آشنايى با طرح مفهومى جديد ميدركس براى حفاظت از محيط‌‌‎‎‎‎ زيست؛
“ميدركس هيدروژنى” راه مؤثر براى توليدDRI با كمترين هزينه؛
قسمت سوم

تولید آهن با استفاده از هیدروژن

استفاده از هیدروژن برای تولید آهن مفهوم جدیدی نیست. در طی ۵۰ سال گذشته، تکنولوژی‌‌های احیای مستقیم همانند فرآیند میدرکس و ENERGIRON از بیشتر هیدروژن در گاز احیاکننده استفاده می‌کنند (موازنه عمدتا با CO)، و از قبل کاهش قابل توجهی در انتشار CO2 ارائه داده‌اند.

تعدادی از سایر تکنولوژی‌‌ها مورد آزمایش قرار گرفته و برخی نیز در حال انجام تا اندازه‌ای با محرک تمایل به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای هستند (مواداولیه و کاهش هزینه نیز اهمیت دارند). برای مثال، شرکت‌‌های Cleveland-Cliffs، Lurgi و LTV Steel یک کارخانه احیای مستقیم Circored با ظرفیت ۴۰۰ هزار تن در سال در ترینیداد ساختند که از هیدروژن یک مبدل بخار به عنوان منبع احیاکننده و انرژی استفاده می‌کرد.

این کارخانه در سال ۱۹۹۹ راه‌اندازی شد، اما رآکتور بستر سیال دارای مشکلات بی‌شماری بود و تا زمان تعطیل شدن در سال ۲۰۰۱ تنها حدود ۱۵۰ هزار تن تولید کرد. اخیراً، تکنولوژی Flash Ironmaking – که توسط دانشگاه Utah با پشتیبانی AISI و DOE توسعه یافته است به دنبال ساخت یک کارخانه اثبات‌کننده است.

شاید بیشتر به صورت یک تحول تدریجی تا یک تکنولوژی سدشکن، فرآیند میدرکس از قبل از مقادیر زیادی هیدروژن برای تولید DRI استفاده می‌کند. این فرآیند را می‌توان برای سازگاری با هیدروژن بیشتر با اقتصادی شدن تولید آن تطبیق داد. این فرآیند از CO و H2 برای انجام احیا، که حذف اکسیژن از سنگ‌معدن (برعکس اکسایش) است استفاده می‌کند. واکنش‌‌های زیادی در رآکتورهای احیای مستقیم رخ می‌دهد، اما موارد اصلی آنها در شکل (۲) نشان داده شده است.

در فرآیند استاندارد میدرکس NG، مقدار معمول گاز ۵۵ درصد H2 و ۳۶ درصد CO است. از آنجا که احیا در حدود Cº ۹۰۰ رخ می‌دهد، کنترل دما مراعات بسیار مهمی است. واکنش گرماگیر است (گرما نیاز دارد) در حالی که واکنش ۲ گرمازا است (گرما پس می‌دهد).

واکنش‌‌های تبدیل‌کننده (گاز) بسیار گرماگیر هستند و اساسا در مبدل انجام می‌شوند، گرچه مقداری از تبدیل گاز در محل کوره ستونی صورت می‌گیرد. مراعات و طراحی دقیق دمای فرآیند، کنترل فرآیند میدرکس را آسان می‌کند. از سال ۱۹۶۹، کارخانه‌های میدرکس بیش از یک میلیارد تن DRI تولید شده با بیش از ۵۰ درصد هیدروژن تولید کرده‌اند.

احیای مستقیم با میزان بالاتر هیدروژن در کوره ستونی میدرکس ثابت شده است. کارخانه FMO MIDREX در ونزوئلا از مبدل بخاری استفاده می‌کند و نسبت H2/CO از ۳/۳ تا۳/۸٫ متغیر است. شش مدول میدرکس وجود دارد که از گاز ساخته شده از زغال‌سنگ با نسبت هیدروژن به CO از ۰/۳۷ تا ۰/۵۶استفاده می‌کنند. بنابراین، فرآیند میدرکس با موفقیت DRI را با نسبت H2/CO از ۰/۳۷ تا ۳/۸تولید کرده است.

