Optimasi Efisiensi Tanur Tiup dengan Injeksi Batubara Bubuk

Injeksi Batubara Bubuk di Tanur Tiup

Injeksi batubara bubuk (PCI) adalah proses yang melibatkan injeksi volume besar partikel batubara halus ke dalam jalan balapan tanur tiup (BF). Batubara bubuk adalah bahan bakar tambahan penting yang digunakan dalam pembuatan besi tanur tiup. PCI menyediakan bahan bakar tambahan untuk penggantian parsial kok dan telah terbukti menguntungkan baik secara ekonomi maupun lingkungan. Ini dapat menghasilkan perbaikan yang besar pada efisiensi tanur tiup dan thus berkontribusi pada pengurangan konsumsi energi dan emisi lingkungan.

Ketika batubara bubuk ditiup ke dalam tanur tiup melalui tiupan dan tuyere, batubara adalah sumber panas dan reduktor, karena reaksi devalatilisasi, gasifikasi, dan pembakaran serta pembentukan char yang tidak terbakar. Dalam lingkungan saat ini, batubara bubuk digunakan secara luas di tanur tiup sebagai pengganti parsial kok metalurgi. PCI adalah teknologi yang sudah terbukti saat ini untuk produksi besi mentah (HM) di tanur tiup. Ini dilakukan di sebagian besar tanur tiup dan semua tanur tiup baru biasanya dibangun dengan kemampuan PCI. Komposisi dan properti batubara yang digunakan untuk injeksi dapat mempengaruhi operasi, stabilitas dan produktivitas tanur tiup, kualitas besi mentah, dan komposisi gas tanur tiup.

Dalam skenario saat ini, ada banyak kriteria yang digunakan untuk mengukur performa PCI. Yang pertama adalah penggerusan dan kemudahan penanganan. Biaya operasional utama di PCI, selain biaya batubara, terkait dengan penggerusan dan distribusi batubara ke tanur tiup. Yang kedua terkait dengan operasi tanur tiup. Kualitas batubara yang ditiup dapat mempengaruhi kualitas besi mentah, stabilitas tanur tiup, dan komposisi gas atas. Abu dari batubara yang ditiup (i) dapat bertindak sebagai inhibitor untuk proses oksidasi, (ii) adalah penyedia utama alkali yang tidak diinginkan, dan (iii) mengkonsumsi energi meleleh. Yang ketiga terkait dengan manfaat ekonomi. Manfaat biaya utama adalah penggantian batu bara kok mahal ditambah biaya operasi pembuatan kok, meskipun manfaat lain seperti produktivitas yang ditingkatkan juga telah diamati, perbaikan ini tergantung pada kualitas kok. Manfaat ekonomi dan operasional penting dari penggunaan PCI di tanur tiup meliputi hal berikut.

• Konsumsi batu bara kok yang mahal lebih rendah. Mengganti kok tanur tiup dengan batu bara kok lunak atau batubara termal yang lebih murah mengurangi biaya reduktor.
• Umur oven kok diperpanjang karena kurang kok yang perlu diproduksi. Ini penting karena banyak oven kok mencapai akhir masa pakai mereka dan investasi besar diperlukan untuk mengganti atau merawatnya.
• Sistem PCI lebih murah daripada biaya baterai oven kok tambahan. Biaya modal yang lebih rendah berarti depresiasi dan bunga yang lebih rendah yang akan dikenakan pada besi mentah.
Produktivitas tanur tiup yang lebih tinggi, yaitu, jumlah lebih besar besi mentah yang diproduksi per hari (bersamaan dengan perubahan operasional lainnya).
• Fleksibilitas yang lebih besar dalam operasi tanur tiup. Misalnya, PCI memungkinkan suhu nyala untuk disesuaikan, dan kondisi termal di tanur tiup dapat diubah jauh lebih cepat daripada yang mungkin dengan menyesuaikan beban muatan di atas tanur.
• Konsistensi yang ditingkatkan dalam kualitas besi mentah dan kandungan siliciumnya.
• Emisi keseluruhan yang dikurangi dari pabrik baja, khususnya, emisi yang lebih rendah dari pembuatan kok karena kebutuhan kok yang berkurang.

Sejarah

Injeksi batubara bubuk dikembangkan pada abad ke-19, tetapi tidak diimplementasikan untuk penggunaan industri. Pada awal tahun 1960-an, PCI berhasil diimplementasikan di AK Steel AS dan Shougang China. Meskipun uji coba di beberapa negara pada waktu itu telah membuktikan bahwa teknologi transportasi dan injeksi batubara pneumatis tersedia, namun ekonomis dan kemudahan relatif proses tersebut adalah sehingga injeksi minyak dan gas alam menjadi lebih populer. Pada tahun 1980-an, minat terhadap PCI meningkat, dipicu terutama oleh kenaikan dramatis harga minyak bakar pada tahun 1973 dan lagi pada tahun 1979, dan potensinya sebagai pengganti kok mulai diwujudkan. Pada awal tahun 1980-an, fasilitas injeksi batubara dipasang di seluruh Eropa dan Jepang, dengan tingkat injeksi biasanya antara 40 kg/tHM dan 90 kg/tHM dan dengan tingkat penggantian kok sekitar 0,9 kg kok/kg batubara. Proses ini berkembang sangat cepat sejak saat itu dan pada paruh kedua tahun 1980-an ada praktik yang berhasil injeksi batubara pada tingkat bervariasi dari 180 kg/tHM hingga 200 kg/tHM. Pada tahun 90-an teknologi PCI menjadi matang. Namun pergeseran nyata ke PCI baru terjadi ketika biaya kok metalurgi mulai naik karena peningkatan permintaan global.

