تولید آهن اسفنجی در فرایندهای احیای مستقیم آهن – قسمت 7 – روش قائم

اگر از قسمت های قبلی این نوشته خاطرتان مانده باشد، نوشتیم که در روش های میدرکس، اچ وای ال، پوروفر و پرد از گاز طبیعی (که قسمت اعظم آن متان است) به عنوان عامل احیا کننده و گرمازا استفاده می شود. در این روش ها، گاز طبیعی با شیوه های خاصی به گاز احیا کننده تبدیل می شود. عامل اکسایش جزئی گاز طبیعی و تبدیل آن به گاز احیایی، در در روش های میدرکس و پوروفر، گاز دی اکسید کربن و بخار آب و در روش اچ وای ال، بخار آب است. در کنار این روش ها، روش های دیگری برای احیای مستقیم بر اساس استفاده از اکسیژن به عنوان عامل اکسایش جزئی گاز طبیعی بدون استفاده از کاتالیزور و یا از طریق خودکاتالیزری توسعه یافته اند. یکی از این نوع روش ها، اچ – ایرون است که از سال ۱۹۵۰ تا ۱۹۶۱ میلادی در چندین واحد تولید داشته است. در این روش گاز طبیعی با اکسیژن تفکیک و گاز احیا کننده حاوی هیدروژن و اکسیدکربن تولید و متعاقباً این گاز تولیدی با بخارآب مجدداً مبادله و گازی با بیش از ۹۷ درصد هیدروژن تولید شده است. روش دیگر، جت سملتينگ می باشد که از اکسایش جزیی گاز طبیعی با اکسیژن در دمایی حدود ۱۵۵۰ درجه سانتیگراد انجام و احیای مستقیم اکسیدهای آهن توسط گاز تولیدی انجام گرفته است. احیای مستقیم به روش خود کاتالیزوری آلیس – چالمرز با استفاده از گاز طبیعی و اکسیژن روش دیگری از این نوع احیای مستقیم است. این روش ها منجر به ابداع روش های صنعتی احیای مستقیم بر مبنای تغییر فرم گاز طبیعی با اکسیژن بدون استفاده از کاتالیزور مانند روش های آرکس، دانارکس، اچ.وای.ال چهار-ام و قائم شده اند. در این نوشته قصد داریم به معرفی فرایند احیای مستقیم قائم بپردازیم که با کمال افتخار توسط کارشناسان و مهندسان کارخانه ذوب آهن اصفهان و همکاران ایشان از اساتید محترم دانشگاه به صورت آزمایشگاهی و سپس صنعتی اجرا و پیاده شده است. به طور خلاصه باید گفت که در روش ابداعی قائم برای تولید آهن اسفنجی در ذوب آهن اصفهان، بر خلاف روش های معمول، رفورمر وجود ندارد و گاز احيايی در اثر سوختن ناقص گاز طبيعی در رآكتور توليد می شود. دراین فرایند، گندله توسط گاز احيايی توليد شده توسط رآكتور، به آهن اسفنجی تبديل مي گردد.

واحد تولید آهن اسفنجی قائم در ذوب آهن اصفهان

احیای مستقیم به روش خودکاتالیزوری قائم

اولین مدول آزمایشی این فرایند با ظرفیت تولید ۴۰ هزار تن در سال (مدول ۴۰) به نام قائم ۱ در دی ماه ۱۳۷۴ در شرکت ذوب آهن اصفهان راه اندازی شد. به صورت خلاصه، واحد قائم ۱ شامل بخش های زیر است:

کوره تنوره دار یا شافتی (Shaft Furnace) با قطر ۲ متر و ارتفاع ۵ متر، که مشابه سایر فرایندهای کوره شافتی مثل میدرکس احیاء گندله با گاز طبیعی در آن اتفاق می افتد.
رکوپراتور برای پیشگرم مخلوط گاز طبیعی و گاز خروجی کوره.
محفظه احتراق، که در آن مخلوط گاز طبیعی و گاز خروجی کوره که پیش گرم شده اند به همراه گاز طبیعی و اکسیژن، واکنش داده و تبدیل به گاز احیایی (شامل منو اکسید کربن، هیدروژن و غیره) می شوند.
راکتور تنظیم برای یکسان سازی دمای گاز احیایی و نیز تنظیم دما در پیش گرمکن گندله، پیش گرم کن نیتروژن و غیره.

کوره شافتی در این فرایند شامل این بخش ها است:

بخش بالایی که سیستم شارژ و خروجی گاز خروجی را به ناحیه احیایی وصل می کند.
ناحیه احیایی همراه با ورودی گاز احیایی، محفظه توزیع گاز و بخش بالایی کوره.
بخش پایینی کوره، شامل ناحیه خنک کاری که با کلوخه شکن و سیستم تخلیه DRI سرد به درون مخازن ذخیره سازی آهن اسفنجی، تجهیز شده است.

در شکل زیر، طرح کوره، سایر تجهیزات و جریان مواد در قائم ۱ را می توانید ببینید:

واحد قائم ۱

بر پایه نتایج مربوط به واحد آزمایشی و در طرح توسعه روش قائم، اولین مدول تجاری این فرایند با نام قائم ۲ با ظرفیت ۶۰۰ هزار تن در سال (مدول ۶۰۰) طراحی، ساخته و در سال ۱۳۷۵ در کارخانه ذوب آهن اصفهان به بهره برداری رسید.

طراحی قائم دو بر اساس دستاوردهای نظری و تجربی قائم یک و نیز سایر واحدهای احیای مستقیم در جهان استوار است. طراحی قائم دو (کوره، راکتورهای تولید گاز احیاکننده و غیره) با طراحی قائم یک، تفاوت دارد. در شکل زیر طرح کوره، راکتورهای تولید گاز و تجهیزات قائم دو نشان داده شده است:

واحد قائم ۲

قائم دو نیز بر اساس مصرف گاز طبیعی به عنوان تامین کننده حرارت و عامل احیا و اکسیژن و گاز خروجی کوره احیا به عنوان عامل اکسایش جزئی گاز طبیعی طراحی شده است. کوره احیا در قائم دو نیز مانند قائم یک، استوانه ای شکل با ۳ متر قطر و ۵ متر ارتفاع و برای تولیدی معادل ۶۰۰ هزار تن در سال طراحی شده است. در کوره احیا در قائم دو در بالای کوره یک تغذیه کننده گندله، در داخل کوره یک منطقه احیا در بالا و یک منطقه سرد کننده آهن اسفنجی در پایین کوره، طراحی شده است. راکتور پیشگرم کننده گندله در قائم دو که در بالای کوره طراحی شده، استوانه ای شکل و ۲ متر قطر و سه متر ارتفاع دارد و برای پیشگرم کردن گندله با نیتروژن تا حدود ۵۰۰ درجه سانتیگراد طراحی شده و ظرفیتی حدود ۲۰ تن دارد.