HIsmelt: Pengolahan Langsung Canggih untuk Produksi Besi Cair

Proses Pengolahan Besi HIsmelt

Proses HIsmelt adalah teknologi pengolahan langsung berbasis udara yang sederhana namun inovatif. Proses ini untuk produksi besi cair (besi panas) menggunakan konsentrat bijih besi atau bahan baku ferrous lainnya yang sesuai. Pengolahan dilakukan dalam kolam besi cair menggunakan koks sebagai redukan dan sumber energi. Bahan baku utama yang diperlukan untuk proses ini adalah konsentrat bijih besi, koks dan fluks (batu kapur dan dolomit).

HIsmelt adalah singkatan dari 'high intensity smelting'. Ini adalah proses pengolahan langsung untuk membuat besi cair langsung dari bijih besi. Proses ini dikembangkan untuk mengolah konsentrat bijih besi dengan pra-pengolahan minimum, membuat proses lebih fleksibel dalam hal kualitas bijih besi yang dapat diolah. Proses memungkinkan penggunaan koks non-coking dan konsentrat bijih besi dengan pengotoran yang signifikan. Produk utama dari proses ini adalah besi cair atau besi panas yang dapat digunakan di pabrik peleburan baja atau dapat dicetak dalam mesin cetak pig untuk menghasilkan pig iron. Sampingan dari proses ini adalah sekunder dan gas buang.

Dorongan untuk pengolahan besi alternatif ini adalah (i) kemampuan untuk memanfaatkan bahan baku yang lebih murah dan melimpah seperti koks non-coking dan bijih yang tidak diaglomerasi, (ii) ukuran pabrik ekonomi yang lebih kecil, (iii) biaya modal dan operasional yang kompetitif, (iv) masalah lingkungan yang dikurangi melalui eliminasi oven koks dan pabrik sinter / pelet, dan (v) fleksibilitas operasi. Proses HIsmelt sangat fleksibel karena dapat menggunakan berbagai macam umpan ferrous, termasuk limbah pabrik baja dan bijih fosfor tinggi. Proses dapat menggunakan bijih yang berukuran minus 6 mm, yang merupakan konsentrat pabrik sinter normal, dan juga dapat memproses bijih yang tipikal konsentrat pelet, yaitu 80 % lebih halus dari 40 mikrometer tanpa perubahan pada hasil besi dalam proses. Koks yang berkisar dari debu koks hingga koks non-coking 38 % volatile dapat digunakan.

Fitur Utama Proses

Proses HIsmelt sederhana dan telah menunjukkan tingkat keandalan yang tinggi. Mekanisme dasar dari proses HIsmelt adalah reduksi dan pengolahan bijih besi dengan karbon yang terlarut dalam kolam logam. Ini dicapai dengan injeksi dan pembakaran parsial koks langsung ke dalam kolam dan dengan mentransfer panas yang dihasilkan oleh pembakaran pasca dari gas yang berevolusi dari kolam dengan ledakan udara panas yang di-enrich oksigen kembali ke dalam kolam. Pengayaan oksigen pada ledakan udara panas (hingga 30 % kandungan oksigen) telah berhasil digunakan untuk meningkatkan intensitas operasi vessel, yang mengakibatkan peningkatan produktivitas yang diharapkan. Reaksi keseluruhan dan mekanisme transfer panas menyediakan energi yang cukup untuk mempertahankan reaksi reduksi dan panas untuk pengolahan besi dan sekunder.

Proses terjadi dalam Smelt Reduction Vessel (SRV) vertikal di bawah tekanan yang merupakan inti dari proses HIsmelt (Gambar 1). SRV memiliki dinding refraktori dan kulit atas yang didinginkan air. Proses dilakukan dalam vessel ini. Dinding refraktori berisi kolam besi cair dan sekunder cair. Lapisan sekunder tebal terletak di atas kolam logam. Konsentrat bijih besi halus, koks dan fluks disuntik langsung ke dalam leleh dalam SRV. Saat kontak dengan kolam besi, pelarutan karbon dalam koks terjadi, yang bereaksi dengan oksida dalam umpan besi, membentuk karbon monoksida (CO). Pemanasan koks yang cepat juga menghasilkan retak volatil koks yang melepaskan hidrogen.

