Pembuatan Besi dengan Tungku Ledakan dan Emisi Karbon di Oksida
Pembuatan Besi dengan Tungku Ledakan dan Emisi Karbon di Oksida
Telah diketahui secara luas bahwa karbon dioksida (CO2) di atmosfer merupakan komponen utama yang mempengaruhi pemanasan global melalui efek rumah kaca. Sejak tahun 1896 konsentrasi CO2 di atmosfer telah meningkat sebesar 25%. Industri besi dan baja dikenal sebagai industri padat energi dan sebagai penghasil emisi CO2 yang signifikan. Oleh karena itu, perubahan iklim diidentifikasi oleh industri besi dan baja sebagai tantangan lingkungan utama. Jauh sebelum temuan Panel Antar-pemerintah tentang Perubahan Iklim pada tahun 2007, produsen utama besi dan baja menyadari bahwa solusi jangka panjang diperlukan untuk mengatasi emisi CO2 dari industri besi dan baja. Oleh karena itu, industri besi dan baja sangat proaktif dalam meningkatkan konsumsi energi dan mengurangi emisi gas rumah kaca (GRK).
Dalam lingkungan perubahan iklim saat ini, dalam industri besi dan baja, ada dorongan konstan untuk mengurangi biaya energi, mengurangi emisi, dan memastikan penggunaan kembali energi limbah secara maksimal. Dalam proses tradisional untuk memproduksi besi dan baja, emisi CO2 tidak dapat dihindari, terutama untuk proses tanur sembur (BF), yang membutuhkan karbon (C) sebagai bahan bakar dan zat pereduksi untuk mengubah oksida besi menjadi logam, dan karenanya proses utama untuk menghasilkan CO2 di pabrik besi dan baja terintegrasi. Kebijakan iklim sebenarnya merupakan pendorong penting untuk pengembangan lebih lanjut teknologi pembuatan besi oleh BF.
Secara kritis, di antara tantangan yang dihadapi operasi BF adalah dekarbonisasi. Langkah-langkah signifikan telah dilakukan oleh industri besi dan baja untuk meningkatkan efisiensi termal dari operasi BF, tetapi pada akhirnya ada batasan keras dalam dekarbonisasi, terkait dengan kebutuhan C sebagai reduktor kimia. Sejak 1950-an, upaya R&D (penelitian dan pengembangan) yang signifikan telah dilakukan untuk membuat teknologi pembuatan besi BF menjadi lebih efisien. Upaya R&D ini mencakup (i) peningkatan kualitas kokas dan sinter, (ii) pengayaan oksigen (O2), (iii) injeksi reduktor lain seperti bubuk batu bara dan gas alam, (iv) distribusi beban, dan (v) teknologi pengukuran dan sebagainya. pada. Pada 1950-an tingkat reduktor sekitar 1000 kilogram per ton logam panas (kg/tHM), dan sejak itu telah dikurangi dengan faktor 2 karena upaya R&D dan implementasi hasil dari upaya R&D.
Konsumsi zat pereduksi pada BF konvensional saat ini dengan sekitar 500 kg/tHM mendekati hanya 5% di atas nilai termodinamika serendah mungkin di bawah operasi BF klasik. Proses BF sekarang merupakan proses yang sangat berkembang yang beroperasi mendekati batas efisiensi termodinamika. Tidak ada peningkatan besar yang diharapkan secara mendasar untuk mengurangi permintaan C atau secara signifikan meningkatkan efisiensi termal, tetapi, karena BF adalah generator emisi yang dominan, upaya untuk mengurangi dampak lingkungan dari industri harus dilakukan. berfokus pada proses pembuatan besi BF.
Terobosan teknologi pembuatan besi diperlukan untuk pengurangan signifikan lebih lanjut dari konsumsi C atau emisi CO2. Beberapa teknologi telah diusulkan untuk pengurangan lebih lanjut dari penggunaan C fosil dan pengurangan emisi CO2 dalam proses BF itu sendiri. Ini termasuk (i) daur ulang CO dari gas atas BF, (ii) penggunaan biomassa, (iii) substitusi CO oleh H2 sebagai zat pereduksi, (iv) penggunaan besi reduksi langsung C-lean (DRI), panas besi briket (HBI), atau besi tereduksi rendah (LRI), (v) Penggunaan material komposit C, (vi) penggunaan energi listrik C-lean, dan (vii) penangkapan dan penyimpanan CO2 (CCS) dll. pendekatan yang diperlukan adalah mengusulkan perbaikan bertahap yang menawarkan langkah-langkah untuk mengurangi emisi atau menghasilkan lebih banyak dari potensi yang ada dalam proses saat ini.
