Proses Finex untuk Produksi Besi Cair

  Proses FINEX untuk Produksi Besi Cair

Proses peleburan-reduksi FINEX dikembangkan oleh Primetals Technologies, Austria dan produsen baja Korea Selatan Posco. Proses FINEX adalah proses pembuatan besi alternatif yang terbukti komersial untuk produksi logam panas (HM) selain jalur proses tanur tinggi (BF), yang terdiri dari BF, pabrik sinter, dan oven kokas. Proses ini didasarkan pada penggunaan langsung batubara non-coking. Proses FINEX dapat langsung menggunakan bijih besi halus tanpa aglomerasi apapun.

Dalam proses FINEX, bijih besi halus dipanaskan terlebih dahulu dan direduksi menjadi DRI halus (besi reduksi langsung) dalam sistem reaktor fluidized bed tiga tahap dengan gas reduksi yang dihasilkan dari melter gasifier. Reaktor unggun terfluidisasi memungkinkan proses FINEX menggunakan bijih halus, bukan bijih bongkah atau pelet.

Akibatnya proses tidak memerlukan pembuatan kokas atau aglomerasi bijih. Pembuatan briket bijih dan batu bara yang telah direduksi sebelumnya, injeksi batu bara bubuk, dan pengisian terkendali dari melter gasifier (MG) menghasilkan laju bahan bakar yang lebih baik untuk proses tersebut. DRI halus yang dihasilkan dalam sistem reaktor fluidized bed dipadatkan dan kemudian diisikan dalam bentuk HCI (hot compacted iron) ke dalam melter gasifier untuk menghasilkan logam panas (HM). HCI yang bermuatan direduksi menjadi besi metalik dan dilebur. Panas yang dibutuhkan untuk reduksi dan peleburan metalurgi disuplai oleh gasifikasi batubara dengan oksigen kemurnian tinggi (O2). Proses FINEX adalah proses ramah lingkungan yang menggunakan bijih besi halus dan batu bara berbiaya rendah.

Proses FINEX menggunakan O2 dengan kemurnian tinggi, menghasilkan gas ekspor dengan jumlah nitrogen (N2) yang rendah. Karena nilai kalor bersih (CV) lebih dari dua kali lipat gas teratas BF, gas tersebut dapat didaur ulang sebagian untuk pekerjaan reduksi atau dapat digunakan untuk pembangkit panas atau energi.

Pekerjaan awal

Penelitian skala laboratorium dasar telah dilakukan dengan unit skala bangku 15 ton/hari dari tahun 1992 hingga 1996. Hasil unit ini digunakan untuk operasi uji pabrik percontohan 150 ton/hari pada tahun 1999. Pabrik percontohan FINEX sebesar 0,6 juta ton per tahun (Mtpa) dibangun di Pohang karya Posco dan mulai berproduksi pada Juni 2003. Pabrik ini memiliki tiga reaktor fluidized bed. Sejak Februari 2004, pabrik yang didemonstrasikan itu terus memproduksi lebih dari 0,7 juta ton logam panas per tahun. Posco menugaskan pabrik FINEX komersial pertama dengan kapasitas 1,5 Mtpa pada April 2007. Berdasarkan hasil yang sukses dari pabrik ini, Posco dan Primetals Technologies memutuskan untuk mengembangkan pabrik FINEX dengan kapasitas 2,0 Mtpa di Pohang. Pabrik telah dioperasikan pada Januari 2014.

Bahan baku utama

Batubara dan bijih besi adalah dua bahan baku utama. Kriteria utama untuk evaluasi awal batubara atau campuran batubara yang sesuai untuk proses FINEX adalah (i) kadar C (karbon) tetap minimal 55% , (ii) kadar abu maksimum 25%, (iii) Kandungan VM (volatile matter) kurang dari 35%, dan (iv) kandungan S (sulfur) kurang dari 1%. Selain karakteristik umum tersebut, batubara juga harus memenuhi persyaratan tertentu yang berkaitan dengan stabilitas termal untuk memungkinkan pembentukan char bed yang stabil di dalam melter-gasifier. Stabilitas termal batubara potensial untuk proses FINEX diperiksa menggunakan prosedur pengujian khusus di laboratorium.

