Pembakaran Bahan Bakar Oxy dan Penerapannya pada Pemanasan Ulang Furnace

Pembakaran Bahan Bakar Oxy dan Penerapannya pada Pemanasan Ulang Tungku

Pemanasan ulang baja adalah proses intensif energi yang membutuhkan distribusi suhu yang seragam di dalam tungku pemanasan ulang. Secara historis, recuperator telah digunakan untuk memanaskan awal udara pembakaran, sehingga menghemat energi. Inovasi yang lebih baru termasuk pengayaan oksigen (O2) dan penggunaan pembakar regeneratif, yang memberikan suhu udara prapemanasan lebih tinggi daripada recuperator. Proses ini memiliki keterbatasan seperti kerusakan peralatan, penurunan efisiensi energi dari waktu ke waktu, biaya perawatan yang tinggi, dan peningkatan emisi NOx dengan peningkatan suhu pemanasan awal udara, kecuali jika peralatan khusus digunakan.

Tiga hal yang diperlukan untuk memulai dan mempertahankan pembakaran. Ini adalah bahan bakar, oksigen dan energi yang cukup untuk penyalaan. Efisiensi proses pembakaran tertinggi jika bahan bakar dan oksigen dapat bertemu dan bereaksi tanpa batasan. Namun selama praktik pemanasan, selain pembakaran yang efisien, perpindahan panas juga menjadi pertimbangan praktis.

Udara normal yang digunakan untuk pembakaran mengandung nitrogen (N2) dan argon (Ar) selain oksigen. Dalam pembakar udara-bahan bakar, nyala api pembakar mengandung nitrogen dari udara pembakaran. Sejumlah besar energi bahan bakar digunakan untuk memanaskan nitrogen ini. Nitrogen panas keluar melalui tumpukan, menciptakan kehilangan energi. Oleh karena itu udara tidak memberikan kondisi optimal untuk pembakaran serta perpindahan panas. Panas yang diserap oleh nitrogen terbuang sia-sia atau dimanfaatkan kembali untuk tujuan konservasi energi. Sistem pemanas udara-bahan bakar terbaik saat ini di tungku pemanas ulang membutuhkan setidaknya 310 M Cal untuk satu ton baja untuk mencapai suhu yang tepat dari produk baja untuk penggulungan.

Secara historis, penggunaan utama pembakaran oxy-fuel adalah dalam pengelasan dan pemotongan logam, terutama baja, karena oxy-fuel memungkinkan suhu nyala yang lebih tinggi daripada yang dapat dicapai dengan nyala api udara-bahan bakar. Pengenalan teknologi oxy-fuel burner yang inovatif (menggunakan oksigen 100%) untuk pemanasan ulang baja relatif merupakan fenomena yang sangat baru. Konsep pembakaran oxy-fuel diusulkan pada tahun 1982 oleh Abraham dalam konteks menyediakan gas buang yang kaya karbon dioksida (CO2). Karena potensi manfaatnya, Argonne National Laboratory (ANL) melakukan beberapa kegiatan penelitian termasuk studi ekonomi tekno dan studi skala percontohan pada subjek.

Oxy – fuel mengacu pada praktik penggantian total udara sebagai sumber oksidator untuk pembakaran dengan oksigen kelas industri. Oksigen kelas industri didefinisikan sebagai suplai oksigen cair yang diuapkan ke gas atau oksigen yang dihasilkan di lokasi. Suplai oksigen cair umumnya memiliki kemurnian lebih dari 99,99% sedangkan kemurnian oksigen yang dihasilkan di lokasi biasanya berkisar antara 90% hingga 93%. Keuntungan menggunakan oksigen yang dihasilkan di lokasi adalah biaya yang lebih rendah karena produk tidak perlu dicairkan atau diangkut dan dikirim pada tekanan yang lebih rendah untuk meminimalkan konsumsi daya. Di pabrik baja terintegrasi di mana terdapat pabrik pemisahan udara untuk pembuatan baja, oksigen dengan kemurnian tinggi (99,99 %) dapat disuplai melalui pipa dari pabrik pemisahan udara.

Ketika gas nitrogen dihindari dengan penggunaan oksigen kelas industri seperti dalam kasus pembakaran oxy-fuel, maka tidak hanya pembakaran itu sendiri yang lebih efisien tetapi juga perpindahan panas. Oxy – pembakaran bahan bakar mempengaruhi proses pembakaran dalam beberapa cara. Hasil nyata pertama adalah peningkatan efisiensi termal karena berkurangnya volume gas buang, hasil yang mendasar dan berlaku untuk semua jenis pembakar bahan bakar oxy. Selain itu, konsentrasi produk pembakaran yang sangat memancar, CO2 dan H2O, meningkat di atmosfer tungku. Untuk operasi pemanasan, kedua faktor ini menghasilkan laju pemanasan yang lebih tinggi, penghematan bahan bakar, emisi CO2 dan NOx yang lebih rendah, dan emisi SOx yang lebih rendah jika bahan bakar mengandung belerang. Gambar 1 menunjukkan proses pembakaran Oxy – bahan bakar dan udara – bahan bakar.

