Granulasi Kering Lumpur Tanur Tinggi: Meningkatkan Pengemasan Energi & Keberlanjutan

Granulasi Kering Lumpur Tanur Tinggi untuk Pemulihan Energi

Sekitar 300 kg lumpur cair dihasilkan sebagai hasil samping saat memproduksi satu ton logam panas di tanur tinggi (BF). Lumpur ini pada suhu sekitar 1500 derajat C dan memiliki sensible heat sekitar 400 M Cal per ton. Lumpur BF kaya akan CaO, SiO2, Al2O3, dan MgO yang mirip dengan komponen semen Portland.

Ketika lumpur BF cair suhu tinggi didinginkan cukup cepat maka lumpur memiliki persentase besar fase glassy dengan aktivitas semen yang tinggi dan oleh karena itu dapat digunakan sebagai produk bernilai lebih tinggi, terutama untuk substitusi semen Portland. Ini juga cara yang baik untuk mengurangi emisi CO2 karena pembuatan semen juga menghasilkan sejumlah besar CO2.

Proses Granulasi Basah dan Kering

Untuk mendapatkan fase glassy di lumpur BF, lumpur BF cair ditiadapkan pada proses granulation air. Saat ini pendinginan cepat lumpur cair di pabrik granulation slag air tertutup adalah proses state of the art. Pendinginan cepat lumpur BF cair dalam air mencegah kristalisasi lumpur dan memecah lumpur menjadi partikel kecil karena thermal stress. Lumpur BF cair membeku dalam granulat amorf, disebut granulated BF slag. Tingkat non kristalisasi lumpur BF yang digranulasi air dapat mencapai tingkat 95 %. Sebaliknya, fase glassy yang diperoleh selama kristalisasi lumpur BF cair dengan pendinginan lambat di udara cukup terbatas.

Namun, granulation air lumpur BF cair mengkonsumsi volume air yang besar (1.000 hingga 1.500 liter evaporative loss per ton lumpur BF cair yang diproses) dan dapat menghasilkan acid mist yang menyebabkan pencemaran udara. Juga ada kebutuhan akan manajemen air yang tepat di satu sisi dan kebutuhan akan pengeringan granulated BF slag di sisi lain. Jadi, tidak hanya sensible heat lumpur BF cair yang hilang, tetapi juga diperlukan unit drying slag upstream untuk menggunakan granulated BF slag di industri semen. Proses drying biasanya mengkonsumsi energi panas hingga 72 M Cal/ton lumpur.

Di bidang dry granulation lumpur BF cair bersama dengan pemulihan panas, proses sedang dikembangkan di banyak negara. Pekerjaan yang dilakukan untuk pengembangan proses dijelaskan di bawah ini.

Kemajuan Pekerjaan di Eropa

Dalam proses yang sedang dikembangkan di subsidiar perusahaan steel negara bagian, Merox Ltd di Swedia lumpur digranulasi dengan memukul film jatuh lumpur dengan partikel lumpur yang telah membeku sebelumnya. Ini memecah film menjadi granulat yang kemudian jatuh ke dalam fluidized bed multistage dari mana panas dipulihkan. Dikatakan bahwa lebih dari 60 % sensible heat dalam lumpur dapat dipulihkan sebagai uap dengan metode ini dan produk lumpur memiliki konten glass yang tinggi membuatnya cocok untuk pembuatan semen.

Pada tahun 1990-an tes pertama dengan dry slag granulation dilakukan di British Steel (saat ini Tata Steel) di Redcar (UK). Jarak dari atomising cup ke dinding kamar sekitar 10 m untuk mencegah lumpur meleleh menempel. Partikel lumpur dengan kualitas dan struktur amorf yang sama seperti granulated slag yang dibuat oleh sistem basah dapat ditemukan, jadi tampaknya metode kering cocok di masa depan. Namun scaling up tidak dilakukan.

Pada tahun 2002 hingga 2004 granulator yang lebih kecil digunakan di Vitkovice di Republik Ceko. Tes ini juga berhasil. Granulator ini dirancang untuk aliran massa 20 kg/menit lumpur cair dan tanpa pemulihan panas juga.

Sebuah dry slag lab rig (singkat DSG) telah dipasang oleh Siemens VAI dalam kerja sama dengan Montanuniversität Leoben di ruang Chair of Thermal Processing Technology untuk penelitian dan pengembangan. Dalam proyek ini ada rekan mitra voestalpine Stahl GmbH, ThyssenKrupp Steel Europe AG dan FEhS-Institut für Baustoff-Forschung e.V. Proyek ini didanai oleh German Federal Ministry of Economics and Technology (BMWi). Rig DSG dikembangkan untuk menghindari aspek negatif dari proses granulation basah.

