(نویسنده:دکتر فضل‌اله حشمت‌نژاد-فولادمکران)

گروه رسانه‌ای پردازش – احیای مستقیم پودر سنگ‌آهن بر پایه هیدروژن (به اختصار HYFOR) اولین فرآیند احیای مستقیم جهان برای کنسانتره سنگ‌آهن حاصل از فرآوریِ آن است که دیگر نیازی به پیش‌پالایش‌هایی نظیر (Sintering) یا گَندِله‌سازی (Pelletizing) ندارد.

این فناوری نوآورانه، بر بستر تجارب ارزشمند حاصله از فرایندهای Finmet و Finex شرکت Primetals Technologies توسعه یافته و قابلیت به‌کارگیری بر روی تمامی انواع کنسانتره‌های فرآوری‌شده‌ سنگ‌آهن را داراست. HYFOR قادر است با ۱۰۰ درصدِ مواد اولیه‌ای با ابعاد ذرات کمتر از ۰/۱۵ میلی‌متر کار کند و حداکثر اندازه‌ دانه تا ۰/۵ میلی‌متر را نیز می‌پذیرد. به‌واسطه‌ی سطح ویژه (Large Particle Surface) بالای ذرات، این فرآیند می‌تواند به نرخ‌های احیای بالا در دما و فشار پایین دست یابد.

در آوریل سال ۲۰۲۱، پایلوت نیمه‌صنعتی احیای مستقیم پودر سنگ‌آهن با هیدروژن (HYFOR) که توسط شرکت پریمتالز تکنولوژیز ساخته شده است، در سایت فولادسازی فوستالپاین در شهر دوناوویتز اتریش به بهره‌برداری رسید و اولین آزمایش‌ها را با موفقیت انجام داد. این آزمایش‌ها با کنسانتره‌های مختلف سنگ‌آهن انجام شد. استفاده از ۱۰۰ درصد هیدروژن به عنوان عامل احیاکننده، ردپای CO_۲ را تقریباً به صفر کاهش داد.

شکل (۱): پایلوت احیامستقیم HYFOR واقع در کارخانه فوستالپین اتریش

کارخانه آزمایشی HYFOR از اولین فرآیند احیا مستقیم برای پودر سنگ‌آهن در جهان استفاده می‌کند که نیازی به فرایند گندله‌سازی ندارد. این فرآیند به معنای کاهش هزینه‌های سرمایه‌گذاری (CAPEX) و هزینه‌های عملیاتی (OPEX) است و HYFOR تنها فرآیندی در جهان است که قادر به فرآوری پودر کنسانتره سنگ‌آهن با ۱۰۰ درصد اندازه ذرات کمتر از ۰/۱۵ میلی‌متر و انواع مختلف سنگ‌آهن از جمله هماتیت و مگنتیت است که توسط مشتریان مختلف پریمتالز تکنولوژیز در سراسر جهان تامین می‌شود. کارخانه احیا مستقیم با طراحی مدولار ساخته خواهد شد که امکان مقیاس‌سازی سفارشی برای مشتریان برای کارخانه‌های فولاد با هر اندازه‌ای را فراهم می‌کند.

عامل احیای اصلی در این فرآیند، هیدروژن است که می‌تواند به صورت ۱۰۰ درصد از منابع تجدیدپذیر تامین شود. همچنین امکان استفاده از گازهای غنی از هیدروژن نظیر خروجی تجزیه حرارتی گاز طبیعی یا ریفرمرهای بخار متعارف نیز وجود دارد. استفاده از هیدروژن به عنوان عامل احیاکننده منجر به کاهش چشمگیر کربن و حتی دستیابی به ردپای کربنی صفر در فرآیند تولید می‌گردد.

محصول نهایی این فرآیند، آهن‌اسفنجی داغ (HDRI) است که می‌تواند به‌طور مستقیم به بخش ذوب پایین دستی، مانند کوره قوس‌الکتریکی (EAF) منتقل شود و یا برای تولید آهن بریکت داغ (HBI) بازارپسند مورد استفاده قرار گیرد.

راه‌حل پریمتالز تکنولوژیز برای حل چالش کاهش کربن در آهن‌سازی

این فناوری تحول‌آفرین، گامی بزرگ در راستای تولید فولاد سبز و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای در صنعت فولاد به شمار می‌رود. این شرکت متعهد است تا با توسعه راه‌حل‌های نوآورانه و پایدار، به رهبری صنعت فولاد در مسیر دستیابی به آینده‌ای کم‌کربن کمک نماید.