Gambar 1 Vessel pengurangan leleh HIsmelt

Fontana bahan cair, yang sebagian besar terdiri dari sekunder, meletus ke ruang atas oleh pengusiran cepat CO, hidrogen dan gas pembawa nitrogen dari kolam cair. Udara panas pada 1.200 deg C ditiup ke ruang atas melalui lance yang didinginkan air. CO dan hidrogen dibakar pasca dengan oksigen dari ledakan udara panas. Logam dan sekunder yang dipanaskan jatuh kembali ke dalam kolam menyediakan energi untuk pengolahan langsung bijih besi. Sekunder yang dikeluarkan melapisi panel yang didinginkan air, yang mengurangi kehilangan energi.

Gas buang dari proses didinginkan sebagian dalam hood berpipi membran. Energi wajar dan kimia dalam gas buang kemudian dapat digunakan untuk melakukan beberapa pemanasan awal, reduksi awal dan / atau kalkinasi dari umpan logam dan fluks. Gas buang kemudian dibersihkan dalam scrubber dan digunakan sebagai bahan bakar untuk stove ledakan panas atau dalam pabrik cogeneration.

Vessel dilengkapi dengan forehearth untuk pengeringan berkelanjensi besi panas. Ini mempertahankan tingkat kolam optimum dalam SRV dan menyediakan aliran produk yang bersih tanpa kebutuhan pemisahan sekunder dan logam eksternal. Sekunder dieluarkan secara berkala melalui notch yang didinginkan air.

Proses HIsmelt memiliki sejumlah fitur unik yang membedakannya dari proses pengolahan langsung lainnya. Fitur-fitur ini adalah sebagai berikut.

• Proses menggunakan kolam logam sebagai medium reaksi primer. Proses pengolahan langsung biasanya memuat bijih dan koks dari atas, dengan pengolahan melalui char (beserta sejumlah kecil logam) dalam lapisan sekunder. Karbon yang terlarut dalam logam adalah redukan yang lebih mudah tersedia daripada char dalam sekunder, karena yang terakhir memerlukan fase gas perantara (CO). Dengan kata lain, proses HIsmelt mencapai laju pengolahan yang jauh lebih cepat dengan menggunakan karbon dalam bentuk yang lebih aktif (yaitu yang terlarut).
• Faktor membedakan lainnya adalah tingkat pencampuran dalam leleh. Injecting umpan bahan langsung ke dalam logam menghasilkan volume gas 'dalam' yang besar. Ini menciptakan pluma naik yang dipicu oleh keanginan yang pada gilirannya menyebabkan turnover cairan yang cepat. Telah dihitung bahwa turnover ini bersejuta ton per detik. Dalam kondisi ini, sangat sedikit potensi untuk menentukan gradien suhu yang signifikan (lebih dari 20 deg C hingga 30 deg C) dalam fase cair dan sistem beroperasi dengan leleh (esensial) isothermal. Turnover massa yang cepat mempromosikan transfer panas yang baik dari ruang atas ke kolam tanpa pemanasan berlebihan pada titik cair individual. Implikasi signifikan untuk refraktori dinding dalam daerah garis sekunder, karena pencampuran yang baik menyebabkan batu bata terpapar FeO rendah dan suhu (rendah) yang seragam.
• Metode injeksi padat menggunakan lance berkecepatan tinggi memastikan efisiensi tangkapan dalam leleh yang tinggi dan bahkan konsentrat ultra halus dapat digunakan langsung.
• Tingkat 'alami' 5 % hingga 6 % FeO dalam sekunder dalam gabungan dengan karbon logam pada 4 % menciptakan kondisi untuk partisi fosfor yang kuat dari logam ke sekunder. Biasanya sekitar 80 % hingga 90 % fosfor pergi ke sekunder (Gambar 2).
• Kinerja koks hampir tidak bergantung pada morfologi partikel, karena koks digiling halus untuk injeksi.

