کاتالیستهای ریفرمینگ فعال

اینرت آلومینایی ( خنثی )                                                        Inert DRI Catalyst

سمی اکتیو منیزیتی ( نیمه فعال ) Semi Active DRI Catalyst                                 

های اکتیو آلومینایی ( فعال )                                          High Active DRI Catalyst

کاتالیست های ریفرمینگ احیاء مستقیم آهن DRI

 آهن مورد نیاز برای تولید فولاد از دو روش کوره بلند و روش احیای مستقیم آهن بدست می آید. آهن بدست آمده از روش احیای مستقیم را آهن اسفنجی می نامند . احیای مستقیم در واقع یکی از بخشهای میانی فرآیند تولید فولاد به حساب می آید و از این جهت از اهمیت ویژه ای برخوردار می باشد. در این واحد ها ، با استفاده از گاز احیایی            ( مخلوط گاز H_{2   و} CO  ) ، گندله سنگ آهن احیاء و به آهن اسفنجی تبدیل می شود، آهن اسفنجی تولیدی نیز جهت شارژ به کوره های قوس الکتریکی بخش فولاد سازی ارسال می گردد. احیای مستقیم آهن به چهار روش انجام می شود که طبق شکل زیر اصلی ترین روش ، MIDREX   می باشد که بالاترین درصد از واحدهای فولادی ایران نیز از این روش استفاده می کنند و ایران پس از هند دومین کشور جهان به حساب می آید.

 در این فرآیند برای تولید آهن اسفنجی با کیفیت بالا حاصل از DRI ، نیاز به نسبت مولی مناسب گازهای احیا کننده H2 و  CO با غلظت بالا می باشد که از طریق واکنش ریفرمینگ متان توسط بخار آب و دی اکسید کربن بدست می آید . گاز احیایی بدست آمده در ریفرمینگ در کوره احیاء باعث احیا شدن سنگ آهن هماتیت به آهن اسفنجی میگردد . در هر واحد میدرکس یک واحد تولید گاز احیایی یا ریفرمر طراحی شده است که در این راکتور مخلوط گاز طبیعی و گاز برگشتی از کوره در محدوده 1000-1100 درجه سانتیگراد و در حضور کاتالیست به گاز احیایی تبدیل می گردد .

با توجه به شرایط کاری دمای بالا، فشار پایین ، نسبت مولی بخار به کربن پایین و... در ریفرمر نیازمند به دو نوع کاتالیست بر روی یک لایه اینرت در تیوپهای ریفرمرها می باشد. ریفرمر متشکل از تعدادی از تیوپها به ارتفاع تقریبی  8-10 متر بوده که کاتالیست های  احیاء مستقیم آهن در آن شارژ می گردد.

کاتالیست فعال در بالاترین لایه تیوپ شارژ می گردد و از میزان درصد بالای نیکل بر روی پایه آلفا آلومینا تشکیل شده است . لایه میانی تیوپ کاتالیست نیمه فعال شارژ می گردد و متشکل از درصد متوسط نیکل بر روی پایه کاتالیست منیزیایی می باشد . لایه ابتدایی ریفرمر از اینرت آلومینایی شارژ می گردد.

کاتالیست‌های واحد احیای مستقیم (DRI) — دسته‌بندی و کاربردها

در فرآیند احیای مستقیم آهن (Direct Reduced Iron)، عملکرد بهینه و کارایی بالای واکنش‌ها به شدت به نوع کاتالیست‌های به کار رفته در واحد احیا بستگی دارد. معمولاً کاتالیست‌های این واحد به چهار دسته اصلی تقسیم می‌شوند:

1. کاتالیست خنثی (Inert Catalyst)

تعریف و ویژگی‌ها:

کاتالیست خنثی نوعی بستر یا حامل است که نقش فعال کاتالیزوری ندارد و بیشتر برای پخش یکنواخت گازهای احیاکننده و ایجاد جریان مناسب در راکتور استفاده می‌شود. این کاتالیست معمولاً از مواد معدنی خنثی مانند آلومینا یا سیلیکای خالص ساخته می‌شود.

واکنش‌ها:

کاتالیست خنثی به صورت مستقیم واکنش احیا را تسریع نمی‌کند بلکه باعث می‌شود گازها به خوبی توزیع شده و واکنش‌ها به طور یکنواخت در سراسر بستر انجام شوند.

