نوع مقاله : مقاله علمی پژوهشی
تازه های تحقیق
عنوان مقاله English
نویسندگان English
The steel industry is one of the largest consumers of energy and one of the major sources of greenhouse gas emissions worldwide. Among ironmaking technologies, the natural gas-based direct reduction process, particularly the MIDREX technology, is recognized as one of the most efficient and low-carbon methods for producing direct reduced iron (DRI). Despite its advantages, the performance of the gas processing system, especially the reformer, recuperator, and recycle gas circuit, has a significant impact on energy consumption, process efficiency, and CO₂ emissions. Therefore, evaluating and optimizing this system is essential for improving operational performance and reducing environmental impacts. This study aims to evaluate the performance of the gas processing system in an industrial MIDREX plant with an annual production capacity of 825,000 tons of DRI. Operational data, including process gas composition, reformer efficiency, recuperator performance, recycle gas quality, and operating conditions, were collected and analyzed. Subsequently, a comprehensive process model was developed using Aspen HYSYS to simulate plant operation and assess various optimization scenarios. The results indicate that reduced reformer efficiency, heat losses in the recuperator, and increased concentrations of CO₂ and H₂O in the recycle gas are the primary factors contributing to higher natural gas consumption and increased CO₂ emissions. Simulation results show that improving recuperator performance can reduce the reformer heat duty by 6–8%. In addition, reducing CO₂ in the recycle gas, replacing the reformer catalyst, and increasing the inlet gas preheating temperature can collectively decrease the reformer energy consumption by approximately 12%. Furthermore, the evaluation of improvement scenarios demonstrates that combining these optimization measures with a 30% hydrogen substitution in the reducing gas can lower CO₂ emissions to approximately 0.5–0.6 tons per ton of DRI produced. These findings highlight that optimizing the gas processing system is an effective strategy for enhancing energy efficiency, reducing fossil fuel consumption, and advancing the steel industry toward sustainable and low-carbon production.
کلیدواژه‌ها English
مقدمه
صنعت فولاد به عنوان یکی از بزرگ‌ترین مصرف‌کنندگان انرژی و منابع اصلی انتشار گازهای گلخانه‌ای، سهمی قابل‌توجه (حدود ۷ تا ۹ درصد) در انتشار دی‌اکسیدکربن جهانی دارد (Ariyama, 2025; Davis et al., 2025; World Steel Association, 2024) با تولید سالانه بیش از 9/1 میلیارد تن فولاد، این صنعت با فشارهای فزاینده‌ای از سوی توافقات بین‌المللی اقلیمی و مقررات محیطزیستی سخت‌گیرانه برای گذار به مسیرهای تولید کم‌کربن مواجه است (Draxler et al., 2021; Schlacke et al., 2022). توافق پاریس و متعاقباً تعهدات بیش از ۴۰ کشور برای دستیابی به بی‌طرفی کربنی تا سال ۲۰۵۰، جستجو برای فناوری‌های تحول‌آفرینی را که قادر به کاهش قابل‌توجه ردپای کربن صنعت فولاد باشند، شتاب بخشیده است.
در میان مسیرهای مختلف تولید آهن، فرایند احیای مستقیم با گاز طبیعی و به‌ویژه فناوری MIDREX جایگاه ویژه‌ای دارد؛ زیرا نسبت به روش کوره‌بلند، مصرف انرژی و انتشار CO₂ کمتری داشته و امکان یکپارچه‌سازی آن با هیدروژن نیز وجود دارد (Astoria et al., 2023; Chevrier et al., 2021; Kopfle & Hunter, 2008). مسیر DRI- EAF می‌تواند انتشار مستقیم CO₂ را تا ۶۸ درصد در مقایسه با روش سنتی کوره‌بلند-کوره اکسیژن‌پایه کاهش دهد (Skaf et al., 2025) . به‌طوری‌که شرکت تکنولوژی میدرکس[1] گزارش کرده است تولید جهانی آهن اسفنجی از طریق واحدهای MIDREX در سال ۲۰۲۳ به ۷۶ میلیون تن رسیده و پیش‌بینی می‌شود تقاضای جهانی برای آهن اسفنجی و آهن بریکت‌شده داغ2 (HBI) تا سال ۲۰۳۰ به ۱۸۰ میلیون تن برسد که برای تأمین آن به سرمایه‌گذاری حدود ۱۶ تا ۲۰ میلیارد دلاری در واحدهای جدید نیاز است .(S&P Global, 2026) این گسترش، ضرورت بهبود مستمر در بازدهی فرایند و عملکرد محیط زیستی را بیش از پیش آشکار می‌سازد.
در فرایند MIDREX، سیستم پردازش گاز متان شامل واحدهای خنک‌سازی، خشک‌سازی، تصفیه، فشرده‌سازی و بازیافت گاز برگشتی است و کیفیت و ترکیب گاز احیاکننده نقش تعیین‌کننده‌ای در بازده انرژی، کیفیت آهن اسفنجی و میزان انتشار آلاینده‌ها دارد. کوچک‌ترین افت عملکرد در این بخش‌ها می‌تواند باعث افزایش بار رفورمر، افزایش مصرف گاز طبیعی، کاهش نسبت H₂/CO و در نتیجه افزایش انتشار CO₂ شود .(Zhao et al., 2022) ریفورمر به‌ویژه بزرگ‌ترین مصرف‌کننده انرژی در واحد است و عملکرد آن مستقیماً تحت تأثیر کیفیت گاز برگشتی Top Gas و بازده ریکوپراتور3 قرار دارد.
مطالعات متعددی به بررسی ابعاد مختلف بهینه‌سازی فرایند MIDREX پرداخته‌اند. به‌عنوان مثال، عبادی و همکاران 4 مدل‌سازی و بهینه‌سازی ریفورمرهای MIDREX با سوخت متانول را برای تولید کارآمد هیدروژن بررسی کردند. وو و همکاران 5 تحلیل فنی-اقتصادی جامعی از یکپارچه‌سازی جذب و ذخیره‌سازی کربن با فرایند MIDREX انجام داده و بازده سرمایه‌گذاری ۱۹٫۹ درصدی را گزارش کرده‌اند که viability اقتصادی را در شرایط فعلی بازار نشان می‌دهد. اسکاف و همکاران6 استراتژی‌های تولید آهن سبز مبتنی بر هیدروژن را ارزیابی کرده و نشان داده‌اند که سناریوهای مبتنی بر هیدروژن می‌توانند ردپای کربن را بسته به منبع تأمین برق، ۵۳ تا ۸۲ درصد در مقایسه با MIDREX معمولی مبتنی بر گاز طبیعی کاهش دهند. همچنین آستوریا و همکاران 7 مسیرهای گذار از MIDREX مبتنی بر گاز طبیعی به هیدروژن را مطالعه کرده و امکان‌پذیری فنی ادغام تدریجی هیدروژن را برجسته ساخته‌اند.
