This post is also available in: English Armenian
صنعت فولاد را باید یکی از ستونهای اصلی توسعه صنعتی جهان دانست؛ صنعتی که نهتنها بستر تولید بسیاری از تجهیزات حیاتی در ساختوساز، خودرو، نفت و گاز، انرژی، حملونقل و حتی صنایع نظامی را فراهم میکند، بلکه بهعنوان یکی از نشانگرهای اصلی قدرت اقتصادی کشورها نیز شناخته میشود. در میان روشهای تولید فولاد، فرآیند احیای مستقیم جایگاه ویژهای به دست آورده است، زیرا با حذف مرحله کوره بلند و کاهش قابلتوجه مصرف انرژی و انتشار گازهای گلخانهای، راهی کارآمدتر و مدرنتر برای تولید آهن اولیه یا همان آهن اسفنجی (DRI) فراهم میکند.
در این فرایند، گاز طبیعی بهکمک ریفورمرها به مخلوطی از هیدروژن و مونوکسیدکربن تبدیل میشود و این گاز احیاکننده با عبور از راکتورهای مخصوص، اکسیژن موجود در سنگآهن را خارج میکند و محصولی متخلخل با ساختار اسفنجیشکل به دست میآید.
اما این ساختار متخلخل و میزان بالای فعالیت شیمیایی آن، آهن اسفنجی را به مادهای بسیار حساس تبدیل میکند؛ مادهای که هم در تماس با هوا بهسرعت اکسید میشود، هم در برخی شرایط خاص میتواند دچار واکنشهای ناگهانی، افزایش دما و حتی خودسوزی شود.
در چنین محیطی، گاز نیتروژن تنها یک گاز بیاثر ساده نیست؛ بلکه به یکی از حیاتیترین ابزارهای کنترل محیط، ایمنی فرایند، حفاظت از تجهیزات و تضمین کیفیت محصول تبدیل میشود. پرژینگ یا پاکسازی با نیتروژن یکی از مهمترین کاربردهای آن در واحدهای احیای مستقیم بهشمار میرود.
این مقاله با نگاهی توصیفی–تخصصی، نقش نیتروژن را در پرژینگ واحدهای DRI، اکونومایزرها، سیستمهای ذخیره، لولهکشیها، ریفورمرها، راکتورها و همچنین نقش آن در جلوگیری از خطرات ایمنی و ارتقای کیفیت محصول بررسی میکند. تلاش شده متن بهاندازه کافی روان باشد، تا خواننده غیرمتخصص نیز تصویر روشن و دقیقی از محیط صنعتی و کاربرد نیتروژن در آن داشته باشد، اما همچنان عمق فنی و ساختاری لازم برای یک وبسایت صنعتی حفظ شده است.
اهمیت پرژینگ در فرآیند تولید آهن اسفنجی
برای درک اینکه چرا پرژینگ بخش جداییناپذیر از فرایند احیای مستقیم است، لازم است ابتدا شرایط داخل راکتور و جریان گازها را تصور کنیم. در راکتورهای احیای مستقیم، گازهای بسیار داغ و حاوی درصد بالایی از هیدروژن و مونوکسیدکربن در حال گردش هستند. این گازها نهتنها خاصیت اشتعالپذیری دارند، بلکه بهشدت واکنشزا هستند. کوچکترین ورود اکسیژن میتواند ترکیب آنها را بههم بریزد، آلایندگی ایجاد کند، باعث نوسانات دمایی شود یا حتی خطر انفجار ایجاد کند.
از سوی دیگر، در بخشهای مختلف خط تولید آهن اسفنجی — از ریفورمرها گرفته تا لولههای انتقال گاز، مخازن ذخیره، سیستمهای تخلیه و واحدهای سرمایشی — تجهیزات بهطور مداوم در معرض دماهای بالا، فشارهای متغیر و گازهای خاص قرار دارند. در چنین بستری، لازم است که محیط داخل تجهیزات همیشه ایزوله از اکسیژن، رطوبت و هرگونه ماده اکسیدکننده باشد.
گاز نیتروژن دقیقاً برای ایجاد همین ایزولاسیون وارد مدار میشود. نیتروژن، گازی است بیاثر، غیرقابل احتراق، بدون بو و بسیار ارزانتر نسبت به گازهای نجیب دیگر. بهدلیل پایداری مولکولی بالا، توانایی ایجاد محیط کاملاً خنثی را دارد و همین ویژگی باعث شده در صنعتی مانند DRI — که یکی از حساسترین محیطها به اکسیژن است — نقش نجاتدهنده ایفا کند.