Proses FINEX dapat beroperasi tanpa coke karena beban beban yang lebih rendah pada char bed melter-gasifier dan penggunaan O2. Dalam kasus perubahan kualitas briket batubara dan fluktuasi derajat reduksi, beberapa angin kokas (kurang dari 30 mm) biasanya digunakan sebelum dan sesudah shutdown atau dalam kasus penurunan suhu HM untuk mempertahankan produktivitas dan menurunkan rasio bahan bakar. Pengoperasian saat ini memberikan tingkat angin kokas yang konstan untuk meminimalkan efek yang dijelaskan di atas. Kualitas angin coke yang digunakan dalam proses FINEX tidak sesuai untuk operasi BF dan memiliki kekuatan sekitar 60% dari BF coke. Untuk mencapai operasi tanpa angin kokas, beberapa optimasi operasi sangat penting seperti optimasi pengikat, dan pengembangan teknologi pra-pemanasan briket batubara. Karakteristik batubara untuk proses FINEX dan perbandingannya dengan karakteristik batubara untuk pembuatan besi BF diberikan pada Gambar 1.

Gbr 1 Karakteristik batubara atau proses FINEX dan BF

Dalam hal bijih besi, pada umumnya, 100% bijih halus umpan sinter dimasukkan ke dalam reaktor fluidized bed. 30% sampai 50% dari pakan pelet juga dapat digunakan. Jenis dan campuran bijih besi ditentukan berdasarkan sifat kimia dan fisik seperti kandungan besi total (Fe), struktur komposisi, dan ukuran butir dll. Seperti halnya produksi HM dengan proses BF, kandungan Fe bijih besi menentukan produktifitas. Rasio pencampuran harus diputuskan baik dengan mempertimbangkan kualitas bijih dan biaya. Karena penyadapan terak 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 batasan dalam memberi makan struktur bahan hematit dan goetit untuk reaktor fluidized bed. Fleksibilitas bijih besi yang cocok untuk proses FINEX ditunjukkan pada Gambar 2.

Gbr 2 Fleksibilitas bijih besi untuk proses FINEX

Proses

Proses FINEX dibedakan oleh produksi HM berkualitas tinggi berdasarkan butiran bijih besi bermuatan langsung, dan batubara sebagai reduktor dan sumber energi. Fitur utama dari proses FINEX adalah bahwa produksi besi dilakukan dalam dua langkah proses yang terpisah. Dalam rangkaian tiga reaktor fluidized-bed, bijih besi halus direduksi menjadi DRI, yang kemudian dipadatkan (HCI) dan diangkut ke melter-gasifier oleh konveyor logam panas. Batubara dan briket batubara yang dibebankan ke melter-gasifier digasifikasi, menyediakan energi yang diperlukan untuk peleburan di samping gas reduksi. Flowsheet proses untuk proses FINEX diberikan pada Gambar 3.

Gbr 3 Flowsheet proses FINEX

Besi cair diproduksi dalam proses FINEX dalam dua langkah. Pada tahap pertama bijih besi halus dipanaskan dan direduksi menjadi DRI halus dalam reaktor fluidized bed dalam tiga tahap. Reaktor pertama (R3) berfungsi terutama sebagai reaktor untuk pemanasan awal bijih besi halus. Denda bijih besi dimasukkan ke dalam rangkaian reaktor unggun terfluidisasi bersama dengan fluks seperti batu kapur dan/atau dolomit. Denda bijih yang diisi bergerak ke arah bawah melalui tiga reaktor dimana bijih dipanaskan dan direduksi menjadi DRI dengan menggunakan gas pereduksi yang diperoleh dari gasifikasi batubara dalam gasifier peleburan. Aliran gas pereduksi ini berlawanan arah dengan pergerakan bijih.