Tujuan utama DSG adalah produksi granulated slag untuk industri semen dengan properti yang hampir sama (> 95 % glassy) seperti metode basah di satu sisi dan mendapatkan udara panas dari pendinginan lumpur untuk pemulihan panas di sisi lain. DSG didasarkan pada ‘Rotating Cup’ atau juga disebut Davy principle, di mana lumpur meleleh diatomis oleh cup, yang dapat diputar pada kecepatan variabel. Partikel meleleh membeku selama penerbangan mereka menuju dinding granulator sebelum jatuh ke dalam fluidized bed yang dikembangkan dari partikel yang telah membeku sebelumnya.

Lab rig di Universitas Leoben dirancang berdasarkan hasil tes lab di FEhS-Institut dan pemodelan Siemens VAI untuk menemukan parameter operasi terbaik untuk menghasilkan granulated BF slag berkualitas tinggi dan suhu keluar udara tertinggi yang mungkin. Oleh karena itu sekitar 300 kg lumpur dilelehkan dalam ‘Flash-Reactor’ untuk setiap percobaan di bengkel Universitas. Lumpur cair dicabut ke dalam pot lumpur khusus yang dilapisi refraktori untuk mencegah kehilangan panas. Setelah itu pot lumpur dimanipulasi ke dalam unit miring, yang dipasang di dekat granulator. Pakan lumpur cair ke granulator dapat diukur dan dikontrol melalui load cells. Lumpur cair kemudian diirikan ke tengah granulator melalui slag runner dan tabung refraktori vertikal. Setelah diatomis, titik lumpur pendingin dengan cepat selama penerbangan mereka menuju dinding granulator setelah dibawa oleh cup yang berputar cepat. Permukaan partikel harus membeku selama waktu penerbangan singkat ini sebelum jatuh ke dalam fluidized bed yang dikembangkan dari granulated particles.

Pekerjaan di Australia

Penelitian di CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization), Australia telah menunjukkan pada skala laboratorium dan pilot bahwa dry granulation menghasilkan lumpur yang cocok sebagai pengganti semen; dan panas yang dilepaskan dari lumpur dapat ditangkap oleh volume udara yang kecil – membuat proses ini cocok untuk pemulihan panas grade tinggi. Sebuah proyek direncanakan dengan tujuan untuk mengembangkan teknologi dry granulation lebih lanjut, dengan penekanan khusus pada menggunakannya sebagai cara untuk menangkap panas limbah yang dilepaskan dari pendinginan lumpur dan mengembangkan know how untuk scaling up dari pilot ke skala industri. Pekerjaan ini merupakan bagian dari kontribusi industri steel Australia terhadap World Steel Association’s CO2 Breakthrough Program. Tujuan keseluruhan proyek adalah untuk mengembangkan proses dry granulation yang menghasilkan lumpur bernilai tinggi dan memungkinkan capture/recovery panas limbah yang dilepaskan dari pendinginan lumpur, sambil menunjukkan manfaat tekniko-ekonomi, energi dan keberlanjutan pada skala pilot. Proyek juga bertujuan untuk scaling up teknologi dan menunjukkannya melalui plant trials.

Konsep integrated dry granulation dan pemulihan panas telah berhasil divalidasi melalui fasilitas pilot prototipe di CSIRO. Proses yang dirancang berjalan dengan baik, menyediakan operasi yang halus dalam kondisi yang bervariasi dan laju cabutan lumpur yang tinggi. Banyak tes telah dilakukan menggunakan lumpur tanur tinggi industri dan produk yang digranulasi dikumpulkan. Produk tersebut dikarakterisasi dan dievaluasi terhadap properti semen. Evaluasi lebih lanjut oleh laboratorium pihak ketiga menemukan bahwa lumpur yang digranulasi kering memiliki properti semen yang baik dan cocok untuk produksi semen.

Evaluasi tekniko-ekonomi menunjukkan bahwa dry slag granulation memiliki keuntungan yang signifikan dibandingkan proses granulation basah dalam hal biaya modal dan operasional. Kunjungan pabrik dilakukan untuk mengumpulkan data tentang laju cor dan mengukur suhu lumpur dan logam panas dari tanur tinggi di One Steel’s Whyalla steelworks dan BlueScope Steel’s Port Kembla steelworks. Data ini dievaluasi lebih lanjut terkait dengan implementasi dry granulation dan hasilnya didokumentasikan dalam laporan.

Modeling komputasi fluida canggih (CFD) dari proses dry granulation berhasil dilakukan. Model CFD untuk transfer panas dan mekanika fluida dalam proses atomisasi cakram berputar disusun dan model divalidasi menggunakan data eksperimental dari plant pilot di CSIRO. Rencana bisnis draft untuk tahap-tahap berikutnya dari proyek telah dikembangkan.

