زهرا اسدی ,
کارشناس بهره برداری و نت سیالات و فرایند آب مجتمع فولاد میانه

خلاصه : در حال حاضر اکثر فولاد جهان از دو روش اصلی تولید می شود : روش کوره بلند اکسیژن پایه (BF – BOF) یا روش احیاء مستقیم سنگ آهن – کوره قوس الکتریکی (DRI – EAF) تفاوت اصلی  این دو روش تهیه فولاد در نوع مواد اولیه آنها می باشد.  در روش کوره بلند از سنگ آهن، ضایعات فلزی، کک و پودر زغال سنگ شده به عنوان مواد اولیه  برای تبدیل به  فلز داغ درکوره اکسیژن پایه  BOF استفاده می شود. روش کوره بلند اکسیژن پایه (BF – BOF) اگرچه هنوز رایج است  اما  در طول سال ها تولید فلزات داغ  از طریق کوره بلند به دلیل کاهش کیفیت کک متالوژی، عرضه کم ضایعات فلزی و مشکلات زیست محیطی مرتبط با این فرآیند کاهش یافته است. این محدودیت ها و عوامل باعث می شود فرایندهای تولید آهن از طریق کاهش مستقیم ((DR تقویت و به عنوان جایگزین های بهتری برای آهن سازی در آینده مطرح شوند. در این مقاله با بیان تفاوت های  فرایندهای مختلف   DRکه برای تولید احیاء مستقیم سنگ آهن مورد استفاده  قرار می گیرد، الزامات کیفیت ماده اولیه سنگ معدن آهن دار برای استفاده در این فرآیندها و پایداری زیست محیطی این فرایندها مورد بررسی قرار می گیرد. توسعه پايدار، ايجاد تعادل میان توسعه و محیطزيست است و در راس آن سه اصل مهم محیط زيست، اجتماع  و اقتصاد تشکیل شده است. اين  سه پارامترها با يکديگر مرتبط بوده و عدم تعادل در هر يک، موجب بر هم خوردن تعادل در ساير بخشها خواهد شد.  فرایندهای کاهش مستقیم (DR) گندله آهن خام را در حالت جامد خود  با استفاده از عوامل کاهنده گاز طبیعی و ذغال سنگ کاهش می دهد و  دارای مزایای نسبی هزینه سرمایه گذاری پایین، انتشار گازهای آلوده کننده کمتر و انعطاف پذیری بیشتر در تولید محصول نسبت به فرایند کوره بلند اکسیژن پایه می باشد.

مقدمه:

اولین قدم در فولادسازی فرایند تولید آهن می باشد. صنعت آهن و فولاد از لحاظ  مصرف انرژی و سرمایه پرمصرف ترین  بخش تولید در صنعت جهانی می باشد. فرایند تولید آهن به فرمهای مختلف ماده ی  اولیه ای که آهن از آن تولید می شود وابسته است. در گذشته منبع اولیه اصلی تولید آهن، فلز داغ حاصل از فرایند کوره بلند و فولاد بازیافتی از آهن قراضه بود. آهن سازی به روش کوره بلند به کارخانه های مجزاء کک سازی و زینترینگ  نیازمند می باشد که این امر انعطاف پذیری عملیاتی  را کاهش می دهد[1]. ذغال سنگ کک به عنوان ذغال سنگ با کیفیت برتر در نظر گرفته می شود که تهیه آن هزینه نسبتا بالایی دارد و از بابت ذخایر اولیه موجود نیز محدودیت هایی وجود دارد [2]. استفاده از ذغال سنگ در احیاء  سنگ آهن باعث افزایش آلودگی و انتشار گازهای گلخانه ای به ویژه دی اکسیدکربن می گردد. از طرفی تهیه آهن قراضه به عنوان ماده اولیه  به علت استفاده از آن در هم در روش کوره بلند-اکسیژن پایه وهم روش احیاء مستقیم آهن – کوره قوس الکتریکی نیز با محدودیت همراه می باشد[3]. در شکل 1  مواد اولیه و مراحل انجام  روشهای احیاء مستقیم- روش کوره قوس الکتریکی و روش کوره بلند-کوره پایه اکسیژن به صورت شماتیک رسم گردیده است در فرآیندهای احیاء مستقیم ، تعدادی از مراحل آماده‌سازی مواد اولیه حذف شده و در نتیجه هزینه‌ها و آلودگی‌های مربوط به کل فرآیند در مقایسه با روش کوره بلند به صورت قابل توجهی کاهش می‌یابد.

