“تا وقتی گاز طبیعی به راحتی قابل دسترسی است، چرا باید از زغال‌سنگ برای احیا آهن استفاده شود؟” این سخن یکی از اساتید دانشگاه‌های کشور است که از گفتن آن بیشتر از دو دهه نمی‌گذرد. اما امروز خلاف این سخن در حال اجرا است. علی‌رغم اینکه دومین کشور دارنده گاز طبیعی در جهان هستیم، اما شرایط به گونه‌ای رغم خورده که احیای آهن به روش گازی، دیگر مقرون به صرفه نمی‌باشد. به همین دلیل صنعتگران این بخش به دنبال اجرای روش‌های غیرگازی هستند. چند سالی است که روش‌های احیای پایه زغالی خود را به صنایع فولاد کشور تحمیل کرده است. با توجه به ذخیره حداقلی 3 میلیارد تن زغال‌سنگ حرارتی در کشور، استفاده از این ماده برای احیای آهن بیشتر شده است. اما با این حال دو سالی است که تأمین انرژی صنایع، به خصوص صنعت آهن و فولاد، به عنوان یک مشکل اساسی خودنمایی کرده است. بنابراین هرچند استفاده از زغال‌سنگ توانسته تا حدی مشکل گاز برای احیا را حل کند، اما باید به فکر افزایش راندمان روش‌های پایه زغالی نیز بود. راندمان انرژی روش‌های زغالی حداکثر 65 درصد است. در حالی که روش‌های گازی تا 85 درصد هم راندمان دارند. پس باید به فکر کاهش مصرف انرژی در این روش نیز بود. در این مقاله سعی شده است تا روش‌هایی برای کاهش مصرف انرژی در احیای آهن به روش پایه زغالی معرفی و بررسی شود.
عایق‌بندی کوره‌ها و تجهیزات مربوطه
مهمترین و بهترین راه برای جلوگیری از اتلاف انرژی، عایق‌بندی درست خط احیا و به خصوص کوره است. در حال حاضر نرخ انتقال حرارت آجرهای آلومینوسیلیکاتی و جرم‌های مورد استفاده در قسمت کوره عددی حدود 8/0 تا W/m.ok 6/1 است، اما با استفاده از عایق‌بندی درست میتوان این مقدار را حتی تا W/m.ok 003/0 کاهش داد. به طور کلی با استفاده از مواد نسوز و عایق‌های نوین میتوان تا 60 درصد از اتلاف انرژی جلوگیری کرد. عایق‌های نانوسیلیکاتی، نانوکامپوزیتی، نانوکربنی، پنل‌های خلا مبتنی بر سیلیکات یا فوم، پشم شیشه، الیاف سرامیکی و آجرهای نسوز زئولیتی از جمله موادی هستند که می‌تواند برای کاهش اتلاف انرژی استفاده شوند. در شکل 1 نمونه‌ای از کاربرد فیبرهای سرامیکی برای عایق‌سازی کوره دوار به صورت شماتیک نشان داده شده است. این لایه باعث می‌شود که مقدار ضریب انتقال حرارت حداکثر W/m.ok 1/0 شود. مشکل اصلی این مواد قیمت بالای آن‌ها می‌باشد. به عنوان مثال هزینه نسوزکاری یک مترمربع با جرم سیمان متوسط، حداکثر 11 دلار است، در حالی که عایق‌های نوین مثل پنل‌های تحت خلا، حداقل 50 دلار هزینه تحمیل می‌کند. امید است با بومی‌سازی این مواد که منجر به کاهش قیمت می‌شود، استفاده از این مواد امکانپذیر گردد.
شکل 1: شماتیک نمونه‌ای از عایق‌سازی کوره دوار جهت بهینه‌سازی مصرف انرژی
بهبود کیفیت مواد اولیه و شارژ
با اعمال تغییراتی در مواد اولیه مصرفی و یا نحوه شارژ آن‌ها، میتوان انتظار داشت که انرژی کمتری برای احیا مصرف شود. به عنوان مثال تخلخل گندله‌های فعلی بین 20 تا 30 درصد است. در صورتی که این عدد به 30 تا 40 درصد افزایش یابد، میزان مصرف انرژی تا 7 درصد می‌تواند کاهش یابد، همچنین با استفاده از مواد با شرایط (ابعاد، شکل ذرات و…) و نسبت بهینه علاوه بر مصرف درست مواد، کاهش انرژی مصرفی را به دنبال دارد. یکی دیگر از پیشنهادات در این زمینه، اختلاط قبل از ورود به کوره احیا است. معمولاً مواد شارژ به طور جداگانه به کوره وارد می‌شوند، در حالی که مطالعات نشان داده است اگر این مواد قبل از ورود به کوره با هم مخلوط شوند، بین 10 تا 20 درصد باعث کاهش مصرف انرژی می‌شود که رقم بسیار مطلوبی است. بنابراین با کنترل کیفیت و بهبود نحوه شارژ مواد اولیه میتوان مصرف انرژی را کاهش داد.
