روش های احیای مستقیم آهن

روش های احیای مستقیم آهن

اسلاید 1: روشهاي احيا مستقيم آهن

اسلاید 2: تاريخچهتوليد آهن اسفنجي در مقايسه با روش قديمي و سنتي توليد آهن بوسيله کوره بلند داراي سابقه كوتاه 50 ساله ميباشد .توليد آهن از طريق روس كوره بلند داراي مزيتهاي زيادي ميباشد كه هنوز هيچ روشي نتوانسته جايگزين آن گردد ولي بدلايلي از جمله كاهش ميزان دغال سنگ كك شو و مسائل محيطي باعث شده كه روشهاي جديد احيا آهن مورد توجه قرار گيرد . اولين بار احيامستقيم يا توليد آهن اسفنجي توسط محققان آمريكايي و مكزيكي صورت گرفت .

اسلاید 3: در كوره بلند واكنشهاي سنتيك احيا عموما زير نقطه دوب آهن و حدود 820 درجه سانتيگراد انجام ميگيرد ولي بدليل ظرفيت گرمايي بالاي كك محصول كوره بلند بصورت مذاب ميباشد ازطرف ديگر حل شدن كربن موجود درذغال باعث توليد محصول به صورت چدن ميگردد كه براي توليد فولاد يك مرحله فرآيند ديگر ضروري است . در روش احيا مستقيم ارزش حرارتي گاز طبيعي چون پايين تر از كك ميباشد واكنشهاي احيا در دماي پايين تر ازنقطه ذوب ميتواند صورت پذيرد . مشكل احيا در دماي پايين سرعت پايين واكنشهاي احيا ميباشد چون دردماي پايين واكنش شكستن گاز و توليد گازهاي احيا كننده منواكسيدكربن صورت نميگيرد باعبور گازدر اين درجه حرارت نميتوان آهن را احيا نمود براي حل اين مشكل محققان از يك رفرمرگازي يا محفظه شكست گاز استفاده ميكنند .

اسلاید 4: دررفرمورگازي با شكستن گازطبيعي گازهاي منواكسيدكربن و هيدروژن توليد ميشوند كه باگرم كردن تا1000درجه سانتيگراد ميتواند واكنشهاي احيا باسرعت مناسب صورت گيرد .اولين شركتي كه در زمينه توليد آهن اسفنجي فعاليت نمود شركت ميدركس آمريكا بودكه هم اكنون توليد با اين روش و بانام اين شركت در اكثر نقاط جهان ادامه دارد و 65 درصد سهم توليد آهن اسفنجي از اين روش ميباشد . گروه ديگري كه در توليد آهن اسفنجي فعاليت داشته اند شركت مكزيكي HYL بوده است اين شركت هم اكنون ادعادارد با حذف رفرمرگازي توانسته نسل چهارم كوره هاي خودرا به بازار عرضه نمايد .توليدآهن اسفنجي رشد چشمگيري داشته كه 1ميليون تن در سال 1970 به 54 ميليون تن درسال 2004 رسيده است .

اسلاید 5: با توجه به اين ميزان توليد بازهم سهم آهن اسفنجي 5 درصد كل فولاد خام توليدشده و نسبت به سنگ معدن مصرفي در توليد فولاد 8 درصد سنگ معدن مصرفي درصنايع فولادسازي جهان ميباشد .بالا رفتن قيمت گاز طبيعي و ذغال سنگ كك شو باعث شده تا محققين به سمت روشهاي توليد با ذغال سنگ كك نشو در تهيه آهن اسفنجي روي بياورند ولي هنوز ظرفيتهاي بيش از 1 ميليون تن در سال نتوانسته اند با اين روش احداث و بهره برداري نمايند .تمامي شركتهاي بزرگ همانند ميدركس دنبال روشهاي جديد استفاده از ذغال سنگ كك نشو ميباشند كه بتوان هزينه توليد فولاد را كاهش داد و دربازار رقابت باقي بماند .