 در مقیاس کوچکتر، میدرکس تجربه گسترده‌ای در مورد احیا با هیدروژن دارد. در اواخر دهه ۱۹۷۰ تا اواسط دهه ۱۹۸۰، میدرکس بر روی یک کارخانه آزمایشی (پایلوت پلنت) در مرکز تکنولوژی R&D خود کار می‌کرد.

کارخانه آزمایشی برای آزمایش و اثبات فرآیند احیای مستقیم الکتریکی حرارتی (EDR) ساخته شده بود. در حالی که هدف از این کارخانه آزمایشی آزمایش احیا با هیدروژن نبود، از چند مرتبه تولید با میزان بسیار زیاد هیدروژن تا بزرگی نسبت H2/CO برابر با ۴/۲ در سال ۱۹۸۶ استفاده شد.

اخیراً، تمام آزمایش‌‌های طراحی‌شده برای ارزیابی کینتیک کربن‌دهی، که پایه و اساس تکنولوژی کربن قابل تنظیم میدرکس (MIDREX ACT™) است، تحت هیدروژن خالص در کوره آزمایشی در مرکز تکنولوژی R&D میدرکس انجام شد.

در سال ۲۰۱۷، میدرکس دو طرح مفهومی ‌را معرفی کرد: Midrex H2 (صد درصد هیدروژن به عنوان گاز خوراک) و یک نمودار فرآیندی  Midrex NG با H2 جایگزین شده بخشی از گاز طبیعی. آنها همراه با نمودار فرآیندی میدرکس NG، انتقال مرحله‌ای به اقتصاد هیدروژنی را ارائه دادند.

• میدرکسNG 
شکل(۳) کاملا اثبات شده است و می‌تواند بلافاصله انتشار CO2 را به نصف یا بیشتر و بدون ریسک‌‌های تکنولوژی کاهش دهد. محصول این کارخانه (CDRI، HDRI یا HBI) در EAF یا BF/BOF در کارگاه‌‌های ذوب موجود با اصلاح محدود یا بدون آن قابل استفاده است.

• میدرکسNG با افزودن هیدروژن
شکل(۴) می‌تواند مقداری گاز طبیعی را در کارخانه موجود میدرکسNG  جایگزین کند، چنانچه هیدروژن سبز در دسترس باشد، نمودار فرآیندی میدرکس NG می‌تواند با حداکثر ۳۰ درصد جایگزینی توسط هیدروژن بدون اصلاح تجهیزات تطبیق یابد. برای مثال، Nm3/h 20000 گاز طبیعی را می‌توان با تقریبا Nm3/h 60000 هیدروژن در یک کارخانه با ظرفیت mt/y 2.0 جایگزین کرد، که تقریبا ۳۰ درصد از کل مصرف گاز طبیعی را نشان می‌دهد.

برای جایگزینی تا ۱۰۰ درصد، تامین بخار بیرونی، که می‌تواند توسط یک دیگ بخار یا از منابع دیگر بخار در یک مجتمع فولاد یکپارچه تأمین شود، برای محافظت از مبدل مورد نیاز است. حداکثر افزودن هیدروژن بدون اصلاح نمودار فرآیندی بستگی به تعدادی از عوامل از جمله میزان کربن مورد نظر در DRI دارد.

این اصلاح می‌تواند در یک کارخانه موجود انجام شود یا به عنوان یک گزینه در کارخانه جدید برای فراهم آوردن انعطاف‌پذیری آینده طراحی شود. طراحی گرمکن بستگی به منابع انرژی اقتصادی در دسترس شامل گرمکن هیدروژن سوز دارد. کارخانه میدرکس به اندازه کافی انعطاف‌پذیر است تا امکان تغییرات در منبع انرژی در طول زمان برای تطبیق با نوسانات احتمالی (روزانه یا فصلی) در قابلیت دسترسی به هیدروژن در مواقع انتقال زیرساخت‌‌ها از اقتصاد کربنی به هیدروژنی را فراهم کند. هیدروژن را می‌توان در محل تولید نمود و یا از بیرون از کارخانه تامین کرد