معرفی فناوری تجاری آهن‌سازی MIDREX H2

در طول چند دهه گذشته، علاقه و کار فزاینده‌ای برای کشف منابع اصلی انتشار و در مرحله بعد کاهش CO۲ در صنعت آهن و فولاد وجود داشته است. در صنایع آلاینده مانند تولید آهن و فولاد یک راه‌حل بسیار امیدوارکننده استفاده از هیدروژن به‌عنوان سوخت و واکنش‌دهنده شیمیایی به‌جای سوخت‌های فسیلی است. البته یک مانع بزرگ برای اجرای آهن‌سازی احیای مستقیم هیدروژنی در دشواری تولید هیدروژن خالص بدون ردپای چشمگیر CO۲ نهفته است. بااین‌حال، با تکامل ایده «اقتصاد هیدروژنی»، این ایده ممکن است نزدیک‌تر از آن چیزی باشد که بسیاری تصور می‌کنند. اقتصاد هیدروژنی جدید و چگونگی تأثیر آن بر نسل بعدی صنایع آهن‌سازی و فولادسازی مبحث جذاب و پرچالش محققان مختلف این حوزه به شمار می‌رود.

فرایند احیا مستقیم MIDREX مبتنی بر گاز طبیعی به‌عنوان عامل احیاکننده همراه با فرایند فولادسازی به روش کوره قوس الکتریکی (EAF) کمترین انتشار CO۲ را در بین مسیر‌های تجاری اثبات‌شده تولید فولاد در جهان امروز دارد، زیرا گاز طبیعی حاوی هیدروژن بسیار بیشتری نسبت به زغال‌سنگ است که در مسیر‌های مرسوم (کوره بلند کنورتور) استفاده می‌شود. بااین‌حال، فضای بیشتری برای انتشار کمتر CO۲ از طریق استفاده از هیدروژن به‌عنوان سوخت و عامل واکنش شیمیایی احیا وجود دارد. گفته می‌شود بهترین امکان عملی حاضر برای کاهش ردپای CO۲ صنعت فولاد، استفاده از هیدروژن خالص به‌عنوان منبع انرژی و عامل احیاکننده برای تولید آهن اسفنجی یا (DRI) در کوره شفتی مانند فرایند MIDREX است. این مفهوم که با نام MIDREX H۲ شناخته می‌شود، نوید زیادی برای توسعه و تحقق در کارخانه‌های تولید آهن اسفنجی جدید و یا موجود دارد.

تا به امروز، فناوری MIDREX معمولاً با استفاده از گاز طبیعی به‌عنوان عامل اصلی احیاکننده کار کرده است. گاز ورودی کوره یک کارخانه آهن‌سازی معمولی با فرایند MIDREX حاوی حدود ۵۵ درصد هیدروژن و ۳۶ درصد مونوکسید کربن (CO) است، درحالی‌که گاز ورودی کوره بلند تقریباً تماماً CO است. می‌توان با افزودن اسکرابر‌های CO۲ و با حذف آن در گاز دودکش و/یا جداسازی و استفاده آن، انتشار گاز‌های گلخانه‌ای و CO۲ را حتی بیشتر (تا حد نصف) کاهش داد. هیدروژن را می‌توان به دو صورت در یک کارخانه احیا مستقیم استفاده کرد. مقداری H۲ را می‌توان در یک کارخانه مبتنی بر گاز طبیعی به‌عنوان جایگزینی برای بخشی از گاز طبیعی وارد کرد و یا فرایند کارخانه احیا مستقیم می‌تواند بر اساس ۱۰۰ درصد H۲ بنا شده باشد. در مورد اول، امروزه فرایند‌های موجود MIDREX جایگزینی ۳۰ درصد از گاز طبیعی با هیدروژن در تأسیسات احیا مستقیم موجود بدون نیاز به تغییرات اساسی در تجهیزات امکان‌پذیر شده است. حتی اگر نسبت‌های بالاتر هیدروژن در عامل احیاکننده موردنظر باشد، باز هم کارخانه نیاز به تغییرات جزئی برای تسهیل شرایط فرایندی جدید دارد. در این میان تغییر عمده در عملکرد مربوط به ریفورمر‌ها است، زیرا با افزایش بیشتر مقادیر هیدروژن، این واحد بیشتر به‌عنوان یک گرم‌کننده (Heater) عمل می‌کند تا یک شکننده گاز (Reformer).

