Pembuatan Baja Hijau: Merevolusi Industri untuk Bumi yang Lebih Sejuk

Pembuatan Baja Hijau

Suhu rata-rata tahunan bumi naik sejak revolusi industri. Ini terutama karena pembakaran bahan bakar fosil yang meningkatkan emisi karbon dioksida (CO2) ke atmosfer. Sebelum revolusi industri, 280 ppm (0,028 %) dari udara atmosfer terdiri dari CO2, dan ini telah meningkat menjadi sekitar 413 ppm (0,0413 %) pada awal tahun 2019. Gambar 1 menunjukkan kenaikan global suhu tahunan dan konsentrasi CO2 di bumi selama 800.000 tahun terakhir. Data CO2 atmosfer disediakan oleh U.S. National Oceanic Atmospheric Administration (NOAA). Karena tidak ada pengukuran langsung, informasi yang masing-masing diperoleh dari inti es melalui European Project for Ice Coring in Antarctica (EPICA).

Gambar 1 Kejadian pemanasan global

Pemanasan global, sebenarnya, adalah hasil dari 'terlalu banyak hal baik'. Tanpa atmosfer, permukaan bumi akan hampir beku. Saat sinar matahari masuk ke atmosfer, energi diserap oleh samudera dan benua, yang kemudian panas. Sebagian besar panas kemudian ditransmisikan kembali ke ruang angkasa dalam bentuk cahaya infra-red yang kaya energi. Inilah tempat 'gas rumah kaca' berperan. Gas-gas ini yang terdiri terutama dari uap air, CO2, dan metana berinteraksi dengan cahaya infra-red dan mencegahnya meninggalkan atmosfer saat menuju ke ruang angkasa. Sebagai akibatnya, 'hal baik' terjadi dan atmosfer mempertahankan panas. Hanya saja terlalu banyak efek pemanasan memiliki dampak negatif dengan membuat atmosfer terlalu panas.

Gambar 1 menunjukkan bahwa jumlah CO2 dalam atmosfer telah naik dari 280 ppm menjadi 413 ppm sejak revolusi industri. Penentuan usia karbon menunjukkan bahwa kenaikan ini terkait dengan pembakaran bahan bakar fosil (batubara, minyak, dan gas alam). Selama periode yang sama, suhu global rata-rata dilaporkan telah naik sebesar 1 deg C. Meskipun 1 deg C tidak terlihat tinggi, dipercaya bahwa kenaikan lebih lanjut dapat memiliki konsekuensi serius seperti hilangnya es laut, penguncian gletser yang mengakibatkan kenaikan permukaan laut, yang saat ini diukur rata-rata 3,3 milimeter per tahun. Untuk menghindari dampak buruk perubahan iklim, pemanasan global harus dipertahankan di bawah 2 deg C.

Industri besi dan baja adalah sektor tunggal terbesar dalam hal emisi fosil dan industri global total, menyumbang sekitar 7 % hingga 9 % emisi gas rumah kaca (GHG). Ini adalah pemalas industri terbesar dan saat ini bertanggung jawab untuk sekitar 8 % permintaan energi akhir global. Oleh karena itu, ini adalah fokus utama bagi pemerintah. Di sisi lain, baja sangat penting bagi ekonomi modern dan demikian permintaan global baja diharapkan tumbuh untuk memenuhi kebutuhan kesejahteraan sosial dan ekonomi yang meningkat. Ini juga merupakan input yang kritis untuk transisi energi bersih. Pembangkitan dan penggunaan energi tergantung sebagian pada properti ferromagnetik baja dan legkungan baja. Baja adalah bahan baku kunci untuk turbin angin, infrastruktur transmisi dan distribusi, pembangkit listrik tenaga air dan tenaga nuklir, di antara aset sektor energi penting lainnya.

Sambil menjadi fasilitator transisi energi bersih, baja juga merupakan penyumbang besar terhadap tantangan saat ini yang dihadapi dunia dalam memenuhi tujuan iklim. Emisi CO2 langsung dari sektor sekitar 2,6 giga ton karbon dioksida (Gt CO2) per tahun, atau sekitar seperempat emisi CO2 industri, karena ketergantungan besar pada batubara dan kokos sebagai bahan bakar dan agen redur. Sebanyak 1,1 Gt CO2 emisi lainnya dapat diturunkan dari penggunaan gas buangnya, bersama dengan bahan bakar lainnya, untuk menghasilkan listrik dan panas impor yang dikonsumsi.

Ketergantungan tinggi pada batubara dalam produksi baja primer saat ini, aset modal yang umurnya panjang, dan paparan sektor pada perdagangan internasional dan daya saing membuat transisi ini menuju emisi CO2 hampir nol menjadi menantang. Itulah alasan sektor kadang-kadang disebut sebagai antara mereka yang 'sulit untuk diurap'.

Memenuhi permintaan produk besi dan baja menantang bagi sektor besi dan baja saat ia mencoba menentukan jalur yang lebih berkelanjutan sambil tetap bersaing. Oleh karena itu, produsen besi dan baja memiliki tanggung jawab besar untuk mengurangi konsumsi energi dan emisi gas rumah kaca, mengembangkan produk yang lebih berkelanjutan dan meningkatkan daya saing mereka melalui inovasi, penerapan teknologi rendah karbon, dan efisiensi sumber daya.

