Sistem Pemulihan dan Pembersihan Gas Tanur Oksigen Dasar yang Efisien

Sistem Pemulihan dan Pembersihan Gas Tanur Oksigen Dasar

Selama proses pembuatan baja di tanur oksigen dasar (BOF), oksigen (O2) ditiup ke dalam campuran muatan dan akibat reaksi kimia yang terjadi dalam wadah konverter, sejumlah besar gas pada suhu tinggi dan kaya oksida karbon (CO) keluar melalui mulut konverter. Pada tahap ini, gas sangat panas (suhu 950 derajat C atau lebih) dan penuh debu. Gas ini dikenal sebagai gas LD, gas BOF, atau gas konverter. Gas konverter biasanya diklasifikasikan sebagai gas kurus berdasarkan nilai kalorinya dan indeks Wobbe, tetapi termasuk dalam kelompok gas kaya ketika ditinjau dari sifat pembakarannya (dan khususnya, suhu pembakarannya).

Dalam hari awal pembuatan baja dengan proses konverter, asap cokelat dari cerobong menunjukkan bahwa konverter bekerja. Saat ini sebagai akibat dari sistem pemulihan dan pembersihan gas konverter, operasi konverter hanya terdeteksi dari cerobong nyala.

Komposisi gas konverter bervariasi tergantung pada proses yang digunakan, metode pemulihan dan, khususnya, volume O2. Komposisi gas bervariasi dari awal hingga akhir pembuangan panas di konverter dan adalah fungsi dari waktu pembuangan. Konstituen utama gas konverter adalah CO, CO2 (dioxid karbon), O2 dan N2 (nitrogen). Komposisi tipikal gas konverter menurut volume adalah CO – 55 persen hingga 60 persen, CO2 – 12 persen hingga 18 persen, O2 – 0,1 persen hingga 0,3 persen dan sisanya N2.

Konverter pertama dioperasikan pada November 1952 (VOEST di Linz) dan Mei 1953 (OAMG, Donawitz). Durante tahun awal proses konverter LD, gas atas sepenuhnya dibakar di mulut konverter melalui hood terbuka dan kemudian didinginkan di tumpukan secara tidak langsung dengan air atau dengan sistem pendingin evaporasi. Pada saat itu sekitar 300 kg uap air dan 250 meter kubik (cum) gas asap per ton kasar baja diproduksi.

Aspek lingkungan adalah tantangan serius untuk proses konverter saat diimplementasikan secara industri pada tahun 1950-an. Kehalusan debu dalam gas buangan konverter memaksa pemasok proses untuk mengembangkan sistem debu baru. 1 gram (g) debu konverter memiliki luas permukaan yang terlihat antara 300 meter persegi (sqm) hingga 500 sqm. Untuk biasanya menghindari efek optik 'asap cokelat', debu harus dibersihkan dari sistem ke level kurang dari 100 mg/cum. Untuk ini baik sistem debu basah maupun kering digunakan. Tantangan menjadi lebih dan lebih sebuah peluang untuk proses konverter seiring dengan pertumbuhan jumlah masalah lingkungan. Dan peluang ini membantu dalam mengembangkan sistem pemulihan gas konverter dengan pembakaran yang ditekan. Saat ini, kebutuhan ekonomi dan lingkungan mengharuskan energi dalam gas konverter dan debu yang mengandung besi dikumpulkan dan didaur ulang secara efisien.

Sistem Penanganan Gas Konverter Atas

Secara umum, dua sistem dapat digunakan untuk menangani gas konverter atas dan untuk memulihkan energi dari gas konverter. Sistem ini adalah (i) pembakaran parsial/penuh, (ii) pembakaran yang ditekan.

Dalam sistem pembakaran penuh (atau terbuka) (yang tidak lagi digunakan), proses gas dari wadah konverter dibakar dalam saluran gas asap. Pembukaan antara wadah konverter dan ventilasi primer (atau gas konverter) memungkinkan masuknya udara sekitar dan thus memungkinkan pembakaran parsial atau penuh gas konverter. Dalam hal ini, proses gas mengandung sekitar 15 kg hingga 20 kg debu per ton baja cair (tLS) dan sekitar 7 kg gas CO/tLS. Energi dipulihkan dengan menggunakan panas wajar dalam boiler limbah panas. Saat gas BOF dibakar dalam saluran gas asap, gas asap dipancarkan dan harus memenuhi standar emisi lokal. Dalam sistem pembakaran terbuka ada aliran besar (sekitar 1.000 N cum/tLS hingga 2.000 N cum/tLS) karena pemasukkan udara ke dalam saluran gas BOF.