Batubara untuk PCI

Pentingnya relatif berbagai aspek kualitas batubara untuk PCI telah bervariasi, seiring dengan peningkatan teknologi injeksi dan peningkatan tingkat injeksi. Pada akhir tahun 1970-an, dipicu oleh krisis minyak, minat terhadap PCI diperbarui dan batubara dianggap sebagai bahan bakar pengganti ekonomis untuk minyak. Karena kemampuan pembakaran dianggap penting, batubara yang digunakan untuk PCI sebagian besar adalah batubara termal. Pada saat itu, batubara termal dengan mudah tersedia dan memiliki biaya yang jauh lebih rendah dibandingkan batubara kok keras dan semi-lunak.

Setelah fokus awal pada kemampuan pembakaran batubara yang ditiup, fokus kemudian diarahkan pada pemahaman dampak kualitas batubara terhadap penggantian kok. Selama periode ini, terlihat bahwa batubara volatil rendah (LV) memberikan rasio penggantian yang lebih baik dibandingkan batubara volatil tinggi (HV).

Sehubungan dengan penggerusan batubara, empat parameter operasional utama untuk penggerus adalah (i) laju masukan, (ii) laju aliran udara, (iii) pengaturan klasifikasi yang terdiri dari siklon dan filter kantong, dan (iv) tekanan penggerusan (beban pada roller/bola). Laju masukan, tekanan penggerusan dan pengaturan klasifikasi memiliki pengaruh langsung pada beban penggerus dan therefore pada daya yang dibutuhkan. Laju aliran udara secara tidak langsung mempengaruhi daya penggerus karena mempengaruhi efisiensi klasifikasi.

Karakteristik penggerusan batubara biasanya dijelaskan oleh hasil sejumlah kecil tes analitik standar. Berdasarkan hasil ini, prediksi dibuat mengenai perilaku penggerusan yang diantisipasi dari batubara. Ada kecenderungan umum untuk mengurangi penilaian perilaku penggerusan batubara menjadi HGI (Hardgrove Grindability Index), yang merupakan ukuran untuk penggerusan batubara. Penggerusan adalah indeks dan therefore tidak memiliki satuan. Semakin kecil HGI, semakin keras tekstur batubara dan semakin tidak dapat digerus batubara. Penggerusan adalah faktor penting untuk penggerusan batubara dalam penggerus. Ini mempengaruhi kehalusan produk, konsumsi daya dan throughput.

Kandungan kelembaban batubara memiliki pengaruh pada penggerusan batubara. Diperlukan untuk mengurangi total kelembaban yang terkandung dalam batubara menjadi sekitar tingkat kelembaban seimbang untuk mengurangi masalah penanganan dalam mesin penggerus serta di gudang. Kandungan kelembaban batubara yang keluar dari penggerus harus menjadi dua pertiga dari tingkat kelembaban seimbang. Jumlah kelembaban yang harus dihilangkan dalam penggerus diberikan oleh persamaan 'kelembaban yang dihilangkan dalam penggerus = (kelembaban saat diterima) – 2/3(kelembaban seimbang)', di mana kelembaban seimbang untuk batubara sub-bituminous dan peringkat lebih tinggi sekitar diberikan oleh persamaan 'kelembaban seimbang = 0,69 + 0,84 x (kelembaban udara) + 0,18 x kuadrat dari (kelembaban udara). Kandungan kelembaban seimbang bervariasi dengan peringkat batubara, komposisi maceral, dan kandungan abu.

Jenis batubara dan kelembaban permukaannya mengatur persyaratan pengeringan penggerusan. Kemampuan pengeringan dari desain penggerus tertentu tergantung pada tingkat beban sirkulasi dalam penggerus, kemampuan untuk mencampur dengan cepat pengembalian klasifikasi yang kering dengan masukan batubara basah yang masuk, dan rasio udara dan suhu masuk udara yang desain penggerus tertentu harus tahan.

Sistem Proses PCI

Sistem proses PCI terdiri dari sejumlah sub-sistem dari penerimaan batubara hingga injeksi batubara bubuk pada setiap tuyere untuk memenuhi persyaratan PCI. Ini terdiri dari enam sub-sistem yaitu (i) penyimpanan dan pengeluaran batubara mentah, (ii) penggerusan dan pengeringan batubara mentah, (iii) transportasi, penyimpanan dan pasokan batubara bubuk ke sistem injeksi, (v) distribusi seragam batubara bubuk ke setiap tuyere, (v) pembakaran batubara bubuk, dan (vi) fasilitas pencegahan ledak. Karakteristik penting sistem proses PCI dijelaskan di bawah ini.