Gbr 1 Oxy – bahan bakar dan udara – proses pembakaran bahan bakar

Oxy – pembakaran bahan bakar ditemukan berbeda dari pembakaran udara dalam banyak hal, termasuk penurunan suhu nyala dan pengapian api yang tertunda. Banyak efek pembakaran oxy-fuel dapat dijelaskan dengan perbedaan sifat gas antara CO2 dan N2, masing-masing gas pengencer utama dalam oxy-fuel dan udara. CO2 memiliki sifat yang berbeda dari N2 yang mempengaruhi perpindahan panas dan kinetika reaksi pembakaran. Perbedaan ini dijelaskan di bawah ini.

• Kepadatan -Berat molekul CO2 adalah 44, dibandingkan dengan 28 untuk N2, sehingga kerapatan gas buang lebih tinggi pada pembakaran oxy – bahan bakar.
• Kapasitas panas -Kapasitas panas CO2 lebih tinggi dari N2.
• Difusivitas – Laju difusi oksigen dalam CO2 adalah 0,8 kali lipat dari N2.
• Sifat radiasi gas tungku:-Oksi – pembakaran bahan bakar memiliki tingkat CO2 dan H2O yang lebih tinggi, keduanya memiliki daya pancar yang tinggi.

Dibandingkan dengan udara – bahan bakar, oxy – bahan bakar menghasilkan pemanasan produk baja yang jauh lebih efisien dan lebih cepat. Efisiensi termal oxy – bahan bakar adalah sekitar 80% dibandingkan dengan efisiensi udara – bahan bakar yang berkisar antara 40% sampai 60%. Dengan oxy – fuel ada peningkatan produktivitas dan penurunan konsumsi bahan bakar untuk memanaskan produk baja ke suhu yang diinginkan. Penggunaan oxy – fuel juga meningkatkan keseragaman suhu dan menghasilkan lebih sedikit emisi ke lingkungan.

Keuntungan umum mengganti udara dengan oksigen kelas industri adalah bahwa kandungan nitrogen yang dibawa ke proses pembakaran dengan udara hampir atau seluruhnya dihilangkan. Pengurangan nitrogen dalam pembakaran memungkinkan suhu nyala api yang lebih tinggi dan efisiensi pembakaran karena volume gas pembakaran yang lebih rendah mengurangi jumlah panas yang diambil dari nyala api dan hilang ke knalpot. Selama pembakaran oxy – fuel, gas yang sebagian besar terdiri dari CO2 dan air dihasilkan.

Perpindahan termal oleh pembakaran oxy – bahan bakar dicirikan oleh perpindahan lokal yang cukup besar karena emisivitas yang tinggi (konsentrasi CO2 dan H2O yang cukup besar dalam nyala api) dan pengurangan volume nyala api yang pertama-tama meningkatkan kemampuan untuk mentransfer energinya ke beban dan kedua, keuntungan ekstra dalam efisiensi energi.

Untuk operasi pemanasan terus menerus juga memungkinkan untuk mengoperasikan tungku pemanasan ulang secara ekonomis pada suhu yang lebih tinggi di sisi masuk tungku. Ini semakin meningkatkan kemungkinan keluaran tungku pemanas ulang. Telah diamati bahwa efisiensi energi pembakaran oxy-bahan bakar setara atau bahkan lebih baik daripada tungku pemanas ulang yang memiliki peralatan untuk udara pembakaran yang dipanaskan sebelumnya. Jadi, manfaat menggunakan oxy-fuel dibandingkan dengan pembakaran udara – bahan bakar adalah sebagai berikut.