Studi terbaru mengestimasi bahwa industri baja global dapat menemukan sekitar 14 % dari potensi nilai organisasi baja yang berisiko jika mereka tidak dapat mengurangi dampak lingkungan mereka. Oleh karena itu, dekarbonisasi harus menjadi prioritas utama untuk tetap bersaing secara ekonomi dan mempertahankan izin beroperasi industri. Selain itu, siklus investasi yang panjang 10 hingga 15 tahun, kebutuhan pendapatan miliaran, dan kapasitas pemasok yang terbatas membuat isu ini semakin relevan dan mengunci waktu anticipasi signifikan untuk mengatasi tantangan dekarbonisasi.

Industri besi dan baja telah mengakui bahwa diperlukan solusi jangka panjang untuk mengatasi emisi CO2 yang dihasilkan selama produksi baja. Sebagai akibatnya, industri baja telah sangat proaktif dalam meningkatkan konsumsi energi dan mengurangi emisi CO2. Peningkatan efisiensi energi telah mengarah pada pengurangan sekitar 50 % energi yang diperlukan untuk menghasilkan satu ton baja kasar sejak 1975 di sebagian besar negara produsen baja terkemuka. Peningkatan efisiensi energi lebih lanjut dilakukan dengan memanfaatkan teknologi state-of-the-art secara maksimal.

Pembuatan baja hijau terdiri dari penggunaan proses yang mengarah pada pengurangan emisi CO2. Kerja pengembangan untuk proses pembuatan baja hijau sedang dilakukan di Uni Eropa, Amerika Serikat, Kanada, Brasil, Jepang, Korea Selatan, Australia, dan China. Untuk pengembangan teknologi untuk pembuatan baja hijau, lima arah utama sedang dieksplorasi. Arah-arah ini adalah (i) teknologi yang melibatkan penggunaan batubara, (ii) teknologi yang melibatkan penggunaan hidrogen, (iii) teknologi yang melibatkan elektron, (iv) teknologi yang melibatkan penggunaan biomass, dan (v) teknologi yang melibatkan tangkapan, penggunaan, dan / atau penyimpanan karbon (CCUS). Jalur menuju teknologi inovatif untuk memotong emisi CO2 dari rute produksi baja berbasis bijih ditunjukkan dalam Gambar 2.

Gambar 2 Jalur menuju teknologi inovatif untuk pembuatan baja hijau

Di Uni Eropa, teknologi inovatif sedang dikembangkan dalam program ULCOS (Ultra-Low CO2 Steelmaking). Dalam program ini, kerja pengembangan sedang dilakukan untuk (i) 'blast furnace daur ulang gas atas'(TGR-BF) dengan CCUS, (ii) proses HIsarna dengan CCUS yang melibatkan reduksi peleburan, (iii) ULCORED dengan CCUS yang melibatkan konsep DR baru, dan (iv) elektrolisis. Selain itu, ULCOS juga bekerja pada penggunaan karbon dari biomass berkelanjutan serta pembuatan baja berbasis hidrogen.

Di Amerika Serikat, kerja pengembangan dilakukan dengan 'kemitraan publik-swasta' antara American Iron and Steel Institute (AISI) dan Departemen Energi AS (DOE), dan Office of Industrial Technology. Dua proyek mewakili langkah signifikan. Proyek-proyek ini adalah (i) reduksi suspensi oksida besi konsentrat hidrogen, dan (ii) elektrolisis oksida cair (MOE). Dalam waktu dekat, kerja pengembangan dilakukan oleh anggota AISI untuk 'paired straight hearth furnace', proses DRI dan logam cair berbasis batubara untuk penggantian jangka panjang blast furnace dan oven kokos.

Di Jepang, kerja pengembangan dilakukan dalam program COURSE50 yang melibatkan enam organisasi baja dan teknik, Federasi Besi dan Baja Jepang, dan Organisasi Pengembangan Teknologi Industri dan Energi Baru. Tujuan penelitian dan pengembangan program adalah (i) pengurangan emisi CO2 dari reduksi bijih besi blast furnace dengan agen redur lain (hidrogen), (ii) reformasi gas oven kokos bertujuan untuk meningkatkan konten hidrogen dengan memanfaatkan panas buang, (iii) kokos daya tinggi dan reaktivitas tinggi untuk reduksi dengan hidrogen. Kerja pengembangan juga dilakukan menuju tangkapan CO2 dari gas blast furnace melibatkan (i) penyerapan kimia dan fisika untuk menangkap, memisahkan, dan memulihkan CO2, dan (ii) pengurangan kebutuhan energi untuk tangkapan, pemisahan, dan pemulihan menggunakan panas buang dari pabrik baja.

Di Korea Selatan, kerja pengembangan dilakukan dengan melibatkan POSCO, RIST, POSLAB, dan POSTECH. Tiga rute yang menjanjikan dari solusi inovatif CO2 telah diidentifikasi. Ini adalah (i) pembuatan baja rendah karbon yang terdiri dari proses FINEX rendah karbon, dan pre-reduksi serta pemulihan panas sinter panas, (ii) tangkapan dan penyimpanan karbon pembuatan baja oleh penyerapan CO2 menggunakan larutan amonia, dan penyimpanan CO2 di bidang gas laut, dan (iii) pembuatan baja hidrogen dengan reduksi bijih besi dalam proses FINEX menggunakan syngas yang diperkaya hidrogen, dan proses blast furnace yang diperkaya hidrogen.

