جستجو 
راکتور احیای آهن اسفنجی چیست؟ (3 تفاوت کلیدی روش DRI با روش سنتی)
با رشد روزافزون صنایع فولاد و افزایش تقاضا برای مواد اولیه باکیفیت و کم‌کربن، فناوری‌های نوین در تولید آهن نیز بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته‌اند. یکی از مهم‌ترین این فناوری‌ها، فرآیند احیای مستقیم آهن (Direct Reduction) است که در آن سنگ‌آهن بدون نیاز به ذوب، به آهن فلزی تبدیل می‌شود. در قلب این فرآیند، راکتور احیای آهن اسفنجی قرار دارد؛ تجهیزی کلیدی که نقش اصلی را در تبدیل سنگ‌آهن به آهن اسفنجی ایفا می‌کند. این راکتور، با استفاده از گازهای احیا کننده مانند گاز طبیعی یا هیدروژن، اکسیژن موجود در سنگ‌آهن را حذف کرده و محصولی خالص‌تر، یکنواخت‌تر و با آلودگی کمتر نسبت به روش‌های سنتی تولید آهن فراهم می‌آورد. اهمیت این فناوری نه تنها در کیفیت محصول نهایی، بلکه در کاهش مصرف انرژی، کاهش انتشار دی‌اکسیدکربن و حرکت به سوی تولید فولاد سبز نهفته است.
در این مقاله، با ساختار و عملکرد راکتور احیای آهن اسفنجی آشنا می‌شویم و به بررسی کاربردها، مزایا و معایب این فناوری در صنعت فولاد می‌پردازیم.
آهن اسفنجی چیست؟
آهن اسفنجی (DRI) محصول احیای مستقیم سنگ‌آهن بدون ذوب است که طی آن با استفاده از گاز طبیعی یا زغال‌سنگ احیایی، اکسیژن از سنگ‌آهن جدا و آهن فلزی متخلخل تولید می‌شود. به‌دلیل ظاهر اسفنجی ناشی از تخلخل‌ها، به این نام شناخته می شود. آهن اسفنجی عمدتاً به‌عنوان ماده اولیه در کوره‌های قوس الکتریکی و القایی برای تولید فولاد به‌کار می‌رود.
راکتور احیای آهن اسفنجی و چگونگی عملکرد آن
احیای آهن اسفنجی Direct Reduced Iron یا DRI فرآیندی است که در آن سنگ‌آهن بدون ذوب‌شدن، در حالت جامد احیا می‌شود تا اکسیژن از آن خارج شده و آهن فلزی باقی بماند. این فرآیند در راکتورهای خاصی انجام می‌شود که بسته به تکنولوژی مورد استفاده (مانند میدرکس MIDREX، HYL یا PERED) ممکن است تفاوت‌هایی داشته باشد. در اینجا مراحل کلی احیای آهن اسفنجی در راکتور به صورت کامل توضیح داده می‌شود:
آماده‌سازی خوراک (سنگ‌آهن)
مواد اولیه شامل گندله (توپ‌های کوچکی از سنگ‌آهن فشرده‌شده)، کلوخه (Lump)، یا نرمه سنگ‌آهن باید از نظر اندازه و ترکیب شیمیایی کنترل شوند که معمولاً گندله چون ساختار یکنواخت‌تری دارد، به‌عنوان خوراک اصلی استفاده می‌شود.
پیش‌گرمایش سنگ‌آهن
قبل از ورود گندله‌های سنگ‌آهن به راکتور برای تولید آهن اسفنجی، لازم است ابتدا گرم شوند. این مرحله که پیش‌گرمایش نام دارد، طی آن گندله‌ها تا دمای حدود 700 تا 800 درجه سانتی‌گراد حرارت می‌بینند. برای انجام این فرآیند، به‌جای مصرف سوخت تازه، از گازهای داغی بهره می‌گیرند که پیش‌تر از راکتور خارج شده‌اند. این گازها همچنان حاوی انرژی گرمایی قابل توجهی هستند و دور ریختن آن‌ها نوعی اتلاف به شمار می‌رود. بنابراین، آن‌ها را به مسیر عبور گندله‌ها هدایت می‌کنند تا گرمای مورد نیاز تأمین شود.