Gambar 2 Kondisi penyingkaran fosfor di SRV dan SRV HRDF

Pengembangan Sejarah Proses

Asal usul proses HIsmelt dapat ditelusuri kembali ke proses konverter oksigen bottom blown (OBM) dan evolusi proses pembuatan baja combined blowing yang dikembangkan oleh Klöckner Werke di pabrik baja Maxhütte. CRA (sekarang Rio Tinto) membentuk joint venture pada 1981 dengan Klöckner Werke untuk mengejar teknologi pembuatan baja dan pengurangan leleh. Percobaan dilakukan dalam konverter OBM 60 ton untuk mendemonstrasikan dasar-dasar proses pengurangan leleh. Pengujian yang berhasil dari konsep pengurangan leleh mengarah pada pabrik pilot kecil (SSPP) dengan kapasitas sekitar 12.000 ton per tahun yang terletak di pabrik baja Maxhütte. Desain SSPP didasarkan pada SRV berputar horizontal yang menggunakan tuyere bawah untuk injeksi koks, fluks dan bijih besi. SSPP beroperasi dari 1984 hingga 1990 dan membuktikan kelayakan teknologi.

Tahap berikutnya dari pengembangan proses adalah HIsmelt Research and Development Facility (HRDF) yang dibangun di Kwinana, Australia Barat. Pembangunan HRDF dimulai pada 1991. HRDF memiliki kapasitas desain 100.000 ton per tahun. Tujuan utama HRDF adalah untuk mendemonstrasikan proses dan skalasi teknis pabrik inti dan untuk menyediakan data operasi untuk evaluasi komersial. Konfigurasi SRV asli untuk Kwinana adalah skalasi langsung dari SRV SSPP dan didasarkan pada vessel berbentuk horizontal yang dapat berputar 90 derajat. Vessel horizontal dioperasikan dari Oktober 1993 hingga Agustus 1996. Meskipun skalasi proses berhasil ditunjukkan, kompleksitas teknik vessel horizontal membatasi kelayakan komersialnya.

Untuk mengatasi kekurangan ini, sebuah desain dikembangkan untuk vessel vertikal yang didinginkan air. Desain dan teknik untuk SRV vertikal (Gambar 2) selesai pada 1996. Perbaikan utama yang disertakan dalam desain meliputi vessel vertikal stasioner, injeksi atas bahan baku padat, lance ledakan udara panas yang disederhanakan, forehearth untuk pengeringan berkelanjensi besi panas dan panel yang didinginkan air untuk mengatasi masalah aus refraktori.

SRV vertikal HRDF dioperasikan pada setengah pertama 1997 dan beroperasi hingga Mei 1999. Vessel vertikal menunjukkan perbaikan besar dalam hal aus refraktori, keandalan, ketersediaan, produktivitas dan kesederhanaan desain. Vessel ini mengatasi semua persyaratan kunci untuk teknologi pembuatan besi pengolahan langsung yang berhasil – menggabungkan tingkat pencapaian teknis yang tinggi dengan konsep teknik sederhana dan teknologi pabrik. Tahap operasi ini mengonfirmasi bahwa proses siap untuk diskalakan ke tingkat pabrik komersial.