Tidak dapat dihindari, bahwa ketika mempertimbangkan teknologi semacam itu, sejumlah tema lintas sektoral seputar ekonomi dan emisi CO2 secara keseluruhan perlu dipertimbangkan. Misalnya, penggunaan CO2 dan gas proses sebagai bahan baku bahan kimia dapat memerlukan pembelian bahan bakar tambahan untuk tungku pemanas ulang, yang dapat berdampak pada biaya pekerjaan terintegrasi, kualitas baja, dan total emisi CO2. Solusi apa pun yang akan diambil lebih lanjut untuk dipertimbangkan perlu memiliki potensi untuk mencapai pengoptimalan multi-komponen dari aspek-aspek individual ini.
Oleh karena itu, tantangan utama yang dihadapi operasi BF di masa depan adalah (i) mengurangi pengeluaran modal dan operasional secara signifikan untuk menghasilkan pengembalian belanja modal yang berkelanjutan sepanjang siklus ekonomi, dan (ii) mengurangi emisi CO2 efektif ke titik bahkan di bawah yang ditentukan dari termodinamika kimia proses konvensional berbasis kokas. Untuk menghadapi tantangan ini, penting untuk mengidentifikasi sejumlah peluang teknologi. Ini dijelaskan di bawah ini.
Teknologi daur ulang gas dan penangkapan karbon terbaik
Pengurangan input C dibatasi oleh kesetimbangan reduksi gas dalam BF. Penurunan input C dapat dicapai dengan menurunkan rasio reduksi langsung (reaksi endotermik) dengan memperkuat reduksi gas di dalam BF melalui dekarbonisasi dan resirkulasi gas atas dengan injeksi ke dalam tungku. Lembar aliran khas tanur sembur dengan daur ulang gas atas (TGR) ditunjukkan pada Gambar 1.
Gbr 1 Lembar aliran khas tanur sembur dengan daur ulang gas atas
Setiap solusi untuk de-karbonisasi rute BF memerlukan beberapa elemen penangkapan C. Untuk mencapai pengurangan CO2 yang substansial (lebih besar dari 50%), penerapan teknologi CCS diperlukan, meskipun ada konsensus umum di industri bahwa pengurangan lebih besar dari 80% tidak mungkin dilakukan. Salah satu variasi yang menggembirakan pada penangkapan C adalah daur ulang gas teratas dalam proses pembuatan besi dengan proses BF. Ini adalah teknologi paling menjanjikan yang secara signifikan dapat mengurangi emisi CO2 dan terdiri dari daur ulang CO dan H2 dari gas yang meninggalkan BF dari atas.
Teknologi TGR terutama didasarkan pada penurunan penggunaan fosil C (kokas) dengan penggunaan kembali zat pereduksi (CO dan H2) setelah penghilangan CO2 dari gas teratas. Hal ini menyebabkan kebutuhan energi yang lebih rendah. Teknologi utama TGR-BF adalah (i) Scrubbing CO2 dari gas atas dan injeksi keseimbangan yang mengurangi komponen gas atas CO dan H2 di poros BF dan tuyeres perapian, (ii) input C fosil yang lebih rendah karena coke yang lebih rendah tarif, (iii) penggunaan O2 murni sebagai pengganti ledakan udara panas di tuyere perapian yaitu penghilangan nitrogen (N2) dari proses, dan (iv) pemulihan CO2 murni dari gas atas untuk penyimpanan bawah tanah.
Sebagian besar skema penangkapan C umumnya terkait dengan penyimpanan, tetapi pemanfaatan juga dapat dipertimbangkan. Hubungan antara penangkapan dan pemanfaatan C ini menyoroti bidang penelitian penting yang saat ini menarik adalah seputar integrasi proses. Dibandingkan dengan aspek seperti pengumpulan, pengangkutan, dan penyimpanan, area integrasi proses dengan perkuatan BF yang ada dengan sistem penangkapan C, hanya mendapat sedikit pertimbangan.
Diharapkan bahwa untuk sebagian besar lokasi di mana BF beroperasi, penangkapan C akan dilakukan bersama dengan BF yang telah beroperasi selama beberapa dekade. Ada potensi tingkat gangguan proses yang signifikan terkait dengan aspek-aspek seperti kualitas gas, tekanan, protokol operasional, dan optimalisasi relatif dari pabrik pemanfaatan BF dan C. Perkuatan dan operasi selanjutnya perlu dicapai tanpa mengorbankan efisiensi operasional, atau kualitas produk, dari aset yang ada.
Di area integrasi proses ini, simulasi proses dan teknik pemodelan tingkat lanjut akan diterapkan untuk mengoptimalkan kombinasi sistem penangkapan BF dan C yang terintegrasi. Dalam hal ini kombinasi pemodelan termo-fluida, dengan kinetika proses dan melalui pemodelan ekonomi proses, yang selaras dengan pemahaman tentang parameter proses pembuatan besi utama diperlukan. Dengan fokus seperti itu, penerapan penangkapan C ke operasi BF yang ada dapat direalisasikan.