با توجه به تشدید الزامات کاهش کربن در صنعت فولاد و گسترش روزافزون کوره‌های قوس الکتریکی (EAF) در سطح جهان، پیش‌بینی می‌شود تقاضا برای آهن‌اسفنجی (DRI) و بریکت گرم آهن‌اسفنجی (HBI) همچنان با رشدی چشمگیر روبه‌رو باشد. درحال‌حاضر، تمامی فناوری‌های موجود جهت تولید DRI یا HBI مستلزم توده‌سازی مواداولیه، مانند گندله‌سازی، هستند. از سوی دیگر، تولیدکنندگان فولاد با چالش کاهش کیفیت سنگ‌آهن مواجه‌اند که ضرورت فرآوری این ماده معدنی را بیش از پیش ضروری می‌سازد. دستیابی به تولید فولاد، با نشر کربن صفر، مستلزم بهره‌گیری از فرآیندی است که عمدتا از هیدروژن (H_۲) استفاده نماید. فرآیند نوآورانه HYFOR، پاسخی جامع به تمامی این نیازمندی‌هاست.

نگاهی دقیق‌تر به کارخانه‌ آزمایشی HYFOR

کارخانه‌ آزمایشی HYFOR از سه بخش اصلی تشکیل شده است: واحد پیش‌گرمایش-اکسیداسیون، واحد تصفیه گاز، و واحد احیای اصلی.

در واحد پیش‌گرمایش-اکسیداسیون، کنسانتره‌ پودر سنگ‌آهن تا دمای تقریبی ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد گرم شده و سپس به واحد احیا منتقل می‌گردد. گاز احیاکننده که ۱۰۰ درصد هیدروژن است، به صورت برون‌سپاری از یک تأمین‌کننده‌ گاز تأمین می‌شود.

یک سیستم غبارگیری خشک، غبار را جهت جلوگیری از انتشار آلاینده‌ها در فرآیندهای مرتبط، جمع‌آوری و بازیافت می‌کند. آهن‌اسفنجی داغ (HDRI) پس از خروج از واحد احیا با دمای تقریبی ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد، قبل از خنک‌شدن و تخلیه از کارخانه‌ آزمایشی HYFOR، سرد می‌گردد. در مرحله‌ی بعدی، یک واحد تست

بریکت‌سازی داغ برای تولید آهن بریکت داغ (HBI) به این مجموعه اضافه خواهد شد. هدف از راه‌اندازی کارخانه‌ی آزمایشی HYFOR، تأیید این فرآیند پیشگامانه و استفاده از آن به عنوان یک مرکز تست است تا بتوان بر اساس داده‌های حاصل، مقیاس کارخانه را برای احداث یک نمونه‌ی اولیه صنعتی در گام بعدی توسعه، ارتقا بخشید.

میدرکس با ۱۰۰ درصد هیدروژن

در صورتی که قرار باشد هیدروژن به طور دائم به عنوان تنها عامل احیاکننده مورد استفاده قرار گیرد، ریفرمر گاز طبیعی را می‌توان با یک گرمکن گاز احیا جایگزین کرد. H_۲ طی فرآیند احیا به H_۲O تبدیل شده و در اسکرابر گاز بالایی (Top Gas Scrubber) متراکم می‌شود. از آنجایی که هیچ منبعی از مونوکسید کربن در حلقه فرآیند وجود ندارد، نیازی به سیستم حذف CO_۲ نیست. این فرآیند برای احیا به ازای هر تن آهن‌اسفنجی (DRI) تقریباً به Nm³ ۵۵۰ هیدروژن نیاز دارد. علاوه بر این، برای هر تن DRI حدود         Nm³ ۲۵۰ H_۲ برای گرما نیاز دارد که می‌توان آن را با سایر منابع انرژی تأمین کرد.

قابلیت کار با سنگ‌آهن کم‌عیار

فرایند HYFOR ضمن کاهش چشمگیر انتشار CO_۲، به تولیدکنندگان در مقابله با چالش کاهش کیفیت سنگ‌آهن که اخیراً تشدید شده است (منجر به نیاز بیشتر به فرآوری سنگ‌آهن می‌شود) کمک می‌کند. افزایش تقاضا برای گندله سنگ‌آهن در کوره‌های بلند و کارخانه‌های احیای مستقیم، منجر به افزایش قیمت سنگ‌آهن، به ویژه گندله شده است. با بهره‌گیری از HYFOR، تولیدکنندگان قادر خواهند بود مستقیماً از ریزدانه‌ کنستانتره سنگ‌آهن استفاده کنند.