Seiring dengan peningkatan volume konverter, peralatan pengolahan gas buangan menjadi lebih besar. Konverter besar menggunakan sistem jenis non-pembakaran untuk beberapa alasan, seperti ukuran sistem secara keseluruhan yang relatif kecil, kemudahan perawatan, dan efisiensi debu yang stabil. Pada awal tahun 1960-an, proses dikembangkan untuk memulihkan gas atas konverter dengan nilai kalori tinggi sehingga dapat digunakan sebagai bahan bakar gas di dalam pabrik. Ini telah dicapai melalui pembakaran yang ditekan.

Sistem Pembakaran yang Ditekan

Sistem pembakaran yang ditekan menawarkan peluang terbaik untuk pemulihan panas dan bahan bakar. Seperti pinggir diturunkan di atas mulut BOF selama tiupan O2 untuk mengurangi infiltras udara dan menghambat pembakaran gas CO dalam saluran gas asap. Gas CO yang kaya yang dihasilkan dikumpulkan, dibersihkan dan disimpan untuk penggunaan selanjutnya sebagai gas bahan bakar di dalam pabrik baja. Boiler limbah panas, menghasilkan uap tekanan tinggi, dapat memulihkan panas wajar gas sebelum dibersihkan dan disimpan. Ini memulihkan sekitar 10 persen hingga 30 persen (0,1 GJ/tLS –0,3 GJ/tLS) dari total keluaran energi. Lagi 50 persen hingga 70 persen dipulihkan sebagai energi kimia (CO) dari gas BOF. Total pemulihan energi saat menerapkan pembakaran yang ditekan dengan pemulihan gas konverter dan boiler limbah panas dapat mencapai 70 persen hingga 90 persen. Penghematan energi dapat mencapai 0,35 GJ/tLS hingga 1,08 GJ/tLS dengan sistem tanpa kebocoran. Dengan penghematan energi 0,92 GJ/t baja, emisi CO2 dikurangi 46 kg/t baja. Pemulihan energi menurunkan pembangkitan CO2 dari penggunaan bahan bakar fosil dan listrik sekitar 0,05 t CO2/t baja. Gas konverter biasanya tidak dikumpulkan selama awal dan akhir pembuangan karena nilai kalori dan kandungan CO yang rendah, dan alih-alih dibakar. Jadi CO2 tidak terhindar untuk dipancarkan. Keuntungan pembakaran yang ditekan dibanding sistem pembakaran terbuka adalah aliran gas yang lebih kecil karena tidak ada pembakaran dan tidak ada udara tambahan yang dimasukkan. Sistem pendingin dan pembersih gas therefore lebih kecil. Ini juga menghasilkan produktivitas yang lebih tinggi karena kecepatan tiupan O2 dapat ditingkatkan dan konsumsi energi kipas yang lebih rendah. Pemasang sistem pakar untuk mengoptimalkan pengumpulan gas konverter dapat menghemat sekitar 30 MJ/tCS (ton kasar baja).

Peralatan proses yang dipasang di atas mulut konverter memiliki fungsi untuk mendinginkan, membersihkan dan memulihkan gas konverter dengan bantuan pembakaran yang ditekan. Dengan pembakaran yang ditekan gas konverter, 70 cum hingga 100 cum gas konverter per ton kasar baja dengan nilai kalori antara 1.600 kcal/N cum hingga 2.000 kcal/N cum gas dipulihkan. Selain 80 kg/ton kasar baja, uap juga dibuat jika sistem pendingin evaporasi untuk gas atas diadopsi. Gas konverter yang dipulihkan dicampur dengan gas sampingan lain (gas oven kok, dan gas tanur tiup) dan digunakan di pabrik baja sebagai bahan bakar. Uap terutama digunakan oleh unit dega vakum pembuatan baja sekunder.

