Meningkatkan Efisiensi Pemanasan Ulang Baja dengan Pembakaran Oxy-Fuel dan Pemangkar Regeneratif

Pemanasan ulang baja adalah proses yang intensif energi yang memerlukan distribusi suhu yang seragam dalam tungku pemanasan ulang. Secara historis, pemulih panas telah digunakan untuk memanaskan ulang udara pembakaran, sehingga menghemat energi. Inovasi yang lebih baru meliputi enriching oksigen (O2) dan penggunaan pemangkar regeneratif, yang menyediakan suhu udara pram panas yang lebih tinggi daripada pemulih panas. Proses ini memiliki keterbatasan seperti degradasi peralatan, penurunan efisiensi energi seiring waktu, biaya pemeliharaan yang tinggi, dan emisi NOx yang meningkat dengan suhu pram panas udara yang meningkat, kecuali jika peralatan khusus digunakan.

Tiga hal diperlukan untuk memulai dan mempertahankan pembakaran. Ini adalah bahan bakar, oksigen, dan energi yang cukup untuk nyala. Efisiensi proses pembakaran paling tinggi jika bahan bakar dan oksigen dapat bertemu dan bereaksi tanpa batasan apa pun. Namun selama praktik pemanasan, selain pembakaran yang efisien, transfer panas juga merupakan pertimbangan praktis.

Udara normal yang digunakan untuk pembakaran mengandung nitrogen (N2) dan argon (Ar) selain oksigen. Dalam pemangkar udara-bahan bakar, nyala pemangkar mengandung nitrogen dari udara pembakaran. Jumlah energi bahan bakar yang signifikan digunakan untuk memanaskan nitrogen ini. Nitrogen panas keluar melalui tiap, menciptakan kerugian energi. Oleh karena itu udara tidak memberikan kondisi optimal untuk pembakaran serta transfer panas. Panas yang diserap nitrogen atau terbuang atau harus dipulihkan untuk tujuan konservasi energi. Sistem pemanasan udara-bahan bakar terbaik saat ini dalam tungku pemanasan ulang membutuhkan setidaknya 310 M Cal untuk satu ton baja untuk mencapai suhu yang tepat produk baja untuk bergulir.

Secara historis, penggunaan utama pembakaran oxy-fuel telah berada dalam pengelasan dan pemotongan logam, terutama baja, karena oxy-fuel memungkinkan suhu nyala yang lebih tinggi daripada yang dapat dicapai dengan nyala udara-bahan bakar. Perkenalan teknologi pemangkar oxy-fuel inovatif (menggunakan 100% oksigen) untuk pemanasan ulang baja adalah fenomena yang cukup baru. Konsep pembakaran oxy-fuel diajukan pada tahun 1982 oleh Abraham dalam konteks menyediakan gas buang kaya karbon dioksida (CO2). Debido kepada manfaat potensial, Argonne National Laboratory (ANL) melakukan beberapa kegiatan penelitian termasuk studi techno-ekonomi dan studi skala pilot tentang subjek ini.

Oxy-fuel merujuk pada praktik penggantian udara sepenuhnya sebagai sumber oksidator untuk pembakaran dengan oksigen kelas industri. Oksigen kelas industri didefinisikan sebagai oksigen cair yang diubah menjadi gas atau oksigen yang dihasilkan di lokasi. Pasokan oksigen cair biasanya memiliki kemurnian di atas 99.99% sementara kemurnian oksigen yang dihasilkan di lokasi biasanya dalam rentang 90% hingga 93%. Keuntungan menggunakan oksigen yang dihasilkan di lokasi adalah biaya lebih rendah karena produk tidak perlu dicairkan atau diangkut dan dikirimkan pada tekanan lebih rendah untuk meminimalkan konsumsi daya. Di pabrik baja terpadu di mana terdapat pemisah udara untuk pembuatan baja, oksigen dengan kemurnian tinggi (99.99%) dapat disuplai melalui pipa dari pemisah udara.

Ketika gas nitrogen dihindari dengan penggunaan oksigen kelas industri seperti dalam kasus pembakaran oxy-fuel, maka tidak hanya pembakaran itu sendiri lebih efisien tetapi juga transfer panas. Pembakaran oxy-fuel mempengaruhi proses pembakaran dalam beberapa cara. Hasil yang pertama dan jelas adalah peningkatan efisiensi termal karena volume gas buang yang berkurang, hasil yang fundamental dan berlaku untuk semua jenis pemangkar oxy-fuel. Selain itu, konsentrasi produk pembakaran yang sangat meradiasi, CO2 dan H2O, meningkat dalam atmosfer tungku. Untuk operasi pemanasan, kedua faktor ini menghasilkan laju pemanasan yang lebih tinggi, penghematan bahan bakar, emisi CO2 dan NOx yang lebih rendah, dan emisi SOx yang lebih rendah jika bahan bakar mengandung sulfur. Gambar 1 menunjukkan proses pembakaran oxy-fuel dan udara-bahan bakar.