پرژینگ با نیتروژن بهطور خلاصه یعنی ورود نیتروژن به یک تجهیزات، لوله، مخزن یا سیستم برای پاکسازی آن از اکسیژن و گازهای ناخواسته. این کار معمولاً قبل از راهاندازی، هنگام تعمیرات، هنگام خاموش کردن واحد یا در مواقع اضطراری انجام میشود.
چرا نیتروژن برای پرژینگ آهن اسفنجی ضروری است؟
برای پاسخ به این سؤال، باید ساختار آهن اسفنجی و حساسیت آن را بهتر درک کنیم. آهن اسفنجی بهدلیل فرآیند احیای مستقیم، ساختار بسیار متخلخلی دارد. این تخلخل میزان سطح آزاد ذرات را افزایش میدهد و از نظر شیمیایی، سطح فعال گستردهای ایجاد میکند؛ یعنی کوچکترین تماس با اکسیژن میتواند منجر به واکنشهای سریع شود. این واکنشها معمولاً گرمازا هستند و در محیطهای دپو یا حملونقل، حتی میتوانند به خودسوزی ختم شوند.
از سوی دیگر، گازهایی که در فرایند احیای مستقیم استفاده میشوند، شامل:
• CO که گازی سمی و شدیداً قابل اشتعال است
• H₂ که سریعترین گاز احتراقی بهشمار میرود
• گاز طبیعی که مجموعاً مخلوطی با قابلیت انفجاری بالا ایجاد میکند
ورود اکسیژن یا حتی درصد اندکی رطوبت میتواند انرژی موردنیاز برای آغاز واکنش انفجاری را فراهم کند.
بنابراین وجود گازی بیاثر که بتواند محیط را از هرگونه ماده واکنشزا پاک کند، کاملاً حیاتی است.
نیتروژن دقیقاً برای همین انتخاب شده است. این گاز:
• از نظر شیمیایی خنثی است
• با CO، H₂ یا متان واکنش نمیدهد
• ارزان و در دسترس است
• بهسرعت تجهیزات را از اکسیژن پاک میکند
• باعث کاهش خطر انفجار، احتراق یا افزایش دمای ناگهانی میشود
• و محیطی کاملاً کنترلشده برای تجهیزات فراهم میکند
به همین دلیل بسیاری از استانداردهای صنعتی، استفاده از نیتروژن در پرژینگ واحدهای DRI را اجباری میدانند.
کاربردهای تخصصی نیتروژن در پرژینگ آهن اسفنجی
۱. پرژینگ راکتورهای احیای مستقیم
راکتورهای احیای مستقیم قلب تپنده تولید آهن اسفنجی هستند. مقدار زیادی گاز احیاکننده در این راکتورها در گردش است و ذرات سنگآهن خام تحت دما و فشار مشخص به DRI تبدیل میشوند. راکتور به دلیل حجم بسیار زیاد، حساسیت بالا به اکسیژن و وجود گازهای قابل اشتعال، از نخستین تجهیزاتی است که باید با نیتروژن پرژ شود.
تصور کنید واحدی پس از چند ساعت توقف اضطراری، دوباره قرار است راهاندازی شود. در این فاصله، فشار داخل راکتور کاهش یافته و احتمالاً اکسیژن از بیرون به داخل نفوذ کرده است. اگر این اکسیژن در لحظه تزریق گاز احیاکننده جدا نشده باشد، واکنشهای خطرناک ایجاد میشود.
بنابراین پیش از هرگونه راهاندازی، راکتور با نیتروژن تحت فشار شستشو داده میشود، تا تمام اکسیژن و رطوبت خارج شود. این کار تا زمانی ادامه مییابد که پرابهای اندازهگیری درصد اکسیژن را به صفر نزدیک گزارش کنند. تنها در این صورت، واحد اجازه تزریق گاز اصلی را خواهد داشت.
۲. پرژینگ ریفورمرها
ریفورمرها محل تولید گاز احیاکننده هستند. در اینجا متان در دماهای بالای ۸۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد با بخار واکنش میدهد و به ترکیبی از CO و H₂ تبدیل میشود. ریفورمر معمولاً دارای لولههای آلیاژی بسیار مقاوم است که در دماهای بالا کار میکنند.
