نتايج به دست آمده توسط مجتمع فولاد فوست آلپين در لينز

استفاده ازHBI در كوره‌بلند با هدف كاهش گازهاى گلخانه‌اى

ماهنامه پردازش-توافق‌نامه پاریس، با هدف حداكثر افزایش دمای جهانی دو درجه سلسیوس تا پایان قرن در مقایسه با دوران قبل از صنعتی، بدون تردید گامی مهم در جهت حفاظت واقعی از اقلیم جهانی است. توافق سبز اروپا واکنشی به این چالش‌ها است و استراتژی‌هایی را برای تبدیل اتحادیه اروپا به اقتصادی مدرن، منابع کارآمد و رقابتی تعریف می‌کند. هدف فراگیر توافق سبز این است که اروپا تا سال ۲۰۵۰ به اولین قاره خنثی در انتشار گازهای گلخانه‌ای تبدیل شود.

به سمت فولادسازی بدون انتشار CO_۲

ماهنامه پردازش: چالش‌های زدایش کربن از فولادسازی چیست؟ عمده انتشار CO_۲ در فولادسازی از مسیر فرآیند کوره‌بلند (BF) بر پایه زغال‌سنگ/کک و کوره بازی اکسیژنی (BOF) سرچشمه می‌گیرد که امروزه هنوز هم به میزان ۷۲ درصد از تولید فولاد در سراسر جهان متداول است (شکل ۱). کربن در تولید چدن خام مذاب (HM) در BF به عنوان عامل احیاکننده اکسیدهای آهن مورد نیاز است و انرژی فرآیند لازم برای تولید گاز(احیا) را تأمین می‌کند. کربن موجود در چدن خام مذاب باید از طریق دمش بالایی در کنورتر BOF اکسید شود. کربن و اکسیژن با هم دی‌اکسید کربن را ایجاد می‌کنند. کاهش انتشار CO_۲ مربوط به فرآیند را فقط می‌توان با جایگزینی جزئی کربن با هیدروژن (یا حتی به‌طور کامل در بلندمدت) حاصل کرد.

زدایش کربن تدریجی

از دیدگاه امروزی، سناریوی دستیابی به اهداف اقلیمی شامل زدایش کربن تدریجی از فولادسازی با دید بلندمدت برای جایگزینی کامل CO_۲ توسط هیدروژن است. تکنولوژی موقت متکی بر فرآیند احیای مستقیم (DR) است که در آن از گاز طبیعی برای تولید آهن‌اسفنجی (DRI) به شکل متراکم آهن بریکت‌شده گرم (HBI) استفاده می شود. با توجه به فرآیند اصلی DR، این کار به ۵۰ درصد کاهش CO_۲ در مقایسه با فرآیند BF منتج می‌گردد. بسته به ظرفیت تولید برق مورد استفاده برای ذوب قراضه در کوره قوس‌الکتریکی (EAF)، می‌توان با فرآیند DR/EAF به حدود ۳۵ درصد کاهش در مقایسه با مسیر BF/BOF دست یافت. تصور می‌شود در صورتی که از الکترولایزرهای غشای تعویض پروتون (PEM) در مسیر DRI/EAF استفاده شود بتوان انتشار CO_۲ را بازهم تا ۲۰ درصد از مورد مسیر BF/BOF کاهش داد (شکل ۲).

HBI برای تولید کوره‌بلند

قابلیت HBI برای استفاده در مسیر فولادسازی BF/BOF به جای فقط فولادسازی بر پایه EAF، که در آن معمولاً از همه اشکال DRI استفاده می‌شود، می‌تواند نقش مهمی در آینده تولید آهن و فولاد اروپا با هدف کاهش CO_۲ داشته باشد. HBI به مدت ۲۵ سال توسط فولادسازان در آمریکا با موفقیت مورد استفاده قرار گرفته است، بنابراین در مقایسه با تکنولوژی‌های خط‌شکن هیچ ریسکی در ارتباط با استفاده از آن وجود ندارد.