Tangki penampung dirancang untuk memiliki kapasitas tinggi sehingga bahkan jika salah satu garis penggerusan berhenti beroperasi, injeksi batubara dapat dilanjutkan sampai penyesuaian kondisi operasional yang sesuai, seperti pengurangan jumlah bijih yang diisi ke dalam tanur atau persiapan untuk pembuangan bawah dilakukan.

Ada tiga tangki masukan, satu tangki yang batubara sedang dikeluarkan, tangki kedua di standby untuk pengeluaran, dan tangki ketiga di tahap pengurangan tekanan, pengisian batubara bubuk, dan pengtekanan setelah selesai pengisian.

Saluran transportasi, yang terdiri dari saluran fase padat dan saluran fase cair, memastikan transportasi batubara yang lancar dengan kehilangan tekanan kecil. Saluran tekanan tinggi antara tangki penampung dan tuyere tidak memiliki bagian yang bergerak, kecuali klep penutup, yang memastikan ketersediaan yang tinggi dan memfasilitasi kontrol dan perawatan.

Untuk proses penggerusan dan penyimpanan, sistem yang andal untuk mencegah ledak dibangun dengan memasang pemadam ledak, dan pemadam kebakaran, dll.

Untuk operasi yang berhasil dari sistem PCI, perhatian harus diberikan pada berbagai fenomena yang terjadi di tanur tiup. Yang penting di antara fenomena ini adalah (i) tingkat pembakaran batubara yang ditiup atau perilaku debu batubara yang tidak terbakar dalam kandungan kok yang mempengaruhi distribusi aliran gas di wilayah muatan, (ii) perilaku abu batubara yang meleleh atau kemungkinan penumpukannya di zona blowpipe-tuyere, (iii) permeabilitas atau distribusi aliran gas di wilayah muatan yang dipengaruhi oleh rasio bijih/kok yang meningkat seiring dengan meningkatnya tingkat injeksi batubara, dan (iv) properti termal yang diwakili oleh suhu gas bosh atau rasio aliran panas yang mempengaruhi reaksi yang terjadi di bagian bawah tanur tiup.

Posisi lancar injeksi di blowpipe penting dan harus sedemikian rupa untuk memastikan pembakaran lengkap batubara yang ditiup di dalam zona jalan balapan dan pada saat yang sama menghindari penumpukan abu batubara di ujung blowpipe. Lembar alur tipikal proses PCI ditunjukkan dalam Gambar 1.

Gambar 1 Lembar alur tipikal injeksi batubara bubuk di tanur tiup

Proses Injeksi Batubara

Proses PCI didasarkan pada konsep sederhana mengangkut batubara yang telah digiling halus (bubuk) dan dikeringkan oleh gas pengangkut (biasanya nitrogen) ke tanur tiup di mana dibagikan ke berbagai tuyere dan ditiup melalui lancar di blowpipe. Di blowpipe, dicampur dengan udara tiupan kaya oksigen dan kemudian disuplai ke tanur tiup di jalan balapan.

Batubara mentah diterima di tangki penerima. Di saring dan diproses untuk menghilangkan materi sampah dan disimpan di gudang batubara mentah. Batubara mentah digerus, dikering dan kemudian diangkut secara pneumatik ke klasifikasi dalam sistem sekali melalui. Batubara dikeringkan sepenuhnya untuk mencegah endapan dan kompak. Batubara bubuk disimpan dalam satu tangki penampung tempat disimpan di bawah kondisi iners.

Batubara bubuk diserap oleh gravitasi dari tangki penampung ke tangki masukan yang kemudian ditekan dengan gas iners sebagai bagian dari proses batch di mana tangki masukan diisi, memberi, melepas atau menahan untuk menyediakan aliran berkelanjutan batubara bubuk ke tanur tiup. Laju aliran batubara bubuk diatur oleh tekanan gas iners sebagai fungsi dari perubahan berat tangki masukan. Aliran tunggal fase padat batubara dari tangki masukan digabungkan dengan gas transportasi (nitrogen) di tee pencampuran.

Satu saluran transportasi membawa campuran batubara/gas ke pengdistribusi batubara yang terletak di tanur tiup (Gambar 2). Di pengdistribusi aliran tunggal campuran batubara/gas secara otomatis dibagi menjadi beberapa aliran yang sama dan diangkut oleh saluran ke setiap tuyere untuk injeksi ke dalam tanur tiup. Sistem detektor blokir mencegah blokir tuyere.

Gambar 2 Jenis pengdistribusi

Ada beberapa karakteristik penting dari proses PCI. Dalam sistem loop tertutup, gas yang keluar dari filter sebagian didaur ulang ke inlet penggerus. Ini menciptakan kondisi iners yang meminimalkan kandungan oksigen dalam sistem dan mengurangi kemungkinan ledak debu batubara.

Gas buangan dapur tanur tiup bersama dengan gas tanur tiup (jika diperlukan) digunakan sebagai sumber energi untuk pengeringan batubara sehingga mengurangi konsumsi energi primer. Kelembaban batubara dapat dihilangkan dari sistem secara efektif tanpa menggunakan pendingin gas atau kondensor. Penggunaan gas iners selama operasi tangki penampung mengurangi risiko kebakaran dan ledak.

