Optimasi Performa Baterai Tanur Kok untuk Operasi Metalurgi
Baterai Tanur Kok Non-Recovery
Kok metalurgi adalah bahan karbon keras yang dihasilkan dalam proses 'destilasi destruktif' dari berbagai campuran batu bara bituminous. Ini dihasilkan melalui karbonisasi batu bara pada suhu tinggi (sekitar 1100 derajat C) dalam atmosfer kekurangan oksigen di oven kok.
Pembuatan kok dengan memanaskan batu bara dalam kekurangan udara berasal dari awal revolusi industri ketika Abraham Darby menggunakannya dalam peleburan bijih besi pada tahun 1709 di Inggris. Metode produksi kok awalnya sama seperti produksi arang, menumpuk batu bara dalam tumpukan bundar, menyalakan tumpukan, dan kemudian menutupi sisi dengan tanah liat. Ini mendirikan dasar untuk pembuatan kok beehive. Kemajuan bertahap mengarah pada pengembangan oven beehive, reverberatory dan byproducts, yang culminate dalam oven kok regeneratif dengan pemulihan sampingan sekitar satu abad yang lalu.
Teknologi oven kok non-recovery timbul dari oven beehive klasik yang menyediakan sejak abad kedelapan belas kok untuk revolusi industri. Oven beehive dioperasikan secara manual, dengan pemulihan panas kecil, hanya untuk memanaskan oven. Sekarang, oven non-recovery adalah konstruksi modern, dengan operasi yang sangat terotomatisasi, dan terotomatisasi hingga certoh tingkat. Gas yang dihasilkan oleh pembakaran materi volatil dikirim melalui saluran turun dan kemudian dibakar untuk memanaskan dasar dan sisi oven.
Ada tiga proses terbuat untuk pembuatan kok metalurgi. Ini adalah (i) oven kok beehive, (ii) oven kok byproduct, dan (iii) oven kok non-recovery. Ketika energi panas gas buangan dipulihkan dalam bentuk uap maka oven kok non-recovery dikenal sebagai oven kok pemulihan panas atau pemulihan energi. Dalam ketiga proses, oven biasanya dibangun dalam baris, satu oven di samping oven lain dengan dinding bersama antara oven tetangga. Baris oven seperti ini disebut baterai. Baterai biasanya terdiri dari banyak oven, kadang-kadang ratusan, dalam baris.
Oven beehive adalah kamar batu api sederhana yang dibangun dengan atap meruncing sehingga bentuk di dalamnya seperti sarang lebah tua. Pembakaran kok beehive sekarang adalah proses usang karena jumlah kecil yang dihasilkan dan jumlah polusi yang sangat besar yang dihasilkan. Namun masih digunakan di beberapa tempat.
Dalam baterai oven kok byproduct, batu bara dikarbonisasi tanpa udara karena baterai ini dioperasikan dengan tekanan positif di dalam oven. Proses pembuatan kok dalam baterai oven kok ini disebut pembuatan kok byproduct karena gas buangan dikumpulkan dan dikirim ke pabrik byproduct di mana berbagai sampingan dipulihkan.
Dalam proses pembuatan kok di oven non-recovery, volatil yang muncul selama karbonisasi batu bara tidak dipulihkan sebagai sampingan tetapi dibakar di dalam oven sendiri dengan jumlah udara yang dikontrol dan panas volatil dari gas yang muncul digunakan untuk membakar massa batu bara menjadi kok dan thus tidak ada pemanasan eksternal yang diperlukan. Panas dihasilkan oleh pembakaran materi volatil yang kemudian menembus massa batu bara melalui radiasi dari atap oven dan juga melalui konduksi. Tingkat panas yang lebih tinggi penting digunakan untuk memecah hidrogen karbon yang berpotensi polusi menjadi senyawa bahan bakar konstituen dan membakarnya sehingga menghindari polusi yang berbahaya. Panas yang dihasilkan oleh pembakaran hanya sebagian digunakan selama proses dan sisa panas dalam gas buangan limbah dipulihkan untuk pembangkitan energi.
Gas buangan yang keluar dari oven kok membawa kuantitas panas wajar yang signifikan bersama dengan beberapa bahan bakar. Karena selain kok tidak ada yang dipulihkan dari oven kok yang menggabungkan teknologi ini, oven kok disebut oven kok non-recovery. Ketika bahan bakar yang hadir dalam gas limbah dibakar dan panas yang dihasilkan bersama dengan panas wajar gas buangan digunakan untuk produksi uap dan pembangkitan listrik, oven kok disebut oven kok pemulihan panas atau oven kok pemulihan energi.
