Optimisasi Gas Tungku Timur: Generasi, Pemanfaatan, dan Efisiensi
Pendahuluan
Proses tungku timur (BF) adalah teknologi terdepan untuk produksi besi kasar (HM) yang diperlukan untuk pembuatan baja serta untuk produksi besi dapur. HM adalah produk utama dari BF. Selama produksi HM, gas BF diproduksi secara bersamaan. Gas BF adalah nama yang diberikan pada produk samping yang terus-menerus dihasilkan dari naiknya gas ke atas dari angin blast melalui beban di dalam 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 menjadi produsen gas. Gas BF adalah sumber energi kimia penting yang dikonsumsi di luar proses BF dan memiliki dampak besar pada keseimbangan gas pabrik baja terintegrasi. Pertama-tama, sisa gas BF dikonsumsi di berbagai tungku pabrik baja dan juga di ketel pembangkit listrik bersama dengan produk samping gas lainnya seperti gas oven coke dan gas konverter. Parameter utama yang menentukan kegunaan gas BF adalah nilai kalorinya.
Operasi Tungku Timur
Tampilan sederhana ilustratif dari operasi tungku timur, yang menunjukkan gas BF keluar dari puncak tungku ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1 Tampilan sederhana operasi tungku timur
Selama produksi besi kasar (HM) di tungku timur, angin blast panas ditiup ke dalam tungku melalui tuyere. O2 yang terkandung dalam angin blast panas bereaksi dengan karbon (dalam bentuk coke) untuk menghasilkan karbon dioksida (CO2) dan karbon mono oksida (CO), sesuai dengan 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, flux, dan coke. Setelah sejumlah reaksi kimia seperti yang dijelaskan di bawah ini dan perjalanan sekitar 25 m hingga 30 m gas BF keluar dari tungku sebagai gas pembakar panas, kental debu, dan nilai kalori rendah (CV).
Karbon (C) dalam coke dan CO keduanya adalah agen reduksi untuk beban bijih yang terdiri dari hematit (Fe2O3), wustit (FeO), dan magnetit (Fe3O4). Oksida ini direduksi untuk membentuk Fe dan CO2. Sebagai contoh, mekanisme reduksi hematit diberikan oleh persamaan (i) Fe2O3 + 2C = 2Fe + CO + CO2, dan (ii) Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2.
Sumber tambahan dari pelepasan gas berasal dari dekomposisi batu kapur dan dolomit yang digunakan sebagai flux dasar untuk pengakhiran kotoran. Reaksi ini adalah (i) CaCO3 = CaO + CO2, dan (ii) MgCO3 = MgO + CO2.
Semua perubahan ini terjadi di zona reaksi tungku, dan pentingnya dari perspektif komposisi gas BF, kesetimbangan kimia untuk gas yang dilepaskan diatur oleh reaksi reversibel Boudouard (2CO = CO2 + C) karena rasio yang ditetapkan antara CO dan CO2 untuk suhu tertentu. Hasil operasional adalah kuantitas besar CO2 panas, CO, dan N2 naik melalui tungku saat beban segar bergerak ke bawah menuju zona reaksi.
Namun, dapat ada konstituen tambahan yang ditambahkan ke komposisi gas tergantung pada variabel sistem. Sebagai contoh, redusan tambahan dapat diinjeksi ke dalam BF untuk mengurangi kebutuhan coke dalam beban, seperti serbuk batu bara, minyak, gas alam, atau plastik daur ulang, dan oleh karena itu meningkatkan efisiensi tungku. Namun, integritas beban harus dipelihara, memerlukan injeksi uap atau O2 bersama dengan redusan tambahan. Penambahan ini mengarah pada fluktuasi tingkat H2 dan H2O dalam angin blast panas, dan kemudian mempengaruhi reaksi reversibel air-gas yaitu (i) C + H2O = CO + H2, dan (ii) CO + H2O = CO2 + H2.
Komposisi kimia keseluruhan gas BF oleh karena itu dinamis dan tergantung pada parameter operasi tungku. Komposisi volumetrik kering gas BF yang representatif untuk operasi tipikal diberikan pada Gambar 2.
Gambar 2 Komposisi representatif tipikal gas tungku timur
Volume spesifik gas BF (cum/ton HM) yang dihasilkan, komposisi kimianya, dan CV-nya tergantung pada parameter operasi BF, yaitu (i) karakteristik bahan beban, (ii) jumlah flux yang diisi ke dalam BF, (iii) distribusi bahan beban di tumpukan BF, (iv) grade besi kasar yang dibuat, (v) jumlah bahan bakar tambahan yang diinjeksi ke dalam BF, (vi) suhu angin blast panas, dan (vii) kandungan O2 dalam blast. Oleh karena itu, parameter operasi ini memiliki pentingnya 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 pada jumlah gas BF yang dikonsumsi di angin blast stove BF.