Reduksi hidrogen
Tantangan lingkungan yang penting untuk proses BF adalah penggunaan C sebagai reduktor kimia. Ini memiliki batas termodinamika yang keras, di bawahnya reduksi C lebih lanjut tidak mungkin dilakukan tanpa perubahan proses yang signifikan. Salah satu perubahan proses tersebut adalah peralihan parsial dari C ke hidrogen (H2) sebagai reduktor. Contoh reduktor dengan kandungan H2 tinggi adalah sampah plastik (CnHm) atau gas alam (dengan komponen utama CH4). H2 sudah digunakan dalam proses reduksi langsung untuk produksi DRI sehingga ada pemahaman dasar tentang mekanisme dan termodinamika kimia, tetapi ada peluang untuk penelitian dan inovasi proses lebih lanjut seputar sejauh mana keseimbangan antara reduksi H2 dan C reduksi dapat digeser di dalam tungku.
Pemanfaatan limbah plastik (WP) untuk mendorong pengurangan H2 pada BF dilakukan melalui injeksi WP pada BF. WP disuntikkan sebagai padatan melalui tuyer dengan cara yang mirip dengan pulverized coal (PC). Biasanya dilakukan sebagai co-injeksi WP dan batubara ke dalam BF. Energi pembakaran WP umumnya setidaknya setinggi PC yang diinjeksi secara normal, dan rasio H2 terhadap C yang lebih tinggi berarti lebih sedikit CO2 yang dihasilkan dalam BF dari proses pembakaran dan reduksi bijih besi. Juga, ada konsumsi energi yang lebih rendah karena H2 adalah zat pereduksi yang lebih disukai daripada C. Injeksi WP meningkatkan konsentrasi gas bosh H2. Karena laju reaksi kimia reduksi H2 lebih tinggi daripada CO, tingkat reaksi Boudouard berkurang dengan meningkatnya gas bosh H2. CO2 dan H2O hadir di bagian atas BF karena reduksi oksida besi.
Untuk mempromosikan pengurangan H2 di tanur tinggi, metode lain sedang diselidiki melalui Proyek COURSE50 di Jepang, pekerjaan yang telah dimulai pada tahun 2008. Proyek ini merupakan upaya untuk mengurangi emisi CO2 dengan mengembangkan lebih lanjut teknik injeksi gas pereduksi ke dalam BF poros, dalam kombinasi dengan amplifikasi H2 dengan mereformasi gas oven kokas. Teknologi reduksi H2 yang diusulkan oleh proyek ini terdiri dari peningkatan H2 dengan (i) reforming gas dari gas coke oven, (ii) teknologi reduksi bijih H2, dan (iii) teknologi pembuatan kokas untuk blast furnace reduksi H2. Dalam proyek ini, gas pereduksi diinjeksikan ke dalam poros BF. Dari keseimbangan momentum dua gas, telah ditemukan bahwa area penetrasi gas injeksi poros sebanding dengan laju gas injeksi dan reduksi bijih besi didorong oleh H2. Namun, karena reduksi H2 merupakan reaksi endotermik, perhatian khusus diperlukan untuk menjaga suhu di bagian atas tungku.
Bahan bantalan karbon alternatif
Bahan bantalan C alternatif adalah C composite agglomerates (CCA) atau C iron composites (CIC). Ini adalah aglomerat bahan karbon dan campuran oksida besi dan merupakan sejenis kokas yang terbentuk yang mengandung besi metalik. Bahan berkarbon dapat berupa butiran halus kokas, batu bara, arang, butiran halus yang kaya C, biomassa, limbah plastik, dll., sedangkan oksida besi dapat berupa bijih besi kadar rendah, butiran halus yang kaya zat besi, dll. Komposit C bahan karena efek katalitik dari partikel besi memiliki reaktivitas yang sangat tinggi dengan gas CO2 dibandingkan dengan kokas metalurgi. Biasanya material komposit C bereaksi dengan gas CO2 dari suhu sekitar 150 derajat C lebih rendah dari kokas metalurgi.