Teknologi baru untuk pengurangan atau eliminasi emisi karbon dari proses pembuatan baja dapat dibagi menjadi dua kategori yang berbeda yaitu (i) tangkapan, penggunaan, dan / atau penyimpanan karbon (CCUS), dan (ii) reduksi alternatif bijih besi. CCUS menggunakan berbagai metode untuk menangkap emisi CO2. Sistem ini menyimpan emisi tersebut (misalnya, dalam formasi geologis seperti reservoar gas laut yang kehabisan) atau memproses emisi untuk utilitas lanjutan. Sendirian, CCUS tidak dapat mencapai netralitas karbon. Namun, ini dapat menghasilkan neraca CO2 negatif jika bahan bakar fosil yang digunakan dalam proses pembuatan baja digantikan oleh biomass.

Jenis potensi teknologi kedua melibatkan penggantian kokos atau gas alam dengan agen redur alternatif untuk bijih besi. Ini termasuk hidrogen dan arus listrik langsung. Keuntungan teknologi ini adalah secara teoretis mereka dapat membuat produksi baja sepenuhnya hijau. Namun, sebagian besar kemungkinan membutuhkan waktu dan dana yang lebih banyak untuk pendirian dibandingkan CCUS.

Teknologi CCUS dan reduksi alternatif yang paling menjanjikan serta teknologi reduksi langsung berbasis hidrogen dibahas di bawah ini.

Teknologi dengan CCUS

Dalam teknologi ini, CO2 yang dihasilkan selama proses operasi dipisahkan dari gas lain dan ditangkap. CO2 yang ditangkap kemudian diangkut melalui pipa atau dikirim ke lokasi penyimpanan darat atau laut atau digunakan. Proses untuk CCUS mencakup penangkapan pasca / pra-pembakaran, kompresi, pengangkutan, dan penyimpanan / penggunaan. Gambar 3 menunjukkan skema CCUS untuk rute pembuatan baja blast furnace – basic oxygen furnace (BF-BOF) yang disederhanakan.

Gambar 3 Skema CCUS untuk rute BF-BOF yang disederhanakan

Keuntungan utama adalah sistem CCUS dapat dengan mudah diintegrasikan ke dalam pabrik konvensional brown field yang sudah ada. Dan karena teknologi ini tidak spesifik untuk pembuatan baja, industri lain juga dapat membagi biaya pengembangan dan infrastruktur. Selanjutnya, biaya operasi di masa depan sebagian besar dapat diprediksi.

Kelemahan utama adalah CCUS tidak sepenuhnya netral karbon, karena proses penangkapan karbon sendiri hanya menangkap sekitar 90 % CO2. Juga, ada beberapa tantangan lain. Penerimaan publik terhadap penyimpanan karbon tidak pasti yang menempatkan pelaku awal dalam posisi yang tidak menguntungkan. Selanjutnya saat ini, kecuali lokasi penyimpanan darat kecil, laut menawarkan lokasi penyimpanan besar yang sesuai satu-satunya, dan ini memerlukan upaya pengangkatan yang besar. Selain itu, utilisasi emisi juga harus memastikan bahwa tidak ada rilis karbon di tahap lebih lanjut agar proses menjadi netral karbon. Juga, peralatan CCUS meningkatkan beban pemeliharaan dan waktu shutdown dengan dampak signifikan pada biaya operasi.

Ada beberapa proyek pilot yang telah diambil untuk pemrosesan emisi seperti CO2 untuk membuat bahan bakar sintetis. Namun ini saat ini tidak netral karbon karena CO2 dipancarkan di tahap lebih lanjut.

Pembuatan besi berbasis biomass dengan CCUS

Ide dasar di balik teknologi ini adalah bahwa biomass netral karbon sebagian menggantikan bahan bakar fosil dalam pra-pengolahan atau sebagai agen redur bijih besi. Contohnya adalah 'chars' kaya karbon yang dibuat dari biomass mentah (alga mentah, rumput, kayu dll.) digunakan untuk menghasilkan kokos pengganti, atau biogas diinjeksi ke dalam furnace shaft sebagai pengganti gas alam. Proses yang didasarkan pada teknologi ini termasuk pirolisis dan karbonisasi hidrotermal. Sistem CCUS menjaga sisa emisi karbon apa pun.

Biomass sendirian dapat mengurangi emisi CO2 hingga 40 % hingga 60 % dan dalam kombinasi dengan CCUS dapat mencapai pembuatan baja netral karbon. Dalam waktu dekat, biomass adalah pengganti parsial segera untuk bahan bakar fosil, yang memungkinkan pengurangan emisi cepat di pabrik yang sudah ada. CO2 dari emisi juga dapat didaur ulang menggunakan CCUS untuk menghasilkan biomass segar.