وقتی ریفورمر قرار است خاموش شود یا برای تعمیرات متوقف گردد، اگر اکسیژن به درون لولههای داغ آن نفوذ کند، بهسرعت واکنشهای گرمازا رخ میدهد و لولهها آسیب میبینند. همچنین خطر انفجار وجود دارد.
نیتروژن در اینجا نقش سپر محافظ دارد. پیش از خاموشی، نیتروژن به داخل لولههای ریفورمر تزریق میشود تا مخلوط گازی داخل آن کاملاً خنثی گردد. این کار اجازه میدهد که ریفورمر بدون خطر سرد شود. در هنگام راهاندازی نیز همین روند تکرار میشود تا هرگونه اکسیژن احتمالی پاک شود.
۳. پرژینگ سیستم انتقال گاز طبیعی و گاز احیاکننده
لولههای انتقال گاز در واحدهای DRI بسیار طولانی و پیچیدهاند. این لولهها ترکیبی از متان، CO و H₂ را جابهجا میکنند. پرژ کردن این خطوط با نیتروژن، باعث میشود:
• رسوبات گازی، رطوبت و اکسیژن پاک شود
• خطر انفجار در زمان شروع تزریق گاز کاهش یابد
• کیفیت جریان گاز و کارایی راکتور حفظ شود
این کار معمولاً بهصورت مرحلهای انجام میشود و نیتروژن در موجهایی به لوله تزریق میشود تا گازهای قبلی را جابهجا و کاملاً تمیز کند.
۴. پرژینگ سیستم تخلیه و ذخیره آهن اسفنجی
آهن اسفنجی در تماس با هوا، بهسرعت اکسید شده و گرمای زیادی آزاد میکند. این گرما اگر تجمع یابد، ممکن است باعث داغ شدن ماده و حتی بروز حادثه شود. بنابراین در مخازن ذخیره یا لولههای انتقال DRI، یکی از روشهای کنترل ایمنی این است که محیط را با نیتروژن پر کنند.
این کار با هدف:
• جلوگیری از اکسید شدن
• جلوگیری از خودسوزی
• حفظ کیفیت آهن اسفنجی
• جلوگیری از ورود رطوبت
صورت میگیرد.
۵. پرژینگ تجهیزات تعمیراتی (Maintenance Purging)
در هنگام تعمیرات، بسیاری از اجزا باید باز شوند. اگر در لحظه باز شدن، مخلوطی از اکسیژن و گازهای قابل اشتعال در تجهیزات وجود داشته باشد، احتمال وقوع آتشسوزی در لحظه باز کردن فلنج یا شیر افزایش مییابد.
به همین دلیل پیش از باز کردن هر تجهیز، نیتروژن با فشار مشخص وارد آن میشود تا خطر کاملاً از بین برود.
۶. خنککاری تجهیزات داغ
نیتروژن علاوه بر نقش بیاثر بودن، بهدلیل ظرفیت گرمایی مناسب، برای سرد کردن تدریجی بعضی تجهیزات نیز مورد استفاده قرار میگیرد. این کار بهویژه در خاموشی ریفورمرها، لولههای داغ و راکتورها کاربرد دارد.
استفاده از هوا برای خنککاری این تجهیزات ممنوع است، زیرا ورود اکسیژن به محیطهای داغ مساوی با شعلهور شدن یا تخریب فلزات خواهد بود.
۷. ایمنسازی در شرایط اضطراری (Emergency Inerting)
در شرایط اضطراری مانند ترکیدن یک خط، قطع گاز طبیعی، نوسان فشار یا نفوذ اکسیژن، واحد باید بلافاصله به حالت ایمن برود.
در چنین شرایطی، شیرهای نیتروژن هوشمندانه باز شده و حجم زیادی نیتروژن وارد خطوط میشود تا:
• گازهای خطرناک را رقیق کند
• درصد اکسیژن را به صفر برساند
• از انفجار یا آتشسوزی جلوگیری کند
نقش نیتروژن در این لحظهها از نظر ایمنی حیاتی است.