Pekerjaan di Jepang

Di Jepang tiga skema terpisah sedang diselidiki. Sumitomo Metals Industries mengembangkan proses dry granulation untuk lumpur tanur tinggi di mana aliran lumpur pecah saat mengenai drum berputar. Partikel lumpur kemudian jatuh ke dalam fluidized bed di mana panas dipulihkan. Proses ini bertujuan untuk menghasilkan lumpur partikel untuk mengganti pasir sungai serta untuk memulihkan sekitar 55 % panas dalam lumpur meleleh dalam aliran udara panas. Mitsubishi Heavy Industries dan Nippon Kokan KK mengembangkan proses untuk granulating basic oxygen furnace slag menggunakan aliran udara kuat untuk memecah aliran lumpur. Partikel lumpur membeku saat bergerak melalui udara dan panas dipulihkan oleh radiasi dari spread partikel dan juga dari fluidized bed di mana partikel jatuh. The Kawasaki Steel Corporation juga mengembangkan proses untuk memulihkan panas dari lumpur tanur tinggi. Ini melibatkan granulasi lumpur dengan agitasi mekanis dan memulihkan panas dari proses granulation oleh radiasi dan kemudian dari partikel lumpur yang digranulasi di dalam fluidized bed. Produk lumpur digunakan sebagai agregat untuk industri konstruksi.

Dry Slag Granulation using a Rotary Cup Air Blast Atomizer

Proses dry slag granulation pada dasarnya adalah atomisasi lumpur cair dan kemudian pendinginan partikel dengan cepat untuk menghasilkan lumpur glassy. Atomisasi dilakukan menggunakan rotary cup air blast atomizer. Partikel pendingin saat bergerak melalui udara dan kemudian didinginkan lebih lanjut di dalam fluidized bed. Kedua proses ini memberikan pendinginan cepat yang diperlukan untuk pembentukan produk lumpur glassy. Fluidized bed adalah metode yang nyaman untuk menampung partikel lumpur karena mencegah aglomerasi partikel panas selain memberikan pendinginan cepat.

Partikel lumpur dengan diameter rata-rata sekitar 2 mm dapat dihasilkan oleh atomizer sehingga produk lumpur dalam bentuk yang mudah ditangani. Tes telah menunjukkan bahwa partikel lumpur didinginkan cukup cepat sehingga produk memiliki konten glass lebih dari 95 %. Juga sangat sedikit lumpur wool yang dihasilkan dalam proses. Prinsip rotary cup atomizer ditunjukkan dalam Fig 1.

Fig 1 Principle of rotary cup atomizer

Rotary cup air blast atomizer memiliki keuntungan berikut.

• Menawarkan kontrol yang sangat mudah. Ukuran partikel dapat dikontrol dengan mengubah kecepatan rotary cup atau aliran air blast. Atomizer ini juga menghasilkan rentang ukuran partikel yang relatif sempit. Masalah memiliki cup berputar dalam kontak dengan lumpur meleleh tidak perlu menjadi keterbatasan dan dapat diatasi dengan desain yang hati-hati dan pilihan material yang benar.
• Daya yang diperlukan untuk menggerakkan atomizer ini jauh lebih kecil daripada yang diperlukan oleh twin fluid atomizer. Twin fluid atomizer membutuhkan lebih dari 20 kali daya untuk mengatomis lumpur ke partikel ukuran yang mirip dengan yang diperlukan oleh rotary atomizer. Ini dapat mempengaruhi penghematan biaya keseluruhan dari proses pemulihan panas hingga 5 %.
• Trajektori partikel lumpur adalah ke luar dan ke atas. Gerakan ke atas berarti atomizer dapat digunakan di lokasi di mana ada ketinggian yang terbatas antara titik pengiriman lumpur dan tanah seperti dalam kasus di tanur tinggi di mana lumpur disuplai dari lantai cast house yang biasanya 7 m di atas tanah.

Rotary cup air blast atomizer beroperasi dengan memutarkan tipis film lumpur yang menjalar secara radial dari bibir cup. Saat film lumpur meleleh menjalar dari bibir cup, pecah sendiri. Namun kehadiran annular air jet di sekitar cup membantu pecahan lumpur dengan menginduksikan gelombang tidak stabil dalam film. Air blast memiliki efek menghasilkan partikel kecil dengan ukuran yang lebih seragam dan memegangkan partikel ke atas untuk menghasilkan spray berbentuk kerucut yang bergerak keluar dari atomizer.

Panas dipulihkan dari lumpur dengan cara berikut.