Namun, kultivasi biomass sulit. Secara lingkungan, hal ini dapat mengakibatkan penebangan hutan, pencemaran, dan penurunan biodiversitas, dan secara sosial hal ini mempengaruhi harga makanan dan penggunaan lahan pertanian. Oleh karena itu, penerimaan politik dan sosial memiliki risiko tinggi. Selain itu, biomass memiliki nilai kalor yang lebih rendah dibandingkan bahan bakar fosil, yang membatasi penggunaannya dalam blast furnace besar atau mengakibatkan penurunan efisiensi. Selanjutnya, karena kandungan air yang tinggi, biomass juga dapat terlalu berat untuk digunakan dalam blast furnace besar.

Sebuah studi tentang penggunaan oleh kelompok penelitian Swedia SWEREA di pabrik baja SSAB di Lulea telah mengidentifikasi potensi pengurangan emisi CO2 sebesar 28 % dengan pembuatan besi berbasis biomass.

Furnace shaft berbasis hidrogen untuk besi reduksi langsung

Dalam proses ini, alih-alih agen redur karbon seperti gas alam yang direformasi, hidrogen digunakan untuk mengurangi pelet bijih besi menjadi 'besi reduksi langsung' (DRI atau besi spons). Reaksi terjadi dalam furnace shaft. DRI yang dihasilkan kemudian diumpankan ke dalam arc furnace dan dengan menambahkan karbon; diubah menjadi baja dengan pemrosesan lebih lanjut. DRI juga dapat diumpankan ke dalam blast furnace dalam bentuk 'besi briquet panas' (HBI). Ini secara signifikan meningkatkan efisiensi blast furnace dan mengurangi konsumsi kokos. Teknologi proses serupa yang paling umum adalah proses Midrex dan Energiron.

Dalam reduksi berbasis hidrogen, bijih besi direduksi melalui reaksi gas-padat, mirip dengan rute produksi DRI. Faktor pengbeda satu-satunya adalah agen redurnya adalah hidrogen murni alih-alih gas monoksida karbon, syngas, atau kokos. Reduksi bijih besi oleh hidrogen terjadi dalam dua atau tiga tahap. Untuk suhu di atas 570 deg C, bijih hematit (Fe2O3) pertama ditransformasi menjadi magnetit (Fe3O4), kemudian menjadi wustit (FexO), dan akhirnya menjadi besi logam sedangkan pada suhu di bawah 570 deg C, magnetit langsung ditransformasi menjadi besi karena wustit tidak termodinamis stabil.

Reaksi reduksi yang terlibat dalam reduksi bijih besi oleh hidrogen direpresentasikan oleh persamaan (i) 3 Fe2O3 + H2 = 2 Fe3O4 + H2O, (ii) x Fe3O4 + (4x-3) H2 = 3 FexO + (4x-3) H2O, dan (iii) FexO + H2 = x Fe + H2O di mana x sama dengan 0,95. Seperti yang ditunjukkan oleh reaksi ini, reduksi bijih besi dengan hidrogen melepaskan uap air yang tidak berbahaya (H2O) alih-alih gas rumah kaca CO2. Reaksi keseluruhan untuk reduksi bijih hematit dengan H2 adalah Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O yang merupakan reaksi endotermik dengan panas reaksi, delta H pada 298 deg C = 95,8 kJ/mol, yang negatif untuk neraca energi proses dan meminta penambahan energi dengan gas redur yang diinjeksi / campuran gas. Fokus dalam pengembangan jalur produksi adalah optimisasi berdasarkan suhu reduksi, kinetika reaksi, komposisi pelet, dan teknologi untuk pemanasan gas redur.

Konsumsi stoikiometrik H2 untuk mengurangi bijih hematit (Fe2O3) adalah 54 kg per ton besi. Oleh karena itu, pabrik baja 1 juta ton per tahun memerlukan pabrik hidrogen yang memiliki kapasitas hingga 70.000 m3 / jam hidrogen pada suhu dan tekanan standar (STP). Dengan hidrogen sebagai gas redur, penting untuk memprediksi perubahan perilaku reaktor dibandingkan reaktor dengan campuran hidrogen-monoksida karbon sebagai gas redur. Beberapa faktor dapat berinteraksi dengan cara yang berbeda, seperti kinetika, termodinamika, transfer panas, dan aliran gas.

Proses ini membuat seluruh rute pembuatan baja primer netral karbon dan bebas bahan bakar fosil jika listrik hijau sepenuhnya digunakan untuk proses. Keuntungan lain untuk proses ini adalah fleksibilitas produksi yang tinggi. Proses mudah dimulai dan dihentikan, dan kemampuan teknologi untuk menggunakan unit yang lebih kecil memungkinkan skalabilitas yang lebih besar. Selain itu, kemampuan untuk memasukkan DRI sebagai HBI ke dalam sistem pembuatan baja blast furnace – basic oxygen furnace berarti pabrik konvensional brown field yang sudah ada dapat digunakan sementara produksi furnace shaft / EAF ditingkatkan.