شرح توصیفی از پرژینگ در یک واحد DRI
برای اینکه تصویر ذهنی ملموستری از فرایند پرژینگ با نیتروژن داشته باشید، تصور کنید واحد احیای مستقیم در یک مجتمع فولادی قرار است پس از سه ساعت توقف، دوباره راهاندازی شود. در این مدت، دمای راکتور کاهش یافته و احتمال دارد اکسیژن از مسیرهای مختلف وارد سیستم شده باشد.
اپراتور در اتاق کنترل ابتدا پارامترهای ایمنی را چک میکند، سپس دستور پرژینگ اولیه را صادر میکند.
در این لحظه، شیرهای بزرگ نیتروژن باز میشوند. صدای عبور گاز بهوضوح شنیده میشود و نیتروژن با فشار بالا وارد خطوط انتقال گاز، راکتور، ریفورمر و لولههای خروجی میگردد. تجهیزات اندازهگیری بهصورت لحظهای درصد اکسیژن را ثبت میکنند.
در ابتدا جریان نیتروژن، مخلوطی از اکسیژن و گازهای باقیمانده را با خود خارج میکند. با گذشت زمان، عدد اکسیژن روی نمایشگر کاهش مییابد و به کمتر از حد ایمنی میرسد. اپراتور تا لحظهای که درصد اکسیژن تقریباً صفر شود، اجازه ورود گاز احیاکننده نمیدهد.
پس از این مرحله، سیستم آماده تزریق گاز طبیعی و راهاندازی دوباره است. اگر این مرحله پرژینگ انجام نمیشد، کوچکترین درصد اکسیژن ممکن بود واکنش انفجاری با هیدروژن ایجاد کند.
در فضای دپو نیز، اپراتورهای میدانی با دستگاههای قابل حمل، میزان اکسیژن محیط اطراف DRI تازه تولید شده را بررسی میکنند. اگر شرایط مساعد نباشد، نیتروژن بهتدریج به محیط تزریق میشود تا ذرات فعال به حالت پایدار برسند.
این فرآیند توصیفی نشان میدهد که پرژینگ با نیتروژن فقط یک «مرحله» نیست، بلکه ستون اصلی تمام فعالیتهای ایمن و پایدار واحد احیای مستقیم محسوب میشود.
مزایای استفاده از نیتروژن در پرژینگ فرآیند DRI
در ادامه توضیحی توصیفیتر از مزایا ارائه میشود:
۱. کاهش خطر انفجار
در لحظهای که مخلوط گاز احیاکننده CO و H₂ وارد محیطی شود که تنها ۵ تا ۷ درصد اکسیژن دارد، احتمال انفجار شدید وجود دارد. نیتروژن با خنثی کردن محیط، این خطر را عملاً به صفر میرساند.
۲. جلوگیری از خودسوزی آهن اسفنجی
آهن اسفنجی مانند یک زغال جاندار است؛ ذراتش با کوچکترین تماس با اکسیژن، واکنش اکسیداسیون شدیدی نشان میدهند. نیتروژن مانند یک پتو، روی این ذرات را میپوشاند و اجازه تماس با اکسیژن نمیدهد.
۳. افزایش طول عمر تجهیزات
اکسیژن و رطوبت از عوامل اصلی خوردگی هستند.
وقتی نیتروژن محیط داخلی تجهیزات را خشک و خنثی نگه میدارد، خوردگی کاهش مییابد و عمر ریفورمرها، مخازن و لولهها افزایش پیدا میکند.
۴. حفظ کیفیت محصول
اکسید شدن آهن اسفنجی باعث کاهش متالیزاسیون و افزایش درصد FeO میشود. نیتروژن با جلوگیری از تماس DRI با هوا، کیفیت محصول را حفظ میکند.
۵. کاهش هزینههای تولید
استفاده از نیتروژن نسبتاً ارزانقیمت است و از بسیاری از خسارتهای مالی — مانند انفجار، خوردگی، توقف واحد یا تخریب الکتروفرنس — جلوگیری میکند.
نقش نیتروژن در ذخیرهسازی و حملونقل آهن اسفنجی
در برخی واحدها، آهن اسفنجی برای انتقال به واحد فولادسازی یا برای صادرات در مخازن بزرگ ذخیره میشود. این مخازن میتوانند بهصورت سیلوهای سرباز یا مخازن سربسته باشند.
در مورد سیلوهای سربسته، نیتروژن معمولاً برای پر کردن فضای خالی بالای آهن اسفنجی استفاده میشود و در نتیجه، DRI کاملاً ایزوله میشود.