Dasar untuk oven kok non-recovery dengan pemulihan panas adalah yang disebut 'oven Jewell-Thompson'. Oven ini dikembangkan pada tahun 1960 ketika tiga oven uji berhasil dibangun di Vansant, VA. Pada tahun 1972, 16 oven Jewell Thompson besar dibangun. Pabrik kok non-recovery pertama dengan pemulihan panas dioperasikan di Indiana USA pada Maret 1998. Pabrik ini memiliki 268 oven dengan kapasitas 1,3 juta ton per tahun dan pabrik pemulihan panas berlistrik berdaya 100 MW. Oven Jewell-Thomson berbentuk dengan area tanah persegi panjang. Lapisan bata oven terdiri dari material refraktori silika.
Elemen Kunci Teknologi Oven Kok Non-Recovery
Elemen kunci teknologi oven kok non-recovery adalah (i) kok dihasilkan dengan memanaskan batu bara, dalam atmosfer yang dikontrol, sehingga membebaskan materi volatil (gas dan kelembaban), (ii) gas dibakar dengan cara yang 'cerdas' lingkungan sehingga menghasilkan panas untuk membuat kok, (iii) panas berlebih yang dihasilkan dalam proses digunakan untuk menghasilkan listrik, (iv) proses tidak bergantung pada pembakaran batu bara, hanya gas yang dibebaskan dari batu bara, (v) emisi gas rumah kaca dari proses adalah tipikal dari generator listrik gas sederhana, yaitu, yang menghasilkan uap yang melewati turbin.
Oven kok non-recovery menghasilkan kok berkualitas untuk tanur tiup, cupola, dan tanur leg ferro, dll. Oven ini berguna untuk mendapatkan kok berkualitas tinggi untuk operasi tanur tiup dengan injeksi batubara bubuk yang tinggi, di mana properti kok yang lebih baik diperlukan, atau untuk mendapatkan kualitas standar berdasarkan campuran dengan proporsi batu bara yang tidak kok.
Perbandingan dengan Oven Byproduct
Perbandingan pembuatan kok di oven kok byproduct dan di oven kok non-recovery ditunjukkan dalam Gambar 1.
Gambar 1 Perbandingan oven kok non-recovery dengan oven kok byproduct
Perbandingan berbagai parameter pembuatan kok oleh oven kok byproduct dan oleh oven kok non-recovery diberikan dalam Tabel 1.
| Tabel 1 Perbandingan oven byproduct dan oven non-recovery |
|---|
| No. | Parameter | Oven byproduct | Oven non-recovery |
|---|
| 1 | Tekanan oven | Positif sedikit | Negatif sedikit |
| 2 | Tinggi oven | Oven tinggi | Oven lebar horizontal |
| 3 | Bentuk bata | Banyak jumlah | Sedikit jumlah |
| 4 | Penyediaan panas | Eksternal melalui gas bahan bakar |
| 5 | Transfer panas | Tidak langsung, horizontal, konduksi | Langsung, vertikal, radiasi dan konveksi dari atas dan tidak langsung konduksi dari bawah |
| 6 | Polusi | Tidak ramah lingkungan | Praktis tidak ada polusi |
| 7 | Biaya modal | Tinggi | Rendah |
| 8 | Energi | Kebutuhan energi lebih tinggi | Kebutuhan energi rendah |
| 9 | Biaya operasional | Tinggi | Rendah |
| 10 | Waktu konstruksi | Lebih lama | Lebih pendek |
| 11 | Pengoperasian | Lambat | Cepat |
| 12 | Batu bara kok | Pembatasan kualitas | Fleksibilitas tersedia |
| 13 | Sampingan | Banyak jumlah | Tidak ada sampingan |
| 14 | Co-produk | Gas CO | Uap/Listrik |
| 15 | Tekanan dinding | Rentan | Tidak rentan |
| 16 | Suhu karbonisasi | Rendah | Tinggi |
| 17 | Hasil kok | Tinggi | Rendah |
| 18 | Kualitas kok | Rendah | Tinggi |
| 19 | Tenaga kerja | Terampil | Tidak begitu terampil |
| 20 | Perawatan | Perawatan panas | Oven dapat didinginkan untuk perawatan |
Perbandingan diagram Sankey dari pabrik oven kok byproduct dan konfigurasi pabrik oven kok pemulihan panas diberikan dalam Gambar 2.