Gambar 1 Proses pembakaran oxy-fuel dan udara-bahan bakar

Pembakaran oxy-fuel ditemukan berbeda dari pembakaran udara dalam banyak cara, termasuk suhu nyala yang lebih rendah dan penyaluran nyala yang tertunda. Banyak efek pembakaran oxy-fuel dapat dijelaskan oleh perbedaan properti gas antara CO2 dan N2, gas pengencer utama dalam oxy-fuel dan udara masing-masing. CO2 memiliki properti yang berbeda dari N2 yang mempengaruhi baik transfer panas maupun kinestika reaksi pembakaran. Perbedaan ini dijelaskan di bawah ini.

• Densitas - Bobot molekular CO2 adalah 44, dibandingkan 28 untuk N2, sehingga densitas gas buang lebih tinggi dalam pembakaran oxy-fuel.
• Kapasitas panas - Kapasitas panas CO2 lebih tinggi dari N2.
• Difusivitas - Laju difusi oksigen dalam CO2 adalah 0,8 kali dalam N2.
• Properti radiasi gas tungku: - Pembakaran oxy-fuel memiliki tingkat CO2 dan H2O yang lebih tinggi, keduanya memiliki daya sinar yang tinggi.

Dibandingkan dengan udara-bahan bakar, oxy-fuel menghasilkan pemanasan produk baja yang jauh lebih efisien dan lebih cepat. Efisiensi termal oxy-fuel sekitar 80% dibandingkan efisiensi udara-bahan bakar yang sekitar 40% hingga 60%. Dengan oxy-fuel ada peningkatan produktivitas dan penurunan konsumsi bahan bakar untuk memanaskan produk baja ke suhu yang diinginkan. Penggunaan oxy-fuel juga meningkatkan keseragaman suhu dan menghasilkan emisi yang lebih rendah ke lingkungan.

Keuntungan umum dari penggantian udara dengan oksigen kelas industri adalah konten nitrogen yang dibawa ke proses pembakaran dengan udara hampir atau sepenuhnya dihilangkan. Pengurangan nitrogen dalam pembakaran memungkinkan suhu nyala dan efisiensi pembakaran yang lebih tinggi karena volume gas pembakaran yang lebih rendah mengurangi jumlah panas yang diambil dari nyala dan hilang ke buang. Selama pembakaran oxy-fuel, gas yang terdiri terutama dari CO2 dan air dihasilkan.

Transfer panas oleh pembakaran oxy-fuel ditandai oleh transfer lokal yang signifikan karena emisivitas tinggi (konsentrasi CO2 dan H2O yang signifikan dalam nyala) dan volume nyala yang berkurang yang menghasilkan pertama-tama kemampuan yang ditingkatkan untuk mentransfer energi ke beban dan kedua keuntungan tambahan dalam efisiensi energi.

Untuk operasi pemanasan berkelanjutan, juga mungkin untuk secara ekonomis mengoperasikan tungku pemanasan ulang pada suhu yang lebih tinggi di sisi masuk tungku. Ini lebih meningkatkan throughput yang mungkin dari tungku pemanasan ulang. Telah diamati bahwa efisiensi energi pembakaran oxy-fuel setara atau bahkan lebih baik daripada tungku pemanasan ulang yang memiliki peralatan untuk udara pembakaran yang sangat dipanaskan. Oleh karena itu, manfaat penggunaan oxy-fuel dibandingkan dengan pembakaran udara-bahan bakar adalah sebagai berikut.