Proses ini masih memerlukan pelet bijih besi, dan memproduksinya dapat menyebabkan emisi yang signifikan tergantung pada sumber panas pabrik pelet. Menyediakan jumlah hidrogen yang diperlukan juga merupakan masalah dan elektrolizer skala besar yang efisien perlu dikembangkan. Selain itu, karena proses ini bergantung pada sejumlah besar energi hijau murah, negara produsen baja harus mengimpor hidrogen atau besi yang telah diproses terlebih dahulu, yang merusak rantai nilai mereka, jika mereka gagal secara signifikan meningkatkan produksi energi hijau mereka sendiri. Ada juga ketidakpastian di sekitar biaya operasi di masa depan yang terkait dengan harga hidrogen dan listrik. Gambar 4 menunjukkan furnace shaft berbasis hidrogen untuk besi reduksi langsung.

Gambar 4 Furnace shaft berbasis hidrogen untuk besi reduksi langsung

Proses HYBRIT menggunakan furnace shaft berbasis hidrogen untuk produksi DRI. HYBRIT adalah singkatan dari 'HYdrogen BReakthrough Ironmaking Technology'. Pada 4 April 2016, tiga perusahaan Swedia—SSAB, LKAB, dan Vattenfall AB meluncurkan proyek yang bertujuat untuk menyelidiki kelayakan proses produksi DRI berbasis H2, dengan listrik bebas emisi CO2 sebagai sumber energi utama. Sebuah perusahaan venture bersama dibentuk, HYBRIT Development AB, dengan tiga perusahaan sebagai pemilik. Ini memberikan akses penuh ke kompetensi terbaik dalam seluruh rantai nilai dari produksi energi, pertambangan, pemurnian bijih dan produksi pelet, reduksi langsung, peleburan, dan produksi baja kasar. Studi kelayakan awal pada reduksi langsung berbasis H2 dilakukan pada tahun 2017. Studi menyimpulkan bahwa rute proses yang diusulkan secara teknis dapat dilakukan dan, mengingat tren biaya emisi CO2 dan listrik di masa depan, juga secara ekonomis menarik untuk kondisi di utara Swedia / Finlandia.

Proses HYBRIT menggantikan batubara dengan hidrogen untuk reduksi langsung besi, dikombinasikan dengan arc furnace. Proses ini hampir sepenuhnya bebas bahan bakar fosil, dan mengarah pada pengurangan yang besar dalam emisi gas rumah kaca. Proses ini adalah antara beberapa inisiatif yang menggunakan setup reduksi langsung / arc furnace berbasis hidrogen, menggabungkan reduksi langsung bijih besi dengan penggunaan hidrogen dengan arc furnace untuk pemrosesan lebih lanjut menjadi baja. Produk dari proses reduksi langsung berbasis hidrogen adalah DRI atau besi spons, yang diumpankan ke dalam arc furnace, dicampur dengan porsi logam bekas yang sesuai, dan diproses lebih lanjut menjadi baja.

Alur proses produksi HYBRIT ditunjukkan dalam Gambar 5. Karakteristik utama proses adalah (i) bahan bakar non-fosil digunakan dalam produksi pelet, (ii) hidrogen dihasilkan dengan elektrolisis menggunakan listrik bebas fosil, (iii) penyimpanan hidrogen dalam unit yang dirancang khusus digunakan sebagai buffer terhadap jaringan, (iv) furnace shaft digunakan untuk reduksi bijih besi, (v) pelet yang disesuaikan digunakan sebagai umpan bijih besi, (vi) campuran gas redur / gas dipanaskan sebelumnya sebelum diinjeksi ke dalam shaft, (vii) produk dapat berupa DRI atau HBI bebas karbon atau dileguri karbon, dan (viii) DRI / HBI dilebur bersama dengan logam bekas daur ulang dalam arc furnace.

Gambar 5 Alur proses produksi HYBRIT

Penggunaan hidrogen yang dihasilkan oleh elektrolisis air menggunakan listrik bebas fosil untuk mengurangi pelet bijih besi dalam furnace shaft adalah alternatif utama yang dipilih untuk inisiatif HYBRIT. Dalam inisiatif ini, konversi ke rantai nilai bebas fosil dari tambang hingga baja jadi mencakup banyak isu yang harus dikembangkan di mana kondisi pasar dan geografis lokal juga dipertimbangkan. Swedia memiliki situasi unik dengan kelebihan kapasitas listrik di bagian utara negara, kedekatan dengan tambang bijih besi, akses yang baik terhadap biomass dan pabrik baja, dan jaringan yang kuat antara industri, lembaga penelitian, dan universitas.

Proses HYBRIT termasuk dalam kategori konsep teknologi yang jauh lebih dekat dengan penerapan komersial. Sistem ini didasarkan pada penggunaan hidrogen sebagai agen redur, dengan hidrogen yang dihasilkan melalui elektrolisis berdasarkan listrik terbarukan. Dari sudut pandang lingkungan, keuntungan terpenting dari ini adalah bahwa buang dari proses ini adalah air (H2O) alih-alih CO2, dengan pengurangan yang berakibat pada emisi GHG. Seperti pembuatan baja DRI konvensional, besi yang dihasilkan menggunakan rute DRI berbasis hidrogen dapat diproses lebih lanjut menjadi baja menggunakan teknologi arc furnace yang tersedia secara komersial. Langkah produksi hidrogen dan pembuatan baja arc furnace dapat bebas karbon jika listrik dan hidrogen dihasilkan menggunakan sumber terbarukan seperti elektrolisis tenaga surya (PV) / angin / air, produksi hidrogen foto-kimia, atau pembelahan air termal surya.