Sesuai dengan rute proses bijih, sistem konveyor pneumatik mengangkut bijih halus ke menara reaktor unggun terfluidisasi. Bijih halus kemudian dibebankan ke seri reaktor unggun terfluidisasi. Gas reduksi yang dihasilkan dalam melter-gasifier mengalir melalui masing-masing reaktor fluidized-bed dalam aliran berlawanan ke arah bijih (Dari R1 ke R3). Suhu tipikal dan komposisi gas reduksi dalam tiga reaktor unggun terfluidisasi diberikan pada Tab 1.

Tab 1:Atmosfir gas tipikal untuk reaktor fluidized bed tiga tahap untuk proses FINEX
Parameter/Komponen	Satuan	Reaktor unggun terfluidisasi
		R1	R2	R3
Suhu	Deg C	760	750	480
CO	%	45.4	39,3	32,7
CO2	%	20.4	29,2	26,7
H2	%	17,2	16,9	14.3
H2O	%	5.4	7.3	7.8
N2	%	11.6	6.6	18.4
CH4	%	Nihil	Nihil	Nihil

Bijih besi halus difluidisasi oleh aliran gas dan bijih semakin berkurang di setiap langkah reaktor. Setelah keluarnya besi tereduksi dari reaktor unggun terfluidisasi akhir, besi tersebut kemudian dipadatkan untuk menghasilkan HCI. HCI selanjutnya diangkut melalui sistem transportasi panas ke bagian atas gasifier melter di mana ia langsung diisi bersama dengan batubara ke dalam gasifier melter. Kemudian terjadi reduksi akhir dan pelelehan HCI.

Sesuai dengan rute proses batubara, batubara non-coking dan briket batubara langsung dimasukkan ke dalam melter gasifier melalui sistem lock-hopper. Setelah batubara jatuh ke char bed, terjadi degassing. Hidrokarbon yang dilepaskan, yang berbahaya bagi lingkungan, segera terdisosiasi menjadi CO (karbon monoksida) dan H2 (hidrogen). Hal ini disebabkan suhu tinggi yang berlaku melebihi 1.000 derajat C di kubah melter-gasifier. O2 yang disuntikkan ke bagian bawah dari melter-gasifier membuat batubara menjadi gas, menghasilkan panas untuk pekerjaan peleburan serta menghasilkan gas reduksi yang sangat berharga yang terutama terdiri dari CO dan H2. Gas ini, yang keluar dari kubah melter-gasifier, pertama-tama dibersihkan dalam siklon gas panas sebelum memasuki reaktor fluidized bed. Setelah pencairan DRI, prosedur penyadapan dilakukan persis dengan cara yang sama seperti dalam praktik BF standar. Kualitas HM dari proses FINEX mirip dengan HM yang diproduksi di BF.

Gas ekspor FINEX adalah produk sampingan yang berharga dari proses FINEX. Gas ekspor bersih yang keluar dari bagian atas reaktor unggun terfluidisasi dapat digunakan untuk berbagai macam aplikasi. Ini termasuk produksi DRI, pembangkit listrik dan pembangkitan gas sintesis untuk industri kimia. Komposisi khas dari berbagai gas yang dihasilkan dalam proses FINEX diberikan di Tab 2.

Tab 2 Komposisi khas Gas
Komposisi Gas	Satuan	CO	CO2	H2	N2
Gas Mati	%	35-36	32-33	14-15	10-11
Gas Produk	%	53-54	2-3	24-25	17-18
Gas Ekor	%	17-18	65-66	10-11	2-3

  Aliran gas dalam proses FINEX diberikan pada Gambar 4.

