کاتالیست‌های احیای مستقیم فولاد (DRI) نقش بسیار مهمی در فرآیند تولید آهن اسفنجی (Direct Reduced Iron) ایفا می‌کنند. فرآیند DRI یک روش جایگزین برای تولید آهن بدون استفاده مستقیم از کوره بلند است که به جای آن از گازهای احیاکننده (معمولاً گاز طبیعی اصلاح شده یا هیدروژن) برای احیای سنگ آهن استفاده می‌شود.
کاتالیست‌ها در این فرآیند به منظور افزایش سرعت و کارایی واکنش‌های شیمیایی در واحدهای ریفرمینگ (reforming units) که گازهای ورودی را اصلاح می‌کنند، به کار می‌روند.
2. کاربرد کاتالیست‌های DRI
الف) اصلاح گاز (Reforming Gas)
در فرآیند احیای مستقیم، گاز طبیعی (که عمدتاً متان CH₄ است) ابتدا باید به گازهای ترکیبی CO و H₂ تبدیل شود. این کار توسط واکنش‌های ریفرمینگ بخار انجام می‌شود.
کاتالیست‌های ریفرمینگ، که معمولاً بر پایه نیکل یا سایر فلزات فعال هستند، سرعت واکنش‌های زیر را افزایش می‌دهند:
CH₄ + H₂O → CO + 3H₂
CH₄ + CO₂ → 2CO + 2H₂
این گازهای CO و H₂ سپس به عنوان عوامل احیاکننده به سمت سنگ آهن هدایت می‌شوند.
ب) احیای مستقیم سنگ آهن
گازهای CO و H₂ وارد بخش احیای مستقیم می‌شوند و اکسید آهن (Fe₂O₃ یا Fe₃O₄) را به آهن فلزی (Fe) احیا می‌کنند:
Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O
کاتالیست‌ها در مرحله احیا به طور مستقیم کاربرد ندارند ولی عملکرد بهینه ریفرمر (اصلاح‌کننده گاز) تاثیر مستقیم بر کیفیت آهن اسفنجی دارد.
3. ویژگی‌ها و اهمیت کاتالیست‌های DRI
فعالیت بالا: کاتالیست باید واکنش‌های ریفرمینگ را با سرعت و بازده بالا انجام دهد تا گاز احیاکننده با ترکیب مناسب تولید شود.
پایداری حرارتی: در دماهای بالا (700 تا 1000 درجه سانتی‌گراد) کاتالیست باید پایدار باشد و دچار تخریب نشود.
مقاومت در برابر کک‌زایی: تولید کک (کربن رسوبی) یکی از معضلات رایج در ریفرمینگ است که باعث کاهش عمر کاتالیست می‌شود؛ کاتالیست خوب باید در برابر این پدیده مقاوم باشد.
ساختار متخلخل: برای افزایش سطح فعال و دسترسی بهتر گازها.
هزینه بهینه: از آنجایی که کاتالیست در مقادیر زیاد استفاده می‌شود، باید از نظر اقتصادی مقرون به صرفه باشد.
4. انواع کاتالیست‌های مورد استفاده در DRI
کاتالیست‌های نیکل‌دار: رایج‌ترین نوع کاتالیست برای ریفرمینگ گاز طبیعی.
کاتالیست‌های آلومینایی و منیزیمی: به عنوان بستر کاتالیست یا به عنوان اصلاح‌کننده خصوصیات حرارتی و مکانیکی.
کاتالیست‌های اکسید فلزات واسطه: مانند اکسید آهن، کبالت، یا مس در ترکیب با نیکل.
5. مزایای کاربرد کاتالیست در فرآیند DRI
افزایش راندمان تولید آهن: تبدیل بهتر و سریع‌تر گازهای احیاکننده به ترکیبات فعال.
کاهش مصرف انرژی: با افزایش سرعت واکنش، دمای بهینه کاهش یافته و انرژی مصرفی کم می‌شود.
کاهش آلودگی: چون فرآیند DRI از سوخت‌های پاک‌تر (هیدروژن و گاز طبیعی) استفاده می‌کند، استفاده بهینه از کاتالیست منجر به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای می‌شود.
بهبود کیفیت محصول: آهن اسفنجی با ناخالصی کمتر و ساختار بهتر.
کاهش هزینه‌های عملیاتی و تعمیرات: افزایش عمر مفید ریفرمر و کاهش نیاز به تعویض کاتالیست.
6. کاربردهای صنعتی
تولید آهن اسفنجی (DRI) در واحدهای Midrex، HIsarna، SL/RN و سایر فرآیندهای احیای مستقیم
تولید فولاد با کیفیت بالا و کاهش وابستگی به کک و کوره بلند
بهبود فرایندهای ریفرمینگ گاز طبیعی در صنایع فولادسازی