اسلاید 6: روشهاي مهم توليد آهن به روش احيا مستقيمفرآيند ميدركسفرآيند اچ واي ال HYL ( نسل چهارم )فرايند SL/RNفرآيند ITmK3فرآيند CIRCORED (Lurgi)فرآيند CIRCOFER (Lurgi)

اسلاید 7: 1- روش ميدركسسنگ آهن ورودي :ازنوع گندله پس از گندله سازيعامل احياكننده :گازطبيعي شكسته شده بوسيله فرايند رفرمينگنوع كوره احيا :كوره شافت عموديدرجه حرارت احيا :حدود 850 تا 870 درجه سانتيگرادسابقه فرآيند : از حدود سال 1975 ميلاديظرفيت بهينه :يك ميليون تن براي هر مدول

اسلاید 8: توليد آهن اسفنجي به روش احيا مستقيم ميدرکس :    کيفيت مواد اوليه مصرفي در فرآيندهاي توليد آهن و فولاد کم و بيش به روش توليد آنها بستگي دارد. آگاهي از مواد اوليه لازم، آماده سازي آن مواد و نيز مواد واسطه و نهايي براي توليد به روش ميدرکس لازم است. احياء مستقيم به روش ميدرکس شامل تاسيسات و واحدهاي ذيل مي باشد که به اختصار تشريح مي شود.    1- کوره احياء براي توليد آهن اسفنجي    2- راکتور توليد گاز احياء کننده    3- تجهيزات جانبي

اسلاید 9: رفورمر توليد گاز احيارفورمرگازي در روش ميدركس مكعب مستطيلي به ابعاد 10*40*8 متر ميباشد كه داخل محفطه لوله هايي از جنس استيل قرارگرفته است درچهار رديف داخل لوله ها از كاتاليزور پرشده است مخلوط گاز خروجي و گازطبيعي وارد لوله ها ميشوند چون دماي لوله ها بالا است درون لوله واكنش توليد گاز احيا صورت ميگيرد ( گرم بودن لوله ها به علت مشعلهايي است كه حرارت لازم جهت اكسايش متان را فراهم مي آورند . ) گاز احيا كه شامل H2 و CO مي باشد به سمت كوره ميروند قطر لوله ها 200 ميليمتر و ضخامت 9 ميليمتر است . دماي لوله ها حدود 1100 درجه ميباشد .

اسلاید 10:

اسلاید 11:

اسلاید 12:

اسلاید 13: 2- فرآيند اچ واي ال نسل چهارمسنگ آهن ورودي :ازنوع گندله پس از گندله سازيعامل احياكننده :گازطبيعي شكس ته شده بدون فرايند رفرمينگنوع كوره احيا :كوره شافت عموديدرجه حرارت احيا :حدود 850 تا 870 درجه سانتيگرادسابقه فرآيند : از حدود سال 2003 ميلاديظرفيت بهينه :هشتصدهزار تن براي هر مدول

اسلاید 14: در روشهاي اچ واي ال قديمي تر روش 1و2و3 گاز طبيعي بوسيله رفرمينگ شكسته شده و همانند روش ميدركس به داخل كوره احيا دميده ميشود . احياي مستقيم سنگهاي آهن به روش اچ – واي – ال سه بر خلاف روشهاي اچ- واي – ال يک و دو مداوم مي باشد . براي توليد آهن اسفنجي در حالت جامد، هر مدول اچ – واي – ال سه فقط يک کوره دارد. گندله هاي پخته از سنگ آهن هماتيتي در مخازن خورجين مانندي در بالاي کوره تخليه مي شوند . ولي در روش اچ واي ال 4 عمليات رفرمينگ نيز حذف شده و گندله به صورت مداوم از بالاي كوره وارد شده همراه آن گاز طبيعي از بالاي كوره وارد مي گردد و از وسط كوره گاز پروسس و اكسيژن جهت انجام واكنش به داخل كوره شارژ مي شود گاز طبيعي كه از بالاي كوره وارد مي گردد .

اسلاید 15: عموما از ركپراتور عبور كرده تا هم خشك شود و هم حرارت آن بالا رود .احيا آهن در روشهاي احيا مسقيم بوسيله گاز طبيعي بوسيله عوامل احيا كننده H2 و CO انجام ميگيرد در داخل كوره آهن به صورت گندله واردشده و با دمش گاز طبيعي مواد گرم شده وبا دمش گازهاي احيا و اكسيژن جهت سوختن گاز طبيعي عمل احيا شنگ آهن صورت ميگيرد .

