Gaz bazlı şaft fırını doğrudan indirgeme sürecinde metalik Fe verimi ve CO2 emisyonlarının termodinamik hesaplaması

Atık gazı yararlı metale dönüştürmek

Çelik modern yaşamın temelini oluşturur, ancak üretimi büyük miktarda karbondioksit salar. Dünya çapında çeliğin yarısından fazlasının üretildiği Çin’de emisyonları azaltmak iklim hedefleri için hayati önem taşır. Bu çalışma, kok kömürü tesislerinden çıkan az kullanılan bir yan ürün olan kok fırını gazının, hem yakıt hem de kimyasal ajan olarak kullanılarak şaft fırını adı verilen bir reaktörde daha verimli demir üretiminde ve karbon kirliliğinin azaltılmasında nasıl değerlendirilebileceğini inceliyor.

Çelik bacalarının önemi

Çelik üretimi genellikle yüksek karbon salınımına yol açan yüksek fırınlarda kömüre dayanır. Aynı zamanda çelik üretimi için kömürü hazırlayan kok tesisleri, hidrojen ve metan açısından zengin büyük miktarda gaz açığa çıkarır. Bu gazın çoğu yakılır ya da israf edilir. Birim enerji başına iklim etkisi doğalgazla benzer olduğundan, bu yan ürünün daha akıllıca kullanılması çıkarılması veya ithal edilmesi gereken fosil yakıtları ikame etmeye yardımcı olabilir. Yazarların ele aldığı soru, kok fırını gazının demir cevherini katı demire çeviren gaz bazlı şaft fırınlarını çalıştırmada ne kadar kullanılabileceği ve bunun karbondioksit emisyonları için ne anlama geleceğidir.

Sanal bir demir fabrikası kurmak

Pahalı pilot tesisleri işletmek yerine araştırmacılar, enerji ve kütle korunum yasalarına dayanan ayrıntılı bir termodinamik model, yani sanal bir fabrika oluşturdu. Kok fırını gazının önce ayrı bir ısıtma ve reform fırınında ısıtılıp hidrojen açısından zengin bir karışıma dönüştürülmesi, ardından oksijeni demir cevheri peletlerinden uzaklaştırmak üzere şaft fırınına gönderilmesi sürecini izlediler. Model, ne kadar metalik demir üretildiğini, kimyasal reaksiyonlar ve ısı için ne kadar gaz tüketildiğini ve egzozla ne kadar karbondioksit çıktığını takip ediyor. Cevherin demir içeriği, metale tamamen dönüşen demir payı ve metalik demirin oluştuğu sıcaklık gibi ana girdileri değiştirerek her seçimin verim ve emisyonlar üzerindeki etkisini görebildiler.

Cevher kalitesi ince ayardan daha etkili

Açık bir sonuç, cevherin demir derecesinin ana kaldıraç olduğudur. Demir içeriği nispeten düşük %45’ten daha zengin %70’e yükseldiğinde, sabit bir kok fırını gazı miktarı başına üretilen metalik demir kütlesi %60’tan fazla artıyor. Aynı zamanda ton başına salınan karbondioksit keskin şekilde düşüyor; yaklaşık 1,2 tondan yaklaşık 0,74 tona iniyor. Bunun nedeni, daha zengin cevherin demire dönüşmeyen ve sadece ısıtılması gereken metalik olmayan malzeme oranının daha az olmasıdır. Karışımdaki daha az işe yaramaz kayaç, saf ısı sağlamak için yanacak gaz miktarını azaltıyor ve gazın daha büyük bir kısmı gerçekte demir oksidi metale indirgemeye ayrılabiliyor.

Fırın koşullarının ince ayarı

Ekip ayrıca şaft fırını içindeki iki işletme düğmesini inceledi: cevherin ne kadarının metale dönüştüğü (metallizasyon derecesi) ve indirgenmenin son adımının gerçekleştiği sıcaklık. Metallizasyon derecesi artırıldığında genellikle hem demir verimi hem de katı ürün başına karbondioksit artma eğiliminde, ancak aynı gaz miktarıyla daha fazla kullanılabilir demir üretildiği için saf metal ton başına emisyon azalıyor. Metalik demirin oluştuğu sıcaklığın biraz yükseltilmesi metal verimini azaltıp emisyonları artırıyor; çünkü daha yüksek sıcaklık daha fazla ısı için ek gaz gerektiriyor. Genel olarak bu faktörler önemli ancak başlangıçta daha yüksek kaliteli cevher kullanmanın etkisi kadar büyük değiller.

Atığı azaltmak için sıcak gazların geri dönüşümü

Model, sadece kimyasal reaksiyonların değil, ısı dengesinin de sistemin ne kadar gaza ihtiyaç duyduğunu büyük ölçüde kontrol ettiğini gösteriyor. Şaft fırınının üstünden çıkan sıcak egzozun ısıtma fırınında yakılması durumunda, temizlenen bu gazın yalnızca yaklaşık beşte biri ısıtma talebini karşılamak için gerekli oluyor. Geri kalan dörtte üçü prensipte karbondioksitten ayrıştırılıp taze indirgeme gazı olarak sisteme geri gönderilebilir. Yıllık 1,2 milyon ton kok üretimi yapan bir kok fırını örneğinde, kullanılabilir gaz kabaca yıllık 4,9 milyon ton metalik demir üretimini destekleyebilir; aynı zamanda yıllık karbondioksit salımı gaz üretimiyle sınırlı kalırken ton başına emisyonları düşürür.

Daha temiz çelik için sonuçlar

İklime dost sanayiyle ilgilenen okuyucular için çıkarılacak ders şudur: Mevcut yan ürün gazının dikkatli kullanımı ve daha iyi cevher kalitesi, demirürün karbon ayak izinde kayda değer bir azalma sağlayabilir. Çalışma sıfır emisyon vaadinde bulunmuyor, ancak kok fırını gazı bazlı şaft fırınlarının termodinamik sınırlarını haritalıyor. Yüksek demirli cevherleri önceliklendiren, sıcak egzoz gazının çoğunu geri döndüren ve gereksiz aşırı ısıtmadan kaçınan çelik üreticileri, aynı yakıttan daha fazla metal elde ederken atmosfere daha az karbondioksit gönderebilir.

Atıf: Jiang, X., Deng, X., Fan, X. et al. Thermodynamic calculation of metallic Fe yield and CO₂ emissions in gas-based shaft furnace direct reduction process. Sci Rep 16, 15263 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45162-4

Anahtar kelimeler: kok fırını gazı, şaft fırını, doğrudan indirgenmiş demir, çelik karbonsuzlaştırma, termodinamik modelleme