Karena pemurnian baja dilakukan dalam waktu singkat, sekitar 35 menit per panas, konsentrasi debu sangat tinggi. Dalam konverter jenis non-pembakaran dengan fungsi pemulihan gas, konsentrasi debu adalah 70 g/N cum hingga 80 g/N cum di inlet perangkat debu pertama. Konverter jenis non-pembakaran, tanpa membakar gas CO, mengelola volume udara masuk dari tengkorak, dan mengontrol konsentrasi di bawah batas ledak, sehingga memulihkan gas CO sebagai bahan bakar. Pengolahan gas buangan terdiri dari sistem pendingin gas buangan dan sistem pembersihan.

Gas BOF, saat dipulihkan untuk digunakan sebagai bahan bakar, gas harus memenuhi persyaratan tertentu. Saat ini, di sebagian besar bengkel BOF, gas konverter dipulihkan sebagai bahan bakar dengan memperkenalkan sistem pembakaran yang ditekan. Akibat sistem pembakaran yang ditekan, volume gas konverter yang dihasilkan sekitar 50 N cum/tLS hingga 100 N cum/tLS. Ini menghasilkan perbedaan signifikan dalam dimensi fasilitas debu primer. Aliran gas limbah yang lebih rendah yang mengkarakterisasi metode pembakaran yang ditekan menghasilkan konsentrasi massa gas mentah yang lebih tinggi, dan therefore, efisiensi sistem pemulihan debu harus ditingkatkan untuk beban debu gas bersih yang sama. Dari sudut pandang pemulihan debu, therefore, prinsip pembakaran yang ditekan memungkinkan penggunaan sistem debu yang dirancang untuk aliran volume yang lebih kecil yang diperlukan untuk mencapai tingkat pemulihan debu yang lebih tinggi. Debu primer biasanya dilakukan dengan scrubber jenis venturi (sekitar 60 persen dari bengkel BOF) atau ESP kering dan basah (Pengapit Elektrostatik). Sebelum venturi atau ESP, partikel kasar biasanya dipindahkan dengan alat pengalih, dll. Skematis sistem pemulihan gas dalam BOF ditunjukkan dalam Gambar 1.

Gambar 1 Skematis sistem pemulihan gas dalam tanur oksigen dasar

Sistem pembakaran yang ditekan dapat secara besar-besaran dibagi menjadi dua jenis yaitu (i) jenis OG dan (ii) jenis IC (IRSID-CAFL). Sistem jenis OG pada dasarnya tidak memiliki ruang antara tengkorak dan pinggir hood, dan mengontrol tekanan di tengkorak tertutup. Sistem jenis IC memiliki celah beberapa ratus milimeter antara tengkorak dan pinggir hood (yang memiliki diameter sedikit lebih besar dari tengkorak), dan mengontrol tekanan di pembukaan tengkorak. Sistem jenis non-pembakaran menjaga suhu gas rendah dan menghalangi udara pembakaran. Oleh karena itu, alat pendingin dan alat debu yang dipasang dalam sistem lebih kecil daripada yang dipasang dalam sistem jenis pembakaran. Karena sistem menangani gas yang terutama terdiri dari CO, perhatian harus diberikan pada pemadatan untuk lubang input fluks dan pendingin serta lubang lancar, dan kontrol kebocoran di sekitar peralatan, serta pemadatan di bagian penahanan gas.

Sistem jenis OG sering digunakan karena stabilitas operasionalnya. Sistem pendingin jenis OG memungkinkan tidak hanya untuk memulihkan panas wajar gas buangan sebagai uap, tetapi juga untuk meningkatkan efisiensi IDF (kipas dorong indus) dengan menurunkan suhu gas buangan dengan menggunakan alat pendingin. Sistem OG biasanya dirancang untuk memulihkan persentase tinggi panas laten dan panas wajar gas konverter atas. Sketsa gambar sistem pembakaran yang ditekan jenis OG untuk pemulihan gas konverter ditunjukkan dalam Gambar 2.

