Injeksi Gas Bakok: Meningkatkan Efisiensi Tanur Blast dan Mengurangi Emisi CO2

Injeksi Gas Bakok dalam Tanur Blast

Industri besi dan baja adalah salah satu konsumen energi utama dan oleh karena itu bertanggung jawab atas emisi karbondioksida (CO2) yang tinggi. Meskipun penurunan yang menakjubkan dalam emisi CO2 spesifik oleh sebagian besar pabrik baja, jumlah total emisi CO2 terus meningkat di seluruh dunia seiring dengan peningkatan produksi baja yang telah mencapai level 1606 juta ton pada 2013. Bukan waktu lagi industri baja menghadapi permintaan yang meningkat untuk meminimalkan konsumsi energi dan emisi gas, terutama dari proses pembuatan besi. Penggunaan yang efisien dari gas hasil samping sangat penting untuk keuntungan operasi pabrik baja karena volume energi tinggi dan biaya yang terlibat. Injeksi gas bakok (COG) ke dalam tanur blast modern adalah salah satu langkah efektif bagi industri baja untuk mencapai pembuatan besi rendah karbon, hemat energi, dan pengurangan emisi.

Produksi dan Komposisi Gas Bakok

Koks adalah input penting dalam proses pembuatan besi dan diproduksi dengan memanaskan batubara dalam oven koks. Untuk membuat koks, batubara dipanaskan tanpa oksigen untuk mengusir materi volatal darinya. COG dihasilkan sebagai hasil samping dari proses dalam bateri oven koks byproduct yang biasanya dipasang di pabrik baja. Jumlah spesifik COG yang dihasilkan selama pembuatan koks dalam oven koks byproduct berada dalam rentang 290 hingga 340 N cum/t muatan batubara tergantung pada materi volatal dalam muatan batubara.

COG saat ini digunakan setelah dibersihkan dari tar, naphthalene, benzen mentah, ammonia, dan sulfur untuk pemanasan stove tanur blast, pemanasan ignisi di pabrik sinter, pemanasan di pabrik gulung, dan generasi listrik di pembangkit listrik.

COG memiliki komposisi yang terdiri dari sekitar 55 %-58 % H2, 25 %-27 % CH4, 6 %-7 % CO dan persentase kecil CO2, N2, hidrokarbon dan elemen lain. Karena komposisi COG kaya akan hidrogen, hal ini telah menarik perhatian banyak dalam beberapa tahun terakhir untuk pemanfaatannya dalam proses reduksi.

Manfaat Injeksi COG ke Tanur Blast

COG juga dapat berfungsi sebagai redultan di tanur blast. Injeksi COG adalah proses yang melibatkan injeksi volume besar gas bakok ke dalam raceway tanur blast (BF). Ini tidak hanya menyediakan sumber karbon tambahan tetapi juga mempercepat produksi besi cair sambil mengurangi kebutuhan akan koks metalurgi untuk reaksi di tanur blast. Teknologi injeksi COG juga mengurangi emisi CO2 absolut serta emisi SO2 dari tanur blast.

Percobaan dengan injeksi gas ke dalam tanur blast dilakukan di Amerika Serikat pada pertengahan 1990-an.

Dalam upaya untuk menghemat energi dan mengurangi biaya, USS (US Steels) mengembangkan sistem di pabrik Mon Valley mereka yang terletak di luar Pittsburgh, Pennsylvania yang memungkinkan mereka untuk menggunakan COG di tanur blast mereka. Meskipun produsen baja lain di Amerika Utara telah mencoba ini, USS adalah yang pertama yang berhasil menggunakan COG di tanur blast. Untuk mencapai ini, USS secara menyeluruh membersihkan gas, meningkatkan tekanannya, dan menggunakan tuyere tanur blast yang dimodifikasi. Implementasi proyek ini telah berbiaya sekitar USD 6 juta dan menghasilkan hemat tahunan sebesar USD 6,1 juta, memberikan payback sederhana kurang dari satu tahun. Selain hemat biaya, injeksi COG ke dalam tanur blast juga berkontribusi pada penurunan konsumsi energi dan emisi CO2.

Injeksi COG ke dalam tanur blast mempengaruhi kondisi raceway dan reduksi bijih besi. Pembakaran hidrokarbon COG di depan tuyere oleh oksigen blast menghasilkan pengembangan gas karbon monoksida dan hidrogen yang meningkatkan potensi gas redultan atas N2. Perhitungan teoretis dan percobaan komersial yang dilakukan pada penggantian gas alam dengan COG di BF menunjukkan konsumsi koks yang lebih rendah dan produksi logam panas yang lebih tinggi. Efisiensi tinggi COG disebabkan oleh fakta bahwa ia mengandung 3,5–4 kali lebih sedikit hidrokarbon dibandingkan dengan gas alam. Ini meningkatkan pembakaran di hearth tuyere, mengaktifkan kolom koks, dan meningkatkan utilizasi gas di dalam tanur. Telah diperhatikan bahwa volume dan nilai kalorik yang lebih tinggi dari gas atas BF dapat dihasilkan melalui injeksi COG ke dalam tanur blast. Selain itu, suhu rata-rata karena injeksi COG meningkat dengan jarak dari ujung lancang.