Proses fluidized bed berbasis hidrogen untuk besi reduksi langsung

Seperti versi furnace shaft, teknologi ini menggunakan hidrogen untuk mengurangi bijih besi dan menghasilkan DRI untuk diumpankan ke dalam arc furnace. Perbedaannya adalah reduksi terjadi dalam fluidized bed bukan furnace, dan bijih besi halus / konsentrat yang diproses halus digunakan alih-alih pelet. Fluidized bed adalah kamar reaktor yang dapat secara kontinu mencampur bahan baku padat dengan gas untuk menghasilkan padat. Proses serupa adalah FINEX dan Circored.

Penggunaan halus dibandingkan pelet bijih besi memiliki keuntungan untuk menghapus kebutuhan untuk pembuatan pelet dan dengan demikian mengurangi biaya dan emisi CO2 tinggi yang terlibat dalam proses. Selain itu, reaktor fluidized bed memiliki masalah menempel internal yang lebih sedikit dibandingkan furnace shaft, mencapai metalisasi yang lebih tinggi (sekitar 90 % hingga 95 %).

Proses ini berbagi masalah yang sama mengenai pasokan hidrogen, elektrolizer, dan biaya operasi dengan metode furnace shaft. Pasokan listrik juga harus 100 % hijau untuk mencapai netralitas karbon. Selain itu, penggunaan reaktor fluidized bed dalam pembuatan baja kurang dikembangkan dibandingkan furnace shaft, dan oleh karena itu membutuhkan investasi yang lebih tinggi. Gambar 6 menunjukkan proses fluidized bed berbasis hidrogen untuk besi reduksi langsung.

Gambar 6 Proses fluidized bed berbasis hidrogen untuk besi reduksi langsung

Hydrogen based Fine-Ore Reduction (atau HYFOR untuk singkatnya) adalah proses reduksi langsung pertama di dunia untuk konsentrat bijih besi dari pemurnian bijih yang tidak memerlukan pra-pengolahan material apa pun seperti sintering atau pembuatan pelet. Ini mengurangi biaya CAPEX dan OPEX. Proses ini mampu memproses berbagai macam bijih, misalnya hematit dan magnetit.

Proses HYFOR telah dikembangkan oleh Primetals Technologies. Teknologi baru ini dapat diterapkan pada semua jenis bijih yang telah dipurniakan. Ini bekerja dengan ukuran partikel kurang dari 0,15 mm untuk 100 % bahan baku, sambil mengizinkan ukuran butir maksimum 0,5 mm. Karena luas permukaan partikel yang besar, proses ini mencapai laju reduksi yang tinggi pada suhu dan tekanan rendah.

Sebagai agen redur utama, proses baru ini menggunakan hidrogen. Hidrogen dapat berasal dari energi terbarukan atau alternatif gas kaya hidrogen dari sumber gas lain seperti pirolisis gas alam atau reformer uap konvensional. Sebagai alternatif lainnya, HYFOR dapat berjalan pada gas buang kaya hidrogen. Bergantung pada sumber hidrogen, ini mengarah pada emisi CO2 rendah atau bahkan nol untuk DRI yang dihasilkan.

Pabrik pilot untuk tujuan pengujian telah dikerjakan pada April 2021 voestalpine Stahl Donawitz, Austria. Pabrik ini memiliki desain modular dengan kapasitas terdefinisi 250.000 ton per modul per tahun, membuatnya cocok untuk semua ukuran pabrik baja. Tujuan pabrik pilot adalah untuk memberikan bukti praktis untuk proses inovatif ini dan untuk berfungsi sebagai fasilitas pengujian, mengumpulkan cukup data untuk menyiapkan pabrik skala industri di tahap selanjutnya.

Pengujian pertama telah berhasil dieksekusi pada April 2021 dan Mei 2021. Skala satu tes berada dalam kisaran pemrosesan 800 kg bijih besi. Pabrik pilot HYFOR akan dioperasikan selama setidaknya 2 tahun dalam beberapa kampanye untuk menguji berbagai jenis bijih dan untuk mengevaluasi parameter proses optimal untuk langkah penskalaan selanjutnya. Dengan asumsi operasi lancar, unit briquetasi panas akan ditambahkan untuk memverifikasi langkah briquetasi panas serta kualitas HBI yang diharapkan dari teknologi HYFOR.

Proses HYFOR secara drastis mengurangi emisi CO2 serta membantu produsen untuk secara efektif menangani tantangan kualitas bijih besi yang menurun, yang telah semakin akut pada akhir ini, mengakibatkan kebutihan yang meningkat untuk memurniakan bijih. Permintaan yang meningkat untuk pelet bijih besi untuk blast furnace dan pabrik reduksi langsung telah mengarah pada harga bijih besi yang lebih tinggi, terutama premi pelet. Dengan proses HYFOR, memungkinkan untuk menggunakan bijih halus umpan pelet secara langsung dan mendapatkan manfaat dari pasokan ultrafines global yang meningkat.

