فناورى کنترل کربن براي محصولات DRI

ميزان کربن موجود در DRI يک عامل کليدي در ارزشي است که استفاده از آن به دنبال دارد. شرکت ميدرکس (Midrex) که سازنده کارخانجات DRI و ارايه‌گر راه‌حل‌هاي مربوطه است، يک فناوري تنظيم‌پذير کربن را براي استفاده در کارخانجات خود توسعه داده که به زودي شاهد نخستين کاربردهاي تجاري آن خواهد بود.

فلوشيت ساده شده ميدرکس

وقتي شرکت کلولند ـ کليفس (Cleveland – Cliffs) کارخانه جديد خود به نام ميدرکس را به ارزش ۸۳۰ ميليون دلار و ظرفيت توليد يک ميليون و ۶۰۰ هزار تن در سال براي توليد اچ‌بي‌آي (HBI) با ميزان کربن بالا در تولدو (Toledo)، واقع در اوهايوي آمريکا افتتاح کرد، فعاليت نخستين کارخانه مجهز به فناوري تنظيم‌پذير کرين که توسط ميدرکس توسعه يافته بود را نيز آغاز کرد (MIDREX ACT^TM).

ميزان کربن مورد نياز در محصولات DRI وابسته به نوع فولادي که براي توليد آن و معمولاً در يک کوره قوس الکتريکي ذوب مي‌شود و هم‌چنين وابسته به ساير مواد خام فولادسازي (قراضه، فلز داغ، چدن) است که در محصول ذوب شده مخلوط مي‌شود. درصد دقيق کربن مورد نياز بسته به کارگاه ذوب فرق مي‌کند لذا توانايي انطباق ميزان کربن با مقدار دقيق مورد نياز هر يک از مصرف‌کنندگان محصولات CRI بسيار ارزشمند است.

به عنوان مثال، يک فولادساز که به دنبال جايگزيني چدن با اچ‌بي‌آي در ترکيب مواد خام فولادسازي است که حاوي نسبت بالايي از فلزات قراضه است، معمولاً بايد از محصولات با درصد کربن بالاي DRI استفاده کند. فولادسازاني که کمتر از فلزات قراضه استفاده مي‌نمايند، معمولاً در محصولات مکمل DRI ذوب شده با فلزات فراضه به کربن کمتري نياز دارند و اگر از ۱۰۰ درصد DRI به عنوان خوراک خود استفاده کنند، به بيش از دو درصد کربن احتياج نخواهند داشت. ميزان بالاي کربن در محصولات ذوب شده مي‌تواند باعث اتلاف انرژي شود.

شرکت ميدرکس که مي‌تواند به عنوان بخشي از کارخانجات جديد يا بازسازي کارگاه‌ها و کوره‌هاي موجود تلفيق شود، توليد محصولات DRI را با ميزان کربن بالاتر از مقادير قبلاً موجود (۰/۵ درصد تا ۴/۵ درصد) ميسر مي‌سازد.

ميدرکس خاطرنشان مي‌سازد که يک مزيت مهم اين فناوري، توانايي آن براي تنظيم ميزان کربن و مشخصاً کربن بالاتر در DRI بدون قرباني کردن دماي توليد محصول است.

چگونگي افزودن کربن

در کوره‌هاي استوانه‌اي (ميله‌اي)، کنجله‌ها يا گلوله‌هاي اکسيد آهن از بالاي کوره وارد آن شده و به سمت پايين جريان مي‌يابند. اکسيد آهن با گاز داراي دماي بالا گرم شده و به DRI تبديل مي‌شود. مي‌توان اين محصولات را به صورت ترکيبات داغ يا سرد ترکيب کرد که عبارتند از DRI سرد (CDRI)، آهن داغ بريکت (HBI) يا DRI داغ (HDRI).

براي کنترل ميزان کربن در محصولات، کربن در سه نقطه به DRI افزوده مي‌شود: منطقه تبديل، منطقه انتقال و منطقه خنک کردن.

در منطقه تبديل، آهن با استفاده از مونوکسيد کربن و هيدروژن توليد شده در يک ريفورمر (reformer) گازي فلزکاري مي‌شود. بخشي از کربن در اين منطقه از متان (CH_۴) و مونوکسيد کربن (CO) افزوده مي‌شود.