کاربردها:

بهبود توزیع جریان گاز و جلوگیری از نقاط داغ (Hot spots) در راکتور

حفظ شرایط پایدار در فرآیند احیا

استفاده در اکثر واحدهای احیای مستقیم به عنوان حامل کاتالیست‌های فعال

2. کاتالیست ریفرمینگ نیمه فعال (Semi-Active Reforming Catalyst)

تعریف و ویژگی‌ها:

این کاتالیست‌ها فلزات فعال کمتری نسبت به نوع فعال دارند و به منظور بهبود عملکرد واکنش‌های اصلاح (ریفرمینگ) در واحد احیا به کار می‌روند.

واکنش‌ها:

اصلاح و تبدیل جزئی هیدروکربن‌ها و گازهای احیاکننده به گازهای غنی‌تر هیدروژن و CO

واکنش اصلی ریفرمینگ به صورت:

CH4+H2O→CO+3H2CH_4 + H_2O \rightarrow CO + 3H_2CH4​+H2​O→CO+3H2​

واکنش تبدیل گاز آب و CO:

CO+H2O→CO2+H2CO + H_2O \rightarrow CO_2 + H_2CO+H2​O→CO2​+H2​

کاربردها:

تولید گاز احیاکننده با غلظت بالاتر هیدروژن برای افزایش راندمان احیا

کاهش کربن‌های موجود در گازهای ورودی به راکتور

استفاده در شرایطی که نیاز به تعادل بین فعالیت کاتالیزوری و پایداری طولانی‌مدت وجود دارد

3. کاتالیست ریفرمینگ فعال (Active Reforming Catalyst)

تعریف و ویژگی‌ها:

کاتالیست‌های ریفرمینگ فعال معمولاً حاوی فلزات گران‌بهایی مثل نیکل، پلاتین یا رنیوم روی بسترهای مقاوم به حرارت هستند و واکنش‌های ریفرمینگ را با بازده بالا انجام می‌دهند.

واکنش‌ها:

تبدیل کامل متان و سایر هیدروکربن‌های سبک به هیدروژن و CO

واکنش اصلاح بخار متان (Steam Reforming):

CH4+H2O→CO+3H2CH_4 + H_2O \rightarrow CO + 3H_2CH4​+H2​O→CO+3H2​

واکنش تبدیل گاز آب و CO (Water-Gas Shift):

CO+H2O→CO2+H2CO + H_2O \rightarrow CO_2 + H_2CO+H2​O→CO2​+H2​

کاربردها:

تولید گاز احیاکننده بسیار غنی از هیدروژن با کارایی بالا

استفاده در واحدهایی که نیاز به تولید هیدروژن زیاد دارند

کاهش رسوبات کربنی و افزایش طول عمر راکتور

4. کاتالیست سولفورزدایی اکسید روی (ZnO Desulfurization Catalyst)

تعریف و ویژگی‌ها:

کاتالیست اکسید روی به منظور حذف ترکیبات سولفوری از گازهای ورودی به واحد احیا به کار می‌رود. سولفور موجود در گازها باعث مسمومیت و کاهش کارایی کاتالیست‌های فعال می‌شود.

واکنش‌ها:

جذب و تبدیل ترکیبات سولفوری به سولفید روی:

ZnO+H2S→ZnS+H2OZnO + H_2S \rightarrow ZnS + H_2OZnO+H2​S→ZnS+H2​O

حذف سولفید هیدروژن (H₂S) و دیگر ترکیبات سولفوری از گاز احیاکننده

کاربردها:

افزایش عمر مفید کاتالیست‌های فعال و نیمه فعال

جلوگیری از خوردگی تجهیزات و آسیب به راکتور

تضمین کیفیت گاز احیاکننده و حفظ عملکرد بهینه فرآیند

خلاصه و نتیجه‌گیری

کاتالیست‌های واحد احیای مستقیم آهن به چهار دسته اصلی تقسیم می‌شوند که هر کدام نقش تخصصی و مهمی در بهبود کارایی و کیفیت فرآیند احیا دارند:

کاتالیست خنثی: حامل و توزیع‌دهنده گاز بدون نقش کاتالیزوری

کاتالیست ریفرمینگ نیمه فعال: اصلاح گازهای ورودی با فعالیت متوسط

کاتالیست ریفرمینگ فعال: اصلاح و تولید هیدروژن با بازده بالا

کاتالیست سولفورزدایی اکسید روی: حذف ترکیبات سولفوری برای محافظت از کاتالیست‌های دیگر

انتخاب و استفاده صحیح این کاتالیست‌ها باعث افزایش راندمان تولید آهن اسفنجی، کاهش هزینه‌ها، و بهبود پایداری و طول عمر تجهیزات می‌شود.