Pembentukan dan Penggunaan Gas Tungku Kokoh dalam Pembuatan Besi

Pengantar

Kokoh adalah input yang esensial untuk proses pembuatan besi. Untuk membuat kokoh, batubara dipanaskan tanpa udara untuk mengeluarkan materi volatil (VM) darinya. Konversi batubara menjadi kokoh disebut karbonisasi batubara dan proses dilakukan di tungku kokoh. Baterai tungku kokoh terdiri dari sejumlah tungku kokoh. Saat ini, ada dua metode utama untuk memproduksi kokoh untuk tanur tinggi.

Metode pertama terdiri dari proses pemulihan di mana batubara dipanaskan dalam atmosfer yang sepenuhnya reduktif dan produk volátil dipulihkan di pabrik hasil sampingan yang terkait. Tungku kokoh yang digunakan untuk metode karbonisasi batubara ini disebut tungku hasil sampingan dan baterai tungku kokoh disebut baterai tungku kokoh hasil sampingan. Selama karbonisasi batubara kokoh di baterai tungku kokoh hasil sampingan, VM yang terdiri dari sekitar 25 % hingga 30 % batubara yang dimuat dikeluarkan sebagai gas efluen yang keluar dari kamar tungku kokoh sebagai gas tungku kokoh mentah panas. Gas tungku kokoh mentah adalah gas yang mudah terbakar dan memiliki warna coklat kekuningan dan bau organik.

Di metode kedua, karbonisasi batubara dilakukan di baterai tungku kokoh non-recovery (juga dikenal sebagai heat recovery, atau energy recovery). Dalam proses non-recovery, udara diperkenalkan di atas atas kandang kokoh di tungku kokoh dan produk volátil yang dihasilkan selama karbonisasi dibakar di dalam tungku itu sendiri untuk menyediakan panas yang diperlukan untuk proses karbonisasi batubara.

Pabrik Hasil Sampingan dan Komposisi Gas

Pabrik hasil sampingan adalah bagian integral dari proses pembuatan kokoh hasil sampingan. Operasi setiap tungku bersiklus, tetapi baterai berisi sejumlah tungku yang cukup besar untuk menghasilkan aliran gas tungku kokoh mentah yang esensial berkelanjutan. Tungku individual dimuat dan dikosongkan pada interval waktu yang hampir sama selama siklus coking. Coking berlangsung selama 15 jam hingga 18 jam untuk menghasilkan kokoh tanur tinggi. Selama periode ini, VM batubara distil keluar sebagai gas tungku kokoh mentah. Waktu coking ditentukan oleh campuran batubara, kandungan kelembaban, rate pembakaran bawah, dan properti kokoh yang diinginkan. Ketika permintaan kokoh rendah, waktu coking dapat ditingkatkan hingga 24 jam. Suhu coking umumnya berkisar dari 900 derajat C hingga 1100 derajat C. Udara dicegah bocor masuk ke tungku kokoh dengan mempertahankan tekanan balik positif di saluran koleksi. Tungku kokoh dipertahankan di bawah tekanan positif dengan mempertahankan tekanan hidraulik utama sekitar 10 mm kolom air di baterai. Gas dan hidrokarbon yang berkembang selama distilasi termal dihapus melalui sistem keluaran dan dikirim ke pabrik hasil sampingan untuk pemulihan.

Jumlah gas yang besar yang dihasilkan karena uap VM dalam batubara selama produksi kokoh di baterai tungku kokoh hasil sampingan diproses di pabrik hasil sampingan yang berdekatan. Selama siklus coking, gas dihasilkan selama mayoritas periode coking. Komposisi dan rate evolusi gas CO berubah selama periode dan evolusi gas CO biasanya selesai saat muatan batubara di baterai mencapai 700 derajat C. Gas ini dikenal sebagai gas tungku kokoh mentah dan diproses di pabrik hasil sampingan. Fungsi pabrik hasil sampingan adalah memproses gas mentah untuk memulihkan kimia batubara berharga dan memperlakukan gas tungku kokoh mentah cukup sehingga dapat digunakan sebagai bahan bakar yang bersih dan ramah lingkungan. Gas tungku kokoh mentah setelah perawatan di pabrik hasil sampingan disebut gas tungku kokoh bersih atau singkatnya CO gas.