تولید گاز احیاکننده
گاز مخصوص احیای آهن اسفنجی معمولاً گاز طبیعی (Methane) است که با بخار آب یا گاز CO₂ در حضور کاتالیزور تبدیل به گاز احیاکننده CO و H₂ می‌شود:
CH₄ + H₂O → CO + 3H₂
CH₄ + CO₂ → 2CO + 2H₂
فرآیند احیا در راکتور
بعد از اینکه گندله‌های سنگ‌آهن (که قبلاً پیش‌گرم شده‌اند) آماده شدند، وارد راکتور اصلی می‌شوند. این راکتور شبیه یک ستون بزرگ عمودی است که به آن «کوره شفتی» (Shaft Furnace) هم می‌گویند. گندله‌ها از بالای این ستون وارد می‌شوند و به آرامی به سمت پایین حرکت می‌کنند. در همین زمان، از پایین راکتور، سوختی داغ به نام گاز احیا کننده به داخل فرستاده می‌شود. این انرژی حرارتی معمولاً از ترکیبات گاز طبیعی ساخته می‌شود (مثل هیدروژن و مونوکسید کربن).
این گاز به سمت بالا حرکت می‌کند، یعنی در جهت مخالف با گندله‌ها. وقتی گاز داغ به گندله‌های در حال سقوط برخورد می‌کند، یک واکنش شیمیایی انجام می‌شود. این گاز، اکسیژن موجود در سنگ‌آهن را جدا می‌کند، و در نتیجه آهن فلزی به دست می‌آید و چون این آهن سوراخ‌سوراخ است، به آن می‌گویند آهن اسفنجی. کل این فرایند در دمای تقریباً 800 تا 900 درجه سانتی‌گراد انجام می‌شود. این دما برای انجام واکنش شیمیایی و تبدیل سنگ‌آهن به آهن فلزی لازم ضروری است.
خنک‌سازی و تخلیه محصول
وقتی احیای آهن اسفنجی در راکتور انجام شد، محصول بدست آمده بسیار داغ است. برای اینکه بتوان آن را راحت‌تر جابه‌جا یا استفاده کرد، باید خنک شود. این کار معمولاً با استفاده از گازهای بی‌اثر مثل نیتروژن انجام می‌شود، چون این گازها با آهن واکنش نمی‌دهند و فقط آن را سرد می‌کنند. بعد از خنک‌شدن، آهن اسفنجی به‌صورت جامد از پایین راکتور بیرون می‌آید.
این آهن دو کاربرد بسیار مهم دارد یا مستقیم به کوره قوس الکتریکی فرستاده می‌شود تا در آنجا ذوب شده و به فولاد تبدیل شود یا اینکه آن را به شکل بریکت‌های فشرده درمی‌آورند که به آن‌ها HBI(Hot Briquetted Iron) می‌گویند.
بازیابی و بازیافت گازهای خروجی
وقتی فرآیند تولید احیای آهن اسفنجی در راکتور انجام می گیرد، گازهایی داغ از راکتور خارج می‌شوند. این گازها هنوز مقدار قابل‌توجهی از مواد مفید مثل هیدروژن (H₂) و مونوکسید کربن (CO) دارند که می‌توان دوباره از آن‌ها استفاده کرد. برای اینکه این گازها هدر نروند، قبل از اینکه کاملاً از سیستم خارج شوند، آن‌ها را از فیلترها و مبدل‌های حرارتی عبور می‌دهند. فیلترها ناخالصی‌ها را جدا می‌کنند و سپس مبدل‌های حرارتی گرمای گاز را می‌گیرند و از آن برای گرم‌کردن قسمت‌های دیگر سیستم استفاده می‌کنند. در نهایت، این گازهای پاک‌سازی‌شده و گرم‌شده را دوباره به دستگاهی به نام ریفرمر (Reformer ) برمی‌گردانند تا دوباره آماده استفاده در راکتور شوند.