Jumlah total gas CO + CO2 menurut volume dalam gas BF di puncak tungku berkisar dari sekitar 37 % hingga 53 % dari volume gas total. Rasio CO/CO2 dapat bervariasi di tungku timur dari 1,25:1 hingga 2,5:1. Persentase CO yang lebih tinggi dalam gas membuat gas BF berbahaya. Kandungan hidrogen (H2) gas BF dapat bervariasi dari 1 % hingga 7 % tergantung pada jenis dan jumlah bahan bakar yang diinjeksi di tuyere BF. Komponen sisa gas BF adalah nitrogen (N2). Metana (CH4) juga dapat ada dalam gas BF hingga tingkat 0,2 %.
Di BF, beberapa hydro-sianida (HCN) dan gas sianogen (CN2) juga dapat terbentuk akibat reaksi N2 dalam angin blast panas dan C dari coke. Reaksi ini dikatalis oleh oksida alkali. Gas ini sangat beracun. Gas BF dapat mengandung senyawa sianida ini dalam kisaran 200 miligram per meter kubik (mg/cum) hingga 2000 mg/cum.
Gas BF keluar dari puncak BF pada suhu sekitar 120 derajat C hingga 370 derajat C dan tekanan yang dapat bervariasi dari sekitar 350 mm hingga 2.500 mm tekanan merkuri gauge. 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 biasanya dikenal sebagai 'debu asap'. Ukuran partikel debu asap dapat bervariasi dari beberapa mikron hingga 6 mm.
Gas BF hampir tidak berwarna (keputih-putihan), dan gas yang tidak berbau. Karakteristik utama lainnya dari BF adalah (i) CV sangat rendah biasanya dalam kisaran sekitar 700 kilo kalori per meter kubik (kcal/cum) hingga 850 kcal/cum, (ii) densitas yang relatif tinggi biasanya dalam kisaran sekitar 1.250 kilogram per meter kubik (kg/cum) pada 0 derajat C dan 1 tekanan atmosfer yang merupakan suhu dan tekanan standar (STP), (iii) suhu nyala teoretis rendah yang sekitar 1455 derajat C, (iv) laju propagasi nyala rendah yang biasanya lebih rendah dari bahan bakar gas umum lainnya, (v) terbakar dengan nyala non-luminous, (vi) titik nyala otomatis sekitar 630 derajat C, dan (vii) memiliki batas letak bawah (LEL) 27 % dan batas letak atas (UEL) 75 % dalam campuran udara-gas pada suhu dan tekanan normal. Densitas gas BF adalah tertinggi di antara semua bahan bakar gas. Karena densitas lebih tinggi dari densitas udara, ia menurun ke bawah dalam kasus kebocoran. Konsentrasi CO gas yang tinggi dalam gas BF membuat gas ini berbahaya.
Tekanan puncak tinggi gas BF digunakan untuk mengoperasikan generator (top gas pressure recovery turbine, yaitu TRT singkatnya). TRT dapat menghasilkan energi listrik (daya) hingga 35 kWh/ ton besi kasar tanpa membakar bahan bakar apa pun. TRT tipe kering dapat menghasilkan lebih banyak daya dari pada tipe basah.
Pembersihan Gas BF
Gas BF yang keluar dari puncak tungku mengandung 20 g/cum hingga 40 g/cum debu asap dan tidak dapat digunakan sebagaimana adanya. Debu ini mengandung partikel halus coke, bahan beban, dan senyawa kimia yang terbentuk akibat reaksi yang terjadi di dalam BF. Gas BF kotor ini dibersihkan di pabrik pembersihan gas dalam dua tahap yaitu (i) tahap pembersihan gas primer, dan (ii) tahap pembersihan gas sekunder.
Pembersihan gas primer terdiri dari tangkap debu, siklon, atau kombinasi keduanya. Prinsip gravitasi digunakan untuk pengelolaan partikel besar (lebih kasar dari 0,8 mm) debu. Pada tahap ini, gas BF biasanya melewati tangkap debu di mana semua partikel kasar diangkut. Tangkap debu adalah struktur silinder besar biasanya 20 m hingga 30 m diameter dan dengan tinggi 20 m hingga 30 m. Biasanya dilapis untuk mengisolasi dan mencegah kondensasi kelembaban yang ada dalam gas BF sehingga debu tetap kering dan tidak menggumpal dan mengalir bebas ke bagian kerucut bawah tangkap debu untuk pengelolaan periodik.
