Pembangkitan dan penggunaan gas Blast Furnace
Pembangkitan dan Penggunaan Gas Tungku Ledakan
Proses tanur sembur (BF) adalah teknologi terdepan untuk produksi logam panas (HM) yang diperlukan untuk pembuatan baja serta untuk produksi besi kasar. HM adalah produk utama dari BF. Selama produksi HM, gas BF diproduksi secara bersamaan. Gas BF adalah nama yang diberikan untuk produk sampingan yang secara terus menerus dihasilkan dari kenaikan gas ke atas dari udara semburan melalui beban di BF selama operasinya.
Meskipun tujuan pembakaran parsial karbon di BF adalah untuk menghilangkan oksigen (O2) dari beban bijih tetapi volume gas yang dihasilkan di BF membuat BF juga sebagai penghasil gas. Gas BF merupakan sumber energi kimia penting yang dikonsumsi di luar proses BF dan memiliki dampak besar pada keseimbangan gas pada pabrik baja terintegrasi. Pertama-tama, kelebihan gas BF dikonsumsi di berbagai tungku di pabrik baja dan juga di boiler pembangkit listrik bersama dengan gas produk sampingan lainnya seperti gas oven kokas dan gas konverter. Parameter utama yang menentukan kegunaan gas BF adalah nilai kalornya.
Gambaran sederhana dari operasi tanur sembur, menunjukkan gas BF yang keluar dari bagian atas tungku ditunjukkan pada Gambar 1.
Gbr 1 Tampilan sederhana pengoperasian tanur sembur
Selama produksi logam panas (HM) di tanur tinggi, semburan udara panas ditiupkan ke dalam tungku melalui tuyeres. O2 yang terkandung dalam ledakan udara panas bereaksi dengan karbon (dalam bentuk kokas) untuk menghasilkan karbon di-0xide (CO2) dan karbon mono oksida (CO), sesuai persamaan (i) C + O2 =CO2, dan (ii ) CO2 + C =2CO. Gas yang dihasilkan oleh reaksi ini bergerak ke atas poros tungku yang telah diisi dengan bijih, fluks dan kokas. Setelah sejumlah reaksi kimia seperti yang dijelaskan di bawah dan perjalanan sekitar 25 m hingga 30 m, gas BF keluar dari tungku sebagai gas yang mudah terbakar, sarat debu, dan nilai kalori rendah (CV).
Baik karbon (C) dalam kokas dan CO merupakan agen pereduksi untuk beban bijih yang terdiri dari hematit (Fe2O3), wustit (FeO), dan magnetit (Fe3O4). Oksida ini direduksi menjadi Fe dan CO2. Misalnya, mekanisme reduksi hematit diberikan oleh persamaan (i) Fe2O3 + 2C =2Fe + CO + CO2, dan (ii) Fe2O3 + 3CO =2Fe + 3CO2.
Sumber pelepasan gas lebih lanjut dihasilkan dari dekomposisi batu kapur dan dolomit yang digunakan sebagai fluks dasar untuk menghilangkan pengotor. Reaksi tersebut adalah (i) CaCO3 =CaO + CO2, dan (ii) MgCO3 =MgO + CO2.
Semua perubahan ini terjadi di zona reaksi tungku, dan yang terpenting dari perspektif komposisi gas BF, kesetimbangan kimia untuk gas yang dilepaskan diatur oleh reaksi reversibel Boudouard ( 2CO =CO2 + C) karena rasio yang ditetapkan tercapai antara CO dan CO2 untuk suhu tertentu. Hasil operasionalnya adalah sejumlah besar CO2 panas, CO, dan N2 naik melalui tungku saat beban baru turun ke zona reaksi.
Namun, dapat ada konstituen lebih lanjut yang ditambahkan ke komposisi gas tergantung pada variabel sistematis. Sebagai contoh, reduktor tambahan dapat disuntikkan di BF untuk mengurangi kebutuhan kokas dalam beban, seperti bubuk batu bara, minyak, gas alam, atau plastik daur ulang, dan dengan demikian meningkatkan efisiensi tungku. Namun, integritas beban harus dipertahankan, memerlukan injeksi uap atau O2 di samping reduktor tambahan apa pun. Penambahan ini menyebabkan fluktuasi kadar H2 dan H2O dalam semburan udara panas, dan selanjutnya mempengaruhi reaksi reversibel water-gas shift yaitu (i) C + H2O =CO + H2, dan (ii) CO + H2O =CO2 + H2.
Oleh karena itu, komposisi kimia keseluruhan dari gas BF bersifat dinamis dan bergantung pada parameter operasi tungku. Komposisi volumetrik kering dari perwakilan gas BF dari operasi tipikal diberikan pada Gambar 2.