مجتمع فولاد شرکت فوست آلپین واقع در لینز، اتریش، از HBI تولیدی کارخانه احیای‌مستقیم خود واقع در Corpus Christi، تگزاس آمریکا (شکل ۳) در کوره‌های بلند خود استفاده می‌کند. در این مقاله در مورد تأثیر استفاده از HBI در کوره‌های بلند بر مصرف عوامل احیاکننده، بهره‌وری، عملیات کوره‌بلند و کیفیت چدن خام مذاب بحث خواهد شد.

   کوره‌های بلند ۵ و ۶ در مجتمع فولاد فوست آلپین در لینز دارای قطر کوره هشت متر هستند و به‌طور متوسط ۲۵۰۰ تا ۲۷۰۰ تن چدن خام مذاب (HM) در روز تولید می‌کنند. مقدار مصرف ویژه HBI در کوره‌های بلند برای یک دوره انتخابی و کل مصرف تجمعی در شکل(۴) نشان داده شده‌اند. حداکثر مقدار HBI مصرفی kg/t HM 160 بود. بریکت‌ها با بار کوره‌بلند به آن شارژ می‌شوند.

تأثیر HBI بر کاهش عوامل احیاکننده و سرعت ذوب‌کردن

به‌طور معمول، HBI حاوی بیش از ۹۰ درصد Fe و درجه فلزی بالاتر از ۹۰ درصد است. این شارژ فلزی فقط باید ذوب گردیده و به ندرت احیا شود؛ بنابراین، HBI مصرف عوامل احیاکننده در BF را کاهش می‌دهد. طبق تجربه ما، اگر HBI به میزان
 kg/t HM 100 استفاده شود، نرخ مصرف عوامل احیاکننده (معادل کک) می‌تواند تقریباً kg/t HM 25 کاهش یابد، چنان‌که در شکل(۵) نشان داده شده است. رنگ‌ها مقدار اکسیژن موجود در دمش هوای گرم را نشان می‌دهند و مقدار اکسیژن بین
 Nm^۳/h6000-4000 برای بیش از ۶۰ درصد از نقاط داده قرار می‌گیرد. اگر نرخ مصرف کک کاهش یابد، نرخ مصرف PCI (تزریق پودر زغال‌سنگ) باید وفق داده شود. کک هرگز قابل حذف نیست (هرچند از HBI استفاده شود) زیرا کک باید سازه و نفوذپذیری ستون شارژ را فراهم سازد. بنابراین، یک حداقل نرخ مصرف کک باید تضمین شود.

  اگر HBI در BF شارژ شود، می‌توان بهره‌وری (تن چدن ذوب شده در ساعت) را افزایش داد. بهره‌وری را می‌توان تا ۱۰ درصد به ازای هر HBIبه میزان kg/t HM 100 در سطح اکسیژن ثابت افزایش داد (شکل ۶).

تأثیر HBI بر شرایط گاز خروجی

به‌ازای هر HBIمعادل kg /t HM 100 میزان استفاده از گاز بین ۰/۵ تا یک درصد کاهش می‌یابد (شکل ۷). بنابراین، درصد CO_۲/H_۲O در گاز کاهش پیدا می‌کند، در حالی‌که درصد CO/H_۲ زیاد می‌شود. HBI ماده پیش‌احیا‌شده است؛ بنابراین، اکسید آهن کمتری برای احیا در BF وجود دارد. از آنجا که درصد CO و H_۲ در گاز در هنگام استفاده از HBI بیشتر است، ارزش حرارتی اندکی، تا ۱/۵ درصد افزایش می‌یابد.

     هیچ همبستگی معنی‌داری برای دمای گاز خروجی یافت نشد. در طی دوره‌های مختلف آزمون، هیچ تاثیری از HBI بر ظرفیت خنک‌سازی وجود نداشت و هیچ جریان گاز قابل توجهی در دیواره‌های BF وجود نداشت.

     نفوذپذیری ستون شارژ هیچ‌گونه واکنش منفی یا مثبتی در زمان وجود HBI در شارژ نشان نداده است. این نیز نشانه آن است که HBI جریان گاز در امتداد دیواره‌های کوره را تحریک نمی‌کند یا بر عملیات کوره به طریقی منفی یا مثبت تأثیر نمی‌گذارد.