Gas BF dikirim ke tangkap debu oleh satu down comer dan memasuki melalui atas tangkap debu oleh pipa vertikal yang membawa gas ke bawah di dalam tangkap debu. Pipa ini membentang di ujung bawahnya seperti cebol terbalik, sehingga saat gas melewati ke bawah kecepatannya (dan oleh karena itu potensi pengangkutan debu-nya) menurun, dan sebagian besar debu kasar (lebih kasar dari 0,8 mm) jatuh dari aliran gas dan disimpan di kerucut di bawah tangkap debu. Karena dasar tangkap debu tertutup, dan keluar gas berada di dekat atas, arah perjalanan gas dibalik 180 derajat. Pembalikan tiba-tiba dalam arah aliran ini menyebabkan lebih banyak debu yang menurun.
Setelah tangkap debu gas dikirim ke tahap pembersihan gas sekunder. Di sini gas BF dibersihkan baik oleh sistem pembersihan gas tipe kering atau pabrik pembersihan gas tipe basah. Di pabrik pembersihan gas tipe kering bag filter digunakan untuk pengelolaan partikel debu halus sementara di pabrik pembersihan gas tipe basah gas BF dicuci debu di scrubber dalam beberapa tahap.
Penggunaan Gas BF
Panas sensibel di gas puncak BF pertama kali digunakan pada 1832 untuk mentransfer panas ke angin blast dingin. Awalnya, exchanger panas ini dipasang di atas tungku. Pada 1845, upaya pertama dilakukan untuk menggunakan panas pembakaran gas BF, tetapi pembakaran gas BF tidak berhasil hingga 1857. Mungkin kemajuan dalam pemanfaatan gas BF tertunda karena kandungan debu yang tinggi, masalah pembersihan dan penanganan, dan biaya bahan bakar padat yang rendah. Biaya bahan bakar lain yang meningkat dan persaingan memaksa penggunaannya.
Di masa lalu penggunaan gas BF terbatas pada pemanasan angin blast stove di tungku timur dan menggunakannya di ketel multi-bahan bakar. Tidak dianggap ekonomis untuk penggunaan lain karena karakteristiknya yang berbeda. Namun dalam beberapa tahun terakhir, beberapa faktor telah berkontribusi pada penggunaan yang diperluas. Faktor yang berkontribusi pada penggunaan yang diperluas gas adalah (i) peningkatan biaya bahan bakar yang dibeli, (ii) perbaikan teknis dalam pembersihan gas sehingga meningkatkan kebersihan gas, dan (iii) pengembangan teknologi untuk pemanasan awal gas BF.
Di pabrik baja terintegrasi, gas BF biasanya digunakan bercampur dengan gas oven coke atau gas konverter atau keduanya. Gas campuran digunakan sebagai bahan bakar di berbagai tungku pabrik baja terintegrasi. Gas BF tanpa campuran dan tanpa pemanasan awal dapat digunakan di BF stove, soaking pit, normalizing dan annealing furnace, foundry core oven, gas engine untuk blowing, boiler untuk pembangkit listrik, gas turbine untuk pembangkit listrik. Dengan kemajuan teknologi terbaru, gas BF juga digunakan secara langsung di sinter plant furnace.
Keuntungan termal dari penggunaan gas BF di gas engine untuk blowing dan untuk pembangkit listrik harus mengatasi investasi berat dan biaya pemeliharaan yang diperlukan untuk peralatan tersebut. Rumah ketel modern menggunakan tekanan uap dan suhu tinggi dengan turbo-blower dan generator yang efisien. Ini telah cukup mengurangi keuntungan termal gas engine dan oleh karena itu penggunaan mereka menjadi sulit untuk dipertanggungjawabkan. Beberapa pabrik baja di Asia dan Eropa telah berhasil dalam penggunaan gas turbine langsung terhubung untuk menggerakkan generator. Gas BF yang dipanaskan awal bersama dengan udara yang dipanaskan awal telah digunakan dengan sukses di coke-oven heating, soaking pits, dan reheating furnaces.
Ketika gas BF dipanaskan awal, harus memiliki kebersihan minimal 0,023 g/cum dan dalam semua kasus di mana gas ini digunakan, perlindungan ekstra diperlukan untuk mencegah pelarian gas BF yang tidak terbakar ke lingkungan karena mengandung persentase besar gas CO beracun.
Dalam operasi tungku timur, di mana gas BF memiliki nilai pemanasan mendekati nilai rendah 700 kcal/cum, menjadi perlu untuk mencampur gas BF dengan bahan bakar gas lain untuk mendapatkan suhu yang sangat tinggi dari angin blast panas dari stove.