Gbr 2 Komposisi representatif khas dari gas tanur sembur
Volume spesifik gas BF (cum/ton HM) yang dihasilkan, komposisi kimianya, dan CV-nya bergantung pada parameter operasi BF, seperti (i) karakteristik material beban, (ii) jumlah fluks yang dibebankan di BF, (iii) distribusi bahan beban di tumpukan BF, (iv) kadar logam panas yang dibuat, (v) jumlah bahan bakar tambahan yang disuntikkan ke BF, (vi) suhu ledakan panas, dan (vii ) kandungan O2 dalam ledakan. Oleh karena itu, parameter operasi sangat penting secara praktis dari sudut pandang manajemen energi pabrik baja terintegrasi. Jumlah gas BF yang ditransfer ke konsumen lain tergantung pada jumlah gas yang dihasilkan di BF dan jumlah gas BF yang dikonsumsi di kompor sembur panas BF.
Jumlah total gas CO + CO2 berdasarkan volume dalam gas BF di bagian atas tungku berkisar antara sekitar 37% hingga 53% dari total volume gas. Rasio CO/CO2 dapat bervariasi dalam tanur tinggi dari 1,25:1 hingga 2,5:1. Persentase CO yang lebih tinggi dalam gas membuat gas BF berbahaya. Kandungan hidrogen (H2) dari gas BF dapat bervariasi dari 1% hingga 7% tergantung pada jenis dan jumlah bahan bakar yang disuntikkan ke dalam tuyer BF. Komponen keseimbangan gas BF adalah nitrogen (N2). Metana (CH4) juga dapat hadir dalam gas BF hingga tingkat 0,2 %.
Di BF, beberapa hidro-sianida (HCN) dan gas sianogen (CN2) juga dapat terbentuk karena reaksi N2 dalam ledakan udara panas dan C dari kokas. Reaksi ini dikatalisis oleh oksida alkali. Gas-gas ini sangat beracun. Gas BF dapat mengandung senyawa siano ini dalam kisaran 200 miligram per meter kubik (mg/cum) hingga 2000 mg/cum.
Gas BF meninggalkan bagian atas BF pada suhu sekitar 120 derajat C hingga 370 derajat C dan tekanan yang dapat berkisar dari sekitar 350 mm hingga 2.500 mm tekanan pengukur merkuri. Pada tahap ini membawa sekitar 20 gram per meter kubik (g/cum) hingga 115 g/cum uap air dan 20 g/cum hingga 40 g/cum debu yang biasa dikenal sebagai 'debu buang'. Ukuran partikel debu asap dapat bervariasi dari beberapa mikron hingga 6 mm.
Gas BF hampir tidak berwarna (keputihan ringan), dan gas tidak berbau. Karakteristik utama lain dari BF adalah (i) CV sangat rendah biasanya berkisar antara 700 kilo kalori per meter kubik (kkal/cum) sampai 850 kkal/cum, (ii) kepadatan relatif tinggi biasanya berkisar sekitar 1,250 kilogram per meter kubik (kg/cum) pada 0 derajat C dan tekanan 1 atmosfer yang merupakan suhu dan tekanan standar (STP), (iii) suhu nyala api teoritis rendah yaitu sekitar 1455 derajat C, (iv) laju perambatan nyala api rendah yang biasanya lebih rendah daripada bahan bakar gas umum lainnya, (v) terbakar dengan nyala api yang tidak bercahaya, (vi) titik penyalaan otomatis sekitar 630 derajat C, dan (vii) memiliki batas ledak lebih rendah (LEL) sebesar 27% dan batas ledakan atas (UEL) sebesar 75% dalam campuran udara-gas pada suhu dan tekanan normal. Kepadatan gas BF adalah yang tertinggi di antara semua bahan bakar gas. Karena kerapatannya lebih tinggi daripada kerapatan udara, ia mengendap di bagian bawah jika terjadi kebocoran. Konsentrasi gas CO yang tinggi dalam gas BF membuat gas tersebut berbahaya.
Tekanan atas gas BF yang tinggi digunakan untuk mengoperasikan generator (turbin pemulihan tekanan gas atas, singkatnya TRT). TRT dapat menghasilkan energi listrik (daya) hingga 35 kWh/ ton logam panas tanpa membakar bahan bakar apapun. TRT tipe kering dapat menghasilkan lebih banyak tenaga daripada tipe basah.
Pembersihan gas BF
Gas BF yang keluar dari bagian atas tungku mengandung 20 g/cum hingga 40 g/cum debu cerobong dan tidak dapat digunakan seperti itu. Debu ini mengandung partikel halus kokas, bahan beban dan senyawa kimia yang terbentuk karena reaksi yang terjadi di dalam BF. Gas BF kotor ini dibersihkan di gas cleaning plant dalam dua tahap yaitu (i) tahap pembersihan gas primer, dan (ii) tahap pembersihan gas sekunder.
Pembersihan gas primer terdiri dari penangkap debu, siklon, atau kombinasi keduanya. Prinsip gravitasi digunakan untuk menghilangkan partikel besar (lebih kasar dari 0,8 mm) dari debu. Pada tahap ini, gas BF biasanya dilewatkan melalui penangkap debu di mana semua partikel yang lebih kasar dihilangkan. Penangkap debu adalah struktur silinder besar biasanya berdiameter 20 m sampai 30 m dan dengan ketinggian 20 m sampai 30 m. Biasanya dilapisi untuk mengisolasinya dan mencegah kondensasi uap air yang ada dalam gas BF sehingga debu tetap kering dan tidak menggelembung dan mengalir bebas ke bagian kerucut penangkap debu di bagian bawahnya untuk dihilangkan secara berkala.