Berat total batubara yang ditiup dikontrol secara presisi oleh sistem sel beban yang menyesuaikan secara berkelanjutan untuk memenuhi titik set. Susunan paralel tangki masukan memastikan aliran berkelanjutan batubara ke dalam tanur tiup. Sistem distribusi batubara sederhana dan efektif tanpa bagian yang bergerak.

Tingkat injeksi biasanya dikontrol dengan memodulasi posisi klep pengukur yang dipasang di pengeluaran tangki masukan. Sistem memastikan distribusi merata batubara yang ditiup antara jumlah total tuyere dan memiliki kemampuan bawaan untuk mendistribusikan ulang secara otomatis total batubara yang ditiup ke dalam tanur tiup jika injeksi dihentikan di satu atau beberapa tuyere karena alasan apa pun.

Nitrogen yang ditekan digunakan untuk injeksi batubara bubuk dari tangki masukan ke saluran transportasi. Dengan sejumlah gas transportasi tambahan, batubara bubuk diangkut dan ditiup ke dalam tanur tiup dalam kondisi fase padat. Dalam kondisi ini, pemuatan sekitar 40 kg hingga 50 kg batubara per kg gas dicapai dalam saluran pengangkutan batubara.

Batubara diangkut dalam saluran dengan kecepatan hanya beberapa meter per detik. Kecepatan pengangkutan rendah batubara mengurangi aus dalam saluran sehingga meningkatkan umurnya. Sistem pengangkatan fase padat yang kuat dan dapat mengangkut batubara bubuk ke jarak jauh.

Distribusi seragam batubara bubuk ke tuyere sangat penting. Untuk mengoperasikan tanur tiup dengan efisiensi tinggi, distribusi seragam muatan dan aliran gas di arah sekeliling adalah penting. Dalam arti ini, laju batubara bubuk yang akan ditiup melalui setiap tuyere harus seragam sebanyak mungkin. Akurasi distribusi yang tinggi sekitar 1,5 persen diinginkan (akurasi distribusi normal udara tiupan sekitar 2,5 persen) yang dicapai menggunakan pengdistribusi (Gambar 2). Skematis injeksi batubara di tuyere dan jalan balapan ditunjukkan dalam Gambar 3.

Gambar 3 Skematis injeksi batubara bubuk di tuyere dan jalan balapan

Operasi Tanur Tiup dan PCI

Telah diamati bahwa pada tingkat PCI, lebih dari 140 kg/tHM, perubahan terjadi dalam operasi tanur tiup. Beberapa perubahan ini meliputi (i) penurunan rasio kok/bijih, (ii) ukuran jalan balapan, (iii) penurunan permeabilitas kok di sekitar jalan balapan, (iv) perubahan distribusi suhu di jalan balapan, (v) degradasi mekanis kok di jalan balapan, dan (vi) penurunan suhu deadman. Semua perubahan ini saling bergantung dan dipengaruhi oleh properti dan jumlah batubara yang ditiup, kualitas kok dan kondisi tiupan.

Permeabilitas

Aliran gas, aliran cair dan penurunan muatan di dalam tanur tiup bersifat dinamis yang mengarah pada muncul dan hilangnya zona tidak aktif di bosh, deadman, atau stack. Untuk produktivitas tinggi dan operasi tanur tiup yang stabil dengan tingkat PCI tinggi, persyaratan kritis adalah aliran batubara yang konsisten dan properti batubara melalui setiap tuyere. Kualitas batubara yang konsisten dapat dikontrol dengan mencampur batubara PCI dan aliran batubara dengan kontrol individual pada setiap tuyere. Properti batubara dapat mempengaruhi aliran gas, cair dan padat yang kompleks di zona bawah tanur tiup (Gambar 4), tetapi dampak ini tidak signifikan jika aliran yang stabil dan kualitas batubara tercapai. Batubara yang ditiup dapat mempengaruhi permeabilitas di zona bawah melalui alasan berikut.

• Kemampuan pembakaran yang mempengaruhi jumlah bahan yang tidak terbakar (char dan debu) yang keluar dari jalan balapan.
• Pembentukan debu kok di dalam jalan balapan disebabkan oleh energi yang diberikan pada kok oleh momentum tiupan. Jumlah debu yang dihasilkan tergantung pada kualitas kok. Momentum tiupan dipengaruhi oleh tingkat pembakaran yang terjadi di dalam tuyere.
• Viskositas lumpur mempengaruhi aliran lumpur dan besi mentah melalui zona deadman dan penetrasi gas panas dari jalan balapan ke dalam zona deadman yang lebih mengurangi viskositas lumpur di dalam zona deadman.

Perubahan operasional dapat dilakukan untuk mengatasi permeabilitas yang berkurang pada tingkat injeksi tinggi. Misalnya, pengisian kok pusat meningkatkan permeabilitas shaft tanur tiup dan meningkatkan kedalaman jalan balapan meningkatkan permeabilitas dan mengurangi kehilangan beban panas. Beberapa pengaruh PCI pada operasi tanur tiup ditunjukkan dalam Gambar 4.