در راستای توسعه فناوری‌های سبز، پژوهش‌های جدید بر روی مدل‌سازی جامع و شبیه‌سازی‌های چندفیزیکی برای بهینه‌سازی عملکرد ریفورمرهای MIDREX متمرکز شدهاند. به عنوان مثال، مطالعه‌ای جامع با استفاده از داده‌های واقعی یک واحد صنعتی در ایران، رفتار حرارتی، سینتیکی و ترمودینامیکی یک ریفورمر متان را شبیهسازی کرده و نشان داده است که افزایش دمای دیواره از ۱۳۰۰ به ۱۵۰۰ کلوین، تولید هیدروژن را تا ۱۲٫۲۴ درصد افزایش می‌دهد .(Abadi et al., 2026a) همچنین، فناوری MIDREX Flex با ارائه قابلیت انعطاف‌پذیری در استفاده از گاز طبیعی و هیدروژن، مسیری عملی برای کاهش تدریجی انتشار CO₂ فراهم آورده است، به‌گونه‌ای که واحدهای مجهز به این فناوری می‌توانند با کمترین تغییرات در تجهیزات، تا ۳۰ درصد گاز طبیعی خود را با هیدروژن جایگزین نمایند .(Midrex Technologies, Inc., 2025) با وجود اهمیت شناخته‌شده سیستم پردازش گاز، در بسیاری از واحدهای صنعتی، تحلیل سیستماتیک و جامع از رفتار واقعی آن، گلوگاه‌های انرژی و اثرات محیطزیستی مرتبط انجام نشده است؛ این موضوع شکاف اصلی پژوهشی را تشکیل می‌دهد (Abadi et al., 2026; Kopfle & Hunter, 2008). بیشتر مطالعات موجود بر مؤلفه‌های منفرد متمرکز بوده‌اند تا تحلیل یکپارچه از کل سیستم پردازش گاز، و تعداد کمی از آن‌ها یافته‌های خود را با داده‌های عملیاتی واقعی صنعتی از واحدهای ایرانی اعتبارسنجی کرده‌اند.
پژوهش حاضر با هدف تحلیل دقیق عملکرد سیستم پردازش گاز MIDREX بر اساس داده‌های واقعی صنعتی و شبیهسازی مهندسی انجام شده است. در این تحقیق، نواقص کلیدی شامل بازدهی پایین رفورمر، اتلاف حرارتی ریکوپراتور، ناکارآمدی سیستم Top Gas و اثرات ترکیب نامناسب گاز برگشتی شناسایی و اثر هر یک بر مصرف انرژی و انتشار CO₂ کمی‌سازی شده است .(Zhao et al., 2022) همچنین سناریوهای اصلاحی مانند افزایش بازده بازیابی حرارت، کاهش CO₂ گاز برگشتی و جایگزینی هیدروژن بررسی شدهاند. نتایج این تحقیق نشان می‌دهد که اصلاح سیستم پردازش گاز می‌تواند یکی از مؤثرترین راهکارها برای حرکت به سوی تولید فولاد سبز باشد و امکان کاهش انتشار CO₂ را تا حدود ۰٫۵ تا ۰٫۶ تن به ازای هر تن آهن اسفنجی فراهم کند؛ عددی که در مقیاس صنعتی بسیار قابل‌توجه است. این پژوهش ضمن ارائه تحلیل فنی دقیق، مسیر عملی برای بهینه‌سازی انرژی و ارتقای پایداری محیطزیستی واحدهای احیای مستقیم پیشنهاد می‌کند .(Rechberger et al., 2020; Skaf et al., 2025) فلوشیت استاندارد فرایند MIDREX با گاز طبیعی در شکل ۱ نشان داده شده است.
شکل 1. فلوشیت استاندارد میدرکس گاز طبیعی (Midrex Technologies, Inc., 2021)
Figure 1. Standard Midrex Natural Gas Flowsheet
روش انجام این پژوهش بر پایه یک رویکرد ترکیبی شامل تحلیل داده‌های عملیاتی یک واحد صنعتی MIDREX، شبیهسازی مهندسی و مدل‌سازی موازنه جرم و انرژی طراحی شده است. هدف اصلی این بخش شناخت دقیق رفتار سیستم فرایند گاز و شناسایی عوامل مؤثر بر کارایی انرژی و انتشار CO₂ است. مراحل تحقیق شامل چهار بخش اصلی زیر است.
آهن‌سازی به روش میدرکس
فرایند MIDREX متداول‌ترین فناوری احیای مستقیم در جهان است و بر پایه تبدیل گاز طبیعی به گاز احیاکننده (H₂ و CO) و واکنش آن با سنگ‌آهن در کوره شفتی است. در این واحد صنعتی، سنگ‌آهن گندله پس از ورود از بالای کوره، توسط گاز احیاکننده داغ در دماهای حدود ۷۰۰ تا ۸۰۰ درجه سانتی گراد احیا شده و آهن اسفنجی (DRI)1 تولید می‌شود .(Midrex Technologies, Inc., 2021)
مراحل اصلی فرایند به صورت زیر است:
1- تولید گاز احیاکننده
گاز طبیعی (CH₄) در رفورمر با استفاده از سطوح بالای حرارت و حضور کاتالیست، از طریق واکنش‌های ریفورم بخار (معادله 1) و ریفورم خشک (معادله 2) به گاز احیاکننده شامل H₂ و CO تبدیل می‌شود .(Horne & Miller, 2017)
CH₄ + H₂O → CO + 3H₂ (1)
CH₄ + CO₂ → 2CO + 2H₂ (2)
2- احیا در کوره شفتی
گاز احیا با دمای حدود800-900 درجه سانتی گراد وارد بخش پایین کوره شفتی می‌شود و به سمت بالا حرکت می‌کند. گندله آهن از بالا وارد شده و واکنش طبق معادله 3 انجام می‌شود(Szekely et al., 1976) :
Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe (3)
3- بازیافت گاز خروجی (Top Gas)
گاز خروجی کوره (Top Gas) شامل CO، CO₂، H₂، H₂O و گردوغبار است. این گاز پس از خنک‌سازی و تصفیه، بخشی به رفورمر بازگردانده می‌شود و بخشی مشعل‌ها را تغذیه می‌کند. در این مطالعه، تمامی داده‌های مربوط به دما، فشار، ترکیب گاز و عملکرد بخش های ذکر شده، از واحد مورد مطالعه برداشت و تحلیل شدند.