Gas BF dikirim ke penangkap debu dengan satu sudut bawah dan masuk melalui bagian atas penangkap debu melalui pipa vertikal yang membawa gas ke bawah di dalam penangkap debu. Pipa ini melebar di bagian bawahnya seperti corong terbalik, sehingga saat gas mengalir ke bawah, kecepatannya (dan dengan demikian potensi membawa debu) berkurang, dan sebagian besar debu yang lebih kasar (lebih kasar dari 0,8 mm) keluar dari aliran gas dan disimpan dalam kerucut di bagian bawah penangkap debu. Karena bagian bawah penangkap debu tertutup, dan saluran keluar gas berada di dekat bagian atas, arah perjalanan gas menjadi terbalik 180 derajat. Pembalikan arah aliran yang tiba-tiba ini menyebabkan lebih banyak debu mengendap.
Setelah penangkap debu, gas dikirim ke tahap pembersihan gas sekunder. Di sini gas BF dibersihkan baik dengan sistem pembersihan gas tipe kering atau pabrik pembersih gas tipe basah. Di pabrik pembersih gas tipe kering, bag filter digunakan untuk menghilangkan partikel halus debu sedangkan di pabrik pembersih gas tipe basah, gas BF dicuci dari debu di scrubber dalam beberapa tahap.
Penggunaan gas BF
Panas sensibel dalam gas atas BF pertama kali digunakan pada tahun 1832 untuk mentransfer panas ke ledakan dingin. Awalnya, penukar panas ini dipasang di bagian atas tungku. Pada tahun 1845, upaya pertama dilakukan untuk memanfaatkan panas pembakaran gas BF, tetapi pembakaran gas BF tidak berhasil sampai tahun 1857. Kemungkinan kemajuan pemanfaatan gas BF tertunda karena debunya yang tinggi. konten, masalah pembersihan dan penanganan, dan rendahnya biaya bahan bakar padat. Meningkatnya biaya bahan bakar lain dan persaingan memaksa penggunaannya.
Di masa lalu, penggunaan gas BF terbatas pada pemanasan kompor sembur panas di tanur sembur dan menggunakannya dalam boiler multi bahan bakar. Itu tidak dianggap ekonomis untuk penggunaan lain karena berbagai karakteristiknya. Namun dalam beberapa tahun terakhir, beberapa faktor telah berkontribusi pada penggunaan yang diperbesar. Faktor-faktor yang berkontribusi terhadap peningkatan penggunaan gas adalah (i) kenaikan biaya pembelian bahan bakar, (ii) peningkatan teknis pembersihan gas sehingga meningkatkan kebersihan gas, dan (iii) pengembangan teknologi pemanasan awal gas BF .
Di pabrik baja terintegrasi, gas BF biasanya digunakan dicampur dengan gas oven kokas atau gas konverter atau keduanya. Campuran gas digunakan sebagai bahan bakar di berbagai tungku pabrik baja terintegrasi. Gas BF tanpa pencampuran dan tanpa pemanasan awal dapat digunakan di kompor BF, lubang perendaman, tungku normalisasi dan anil, oven inti pengecoran, mesin gas untuk blowing, boiler untuk pembangkit listrik, turbin gas untuk pembangkit listrik. Dengan kemajuan teknologi terkini, gas BF juga langsung digunakan di tungku pabrik sinter.
Keuntungan termal menggunakan gas BF dalam mesin gas untuk blowing dan untuk pembangkit listrik harus mengatasi investasi besar dan biaya perawatan yang diperlukan untuk peralatan tersebut. Rumah boiler modern menggunakan tekanan dan suhu uap tinggi dengan turbo-blower dan generator yang efisien. Ini telah cukup mengurangi keuntungan termal dari mesin gas dan karenanya penggunaannya menjadi sulit untuk dibenarkan. Beberapa pabrik baja di Asia dan Eropa telah berhasil menggunakan turbin gas yang terhubung langsung untuk menggerakkan generator. Gas BF yang dipanaskan bersama dengan udara yang dipanaskan sebelumnya telah berhasil digunakan dalam pemanasan oven kokas, lubang perendaman, dan tungku pemanas ulang.
Ketika gas BF dipanaskan, harus memiliki kebersihan minimum 0,023 g/cum dan dalam semua kasus di mana gas ini digunakan, tindakan pencegahan ekstra diperlukan untuk mencegah keluarnya gas BF yang tidak terbakar ke lingkungan karena mengandung persentase yang besar dari gas BF. gas CO beracun.
Dalam operasi tanur sembur, di mana gas BF memiliki nilai kalor mendekati nilai rendah 700 kkal/cum, gas BF perlu dicampur dengan gas bahan bakar lain untuk mendapatkan suhu semburan udara panas yang sangat tinggi dari kompor.