Gambar 4 Pengaruh PCI pada operasi tanur tiup

Dampak Char yang Tidak Terbakar

Pada tingkat PCI rendah, debu kok yang dihasilkan di jalan balapan dikonsumsi oleh pembakaran, solution-loss, dan reaksi lainnya di zona bawah tanur tiup. Pada tingkat PCI yang meningkat, telah diamati bahwa ada peningkatan carry-over debu dari atas tanur tiup serta peningkatan kedalaman jalan balapan fisik dan ketidakstabilan tanur tiup. Namun, peningkatan carbon carry-over adalah debu kok yang halus dengan beberapa jumlah kecil debu dan jumlah char yang tidak terbakar yang tidak signifikan. Char yang tidak terbakar dapat menguntungkan karena dalam kehadiran char ketahanan aus kok meningkat. Perilaku ini tampaknya terbatas pada kok reaktivitas rendah dan kekuatan tinggi.

Kemampuan Pembakaran Char

Telah diamati bahwa kemampuan pembakaran batubara yang ditiup pada tingkat tuyere menurun seiring dengan peningkatan tingkat injeksi atau penurunan materi volatil batubara. Namun, kemampuan pembakaran batubara 700 mm di atas tuyere lebih dari 95 persen untuk semua batubara karena reaksi solution loss dari char yang tidak terbakar. Char yang tidak terbakar tidak dikonsumsi oleh reaksi solution loss terperangkap di tanur tiup atau keluar sebagai debu. Terdapat estimasi bahwa tingkat injeksi maksimum yang dapat dicapai adalah 230 kg/tHM pada efisiensi pembakaran 75 persen.

Kondisi pembakaran yang intens di dalam tuyere dan jalan balapan mengarah pada pelepasan volatil yang lebih tinggi. Saat mengevaluasi karakteristik batubara volatil rendah, telah ditemukan rasio volatil yang dilepaskan terhadap volatil proxima (VM) batubara meningkat secara signifikan dengan peringkat (konten karbon) batubara pada tingkat pemanasan tinggi. Terdapat bukti jelas terhadap fragmentasi partikel yang terbakar. Aliran char yang tidak terbakar dari jalan balapan memiliki dampak pada permeabilitas zona bawah dan zona deadman tanur tiup.

Fragmentasi partikel batubara dapat terjadi selama devalatilisasi (fragmentasi primer) dan selama pembakaran char (fragmentasi sekunder). Fragmentasi primer dipengaruhi oleh VM batubara. Partikel char besar menghasilkan jauh lebih banyak partikel debu terbang dibandingkan partikel char kecil. Peringkat batubara juga memiliki pengaruh besar. Tingkat fragmentasi cenderung meningkat seiring dengan meningkatnya peringkat batubara dan cenderung menurun seiring dengan meningkatnya muatan abu.

Di tanur tiup, laju pemanasan yang cepat, suhu tinggi, udara kaya oksigen dan umumnya batubara peringkat tinggi yang digunakan untuk PCI, semuanya berkontribusi pada fragmentasi primer di dalam tuyere. Dalam kondisi ini, permukaan eksternal partikel dapat mengeras akibat reaksi dengan oksigen atau annealing termal sebelum devalatilisasi lengkap inti partikel. Ini mengarah pada fragmentasi meledak partikel.

Reaktivitas char meningkat dengan kandungan VM batubara karena perubahan morfologi char, namun pada suhu yang relevan dengan pembakaran char di jalan balapan, reaktivitas kimia memiliki arti yang sangat sedikit karena laju pembakaran dibataskan oleh laju difusi oksigen ke partikel, dan waktu pembakaran lebih bergantung pada ukuran partikel dan konsentrasi oksigen. Kandungan abu yang tinggi di dalam char mempengaruhi perilaku pembakaran secara negatif. Kemampuan pembakaran batubara LV dapat ditingkatkan dengan mencampur dengan batubara HV, karena batubara HV mengurangi waktu pengapalan dan meningkatkan suhu di dalam tuyere.

Komposisi abu char yang tidak terbakar dapat mempengaruhi efek katalitik abu terhadap reaksi solution loss. Bergantung pada komposisinya, abu juga dapat menahan konversi karbon karena penurunan pori char akibat proporsi pembentukan lumpur yang meningkat di partikel char. Meskipun sebagian besar char dikonsumsi oleh reaksi di dalam tanur karena reaktivitas char yang jauh lebih tinggi dibandingkan kok, biasanya dipercaya bahwa char yang tidak terbakar memainkan peran signifikan dalam deaktivasi deadman dengan mengurangi permeabilitas deadman terhadap aliran gas dan cair. Penurunan permeabilitas dianggap meningkat seiring dengan peningkatan tingkat injeksi karena kemampuan pembakaran batubara menurun akibat penurunan rasio udara berlebih. Sebagian char yang tidak terbakar dapat ditangkap oleh lumpur titik, meskipun jumlah char yang ditangkap ini dipengaruhi oleh perilaku non-basabilitas char dengan lumpur kaya besi.