کنترل پارامترهای احیایی
پارامترهای احیایی یکی دیگر از عوامل تأثیرگذار بر کیفیت محصول و مصرف انرژی می‌باشد. مهمترین پارامتر کنترلی، دما است. دمای پیشنهادی برای احیا در حالی بین 950 تا oC 1100 عنوان شده که هر oC 50 افزایش دما باعث افزایش 10 تا 15 درصدی مصرف انرژی می‌شود. پارامتر دیگر نسبت گاز CO به CO2 است که پیشنهاد می‌شود بین 5/1 تا 2 باشد. مقدار کمتر از این عدد باعث کاهش درصد احیا و مقدار بیشتر باعث افزایش مصرف انرژی و حتی زغال‌سنگ می‌شود. سرعت شارژ مواد، سرعت چرخش کوره، سرعت حرارت‌دهی و… از دیگر پارامترهای کنترلی است که باید مقدار آن بهینه باشد. لازم به ذکر است هر چند در پژوهش‌ها و کتب علمی، اعداد بهینه برای پارامترها عنوان شده، اما شرایط هر مجموعه با دیگری متفاوت است و باید این پارامترها با توجه به شرایط آن مجموعه مورد آزمایش قرار گرفته و معین گردد.
استفاده از گازهای احیایی موثر
استفاده از گاز هیدروژن (H₂) به عنوان یک گاز احیای مؤثر در فرآیند احیای مستقیم با زغال‌سنگ، نقش حیاتی در کاهش مصرف انرژی دارد.
گاز هیدروژن به‌طور مستقیم می‌تواند هماتیت (Fe₂O₃) را احیا کند (Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O). این گاز، برخلاف CO که از واکنش با CO₂ تولید می‌شود، بدون تولید گازهای جانبی مانند CO₂، می‌تواند انرژی را به‌صورت بهینه‌تری مصرف کند. استفاده از هیدروژن در کوره‌های احیاکننده، سرعت واکنش‌های احیای فلزات را به دلیل اندازه کوچک و نفوذپذیری بالا، افزایش می‌دهد و این باعث کاهش زمان احیا و مصرف انرژی می‌شود. همچنین، هیدروژن به‌دلیل ویژگی‌های شیمیایی خود می‌تواند در دماهای پایین‌تر از CO واکنش نشان دهد، به‌طوری‌که دمای احیا را پایین‌تر نگه می‌دارد و به این ترتیب انرژی کمتری برای حفظ دما مصرف می‌شود. مطالعات نشان داده‌اند که استفاده از 15 تا 25 درصد هیدروژن می‌تواند 10 الی 15 درصد مصرف انرژی را کاهش دهد.
در مقایسه با استفاده صرف از زغال‌سنگ، که در آن CO و CO₂ تولید می‌شوند، هیدروژن به‌عنوان گاز احیای اصلی می‌تواند تأثیر چشمگیری بر کاهش گازهای گلخانهای و بهبود کارایی انرژی در فرآیند احیا داشته باشد. این در حالی است که هیدروژن از منابع تجدیدپذیر و پاک نیز قابل تأمین است، که در دراز مدت هزینه‌ها و اثرهای مخرب زیست محیطی را کاهش می‌دهد. البته باید به مشکل نگهداری هیدروژن، قیمت بالا و تولید آب در کوره نیز اشاره کرد که استفاده از هیدروژن به صورت صنعتی را تا کنون در داخل کشور امکانپذیر نکرده است.
استفاده از سامانه‌های بازیابی گرما
استفاده از سامانه‌های بازیابی گرما در فرآیند احیای مستقیم با زغال‌سنگ می‌تواند مصرف انرژی را به‌طور قابل توجهی کاهش دهد. به عنوان مثال، در یک واحد احیای آهن با استفاده از کوره دوار، گرمای هدررفته از خروجی یا بدنه کوره می‌تواند به سامانه‌های بازیابی گرما منتقل شود و برای پیش‌گرمایش زغال‌سنگ یا گندله یا حتی گرمایش محیط مورد استفاده قرار گیرد. شماتیکی از سامانه بازیابی گرما از بدنه کوره در شکل 2 نشان داده شده است. این کار باعث می‌شود که نیاز به سوخت اضافی برای تأمین دمای مورد نیاز کوره کاهش یافته و در نتیجه مصرف انرژی تا 10 درصد کم شود.
علاوه بر این، با مصرف کمتر سوخت‌های فسیلی، انتشار گازهای گلخانهای نیز کاهش مییابد و این امر تاثیر بسزایی در حفاظت از محیط زیست دارد. با این حال، استفاده از این سامانه‌ها دارای معایبی نیز هست، از جمله هزینه‌های اولیه برای نصب سامانه بازیابی گرما بالا بوده و در برخی موارد، نیاز به نگهداری پیچیده و منظم دارد. علاوه بر این، کارایی بازیابی گرما، به طراحی سامانه و شرایط عملیاتی بستگی دارد.