Reaksi reduksi bijih didorong oleh bahan komposit C karena (i) reaktivitas yang lebih tinggi dari bahan-bahan ini, dan (ii) fakta bahwa reaksi kehilangan larutan dari bahan-bahan ini dimulai dari suhu yang lebih rendah. Pemanfaatan aglomerat tersebut tidak hanya membantu dalam mengurangi emisi CO2 tetapi juga membantu dalam kokas dan penghematan energi. Jarak yang dekat antara besi dan C dalam gumpalan tersebut meningkatkan kinetika reaksi secara signifikan. Manfaat lain yang dapat divisualisasikan pada pemanfaatan aglomerat tersebut adalah (i) kemungkinan menggunakan besi dan/atau butiran halus yang kaya C, (ii) suhu gasifikasi yang lebih rendah karena efek kopling antara reaksi gasifikasi dan oksida besi (wustite). ) pengurangan, dan (iii) berkurangnya ketergantungan pada CO2 dan proses persiapan bijih intensif energi.
Metode produksi bahan komposit C terdiri dari penghancuran, pencampuran, dan pembriketan bahan bantalan besi murah dan batubara non-coking atau sedikit-coking, diikuti dengan pemanasan dan karbonisasi dalam tungku poros. Kekuatan bahan-bahan ini merupakan properti penting untuk umpan BF, dan kekuatan pada tingkat yang sama dengan kokas metalurgi dapat dicapai, bahkan dari bahan baku berkualitas rendah, dengan efek pemadatan briket dan kontrol suhu akurasi yang relatif tinggi di tungku poros .
Bahan bantalan C juga dapat dimasukkan ke dalam proses BF melalui beberapa cara. Dalam proses sintering, biomassa atau WP sebagian dapat menggantikan angin kokas. Denda dalam tanaman dapat digunakan sebagai sumber C dan besi. Dalam pembuatan kokas, upaya telah dilakukan untuk menambahkan biomassa, serta WP ke dalam campuran batubara kokas. Bahan bantalan karbon alternatif dapat diisikan ke BF dari atas bersama dengan bahan beban sebagai gumpalan atau bahan halus atau biomassa yang kaya C dapat disuntikkan ke BF melalui tuyeres.
Daur ulang gas buang dalam kompor gas BF
Sebuah teknologi baru yang dikenal sebagai 'daur ulang gas buang' (FGR) sedang dikembangkan untuk kompor ledakan panas. Teknologi ini melibatkan konversi kompor, dari pembakaran udara-bahan bakar menjadi oxy-fuel yang meningkatkan CO2 persen dari gas buang. Temperatur nyala api yang dihasilkan akan dimoderasi oleh resirkulasi gas buang ke pembakar kompor. Perbandingan skema operasi kompor udara-bahan bakar konvensional dan operasi oxy-fuel yang ditingkatkan menggunakan daur ulang gas buang ditunjukkan pada Gambar 2.
Gbr 2 Perbandingan skema operasi kompor udara-bahan bakar konvensional dan operasi oxy-fuel yang ditingkatkan menggunakan daur ulang gas buang
Pengoperasian tungku FGR dapat didasarkan pada massa konstan atau aliran volume konstan dari produk pembakaran. Aliran massa konstan memastikan bahwa perpindahan panas konvektif tidak berubah relatif terhadap operasi udara-bahan bakar konvensional, dan daur ulang gas buang panas mengurangi kebutuhan energi pembakaran kompor. Opsi aliran volume konstan muncul karena peningkatan densitas produk pembakaran, ketika gas buang didaur ulang. Dalam mode ini, pemulihan panas dapat digabungkan dengan peningkatan laju pembakaran gas burner dan ini mengubah suhu ledakan panas yang lebih tinggi dan potensi konsumsi kokas yang lebih rendah di BF.
Mempertimbangkan potensi penangkapan C, kandungan CO2 dari gas buang pada dasarnya dua kali lipat dibandingkan dengan praktik pemanasan konvensional untuk kompor. Secara massa, gas buang mengandung 0,8 ton CO2/ton logam panas (HM), yang lebih dari sepertiga tingkat emisi spesifik saat ini. Pembangkitan O2 yang diperlukan untuk memfasilitasi ini mengurangi manfaat penangkapan C secara marginal berdasarkan daya yang dikonsumsi untuk mengoperasikan pabrik pemisahan udara. Hal ini mengurangi potensi pengurangan emisi bersih sekitar 6 %.
Daur ulang gas buang di kompor menghilangkan penggunaan udara dan gas oven kokas dalam proses pembakaran. Oleh karena itu, pembentukan oksida belerang dan oksida nitrat berkurang secara substansial. Tujuan khusus dari teknologi baru yang sedang dikembangkan ini meliputi (i) konfirmasi kandungan CO2 sebesar 40% hingga 50% dalam gas buang yang dimodifikasi, (ii) verifikasi pemulihan panas limbah dan peningkatan efisiensi termal kompor, dan (iii) konfirmasi bahwa kondisi operasi baru mempertahankan atau meningkatkan suhu ledakan panas yang dikirim ke BF dan karenanya menghindari dampak negatif pada operasi BF.