Sebuah joint venture dibentuk pada 2002 antara Rio Tinto (60 %), Nucor Corporation (25 %), Mitsubishi Corporation (10 %), dan Shougang Corporation (5 %) untuk tujuan membangun dan mengoperasikan pabrik HIsmelt 800.000 ton per tahun. Berada di Kwinana, Australia Barat, fasilitas pig iron dagang dirancang dan dirancang teknik dengan SRV diameter dinding 6 meter. Pembangunan pabrik dimulai pada Januari 2003. Commissioning dingin dimulai pada setengah kedua 2004 sementara commissioning panas dilakukan pada kuartal kedua 2005. Pabrik telah mencapai tingkat produksi 80 ton besi panas per jam pada awal 2008 dengan tingkat koks 810 kg per ton besi panas.

Karena kondisi ekonomi pada 2008, pabrik Kwinana ditutup dan pada 2014 beberapa peralatan Kwinana dipindahkan dari Australia ke China. Pabrik HIsmelt baru terletak dekat Pelabuhan Shouguang di Provinsi Shandong, dan dimiliki serta dioperasikan oleh Molong Petroleum Machinery Limited, sebuah perusahaan baja swasta. Pabrik HIsmelt Molong mulai beroperasi pada 2016 dan telah menghasilkan besi panas dengan biaya lebih rendah dibandingkan mini tinggi rook yang sebelumnya digunakan oleh Molong. Tabung besi panas dikirim oleh kendaraan darat ke pabrik pembuatan baja oxygen dasar Molong yang terletak 40 km di selatan pabrik HIsmelt. Pada 2017, Molong membeli kekayaan intelektual HIsmelt dari Rio Tinto untuk lisensi teknologi kepada pengguna lain di China dan luar negeri.

Proses

Proses HIsmelt, digambarkan dalam Gambar 1, melibatkan injeksi kecepatan tinggi bahan padat (koks, bijih besi dan fluks) ke dalam kolam besi cair pada sekitar 1450 deg C. Mekanisme dasar dari proses adalah reduksi dan pengolahan bijih besi dengan karbon yang terlarut dalam kolam. Proses menggunakan injeksi kecepatan tinggi koks dan bijih ke dalam leleh melalui lance injeksi yang didinginkan air dan miring ke bawah. Koks yang disuntik setelah pemanasan dan devolatilisasi larut untuk mempertahankan sekitar 4 % karbon dalam logam cair dan mengisi karbon yang digunakan dalam reaksi reduksi. Konsentrat bijih besi halus yang disuntik disuntik dalam ke dalam kolam tempat mereka direduksi segera pada kontak dengan karbon yang terlarut dalam kolam untuk pengolahan dapat terjadi. Reaksi reduksi ini menghasilkan besi dan CO. Bagian bawah SRV dipertahankan pada potensi oksigen rendah untuk memungkinkan reaksi reduksi ini terjadi dan kinetika reaksi seimbang pada sekitar 5 % hingga 6 % FeO (oksida besi) dalam sekunder.

Gas reaksi (CO) dan produk devolatilasi koks yang dihasilkan dari dalam dalam kolam membentuk fontana (splash) sebagian besar sekunder dan beberapa logam. Pasokan panas untuk mempertahankan keseimbangan termal yang diperlukan datang dari pembakaran gas reaksi (hampir semua CO) di bagian atas SRV. Ledakan udara panas yang di-enrich oksigen (biasanya 35 %) pada 1.200 deg C diperkenalkan melalui lance atas dan secara efisien membakar gas yang dihasilkan dalam kolam dan melepaskan sejumlah besar energi. Pembakaran ini terjadi di daerah yang relatif mengoksidasi di bagian atas SRV. Transfer panas antara daerah atas (mengoksidasi) ke daerah bawah (mere) dicapai sedemikian rupa sehingga gradien potensi oksigen dipertahankan. Ini dilakukan melalui sejumlah besar splash cair yang bergerak di antara dua daerah. Sekunder cair dan splash logam bertindak sebagai pembawa panas.