سیستم فرایند گاز
سیستم فرایند گاز بخش کلیدی فرایند MIDREX است و وظیفه آن آماده‌سازی گاز برگشتی برای ورود دوباره به رفورمر است. هرگونه نقص در این سیستم می‌تواند بازده رفورمر و کل فرایند را کاهش دهد.
اجزای اصلی سیستم فرایند گاز عبارت‌اند از:
- خنک‌سازی اولیه: Top Gas از دمای حدود400-350 درجه سانتی گراد به حدود 40 درجه سانتی گراد می‌رسد. این مرحله برای جلوگیری از آسیب به تجهیزات بعدی ضروری است.
- حذف گردوغبار: در اسکرابر، گردوغبار و بخشی از CO₂ جذب شده و رطوبت گاز کاهش می‌یابد. در صورتی که عملکرد این بخش ضعیف باشد، CO₂ و H₂O بالا وارد رفورمر شده و بار آن افزایش می‌یابد .(Wang et al., 2020)
- فشرده‌سازی گاز تصفیه‌شده به فشارbar 3-2 فشرده می‌شود تا امکان ورود به مبدل‌های حرارتی و رفورمر را داشته باشد.
-پیش‌گرمایش در ریکوپراتور: ریکوپراتور با استفاده از دودکش رفورمر، گاز برگشتی را از 40 درجه سانتیگراد به حدود 450–520 درجه سانتیگراد گرم می‌کند.
این بخش مهم‌ترین واحد کاهش‌دهنده مصرف انرژی است .(Kumar & Singh, 2018) افت عملکرد ریکوپراتور یکی از دلایل افزایش CO₂ در واحدهای صنعتی است.
- مخلوط‌سازی با گاز طبیعی (NG + Recycle Mixing): نسبت گاز طبیعی به گاز برگشتی براساس طراحی واحد تنظیم می‌شود.
نسبت بیشتر گاز برگشتی[2] معمولاً سبب کاهش هزینه سوخت و بهبود کیفیت گاز احیا می‌شود.
- ورود مخلوط به رفورمر: در رفورمر گاز گرم‌شده در حضور کاتالیست به H₂ و CO تبدیل شده و به سمت کوره شفتی ارسال می‌شود.
شبیهسازی با نرم‌افزار Aspen HYSYS
به‌منظور تحلیل دقیق عملکرد سیستم فرایند گاز و سنجش اثر تغییرات عملیاتی، یک مدل کامل فرایند در نرم‌افزار Aspen HYSYS ساخته شد.(Alvarez & Gómez-Barea, 2018) در شبیهسازی انجام‌شده، معادله حالت Soave–Redlich–Kwong به‌عنوان مدل ترمودینامیکی انتخاب شد، زیرا ترکیب گازهای موجود در فرایند شامل متان، هیدروژن، مونوکسیدکربن و دی‌اکسیدکربن است و این معادله حالت دقت مناسبی در پیش‌بینی رفتار ترمودینامیکی چنین مخلوط‌هایی در دما و فشار عملیاتی واحد MIDREX دارد(International Energy Agency, 2021) . انتخاب این مدل امکان محاسبه صحیح تعادل فازی، آنتالپی و خواص انتقالی جریان‌های گازی را فراهم کرد و پایه اصلی شبیهسازی دقیق فرایند را شکل داد. مدل شبیهسازی به‌صورت یک فلوشیت کامل فرایندی ایجاد شد که تمامی واحدهای اصلی سیستم فرایند گاز را دربر می‌گرفت. این مدل شامل رفورمر، ریکوپراتور، مبدل‌های حرارتی، کمپرسور گاز برگشتی، اسکرابر، خطوط انتقال گاز طبیعی و مسیرهای بازیافت گاز بود. اتصال صحیح این تجهیزات به یکدیگر به‌گونه‌ای انجام شد که مسیر واقعی جریان‌ها، تبادل حرارت و افت فشارها مطابق با شرایط صنعتی بازسازی شود و رفتار کل واحد به‌صورت یکپارچه قابل تحلیل باشد. در مدل شبیهسازی، واکنش‌های شیمیایی اصلی حاکم بر عملکرد رفورمر تعریف شدند. این واکنش‌ها شامل ریفورمینگ بخار متان، ریفورمینگ خشک متان با دی‌اکسیدکربن و واکنش تجزیه متان بودند که همگی به‌صورت واکنش‌های گرماگیر در نظر گرفته شدند. نرخ این واکنش‌ها بر اساس داده‌های صنعتی و سینتیک‌های متداول تنظیم شد تا تولید هیدروژن و مونوکسیدکربن در شرایط عملیاتی واقعی با دقت مناسبی شبیهسازی شود.
به‌منظور نزدیک‌کردن شبیهسازی به عملکرد واقعی واحد، شرایط عملیاتی حقیقی مستقیماً در مدل اعمال شد. این داده‌ها شامل دمای گازهای ورودی، فشار گاز برگشتی، دمای کاری رفورمر، ترکیب گاز احیاکننده و دمای دودکش رفورمر بود. اعمال این اطلاعات باعث شد نتایج شبیهسازی بازتاب دقیقی از وضعیت موجود واحد صنعتی داشته باشد و امکان مقایسه مستقیم بین شرایط واقعی و شرایط اصلاح‌شده فراهم شود.
پس از پایدارسازی مدل، سناریوهای مختلف اصلاحی بر روی شبیهسازی اجرا شد. این سناریوها شامل افزایش بازده ریکوپراتور، کاهش میزان دی‌اکسیدکربن در گاز برگشتی، جایگزینی تدریجی هیدروژن به‌میزان ۱۰ تا ۳۰ درصد، بهبود عایق‌بندی رفورمر و افزایش دمای پیش‌گرمایش گاز ورودی بودند. برای هر سناریو، شاخص‌هایی نظیر مصرف گاز طبیعی، ترکیب گاز احیا، دمای محصول، میزان انتشار دی‌اکسیدکربن و تغییر بار حرارتی رفورمر استخراج و با یکدیگر مقایسه شدند تا اثر هر اقدام اصلاحی به‌صورت کمی ارزیابی شود. فلوشیت فرایندی شبیه‌سازی‌شده در نرم‌افزار Aspen HYSYS در شکل ۲ ارائه شده است.
