flachstahl Salzgitter به زیمنس گاز اند پاور قرارداد ی برا ی ساخت یک کارخانه الکترولیز 2.2 مگاواتی برا ی تولید هیدروژن برا ی تولید فوالد اعطا کرد. انتظار می رود این نیروگاه با تولید 400 نیوتن متر مکعب )مترمکعب معمولی( هیدروژن، نیاز سالزگیتر را برآورده کند. در اتریش شرکت Technologies Primetals ، در حال سرمایه گذاری و برنامه ریزی یک کارخانه آزمایشی برای آزما یش در کارخانه فوالد voestalpin در Donawitz Stahl ،اتریش است. انتظار می رود این کارخانه در طراحی مدوالر و دارا ی ظرفیت نامی 250000 تن فوالد در سال به بهره بردار ی برسد. شکل 3 :مقایسه فرایند کوره بلند و تکنولوژی استفاده از گاز هیدرژن در فرایندهای تولید آهن(تصویر سمت راست( تصویر کامپیوتری از کارخانه احیای مستقیم سنگ آهن با سوخت هیدروژن. ) Primetals()تصویر سمت چپ( کارخانه احی ای مستقیم سنگ آهن با سوخت هیدروژن از سه قسمت تشکیل می شود: 1 -واحد پیش گرمایش-اکسایش،2 -کارخانه پاالیش گاز و3 -واحد احیای اصلی. در واحد پیش گرمایش- اکسایش، سنگ آهن به صورت کنسانتره تا دمای تقریبی ۹۰۰ درجه سانتی گراد حرارت داده می شود و بعد از انتقال به واحد احیا توسط گاز احیا )هیدروژن( که بیرون از مجموعه تهیه می شود مورد احیاء قرار می گیرد. غبار حاصل از فرایندها توسط غبارگیر کنترل و مصرف انرژی از طریق بازیافت گرمای تلف شده بهینه می گردد. آهن اسفنجی داغ خارج شده از واحد احیاء یا وارد کوره قوس الکتریکی می شود و یا برای تولید بریکت داغ استفاده می شود. هدف از طراحی و ایجاد پایلوت آزمایشگاهی تایید فرایند انقالبی استفاده از گاز هیدروژن به عنوان سوخت پاک می باشد. تا اطالعات پایه ای مورد نیاز برای ایجاد کارخانه هایی با مقیاس صنعتی در آینده را فراهم نماید. رشد هیدروژن در تولید فوالد، قابلیت حیات این فناوری را خارج از تولی د مستقیم انرژ ی نشان میدهد. ترکیب هیدروژن در فرآیندهای صنعتی برا ی کربن زدایی در مقیاس وسیع و کاهش انتشار جهانی ضرور ی است. همانطور که هیدروژن به آسانی در دسترس قرار می گیرد، فرصت ها برا ی سبز کردن صنایع نیز افزایش می یابد. با تشکر از: آقایان مهندس خادمی، مهندس عبدی ، مهندس رجبی و مهندس امین زاده.

 نویسنده  :  زهرا اسدی، مجتمع فولاد میانه  

 
امتیاز دهی
 
 

نظر شما
نام
پست الكترونيک
وب سایت
متنی که در تصویر می بینید عینا تایپ نمایید
نظر