Pabrik pilot HYFOR di voestalpine Donawitz terdiri dari tiga bagian yaitu (i) unit pemanasan-pengoksian, (ii) pabrik pengolahan gas, dan (iii) inti yang merupakan unit reduksi baru dan unik. Dalam unit pemanasan-pengoksian, konsentrat bijih halus dipanaskan hingga sekitar 900 deg C dan diumpankan ke unit reduksi. Gas redur adalah 100 % hidrogen yang disuplay dari pemasok gas yang terletak di luar batas pabrik. Sistem pemulihan panas buang yang memanfaatkan panas dari gas buang memastikan penggunaan energi yang optimal dan sistem dedusting kering menjaga emisi debu dari proses. Besi reduksi langsung panas (HDRI) keluar dari unit reduksi pada suhu sekitar 600 deg C sebelum didinginkan dan dikeluarkan dari pabrik pilot HYFOR.

Besi reduksi langsung panas yang keluar dari unit reduksi pada suhu sekitar 600 deg C dapat kemudian diangkut langsung dan diumpankan ke dalam arc furnace atau digunakan untuk menghasilkan besi briquet panas. Besi briquet panas adalah untuk pasokan ke pasar. Langkah selanjutnya adalah penambahan fasilitas pengujian briquetasi panas untuk menguji karakteristik besi briquet panas.

Tujuan pabrik pilot HYFOR adalah untuk memverifikasi proses inovatif ini dan untuk berfungsi sebagai fasilitas pengujian untuk menyediakan basis data untuk penskalaan ukuran pabrik ke pabrik prototipe skala industri sebagai langkah pengembangan selanjutnya.

Pembuatan besi berbasis suspensi

Pembuatan besi berbasis suspensi juga dikenal sebagai 'teknologi pembuatan besi flash'. Proses ini dimulai dengan penggilingan halus bijih besi kelas rendah untuk menghasilkan konsentrat bijih besi. Bijih besi harus digiling menjadi partikel dengan diameter kurang dari 100 mikrometer. Ultrafines kemudian direduksi menggunakan hidrogen dalam reaktor 'flash' suhu tinggi selama hanya beberapa detik, secara langsung menghasilkan besi setelah karbon ditambahkan. Konsentrat bijih besi juga dapat direduksi terlebih dahulu pada suhu lebih rendah dalam reaktor terpisah sebelum ditambahkan ke reaktor flash. Gambar 7 menunjukkan prinsip pembuatan besi berbasis suspensi.

Gambar 7 Pembuatan besi berbasis suspensi

Teknologi transformasi pembuatan besi flash sedang dikembangkan oleh konsorsium organisasi dan institusi di Amerika Serikat di bawah dukungan finansial dari American Iron and Steel Institute. Teknologi ini didasarkan pada reduksi gas langsung konsentrat oksida besi dalam proses reduksi flash. Teknologi ini memiliki potensi untuk mengurangi konsumsi energi sebesar 32 % hingga 57 % dan menurunkan emisi CO2 sebesar 61 % hingga 96 % dibandingkan dengan operasi BF rata-rata saat ini. Teknologi ini cocok untuk operasi industri yang mengonversi konsentrat bijih besi (kurang dari 100 mikron) menjadi baja tanpa perawatan lebih lanjut.

Teknologi ini menghasilkan besi sambil melewati langkah pembuatan pelet atau sintering serta pembuatan kokos. Selanjutnya, proses ini intensif karena partikel halus konsentrat direduksi dengan laju yang cepat pada 1.150 deg C hingga 1.350 deg C. Dengan demikian, waktu tinggal yang diperlukan dalam proses ini berurutan detik bukan menit dan jam yang diperlukan untuk pelet dan bahkan bijih halus. 90 % hingga 99 % reduksi terjadi dalam 2 detik hingga 7 detik pada 1.200 deg C hingga 1.500 deg C. Kebutuhan energi proses dengan H2 sebagai gas redur adalah 5,7 GJ (1.360 Mcal) / ton besi cair.

Reduksi langsung bijih besi menjadi baja dalam satu reaktor menghilangkan kebutuhan untuk pembuatan besi dan sintering atau pembuatan pelet. Ini memiliki manfaat biaya dan emisi yang signifikan. Ini juga menghasilkan baja yang 'lebih bersih' karena suhu tinggi dan waktu reaksi yang cepat memastikan lebih sedikit kotoran.

Dengan H2 sebagai gas redur, emisi CO2 adalah 0,04 ton CO2 per ton besi cair. Emisi ini adalah 2,5 % dari emisi rute BF pembuatan besi. Proses flash iron dilakukan pada suhu yang cukup tinggi sehingga partikel individu memiliki cukup energi untuk menutup pori yang dibuat dari penghapusan oksigen. Oleh karena itu, partikel individu jauh lebih tidak rentan terhadap penangkap api dari oksidasi cepat. Universitas Utah melakukan penelitian pada sampel serbuk kecil dan menentukan bahwa mereka bukan piroforik.