تأثیر HBI بر کیفیت چدن خام مذاب

یک نشانه از کیفیت بالای چدن خام مذاب، محتوای کربن زیاد و گوگرد کم آن است. عوامل احیاکننده گوگرد زیادی دارند (کک تقریباً ۰/۷ تا ۰/۵ درصد گوگرد دارد) و گوگرد مانع از کربن‌دهی به چدن خام مذاب می‌شود. چنانچه HBI در BF شارژ شود می‌توان نرخ مصرف کک را کاهش داد. شکل(۸) محتوای S چدن خام مذاب را با شارژ HBI به میزان kg/t HM 150-100 نشان می‌دهد. محتوای S کمتر چدن خام مذاب با شارژ HBI حاصل می‌شود.

     اما محتوای S چدن خام مذاب نه فقط به نرخ مصرف عوامل احیاکننده بلکه همچنین به نرخ تولید سرباره، استفاده از مواد بازیافتی با مقادیر زیاد گوگرد و سرعت ذوب‌کردن (در سرعت ذوب‌کردن بالاتر، کک در کوتاه‌مدت در بوته کوره می‌ماند) بستگی دارد.

     محتوای C بالاتر چدن خام مذاب با kg/t HM 150-100 شارژ HBI به‌دست می‌آید (شکل ۹). گوگرد، حل شدن کربن در چدن خام مذاب را به تعویق می‌اندازد؛ بنابراین، مقدار کربن بیشتری در HM وجود دارد (برابر با ورود گوگرد کمتر در صورت HBI).

نتیجه‌گیری

استفاده از نرخ‌های شارژ مختلف HBI تولیدی کارخانه شرکت فوست آلپین (در تگزاس)، در BF در مجتمع فولاد آن (در لینز، اتریش) طی دوره‌ای از ابتدای ژانویه ۲۰۱۷ تا ۳۱ ژانویه ۲۰۱۸ بر اساس داده‌های متوسط روزانه مورد بررسی قرار گرفت. برای مصرف HBI با نرخ kg HBI/t HM 100 در BF موارد زیر قابل استنتاج است:

۱- عوامل احیاکننده (CE، معادل کک) را می‌توان تا kg/t HM 5/27 تا ۲۱/۹ کاهش داد، در حالی که نرخ مصرف کک را نیز می‌توان تا kg/t HM 1/18 تا ۱۰/۹ تقلیل داد.

۲٫ بهره‌وری را می‌توان در سطح اکسیژن ثابت تا ۷/۳ الی ۱۰/۱ درصد افزایش داد.

۳٫ استفاده از گاز تقریباً ۱/۱ الی ۰/۴ درصد کاهش می‌یابد زیرا HBI یک ماده پیش‌احیاشده است و اکسید کمتری به BF شارژ می‌شود. کاهش مقدار اکسید شارژ شده مقدار CO و H_۲ تبدیل شده به CO_۲ و H_۲O را نیز کاهش می‌دهد.

۴٫ ارزش حرارتی گاز خروجی به‌دلیل محتوای بیشتر CO و H_۲، تا  Wh/Nm^۳ ۱۲/۳ الی۲۳/۵ افزایش می‌یابد.

۵٫ همبستگی بین دمای گاز خروجی، ظرفیت خنک‌کنندگی و نفوذپذیری و استفاده از HBI قابل مشاهده نیست.

۶٫ محتوای S چدن خام مذاب کمتر و محتوای C بالاتر (کیفیت بالای چدن) با شارژ HBIبه میزان kg /t HM 100 الی ۱۵۰ در مقایسه با زمانی که HBI شارژ نمی‌شود. محتوای S و C در چدن خام مذاب نه‌تنها به مقدار HBI شارژ شده، که مقدار عوامل احیاکننده حاوی گوگرد را کاهش می‌دهد، بلکه همچنین به عوامل دیگری همچون نرخ تولید سرباره، مقدار و ماهیت محتوای S بالای مواد بازیافتی، و سرعت ذوب‌کردن بستگی دارد.