مزایا و معایب استفاده از راکتور احیای آهن اسفنجی چیست؟
استفاده از راکتور احیای آهن اسفنجی چندین مزیت مهم دارد که باعث شده در بسیاری از کشورها، مخصوصاً کشورهایی با منابع گاز طبیعی مانند قطر، ایران، عربستان سعودی، روسیه، ایالات متحده و کشورهای آسیا-اقیانوسیه که نقش مهمی در تولید DRI دارند، بسیار محبوب شود. در نتیجه افزایش استفاده از آهن اسفنجی در فولادسازی، باعث افزایش استفاده از فناوری های نوین در تولید فولاد و عامل اصلی محرک رشد بازار شد. در کشورهایی مانند هند، ایران و عربستان سعودی که به‌عنوان قطب‌های اصلی تولید این ماده شناخته می‌شوند این روند نه‌تنها مصرف انرژی و آلایندگی زیست‌محیطی را کاهش داده، بلکه نقش کلیدی در توسعه پایدار صنعت فولاد ایفا کرده است. در ادامه مزایا و معایب این روش را در جدول زیر بررسی می‌کنیم.
| مزایا | معایب |
| مصرف انرژی کمتر نسبت به کوره بلند | نیاز به گاز طبیعی یا هیدروژن با خلوص بالا |
| تولید آهن در حالت جامد بدون نیاز به ذوب | تخلخل آهن اسفنجی باعث اکسیداسیون سریع در تماس با هوا می‌شود |
| آلایندگی زیست‌محیطی کمتر، CO₂ کمتر نسبت به کوره بلند | ظرفیت تولید معمولاً کمتر از کوره بلند |
| مناسب برای استفاده در کوره‌های قوس الکتریکی | نیاز به تجهیزات خاص برای ذخیره و حمل ایمن آهن اسفنجی |
| امکان استفاده از منابع گاز تجدیدپذیر (مثل هیدروژن سبز) | سرمایه‌گذاری اولیه بالا برای زیرساخت گاز و ریفرمر |
| تولید پیوسته و قابل کنترل با کیفیت ثابت | حساسیت فرآیند به نوسانات کیفیت گاز احیا کننده و سنگ‌آهن |
| کاهش وابستگی به واردات کک و زغال‌سنگ | بهره‌وری فرآیند وابسته به طراحی دقیق راکتور و شرایط عملیاتی پایدار |
کاربردهای احیای آهن اسفنجی چیست؟
آهن اسفنجی به طور مستقیم در زندگی روزمره دیده نمی‌شود، اما نقش بسیار مهمی در صنایعی دارد که محصولات آن‌ها در زندگی ما حضور دارند. در واقع، آهن اسفنجی ماده اولیه تولید فولاد است، و فولاد در بسیاری از ابزارها، سازه‌ها و وسایل اطراف ما به کار می‌رود.
تولید فولاد در کوره‌های قوس الکتریکی (EAF)
احیای آهن اسفنجی یکی از روش‌های نوین و مؤثر در تولید مواد اولیه صنعت فولاد به شمار می‌رود. آهن اسفنجی احیا شده، حاصل این فرآیند، به‌عنوان یکی از مهم‌ترین منابع تأمین آهن در کارخانه‌های فولاد سازی، به‌ویژه در کوره‌های قوس الکتریکی (EAF) مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این روش، به‌جای بهره‌گیری از آهن‌قراضه، از آهن اسفنجی حاصل از احیا استفاده می‌شود که به دلیل خلوص بالا، یکنواختی ترکیب و کاهش ناخالصی‌ها، موجب تولید فولادی تمیزتر، مقاوم‌تر و باکیفیت بالاتر می‌گردد.
ساخت فولاد مورد استفاده در قطعات دقیق
آهن اسفنجی احیا شده در تولید انواع فولادهای خاص و باکیفیت بالا مانند فولاد ضد زنگ، فولاد ابزار و فولاد مورد استفاده در ماشین‌سازی و قطعات دقیق کاربرد دارد. به دلیل ناخالصی بسیار کم، این ماده انتخاب مناسبی برای ساخت چنین فولادهایی است.
