Proses FINEX: Produksi Besi Cair Canggih Menggunakan Bijih Besi Halus dan Batokok Tidak Berkoks

Proses FINEX untuk Produksi Besi Cair

Proses smelting-reduksi FINEX dikembangkan oleh Primetals Technologies, Austria dan produsen baja Korea Selatan Posco. Proses FINEX adalah alternatif komersial terbukti proses pembuatan besi untuk produksi besi panas (HM) selain jalur proses tungku bakar (BF), yang terdiri dari BF, pabrik sinter, dan oven koks. Proses ini didasarkan pada penggunaan langsung batokok tidak berkoks. Proses FINEX dapat langsung menggunakan bijih besi halus tanpa aglomerasi apa pun.

Dalam proses FINEX, bijih besi halus dipanaskan pratinjau dan direduksi menjadi DRI halus (besi reduksi langsung) dalam sistem reaktor fluidized bed tiga tahap dengan gas reduksi yang dihasilkan dari melter gasifier. Reaktor fluidized bed memungkinkan proses FINEX untuk menggunakan bijih halus alih-alih bijih lump atau pellet.

Akibatnya proses ini tidak memerlukan pembuatan koks atau aglomerasi bijih. Briquetting bijih yang telah direduksi pratinjau dan batokok, injeksi batokok bubuk, dan pengisian terkontrol melter gasifier (MG) menghasilkan tingkat bahan bakar yang lebih baik untuk proses. DRI halus yang dihasilkan dalam sistem reaktor fluidized bed dikompos dan kemudian diisi dalam bentuk HCI (besi kompak panas) ke dalam melter gasifier untuk menghasilkan besi panas (HM). HCI yang diisi direduksi menjadi besi logam dan dilelehkan. Panas yang dibutuhkan untuk reduksi metalurgi dan peluruhan disuplai oleh gasifikasi batokok dengan oksigen (O2) murni tinggi. Proses FINEX adalah proses ramah lingkungan yang menggunakan bijih besi halus dan batokok dengan biaya rendah.

Proses FINEX menggunakan O2 murni tinggi, menghasilkan gas ekspor dengan jumlah nitrogen (N2) yang rendah. Karena nilai kalor nettonya (CV) lebih dari dua kali dari gas atas BF, gas ini dapat digunakan kembali sebagian untuk pekerjaan reduksi atau dapat digunakan untuk pembangkitan panas atau energi.

Kerja Awal

Penelitian skala laboratorium dasar telah dilakukan dengan unit skala meja 15 ton/hari dari tahun 1992 hingga 1996. Hasil unit ini digunakan untuk operasi uji pabrik pilot 150 ton/hari pada tahun 1999. Pabrik demonstrasi FINEX 0,6 juta ton per tahun (Mtpa) dibangun di pabrik Posco di Pohang dan mulai produksi pada Juni 2003. Pabrik ini memiliki tiga reaktor fluidized bed. Sejak Februari 2004, pabrik demonstrasi secara stabil menghasilkan lebih dari 0,7 juta ton per tahun besi panas. Posco memasang pabrik komersial FINEX pertama dengan kapasitas 1,5 Mtpa pada April 2007. Berdasarkan hasil yang berhasil dari pabrik ini, Posco dan Primetals Technologies memutuskan untuk mengembangkan pabrik FINEX dengan kapasitas 2,0 Mtpa di Pohang. Pabrik telah dioperasikan sejak Januari 2014.

Bahan Baku Utama

Batokok dan bijih besi adalah dua bahan baku utama. Kriteria utama untuk evaluasi awal batokok atau campuran batokok yang cocok untuk proses FINEX adalah (i) kandungan C tetap (karbon) minimal 55 %, (ii) kandungan abu pada tingkat maksimum 25 %, (iii) kandungan VM (materi volatil) kurang dari 35 %, dan (iv) kandungan S (sulfur) kurang dari 1 %. Selain karakteristik umum ini, batokok diperlukan untuk memenuhi persyaratan tertentu terkait stabilitas termal untuk memungkinkan pembentukan kasur char yang stabil di melter-gasifier. Stabilitas termal batokok potensial untuk proses FINEX diperiksa menggunakan prosedur pengujian khusus di laboratorium.

Proses FINEX dapat beroperasi tanpa koks karena beban muatan yang lebih rendah di kasur char melter-gasifier dan penggunaan O2. Dalam hal perubahan kualitas briquette batokok dan fluktuasi derajat reduksi, beberapa debu koks (kurang dari 30 mm) biasanya digunakan sebelum dan setelah pemadaman atau dalam hal suhu HM menurun untuk mempertahankan produktivitas dan menurunkan rasio bahan bakar. Operasi saat ini memberikan tingkat debu koks yang konstan untuk meminimalkan efek yang dijelaskan di atas. Kualitas debu koks yang digunakan dalam proses FINEX tidak cocok untuk operasi BF dan memiliki kekuatan sekitar 60 % dari koks BF. Untuk mencapai operasi nol debu koks, beberapa optimasi operasi sangat penting seperti optimasi pengikat, dan pengembangan teknologi pemanasan pratinjau briquette batokok. Karakteristik batokok untuk proses FINEX dan perbandingannya dengan karakteristik batokok untuk pembuatan besi BF diberikan dalam Gambar 1.