Gbr 4 Aliran gas dalam proses FINEX

Nilai konsumsi spesifik tipikal untuk bahan 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 cum, (v) N2 sekitar 270 N cum, (vi) daya sekitar 190 kWh/tHM, dan (vii) refraktori sekitar 1,5 kg/tHM.

Karakteristik HM yang dihasilkan dari proses FINEX terdiri dari (i) C sekitar 4,5%, (ii) silikon (Si) sekitar 0,7%, (iii) mangan (Mn) sekitar 0,07%, (iv) fosfor (P) sekitar 0,07 %, (v) belerang (S) sekitar 0,04 %, dan (vi) suhu sekitar 1.500 derajat C.

Karakteristik 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 (parts per million), (viii) debu 5 mg (miligram)/N cum, (ix) tekanan 0,1 kg/sq cm, (x) temperatur sekitar 40 derajat C, dan (xi) CV pada kisaran 1.300 kkal/N cum hingga 1.500 kkal/N cum. Sekitar 1,9 giga kalori dari gas ekspor diproduksi per ton HM.

Aspek lingkungan dari proses

Proses FINEX memiliki kemungkinan) untuk memulihkan CO2 dengan kemurnian tinggi untuk penangkapan dan penyimpanan CO2 (CCS). Selain penyimpanan, CO2 yang diperoleh kembali juga dapat digunakan untuk peningkatan perolehan minyak serta untuk penggunaan ekonomis lainnya. Hal ini dimungkinkan karena penggunaan O2 dengan kemurnian tinggi dalam gasifier melter untuk gasifikasi batubara dan karenanya, gas ekspor hanya mengandung sejumlah kecil N2. Hal ini memungkinkan penghilangan CO2 dalam konsentrasi tinggi dari gas daur ulang dan untuk menghasilkan setelah pemurnian lebih lanjut CO2 kemurnian tinggi dengan CO2 persen lebih tinggi dari 95%. Laju emisi CO2 untuk proses FINEX tanpa CCS dan dengan CCS masing-masing adalah 99 % dan 55% jika dibandingkan dengan laju emisi CO2 rata-rata dalam kasus proses pembuatan besi BF.

Proses FINEX adalah proses berbasis batubara untuk mereduksi bijih besi menjadi besi, yang selanjutnya dilebur menjadi HM. Sejumlah zat berbahaya bagi lingkungan tidak dapat dihindari berdasarkan campuran bahan baku. Karena proses FINEX menangkap sebagian besar polutan dalam keadaan lembam dalam terak dan hidrokarbon yang dilepaskan dihancurkan di kubah gasifier melter, emisi zat berbahaya sangat rendah. Nilai emisi per ton HM untuk debu, SOx, dan NOx masing-masing sekitar 58 gram per ton (g/t), sekitar 32 g/t, dan sekitar 94 g/ton.

Keuntungan dari proses FINEX

Berbagai keuntungan dari proses FINEX termasuk (i) pemanfaatan bijih besi halus kadar rendah sebagai umpan oksida, (ii) penggunaan batubara non-coking sebagai zat pereduksi, (iii) kontrol independen dari proses reduksi dan peleburan, (iv ) ekonomi yang menguntungkan karena pengurangan biaya modal dan operasional yang signifikan, (v) manfaat lingkungan, (vi) fleksibilitas dalam pemilihan bahan baku dan dalam operasi seperti pemanfaatan bijih besi dengan kadar yang lebih rendah (misalnya bijih besi dengan kandungan Al2O3) yang lebih tinggi), ( vii) produksi HM yang mirip dengan kualitas HM dari BF, (viii) ekspor gas dengan CV lebih tinggi yang dapat dimanfaatkan untuk berbagai tujuan (misalnya pembangkit listrik, produksi DRI, dan produksi produk kimia), (ix ) proses pembuatan besi alternatif yang terbukti secara komersial, dan (x) aplikasi lapangan coklat di pabrik baja terintegrasi memberikan sinergi dengan BF.