بازیابی حرارت از سرباره مذاب صنایع آهن و فولاد با رویکرد بازیابی بواسطه انجام واکنش های شیمیایی- حمید رضا عسگری؛ حمید رضا عظیمی؛ سید مجید آیت- گروه عطران

0

بازیابی حرارت از سرباره مذاب روشی موثر و کارآمد برای کاهش مصرف انرژی و کاهش انتشار گاز گلخانه ای دی اکسید کربن در صنایع تولید فولاد است. سرباره مذاب معمولاً با دمای بین 1723 تا 1923 کلوین از کوره خارج می شود و لذا حاوی مقادیر معتنابهی انرژی است. با این حال، بازیابی حرارت از سرباره عموماً با چالش های جدی مثل پایین بودن هدایت حرارتی، کریستاله شدن داخل سرباره و موجودیت ناپیوسته سرباره روبرو است.

در چند دهه گذشته، چندین روش شیمیایی برای استحصال گرمای محسوس سرباره بسط و توسعه داده شده است که از آن میان می توان به واکنش رفرمینگ متان، تبدیل به گاز نمودن کک و تغییر ماهیت مستقیم سرباره و کاربری آن اشاره نمود. این روشها، دقیقاً با چالش هایی که در بالا بدانها اشاره شد رو به رو هستند.

در خلال بازیابی حرارت با روش های شیمیایی، سرباره تنها بعنوان حامل انرژی عمل نمی کند و نقش های دیگری مثل کاتالیست یا ماده واکنشگر را در واکنش شیمیایی ایفا می کند که همین امر موجب گسترش  زمینه کاربرد آن می شود. تولید سوخت گازی با استفاده از گرمای قابل بازیافت در حال حاضر پرطرفدار ترین شیوه در تحقیقات طرح و توسعه ای است که طی این فرآیند، انرژی گرمایی سرباره قابل تبدیل به انرژی شیمیایی با کیفیت بالا به شکل سوخت گازی است.

کلمات کلیدی: سرباره مذاب، بازیابی حرارت، روش های شیمیایی، تولید سوخت گازی

 

مقدمه

صنعت تولید فولاد صنعتی با مصرف انرژی بالا و در نتیجه با انتشار دی اکسید فراوان است و حدود 9 درصد از کل انرژی تولیدی دنیا ]1[صرف این صنعت می شود. همچنین این صنعت مسبب انتشار 25 درصد از کل انتشار دی اکسید کربن از صنایع  جهان محسوب می شود ]3و2[. همچنین تحقیقات جدید در زمینه ردپای گازهای گلخانه ای و جریان مواد در این صنعت حاکی از آن است که صنعت تولید فولاد از منظر زیست محیطی صنعتی پایدار نیست ]5و4و2[.

آقای فروهان و همکاران ]6 [ پتانسیل صرفه جویی انرژی در صنعت فولاد را حدود 25 درصد تخمین زده اند. لذا صنعت آهن و فولاد پتانسیل بالایی برای تبدیل شدن به صنایعی در زمره توسعه پایدار را خواهد داشت و طبق گزارش آقایان بیسیو ]7[ و براتی ]8[، دمای بالای سرباره، بزرگترین منبع عدم توسعه در صنایع فولاد است. برای سنگ آهن های با عیار متوسط (60 تا 66 درصد)، در کوره بلند عموماً حدود 3/0 تن سرباره به ازای هر تن چدن مذاب و در کوره های فولاد سازی حدود 1/0 تا 15/0 تن سرباره به ازای هر تن فولاد تولیدی سرباره تولید می شود ]9[.

با استفاده از این نسبتها می توان گفت که در حال حاضر در سرتاسر جهان حدود 400 میلیون تن سرباره تولید می شود ]10[. این سرباره با دمای بین 1723 تا 1923 کلوین به محیط وارد می شود و گرمای هدر رفته با این حجم سرباره بیش از 1019×5 ژول (با آنتالپی 6/1 گیگاژول بر تن سرباره) خواهد بود ]11[. در کشور ایران متاسفانه هنوز هیچ روش شیمیایی یا حتی فیزیک برای بازیابی حرارت از سرباره مذاب به منصه ظهور نرسیده و طبق چشم انداز و برنامه توسعه ای ایران تا سال 1404 که پیش بینی تولید فولاد 55 میلیون تن خواهد بود حدود 1017×5 ژول انرژی به طور سالانه به هدر خواهد رفت.