ساخت بریکت گرم (HBI)
در فرآیند احیای آهن اسفنجی، یکی از کاربردهای مهم، تبدیل آهن اسفنجی به بریکت گرم (HBI) است؛ زمانی که آهن اسفنجی به‌تازگی از راکتور احیاء خارج شده و هنوز داغ است، بلافاصله تحت‌فشار بسیار بالا فشرده می‌شود تا به‌صورت قالب‌های متراکم و جامد درآید. به این محصول نهایی بریکت گرم آهن اسفنجی یا Hot Briquetted Iron گفته می‌شود و به دلیل ایمنی بالا، مقاومت در برابر زنگ‌زدگی و سهولت در حمل‌ونقل، به‌عنوان یکی از محصولات صادراتی کلیدی در صنعت فولاد شناخته می‌شود.
موارد کاربرد آهن اسفنجی در زندگی روزمره (غیرمستقیم)
- خانه: آهن اسفنجی در بدنه یخچال، اجاق‌گاز و ماشین لباسشویی، در و پنجره‌های فلزی
- خودرو و وسایل نقلیه: بدنه و شاسی خودرو، قطعات داخلی موتور و سیستم تعلیق، همچنین قطعات مورد استفاده در قطار، اتوبوس، کشتی و هواپیما
- ساختمان‌سازی: در ساخت اسکلت فلزی ساختمان‌ها شامل تیرآهن، میلگرد و ستون‌ها، همچنین در سازه‌های فلزی برج‌ها، تونل‌ها، پل‌ها و حتی در آسانسورها و تجهیزات فلزی ساختمانی
- ابزار و ماشین‌آلات: آچار، چکش، پیچ‌گوشتی، ماشین‌آلات کشاورزی، صنعتی و ساختمانی
تفاوت فرآیند DRI با روش کوره بلند
در صنعت فولاد دو روش اصلی برای تولید آهن وجود دارد؛ روش سنتی کوره بلند و روش احیای آهن اسفنجی (Direct Reduction - DRI). این دو روش از نظر مواد اولیه، سوخت مصرفی، فرآیند تولید، مصرف انرژی و تأثیرات زیست‌محیطی تفاوت‌های اساسی دارند.
نوع سوخت و مواد اولیه
در کوره بلند، از کک (نوعی زغال‌سنگ فرآوری‌شده) به‌عنوان سوخت و عامل احیا استفاده می‌گردد. سنگ‌آهن همراه با کک و موادی مانند سنگ‌آهک به کوره افزوده می‌شود تا در دمای بسیار بالا ذوب گردد و آهن مذاب تولید شود. اما در فرآیند احیای مستقیم (DRI)، گاز طبیعی یا هیدروژن جایگزین کک بوده و سنگ‌آهن بدون ذوب‌شدن و در دمایی پایین‌تر، مستقیماً به آهن فلزی تبدیل می‌گردد.
دمای فرآیند و حالت محصول
روش کوره بلند در دمایی حدود 1600 درجه سانتی‌گراد انجام می‌گیرد و آهن مذاب به‌عنوان محصول نهایی تولید می‌شود که در مراحل بعدی به فولاد تبدیل می‌گردد. در مقابل، فرآیند احیای آهن اسفنجی در دمایی بین 800 تا 1100 درجه سانتی‌گراد انجام می‌پذیرد و آهن جامدی به نام آهن اسفنجی به دست می‌آید که در ادامه در کوره‌های قوس الکتریکی (EAF) ذوب می‌گردد.
میزان مصرف انرژی و آلودگی زیست‌محیطی
یکی از بزرگ‌ترین تفاوت‌ها، در مصرف انرژی و میزان آلایندگی این دو روش است. کوره بلند به دلیل استفاده از کک و دمای بسیار بالا، مقدار زیادی گاز گلخانه‌ای مانند CO₂ تولید می‌کند. درحالی‌که DRI، به‌ویژه اگر با گاز طبیعی یا هیدروژن انجام شود، آلایندگی بسیار کمتری دارد. همین ویژگی باعث شده است DRI به‌عنوان روشی سازگارتر با محیط‌زیست و مناسب برای تولید فولاد سبز شناخته شود.