Fragmentasi batubara/char dan pembakaran yang dikontrol oleh difusi adalah alasan utama mengapa VM memiliki efek kecil pada kemampuan pembakaran batubara PCI.

Penumpukan Char yang Tidak Terbakar di Tanur Tiup

Penumpukan char yang tidak terbakar dan debu kok di zona bawah tanur tiup adalah fenomena kompleks yang terdiri dari beberapa mekanisme pembentukan seperti reaksi, aliran multi-fasa, penumpukan, dan re-entrainment. Telah ditunjukkan baik oleh pengukuran di dalam tanur tiup dan secara numerik bahwa bentuk dan ukuran jalan balapan berubah secara dinamis dengan penumpukan dan re-entrainment bubuk di zona bawah. Perubahan ini memiliki sekitar dua periode, periode yang lebih pendek adalah fluktuasi biasa di dalam jalan balapan dan periode yang lebih lama sesuai dengan perubahan besar dengan aliran akibat penumpukan bubuk. Ini adalah perubahan besar dalam aliran gas yang dapat mengarah pada kecepatan gas tinggi di dekat dinding tanur tiup resulting in kehilangan panas yang lebih tinggi dan aus dinding tanur tiup.

Penumpukan bubuk di kandungan padat telah diperiksa, secara eksperimental dan numerik. Kerja eksperimental di kandungan padat 2-dimensional menggunakan partikel 3 mm dan bubuk 0,075 mm telah menunjukkan pengaruh muatan bubuk dan kecepatan gas superficial terhadap penumpukan bubuk di daerah yang sesuai dengan lantai dan sarang burung di jalan balapan. Pengaruh berbagai bentuk zona kohesi terhadap penumpukan partikel juga telah ditunjukkan secara eksperimental. Analisis numerik mampu menunjukkan banyak perilaku penumpukan yang sama seperti data uji eksperimental. Analisis numerik ini juga telah menunjukkan pengaruh signifikan ukuran bubuk terhadap penumpukan bubuk di zona deadman.

Analisis numerik dari pengaruh bubuk halus (char yang tidak terbakar dan debu kok halus) yang telah dilakukan telah menunjukkan bahwa char yang tidak terbakar dan debu kok yang memiliki diameter dan densitas yang berbeda memiliki pola aliran yang berbeda, area penumpukan, dan zona reaksi. Densitas bubuk yang dihasilkan memiliki efek yang signifikan pada pola aliran bubuk terutama untuk partikel yang lebih besar. Saat partikel bubuk menjadi lebih besar dari 1 mm kecenderungannya adalah untuk mengendap dari gas yang mengalir ke atas dan menurun ke deadman sehingga mengurangi permeabilitasnya. Char yang tidak terbakar apa pun secara preferensi dibawa dengan aliran gas ke wilayah atas tanur tiup di mana bereaksi dengan besi mentah titik dan / atau gas. Terdapat beberapa bukti keberadaan sarang burung dengan kandungan debu yang sangat tinggi. Jumlah debu bergantung pada kualitas kok dan pada tingkat PCI. Debu kok yang besar dan lebih berat cenderung meninggalkan aliran gas dan menumpuk di zona deadman dengan efek buruk terhadap permeabilitas zona bawah.

Analisis numerik terbaru dan sampel fisik telah mengonfirmasi bahwa jumlah char yang tidak terbakar yang menumpuk di zona deadman relatif kecil dan tidak meningkat seiring dengan peningkatan tingkat PCI. Dengan demikian, char yang tidak terbakar memiliki pengaruh kecil pada bagian bawah tanur dan peningkatan resistensi permeabilitas. Kemungkinan besar penumpukan debu kok halus memiliki pengaruh yang lebih signifikan pada permeabilitas tanur tiup daripada yang dimiliki char yang tidak terbakar.

Pengaruh Properti Kok

Sering dinyatakan kebutuhan akan sinter dan kok berkualitas tinggi adalah penting untuk mencapai tingkat PCI tinggi dan mempertahankan produktivitas yang tinggi. Sangat penting untuk meningkatkan permeabilitas keseluruhan tanur tiup untuk mencapai produktivitas yang tinggi pada tingkat PCI tinggi. Biasanya tanur tiup dengan operasi PCI tinggi menggunakan kok kekuatan tinggi (dalam hal indeks drum) dan sinter SiO2 rendah dan AL2O3 rendah dengan properti reduksi suhu tinggi yang luar biasa. Beberapa tanur tiup Asia mencapai produktivitas tinggi dengan tingkat PCI melebihi 200 kg/tHM dengan menggunakan bahan baku berkualitas tinggi.

Berdasarkan pengalaman industri, telah dilihat bahwa ukuran kok bosh meningkat dengan kekuatan dingin (I40), meningkat dengan kekuatan panas (CSR), meningkat dengan ukuran kok kasar, dan menurun dengan tingkat PCI. Hasil dari pengukuran tuyere di ‘Corus Ijmuiden BF’ telah menunjukkan bahwa satu poin I40 menghasilkan 1,5 persen lebih banyak kok bosh di atas 40 mm persegi. Terdapat bahwa tidak ada hubungan antara tingkat injeksi batubara dan jumlah debu kok di tingkat tuyere. Data untuk injeksi dan I40 menunjukkan bahwa ada degradasi kok maksimum pada sekitar tingkat PCI 120 kg/tHM.