شکل2. Pfd شبیه سازی شده توسط نرم افزار Aspen HYSYS V9
Figure 2. PFD simulated by Aspen HYSYS V9 software
موازنه جرم و انرژی
موازنه جرم و انرژی واحد احیای مستقیم MIDREX به‌صورت جامع و یکپارچه انجام شد تا ارتباط دقیق بین جریان‌های مادی، مصرف انرژی و میزان انتشار دی‌اکسیدکربن به‌طور کمی مشخص شود. موازنه جرم بر پایه شناسایی و ردیابی تمامی جریان‌های ورودی و خروجی سیستم فرایند گاز و کوره شفتی انجام گرفت(Himmelblau & Riggs, 2012) . جریان‌های اصلی شامل گاز طبیعی ورودی به رفورمر، گاز برگشتی حاصل از بالای کوره شفتی، گاز احیاکننده تولیدی و گاز خروجی Top Gas بودند. با درنظرگرفتن پایستگی جرم، برای هر یک از واحدهای عملیاتی معادلات موازنه نوشته شد تا تطابق کامل بین جرم ورودی و خروجی برقرار گردد. این تحلیل نشان داد که افزایش سهم CO₂ و بخار آب در گاز برگشتی، بدون تغییر محسوس در دبی جرمی کل، باعث تغییر قابل‌توجه در ترکیب گاز ورودی به رفورمر می‌شود که در نهایت کیفیت گاز احیاکننده را کاهش داده و نیاز به مصرف انرژی بیشتر را ایجاد می‌کند.
محاسبه شاخص های محیطزیستی
شاخص های محیط زیستی در روابط 4 تا 8 نشان داده شدهاند.
- شدت کربن ویژه واحد (Specific Carbon Intensity – SCI)
(4)
انتشار CO₂ در حالت پایه حدود 5/0 تا 6/0 تن به ازای هر تن آهن اسفنجی ذکر شده است. با احتساب ظرفیت واحد (۸۲۵ هزار تن در سال)، انتشار سالانه حدود 412،500 تا 495،000 تن CO₂ است.
شاخص شدت کربن ویژه واحد می‌دهد که به ازای هر تن محصول، چه مقدار CO₂ منتشر می‌شود. پس از اعمال راهکارهای بهینه‌سازی (بهبود ریکوپراتور، کاهش CO₂ برگشتی، جایگزینی هیدروژن)، این مقدار می‌تواند تا 4/0 تن/تن کاهش یابد که معادل کاهش ۲۰٪ در شدت کربن است. این بهبود، همسو با اهداف صنعت فولاد کم‌کربن است.
- بازده انرژی ویژه (Specific Energy Consumption – SEC)
(5)
با توجه به کاهش ۲۲ تا ۲۵ درصدی مصرف گاز طبیعی پس از بهینه‌سازی، اگر مصرف اولیه واحد را حدود ۱۰ گیگاژول بر تن در نظر بگیریم، پس از بهبود به 5/7 تا 8/7 گیگاژول بر تن می‌رسد. این شاخص نشان می‌دهد که به ازای هر تن آهن اسفنجی، چقدر انرژی مصرف می‌شود. کاهش ۲۲-۲۵٪ در SEC نشان‌دهنده بهبود قابل توجه بهره‌وری انرژی و کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی است.
- نسبت کاهش انتشار ناشی از هیدروژن (H₂ Substitution Impact – HSI)
(6)
جایگزینی ۳۰٪ هیدروژن منجر به کاهش 25/0 تن دی اکسیدکربن به ازای تن DRI می‌شود. اگر انتشار پایه را 5/0 تن/تن بگیریم،50% HSI ≈ خواهد بود. این شاخص نشان می‌دهد که جایگزینی هیدروژن چقدر می‌تواند در کاهش انتشار موثر باشد. مقدار ۵۰٪ بیانگر پتانسیل بالای هیدروژن برای کربن‌زدایی در فرآیند MIDREX است.
- نسبت بازیافت حرارتی مؤثر (Effective Heat Recovery Ratio – EHRR)
(7)
با بهبود ریکوپراتور، 8-6 % از بار حرارتی رفورمر کاسته می‌شود. اگر انرژی ورودی به رفورمر را ۱۰۰ واحد در نظر بگیریم، 8-6 %EHRR ≈ خواهد بود. این شاخص نشان می‌دهد که چقدر از انرژی تلف‌شده قابل بازیافت است. افزایش EHRR نه تنها مصرف سوخت را کاهش می‌دهد، بلکه از انتشار CO₂ اضافی جلوگیری می‌کند.
- شاخص کیفیت گاز برگشتی (Return Gas Quality Index – RGQI)
(8)
افزایش CO₂ و H₂O در گاز برگشتی باعث کاهش کیفیت می‌شود. پس از بهینه‌سازی، این نسبت بهبود می‌یابد. افزایش RGQI نشان‌دهنده بهبود کیفیت گاز برگشتی و کاهش بار روی رفورمر است. این شاخص می‌تواند به عنوان معیاری برای پایش عملیاتی واحد استفاده شود.
ارزیابی اقتصادی
برای تکمیل تحلیل فنی و محیطزیستی، یک ارزیابی اقتصادی برای بررسی امکان‌پذیری مالی سناریوهای بهبود پیشنهادی انجام شد. تحلیل اقتصادی بر برآورد سرمایه‌گذاری اولیه موردنیاز، صرفه‌جویی در هزینه‌های عملیاتی و دوره بازگشت سرمایه مرتبط با اجرای اقدامات بهینه‌سازی شناسایی‌شده متمرکز بود. شاخص‌های کلیدی اقتصادی شامل کل سرمایه‌گذاری، صرفه‌جویی سالانه هزینه ناشی از کاهش مصرف گاز طبیعی و دوره بازگشت سرمایه ساده، بر اساس قیمت‌های فعلی بازار ایران برای گاز طبیعی و تجهیزات محاسبه شد. تحلیل سناریوهای بهبود زیر را در نظر گرفت: (۱) افزایش بازده ریفورمر، (۲) بهبود عملکرد ریکوپراتور، (۳) ارتقای سیستم Top Gas با حذف CO₂، و (۴) اجرای همزمان تمامی اقدامات. هزینه‌های تجهیزات بر اساس استعلام قیمت از تأمین‌کنندگان و روابط استاندارد هزینه‌یابی صنعتی برآورد شد، در حالی که صرفه‌جویی گاز طبیعی از نتایج شبیهسازی بخش قبل استخراج گردید. این ارزیابی اقتصادی چارچوب اولیه‌ای برای بررسی مقرون‌به‌صرفه بودن اصلاحات پیشنهادی فراهم کرده و از تصمیم‌گیری سرمایه‌گذاری برای بهره‌برداران واحد پشتیبانی می‌کند.