اسلاید 16: 3- فرآيند SL/RNسنگ آهن ورودي :بصورت كلوخه يا گندلهعامل احياكننده :ذغال سنگ كك نشونوع كوره احيا :كوره دوار Rotary Kilnدرجه حرارت احيا :حدود 1000 تا 1100 درجه سانتيگرادسابقه فرآيند : از حدود سال 1980 ميلاديظرفيت بهينه :يك صدهزار تن براي هر مدول

اسلاید 17: فرآيند SL/RN روشي است كه در اين روش از كوره هاي دوار استفاده ميشود تحقيقات اوليه آن به حدود پس از جنگ جهاني دوم ميرسد كه شركتهاي مختلفي اعمم از اروپايي و آمريكايي در شكل دهي اين روش حضور داشته اند كه نام اين فرآينداز همين موضوع منشا گرفته است كه هر حرف آن اول نام يكي ازاين شركتها ميباشد . ولي بيشتر تحقيقا ت در كشور آلمان و توسط شركت Lurgi انجام گرفته است . تكنولوژي توليد در كوره دوار قبل از آهن اسفنجي با فرآيند توليد سيمان و آهك طراحي و شروع به كار نموده است . در واقع توليد آهن در اين كوره ها بهينه سازي شده همان فرآند توليد سيمان و آهك ميباشد . شنگ آهن در اين فرآيند بصورت كلوخه يا گندله همراه با دغال كك نشو و مقداري آهك و دولوميت جهت تعديل مقدار گورگرد موجو در ذغال سنگ از يك طرف كوره افقي دوار وارد آن ميشود . كوره احيا يك كوره افقي مايل بازاويه حدود 5 درجه ميباشد . كوره دراثر سوختن ذغال و ورودهوا و نرمه ذغال سنگ تا حدود 1000 درجه گرم ميشود كه مواد شارژ شده در قسمت اول كوره پيشگرم شده و در قسمت دوم تا 92 درجه فلزي احيا مي گردد .

اسلاید 18: مواد احيا شده گرم پس از خروج از كوره وارد يك كوره دوار حنك كننده ميشوند تا درجه حرارت آنها پايين بيايد سپس با خروج از كوره خنك كننده و گذشتن از زير دستگاه جداكننده مغناطيسي مواد فلزي از خاكستر جداشده و براي انبار كردن يا انجام عمليات ذوب به كوره قوس منتقل گردد .سنگ آهن مصرفي دركوره دوار دراين روش بدليل درفشار نبودن كلوخه هاي موادشارژ از حساسيت كوره هاي عمودي برخوردار نبوده و ميتوان از انواع سنگهاي آهن با دانه بندي كلوخه بين 6 تا 20 ميليمتر در اين كوره استفاده نمود . حركت كلوخه ها بصورت مداوم و به آرامي در داخل كوره افقي دوار ميباشد . عموماكلوخه خام مخلوط اط نزم سنگ آهن و نرمه ذغال و جسب سر ميباشد كه نتيجه بهتري بدر مرحله را دارد .ذغال سنگ مورد استفاده چون از نوع ارزان بوده و قابليت تبديل به كك را ندارد بسيار در دسترس ميباشد . ذغال مورد استفاده ميتواند تا حدود 30 % مواد فرار داشته باشد و لي كربن آن نبايد كمتر از 45 % باشد .دولوميت نيز بدليل كاهش اثر گوگرد موجود در ذغال سنگ به مواد شارژ اضافه ميگردد و همچنين باعث تسريع در عمليات احيا ميگردد .

اسلاید 19: ساختمان كوره افقي دوار كوره دوار افقي مهمترين بحش واحد احياميباشد اين كوره متشكل از يك استوانه فولادي به قطر 3 الي 6 متر و طول 25 الي 80 متر بوده داخل آن آجرچيني شده و كوره با يك شيب ملايم 3-5 درجه روي چرخدنده هاي گرداننده نصب مي گردند . دماي منطقه احيا حدود 1075 درجه سانتيگراد ميباشد . بخاطر بالارفتن دماي كوره پودر ذغال از انتهاي خروجي كوره به داحل كوره تزريق ميگردد و در فواصل معين يك سري دريچخ جهت دمش هواي پروسس براي سوختن بهتر ذغال سنگ وتوليد گاز CO جهت احيا طراحي شده اند .گاز پروسس گرم همرا به مقداري هواي آزاد از اين دريچه ها به داخل كوره تزريق ميگردند .

اسلاید 20:

اسلاید 21: 4 – فرآيند ITmk3سنگ آهن ورودي :ازنوع گندله خام و مخلوط باذغالعامل احياكننده :ذغال سنگ كك نشو كه با سنگ آهن گندله شده است نوع كوره احيا :كوره سيني دوار Rotary Hearthدرجه حرارت احيا :حدود 1300 تا 1350 درجه سانتيگرادسابقه فرآيند : از حدود سال 199 ميلاديظرفيت بهينه :پانصدهزار تن براي طراحي تجاري

اسلاید 22: شرح فرآيند :پودر سنگ آهن به همراه نرمه ذغال سنگ كك نشو و جسب به صورت گندله در اندازه هاي معين در آمده و از بالا به داخل كوره شارژ ميشود . كوره بوسيله مشعل تا حدود 1350 سانتيگراد گرم ميشود تا واكنش احيا آهن انجام پذيرد .سنگ آهن احيا شده به صورت آهن زينتر شده Iron Nuggets با حرارت بالا از كوره خارج ميشود در بخش خروجي دما تا مرحله خميري شدن بالا برده ميشود و سرباره آن جدا مي گردد . آهن با درجه فلزي بالا حدود 97 درصد بدست آمده كه ميتواند به عنوان شارژ كوره هاي الكتريكي استفاده گردد . اين فرآيند توسط شركت ميدركس ابداع گرديده است .