لذا تعریف و پیاده سازی روش های بازیابی حرارت از سرباره امری جدی و فوق العاده مهم محسوب می گردد. همانگونه که قبلاً نیز ذکر شد بازیابی حرارت با چالش های جدی مثل هدایت حرارتی پایین سرباره، کریستاله شدن داخلی سرباره و پیوسته نبودن فرآیند تولید آن است.

 

– معرفی روش های شیمیایی بازیابی حرارت از سرباره

2-1- تولید سوخت گازی

2-1-1- واکنش های تجزیه متان

در حال حاضر واکنش رفرمینگ متان – بخار که با کاتالیست های نیکل انجام می شود،به طور گسترده ای برای تولید هیدروژن مورد استفاده قرار می گیرد ]13و12[

گرمای محسوس سرباره می تواند گرمای مورد نیاز واکنش رفرمینگ متان – بخار آب را تامین نماید و از طرفی خود سرباره نیز به عنوان کاتالیست موثر ایفای نقش خواهد نمود. این مفهوم اولین بار توسط آقای کاسای در سال 1997 معرفی شد و در شکل 1 نشان داده شده است ]14[. گرمای قابل بازیافت سرباره داغ بواسطه واکنش شماره 1 در رفرمر بخار بازیابی می شود و سپس گازهای داغ تولید شده تا دمای اتمسفر سرد می شوند؛

بعد از آن، حرارت به واسطه واکنش برگشتی واکنش1 برای تولید بخار استفاده گردیده و در همین حین متان باززایی می شود.

 

2-1-2-پروسه واکنش رفرمینگ متان

سرباره مذاب حاوی حرارت محسوس بسیار بالایی است و از سویی بسیاری از واکنش های شیمیایی در صنایع مختلف فرآیندهایی گرماگیر محسوب می شوند. این امر محققان را به ترکیب روش های بازیابی حرارت با واکنش های شیمیایی گرماگیر تهییج نمود. این موضوع، مفهوم روش های شیمیایی برای بازیابی حرارت است. در این روش، گازهای واکنشگر جهت سرد کردن ذرات گرانوله شده سرباره مورد استفاده قرار می گیرند. گرمای بازیابی شده از سرباره سپس به انرژی شیمیایی مبدل می شود.

محققین ژاپنی فرآیندی برای تبدیل سرباره کوره بلند به انرژی شیمیایی و توسعه آن به نمونه آزمایشگاهی معرفی نمودند (شکل 1) ]2و1[. در این فرآیند، مخلوط گازهای متان و بخار آب با سرعت بالا جهت خنک کاری و گرانوله سازی سرباره مذاب و نیز بازیابی حرارت با نرخ بالا مورد استفاده قرار گرفته اند در این فرآیند سرباره به ذرات کوچکتر گرانوله شده و دمای آن به شدت و بطور ناگهانی افت می کند.

بعلاوه، حرارت محسوس سرباره کوره بلند واکنش تبدیل بخار آب و متان به گازهای احیا کننده CO و H2 را به پیش می راند. بنابراین، گرمای سرباره به عنوان انرژی شیمیایی ذخیره می شود. معادله واکنش شیمیایی انجام شده در ذیل آمده است. بازیابی حرارت از این روش بالاست اما خالص سازی گازها امری مشکل است.

CH4 + H2O               3H2(g) + CO(g)                       ΔH = 206 kJ/mol

بازیابی حرارت از سرباره مذاب صنایع آهن و فولاد با رویکرد بازیابی بواسطه انجام واکنش های شیمیایی-گروه عطران

بازیابی حرارت از سرباره مذاب صنایع آهن و فولاد با رویکرد بازیابی بواسطه انجام واکنش های شیمیایی-گروه عطران

شکل1: دیاگرام مفهومی واکنش رفرمینگ متان بخار آب ]36[

 

 

2-1-3-دیگر روش های شیمیایی

علاوه بر روش تولید سوخت گازی، روش های شیمیایی دیگری نیز هستند که قادر به بازیافت حرارت سرباره مذاب می باشند که در جدول زیر برخی از این واکنش ها آمده است.