یافتهها و بحث
فرایند گاز در فرایند MIDREX
بررسی داده‌های عملیاتی واحد صنعتی نشان داد که سیستم فرایند گاز یکی از مؤثرترین بخش‌ها در تعیین بازده کلی فرایند احیای مستقیم به روش MIDREX است. گاز برگشتی خروجی از بالای کوره شفتی که شامل CO، CO₂، H₂، بخار آب و مقادیر جزئی متان است، در صورت عدم تصفیه و آماده‌سازی مناسب، می‌تواند بار حرارتی و شیمیایی قابل‌توجهی به رفورمر تحمیل کند. نتایج نشان داد که افزایش CO₂ و H₂O در گاز برگشتی باعث تشدید واکنش‌های گرماگیر در رفورمر شده و کیفیت گاز احیاکننده تولیدی را کاهش می‌دهد. این موضوع به‌طور مستقیم موجب افزایش مصرف گاز طبیعی، کاهش نسبت H₂/CO و افت بازدهی واکنش‌های احیا در کوره شفتی می‌شود. همچنین عملکرد نامناسب واحدهای خنک‌سازی، اسکرابر و فشرده‌سازی گاز برگشتی، منجر به ورود ناخالصی‌ها و رطوبت به تجهیزات پایین‌دست شده و شرایط عملیاتی رفورمر و مبدل‌های حرارتی را از حالت بهینه خارج می‌کند. این یافتهها نشان می‌دهد که بخش قابل‌توجهی از انرژی مصرفی واحد صرف جبران افت کیفیت گاز برگشتی می‌شود و بهینه‌سازی این سیستم می‌تواند نقش کلیدی در کاهش شدت انرژی داشته باشد .(Adewuyi & Fletcher, 2019)
شبیهسازی فرایند با Aspen HYSYS
شبیهسازی فرایند با استفاده از داده‌های واقعی صنعتی در محیط Aspen HYSYS انجام شد تا تأثیر شرایط عملیاتی مختلف بر عملکرد سیستم فرایند گاز بررسی شود (Alvarez & Gómez-Barea, 2018). نتایج شبیهسازی نشان داد که افزایش دمای گاز برگشتی ورودی به رفورمر، که عمدتاً از طریق بهبود عملکرد ریکوپراتور حاصل می‌شود، تأثیر قابل‌توجهی در کاهش بار حرارتی رفورمر دارد. با افزایش دمای پیش‌گرمایش گاز ورودی، نیاز به احتراق سوخت در مشعل‌ها کاهش یافته و نسبت H₂ به CO در گاز احیاکننده بهبود پیدا می‌کند.
همچنین کاهش میزان CO₂ در گاز برگشتی موجب کاهش شدت واکنش‌های گرماگیر ریفورمینگ و افزایش کیفیت گاز احیا شد. در سناریوی جایگزینی بخشی از گاز طبیعی با هیدروژن، نتایج نشان داد که بار رفورمر به‌طور محسوسی کاهش یافته و انتشار دی‌اکسیدکربن ناشی از احتراق سوخت افت قابل‌توجهی پیدا می‌کند. زمانی که تمامی اصلاحات به‌صورت همزمان اعمال شدند، کاهش چشمگیر مصرف گاز طبیعی و بهبود معنی‌دار شاخص‌های محیطزیستی واحد مشاهده شد که تطابق مناسبی با داده‌های عملیاتی واقعی داشت و اعتبار مدل شبیهسازی را تأیید کرد.
موازنه جرم و انرژی
برای تحلیل نحوه توزیع انرژی در واحد احیای مستقیم، موازنه جرم و انرژی بر اساس داده‌های عملیاتی و نتایج شبیهسازی انجام شد و نتایج به‌صورت دیاگرام سنکی نمایش داده شد. این تحلیل نشان داد که رفورمر بیشترین سهم مصرف انرژی را در کل واحد به خود اختصاص می‌دهد و پس از آن، ریکوپراتور نقش مهمی در بازیافت بخشی از انرژی دودکش ایفا می‌کند. با وجود این، مقدار قابل‌توجهی از انرژی به‌صورت اتلاف حرارتی از بدنه رفورمر و دودکش از دست می‌رود که این موضوع یکی از عوامل اصلی افزایش مصرف سوخت و انتشار دی‌اکسیدکربن است. نتایج دیاگرام سنکی نشان داد که حتی بهبود محدود در بازده ریکوپراتور و کاهش اتلاف حرارتی می‌تواند تأثیر قابل‌توجهی بر کاهش شدت انرژی کل واحد داشته باشد. دیاگرام موازنه انرژی خط احیای شبیه‌سازی‌شده در شکل ۳ ارائه شده است. موازنه جرم مشخص کرد که سهم بازیافت گاز برگشتی نقش مهمی در کاهش مصرف گاز طبیعی دارد، اما در صورتی که کیفیت این گاز کنترل نشود، مزیت بازیافت به یک عامل تشدیدکننده مصرف انرژی تبدیل می‌شود. انرژی‌های ورودی شامل انرژی شیمیایی گاز طبیعی، انرژی همراه گاز برگشتی، انرژی تأمین‌شده توسط مشعل‌های رفورمر و سهم انرژی ناشی از پیش‌گرمایش جریان‌ها بود. در مقابل، انرژی خروجی به‌صورت انرژی موجود در گاز احیاکننده، انرژی انتقال‌یافته به کوره شفتی، انرژی بازیافتی در ریکوپراتور و اتلاف‌های حرارتی از بدنه رفورمر و دودکش در نظر گرفته شد. نتایج این موازنه نشان داد که بخش قابل‌توجهی از انرژی ورودی به رفورمر صرف جبران افت دمای گاز ورودی و انجام واکنش‌های گرماگیر ناشی از حضور CO₂ و H₂O اضافی در گاز برگشتی می‌شود. به‌عبارت دیگر، کاهش کیفیت گاز برگشتی مستقیماً موجب افزایش بار حرارتی رفورمر و افزایش مصرف سوخت می‌گردد. تحلیل انرژی همچنین نشان داد که ریکوپراتور نقش کلیدی در بهبود کارایی انرژی واحد دارد، زیرا با بازیافت حرارت دودکش رفورمر، دمای گاز برگشتی را پیش از ورود به رفورمر افزایش می‌دهد. هرگونه افت بازده در این مبدل حرارتی باعث کاهش دمای پیش‌گرمایش، افزایش نیاز به احتراق سوخت در مشعل‌ها و در نتیجه افزایش انتشار دی‌اکسیدکربن می‌شود. نتایج موازنه انرژی نشان داد که اتلاف حرارت از بدنه رفورمر و دودکش سهم قابل‌توجهی از انرژی کل را به خود اختصاص می‌دهد و بهبود عایق‌بندی و ارتقای تجهیزات بازیافت حرارت می‌تواند تأثیر مستقیمی بر کاهش مصرف انرژی داشته باشد. در بخش محاسبه انتشار دی‌اکسیدکربن، نتایج موازنه جرم و انرژی به‌صورت همزمان مورد استفاده قرار گرفت. دی‌اکسیدکربن تولیدی از احتراق سوخت رفورمر، CO₂ حاصل از واکنش‌های شیمیایی احیا و CO₂ موجود در گاز خروجی کوره شفتی به‌عنوان اجزای اصلی انتشار در نظر گرفته شدند. محاسبات نشان داد که افزایش مصرف سوخت در رفورمر، که عمدتاً ناشی از افت کارایی سیستم فرایند گاز است، بیشترین سهم را در افزایش انتشار CO₂ دارد. از سوی دیگر، بهبود شرایط عملیاتی و کاهش بار حرارتی رفورمر باعث کاهش همزمان مصرف سوخت و انتشار دی‌اکسیدکربن می‌شود.