Harus diperhatikan bahwa kondisi di raceway sangat kompleks dan juga mempengaruhi kondisi di tuyere dan oleh karena itu pembakaran gas redultan. Selanjutnya, kenaikan suhu lebih tinggi dalam kasus injeksi COG karena pembakaran yang lebih sempurna dan karena nilai pemanasan tinggi dari gas (sekitar 4000 hingga 4400 kcals per meter kubik normal).

COG yang diinjeksi di level tuyere biasanya diiringi oleh pengayaan oksigen pada blast udara panas. COG perlu dikompresi untuk injeksi dan oleh karena itu memerlukan unit kompresor yang berarti peningkatan konsumsi daya. Injeksi oksigen ke blast udara mengurangi aliran spesifik gas yang menyebabkan penurunan suhu atas dan kenaikan suhu api adiabatik raceway (RAFT) di tuyere. Efek-efek ini dikompensasi oleh injeksi COG. Dengan demikian, injeksi gabungan oksigen dan COG di level tuyere meningkatkan produktivitas tanur blast. Setiap 1 % pengayaan oksigen pada blast panas meningkatkan produktivitas sebesar 2,0 % hingga 2,5 %. Diagram skematik khas injeksi COG dalam tanur blast diberikan pada Gambar 1.

Gambar 1 Diagram skematik injeksi COG dalam tanur blast

Injeksi COG ke dalam tanur blast dilakukan di beberapa negara dengan tingkat injeksi yang bervariasi dari sekitar 30 hingga 280 N cum/tHM. Di beberapa tanur blast, COG hanya diinjeksi secara sesekali karena ketersediaannya yang terbatas di pabrik terpadu. Fleksibilitas pemanfaatan COG dapat ditingkatkan karena gas dapat dipindahkan antara tanur blast dan beberapa pengguna gas lain, tergantung pada kebutuhan saat itu. Dengan demikian, gas yang diinjeksi ke dalam tanur blast menggantikan agen redultan alternatif yang harus dibeli dari sumber eksternal.

Selanjutnya, telah dilaporkan bahwa level maksimum injeksi COG di tuyere tanur blast dianggap sebesar 0,1 ton COG/tHM berdasarkan kondisi termo kimia. Rasio penggantian koks/COG yang biasanya dicapai adalah 0,4-0,45 kg/N Cum (sekitar 0,98 ton koks/ton COG) dibandingkan dengan 0,8-0,85 kg/N cum untuk gas alam (NG).

Model matematis telah dikembangkan oleh MEFOS, Swedia untuk injeksi tuyere dalam tanur blast untuk mensimulasikan pembakaran saat menginjeksi gas redultan. Pemodelan matematis pada injeksi COG ke tuyere tanur blast menunjukkan bahwa kondisi pembakaran yang lebih baik dan tingkat injeksi yang lebih tinggi dicapai dengan menggunakan dua lancang injeksi dibandingkan satu lancang. Injeksi COG dengan satu lancang menghasilkan (i) tampilan suhu dan kecepatan yang sangat tidak homogen, (ii) aliran mencapai akhir raceway dengan kecepatan tinggi, (iii) suhu tertinggi di akhir raceway, dan (iv) tidak ada overheat pada tuyere. Injeksi COG dengan dua lancang menghasilkan (i) penurunan yang signifikan dalam kedalaman penetrasi, (ii) distribusi yang lebih homogen dari suhu, kecepatan dan konsentrasi gas, (iii) pembakaran yang lebih serupa seperti injeksi minyak berat, dan (iv) tidak ada overheat pada tuyere. Poin-poin lain terkait penggunaan satu lancang atau dua lancang dalam tanur blast khas adalah sebagai berikut.

• Saat menggunakan satu lancang injeksi, jumlah injeksi maksimum adalah 10 000 N cum/h. Jika jumlah injeksi lebih tinggi, sebagian gas tidak akan terbakar di tuyere tetapi akan masuk ke dalam tanur blast tanpa terbakar.
• Untuk dua lancang injeksi, jumlah injeksi maksimum meningkat menjadi 15 000 N cum/h, karena kondisi pembakaran yang lebih baik. Kondisinya lebih baik karena kecepatan inlet gas lebih rendah, turbulensi di pipa tuyere ditingkatkan, dan juga lebih banyak gas bakok dalam kontak dengan blast, yaitu area reaksi lebih besar.
• Efek dari variasi sudut injeksi lancang pada hasil yang diprediksi tidak jelas.

Garis besar sistem lancang tuyere khas ditunjukkan pada Gambar 2. Ini mencakup dua lancang injeksi untuk injeksi COG, yang dimasukkan ke dalam pipa blast, sebuah pipa blast, dan tuyere tembaga.

Gambar 2 Sistem lancang tuyere khas dengan dua lancang.