Sebuah studi yang memeriksa perilaku kok di zona bawah tanur tiup pada tingkat PCI tinggi menemukan bahwa char secara preferensi dikonsumsi. Ini menurunkan konsentrasi CO2 di sekitar partikel kok dan memperluas lapisan reaksi kok di sekitar permukaan dan ke dalam partikel. Dalam kehadiran char yang ditiup, ketahanan aus kok meningkat dan volume pori total di dalam kok meningkat. Peningkatan ketahanan aus ini dengan peningkatan tingkat PCI dapat menjadi alasan peningkatan ukuran kok bosh pada tingkat PCI tinggi.

Analisis sampel kok yang diambil di tingkat tuyere telah menunjukkan bahwa, pada tingkat PCI tinggi, properti suhu tinggi (CSR dan CRI) memiliki efek positif yang lebih besar pada permeabilitas dibandingkan properti kekuatan dingin. Tampaknya permeabilitas tidak ditingkatkan setelah nilai CSR sekitar 65 persen hingga 70 persen.

Dalam studi dengan data beberapa tanur tiup dengan tingkat PCI di atas 170 kg/tHM, tanur tiup memiliki indeks dapur (HI = CRI – 2,5 x CSR + 100 persen) di atas 97 persen, meskipun tidak ada hubungan yang jelas antara HI dan tingkat injeksi yang ditemukan. Telah juga diamati bahwa produktivitas meningkat dengan HI. Telah juga disarankan bahwa pada tingkat PCI tinggi kok harus menahan aus (I10 rendah) dan memiliki CSR tinggi.

Dalam studi yang memeriksa pengaruh kualitas kok pada produktivitas tanur tiup, indeks kualitas kok global telah dikembangkan. Indeks ini memberikan indikasi tentang variasi panas di bagian bawah tanur tiup dan therefore ide tentang permeabilitas dapur dan shaft tanur tiup. Indeks kualitas kok global ini telah didefinisikan oleh persamaan Iglobal.kok = 0,5 x [(I40 – 3,42 x I10 + 100) + (CSR – 2,6 x CRI + 100)]. Variasi dalam variasi panas di bagian bawah tanur tiup dapat dijelaskan oleh variasi Iglobal.kok. Indeks ini digunakan di beberapa pabrik untuk menentukan strategi operasi tanur tiup, jika Iglobal.kok rendah tingkat injeksi batubara dan produksi dikurangi. Terdapat pertimbangan bahwa penambahan batubara yang tidak terbakar ke debu kok yang ada mengarah pada permeabilitas lebih rendah di zona deadman resulting in stabilitas kandungan kok yang berkurang.

Namun, permeabilitas ditemukan menurun seiring dengan peningkatan kandungan VM dan rentang ukuran yang lebih halus dari batubara yang digerus. Penjelasan untuk ini adalah bahwa seiring dengan peningkatan kemampuan pembakaran batubara (kandungan volatil yang meningkat dan/atau penggerusan yang lebih halus), ada pembakaran yang lebih besar di dalam tuyere giving volume gas yang lebih besar yang ditiup ke dalam jalan balapan, leading to momentum tiupan yang lebih besar. Momentum tiupan yang lebih besar ini menyebabkan peningkatan kedalaman jalan balapan dan peningkatan degradasi kok jalan balapan, which leads to carry-over debu kok yang meningkat.

Dalam studi yang memeriksa pengaruh energi tiupan pada pembentukan jalan balapan, hubungan linier antara energi tiupan dan kedalaman jalan balapan telah terlihat. Model 2-dimensional dari jalan balapan menunjukkan hubungan linier antara kecepatan tiupan dan kedalaman jalan balapan untuk ukuran kok dan dimensi tanur tiup yang konstan. Peningkatan ketidakstabilan deadman dan degradasi kok akibat peningkatan momentum tiupan telah dimodelkan dalam studi lain. Model-model ini menunjukkan bahwa kedalaman jalan balapan meningkat secara linier dengan kecepatan tiupan untuk kekuatan kok yang konstan.

Menggunakan data dari berbagai studi, variasi momentum tiupan dengan kandungan karbon batubara yang ditiup diperkirakan. Ini mampu menunjukkan bagaimana peringkat batubara yang ditiup mempengaruhi pembentukan debu kok. Batubara volatil tinggi tipikal menghasilkan hingga dua kali lebih banyak debu kok dibandingkan batubara PCI volatil rendah akibat peningkatan momentum tiupan yang timbul dari pembakaran volatil di dalam tuyere. Data operasional menunjukkan bahwa, pada tingkat injeksi sekitar 170 kg/tHM, permeabilitas dan produktivitas meningkat ketika kedalaman jalan balapan ditingkatkan (momentum tiupan yang lebih tinggi). Memperluas jalan balapan mengurangi area deadman dan therefore meningkatkan area tempat besi mentah dan lumpur dapat menurun dan di mana aliran gas dapat naik.