 مفهوم توسعه پایدار به طور رسمی در سال 1121 توسط کمیته جهانی محیطزیست و توسعه مطرح شد. توسعه پایدار در کنار رشد اقتصادی و توسعه بشری در یک جامعه، سعی در تحصیل توسعه مستمر از طریق توجه همزمان به سه بخش اقتصادی، اجتماعی و زیست محیطی دارد[5,4]. صنعت آهن و فولاد به منظور بازیافت آهن با هدف  جلوگیری  از افزایش گازهای گلخانه ای و آلودگی هوا و مشکل تغییرات آب و هوایی  تحت فشار فزاینده ای قرار دارد. برای این منظور تحولات  اخیر در راستای استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر و جایگزینی این سوختها به جای سوختهای فسیلی متمرکز شده است[6]. به کار گیری تکنولوژی احیاء مستقیم سنگ آهن DRI به دلیل بهره وری بالا و سازگاری بالا با مواد اولیه یک پیشرفت مهم در صنعت تولید آهن بوده است[7].

1 –          مروری بر انواع فرایند های احیاء مستقیم سنگ آهن  DRI:

فرایندهای احیاء مستقیم با استفاده از گاز کاهنده  سنگ آهن  را ( در فرمهای کلوخه، گندله و ذرات ریز) در حالت جامد خود احیاء می کند. آهن احیاء شده با روش مستقیم اغلب فشرده می شود تا تخلل آن کاهش یابد و برای فروش یا انبارسازی به فرم  آهن بریکت داغ تبدیل می شود[8]. وابسته به منبع عامل احیاء کننده روش های احیای مستقیم آهن به دو نوع پایه گازی (Gas Based) و پایه زغالی (Coal Based) دسته بندی می شود. شکل 2 فرایندهای تولید فولاد با روش احیاء مستقیم  به همراه حامل های انرژی را نشان می دهد. اساس روش های احیای مستقیم بر پایه گاز، استفاده از گاز طبیعی به عنوان عامل احیا کننده است. در این روش ها، گاز طبیعی در راکتورهای تولید گاز به گازهای احیا کننده تبدیل و در کوره های احیا مورد استفاده قرار می گیرد. در احیای مستقیم بر پایه زغال نیز از زغال سنگ های غیر کک شو به عنوان عامل احیا کننده استفاده می شود. این زغال ها در حین فرایند به گاز احیا کننده تبدیل می شوند. برای تولید بیش از ۹۰ درصد آهن اسفنجی در روش های احیای مستقیم از فرایندهای پایه گازی استفاده می شود.در فرایندهای پایه گازی، گاز احیا کننده در راکتور مبدل گاز یا ریفورمرهای فرایند با اکسایش جزئی گاز طبیعی (که قسمت عمده آن متان است) در واکنش با گاز خروجی کوره احیا (که قسمت عمده آن دی اکسید کربن و بخار آب است) و در حضور کاتالیست نیکل تولید می شود[9]. راکتورهای مورد استفاده در روش احیاء مستقیم راکتور عمودی  و بستر سیال یا متحرک می باشد. در حالی که در روش کوره بلند عامل احیاء کننده از ذغال سنگ غیر کک تولید می شود.  و راکتورهای مورد استفاده در آن کورهای افقی دوار و کوره های بستر دوار می باشد. (جدول 2 )پیش بینی می شود که تقریبا 65-75 %  هزینه تولید آهن اسفنجی  مربوط به ماده اولیه آن است [10].  به عنوان اقدامی برای بهبود انعطاف پذیری  در استفاده از مواد اولیه و کاهش هزینه های عملیاتی،  فرایندهای احیاء مستقیم به استفاده از سنگ معدن آهن  ریز به جای گندله و همچنین استفاده گازهای ارزان قیمت برای احیاء متوسل گردیده است. ]11[

.

شکل 1.  مواد اولیه و مراحل انجام  روشهای  تولید فولاد روش احیاء مستقیم-  کوره قوس الکتریکی و روش کوره بلند-کوره پایه اکسیژن

فرایند    انواع راکتور     فرایند احیاء مستقیم

ACCAR, DRC, Krupp Rein  کوره افقی دوار             انجام فرایند  بر پایه ذغال سنگ

Fastmetفستمت          کوره بستر دوار           

میدرکسMidex            کوره شفت        انجام فرایند بر پایه گازی

HYL-III            کوره بستر سیال یا متحرک       

شکل 2. انواع فرایند های احیاء مستقیم سنگ آهن  DRI نوع سوخت اولیه  و راکتور مورد استفاده