Di baterai tungku kokoh hasil sampingan gas tungku kokoh yang berkembang keluar dari kamar tungku kokoh pada suhu tinggi mendekati 1100 derajat C. Gas CO mentah didinginkan oleh uap adiabatic dari sebagian liquor sinar (flushing liquor) ke sekitar 80 derajat C dan air terpanas. Suhu gas menjadi cukup rendah sehingga dapat ditangani di saluran koleksi gas. Dari saluran koleksi gas, gas tungku kokoh mentah mengalir ke saluran hisap. Jumlah liquor sinar yang diinjak ke dalam gas panas yang keluar dari kamar tungku jauh lebih dari yang diperlukan untuk pendinginan, dan liquor sinar sisa yang tidak menguap menyediakan aliran cair di saluran koleksi gas yang berfungsi untuk membuang tar yang mengkondensasi dan senyawa lainnya. Aliran liquor sinar mengalir oleh gravitasi ke saluran hisap bersama dengan gas tungku kokoh mentah. Gas tungku kokoh mentah dan liquor sinar dipisahkan menggunakan drain pot (down comer) di saluran hisap. Liquor sinar dan gas tungku kokoh mentah kemudian mengalir terpisah ke pabrik hasil sampingan untuk perawatan. Komposisi tipikal dari komponen utama dalam gas tungku kokoh mentah ada dalam Tabel 1.

Gas mentah terpanas yang datang dari baterai tungku kokoh mengandung sekitar 46 % hingga 48 % uap air. Komponen lain dari gas mentah mengandung hidrogen (H2), metana (CH4), nitrogen (N2), karbon monoksida (CO), karbon dioksida (CO2), parafin tinggi dan hidrokarbon tidak jenuh (etana, propana dll.), dan oksigen (O2) dll. Gas tungku kokoh mentah juga mengandung berbagai kontaminan, yang memberikan gas tungku kokoh karakteristik uniknya. Ini terdiri dari (i) komponen tar, (ii) gas asam tar (gas fenolik), (iii) gas basa tar (basa piridin), (iv) benzen, toluen dan xilena (BTX), light oil dan aromatik lainnya, (v) naftalena, (vi) gas amonia, (vi) gas sulfida hidrogen, (vii) gas sianida hidrogen, (viii) klorida amonium, dan (ix) karbon disulfida.

Untuk membuat gas tungku kokoh mentah cocok untuk digunakan sebagai bahan bakar gas yang bersih dan ramah lingkungan, pabrik hasil sampingan harus melakukan beberapa fungsi yang meliputi (i) mendinginkan gas tungku mentah untuk kondensasi uap air dan kontaminan, (ii) menghapus tar dan naftalena untuk mencegah kotoran saluran gas / peralatan, (iii) menghapus amonia (NH3) untuk mencegah korosi saluran gas, (iv) menghapus minyak benzol untuk pemulihan dan penjualan benzen, toluen dan xilena (BTX), dan (v) menghapus sulfida hidrogen untuk memenuhi regulasi emisi lokal yang mengatur pembakaran gas tungku kokoh. Diagram alur perawatan gas tungku kokoh mentah ditunjukkan dalam Gambar 1

Gambar 1 Diagram alur perawatan gas tungku kokoh mentah

Efek pemulihan hasil sampingan dari gas tungku kokoh adalah (i) pengurangan volume gas tungku kokoh, (ii) pengurangan nilai kalor gas, (iii) efek pada suhu nyala dan volume nyala, dan (iv) perubahan densitas dan komposisi gas. Gas tungku kokoh bersih adalah gas tanpa warna dengan bau khas sulfida hidrogen dan hidrokarbon.

Gas CO mentah dapat mengandung hidrogen, metana, nitrogen, karbon monoksida, karbon dioksida, etana, oksigen, etilena, dan benzen. Ia juga dapat mengandung sejumlah amonia, sulfida hidrogen, uap air, siklopentadiena, toluen, naftalena, sianida hidrogen, sianogen, dan nitric oxide. Komposisi tipikal gas tungku kokoh bersih ada dalam Tabel 2.