Gambar 1 Karakteristik Batokok untuk Proses FINEX dan BF

Dalam hal bijih besi, secara umum, 100 % bijih halus umpan sinter diisi ke dalam reaktor fluidized bed. 30 % hingga 50 % umpan pellet juga dapat digunakan. Jenis dan campuran bijih besi ditentukan berdasarkan properti kimia dan fisik seperti total besi (Fe) kandungan, komposisi struktur, dan ukuran butir dll. Seperti dalam kasus produksi HM oleh proses BF, kandungan Fe bijih besi menentukan produktivitas. Rasio campuran harus diputuskan dengan mempertimbangkan kualitas bijih dan biaya. Karena tapping slag alumina (Al2O3) yang lebih tinggi lebih dapat ditoleransi dalam proses FINEX daripada dalam proses BF, bijih besi dengan kandungan Al2O3 yang lebih tinggi juga dapat digunakan. Biasanya, tidak ada keterbatasan dalam struktur umpan material hematite dan goethite untuk reaktor fluidized bed. Fleksibilitas bijih besi yang cocok untuk proses FINEX ditunjukkan dalam Gambar 2.

Gambar 2 Fleksibilitas Bijih Besi untuk Proses FINEX

Proses FINEX

Proses FINEX dibedakan oleh produksi HM berkualitas tinggi berdasarkan bijih besi halus yang diisi langsung, dan batokok sebagai agen reduksi dan sumber energi. Fitur utama dari proses FINEX adalah bahwa produksi besi dilakukan dalam dua langkah proses terpisah. Dalam serangkaian tiga reaktor fluidized-bed, bijih besi halus direduksi menjadi DRI, yang kemudian dikompos (HCI) dan diangkut ke melter-gasifier oleh konveyor besi panas. Batokok dan briquette batokok yang diisi ke dalam melter-gasifier digasifikasi, menyediakan energi yang diperlukan untuk peluruhan selain gas reduksi. Alur proses untuk proses FINEX diberikan dalam Gambar 3.

Gambar 3 Alur Proses FINEX

Besi cair dihasilkan dalam proses FINEX dalam dua langkah. Pada langkah pertama, bijih besi halus dipanaskan pratinjau dan direduksi menjadi DRI halus dalam reaktor fluidized bed dalam tiga tahap. Reaktor pertama (R3) terutama berfungsi sebagai reaktor untuk pemanasan pratinjau bijih besi halus. Bijih besi halus diisi ke dalam serangkaian reaktor fluidized bed bersama dengan flux seperti batu kapur dan/atau dolomit. Bijih halus yang diisi bergerak ke bawah melalui tiga reaktor di mana bijih dipanaskan dan direduksi menjadi DRI melalui gas redaksi yang dihasilkan dari gasifikasi batokok di melter gasifier. Gas redaksi ini mengalir dalam arah berlawanan dengan gerakan bijih.

Menurut rute bijih proses, sistem pengiriman pneumatik mengangkut bijih halus ke menara reaktor fluidized-bed. Bijih halus kemudian diisi ke dalam serangkaian reaktor fluidized bed. Gas redaksi yang dihasilkan di melter-gasifier mengalir melalui setiap reaktor fluidized-bed dalam aliran berlawanan dengan arah bijih (Dari R1 ke R3). Suhu dan komposisi gas redaksi yang khas dalam tiga reaktor fluidized bed diberikan dalam Tabel 1.

Bijih besi halus fluidized oleh aliran gas dan bijih semakin direduksi di setiap tahap reaktor. Setelah keluarnya besi yang telah direduksi dari reaktor fluidized-bed terakhir, ia kemudian dikompos untuk menghasilkan HCI. HCI kemudian diangkut melalui sistem transportasi panas ke atas melter gasifier tempat ia diisi langsung bersama dengan batokok ke dalam melter gasifier. Reduksi akhir dan peluruhan HCI kemudian terjadi.

Menurut rute batokok proses, batokok tidak berkoks dan briquette batokok diisi langsung ke dalam melter gasifier melalui sistem lock-hopper. Setelah batokok jatuh ke kasur char, degassing terjadi. Hidrokarbon yang dilepaskan, yang berbahaya bagi lingkungan, segera terdisosiasi menjadi CO (karbon monoksida) dan H2 (hidrogen). Ini karena suhu yang sangat tinggi yang melebihi 1.000 °C di dom melter-gasifier. O2 yang disuntikkan ke bagian bawah melter-gasifier mengasifikasi batokok, menghasilkan panas untuk pekerjaan peluruhan serta menghasilkan gas redaksi yang sangat berharga yang terutama terdiri dari CO dan H2. Gas ini, yang keluar dari dom melter-gasifier, pertama dibersihkan di hot-gas cyclone sebelum memasuki reaktor fluidized bed. Setelah peluruhan DRI, prosedur tapping dilakukan sama seperti dalam praktik BF standar. Kualitas HM dari proses FINEX mirip dengan HM yang dihasilkan di BF.