نوع واکنش معادله واکنش دما

(K)

عامل نوع سرباره نقش سرباره در واکنش مرجع
تبدیل به گاز متان و بخار 1473–1823

 

سرباره کوره انفجار حامل گرما، کاتالیزور [33,36,37,41]

 

تجزیه متان و دی اکسید کربن 973–1273

 

سرباره کوره انفجار حامل گرما، کاتالیزور [44]

 

پیرولیز قطران 773–1173

 

سرباره کوره سرباره، سرباره فولاد حامل گرما، کاتالیزور [57,54]
تبدیل به زغال سنگ و بخار 1048

 

  (g)

 

حامل گرما حامل گرما، کاتالیزور [53]

 

تبدیل به زغال سنگ و دی اکسید کربن 1223–1423,

1573–1773

 

سرباره کوره انفجار حامل گرما، کاتالیزور [47–51]

 

تبدیل کردن گاز از زباله های جامد شهری 873–1173

 

, air

steam

 

سرباره کوره انفجار حامل گرما، کاتالیزور [60]

 

پیرولیز بورد مدار چاپی 873–1173

 

سرباره کوره انفجار حامل گرما، کاتالیزور [61]

 

پیرولیز زیست توده 773–1023

 

سرباره کوره انفجار حامل گرما، کاتالیزور [65]

 

تبدیل بیومس 1073–1473, 523–773

 

 (g)

(g),

سرباره کوره انفجار حامل گرما، کاتالیزور [64,66]

 

کاهش آهن 1723, 1873–1973, 473–673

 

 (g)

 

سرباره فولاد حامل گرما، واکنش دهنده [68–70]

 

کاهش

V2O3

 

1678–1733

 

 (g)

 

سرباره متالورژیکی غنی از CaO؛ سرباره گازدار غنی V2O3 حامل گرما، واکنش دهنده [71]

 

  

نتیجه گیری

با پیشرفت روزافزون تکنولوژی در زمینه صنایع آهن و فولاد، پتانسیل کاهش انرژی در این صنایع و بخصوص از سرباره مذاب در حال رشد و پیشرفت است. همانگونه که در بالا اشاره شد روش های متعدد فیزیکی و شیمیایی برای بیرون کشیدن حرارت محسوس سرباره مذاب طراحی و پایه گذاری و توسعه داده شده است که روش های شیمیایی بخاطر ماهیت فرآیند قادرند چالش هایی که استخراج حرارت را با مشکل روبرو می کنند پشت سر گذارند.

در این مقاله به بررسی برخی از این روشها اشاره گردید. نهایتاً می توان روش های با واکنش شیمیایی بازیابی حرارت سرباره مذاب را به چند دسته تقسیم بندی نمود:

  1. چالش های اصلی که فرآیند بازیابی حرارت از سرباره مذاب را با مشکل روبرو می کنند هدایت حرارتی پایین سرباره، کریستاله شدن درونی سرباره و پیوسته نبودن فرآیند تولید سرباره است.
  2. بسیاری از روشهای شیمیایی برای بازیابی حرارت توسعه داده شده اند که می توان به نمونه هایی مثل تولید سوخت گاز و تبدیل مستقیم سرباره به محصولات با ارزش بالا اشاره نمود
  3. تولید سوخت گاز مهم ترین مورد تحقیقات اخیر است. برای نمونه می توان به تولید گاز قابل سوختن توسط استخراج گاز از کک، استخراج گاز از بایومس و واکنش رفرمینگ متان اشاره نمود
  4. نقش سرباره در واکنش های شیمیایی ذکر شده را می توان حامل انرژی، کاتالیست و واکنش دهنده و بخصوص دو نقش اخیر آن که سبب گسترش زمینه بکارگیری سرباره مذاب می شود
  5. کاربرد مستقیم منابع گرما و مواد سرباره ها در دهه اخیر مثل بسیار گسترش یافته است که برای مثال می توان به تولید پشم شیشه از سرباره بواسطه تبدیل ترکیبی و استخراج معدنی با روش SCPS اشاره نمود.
  6. گرانوله سازی خشک سرباره بطور موثری موجب بالا رفتن هدایت حرارتی پایین سرباره و جلوگیری از کریستال شدن داخلی آن می شود در حالیکه روش های شیمیایی مشکل ناپیوسته بودن موجودیت سرباره را مورد هدف قرار داده و سوخت گازی با کیفیت بالا تولید می نماید؛ لذا ترکیب روش گرانوله سازی خشک به همراه واکنش های شیمیایی برای ایجاد یک سیستم جامع، هدف اصلی بازیابی حرارت از سرباره بوده و در شکل2 قابل نمایش است.