اسلاید 23:

اسلاید 24: 5 - فرآيند CIRCORED (Lurgi)سنگ آهن ورودي :بصورت نرمه سنگ آهنعامل احياكننده :گازطبيعي پروسس شدهنوع كوره احيا :كورهCirculating Fluidized Bed درجه حرارت احيا :حدود 800 پيش گرم و 650 درجه مرحله احياسابقه فرآيند : از حدود سال 1999 ميلاديظرفيت بهينه :پانصد هزار تن براي هر مدول

اسلاید 25: شرح فرآيند :نرمه سنگ آهن در مرحله اول تا حدود 800 درجه پيش گرم ميشود و خشك ميگردد اين سنگ آهن در يك كوره از نوع Fluidized Bed شارژ ميگردد آهن در مرحله اول تا حدود 70 درصد احيا ميگردد. انرژي گرمايي كوره بوسيله يك سري مشعل كه با مخلوط گاز طبيعي و هوا كارميكنند تامين ميشود همچنين در مرحله اول مقداري گاز پروسس شده خروجي مرحله دوم عمليات احيا به داخل كوره دميده ميشود . بعد از اين مرحله مرحله دوم احيا قرار دارد كه تا 93 درصد آهن احيا ميگردد . درجه حرارت در اين مرحله كمتر و حدود 630 درجه مي باشد ولي فشار محيط احيا بايد تا 4 اتمسفر افزايش پيداكند .

اسلاید 26: خروجي مرحله دوم با خلوص بالا به صورت بريكت براي شارژ دركوره قوس الكتريك استفاده مي گردد . اين روش بديل استفاده از نرمه سنگ آهن كه ارزان ميباشد ميتواند رقيبي براي روش ميدركي و اچ واي ال باشد . ولي ضعف اين روش دركنترل و ايجاد فشار بالادر كوره احيا ميباشد كه اپراتوري اين مورد كمي با مشكل همراه است .

اسلاید 27:

اسلاید 28: 5 - فرآيند CIRCOFER (Lurgi)سنگ آهن ورودي :بصورت نرمه سنگ آهنعامل احياكننده :ذغال سنگ كك نشونوع كوره احيا :كورهCirculating Fluidized Bed درجه حرارت احيا :حدود 1000 درجه سانتيگرادسابقه فرآيند : از حدود سال 1985 ميلاديظرفيت بهينه :پانصد هزار تن براي هر مدول

اسلاید 29: شرح فرآيند:در اين فرآيند كه مشابه همان فرآيند CIRCORED ميباشد با كمي تغيير از پودر ذغال سنگ بجاي گاز طبيعي پروسس شده به عنوان عامل احيا كننده استفاده ميشود . نرمه سنگ آهن همراه با آهك جهت كاهش اثر گوگرد ذغال سنگ همراه با نرمه دغال سنگ مخلوط شده و در مرحله اول پيشگرم تا 73 درصد فلزي احيا ميگردد . درمرحله دوم آهن تا 93 درصد فلزي احيا ميگردد و به صورت بريكت آماده شارژ كوره قوس الكتريك ميگردد .ذغال سنگ همراه با دمش گاز اكسيژن وارد Gasifier (كاربراتور) ميگردد و پس از مخلوط شدن در مرحله اول به داخل كوره دميده ميشود . بدليل وجود كاربراتور جهت مخلوط كردن ذغال سنگ و اكسيژن بايد درجه نرمي خاكستر دغال بالاتر از 1500 درجه سانتيگراد باشد .

اسلاید 30: اين روش خودرا رقيب روش ITmK3 ميدركس ميداند . اين روش نيز مشابه روش قبل CIRCORED بخاطر بالابودن فشار در مرحله دوم احيا از نظر كنترل فشار اتمسفر كوره داراي مشكل و با اپراتوري سختي درگير ميباشد .

اسلاید 31: CIRCOFER فرآيند