Proses ini akan diterapkan untuk produksi besi sebagai umpan ke dalam proses pembuatan baja atau sebagai bagian dari proses pembuatan baja terus-menerus langsung. Diberi alasan oleh data eksperimental yang diperoleh selama fase sebelumnya dari proyek, pekerjaan pengembangan penskalaan saat ini sedang berlangsung di Universitas Utah. Pengujian dalam furnace flash laboratorium telah menghasilkan pendirian database kinetika dalam rentang kondisi operasi yang luas dan desain lengkap dari reaktor bench yang lebih canggih. Dengan tujuan untuk mengembangkan teknologi flash iron yang viable secara industri, kampanye pengujian skala bench yang komprehensif direncanakan. Hasil yang diharapkan dari fase ini dari proyek adalah penentuan skalabilitas proses, hasil simulasi proses yang substansial, dan data engineering fundamental yang mengarah pada desain dan konstruksi pabrik pilot skala industri. Alur proses teknologi flash iron ditunjukkan pada Gambar 8.

Gambar 8 Alur proses teknologi pembuatan besi flash

Produksi baja langsung plasma

Dalam proses produksi baja langsung plasma, bijih besi, mentah atau dalam bentuk halus atau pelet, direduksi menggunakan plasma hidrogen dalam reaktor pembuatan baja plasma. Pada saat yang sama, karbon ditambahkan ke dalam reaktor untuk menghasilkan baja. Plasma hidrogen adalah gas hidrogen yang telah dipanaskan atau diisi listrik untuk memisahkan, atau mengionisasi, menjadi partikel konstituennya. Proses dapat menggunakan plasma termal (dihasilkan dengan memanaskan hidrogen secara langsung) atau plasma non-termal (dihasilkan dengan melewatkan arus listrik langsung atau gelombang mikro melalui hidrogen).

Proses ini menghilangkan kebutuhan untuk pra-pengolahan bijih besi dan memungkinkan suhu reaktor yang lebih rendah. Ini juga sangat terintegrasi, dengan beberapa metode (misalnya, peleburan reduksi plasma hidrogen) yang hanya membutuhkan satu langkah. Ini membuatnya menarik secara komersial. Teknologi ini memiliki potensi untuk mengurangi biaya secara signifikan. Ini juga menawarkan kualitas produk yang lebih tinggi dan fleksibilitas produksi yang lebih baik.

Teknologi ini berada pada tahap pengembangan yang sangat awal, dengan proses optimal dan desain reaktor penuh yang belum dikembangkan. Kelayakan komersialnya juga masih harus dibuktikan. Sebagai bagian dari proyek Sustainable Steel (SuSteel), produsen baja Austria voestalpine telah membangun reaktor reduksi plasma hidrogen skala kecil di lokasi Donawitznya. Proses produksi baja langsung plasma ditunjukkan pada Gambar 9.

Gambar 9 Proses produksi baja langsung plasma

Proses elektrolisis

Ada dua jenis proses elektrolisis. Ini adalah (i) elektrolisis, dan (ii) elektrowinning. Dua varian proses ini disebut ULCOWIN dan ULCOLYSIS dalam program ULCOS. Proses ULCOWIN beroperasi sedikit di atas 100 deg C dalam larutan alkaline air yang ditempati oleh butiran bijih yang kecil. Dalam proses ini bijih besi digiling menjadi konsentrat ultrafin, dileached dan kemudian direduksi dalam elektrolizer pada sekitar 110 deg C. Plat besi yang dihasilkan diumpankan ke dalam arc furnace, yang mengubahnya menjadi baja. ULCOLYSIS beroperasi pada suhu pembuatan baja (sekitar 1.550 deg C) dengan elektrolit garam cair yang terbuat dari slag (pirolisis elektro). Proses ini mengubah bijih besi menjadi baja cair menggunakan listrik sebagai agen redur. Gambar 10 menunjukkan proses elektrolisis untuk produksi baja.

Gambar 10 Proses elektrolisis untuk produksi baja

Proses elektrolisis telah dikembangkan dari nol dalam program ULCOS dan, oleh karena itu, masih beroperasi pada skala laboratorium. Meskipun ini menjanjikan emisi nol, jika memiliki akses ke listrik hijau, waktu diperlukan untuk menskalanya ke ukuran komersial (10 hingga 20 tahun). Proses ULCOWIN terdiri dari elektrolisis alkaline bijih besi. Elektrolisis biasanya digunakan untuk menghasilkan logam selain baja dan membutuhkan sejumlah besar listrik. Proses ini harus bergantung pada sumber listrik rendah CO2 seperti energi terbarukan, tenaga air, atau tenaga nuklir. ULCOLYSIS adalah elektrolisis oksida cair. Elektrolisis oksida cair bekerja dengan melewatkan arus listrik melalui slag cair yang diumpani dengan oksida besi. Oksida besi hancur menjadi besi cair dan gas oksigen. Tidak ada CO2 yang dihasilkan. Emisi proses dikurangi lebih lanjut dengan sumber listrik rendah CO2.

Karena proses elektrolisis melewati tahap upstream yang diperlukan dalam rute produksi lain, seperti menghasilkan kokos atau H2 sebagai agen redur, proses-proses ini memiliki potensi untuk menjadi teknologi pembuatan baja paling efisien energi, terutama elektrolisis. Ini juga menjanjikan untuk secara signifikan menurunkan CAPEX karena, dalam kasus elektrolisis, hanya beberapa peralatan yang diperlukan. Proses ini juga relatif tidak fleksibel dibandingkan proses reduksi langsung hidrogen karena tidak dapat dihentikan dengan mudah.