 

شکل شماره 2:گرانوله سازی خشک سرباره به همراه واکنش های شیمیایی

 

منابع و مراجع

  1. Allwood, J.M.; Cullen, J.M.; Milford, R.L. Options for achieving a 50% cut in industrial carbon emissions by 2050. Environ. Sci. Technol. 2010, 44, 1888–1894.
  2. Cullen, J.M.; Allwood, J.M.; Bambach, M.D. Mapping the global flow of steel: From steelmaking to end-use goods. Environ. Sci. Technol. 2012, 46, 13048–13055.
  3. Milford, R.L.; Pauliuk, S.; Allwood, J.M.; Müller, D.B. The roles of energy and material efficiency in meeting steel industry CO2 targets. Environ. Sci. Technol. 2013, 47, 3455–3462.
  4. Barati, M. Energy intensity and greenhouse gases footprint of metallurgical processes: A continuous steelmaking case study. Energy 2010, 35, 3731–3737.
  5. Yellishetty, M.; Ranjith, P.G.; Tharumarajah, A. Iron ore and steel production trends and material flows in the world: Is this really sustainable? Resour. Conserv. Recycl. 2010, 54, 1084–1094.
  6. Fruehan, R.J.; Fortini, O.; Paxton, H.W.; Brindle, R. Theoretical Minimum Energies to Produce Steel for Selected Conditions; U.S. Department of Energy: Washington, DC, USA, 2000.
  7. Bisio, G. Energy recovery from molten slag and exploitation of the recovered energy. Energy 1997, 22, 501–509.
  8. Barati, M.; Esfahani, S.; Utigard, T.A. Energy recovery from high temperature slags. Energy 2011, 36, 5440–5449.
  9. Steel Statistical Yearbook 2013. Worldsteel Association. Available online: http://www.worldsteel.org/publications/bookshop/product-details.~Steel-Statistical-Yearbook-2013~PRODUCT~SSY2013~. html (accessed on 5 December 2014).
  10. Hendrik, G.V.O. Slag, Iron and Steel. US Geological Survey Minerals Yearbook, 2010. Available online: http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/iron_&_steel_slag/index. html#myb (accessed on 5 December 2014).
  11. McDavid, R.M.; Thomas, B.G. Flow and thermal behavior of the top surface flux/powder layers in continuous casting molds. Metall. Mater. Trans. B 1996, 27, 672–685.
  12. Andrade, M.L.; Almeida, L.; do Carmo Rangel, M.; Pompeo, F.; Nichio, N. Ni-catalysts supported on Gd-doped ceria for solid oxide fuel cells in methane steam reforming. Chem. Eng. Technol. 2014, 37, 343–348.
  13. Zhang, J.; Zhang, X.; Liu, W.; Liu, H.; Qiu, J.; Yeung, K.L. A new alkali-resistant Ni/Al2O3-MSU-1 core-shell catalyst for methane steam reforming in a direct internal reforming molten carbonate fuel cell. J. Power Sources 2014, 246, 74–83.
  14. Kasai, E.; Kitajima, T.; Akiyama, T.; Yagi, J.I.; Saito, F. Rate of methane-steam reforming reaction on the surface of molten BF slag: For heat recovery from molten slag by using a chemical reaction. ISIJ Int. 1997, 37, 1031–1036.

اشتراک:

درباره نویسنده

نظرات بسته اند

برچسب‌ها : % % % % % % % % % % % % % % % % % % %
Call Now Button