سخن پایانی در مورد راکتور احیای آهن اسفنجی
راکتور احیای آهن اسفنجی، قلب تپنده فرآیند احیای مستقیم است و نقشی حیاتی در زنجیره تولید فولاد ایفا می‌کند. این فناوری با حذف نیاز به سوخت‌های آلاینده‌ای مانند کک و جایگزینی آن با گاز طبیعی یا هیدروژن، مسیر تولید فولاد را به سمت پایداری و کاهش آلایندگی هدایت کرده است. با رشد تقاضا برای فولاد باکیفیت، افزایش ملاحظات زیست‌محیطی، و حرکت صنایع به‌سوی اقتصاد سبز، نقش راکتورهای احیای مستقیم در آینده صنعت فولاد بیش از پیش پررنگ خواهد شد. کشورهایی که در این مسیر سرمایه‌گذاری می‌کنند، نه‌تنها تولید خود را بهینه می‌کنند، بلکه در جهت توسعه پایدار و رقابت جهانی نیز گام برمی‌دارند.
سوالات متداول
- راکتور احیای آهن اسفنجی چیست و چگونه کار می‌کند؟
راکتور احیای آهن اسفنجی بخشی از فرآیند احیای مستقیم است که در آن سنگ‌آهن به آهن فلزی (DRI) تبدیل می‌شود. در این راکتور، گندله‌های سنگ‌آهن در دمای بالا (حدود 800 تا 1000 درجه سانتی‌گراد) با گازهای احیا کننده مانند هیدروژن و مونوکسید کربن واکنش داده و اکسیژن آن‌ها حذف می‌شود، بدون اینکه به نقطه ذوب برسند. - انواع راکتورهای احیا کدامند؟
رایج‌ترین انواع راکتورهای احیای مستقیم عبارتند از:
- راکتور شفتی (Shaft Furnace): مانند فرآیند میدرکس (MIDREX) که در آن گندله‌ها از بالا وارد شده و گاز احیا کننده از پایین تزریق می‌شود.
- راکتور بستر سیال (Fluidized Bed): مانند فرآیند HYL که در آن ذرات ریز سنگ‌آهن در جریان گاز احیا کننده معلق می‌مانند.
- چه گازهایی در فرایند احیا آهن اسفنجی مورد استفاده قرار می‌گیرد؟
گازهای احیا کننده معمولاً شامل هیدروژن (H₂) و مونوکسید کربن (CO) هستند که از گاز طبیعی یا زغال‌سنگ تولید می‌شوند. استفاده از هیدروژن به‌عنوان گاز احیاکننده می‌تواند فرآیند را به سمت کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای سوق دهد. - چه تفاوتی بین فرآیندهای MIDREX و HYL برای تولید آهن اسفنجی وجود دارد؟
هر دو فرآیند از راکتور شفتی استفاده می‌کنند، اما تفاوت‌هایی در نحوه تولید و استفاده از گاز احیا کننده دارند. در فرآیند MIDREX، گاز احیا کننده از ریفُرمینگ گاز طبیعی تولید می‌شود، درحالی‌که در فرآیند HYL، گاز احیاکننده می‌تواند از منابع مختلفی تأمین شود و انعطاف‌پذیری بیشتری در انتخاب سوخت دارد. - آیا استفاده از راکتور احیای مستقیم با محیط‌زیست سازگار است؟
بله، فرآیند احیای مستقیم نسبت به روش‌های سنتی مانند کوره بلند، انتشار گازهای گلخانه‌ای کمتری دارد. به‌ویژه در صورت استفاده از هیدروژن به‌عنوان گاز احیاکننده، می‌توان فرآیندی تقریباً بدون کربن را تحقق بخشید.
