کاتالیست‌های احیای مستقیم آهن

ملیکا طجرلو – کارشناس ارشد مهندسی شیمی

تحریریه رسانه ایران کاتالیست

کاتالیست‌های احیای مستقیم آهن یکی از اجزای اساسی در تولید  آهن اسفنجی به روش احیای مستقیم هستند که نقش کلیدی در بهینه‌سازی عملکرد این فرآیند ایفا می‌کنند. احیای مستقیم یکی از روش‌های پیشرفته و پرکاربرد در صنعت فولاد است که به ویژه در کشورهایی با منابع غنی گاز طبیعی مانند ایران، بسیار مورد توجه قرار دارد. این روش به جای استفاده از کوره بلند، از گاز طبیعی به عنوان ماده احیاکننده برای تبدیل سنگ آهن به آهن اسفنجی استفاده می‌کند.

در این مقاله، به بررسی انواع کاتالیست‌های مورد استفاده در فرآیند احیای مستقیم آهن، کاربردهای آن‌ها و نقشی که در بهینه‌سازی این فرایند دارند، پرداخته می‌شود.

فرآیند احیای مستقیم آهن

فرآیند احیای مستقیم (Direct Reduced Iron یا DRI) به روشی اطلاق می‌شود که در آن سنگ آهن (Fe2O3) به آهن اسفنجی (Fe) با استفاده از گازهای احیاکننده مانند گاز طبیعی تبدیل می‌شود. در این فرآیند، گازهای طبیعی (که عمدتاً از هیدروژن و مونوکسید کربن تشکیل شده‌اند) با سنگ آهن واکنش می‌دهند و اکسیژن موجود در آن را از بین می‌برند، بدین ترتیب آهن خالص به دست می‌آید.

این فرآیند به طور عمده در واحدهای احیا مستقیم که به نام ریفرمر نیز شناخته می‌شوند، انجام می‌شود. کاتالیست‌ها در این فرآیند نقش مهمی دارند و کمک می‌کنند تا واکنش‌های شیمیایی به بهترین شکل ممکن صورت بگیرند و همچنین به کاهش مصرف انرژی و تولید آلاینده‌ها کمک می‌کنند.

انواع کاتالیست‌های احیا مستقیم آهن، کاربردها و نقش در فرآیند تولید فولاد

این کاتالیست ها با نام های تجاری، کاتالیست فعال احیا مستقیم آهن و کاتالیست نیمه فعال احیا مستقیم آهن شناخته می شود. در واحدهای فولادی ایران ، تولید آهن اسفنجی به دو روش و تکنولوژی میدرکس و پرد انجام می شود. که در هرکدام به طور متداول از سه نوع کاتالسیت استفاده می شود. به طور جامع به لحاظ نوع ظاهر کاتالست فاز فعال که لایه بالایی تیوب ریفرمرها را تشکیل میدهند، کاتالیست های استفاده شده در این روش ها با یکدیگر تفاوت دارد.

۱. کاتالیست‌های نیکلی (Nickel-Based Catalysts) (کاتالیست فعال و نیمه فعال)

کاتالیست‌های نیکلی یکی از رایج‌ترین انواع کاتالیست‌ها در فرآیند احیای مستقیم آهن هستند. این کاتالیست‌ها معمولاً در واحدهای ریفرمر برای بهبود واکنش‌های احیا به کار می‌روند. نیکل به دلیل داشتن خواص کاتالیتی قوی در واکنش‌های احیای گازهای طبیعی و تبدیل آن‌ها به گازهای احیاکننده (مانند مونوکسید کربن و هیدروژن) بسیار مؤثر است. این کاتالیست‌ها در کاهش مصرف انرژی و بهبود عملکرد فرآیند بسیار حیاتی هستند.

کاربرد: این کاتالیست‌ها در واحدهای ریفرمر که گاز طبیعی را به گازهای احیاکننده تبدیل می‌کنند، به کار می‌روند و به افزایش راندمان فرآیند احیای مستقیم کمک می‌کنند.

فاز فعال این کاتالیست از فلز نیکل و در درصدهای ۷ و ۱۴ درصد معمولا تشکیل شده است. به طوریکه کاتالیست نیمه فعال پایه منیزیتی و کاتالیست فعال پایه آلومینایی دارد.

۲. کاتالیست‌های گازی پایه سیلیکاتی (Silica-Based Gas Catalysts) (پایه کاتالیست)

کاتالیست‌های پایه سیلیکاتی به‌ویژه در کاهش دما و کنترل فرآیندهای گازی در واحدهای احیا مستقیم به کار می‌روند. این کاتالیست‌ها می‌توانند به تولید گازهای احیاکننده از گاز طبیعی کمک کرده و به کاهش هدررفت انرژی در این فرآیند کمک کنند.

کاربرد: این کاتالیست‌ها در واحدهای ریفرمر و همچنین برای تولید گازهای هیدروژن و مونوکسید کربن به‌عنوان گازهای احیاکننده کاربرد دارند.