شکل2: شماتیک یک سامانه بازیابی گرما از بدنه کوره دوار
استفاده از فناوری‌های پالسی و سیکلی مصرف انرژی
در تجهیزات احیایی فعلی، انرژی به صورت یکنواخت در حال مصرف است؛ در صورتی که میتوان با توجه به شرایط دمایی محیطی، مقدار شارژ مواد، کیفیت مواد مصرفی و… میزان شار انرژی اعمالی را تغییر داد. منظور از این روش، فناوری‌های پالسی و سیکلی می‌باشد. در این روش‌ها، انرژی (گاز یا برق) به‌صورت پالس‌ها یا سیکل‌های زمانی متناوب تنظیم می‌شود که در آن هر پالس یا سیکل باعث مصرف کمتر انرژی می‌شود. اما این فناوری‌ها معایب خاص خود را دارند. از جمله اینکه پیچیدگی تجهیزات و هزینه‌های نصب آن ممکن است بالا باشد. علاوه بر این، تنظیم دقیق زمان و شدت پالس‌ها برای بهینه‌سازی واکنش‌ها نیاز به دقت بالا دارد و در صورتی که پارامترها به‌درستی تنظیم نشود، ممکن است اثر منفی بر راندمان فرآیند داشته باشد.
استفاده از فناوری هوش مصنوعی
هوش مصنوعی می‌تواند برای بهینه‌سازی پارامترهای فرآیند، از جمله: دما، نسبت گازهای احیایی، سرعت واکنش‌ها، زمان احیا و… استفاده شود. با تحلیل داده‌های بزرگ و شبیه‌سازی‌های پیچیده، هوش مصنوعی قادر است الگوهای بهینه را شناسایی کرده و فرآیندهای صنعتی را به‌طور خودکار تنظیم کند. به‌عنوان مثال، با استفاده از الگوریتم‌های یادگیری ماشین، هوش مصنوعی می‌تواند پیش‌بینی کند که چه ترکیب گازها و دمایی در آن لحظه بهترین نتایج را خواهند داد. با این کار عملا روند یکسان مصرف انرژی تغییر کرده و برای بهینه‌سازی سامانه، در هر لحظه از پارامترهای جدید استفاده می‌شود. مزیت دیگر استفاده از هوش مصنوعی، کنترل و پیش‌بینی شرایط عملیاتی در زمان واقعی است. هوش مصنوعی می‌تواند عملکرد سیستم‌ها را به‌طور مداوم نظارت کند و هرگونه انحراف از شرایط بهینه را شناسایی کرده و اصلاحات لازم را اعمال کند، ضمن اینکه تعداد نیروی انسانی موردنیاز در این حالت کاهش مییابد. هرچند اجرای این الگوریتم‌ها، نیاز به برنامه‌نویسی‌های دقیق و طراحی‌های دقیق مهندسی دارد، اما در بلندمدت تأثیر بسزایی دارد.
مدیریت پسماند احیا
استفاده از پسماندهای احیا، هرچند به طور مستقیم باعث کاهش مصرف انرژی نمی‌شود، اما می‌تواند به عنوان درآمد ثانویه، هزینه‌های مصرف انرژی را تأمین کند. خاکستر، دوده، محصول نامرغوب تولیدی، نرمه آهن اسفنجی و دولوچار از جمله پسماندهای واحد احیا است که معمولاً دپو شده یا دور ریخته می‌شود. به عنوان مثال از خاکستر میتوان برای تولید مصالح ساختمانی، کود و تصفیه برخی از مواد استفاده کرد یا از نرمه آهن اسفنجی که راندمان مناسبی در ذوب ندارد، میتوان برای تولید سولفات آهن استفاده کرد. همچنین در مواد پسماند، برخی فلزات گرانبها مثل پلاتین، پالادیوم و نقره نیز یافت شده است که در صورت استفاده از روش استحصالی اقتصادی، میتوان ارزش افزوده مناسبی ایجاد کرد.
جمع‌بندی
در این مقاله روش‌های پیشنهادی جهت کاهش مصرف انرژی در کوره‌های احیا پایه زغالی مورد مطالعه و بررسی جزئی قرار گرفت. بدیهی است که اجرای هریک از این روش‌ها هزینه‌هایی را به مجموعه تحمیل می‌کند، اما با توجه به ناترازی جهانی انرژی، به خصوص در بخش صنعت، باید به سمت استفاده از روش‌های بهینه‌سازی انرژی حرکت کرد.
همانطور که گفته شد، بهترین روش برای بهینه‌سازی، عایق‌کاری و استفاده از جرم‌های نسوز با ضریب انتقال حرارت پایین است. عایق‌کاری خوب تا سال‌ها می‌تواند از هدررفت انرژی بدون اعمال هزینه خاصی جلوگیری کند. سایر روش‌ها باید به صورت مداوم مورد پایش لحظهای و مانیتورینگ قرار گیرند.
نویسنده: مهندس لیلا مؤمنی- کارشناس دفتر فنی مهندسی گروه صنعتی شکری
