تالیف و گردآوری: محمدرضا نیکوسخن

مدیرعامل شرکت Connection S.r.l ایتالیا

گروه رسانه‌ای پردازش – خط نورد Boden در شمال سوئد به عنوان اولین نقطه شروع فولاد سبز هیدروژنی (H2GS) ثبت شده ‌است.

هدف از راه‌اندازی این خط، ان است که با مشارکت شرکت‌های OEM به میزان Twh  ۱۰ انرژی برق از منابع تجدیدپذیر تولید شود.

همچنین تولید هیدروژن با مشارکت ThyssenKrupp و Nucera به روش الکترولیز با ظرفیت ~ ۷۰۰ MW Ca صورت گیرد.

تولید آهن‌اسفنجی سبز به روش میدرکس با استفاده از گاز هیدروژن، از دیگر اهداف این خط است که با مشارکت شرکت‌های Midrex و Paul Wurth، انجام می‌شود.

تولید فولادسازی، ریخته‌گری و نورد سبز با استفاده از کوره‌های قوس‌الکتریکی، خط ریخته‌گری و نورد گرم پیوسته و نیز نورد سرد و همچنین خط گالوانیزه توسط شرکت SMS Group و محصول‌ نهایی فولاد به ظرفیت ۲/۵ میلیون تن در سال از دیگر اهداف احداث این خط می‌باشد.

هدف از اجرای خط نورد BODEN ، تامین بازار هدف مورد نیاز خودروسازان ، ساختمان ، لوله سازی و مراکز سرویس و خدمات فولادی بوده و در نهایت استفاده مجدد از قراضه های بازیابی شده  (Circular scrap) در راستای اجرایی نمودن اقتصاد چرخشی (Circular economy) در عملیات ذوب می‌باشد.

بررسی مراحل گذر صنعت فولاد به منظور دستیابی به اهداف کنترل میزان انتشار CO2

روش‌های معمول تولید فولاد در مقایسه با روش جدید H2 که قابلیت کاهش تا ۹۵ درصد میزان انتشار  CO2را دارد:

مروری بر شاخص‌های تولید آهن‌اسفنجی به روش میدرکس با گاز طبیعی

بیش از ۱۰۰ کارخانه تولید آهن‌اسفنجی به روش میدرکس در سراسر دنیا درحال تولید هستند.

فرایند ریفورمر:

• گاز احیاکننده توسط گاز طبیعی، CO2 بازیابی و آب
• متشکل از ترکیب: ۵۵ درصد هیدروژن، ۳۶ درصد CO

(H2/CO ratio ~1.5)

نوع دیگر استفاده از Syngas که در عمل با نسبت H2/CO از ۰/۴ تا ۳/۵ می‌باشد.

کوره احیا کننده:

• تزریق گاز احیا از پایین و گندله از بالا
• دمای ورودی گاز: ۹۰۰-۹۸۰ درجه سانتی‌گراد.

انتشار:

• CO2 میزان: ~۶۰۰ kg/ton

چالش‌ها:

• درحال‌حاضر هزینه‌ بالای تولید هیدروژن جهت استفاده در مقیاس بزرگ برای تولید DRIجلوگیری می‌کند.

نکات کلیدی تولید DRI با هیدروژن فولاد سبز

نوآوری: اولین فولاد سبز در مقیاس صنعتی است که با هیدروژن تولید می‌شود.

ظرفیت: ۲/۱ میلیون تن در سال

نوع محصولات َ  HBI + HDRI

طراحی کوره: Established Shaft Furnace

ترکیب گاز کوره:

• برای ۱/۳ درصد کربن در DRI: ۸۵ درصد هیدروژن به وسیله‌ مونوکسید کربن، دی‌اکسید کربن، بخار آب و گاز متان
• –          ۱۰۰ درصد هیدروژن نیز امکان استفاده دارد که نقطه بهینه کربن در DRI با ذوب و در فولادسازی انجام می‌شود.

گرمایش برقی: استفاده از سوخت‌های غیرفسیلی برای گرمایش

بازیابی و بازیافت هیدروژن: با استفاده از واحد PSA

میزان انتشار CO2:

• تولید شده kg CO2/Ton DRI 50
• این روش ۹۰ درصد بیشتر میزان انتشار گاز CO2 را کاهش می‌دهد.

مزایای استفاده از DRI در حداکثر نقطه گرمایش تولید به وسیله سیستم شارژ HDRI

راندمان بالاتر، به دلیل:

• دمای بالا: HDRI با دمای ۶۰۰ +درجه سانتی‌گراد مستقیما به کوره ذوب منتقل می‌شود.
• ذخیره‌سازی انرژی: شاخص انرژی مخصوص با عدد  kWh/ton150- ۱۳۰ در مایع ذوب کاهش می‌یابد.
• کاهش مصرف الکترود: شاخص مصرف الکترود در حدود kg/ton  6/0 – ۵/۰ در مایع مذاب، کاهش می‌یابد.
• کاهش مصرف نسوز‌ها: شاخص نسوزهای کوره قوس‌الکتریکی در  kg/ton ۲ – ۸/۱ در مایع مذاب، کاهش می‌یابد.

افزایش بهره‌وری:

• تسریع فرایند: کاهش زمان tap-to-tap، افزایش بهره‌وری در حدود ۹۰ درصد نسبت به حالتی که DRI در دمای معمولی کروه شارژ می‌شود.

کاهش تاثیرات محیط‌زیستی:

• کاهش انتشار کربن دی‌اکسید: بوسیله‌ی سیستم شارژ HDRI به میزان قابل توجهی انتشار گاز CO2 کاهش می‌یابد.