• Saat spray partikel lumpur bergerak keluar dari atomizer, panas hilang oleh radiasi ke dalam vessel dan oleh konveksi ke udara yang mengalir melalui vessel. Namun, karena waktu penerbangan pendek (sekitar 0,1 detik) suhu hanya turun sekitar 100-200 derajat C.
• Pada impact dengan dinding vessel, beberapa panas dipindahkan dari lumpur ke dinding. Dari tes ditemukan bahwa jika dinding tetap relatif dingin partikel lumpur tidak menempel ke dinding tetapi meloncat segera atau jatuh setelah waktu sangat singkat. Dalam kedua kasus waktu kontak antara partikel lumpur dan dinding vessel jauh lebih sedikit dari 0,1 detik dan lagi pengurangan suhu lumpur sekitar 150 derajat C.
• Lebih banyak panas hilang oleh radiasi dan konveksi saat partikel jatuh dari dinding ke dalam primary fluidized bed.
• Sisa pemulihan panas ada di dalam fluidized beds, oleh transfer panas hanya ke fluidizing air atau tambahan oleh boiler tubes yang direndam atau permukaan transfer panas lainnya. Di dalam fluidized bed, fluidizing air dan padatan keluar dari bed pada suhu yang sama dengan padatan di dalam bed. Suhu secondary bed harus dipilih dengan hati-hati. Jika suhu bulk lumpur partikel terlalu panas panas yang dapat dipulihkan dalam lumpur akan terbuang dan jika terlalu dingin kegunaan udara panas fluidizing saat keluar dari proses akan berkurang.

Pekerjaan eksperimental dilakukan dengan tujuan awal untuk meneliti apakah proses atomisasi akan menghasilkan partikel lumpur kecil dan apakah partikel memiliki struktur glassy. Sebuah rotary-cup, air-blast atomizer dibuat, dengan cup diameter 100 mm dan rentang kecepatan 500 -1500 rev/min. Laju aliran lumpur yang digunakan dalam tes bervariasi dari 0,2 kg/sec hingga 0,5 kg/sec. Tes dibatasi untuk durasi sekitar 2,5 menit karena kapasitas terbatas (sekitar 30 kg) dari furnace peleburan lumpur laboratorium.

Tes awal membuktikan bahwa proses bekerja; partikel kecil dengan 95% konten glass dihasilkan. Tes selanjutnya kemudian dilakukan untuk meneliti ukuran partikel dan trajektori spray yang dihasilkan oleh atomizer.

Sensible heat dalam lumpur meleleh relatif terhadap 30 derajat C saat keluar dari tanur tinggi pada 1500 derajat C sekitar 400 M Cal/kg. Dari total aliran lumpur, sekitar 14 % akan meluap ke dalam slag accumulator sebagai limbah seperti yang disebutkan di atas. Dari 86 % sisa, 32 % kandungan panas tidak dapat dipulihkan karena hal berikut.

• Latent heat of crystallization tidak dilepaskan ketika lumpur glassy terbentuk
• Produk lumpur padat dikeluarkan dari proses pemulihan panas pada 250 derajat C
• Kehilangan panas terjadi di dalam slag accumulator

Jadi, hanya 58,5 % kandungan sensible heat dari lumpur yang dikeluarkan dari tanur tinggi dapat dipulihkan.

Tantangan utama dari proses dry granulation adalah untuk memastikan freezing lumpur yang cepat untuk mencapai titik transformasi lumpur sangat cepat. Jika tidak lumpur yang telah membeku tidak sepenuhnya glassy tetapi sebagian kristal yang tidak cocok untuk penggunaan lebih lanjut di industri semen. Pendinginan dengan udara jauh lebih sulit karena kapasitas panas yang jauh lebih rendah dibandingkan dengan air yang digunakan di pabrik granulation lumpur konvensional. Lebih lanjut udara memanas saat mengalir melalui bed yang diagitasi. Jadi lebih lanjut perbedaan suhu memperburuk proses pendinginan.

Kampanye awal menunjukkan hasil yang menjanjikan mengenai konten glass, distribusi ukuran butir dan bentuk partikel. Juga peningkatan suhu off gas yang signifikan dapat diukur. Dengan data yang diperoleh, optimasi proses dapat dilakukan dan scaling up untuk penelitian lebih lanjut dapat direalisikan di masa depan. Penggunaan dry slag granulation di pabrik steel terpadu akan mendapatkan akses ke sensible heat dari lumpur tanur tinggi. Energi yang dipulihkan dapat digunakan untuk produksi uap atau listrik atau untuk proses pemanasan awal yang berguna lainnya. Potensi energi untuk pemulihan 20 MW energi termal atau alternatif sekitar 6 MW listrik dari feed lumpur satu ton per menit dapat dihitung. Tanpa kebutuhan sistem drying upstream untuk lumpur tanur tinggi energi dan sebagai konsekuensi CO2 dapat dihemat. Secara ringkas dry granulation lumpur tanur tinggi memungkinkan pemrosesan lanjutan yang ramah lingkungan dan berkelanjutan untuk salah satu potensi pemulihan panas besar di tanur tinggi modern.