Gambar 2 Sketsa gambar sistem pembakaran yang ditekan jenis OG

Proses

Selama pembuangan konverter untuk pembuatan baja, udara atmosfer dicampur dengan gas di mulut konverter. Jumlah udara atmosfer yang masuk ke sistem di mulut konverter dikontrol oleh tekanan hood dan pinggir yang dapat digerakkan. Selama periode pembuangan, tahap awal adalah tahap kaya O2. Dalam tahap ini rasio udara (lambda) adalah 1. Selama tahap kaya O2 ini gas primer dibakar sepenuhnya dan tidak ada pemulihan gas yang terjadi selama periode ini. Setelah itu, tahap gas kaya CO dimulai di mana lambda kurang dari 1. Selama tahap ini hanya oksidasi parsial yang terjadi dan gas limbah yang dapat dibakar terbentuk yang mengandung gas CO, CO2 dan N2. Setelah itu tahap utama deskarburisasi terjadi yang sekitar bagian tengah periode pembuangan. Selama tahap ini rasio udara (lambda) dipertahankan pada nilai minimum dan sekitar 0,1. Selama periode ini gas maksimum dipulihkan. Pada akhir pembuangan nilai lambda lagi dipertahankan pada 1 dan gas yang dihasilkan dibakar sepenuhnya tanpa pemulihan gas.

Pemulihan gas konverter dengan sistem pembakaran yang ditekan memiliki keuntungan struktur sistem yang jauh lebih kompak daripada struktur sistem dengan pembakaran penuh dan therefore lebih fleksibel untuk penyesuaian sesuai kebutuhan lapangan. Selama proses, tekanan gas hood dikontrol untuk mencegah gas keluar dari mulut konverter serta mengontrol rasio udara (lambda). Kontrol sistem penting karena menangani gas buangan meledak (utama gas CO). Sistem perlu dioperasikan dengan cara yang aman. Sistem perlu memiliki performa energi tinggi dan diharuskan untuk memulihkan baik panas laten maupun panas wajar gas buangan.

Gas kaya CO yang keluar dari konverter pertama kali didinginkan di hood konverter secara tidak langsung baik dengan air pendingin atau dengan sistem pendingin evaporasi (ECS) untuk menurunkan suhu nominalnya dari 1.600 hingga 1.700 derajat C menjadi sekitar 900 derajat C. Bengkel BOF yang mengadopsi ECS memulihkan sebagian panas wajar gas buangan dalam bentuk uap tekanan rendah. Pendinginan gas konverter ke 900 derajat C diperlukan untuk menghindari pembentukan gas air (CO + H2) selama pembersihan basah. Telah diketahui bahwa gas air sangat meledak.

Sistem perlu memiliki performa pengumpulan debu yang tinggi. Gas yang dipulihkan dibersihkan baik oleh pembersih gas jenis basah maupun kering. Lebih dari 90 persen sistem debu saat ini di seluruh dunia beroperasi berdasarkan proses pembersih gas jenis basah. Sistem ini memiliki kapasitas untuk memenuhi persyaratan kurang dari 50 mg/N cum debu. Dalam sistem basah gas konverter yang dipulihkan dibersihkan di scrubber venturi diikuti dengan pemrosesan dalam eliminator kabut. Gas bersih kemudian disimpan dalam penampung gas untuk pasokan stabil ke sistem distribusi gas setelah dibersihkan lebih lanjut di ESP atau dihembuskan oleh kipas IDF melalui cerobong nyala setelah dibakar. Lumpur yang dihasilkan selama pembersihan basah diangkut ke pengental, melalui pot penutup celah, saluran dan pengelompok mangkuk untuk perawatan basah. Kimia ditambahkan untuk koagulasi dan pemisahan yang lebih baik. Obor pengental didaur ulang setelah pendingin dan lumpur diproses lebih lanjut baik di filter vakum atau di filter tekan untuk digunakan di pabrik sinter.

Pembersih gas jenis kering dengan ESP dapat mencapai kandungan debu kurang dari 15 mg/N Cum. Dalam pembersihan kering, debu kasar dari gas konverter setelah didinginkan dalam boiler limbah panas dipisahkan dalam ruang evaporasi diikuti dengan pengapit elektrostatis untuk penghapusan debu halus. Perbandingan antara pembersih gas jenis kering dan basah ditunjukkan dalam Tabel 1. Pembersih gas jenis kering memiliki masa depan yang baik karena konsumsi energi yang lebih rendah, tingkat efektivitas yang lebih tinggi dan kualitas gas konverter yang lebih baik serta cara ekonomis untuk daur ulang debu.