نقاط برجسته طراحی کوره با تزریق هیدروژن:

قابلیت تطبیق:

• کوره‌های موجود تولید آهن‌اسفنجی، نیاز به تغییر اساسی جهت تولید DRI با گاز ورودی هیدروژن ندارند.
• کاهش جنبش با پیشرفت میزان هیدروژن بالاتر.

ملاحظات حرارتی:

• افزایش گاز هیدروژن باعث افزایش بار گرماگیری کوره می‌شود.
• کوره احیاکننده باعث کاهش “الکترو آدیاباتیک” می‌شود و برای حفظ فرآیند احیا به ورودی گرمای بیشتر و پایداری فرآیند احیاکنندگی نیاز دارد.

روش‌های تزریق حرارتی:

• افزایش دمای گاز احیا: افزایش انرژی SENSIBLE ورودی به کوره احیا
• افزایش جریان گاز احیا: بالا بردن کل انرژی ورودی کل به وسیله‌ افزایش جریان و دبی گاز احیا در تن، در هر دمای داده شده.

تغییرات طراحی Top Gas Scrubber با روش تزریق هیدروژنی:

افزایش بخار آب:

• سطح هیدروژن بالاتر در گاز احیا باعث افزایش بخار آب در TOP GAS می‌شود.

• در نتیجه چگالش بیشتری در بار حرارتی اسکرابر ایجاد می‌شود.

میزان دبی آب مورد نظر:

• میزان دبی آب برای packing افزایش می‌یابد.
• میزان آب بیشتری برای راهبری سیستم تولید می‌شود.

تقاضای آب فرایند:

•  آب سرد فرآیند: به دلیل افزایش چگالش و بار حرارت ورودی، تقاضا افزایش می‌یابد.
• آب داغ فرآیند : به دلیل کاهش گاز خروجی از اسکرابر پس از افزایش هیدروژن، تقاضا کاهش می‌یابد.

دبی TOP FUEL GAS:

• حتی در حالت‌های کربنیزه با نسل TGF HIGH، نرخ جریان TGF،۱۰ درصد پایین‌تر از جریان گاز موجود در اسکرابر خواهد بود.
• با حالت کربنی صفر درصد DRI، میزان کمی TGF شکل می‌گیرد که نرخ جریان را کاهش می‌دهد.

بازیابی هیدروژن با جاذب PRESSURE SWING:

اجزا:

•  (Top Gas Fuel Compressors)
• –           جذب نوسان فشار (PSA)

بازیابی هیدروژن:

• تولید هیدروژن با خلوص بالا در PSA(5/99 درصد H2)
• کاهش شاخص make-up H2

کاربرد TAIL GAS PSA:

• این مورد می‌تواند در هر قسمتی از فرایند یا که در مجموعه فولادسازی، استفاده شود.

انعطاف‌پذیری در بهره‌برداری:

• قابلیت پیچش به منظور تعدیل پایه محصولDRI  و میزان کربن لازم

تغییرات طراحی کمپرسور گاز فرآیند برای ماژول H2-DRI

افزایش میزان دبی مورد نیاز:

• استفاده‌ صد در صدی از هیدروژن به عنوان گاز احیاکننده، جمع دبی گاز فرآیندی، افزایش می‌یابد.
• کاهش هیدروژن یک واکنش گرماگیر بیشتری از مونوکسید کربن می‌باشد که باعث افزایش دبی گاز جهت تعدیل انرژی و (جرم حرارتی) در کوره Shaft Furnace  می‌شود.

مراحل فشرده‌سازی:             COMPRESSOR STAGES

• افزایش دبی PGC، متناظر با کاهش وزن مولکولی (MW) گازهای در گردش می‌شود که نیاز به سومین مرحله فشرده‌سازی در ترتیب PGC در فلوشیت جریان دبی MIDREX H2  مطابق شکل را دارد.

هیترهای برقی برای تنظیم H2-DRI

راندمان و پایداری: مشعلهای برقی

• انرژی گرمایی آشکار را برای گاز احیا از طریق گرمایش مستقیم الکتریکی فراهم می‌کند و راندمان بیشتری را در مقایسه با مشعل‌های گازسوز ارائه می‌دهد.
• نیاز به استفاده از سوخت‌های فسیلی را به کلی از بین می‌برد که موجب کاهش چشم‌گیر میزان انتشار CO2 می‌شود.

فاکتورهای طراحی:

• طراحی مدولار: متشکل از ۱۵ مشعل برق
• کنترل: سیستم کنترلی مجهز به کنترل پنل‌های مخصوص
• ایمنی: تعبیه‌ محافظ کنترل افزایش دما جهت اطمینان از عملکرد اجزای هیترها و مشعل‌های برق.

تضمین عملکرد:

• قابلیت افزایش دمای گاز احیا تا ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد
• به دلیل عدم‌تولید CO2 نیازی به سیستم بازیابی حرارتی ندارد.

با توجه به موارد فوق و نمونه عملی حرکت فولادسازان برتر دنیا به سمت تولید فولاد کربن صفر و همچنین توافق نهایی اجرایی نمودن انتشار حداقلی CO2 و اعمال تعرفه‌های واردات بر مبنای میزان انتشار CO2 در تولید فولاد، لذا حرکت به سمت تولید فولاد بدون کربن، حفظ انرژی و مواداولیه و اجرایی نمودن اقتصاد چرخشی در صنعت فولاد نیاز مبرم می‌باشد که موارد فوق در چشم‌انداز فولادسازان کشور باید لحاظ گردد.

در این راستا شرکت Connection Srl با همکاری دانشگاه پلی‌تکنیک میلان و برترین مشاورها و تکنولوژهای اروپایی آمادگی کامل خود را جهت همراهی فولادسازان و دانشگاه‌های صنعتی کشور اعلام می‌دارد.