کاتالیست های احیاء مستقیم: از بارگذاری تا کارکرد در ریفورمر

در مقاله ای که در ادامه خواهید خواند، حسن نوایی مدیر عامل گسترش فناوری خوارزمی به تشریح عملکرد کاتالیست های احیا مستقیم پرداخته است. وی کاتالیست های احیا مستقیم را از بارگزاری تا کارکرد در ریفورمر را در این مقاله با جزئیات توضیح داده است.

حسن نوایی (مدیر عامل گسترش فناوری خوارزمی)

کاتالیست های احیاء مستقیم: از بارگذاری تا کارکرد در ریفورمر

گاز احیایی مورد نیاز جهت احیاء مستقیم اکسید آهن به آهن اسفنجی از واکنش پیوسته گازهای برگشتی از کوره احیاء بر روی یک بستر کاتالیستی بازتولید می گردد. در روش میدرکس نسبت گازهای احیایی یعنی هیدروژن و مونوکسیدکربن به گازهای برگشتی یعنی دی اکسیدکربن و بخارآب پتانسیل احیاء را رقم می زند. این فاکتور که به نام کیفیت گاز احیاء شناخته می شود، یکی از تعیین کننده ترین پارامترها در فرآیند احیاء بوده و ارتباطی مستقیم با کیفیت بستر کاتالیست ها دارد.

شکل ۱. تصویر کاتالیست خنثی (راست)، نیمه فعال (وسط) و فعال (سمت چپ) مورد استفاده در ریفرمر مدول ۱ شرکت فولاد خوزستان.

بنابراین هر واحد تولیدکننده آهن اسفنجی پس از حصول اطمینان از کیفیت کاتالیست های مورد استفاده در واحد، ناگزیرست توجه ویژه ای در جهت بارگذاری هرچه مطلوب تر کاتالیست ها داشته باشد چراکه کیفیت گاز احیاء تا آخرین روز پیش از تعمیرات سالیانه واحد می بایست استاندارد لازم را داشته باشد.

بارگذاری کاتالیست های تولیدی این شرکت برای نخستین بار در مقیاس یک ریفرمر کامل در مدول ۱ بخش احیاء ۲ در شرکت فولاد خوزستان صورت گرفت وراه اندازی واحد پس از انجام بارگذاری و مراحل Start-up از تاریخ ۱۹ اسفند سال ۱۳۹۵ آغاز شد. در این واحد کلیه تیوب های ریفورمر توسط کاتالیست های شرکت گسترش فناوری خوارزمی شارژ گردید و اعزام تیم فنی و نظارتی بر فرآیند بارگذاری کاتالیستها از سوی این شرکت موجب شد تا اطمینان لازم جهت شارژ بهینه با دانسیته توده‌ای حداکثری تیوبها حاصل گردد. دانسیته کاتالیست ها در تیوب های موجود در اکثر موارد نزدیک به ماکزیمم حالت ممکن بدست آمدو نتایج راه اندازی اولیه اختلاف فشار کلی ریفورمر را کمی بیش از موارد گذشته نشان می دهد که یکسان بودن شکل کاتالیست ها نسبت به موارد پیشین بیانگر حجم بیشتر شارژ در هر تیوب میباشد. در جدول ۱ میتوان مقدار متوسط دانسیته بدست آمده در کل تیوب ها برای کاتالیستهای فعال و نیمه فعال را ملاحظه نمود. می بایست اشاره گردد در این ریفورمر از مجموع ۳۲۴ تیوب در حدود ۴۵ درصد از تیوب های مستعمل نیز استفاده شد که در مواردی اضافه طول نزدیک به ۷۵ سانتی متری نیز در آنها وجود داشت.

جدول ۱- متوسط دانسیته کاتالیستهای شارژ شده و حداکثر و حداقل آنها بر حسب کیلوگرم بر لیتر

در ادامه به بررسی کیفیت عملکرد دو ماهه کاتالیست های تولیدی شرکت گسترش فناوری خوارزمی در این واحد پرداخته خواهد شد.