در منطقه انتقال، يک جريان کنترل شده گاز طبيعي افزوده مي‌شود که روش اصلي افزودن و کنترل ميزان کربن در محصولات Midrex DRI است. خوراک گاز طبيعي حاوي طيفي متنوع از هيدروکربن‌ها است که البته عمده آن متان است.

کارخانه‌هاي ميدرکس که داراي کوره تخليه سرد هستند از گاز خنک‌کننده استفاده ‌مي‌نمايند که آنها نيز حاوي هيدروکربن‌هايي هستند که به روش مشابهي به منطقه انتقال افزوده مي‌شوند.

در حالي که همه اين مراحل نمايانگر ابزارهايي اثربخش براي افزودن کربن به DRI توليد شده هستند، امامشکل آنها در قبال کارخانه‌هاي توليدکننده HDRI و HBI آن است که بسياري از واکنش‌هاي شيميايي با افزودن کربن که آنها استفاده مي‌کنند (به ويژه واکنش متان به آهن براي ايجاد کربايد آهن در منطقه انتقال ـ اندوترميک هستند و بنابراين گرما را جذب مي‌کنند).

عناصر ACT

Midrex ACTTM با انحراف بخشي از گاز اصلاح شده که از نظر هيدروژن و مونوکسيد کربن غني است به گاز خنک‌کننده اصلاح شده شروع مي‌شود (اين تجهيزات در تمامي کارخانجات جديد و اکثر کارخانجات موجود ميدرکس نصب شده‌اند. از خنک‌کننده براي کنترل دماي گاز (ترکيب گازي شديداً کنترل شده که وارد کوره استوانه‌اي مي‌شود) در طول آغاز به کار کارخانه و گاهاً در طول فعاليت معمول استفاده مي‌شود (به پيکان افقي توجه کنيد که از جعبه سبز ريفورمر ميدرکس به سمت چپ کوره استوانه‌اي در دياگرام ساده شده جريان مي‌يابد که همه موارد نشان داده شده در سمت چپ کوره، قبلاً بخشي از کارخانه ميدرکس بوده‌اند در حالي که تجهيزات مستقر در سمت راست بخشي از سيستم ACT هستند).

 حدود ۱۰ درصد جريان گاز اصلاح شده براي انتقال به کارخانه​ACT اصلاح مي‌شود که در آن جا ابتدا از يک حذف‌کننده گرد و غبار عبور مي‌کند تا آب اضافي آن گرفته شود و از تجهيزات حفاظت شود. گاز با فشار لازم براي ورود به پايين‌دست جداساز غشر فشرده مي‌شود، با گاز سنتز پس از خنک‌کننده خنک مي‌شود و سپس قبل از مرحله جداسازي غبارزدايي مي‌شود.

جداساز غشا، جريان غني مونوکسيد کربن و جريان غني هيدروژن را تحويل مي‌دهد. جريان CO با لوله به منطقه انتقال براي واکنش‌هاي برون‌گرمايي مورد نياز براي توليد گرما و جداسازي کربن فرستاده مي‌شود. جريان غني هيدروژن براي تخليه به کمپرسورهاي گاز فرآيند بازيابي مي‌شود.

مهم اين که، ميزان کربن افزوده شده به محصولات DRI توليد شده با نرخ جريان گاز به واحد غشايي تنظيم مي‌شود (که عمدتاً بر دما اثرگذار است) و نرخ جريان گاز طبيعي منطقه انتقال (که عمدتاً بر کربوريزاسيون اثرگذار است)، کنترل مستقل براي کربن و دما را در اختيار اوپراتورهاي کارخانه‌ها قرار ‌مي‌دهد.

هزينه‌هاي اصلي عملياتي ناشي از کاربرد ACT عبارتند از مصرف برق حدود ۲۰ کيلووات ساعت و گرم‌کن‌هاي برقي در واحد غشا. آب خنک‌ساز ماشين‌آلات نيز براي خنک‌ کردن کمپرسورها و گاز سنتز پس از خنک شدن مورد نياز است.