• Oxy-fuel menghasilkan peningkatan signifikan dalam panas yang tersedia (total input energi dikurangi energi yang hilang ke buang) dibandingkan pembakaran udara-bahan bakar. Peningkatan panas yang tersedia secara langsung terkait dengan pengurangan konsumsi energi.
• Peningkatan panas tersedia pembakaran berarti lebih sedikit panas yang hilang ke buang dan persentase yang lebih besar dari total input energi tersisa untuk melakukan kerja di tungku. Oleh karena itu, ketika panas yang tersedia ditingkatkan, jumlah total input energi yang diperlukan untuk melakukan jumlah kerja yang konstan berkurang.
• Laju pemanasan yang meningkat menghasilkan produksi yang lebih tinggi. Batas praktis untuk peningkatan produksi bergantung pada kemampuan beban untuk menyerap panas dan waktu serta suhu di mana paparan beban terhadap panas. Pengalaman dari berbagai instalasi oxy-fuel adalah bahwa throughput produk dapat ditingkatkan dalam sebagian besar operasi tanpa meningkatkan titik suhu tungku, dengan pengecualian tungku pemanasan ulang yang sudah memenuhi batas ramping suhu yang ditetapkan. Selain peningkatan panas yang tersedia, suhu nyala oxy-fuel yang lebih tinggi dan potensi radiasi gas pembakaran memiliki dampak positif pada kapasitas pemanasan dan laju produksi.
• Karena transfer panas radiasi bergantung pada perbedaan suhu dari sumber ke penerima ke pangkat keempat, pembakaran oxy-fuel menghasilkan peningkatan besar dalam potensi radiasi nyala ke beban. Produk pembakaran dari oxy-fuel juga merupakan sumber transfer panas radiasi yang lebih baik. Ini adalah karena mayoritas produk pembakaran udara-bahan bakar adalah nitrogen yang bukan mekanisme transfer panas radiasi yang efisien seperti karbon dioksida dan uap air yang membentuk mayoritas produk pembakaran oxy-fuel.
• Emisi tungku yang berkurang - Volume buang jauh lebih rendah dengan oxy-fuel. Total volume buang dengan oxy-fuel umumnya 70% hingga 90% lebih rendah dari total volume buang udara-bahan bakar. Hasil yang paling jelas dari penggunaan oxy-fuel adalah konsumsi bahan bakar berkurang. Dengan pengurangan konsumsi bahan bakar emisi CO2 lebih rendah dalam waktu tertentu atau per unit beban yang dipanaskan. Dengan pembakaran oxy-fuel tekanan parsial nitrogen dalam produk pembakaran sangat berkurang sehingga menurunkan potensi pembentukan NOx bahkan pada suhu nyala yang tinggi.
• Konsentrasi polutan dalam gas buang lebih tinggi, sehingga pemisahan menjadi lebih mudah
• Gas buang terutama CO2, cocok untuk sekvestrasi

Selain manfaat yang disebutkan di atas, opsi penggunaan pembakaran oxy-fuel terkadang dapat menghasilkan investasi modal yang lebih rendah dibandingkan metode lain untuk meningkatkan efisiensi seperti pemulih panas atau peralatan kontrol emisi. Pembakaran oxy-fuel memungkinkan semua pipa instalasi dan aliran aliran menjadi kompak tanpa kebutuhan untuk unit pemulihan panas pemulihan atau regeneratif. Ini juga secara drastis mengurangi ukuran fisik pemangkar, tungku, dan saluran gas buang serta tidak ada kebutuhan untuk kipas ventilasi listrik. Juga kipas udara pembakaran dan masalah kebisingan frekuensi rendah yang terkait dihindari. Lebih lanjut, dalam beberapa kasus konversi ke pembakaran oxy-fuel telah menghasilkan kerugian skala yang lebih rendah karena kontrol yang lebih baik dan waktu pemanasan yang lebih singkat.

Nyala oxy-fuel memiliki suhu yang lebih tinggi dengan volume dan panjang yang lebih sedikit daripada nyala udara-bahan bakar. Karakteristik nyala dengan oxy-fuel perlu dipertimbangkan saat merancang sistem pemangkar oxy-fuel untuk aplikasi pemanasan ulang baja. Secara umum, pemanasan baja memerlukan distribusi suhu yang merata sehingga pemanasan berlebihan atau kurang pada produk terhindar. Jenis dan penempatan pemangkar oxy-fuel bergantung pada jenis tungku dan kedekatan nyala dengan produk baja.

Sambil memberikan manfaat signifikan untuk efisiensi, volume produk pembakaran yang rendah dengan oxy-fuel memerlukan perhatian khusus saat merancang sistem kontrol pembakaran. Kontrol yang tepat terhadap rasio pembakaran sangat penting untuk proses pemanasan baja karena produk pembakaran membentuk atmosfer pemanasan dan pada akhirnya mempengaruhi laju dan jenis pembentukan skala. Dalam sistem pembakaran udara-bahan bakar, volume nitrogen yang tinggi yang dibawa ke proses pembakaran dengan udara memberikan pembam atau faktor keamanan terhadap perubahan rasio udara terhadap bahan bakar. Dengan oxy-fuel pembam ini hampir sepenuhnya dihilangkan. Ini berarti bahwa perubahan persen dalam rasio oksigen terhadap bahan bakar dengan oxy-fuel akan memiliki dampak yang lebih besar pada atmosfer tungku pemanasan daripada perubahan yang sama dengan udara-bahan bakar.