پارامترهای عملکردی مستقل از تولید

۱- متان گاز ریفورم

جهت به تاخیر انداختن شرایط خزشی در تیوبها بازه ۵/۰ تا ۱ درصد مطلوبترین دامنه برای مقدار متان است. شکل ۲ تغییرات متان و دمای گاز ریفورم را در نشان میدهد. میبایست توجه گردد که به علت وجود سولفور در گاز پروسس تا تاریخ ۸ فروردین امکان کنترل مطلوب گاز توسط بستر کاتالیست وجود نداشت و پس از این تاریخ با استفاده از مخازن سولفورزدا امکان این مهم فراهم گردید. علاوه بر حفظ و نگهداری تیوبها، غیر یکنواختی باکس ریفورمر از لحاظ پروفیل دمایی نیز برای تعیین این بازه در نظر گرفته میشود. زمانیکه متوسط متان گاز ریفورم کمتر از ۵/۰ درصد باشد امکان نزدیک به صفر بودن متان در برخی از تیوبها وجود داشته و واکنش متان و CO_۲ در تیوب که واکنشی گرماگیر است، انرژی گرمایی تامین شده توسط باکس ریفورمر را مصرف نخواهد کرد، که این امر منجر به حرارت دیدن تیوبها در نزدیکی منطقه خزشی خواهد شد. از طرف دیگر، محتوی متان در گاز خروجی بالاتر از ۱درصد نیز باعث کاهش شاخص کیفیت گاز احیایی خواهد شد.

شکل ۲- متان و دمای گاز ریفورم در ماه نخست راهاندازی

۲- CO_۲ گاز ریفورم

در شکل ۳ که مقدار CO_۲ گاز ریفورم قابل بررسی است مشاهده می شود میزان CO_۲ به طور مطلوبی در ۲.۵ درصد نگه داشته شده است. این میزان می تواند اطمینان لازم جهت کیفیت گاز احیایی را ایجاد کند.

شکل ۳– تغییرات میزان CO_۲ گاز ریفورم و تغییرات دمای گاز ریفورم در دو ماهه اخیر

۳- شاخص کیفیت گاز ریفورم

با توجه به آنالیز گاز ریفورم می توان شاخص کیفیت گاز احیایی را که عبارت از حاصل تقسیم گازهای کاهنده بر گازهای اکسنده می باشد، بدست آورد. این شاخص با توجه به داده های بدست آمده از آنالیز گازها توسط واحد آزمایشگاه شرکت فولاد در شکل ۴ ترسیم شده است، که نشان می دهد مسمومیت موقت کاتالیست ها در ۱۵ روز اول به علت بالا رفتن میزان سولفور، کاهش کیفیت گاز احیایی در این بازه را به دنبال داشته است. مطلوبترین بازه برای این شاخص ۱۱ تا ۱۳ می باشد که مشاهده می شود پس از برقراری شرایط مطلوب در واحد، عملکرد کاتالیست ها به گونه ای بوده که شاخص مورد نظر را فراهم کنند.

شکل ۴ – تغییرات شاخص کیفیت گاز احیایی در دو ماه و نیم پس از راهاندازی

یک ماهه انتهایی نمودار که این شاخص را در حالتی که به تعادل رسیدن خط تولید و تنظیم مطلوب پارامترهای تولید برقرار گردیده است نشان می دهد، مشاهده می گردد که کاتالیست ها به لحاظ عملکردی استاندارد لازم را فراهم نموده و نیاز واحد برای ریفورم گازها را فراهم آوردهاند. بنابراین با توجه به اطلاعات و مطالعه صورت گرفته روی بازهای مشخص از عملکرد کاتالیست ها می توان گفت که کاتالیست های تولیدی شرکت گسترش فناوری خوارزمی به نحو بسیار مطلوبی جوابگوی نیاز واحد از کاتالیست های DRI میباشد و در شرایط برابر می تواند عملکردی قابل رقابت با انواع خارجی خود داشته باشد.