• Oksi-bahan bakar menghasilkan peningkatan substansial dalam panas yang tersedia (masukan energi total dikurangi energi yang hilang ke knalpot) dibandingkan dengan pembakaran bahan bakar udara. Peningkatan panas yang tersedia secara langsung berkaitan dengan pengurangan konsumsi energi.
• Peningkatan panas pembakaran yang tersedia berarti lebih sedikit panas yang hilang ke knalpot dan persentase yang lebih besar dari total masukan energi yang tersisa untuk melakukan kerja di tungku. Jadi, ketika panas yang tersedia meningkat, jumlah input energi total yang diperlukan untuk melakukan sejumlah pekerjaan yang konstan akan berkurang.
• Peningkatan tingkat pemanasan menghasilkan produksi yang lebih tinggi. Batas praktis untuk peningkatan produksi tergantung pada kemampuan beban untuk menyerap panas dan waktu dan suhu di mana beban terkena panas. Pengalaman dari berbagai instalasi oxy-fuel adalah bahwa keluaran produk dapat ditingkatkan di sebagian besar operasi tanpa meningkatkan titik setel suhu tungku, dengan pengecualian tungku pemanasan ulang yang telah memenuhi batas tanjakan temperatur yang ditetapkan. Selain peningkatan panas yang tersedia, suhu nyala oxy-fuel yang lebih tinggi dan potensi radiasi gas pembakaran berdampak positif pada kapasitas pemanasan dan laju produksi.
• Karena perpindahan panas radiasi bergantung pada perbedaan suhu dari sumber ke penerima hingga daya keempat, pembakaran bahan bakar oxy menghasilkan peningkatan besar dalam nyala api untuk memuat potensi radiasi. Produk pembakaran dari oxy-fuel juga merupakan sumber perpindahan panas radiasi yang lebih baik. Ini karena sebagian besar produk pembakaran bahan bakar udara adalah nitrogen yang bukan merupakan mekanisme perpindahan panas radiasi yang efisien seperti karbon dioksida dan uap air yang membentuk mayoritas produk pembakaran bahan bakar oksi.
• Emisi tungku berkurang – Volume gas buang jauh lebih rendah dengan oxy-fuel. Total volume gas buang dengan oxy-fuel umumnya 70 % sampai 90 % lebih kecil dari total volume buangan udara-bahan bakar. Hasil paling nyata dari penggunaan oxy-fuel adalah konsumsi bahan bakar berkurang. Dengan pengurangan konsumsi bahan bakar, emisi CO2 lebih rendah selama waktu tertentu atau per unit beban yang dipanaskan. Dengan pembakaran oxy-fuel, tekanan parsial nitrogen dalam produk pembakaran berkurang secara drastis sehingga menurunkan potensi pembentukan NOx bahkan pada suhu nyala yang tinggi.
• Konsentrasi polutan dalam gas buang lebih tinggi, memudahkan pemisahan
• Gas buang utamanya adalah CO2, cocok untuk sekuestrasi

Selain manfaat yang disebutkan di atas, opsi untuk menggunakan pembakaran oxy-fuel terkadang dapat menghasilkan investasi modal yang lebih rendah dibandingkan dengan metode lain untuk meningkatkan efisiensi seperti recuperator atau peralatan pengontrol emisi. Oxy – pembakaran bahan bakar memungkinkan semua pipa instalasi dan rangkaian aliran menjadi kompak tanpa memerlukan unit pemulihan panas rekuperatif atau regeneratif. Ini juga secara drastis mengurangi ukuran fisik pembakar, tungku dan saluran gas buang serta tidak perlu kipas ventilasi listrik. Juga blower udara pembakaran dan masalah kebisingan frekuensi rendah terkait dapat dihindari. Lebih lanjut, dalam beberapa kasus, konversi ke pembakaran bahan bakar oxy telah menghasilkan kerugian kerak yang lebih sedikit karena kontrol yang lebih baik dan waktu pemanasan yang lebih singkat.

Api oxy-fuel memiliki suhu yang lebih tinggi dengan volume dan panjang yang lebih sedikit daripada api udara-bahan bakar. Karakteristik nyala api dengan oxy-fuel perlu dipertimbangkan ketika merancang sistem burner oxy-fuel untuk aplikasi pemanasan ulang baja. Umumnya, pemanasan baja menuntut distribusi suhu yang merata sehingga pemanasan berlebih atau pemanasan berlebih yang terlokalisir dalam produk dapat dihindari. Jenis dan penempatan burner oxy-fuel tergantung pada jenis tungku dan kedekatan api dengan produk baja.

Meskipun memberikan manfaat besar pada efisiensi, volume rendah produk pembakaran dengan oxy-fuel memerlukan perhatian khusus saat merancang sistem kontrol pembakaran. Kontrol rasio pembakaran yang tepat sangat penting untuk proses pemanasan baja karena produk pembakaran membentuk atmosfer pemanasan dan pada akhirnya berdampak pada laju dan jenis pembentukan kerak. Dalam sistem pembakaran bahan bakar udara, volume nitrogen yang tinggi yang dibawa ke dalam proses pembakaran dengan udara memberikan peredam atau faktor keamanan terhadap perubahan rasio udara terhadap bahan bakar. Dengan oxy-fuel peredam ini hampir sepenuhnya dihilangkan. Ini berarti bahwa persentase perubahan rasio oksigen terhadap bahan bakar dengan oxy-fuel akan memiliki dampak yang lebih besar pada atmosfer tungku pemanas daripada perubahan yang sama dengan udara-bahan bakar.