Injeksi bahan diatur sedemikian rupa sehingga penetrasi signifikan padat ke dalam kolam besi tercapai yang mengarah pada pelarutan karbon ke dalam logam dan reduksi bijih besi melalui reaksi keseluruhan yang diberikan oleh persamaan 3[C]iron + Fe2O3 = 2[Fe]iron + 3CO. Reaksi ini sangat endoterm dan, jika proses akan berlanjut, pasokan panas eksternal diperlukan. CO plus hidrogen yang dilepaskan dari kolam menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas ini. Ledakan udara panas (udara yang di-enrich oksigen pada 1.200 deg C) disuntik ke ruang atas melalui lance swirl tengah dan pembakaran terjadi untuk membakar gas kolam menjadi karbon dioksida dan air sesuai dengan persamaan 2CO + O2 = 2CO2 dan 2H2 + O2 = 2H2O.

Secara teoretis diinginkan untuk mencapai pembakaran total dari gas kolam ini, namun, dalam praktik, pembakaran pasca sekitar 50 % hingga 60 % biasanya tercapai. Pembakaran pasca (PC) didefinisikan sebagai rasio konsentrasi volumetrik spesies yang terbakar yang diberikan oleh persamaan PC (%) = 100(CO2 = H2O) / (CO + CO2 + H2 + H2O).

Pengolahan terjadi dalam leleh di mana potensi oksigen rendah, sedangkan generasi panas terjadi di ruang atas di mana potensi oksigen relatif tinggi. Kunci proses adalah memindahkan panas dari daerah pembakaran ke daerah pengolahan tanpa mengorbankan potensi oksigen di setiap zona.

Ketika CO dan H2 dilepaskan dari pengolahan dalam kolam, laju pelepasan sedemikian rupa sehingga ledakan cair yang hebat dihasilkan. Logam dan sekunder dilempar ke atas membentuk fontana (splash) yang transparan gas dengan luas permukaan tinggi untuk transfer panas. Gas pembakaran panas melewati fontana ini, dan dengan demikian, mentransfer panas ke titik sekunder dan logam yang pada gilirannya menyampaikan panas ini ke kolam. Logam keluar dari vessel secara berkelanjensi melalui forehearth overflow (yang secara efektif merupakan meter tekanan cair logam), sedangkan sekunder dieluarkan secara berkala melalui dinding samping vessel melalui notch sekunder yang didinginkan air.

Produk utama dari proses adalah besi panas. Besi panas dieluarkan secara berkelanjensi melalui forehearth terbuka dan bebas dari sekunder. Suhu tipikal besi panas sekitar 1.420 deg C hingga 1.450 deg C dan komposisi tipikal besi panas adalah karbon – 4,4 % +/- 0,15 %, silicon – kurang dari 0,01 %, manganese – kurang dari 0,02 %, phosphorus – kurang dari 0,02 % +/- 0,01 %, dan sulphur – 0,1 % +/- 0,05 %

Suasana yang relatif mengoksidasi dan sekunder suhu rendah di SRV menghasilkan hingga 90 % hingga 95 % fosfor dalam umpan bahan partisi ke sekunder (Gambar 2). Oleh karena itu proses ini memiliki fleksibilitas untuk menggunakan bijih yang mengandung fosfor tinggi.

Karena sekunder dieluarkan secara berkala melalui notch sekunder, besi panas bebas sekunder. Besi panas dapat dirawat di pabrik desulfurisasi besi panas untuk menurunkan tingkat sulphur besi panas menjadi kurang dari 0,05 %. Alur proses tipikal HIsmelt ditunjukkan dalam Gambar 3.

Gambar 3 Alur proses HIsmelt tipikal

Gas buang dari SRV didinginkan dari 1500 deg C menjadi 800 deg C oleh hood boiler radiasi, dibersihkan sebagian dalam cyclone panas dan kemudian didinginkan lebih lanjut menjadi 200 deg C melalui sistem boiler konveksi. Boiler radiasi dan konveksi menghasilkan uap jenuh yang mengalir ke drum uap yang terletak pada boiler gas buang.