Hasil akhir gas tungku kokoh bersih setelah perawatan di pabrik hasil sampingan sekitar 300 N cum per ton batubara kering. Hasil gas bergantung pada (i) materi volatil dalam batubara muatan dan (ii) kondisi karbonisasi. Densitas gas CO pada suhu dan tekanan standar dalam kisaran 0,45 kg/cum hingga 0,50 kg/cum. Gas CO memiliki nilai kalor berkisar antara 4000 kcal/N cum hingga 4600 kcal/N cum. Ia memiliki suhu nyala teoretis 1982 derajat C. Ia memiliki rate propagasi nyala yang memungkinkan suhu nyala aktualnya mendekati suhu nyala teoretisnya. Gas CO membawa sekitar 18 % energi input di tungku kokoh dan baterai hasil sampingan (Gambar 2).

Gambar 2 Neraca energi tipikal tungku kokoh dan pabrik hasil sampingan

Data analitik menunjukkan bahwa HAP (Polutan Udara Berbahaya) yang berangsur-angsur bersama-sama terdiri dari jauh kurang dari 1 % volume gas CO setelah perawatan konvensional gas CO mentah di pabrik hasil sampingan. Oleh karena itu, pembakaran gas CO di unit pembakaran yang dipelihara dengan baik seperti pemanas proses, dan boiler dll., menghasilkan level emisi HAP yang sangat rendah. Emisi partikel dapat difilter (PM) dari pembakaran gas CO biasanya rendah. Emisi logam HAP dari gas CO tidak signifikan.

Penggunaan Gas Tungku Kokoh

Gas tungku kokoh membentuk komponen utama dalam neraca energi pabrik baja. Ia biasanya digunakan untuk pemanasan baterai tungku kokoh, pemanasan di tungku lain di pabrik baja, dan untuk generasi listrik. Gas tungku kokoh dapat digunakan apa adanya atau dapat dicampur dengan gas tanur tinggi sebelum digunakan sebagai bahan bakar di tungku.

COG juga dapat digunakan sebagai redultan di tanur tinggi. Injeksi gas CO adalah proses yang melibatkan injeksi volume besar gas tungku kokoh ke dalam raceway tanur tinggi. Ini tidak hanya menyediakan sumber karbon tambahan tetapi juga mempercepat produksi besi cair sambil mengurangi kebutuhan kokoh metalurgi untuk reaksi di tanur tinggi. Teknologi injeksi gas CO juga memotong emisi CO2 absolut serta emisi SO2 dari tanur tinggi.

Produksi DRI (direct reduced iron) dalam rute baja terintegrasi berdasarkan pemanfaatan gas CO yang tersedia adalah fenomena yang sangat baru. Penggunaan gas CO untuk produksi DRI memiliki beberapa keuntungan baik dari perspektif ekonomi maupun lingkungan. Penggunaan gas CO berlebih sebagai gas redultan untuk produksi DRI memulihkan 97 % energi yang tersedia dibandingkan memulihkan 30 % hingga 40 % dengan membakar gas CO untuk menghasilkan listrik. Pemanfaatan gas CO ditunjukkan dalam Gambar 3.

Gambar 3 Aliran gas tipikal di pabrik baja yang menunjukkan pemanfaatan gas CO

Menurut studi tahun 2007 oleh International Energy Agency sekitar 70 % gas CO digunakan dalam proses pembuatan besi dan baja, 15 % untuk pemanasan tungku kokoh, dan 15 % untuk produksi listrik. Selain itu studi menyatakan bahwa dengan menggunakan lebih banyak gas CO untuk generasi listrik (secara khusus dengan teknik generasi listrik combined cycle yang lebih efisien yang dapat memberikan efisiensi sekitar 42 % sebagai opposed to penggunaan di pabrik listrik berbasis boiler yang bekerja pada siklus uap dengan efisiensi rata-rata sekitar 30 %, peningkatan efisiensi energi dapat dicapai.