Gambar 2 Diagram Sankey
Fitur Desain dan Konstruksi Oven Kok Non-Recovery
Ada beberapa desain yang tersedia untuk oven kok non-recovery. Fitur utama beberapa desain dijelaskan di bawah ini.
Oven Kok Jewell-Thompson
Dimensi tipikal kamar oven kok adalah panjang 14 m, lebar 3,5 m hingga 3,7 m, dan tinggi 2,4 m hingga 2,8 m. 40 ton hingga 50 ton batu bara diisi per oven. Tinggi pengisian tipikal adalah 1000 mm. Oven dibangun dengan 23 bentuk bata refraktori. Campuran batu bara diisi melalui satu sisi, dengan mesin pengisi dorong (PCM) yang bergerak di rel dekat oven. Segera setelah pengisian, campuran batu bara menyerap panas dari refraktori dan pembakaran materi volatil dimulai.
Di bawah atap oven, pembakaran parsial materi volatil terjadi di atas massa batu bara. Segera setelahnya, gas ditiup ke dapur oven, di mana lebih banyak udara diperkenalkan untuk menyelesaikan pembakaran. Front kok melanjutkan dari bawah dan dari atas, bergabung di tengah. Tidak ada peningkatan tekanan yang terjadi seperti di oven kok byproduct, sehingga batu bara volatil rendah dapat dicampur.
Suhu, tekanan dan pembakaran dalam dikontrol di oven. Waktu kok adalah sekitar 48 jam. Pengambilan kok dilakukan dengan PCM yang sama yang digunakan untuk pengisian. Kok diquench dengan air. Semua air yang digunakan untuk quench kok dipulihkan, dengan pengecualian kehilangan evaporasi. Potongan lintang oven kok Jewell-Thompson ditunjukkan dalam Gambar 3.
Gambar 3 Potongan lintang tipikal oven non-recovery
Oven Non-Recovery Desain China
Cina juga telah membangun, besides oven kok pemulihan panas horizontal standar, oven non-recovery tipe vertikal. Sehubungan dengan oven horizontal, atap oven adalah struktur meruncing 120 derajat. Inlet udara primer yang dapat disesuaikan terpasang secara merata di meruncing, membentuk lapisan pelindung gas buangan antara batu bara dan zona pembakaran di atap oven. Empat meruncing yang terhubung digunakan di dasar oven. Pada dasar meruncing, inlet udara sekunder yang dapat disesuaikan dipasang untuk mendistribusikan udara di saluran asap, untuk pembakaran lebih lanjut gas keluar untuk memanaskan dasar oven. Dinding dalam saluran dan dasar dapat disesuaikan. Lapisan ventilasi antara fondasi oven dan sole mencegah plat dasar terlalu panas. Dinding utama dilengkapi dengan fasilitas penyesuaian hisap.
Pintu oven dibagi menjadi dua bagian, bagian atas tetap dan bagian bawah dapat bergerak, untuk mencegah kebocoran asap. Mereka terbuat dari besi cor dan dilapisi serat keramik.
Dimensi kamar karbonisasi baterai oven kok pemulihan panas horizontal dari salah satu desain terdiri dari panjang 13.340 mm, lebar 3.596 mm, tinggi 2.758 mm dengan jarak pusat ke pusat kamar 4.292 mm. Dimensi efektif kue batu bara adalah panjang 1.300 mm, lebar 3.400 mm, dan tinggi 1.100 mm. Densitas massa batu bara yang diisi adalah 1,0 ton/cum hingga 1,5 ton/cum. Oven memiliki kapasitas muatan batu bara sekitar 50 ton dan waktu kok 72 jam.
Ada dua desain lagi yang tersedia. Dimensi kamar karbonisasi dalam dua desain ini terdiri dari panjang 13.334 mm dan 15.440 mm, lebar 3.598 mm dan 3.700 mm, tinggi 2.888 mm dan 2.693 mm dengan jarak pusat ke pusat kamar 4.530 mm dan 4.300 mm masing-masing. Dimensi efektif kue batu bara adalah panjang 12.750 mm dan 14.850 mm, lebar 3.500 mm dan 3.600 mm, dan tinggi 1.050 mm dan 1.000 mm masing-masing. Oven memiliki kapasitas muatan batu bara (pada dasar kering) 42,393 ton dan 51,856 ton dan waktu kok 72 jam dan 70 jam masing-masing.