Gas ekspor FINEX adalah produk samping berharga dari proses FINEX. Gas ekspor bersih yang keluar dari atas reaktor fluidized-bed dapat digunakan untuk berbagai macam aplikasi. Ini mencakup produksi DRI, pembangkitan listrik dan pembuatan gas sintesis untuk industri kimia. Komposisi khas dari berbagai gas yang dihasilkan dalam proses FINEX diberikan dalam Tabel 2.

Aliran gas dalam proses FINEX diberikan dalam Gambar 4.

Gambar 4 Aliran Gas dalam Proses FINEX

Nilai konsumsi spesifik khas untuk material dan utilitas dalam proses FINEX adalah (i) bahan bakar kering sekitar 720 kg/tHM, (ii) bijih besi sekitar 1.600 kg/tHM, (iii) aditif (batu kapur dan dolomit) sekitar 285 kg/tHM, (iv) O2 sekitar 460 N m³, (v) N2 sekitar 270 N m³, (vi) listrik sekitar 190 kWh/tHM, dan (vii) refraktori sekitar 1,5 kg/tHM.

Ciri khas HM yang dihasilkan oleh proses FINEX terdiri dari (i) C sekitar 4,5 %, (ii) silikon (Si) sekitar 0,7 %, (iii) manganese (Mn) sekitar 0,07 %, (iv) fosfor (P) sekitar 0,07 %, (v) sulfur (S) sekitar 0,04 %, dan (vi) suhu sekitar 1.500 °C.

Ciri khas gas ekspor dari proses FINEX terdiri dari (i) CO sekitar 34 %, (ii) CO2 sekitar 43 %, (iii) H2 sekitar 13 %, (iv) H2O sekitar 3 %, (v) CH4 kurang dari 1 %, (vi) N2/Ar sekitar 6%, (vii) H2S kurang dari 100 ppm (part per million), (viii) debu 5 mg/N m³, (ix) tekanan 0,1 kg/cm², (x) suhu sekitar 40 °C, dan (xi) CV dalam rentang 1.300 kcal/N m³ hingga 1.500 kcal/N m³. Sekitar 1,9 giga kalori gas ekspor dihasilkan per ton HM.

Aspek Lingkungan Proses

Proses FINEX memiliki kemungkinan untuk memulihkan CO2 murni untuk CO2 capture and storage (CCS). Selain penyimpanan, CO2 yang dipulihkan juga dapat digunakan untuk peningkatan pengambilan minyak serta untuk penggunaan ekonomis lainnya. Ini memungkinkan karena penggunaan O2 murni tinggi di melter gasifier untuk gasifikasi batokok dan hence, gas ekspor hanya mengandung jumlah N2 yang rendah. Ini memungkinkan pengelolaan CO2 dalam konsentrasi tinggi dari gas yang dikompos dan untuk menghasilkan setelah pemurnian lebih lanjut CO2 murni dengan persentase CO2 lebih dari 95%. Tingkat emisi CO2 untuk proses FINEX tanpa CCS dan dengan CCS adalah 99 % dan 55 % masing-masing ketika dibandingkan dengan tingkat emisi CO2 rata-rata dalam kasus proses pembuatan besi BF.

Proses FINEX adalah proses berbasis batokok untuk reduksi bijih besi menjadi besi, yang kemudian dilelehkan menjadi HM. Jumlah tertentu dari bahan berbahaya lingkungan tidak terhindarkan berdasarkan campuran bahan baku. Karena proses FINEX menangkap sebagian besar polutan dalam keadaan iners di slag dan hidrokarbon yang dilepaskan dihancurkan di dom melter gasifier, emisi bahan berbahaya sangat rendah. Nilai emisi per ton HM untuk debu, SOx, dan NOx adalah sekitar 58 gram per ton (g/t), sekitar 32 g/t, dan sekitar 94 g/ton masing-masing.

Keuntungan Proses FINEX

Berbagai keuntungan proses FINEX meliputi (i) pemanfaatan bijih besi halus kelas rendah sebagai umpan oksida, (ii) penggunaan batokok tidak berkoks sebagai agen pengurang, (iii) kontrol independen proses pengurangan dan peluruhan, (iv) ekonomi menguntungkan karena biaya modal dan operasional yang secara signifikan menurun, (v) manfaat lingkungan, (vi) fleksibilitas dalam pemilihan bahan baku dan dalam operasi seperti penggunaan bijih besi kelas rendah yang mungkin (contoh: bijih besi dengan kandungan Al2O3 yang lebih tinggi), (vii) produksi HM yang mirip dengan kualitas HM dari BF, (viii) gas ekspor dengan CV yang lebih tinggi yang dapat digunakan untuk berbagai tujuan (contoh: pembangkitan listrik, produksi DRI, dan produksi produk kimia), (ix) alternatif proses pembuatan besi komersial yang terbukti, dan (x) aplikasi brown field di pabrik terpadu memberikan sinergi dengan BF.