Perubahan dalam atmosfer tungku dengan oxy-fuel tidak memiliki efek berbahaya pada pembentukan skala dan dalam beberapa kasus telah terbukti menjadi manfaat. Tekanan parsial CO2 dan H2O yang lebih tinggi dalam produk pembakaran menyediakan mekanisme transfer panas yang lebih efisien yang memungkinkan laju pemanasan yang meningkat yang mengurangi faktor waktu untuk pembentukan skala. Juga, perbandingan udara-bahan bakar dan oxy-fuel menunjukkan bahwa karakteristik pembentukan skala berubah dengan oxy-fuel. Skala yang terbentuk pada permukaan baja berada dalam lapisan yang lebih tipis daripada yang terbentuk dengan pemanasan udara-bahan bakar. Alasan perubahan karakteristik skala diyakini karena atmosfer oxy-fuel dengan cepat menghasilkan lapisan oksida yang tipis dan padat yang mencegah oksidasi lebih lanjut dan pembentukan skala.

Pembakaran Oxy-Fuel Tanpa Nyala

Dalam beberapa tahun terakhir 'pembakaran oxy-fuel tanpa nyala' telah digunakan. Ungkapan ini mengkomunikasikan aspek visual dari jenis pembakaran, yaitu, nyala tidak lagi terlihat secara visual atau dengan mudah terdeteksi oleh mata manusia. Deskripsi lain mungkin adalah pembakaran 'diperpanjang' dalam waktu dan ruang – tersebar dalam volume besar, dan ini adalah mengapa terkadang disebut sebagai 'pembakaran volume'. Nyala semacam ini memiliki suhu yang seragam dan lebih rendah, namun masih mengandung jumlah energi yang sama.

Dalam pembakaran oxy-fuel tanpa nyala, nyala dilarutkan oleh gas tungku panas. Ini mengurangi suhu nyala untuk menghindari pembentukan NOx termal dan untuk mencapai pemanasan yang lebih homogen pada baja.

Dalam pembakaran oxy-fuel tanpa nyala, campuran bahan bakar dan oksidan bereaksi secara seragam melalui volume nyala, dengan laju yang dikontrol oleh tekanan parsial reaktan dan suhu mereka. Pemangkar oxy-fuel tanpa nyala secara efektif mendistribusikan gas pembakaran di seluruh tungku, memastikan pemanasan bahan yang lebih efektif dan merata bahkan dengan jumlah pemangkar terbatas yang dipasang – nyala yang tersebar masih mengandung jumlah energi yang sama tetapi tersebar di atas volume yang lebih besar. Suhu nyala yang lebih rendah secara substansial mengurangi pembentukan NOx rendah. Emisi NOx rendah juga penting dari perspektif pemanasan global; NO2 memiliki potensi pemanasan global yang hampir 300 kali dari CO2. Juga, penggunaan bahan bakar kalor rendah adalah feasible, yang telah ditekankan akhir-akhir ini, misalnya menggunakan gas puncak tungku peleburan tinggi.

Pemangkar oxy-fuel selalu kuat dan kompak, dan generasi baru pemangkar oxy-fuel tanpa nyala telah mempertahankan desain kompaknya untuk memfasilitasi pertukaran pemangkar oxy-fuel yang sudah terpasang dan untuk retrofit mudah instalasi udara-bahan bakar. Selain itu, pembakaran oxy-fuel tanpa nyala tidak hanya menambahkan keuntungan lebih lanjut, tetapi membuka aplikasi baru, semuanya mendukung dampak lingkungan yang berkurang secara substansial.

Di pabrik baja di mana teknologi pembakaran oxy-fuel telah diimplementasikan, hasil berikut diperoleh.

• Peningkatan kapasitas throughput tungku pemanasan ulang hingga tingkat 50%
• Penghematan konsumsi bahan bakar hingga tingkat 50%
• Penurunan emisi CO2 hingga tingkat 50%
• Kuantitas emisi NOx yang lebih rendah
• Pengurangan kerugian skala selama pemanasan ulang
• Tidak ada dampak negatif pada kualitas permukaan baja
• Ada dampak positif pada keseragaman suhu baja
• Mungkin untuk mencapai kurva pemanasan ideal yang disarankan oleh sistem kontrol dengan lebih mudah
• Ada lebih sedikit asap yang berasal dari tiap tungku yang sangat meningkatkan lingkungan pabrik.