Di Eropa, kekuatan kok dingin dan di Jepang, kekuatan kok panas digunakan sebagai parameter kok untuk memantau kualitas kok oleh banyak pabrik yang beroperasi dengan tingkat PCI tinggi. Terdapat bukti bahwa kekuatan kok saja tidak cukup untuk memprediksi degradasi kok akibat mekanisme fisik dan kimia.

Pengaruh Kimia Abu Batubara terhadap Viskositas Lumpur

Viskositas lumpur dapat mempengaruhi produktivitas tanur tiup karena produktivitas terkait dengan fenomena banjir yang dapat terjadi di zona bawah tanur tiup. Viskositas lumpur dapat mempengaruhi permeabilitas secara buruk dan faktor banjir cair. Sampel tuyere dari tanur tiup Jepang telah memberikan wawasan berharga tentang pengaruh abu dari batubara yang ditiup pada properti fisik lumpur titik dan permeabilitas wilayah yang mengelilingi jalan balapan untuk produktivitas tinggi dan operasi dengan tingkat PCI tinggi.

Pada tahun-tahun terakhir, telah ada beberapa studi tentang prediksi viskositas lumpur karena pentingnya perilaku aliran lumpur di tanur tiup. Dalam salah satu studi, model viskositas quasi-kimia telah dikembangkan untuk lumpur cair sepenuhnya dalam sistem Al2O2-CaO-FeO-MgO-SiO2, yang telah menunjukkan kesepakatan yang baik antara data eksperimental dan prediksi pada seluruh rentang komposisi. Komposisi lumpur mempengaruhi suhu cairan dalam sistem SiO2-CaO-MgO-Al2O3. Suhu kritis lumpur di mana viskositas lumpur berubah secara tiba-tiba telah dijelaskan. Pada dasaritas kurang dari 1,3, suhu kritis sekitar 1340 derajat C dan pada dasaritas lebih dari 1,3, suhu kritis sekitar 1380 derajat C. Penurunan kandungan MgO lumpur menurunkan viskositas lumpur namun suhu lumpur adalah faktor utama.

Sebuah studi laboratorium telah menunjukkan bahwa pencampuran fluks bubuk dengan abu dari kok dan batubara mengurangi titik leleh lumpur tuyere lebih dari 200 derajat C. Pada saat yang sama viskositas lumpur sangat ditingkatkan. Dalam studi lain, reaksi di antarmuka char yang tidak terbakar dan besi telah diperiksa. Terdapat bahwa pelarutan karbon ke dalam besi cair dipengaruhi lebih oleh kimia lapisan abu yang terbentuk di antarmuka dibandingkan faktor lain. Peningkatan kandungan silika memperlambat pelarutan karbon. Penguapan silikon dapat terjadi pada beberapa batubara. Selanjutnya, telah ditunjukkan bahwa pembentukan besi ferritik di permukaan juga dapat memperlambat pelarutan karbon.

Alkali dari kok atau PCI yang paling menarik bagi operator tanur tiup adalah Na2O dan K2O. Di dalam tanur tiup ada sirkulasi ulang alkali karena uap alkali yang dihasilkan di bagian bawah tanur terkondensasi di wilayah atas tanur. Beban alkali yang tinggi dapat menyebabkan pembentukan scabs (skulls) pada dinding tanur tiup resulting in ketidakteraturan tanur tiup seperti gantungan dan geser. Kandungan klorin dari batubara yang ditiup dapat meningkatkan sirkulasi ulang alkali di dalam tanur tiup. Tingkat beban sirkulasi ulang dapat dikontrol dengan menyesuaikan volume lumpur dan kimia.

Hasil studi tentang pengaruh alkali di tanur tiup menunjukkan bahwa penurunan dasaritas lumpur, penurunan suhu dapur, peningkatan suhu gas atas, penggunaan beban muatan alkali rendah adalah faktor penting dalam kontrol alkali di tanur tiup. Pengendalian paling efektif adalah membatasi input alkali ke 2,0 kg/tHM hingga 2,5 kg/tHM. Interaksi utama alkali dengan kok terjadi saat kok melewati zona sirkulasi ulang menjadi kaya alkali. Ini melemahkan kok dan membuatnya lebih rentan terhadap patah. Tingkat efek ini mungkin tergantung pada jenis tekstur karbon. Kok kehilangan alkalinya saat melanjutkan ke bawah tanur melalui zona suhu tinggi di dekat jalan balapan.

Dengan PCI alkali dari batubara yang ditiup menguap di jalan balapan dan kemudian karena penurunan suhu terkondensasi di zona deadman. Nilai puncak kandungan alkali sekitar 2 m dari hidung tuyere. Penumpukan alkali di dalam zona deadman dapat menyebabkan masalah permeabilitas terkait dengan aliran besi mentah ke dapur. Dalam salah satu studi tentang efek klorin dan alkali pada operasi tanur tiup, telah ditemukan bahwa pengurangan input klorin dan alkali meningkatkan permeabilitas tanur tiup.