در مجموع، نتایج موازنه جرم و انرژی نشان داد که عملکرد سیستم فرایند گاز به‌طور مستقیم بر رفتار انرژی و محیطزیستی کل واحد MIDREX اثرگذار است(Ezzati & Carroll, 2018) . هرگونه بهبود در کیفیت گاز برگشتی، افزایش بازده ریکوپراتور و کاهش اتلاف‌های حرارتی، نه‌تنها موجب کاهش مصرف گاز طبیعی می‌شود، بلکه اثر مستقیمی بر کاهش انتشار CO₂ به‌ازای هر تن آهن اسفنجی دارد. این تحلیل جامع تأیید می‌کند که موازنه جرم و انرژی ابزاری کلیدی برای شناسایی نقاط بحرانی مصرف انرژی و طراحی راهبردهای مؤثر برای حرکت به‌سوی تولید آهن و فولاد کم‌کربن و پایدار است.
شکل 3. دیاگرام موازنه انرژی خط احیاء شبیهسازی شده
Figure 3. Energy balance diagram of the simulated reduction line
کارایی انرژی
تحلیل کارایی انرژی واحد نشان داد که بازدهی واقعی فرایند کمتر از مقدار طراحی استاندارد فناوری MIDREX است. این اختلاف عمدتاً ناشی از افت عملکرد تجهیزات کلیدی مانند ریکوپراتور و رفورمر، افزایش CO₂ و بخار آب در گاز برگشتی و اتلاف حرارتی از بدنه تجهیزات است. نتایج نشان داد که بهبود شرایط پیش‌گرمایش گاز برگشتی، تعویض یا احیای کاتالیست رفورمر و کاهش ناخالصی‌های گاز بازیافتی می‌تواند منجر به افزایش قابل‌توجه کارایی انرژی شود. اجرای همزمان این اصلاحات امکان افزایش بازده کلی واحد را فراهم می‌کند و می‌تواند فاصله موجود بین عملکرد واقعی و شرایط طراحی را به‌طور محسوسی کاهش دهد (International Energy Agency, 2020).
کاهش مصرف گاز طبیعی در فورمر باعث کاهش بار حرارتی موردنیاز واحد شده و در کنار افزایش بازیافت حرارت در ریکوپراتور، منجر به استفاده بهینه‌تر از انرژی ورودی گردیده است. این عوامل در مجموع سبب افزایش بازده انرژی واحد و کاهش مصرف ویژه انرژی به ازای هر تن آهن اسفنجی تولیدی شدهاند.
انتشار دی‌اکسیدکربن و شاخص های محیط زیستی
نتایج تحلیل انتشار دی‌اکسیدکربن نشان داد که رفورمر اصلی‌ترین منبع تولید CO₂ در واحد MIDREX است و مصرف سوخت در این بخش بیشترین سهم را در آلایندگی کل دارد. افزایش ناخالصی‌های گاز برگشتی، به‌ویژه CO₂ و بخار آب، موجب افزایش مصرف سوخت و در نتیجه افزایش انتشار دی‌اکسیدکربن می‌شود. نتایج شبیهسازی نشان داد که بهبود بازده ریکوپراتور و کاهش بار حرارتی رفورمر می‌تواند انتشار CO₂ را به‌طور مستقیم کاهش دهد. همچنین جایگزینی تدریجی هیدروژن به‌جای گاز طبیعی یکی از مؤثرترین راهکارها برای کاهش انتشار دی‌اکسیدکربن ارزیابی شد، به‌طوری‌که در سناریوی بهینه، کاهش قابل‌توجهی در میزان CO₂ تولیدی به‌ازای هر تن آهن اسفنجی حاصل گردید (Gielen & Yagi, 2021).
جدول 1. اقدامات اصلاحی پتانسیل کاهش انتشار CO₂
Table 1. Corrective actions with potential for CO₂ emission reduction
|
کاهش CO2 (تن/تن ( DRI |
اقدام |
|
12/0 |
افزایش بازده ریفورمر |
|
05/0 |
افزایش بازده ریکوپراتور |
|
08/0 |
HDRI |
|
25/0 |
استفاده از هیدروژن تا %30 |
|
02/0 |
حذفCO2 محلول |
نتایج ارائه‌شده در جدول ۱ نشان می‌دهد که هر یک از اقدامات اصلاحی پیشنهادی، بسته به نوع و میزان تأثیرگذاری خود، می‌تواند در کاهش انتشار CO₂ و بهبود عملکرد محیطزیستی واحد احیای مستقیم نقش داشته باشد. بااین‌حال، بررسی اثرات هر اقدام به‌صورت منفرد نمی‌تواند به‌تنهایی بیانگر عملکرد نهایی و میزان بهبود حاصل از اجرای مجموعه اقدامات بهینه‌سازی باشد؛ زیرا در شرایط عملیاتی، عوامل مختلف سیستم فرایند گاز، از جمله عملکرد ریفورمر، بازده ریکوپراتور، کیفیت گاز برگشتی و میزان استفاده از هیدروژن، به‌صورت متقابل بر مصرف انرژی و انتشار CO₂ اثر می‌گذارند. بنابراین، پس از شناسایی پتانسیل هر یک از اقدامات اصلاحی، اثر تجمعی آن‌ها بر عملکرد کلی سیستم مورد ارزیابی قرار گرفت. در این راستا، شاخص‌های کمی انرژی و محیطزیستی شامل شدت کربن ویژه (Specific Carbon Intensity – SCI)، بازده انرژی ویژه (Specific Energy Consumption – SEC)، نسبت کاهش انتشار ناشی از هیدروژن و بازیافت حرارتی مؤثر، به‌عنوان معیارهای اصلی ارزیابی عملکرد در نظر گرفته شدند. مقادیر پایه و مقادیر حاصل پس از اعمال سناریوهای بهینه‌سازی و همچنین میزان بهبود هر شاخص در جدول ۲ ارائه شده است. این مقایسه امکان ارزیابی دقیق‌تر میزان تأثیر اقدامات اصلاحی بر کاهش شدت کربن، کاهش مصرف انرژی و افزایش بهره‌وری حرارتی سیستم را فراهم می‌کند و نشان می‌دهد که ترکیب اقدامات اصلاحی می‌تواند علاوه بر کاهش مستقیم انتشار CO₂، به بهبود همزمان شاخص‌های عملکردی واحد نیز منجر شود.