راه‌حل نهایی آهن‌سازی بدون CO۲ یا با مقادیر بسیار کم آن تولید هیدروژن خالص با استفاده از منابع انرژی کم‌کربن و تجدیدپذیر مانند خورشیدی، باد، آبی یا هسته‌ای و استفاده از هیدروژن در یک کوره شفت برای تولید DRI خواهد بود. در این راستا فرایند MIDREX H۲ به استفاده از ۱۰۰ درصد هیدروژن به‌عنوان گاز ورودی اشاره دارد. این فرایند شبیه به فرایند استاندارد MIDREX است، با این تفاوت که گاز ورودی H۲ خارج از فرایند تولید می‌شود؛ بنابراین هیچ ریفرمری وجود ندارد و برای گرم کردن گاز تا دمای موردنیاز از گرم‌کننده گازی استفاده می‌شود. در عمل، محتوای H۲ گاز احیاکننده حدود ۹۰ درصد با تعادل گاز‌های CO، CO۲، H۲O و CH۴ است. این ترکیبات از افزودن گاز طبیعی برای کنترل دما و افزودن کربن حاصل می‌شوند. ازآنجاکه H۲ به H۲O تبدیل می‌شود و در اسکرابر گاز بالایی متراکم می‌شود، هیچ سیستم حذف CO۲ لازم نیست. مصرف هیدروژن تقریباً ۵۵۰ نیوتن مترمکعب بر تن DRI است. علاوه بر این، تا ۲۵۰ نیوتن مترمکعب بر تن DRI از H۲ یا سایر منابع گرمای سازگار با محیط‌زیست مانند گرمای هدررفته، برق یا گاز طبیعی به‌عنوان سوخت برای گرم‌کننده گاز احیایی موردنیاز است.

چندین مسئله برای فرایند MIDREX H۲ وجود دارد که اولین آن‌ها دماست. بااین‌همه هیدروژن، DRI توسط گاز احیایی ورودی به کوره شفت خنک می‌شود؛ بنابراین لازم است گاز طبیعی برای حفظ دمای مطلوب واکنش احیا اضافه شود. با توجه به مدل‌سازی Midrex، افزودن گاز طبیعی با نرخ ۵۰ نیوتن مترمکعب بر تن DRI باید این کار را انجام دهد. موضوع دوم محتوای کربن DRI است. اکثریت قریب به اتفاق DRI در فرایند فولادسازی EAF استفاده می‌شود که در آن از کربن اضافه‌شده در مواد بار فلزی مانند DRI، HBI و آهن خام یا به‌صورت کربن خالص استفاده می‌شود. سوزاندن این کربن با اکسیژن تزریقی گرمای قابل‌توجهی ایجاد می‌کند که مصرف برق را کاهش می‌دهد و ذوب سریع‌تر را ممکن می‌سازد. با مقادیر بالای هیدروژن در گاز احیاکننده، برای دست‌یابی به سطح کربن موردنظر، لازم است که هیدروکربن‌ها را در جایی از فرایند اضافه کنیم. گزینه‌های کربورسازی DRI شامل افزودن هیدروکربن به منطقه خنک‌کننده یا در مخروط پایین کوره است. افزودن ۵۰ نیوتن مترمکعب بر تن گاز طبیعی برای کنترل دما منجر به کربن DRI حدود ۱.۴ درصد می‌شود. تکامل بعدی در فولادسازی ذوب‌آهن اسفنجی بدون استفاده از کربن خواهد بود، اما این امر بسیار انرژی‌بر است، زیرا نقطه ذوب فولاد با کاهش محتوای کربن افزایش می‌یابد.