 

2-        تولید جهانی روش احیاء مستقیم :

تکنولوژی احیای مستقیم به چند تکنولوژی عمده تقسیم می شود که مهمترین آنها عبارتند از MIDREX   :، HYLIII ، HYL IV و Fluid Bed بر اساس آمار انجمن جهانی فولاد تولید جهانی احیاء مستقیم آهن از سال 1970 تا سال 2020 با روند صعودی در حال افزایش می باشد  طوری که در سال 2010  72 میلیون تن و در سال 2020 حدود 78 میلیون تن ثبت گردیده است. که پیش بینی می شود که این روند در سالهای آینده با همین روند احیاء مستقیم سنگ آهن پیشتاز سایر روشهای تولید آهن باشد. ( شکل 3 ) براساس این آمار جهان در سال 2017 هند با 30 درصد و پس از آن ایران با تولید 23 درصدی بزرگترین تولید کننده DRI  در جهان می باشد. از آنجا که هند دارای منابع عظیم زغال سنگ می باشد تولید DRI  در هند مبتنی بر زغال سنگ می باشد[12]. امروزه فرایند DR  مبتنی برگاز بیش از 90 درصد ظرفیت تولید DRI  را در جهان تشکیل می دهد]13[

 

شکل 3. روند صعودی میزان تولید با روش احیاء مستقیم آهن

ضرورت کیفیت مواد اولیه:

آهن اسفنجی با استفاده از زغال‌ سنگ یا گاز طبیعی  از طریق فرآیند احیای سنگ‌آهن در كوره دوار تولید می‌شود. احیا در یك درجه حرارت از پیش تعیین شده و فشار اتمسفری كنترل شده صورت می‌پذیرد. مهمترین مواد اولیه لازم برای تولید آهن اسفنجی ترکیبی از نسبت های مختلف  سنگ معدن کلوخه، سنگ معدنی ریز و یا  گندله و مواد گدازنده مانند آهك و دولومیت هستند، باید در تعیین مشخصه‌های اكسیدآهن مانند میزان فسفر و ضریب اطمینان آن از نظر سهولت احیا، احتیاط و دقت لازم به‌عمل آید. با استفاده از گندله حاوی عیار بالایی از آهن (> 65٪) و مقادیر کم گانگ و میزان فسفر پایین به یك قیمت اقتصادی می‌توان به تولید اقتصادی آهن اسفنجی نیز دست یافت. [14]. علت بالا بودن عیار آهن در روش DRI  این است که برخلاف روش کوره بلند روش DR  توانایی جداسازی مواد معدنی گانگ از آهن احیاء شده را ندارد. و سولفور و فسفر عناصر مضر در فرایند فولاد سازی  با روش DR  می باشد که باید مقدار آنها را در ماده اولیه روش DR  کاهش داد علاوه بر این وجود گوگرد باعث تشکیل H2S  می گردد که باعث غیر فعال شدن ریفرمینگ مبتنی بر کاتالیست نیکل می گردد. اندازه اسمی برای گندله های روش DR  در حدود 6+16- با درصد عبور 95 در حالیکه  این اندازه برای کلوخه ها در حدود 10+35- با درصد عبور 85 می باشد. در تمام فرآیندهای DR متالیزاسیون حداقل 93 درصد مورد نیاز است، بنابراین گلوله ها و توده ها باید قابلیت کاهش پذیری بالایی داشته باشند .برای غلبه بر مشکل خوشه‌بندی سنگ معدن در حین کاهش در دماهای بالا، درروش  DR سنگ‌های آهن را با یک لایه نازک از سنگ آهک، سیمان یا بوکسیت پوشش می دهند که این امر تولید را تا 20 درصد افزایش می دهد.

پایداری زیست محیطی:

براساس مقایسه ای، روش DR   نسبت به روش BF-BOF به ازای هر تن تولیدی  حدود یک سوم گاز CO2  را تولید می کند. به عنوان مثال در روش  HYLIII انتشار گاز کربن دی اکسید در رنج 0.77-0.92 به ازای هر تن تولیدی روش DRI می باشد.