جدول 2. شاخص‌های کمی محیطزیستی و عملکردی
Table 2. Quantitative Environmental and Performance Indicators
|
بهبود (%) |
مقدار پس از بهینه‌سازی |
مقدار پایه |
شاخص |
|
۲۷٪ |
4/0 |
55/0 |
شدت کربن ویژه (تن/ CO₂تنDRI) |
|
۲۴٪ |
6/7 |
10 |
بازده انرژی ویژه (/GJتن) |
|
– |
۰٫۵۰ |
– |
نسبت کاهش انتشار هیدروژن |
|
۴۰٪ |
۷٪ |
۵٪ |
بازیافت حرارتی مؤثر |
تحلیل اقتصادی
به منظور ارزیابی امکان‌پذیری مالی اقدامات بهینه‌سازی پیشنهادی، یک تحلیل اقتصادی بر اساس نتایج شبیهسازی و شرایط فعلی بازار ایران انجام شد. این تحلیل بر برآورد سرمایه‌گذاری اولیه، صرفه‌جویی سالانه هزینه‌های عملیاتی و دوره بازگشت سرمایه ساده برای سناریوهای اصلی بهبود متمرکز گردید.
سرمایه‌گذاری موردنیاز برای اجرای اصلاحات پیشنهادی بسته به دامنه و پیچیدگی هر اقدام متفاوت است. بر اساس داده‌های صنعتی، احداث یک واحد جدید MIDREX با ظرفیت 5/1 میلیون تن در سال معمولاً به سرمایه‌گذاری بیش از ۱ میلیارد دلار نیاز دارد (S&P Global, 2026). برای واحد مورد مطالعه با ظرفیت ۸۲۵,۰۰۰ تن در سال، هزینه‌های سرمایه‌ای برآوردی برای هر سناریوی بهبود در جدول ۳ خلاصه شده است. بهینه‌سازی ریفورمر شامل تعویض کاتالیست، تنظیم مشعل‌ها و ارتقای عایق‌بندی، به سرمایه‌گذاری حدود ۸ تا ۱۲ میلیون دلار نیاز دارد. ارتقای ریکوپراتور شامل تعویض لوله‌ها و اصلاح سطح انتقال حرارت، تقریباً ۳ تا ۵ میلیون دلار هزینه دربردارد. ارتقای سیستم Top Gas با نصب واحد حذف CO₂، بیشترین هزینه سرمایه‌ای را به خود اختصاص می‌دهد و بین ۱۵ تا ۲۰ میلیون دلار برآورد می‌شود. اجرای همزمان تمامی اقدامات با بهره‌مندی از صرفه‌جویی مقیاس و زیرساخت‌های مشترک، بین ۲۵ تا ۳۵ میلیون دلار سرمایه‌گذاری نیاز دارد.
جدول ۳. سرمایه‌گذاری اولیه برآوردی و صرفه‌جویی سالانه برای سناریوهای بهبود
Table 3. Estimated Initial Investment and Annual Savings for Improvement Scenarios
|
دوره بازگشت سرمایه ساده (سال) |
صرفه‌جویی سالانه گاز طبیعی (میلیون دلار در سال) |
سرمایه‌گذاری اولیه برآوردی (میلیون دلار) |
سناریوی بهبود |
|
3 – 5/2 |
8/4 – 2/3 |
۸–۱۲ |
بهینه‌سازی ریفورمر |
|
5/2 9/1 |
4/2 – 6/1 |
۳–۵ |
ارتقای ریکوپراتور |
|
3/6 - 5 |
2/3 – 4/2 |
۱۵–۲۰ |
ارتقای Top Gas )حذفCO2) |
|
5/3 - 2 |
4/10-2/7 |
۲۵–۳۵ |
اجرای همزمان تمامی اقدامات |
توجه: محاسبات بر اساس قیمت گاز طبیعی به مبلغ 1/0 تا 15/0 دلار به ازای هر متر مکعب (نرخ صنعتی داخلی ایران، سال ۱۴۰۴) انجام شده است.
منبع اصلی صرفه‌جویی در هزینه‌های عملیاتی ناشی از کاهش مصرف گاز طبیعی است. بر اساس نتایج شبیهسازی ارائه‌شده در بخش قبل، اجرای همزمان تمامی اقدامات بهینه‌سازی می‌تواند مصرف گاز طبیعی را ۲۲ تا ۲۵ درصد کاهش دهد که برای واحد ۸۲۵,۰۰۰ تنی معادل صرفه‌جویی سالانه حدود ۷۲ تا ۹۶ میلیون متر مکعب گاز طبیعی است. با نرخ فعلی گاز طبیعی صنعتی ایران (1/0 تا 15/0 دلار بر مترمکعب)، این مقدار به صرفه‌جویی سالانه 2/7 تا 4/10 میلیون دلار منجر می‌شود. صرفه‌جویی های اضافی ممکن است از طریق کاهش جرایم انتشار CO₂ حاصل شود، هرچند که مکانیسم‌های قیمت‌گذاری کربن هنوز در ایران به‌طور کامل پیاده‌سازی نشده و بنابراین در تحلیل پایه لحاظ نشده‌اند.