ازاین پایه کاتالیست متداولا در روش های میدرکس و پرد استفاده می شود.

۳. کاتالیست‌های پایه اکسید آهن (Iron Oxide-Based Catalysts)  

کاتالیست‌های پایه اکسید آهن نیز به‌ویژه در فرایندهای احیای مستقیم آهن کاربرد دارند. این کاتالیست‌ها از اکسیدهای آهن برای تسریع واکنش‌های احیای سنگ آهن استفاده می‌کنند. این کاتالیست‌ها به کاهش نیاز به مصرف انرژی در فرآیند احیا کمک می‌کنند و همچنین به دلیل ویژگی‌های خاص خود، می‌توانند به طور مستقیم در واحدهای احیاکننده فولاد مورد استفاده قرار گیرند.

کاربرد: این کاتالیست‌ها در فرآیند احیا کمک می‌کنند تا مونوکسید کربن به طور مؤثری تولید شود و در نهایت به کاهش آلایندگی‌ها و بهبود بهره‌وری کمک کنند.

نقش کاتالیست‌ها در فرآیند احیای مستقیم آهن

کاتالیست‌ها در فرآیند احیای مستقیم آهن نقش‌های مختلفی ایفا می‌کنند که از آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

1. افزایش بهره‌وری: کاتالیست‌ها با تسریع واکنش‌های شیمیایی در فرآیند احیای مستقیم، موجب افزایش بهره‌وری این فرآیند می‌شوند.
2. کاهش مصرف انرژی: استفاده از کاتالیست‌های بهینه باعث کاهش مصرف انرژی و بهبود بازده فرآیند می‌شود.
3. کاهش آلایندگی‌ها: کاتالیست‌ها در کاهش آلاینده‌ها و بهبود کیفیت گازهای تولیدی نقش دارند.
4. بهبود کیفیت محصولات نهایی: استفاده از کاتالیست‌ها در فرآیندهای تولید فولاد می‌تواند به بهبود کیفیت فولاد تولیدی و کاهش ضایعات کمک کند.

کاتالیست‌ها و تأثیر هیدروژن سولفید (H2S) در فرآیند احیا مستقیم آهن

در فرآیند احیا مستقیم آهن، یکی از مهم‌ترین عوامل موثر بر کارایی کاتالیست‌های ریفرمینگ، وجود هیدروژن سولفید (H2S) در خوراک گازی است. H2S به عنوان یکی از ترکیبات زیان‌آور می‌تواند تأثیر منفی بر عملکرد کاتالیست‌های ریفرمینگ در واحدهای احیا مستقیم آهن بگذارد. در این فرآیندها، خوراک گاز حاوی مقادیر مختلفی از H2S به ریفرمر وارد می‌شود که این ترکیب می‌تواند سبب کاهش طول عمر کاتالیست و افت کارایی آن شود.

استفاده از جاذب ZnO را برای تصفیه گاز خوراک ، نقش هیدروژن سولفید در کاهش کارایی کاتالیست‌ها

هیدروژن سولفید (H2S) به عنوان یکی از ترکیبات آلاینده در خوراک گاز، می‌تواند به کاتالیست‌های ریفرمینگ آسیب برساند. در فرآیندهای ریفرمینگ، کاتالیست‌ها برای تبدیل گاز متان (CH4) به هیدروژن و سایر گازهای مورد نیاز برای احیای مستقیم آهن به کار می‌روند. H2S به دلیل خواص خورندگی خود می‌تواند سطح کاتالیست‌ها را تخریب کرده و موجب کاهش فعالیت و طول عمر آنها شود.

این ترکیب می‌تواند در طی فرآیند ریفرمینگ با کاتالیست‌ها واکنش دهد و باعث ایجاد رسوباتی شود که عملکرد کاتالیست‌ها را مختل می‌کند. در نتیجه، برای حفظ عملکرد بهینه کاتالیست‌ها، تصفیه دقیق و کاهش غلظت H2S در خوراک گاز ورودی ضروری است. از اینرو در اکثر واحدهای فولادی از جاذب سولفورزدایی نیز در واحدهای مربوطه استفاده می شود.

از اینرو متداولترین کاتالیست های مورد استفاده در واحدهای فولادی برای تولید آهن اسفنجی به روش احیا مستقیم و تکنولوژی های میدرکس و پرد شامل موارد زیر است.

• کاتالیست خنثی (Inert Catalyst)
• کاتالیست ریفرمینگ نیمه فعال (Semi-Active Catalyst)
• کاتالیست ریفرمینگ فعال (Active Catalyst)
• جاذب سولفورزدایی اکسید روی (Zinc Oxide (ZnO) adsorbent)

شما تجربه خود در استفاده از کاتالیست ها و نظر خود درباره سایر کاتالیست های جدید این صنعت برایمان بنویسید.