Baterai pemulihan panas oven kok vertikal pertama telah dibangun pada tahun 2002 di China. Dibandingkan dengan tipe horizontal, oven kok ini membutuhkan ruang yang lebih sedikit dan biaya konstruksi 20 persen hingga 30 persen lebih rendah. Yang lebih penting, dikatakan bahwa pemisahan antara kamar kok dan kamar pembakaran menghindari pembakaran kok yang mungkin terjadi di oven jenis horizontal. Panas hanya datang melalui refraktori, seperti dalam baterai konvensional. Ada dua lapisan saluran pendingin udara di dasar baterai. Suhu fondasi antara 100 derajat C hingga 150 derajat C, mencegah kegagalan. Dimensi utama dan fitur oven vertikal tercantum dalam Tabel 2.
| Tabel 2 Parameter teknis oven kok pemulihan panas vertikal |
|---|
| No. | Parameter | Satuan | Nilai |
|---|
| 1 | Kamar karbonisasi | - | - |
| Tinggi | mm | 3.200-4.830 |
| Panjang | mm | 12.570-16.940 |
| Lebar rata-rata | mm | 560 |
| Jarak pusat | mm | 1.180 |
| 2 | Berat muatan | ton | Sekitar 24 |
| 3 | Densitas massa kue | t/cum | 1,0-1,1 |
| 4 | Waktu kok | jam | 38 |
| 5 | Jumlah oven | jumlah | 4×35 |
| 6 | Kebalikan dinding pemisah | mm | 100 |
| 7 | Kebalikan sole oven | mm | 1.182 |
| 8 | Tinggi berguna | mm | 2.800-4.400 |
| 9 | Suhu pusat | derajat C | 1.000 +/- 50 |
| 10 | Berat kok yang diambil | ton | Sekitar 18 |
| 11 | Gas keluar | N cum/jam | 350.000 |
| 12 | Suhu gas keluar | derajat C | 950 +/- 50 |
Desain Oven Kok Sesa Goa
Oven kok lebih sempit dari oven kok Jewell-Thompson. Ini memungkinkan penggunaan meruncing Romawi untuk atap. Oven dibangun dengan refraktori aluminious, dan ini berimplikasi lebar yang lebih kecil. Oven memiliki panjang 10.760 mm dan lebar 2.745 mm. 21 oven dihubungkan ke tumpukan. Oven dengan pengisian atas. Penggunaan refraktori aluminious daripada refraktori silika adalah karena perilaku yang lebih baik di dalam atmosfer oksidasi, resistensi yang lebih baik terhadap syok termal dan perubahan volume yang lebih sedikit saat pendinginan, ketika ada penundaan dalam pengisian ulang oven. Oven dioperasikan dengan muatan batu bara yang dirapatkan.
Desain Uhde
Dalam desain Uhde saat ini, oven kok diisi dengan stempel. Namun mesin pengisian tidak masuk ke oven. Dimensi oven adalah lebar 3,8 m dan panjang 15 m. Lapisan adalah bata silika. Saluran untuk gas keluar berjalan secara lateral di bawah lantai oven, bukan di atas oven.
Oven Kok SJ 96
Oven ini telah dikembangkan dalam rumah oleh Shanxi Sanjia dan dikarakterisir oleh berat muatan batu bara yang luar biasa yaitu 120 ton. Oleh karena itu, ada kebutuhan waktu kok yang lama sepuluh hari dibandingkan waktu kok tipikal 48 jam hingga 72 jam dari proses lain. Tinggi massa batu bara adalah 1,8 m dan pengaturan level dilakukan pada 90 cm dan 180 cm. Baik pengisian dan pengeluaran manual dan dengan oven didinginkan. Suhu sekitar 1.200 derajat C di lapisan batu bara atas dan 1.150 derajat C di lapisan batu bara bawah. Gas dibakar sepenuhnya di saluran bawah oven, dan suhu digunakan untuk menghasilkan uap untuk pembangkitan listrik.