دوره بازگشت سرمایه ساده که به‌صورت نسبت سرمایه‌گذاری به صرفه‌جویی سالانه هزینه محاسبه می‌شود، برای اقدامات بهبود منفرد بین 9/1 تا 3/6 سال و برای سناریوی اجرای همزمان بین 3 تا 5/3 سال متغیر است (جدول ۳). ارتقای ریکوپراتور به دلیل هزینه سرمایه‌ای نسبتاً پایین و صرفه‌جویی فوری انرژی، کوتاه‌ترین دوره بازگشت سرمایه (9/1 تا 5/2 سال) را ارائه می‌دهد. بهینه‌سازی ریفورمر نیز با دوره بازگشت سرمایه 5/2 تا 3 سال از اقتصاد مطلوبی برخوردار است. ارتقای سیستم Top Gas با حذف CO₂ طولانی‌ترین دوره بازگشت سرمایه (5 تا 3/6 سال) را دارد که عمدتاً به دلیل هزینه سرمایه‌ای بالای واحد جذب CO₂ مبتنی بر آمین است و با یافته‌های مطالعات قبلی همخوانی دارد (Vu et al., 2024). با این حال، وقتی تمامی اقدامات به‌صورت یکپارچه اجرا شوند، دوره بازگشت سرمایه به 3 تا 5/2 سال بهبود می‌یابد که نشان‌دهنده مزایای هم افزایی بهینه‌سازی یکپارچه است.
برای مقایسه، سلیمی و همکاران (2022) دوره بازگشت سرمایه بیش از ۱۷ سال را برای سیستم‌های بازیابی حرارت هدررفته در واحدهای MIDREX ایران تحت ساختار تعرفه‌های فعلی خرید تضمینی برق گزارش کرده‌اند که نشان‌دهنده جذابیت نسبی اقتصادی بهبودهای مستقیم بازده پیشنهادی در این مطالعه است. علاوه‌براین، اگرچه ادغام هیدروژن در قیمت‌های فعلی از نظر اقتصادی با گاز طبیعی رقابت‌پذیر نیست، اما مسیر راهبردی برای کاهش انتشار در آینده ارائه می‌دهد. مطالعات نشان می‌دهد که آهن‌اسفنجی مبتنی بر هیدروژن بسته به منبع برق می‌تواند انتشار CO₂ را ۵۰ تا ۸۰ درصد کاهش دهد (Skaf et al., 2025). و با کاهش هزینه‌های تولید هیدروژن سبز به حدود ۲ تا ۳ دلار بر کیلوگرم، انتظار می‌رود viability اقتصادی ادغام هیدروژن به‌طور قابل‌توجهی بهبود یابد (Astoria et al., 2023).
تحلیل اقتصادی در معرض چندین عدم‌قطعیت است. قیمت گاز طبیعی در ایران در حال حاضر یارانه‌ای است و هرگونه تعدیل آتی به سمت نرخ‌های بازار بین‌المللی، اقتصاد اقدامات پیشنهادی را به‌طور قابل‌توجهی بهبود می‌بخشد. در مقابل، نوسانات هزینه تجهیزات، هزینه‌های نصب و زمان توقف واحد در حین اجرا می‌توانند دوره بازگشت سرمایه را افزایش دهند. با این وجود، تحلیل نشان می‌دهد که اقدامات بهینه‌سازی پیشنهادی در شرایط فعلی از نظر مالی توجیه‌پذیر بوده و پتانسیل قابل‌توجهی برای صرفه‌جویی هزینه، به‌ویژه در صورت اجرای هماهنگ، ارائه می‌دهند.
نتیجهگیری
عملکرد سیستم فرایند گاز متان در فرایند احیای مستقیم آهن به روش MIDREX با تمرکز بر کارایی انرژی و انتشار دی‌اکسیدکربن به‌صورت جامع مورد بررسی قرار گرفت. ترکیب داده‌های واقعی یک واحد صنعتی با شبیهسازی دقیق مهندسی در نرم‌افزار Aspen HYSYS امکان تحلیل همزمان رفتار عملیاتی، موازنه جرم و انرژی و اثر سناریوهای اصلاحی را فراهم ساخت. نتایج نشان داد که کیفیت گاز برگشتی، بازده رفورمر و عملکرد ریکوپراتور سه عامل کلیدی در تعیین شدت مصرف انرژی و میزان انتشار CO₂ در واحدهای MIDREX هستند. تحلیل‌ها نشان داد که افزایش CO₂ و بخار آب در گاز برگشتی موجب تشدید واکنش‌های گرماگیر در رفورمر، افزایش بار حرارتی و در نهایت افزایش مصرف گاز طبیعی می‌شود. در مقابل، بهبود عملکرد ریکوپراتور و افزایش دمای پیش‌گرمایش گاز برگشتی می‌تواند بار رفورمر را به‌طور محسوسی کاهش داده و کیفیت گاز احیاکننده را بهبود بخشد. نتایج موازنه جرم و انرژی و دیاگرام سنکی نیز نشان داد که رفورمر بیشترین سهم مصرف انرژی و انتشار دی‌اکسیدکربن را در کل واحد به خود اختصاص می‌دهد و کاهش اتلاف حرارتی در این بخش نقش تعیین‌کننده‌ای در بهبود عملکرد کلی دارد. سناریوهای اصلاحی نشان داد که اجرای همزمان اقدامات بهینه‌سازی عملیاتی، شامل کاهش CO₂ گاز برگشتی، ارتقای بازده ریکوپراتور، بهبود شرایط رفورمر و جایگزینی تدریجی هیدروژن، می‌تواند منجر به کاهش ۲۲ تا ۲۵ درصدی مصرف گاز طبیعی و کاهش حدود 5/0تا 6/0 تن دی‌اکسیدکربن به‌ازای هر تن آهن اسفنجی شود. این میزان کاهش در مقیاس صنعتی بسیار قابل‌توجه بوده و نشان‌دهنده ظرفیت بالای سیستم فرایند گاز برای کنترل شدت انرژی و آلایندگی است. در مجموع، نتایج این مطالعه تأکید می‌کند که بهینه‌سازی سیستم فرایند گاز متان نه‌تنها یک راهکار عملی برای افزایش بهره‌وری انرژی واحدهای MIDREX است، بلکه به‌عنوان یک پیش‌نیاز اساسی برای گذار تدریجی به سمت استفاده از هیدروژن و تولید فولاد کم‌کربن و پایدار مطرح می‌شود. رویکرد ارائه‌شده در این پژوهش می‌تواند به‌عنوان چارچوبی مهندسی برای ارزیابی و بهبود عملکرد واحدهای احیای مستقیم در مسیر تحقق اهداف محیطزیستی صنعت فولاد مورد استفاده قرار گیرد.
2. Hot Briquetted Iron (HBI)
3. Recuperator