Gas buang SRV yang keluar dari boiler konveksi di-quench, dibersihkan dan didinginkan melalui spray air dan diteruskan melalui saluran untuk digunakan sebagai bahan bakar untuk stove ledakan panas dan boiler gas buang. Dalam boiler gas buang, gas buang SRV berlebihan dibakar dan superheats uap jenuh dari boiler radiasi, konveksi dan gas buang. Uap superheat ini mengalir ke turbin uap yang menghasilkan daya yang cukup untuk mengoperasikan pabrik HIsmelt, ancillaries, dan mengirim daya berlebihan ke jaringan lokal. Gas buang dari boiler gas buang dan stove dibersihkan dengan lumpur kapur untuk menghapus sulphur dalam gas sebelum diusir ke atmosfer.

Sampingan dari proses adalah sekunder dan gas buang. Sekunder terbentuk dengan fluks gangue dalam bijih besi dan abu dalam koks dengan kapur dan dolomit. Sekunder dapat digranulasi atau dialirkan ke lubang untuk pemrosesan selanjutnya. Ini kemudian dapat digunakan sebagai bahan baku untuk berbagai tujuan seperti pembuatan semen, dasar jalan, atau kondisi tanah. Gas buang dari proses biasanya memiliki tingkat pembakaran pasca 50 % hingga 60 %. Gas ini keluar dari atas SRV pada suhu tinggi dan memiliki nilai energi yang mirip dengan gas tinggi rook. Ini dibersihkan, didinginkan dan digunakan sebagai bahan bakar dan untuk generasi daya.

Proses HIsmelt sangat fleksibel. Sifat yang sangat responsif dari proses berarti itu mengonversi bijih besi, koks dan fluks menjadi logam, sekunder dan energi hampir secara instan. Kemampuan proses memungkinkan tingkat umpan bahan baku diubah sangat efisien tanpa mempengaruhi kualitas produk. Fleksibilitas operasi ini memaksimalkan produktivitas, karena mudah untuk mempertahankan window operasi steady state. Berbeda dengan tinggi rook, proses HIsmelt dapat dimulai, dihentikan atau di-idle dengan mudah. Gambar 4 menunjukkan tata letak pabrik HIsmelt.

Gambar 4 Tata letak pabrik HIsmelt

Manfaat Lingkungan

Manfaat lingkungan dari proses HIsmelt cukup besar. Dengan mengurangi permintaan koks, sinter dan pelet, dan meningkatkan efisiensi energi proses pembuatan besi, ini mengurangi emisi gas rumah kaca dan polutan lingkungan yang merusak lainnya seperti SOx, NOx dan dioxin. Perbaikan dari proses adalah (i) penurunan emisi CO2 sebesar 20 %, (ii) penurunan emisi SOx sebesar 90 %, (iii) penurunan emisi NOx sebesar 40 %, dan (iv) tidak ada emisi toksik dengan emisi dioxin dan furan pada tingkat nol. Kondisi operasi dalam SRV mencegah pembentukan dioxin. Selain itu ada pengurangan besar dalam emisi debu dan konsumsi air spesifik. Proses dengan daur ulang limbah pabrik lebih membantu dalam perlindungan lingkungan.

Keuntungan

Keuntungan yang diproyeksikan dari proses adalah (i) bahan baku rendah biaya karena proses aglomerasi umpan ferrous dan pembuatan koks dieliminasi, (ii) stok umpan yang fleksibel karena proses beroperasi pada berbagai konsentrat bijih besi halus dan bahan oksida limbah, bersama dengan koks volatile tinggi dan rendah, (iii) fleksibilitas produksi, (iv) kualitas produk yang lebih baik, (v) konsumsi energi total yang diminimalkan, (vi) konfigurasi teknik dan proses yang disederhanakan, (vii) emisi lingkungan yang jauh di bawah industri, (viii) biaya modal lebih rendah, dan (ix) biaya operasional lebih rendah.