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
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+H2O→CO+3H2
واکنش تبدیل گاز آب و CO:
CO+H2O→CO2+H2CO + H_2O \rightarrow CO_2 + H_2CO+H2O→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+H2O→CO+3H2
واکنش تبدیل گاز آب و CO (Water-Gas Shift):
CO+H2O→CO2+H2CO + H_2O \rightarrow CO_2 + H_2CO+H2O→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+H2S→ZnS+H2O
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.