قوانین حفاظت از محیط زیست در سراسر جهان باعث توسعه استفاده از منابع انرژی پاک و تکنولوژی های سازگار با محیط زیست برای کاهش تغییرات آب و هوایی گردیده است. زیست توده یکی از امیدوارکننده ترین منابع انرژی تجدیدپذیر است. برای این منظور

امکان استفاده از احیاکننده های زیست توده به جای سوخت های فسیلی در کوره روش DRI     مورد بررسی قرار گرفته است [15]. نتایج نشان داده است استفاده از الیاف نی به جای سوختهای فسیلی احیاء کننده مناسبتری می باشد. گاز سنتزی تولید شده از زیست توده  به عنوان عامل کاهنده راندمان کاهش مشابه با گاز طبیعی دارد در حالی که این نوع گاز سنتزی بدون انتشار گاز CO2 خالص می باشد. در تحقیات مشابهی  در این زمینه زیست توده ته مانده های چوب در نسبت های مختلف با گندله آهن مخلوط گردید و تنها با مصرف 30 درصد مقدار زیست توده  گندله آهن به طور موفقیت آمیزی به آهن فلزی احیاء شد. در حال حاضر نوآوری های فنی به سمت تولید پاکتر DRI  و انتشار کمتر CO2 از شیوه های مناسبتر پیش می رود.

نتیجه گیری:

فرآیند تولید آهن توسط کوره بلند در چندین سال اخیر یکی از مهم ترین و کارآمدترین روش ها در زمینه تولید آهن بوده است اما این روش نیازمند مواد خام با کیفیت  بالا است. آهن در کوره بلند توسط احتراق کک تولید می شود و با توجه به کاهش منابع زغال سنگ های کک شو، قیمت کک در حال افزایش است. همچنین مراحل آماده سازی مواد اولیه این فرآیند مانند کلوخه سازی، کک سازی و سینترینگ هزینه بر می باشد .در نتیجه می توان گفت کوره بلند به دلیل مشکلات اقتصادی و زیست محیطی ناشی از بکارگیری کک و سینترینگ در صنعت فولاد آینده نامشخصی خواهد داشت. با توجه به وجود منابع عظیم زغال سنگ کک نشو در جهان، هزینه های بالای مراحل آماده سازی و اهمیت روز افزون مسائل زیست محیطی گرایش به سمت روش های جدید و جایگزین در این زمینه روز به روز بیشتر می شود. یکی از این روش ها، تولید آهن توسط فرآیند احیا مستقیم است. در فرآیندهای  احیا مستقیم هزینه های سرمایه گذاری، راه اندازی و نگه داری فرآیند احیا مستقیم در مقایسه با سایر روش های موجود بسیار کمتر بوده و می توان از آن در واحدهای کوچک فولادسازی با توجیه اقتصادی مناسب استفاده کرد..این روش برای بسیاری از کشورهایی که با کمبود منابع زغال سنگ با کیفیت روبرو هستند گزینه بسیار مناسبی است. صنایع معدنی به عنوان یکی از پویاترین بخشهای صنعتی در جهان، به دلیل داشتن مزیت های اقتصادی به عنوان یکی از محورهای توسعه اقتصادی مطرح هستند. با این وجود  ممکن است این صنایع آثار زیست محیطی و تبعات اجتماعی مختلفی به همراه داشته باشد. از این رو، توسعه پایدار با هدف حفاظت از سرمایه های طبیعی، اجتماعی و انسانی وارد حوزه صنایع معدنی گردیده است. در حال حاضر نوآوری های فنی به سمت تولید پاکتر DRI  و انتشار کمتر CO2 از شیوه های مناسبتر پیش می رود.

 [1] World Steel Association. Steel’s Contribution to a Low Carbon Future: Worldsteel Position Paper; World Steel Association: Brussels, Belgium, 2010

[2] Babich, A.; Senk, D.; Yaroshevskiy, S.; Chlaponin, N.S.; Kochura, V.; Kuzin, A.; Бабич, А.; Кoчура, В.; Ярoшевский, С.; Кузин, А. In Effect of nut coke on blast furnace shaft permeability. In Proceedings of the 3rd International Conference on Process Development in Iron and Steelmaking (SCANMET III), Lulea, Sweden, 8–11 June 2008; Volume 2, pp. 227–236

 [3] Ghosh, A. and Chatterjee, A. (2017) Ironmaking and Steelmaking: Theory and practice. Dehli: PHI Learning Private Limited.

 [4] Kirkpatrick C.& et. al.; Development of criteria to assess the effectiveness of national strategies for sustainable development; Institute for Development Policy and Management; University of Manchester,2001.

[5] نـصيري ح.؛ توسـعه پايـدار، چـشم انـداز جهـان سـوم ؛ انتـشارات فرهنـگ انديـشه ، تهران،1379

 [6] MIDREX Technology Inc. 2012 WORLD DIRECT REDUCTION STATISTICS.

29 آذر 1400