Perubahan atmosfer tungku dengan oxy-fuel tidak memiliki efek merugikan pada pembentukan kerak dan dalam beberapa kasus terbukti bermanfaat. Tekanan parsial CO2 dan H2O yang lebih tinggi dalam produk pembakaran memberikan mekanisme perpindahan panas yang lebih efisien yang memungkinkan peningkatan laju pemanasan yang mengurangi faktor waktu untuk pembentukan kerak. Juga, perbandingan udara-bahan bakar dan oxy-fuel menunjukkan bahwa karakteristik pembentukan kerak berubah dengan oxy-fuel. Kerak yang terbentuk pada permukaan baja berada pada lapisan yang lebih tipis daripada yang terbentuk dengan penembakan udara-bahan bakar. Alasan perubahan karakteristik kerak diduga karena atmosfer oxy-fuel dengan cepat menghasilkan lapisan oksida tipis dan padat yang mencegah oksidasi lebih lanjut dan pembentukan kerak.

Oksi tanpa api – pembakaran bahan bakar

Dalam beberapa tahun terakhir 'pembakaran bahan bakar oxy-flameless' telah digunakan. Ekspresi tersebut mengkomunikasikan aspek visual dari jenis pembakaran, yaitu nyala api tidak lagi terlihat secara visual atau mudah dideteksi oleh mata manusia. Deskripsi lain mungkin bahwa pembakaran 'diperpanjang' dalam ruang dan waktu – tersebar dalam volume besar, dan inilah mengapa kadang-kadang disebut sebagai 'pembakaran volume'. Nyala api seperti itu memiliki suhu yang seragam dan lebih rendah, namun mengandung jumlah energi yang sama.

Dalam pembakaran oxy-bahan bakar tanpa api, nyala api diencerkan oleh gas tungku panas. Ini mengurangi suhu nyala api untuk menghindari pembentukan NOx termal dan untuk mencapai pemanasan baja yang lebih homogen.

Dalam oxy-fuel tanpa nyala, campuran bahan bakar dan oksidan bereaksi secara seragam melalui volume nyala, dengan laju yang dikendalikan oleh tekanan parsial reaktan dan suhunya. Pembakar bahan bakar oksi tanpa nyala secara efektif menyebarkan gas pembakaran ke seluruh tungku, memastikan pemanasan material yang lebih efektif dan seragam bahkan dengan sejumlah pembakar yang dipasang - nyala api yang tersebar masih mengandung jumlah energi yang sama tetapi tersebar di volume yang lebih besar . Suhu nyala yang lebih rendah secara substansial mengurangi pembentukan NOx yang rendah. Emisi NOx yang rendah juga penting dari perspektif pemanasan global; NO2 memiliki potensi pemanasan global yang hampir 300 kali lipat dari CO2. Selain itu, penggunaan bahan bakar berkalori rendah dapat dilakukan, yang akhir-akhir ini ditekankan, misalnya menggunakan gas bagian atas tanur sembur.

Oxy – burner bahan bakar selalu bertenaga dan kompak, dan generasi baru burner oxy – fuel tanpa nyala telah mempertahankan desainnya yang ringkas untuk memfasilitasi pertukaran burner oxy – bahan bakar yang sudah terpasang dan untuk pemasangan ulang instalasi bahan bakar udara – dengan mudah. Lebih jauh lagi, pembakaran bahan bakar oxy-flameless tidak hanya menambah keuntungan lebih lanjut, tetapi juga membuka aplikasi baru, semuanya mendukung penurunan dampak lingkungan secara substansial.

Di pabrik baja di mana teknologi pembakaran oxy-fuel telah diterapkan, hasil berikut diperoleh.

• Peningkatan kapasitas keluaran tungku pemanas ulang hingga tingkat 50%
• Menghemat konsumsi bahan bakar hingga level 50%
• Penurunan emisi CO2 hingga level 50%
• Kuantitas emisi NOx yang lebih rendah
• Pengurangan kehilangan kerak selama pemanasan ulang
• Tidak ada dampak negatif pada kualitas permukaan baja
• Ada dampak positif pada keseragaman suhu baja
• Dimungkinkan untuk mencapai kurva pemanasan ideal yang disarankan oleh sistem kontrol dengan lebih mudah
• Ada lebih sedikit asap yang keluar dari tumpukan tungku yang sangat meningkatkan lingkungan pabrik.

  
  

  
  
  Pengujian Baja Non Destruktif Jenis Pembakar di Tungku Pemanasan Ulang