در حملونقل دریایی نیز، کشتیهایی که محموله DRI را حمل میکنند، بر اساس استاندارد جهانی IMSBC Code، موظفاند از گاز نیتروژن برای بیاثر کردن فضای بار استفاده کنند. این کار احتمال خودسوزی و تولید گازهای خطرناک را کاهش میدهد.
نقش میعانات گازی و ارتباط آن با نیتروژن
از آنجایی که این مقاله برای یک شرکت فعال در حوزه میعانات گازی و گازهای صنعتی تهیه میشود، اشاره به رابطه نیتروژن با صنایع گازی ضروری است.
در بسیاری از مجتمعهای احیای مستقیم، نیتروژن از واحدهای تولید گاز صنعتی، واحدهای جداسازی هوا (ASU) یا واحدهای وابسته به مجتمع پالایشگاهی تأمین میشود. کیفیت و خلوص نیتروژن در این کاربرد بسیار مهم است.
گازهای صنعتی مانند نیتروژن، اکسیژن و آرگون معمولاً در کنار میعانات گازی تولید یا فرآوری میشوند و واحدهای فولادی بخشی از مشتریان مهم شرکتهای فعال در این حوزه هستند.
به همین دلیل، عرضه نیتروژن با خلوص بالا (۹۹.۹ درصد یا بیشتر) و فشار مناسب، یکی از مهمترین خدمات زنجیره گاز صنعتی به واحدهای فولادسازی است.
نیتروژن در فرایند تولید آهن اسفنجی فقط یک گاز بیاثر نیست؛ بلکه ستون ایمنی، کیفیت و پایداری این صنعت حساس بهشمار میرود.
اگر یک واحد DRI را مانند یک موتور عظیم تصور کنیم، نیتروژن نقش روغن روانساز را بازی میکند؛ چیزی که خود در محصول دیده نمیشود، اما نبودش باعث توقف کامل فرایند و حتی وقوع حوادث بزرگ خواهد شد.
پرژینگ با نیتروژن، راکتورها را از خطر انفجار نجات میدهد، کیفیت آهن اسفنجی را حفظ میکند، ریفورمرها را از تخریب مصون نگه میدارد و جریان گاز را در شرایطی پایدار و کنترلشده نگه میدارد.
در محیطهای ذخیرهسازی نیز، نیتروژن مانند یک سپر محافظ عمل میکند و از خودسوزی آهن اسفنجی جلوگیری میکند.
مجموعه این کاربردها باعث شده نیتروژن به یکی از حیاتیترین گازهای مصرفی در صنعت فولاد تبدیل شود، بهویژه در فرآیندهای مدرن احیای مستقیم که بر پایه گاز طبیعی انجام میشوند.
در نهایت میتوان گفت هر واحد تولید آهن اسفنجی — از کوچک تا بزرگ — بدون نیتروژن قابلتصور نیست. این گاز نهتنها امنیت کارکنان و تجهیزات را تضمین میکند، بلکه کیفیت محصول را پایدار، هزینهها را کنترل و کارایی کلی کارخانه را افزایش میدهد.
برای شرکتهای فعال در حوزه میعانات گازی و تأمین گازهای صنعتی، فراهمسازی نیتروژن با خلوص بالا، فشار مناسب و پایداری تأمین، یکی از مهمترین حلقههای همکاری با صنایع فولاد و احیای مستقیم محسوب میشود؛ همکاریای که نهتنها از نظر اقتصادی ارزشمند است، بلکه نقش مهمی در پایداری صنعتی کشور ایفا میکند.
————————————————–
منابع
1. Midrex Technologies. “MIDREX® Direct Reduction Process – Technical Overview.” Midrex Global, Technical Papers.
2. Energiron (Tenova & Danieli). “Energiron Direct Reduction Technology – Fundamentals and Applications.” Tenova Technical Library.
3. K. Koch, et al. “Direct Reduced Iron: Production and Use.” Steel Times International.
4. A. Babich, D. Senk. “Ironmaking Technology: Direct Reduction.” RWTH Aachen University Lecture Notes
Nitrogen Use in Steel & Metallurgy
5. Air Products & Chemicals. “Nitrogen Applications in the Metals Industry.” Industrial Gas Applications Series.