براي مقابله با از دست دادن ناخوشايند دماي محصول، ACT آن را با افزودن جريان گاز غني CO که در ريفورمر گازي توليد مي‌شود به منطقه انتقال تقويت مي‌کند. مونوکسيد کربن با DRI در تماس است و مجموعه‌اي از واکنش‌هاي شيميايي درون گرمايي تأمين انرژي اضافي براي حفظ دما را تضمين مي‌کند.

با تنظيم ميزان مونوکسيد کربن در منطقه انتقال، اوپراتور کارخانه مي‌تواند ميزان انرژي افزوده شده به HDRI را تنظيم کند. تنظيم افزودن گاز طبيعي، ميزان کربن موجود در DRI را کنترل‌ مي‌کند. ميدرکس توضيح مي‌دهد استفاده از اين اصول توسط ACT امکان کنترل مستقل دما و ميزان کربن افزوده شده را فراهم مي‌کند.

چه ميزان مورد نياز است؟

ميزان کربن مورد نياز در يک محصول DRI، با الزامات فعاليت‌هاي پايين‌دستي فولادسازي تعيين مي‌شود که از آن در سايت يا براي توليدکنندگان تجاري DRI و بازارهاي مختلف استفاده مي‌شود.

ACT کارخانجات ميدرکس را قادر ساخته CDRI، HBI يا HDRI را با ميزان بالاتر کربن توليد کنند و در عين حال دماي تخليه را ثابت نگه دارند. حدود ۸۵ تا ۹۰ درصد کربن خلق شده با اين فناوري به شکل کاربايد آهن (Fe_۳C) است. افزودن کربن لازم در فولادسازي به اين صورت، با بازيابي مناسب از گازهاي خروجي، داراي پتانسيل کمک به کربن خنثي در فولادسازي است.

مزاياي کاربرد فناوري در يک کارخانه جديد يا موجود ميدرکس مي‌تواند بسته هدف هر کارخانه متفاوت باشد. به عنوان مثال، CDRI را مي‌توان با ميزان کربن بالاتري توليد کرد.

HDRI را مي‌توان با کربن بالاتر، دماي بالاتر يا هر دو توليد کرد. از آن جا که HDRI معمولاً مستقيماً وارد کوره قوس الکتريکي براي فولادسازي مي‌شود، مزيت آن پرهيز از نياز به مواد خنک‌کننده است.

HBI را مي‌توان با ميزان کربن بالاتر بدون از دست دادن مخرب دما در ماشين‌آلات توليد بريک يا با دماي بالاتر بريکت در يک ميزان مشخص کربن توليد کرد. کيفيت و قدرت بريکت توليد شده، با دماي بالاتر افزايش مي‌يابد. محصولات HBI معمولاً حاوي حدود ۵/۱ درصد کربن بهبود مي‌يابند اما دماي بالاتر توليد DRI که توسط ACT تأمين شده براي توليد برکيت‌هاي قوي با ميزان ۳ درصد کربن طراحي شده است.

توليدکنندگان تجاري CDRI و HBI مي‌توانند شيمي محصولات خود را تغيير دهند و محصولي با ارزش افزوده و متناسب با مشخصات مد نظر مشتريان خود توليد کنند. در حالي که ACT مي‌تواند با هر نوع خوراک کار کند اما طبيعت و کيفيت آن بر ميزان کربني که مي‌توان به يک محصول DRI اضافه کرد اثر مي‌گذارد.

برخي اوپراتورهاي کارخانه‌هاي ميدرکس زماني از ACT استفاده مي‌کنند که سطوح بالاتر کربن مورد نياز هستند يا بدون فناوري‌هاي جديد در زماني که سطح پايين‌تري از کربن مورد نياز است. ميدرکس قبلاً درخواست‌هايي را درباره اعمال تغييرات در ACT از اوپراتورهاي فعلي کارخانه‌هاي ميدرکس دريافت کرده و انتظار علاقه‌مندي بيشتر به اين فناوري را پس از آن دارد که اين فناوري بتواند ارزش خود را در نخستين کاربردهاي تجاري براي کليفس به اثبات برساند.