Proses Pembuatan Kok di Oven Non-Recovery
Di oven kok non-recovery, semua volatil dalam batu bara dibakar di dalam oven untuk menyediakan panas yang diperlukan untuk proses pembuatan kok. Oven beroperasi di bawah tekanan negatif. Udara pembakaran primer yang diperkenalkan melalui port di pintu oven secara parsial membakar materi volatil di dalam kamar oven. Udara sekunder diperkenalkan ke dalam saluran sole, yang berjalan dalam pola ular di bawah massa batu bara. Desain saluran dan kontrol aliran udara mempersamakan laju kok baik di atas maupun di bawah massa batu bara.
Berbeda dengan proses pembakaran kok byproduct, di mana kok dipanaskan secara tidak langsung oleh pembakaran gas di dalam saluran pemanas di luar kamar oven, secara eksklusif selama pembakaran kok non-recovery panas yang diperlukan ditransfer baik secara langsung maupun tidak langsung ke dalam kamar oven.
Batu bara diisi ke lantai oven pada awal siklus. Proses karbonisasi dimulai oleh panas yang ada dari siklus karbonisasi sebelumnya. Pengisian batu bara oven dilakukan melalui pintu sisi dorong yang terbuka. Biasanya batu bara di stamp sebelum, dan kemudian batu bara diisi ke dalam kamar oven panas. Tingkat pengisian tipikal terletak pada 1.000 mm.
Gas oven kok mentah yang dilepaskan secara parsial dibakar di mahkota dengan penambahan udara sekitar melalui pintu oven dan gas melalui down-comers ke dalam saluran pemanas yang terletak di sole oven. Sistem saluran ini berada di bawah lantai oven dan di sini dengan pasokan lebih lanjut dari udara sekitar, pembakaran lengkap gas mentah terjadi pada suhu antara 1.200 derajat C hingga 1.400 derajat C. Gas kemudian melewati saluran pasca pembakar di mana gas yang tidak terbakar tersisa dioksidasi. Sistem saluran pasca pembakar mengarahkan gas panas ke generator uap pemulihan panas.
Dalam semua instalasi terbaru, gas buangan panas digunakan untuk menghasilkan energi, dan kemudian diproses desulfurisasi sebelum dibuang ke atmosfer. Waktu kok bervariasi dengan jenis oven dan bervariasi dari sekitar 48 jam hingga 72 jam tergantung pada desain oven kok. Setelah selesai waktu kok, kok diambil keluar dan biasanya diquench basah.
Karena tekanan negatif di bawahnya proses kok berjalan, emisi dari kebocoran pada pintu dalam prinsipnya dihindari. Emisi debu yang terjadi saat pengambilan kok dihembuskan melalui sisi kok. Biasanya alat hisap juga dipasang di sisi dorong untuk menangkap emisi yang terjadi selama pengisian.
Teknik untuk kontrol emisi selama pengisian, pengambilan dan quench mirip dengan yang diterapkan pada oven byproduct.
Karena suhu yang dihasilkan, semua hidrokarbon toksik dan sampingan dari materi volatil dibakar di dalam oven. Gas panas melewati saluran gas buangan ke generator uap pemulihan panas, di mana uap tekanan tinggi diproduksi untuk tujuan pemanasan atau pembangkitan listrik. Gas buangan dingin dibersihkan di pabrik desulfurisasi gas buangan sebelum dibuang ke atmosfer. Diagram alur proses ditunjukkan dalam Gambar 4.
Gambar 4 Diagram alur proses oven kok non-recovery
Manfaat Oven Kok Non-Recovery
Manfaat berbeda oven non-recovery meliputi (i) tidak diperlukan pabrik pengolahan air limbah, (ii) tidak ada pembuangan air limbah bersih karena semua air limbah digunakan untuk quench kok, (iii) fleksibilitas lebih tinggi tersedia dalam pemilihan campuran batu bara karena eliminasi batasan tekanan dinding, (iv) kekuatan kok yang ditingkatkan dikaitkan dengan pemanasan lambat pada suhu yang lebih tinggi dan waktu rendaman lebih lama yang menyebabkan pertumbuhan kristal yang konsisten, (v) membutuhkan ruang yang lebih sedikit dibandingkan oven kok dan pabrik byproduct, (vi) pabrik dapat dibangun dengan konstruksi modular, (vii) karena oven non-recovery bekerja di bawah tekanan negatif, ini menghasilkan udara yang ditarik ke dalam oven pada setiap titik masuk yang tersedia dan thus menghilangkan emisi sembarangan, (viii) polutan udara berbahaya dihancurkan di dalam oven oleh oksidasi termal, dan (ix) ada lebih sedikit titik kontrol proses.
