Pemangkar Bakar Tungku Pemanasan Ulang: Jenis, Efisiensi, dan Dampak Lingkungan

Saat ini industri baja menghadapi tantangan besar berupa pengurangan berkelanjutan emisi lingkungan sambil meningkatkan kelayakan ekonomi proses. Tungku pemanasan ulang karena konsumsi energi yang tinggi adalah satu area yang memerlukan perhatian industri baja. Mereka adalah peralatan penting yang berkontribusi pada produktivitas dan efisiensi energi pabrik baja.

Tungku pemanasan ulang modern adalah tungku balok jalan di mana balok mengangkat bahan baku baja (billet, bloom, atau slab) di dalam tungku dan memindahkannya ke posisi berikutnya. Pemanasan dilakukan di tungku ini dengan pemanasan langsung bahan bakar baik dari atas maupun bawah bahan baku baja, menggunakan pemangkar atap (untuk memanaskan atap yang kemudian memancarkan panas ke bahan baku baja) dan/atau pemangkar nyala panjang (dinding samping atau/atau dinding depan). Bahan bakar umum yang digunakan dalam tungku pemanasan ulang adalah campuran gas dengan nilai kalor rendah (gas tungku peleburan tinggi dicampur dengan gas oven cok dan gas konverter), gas oven cok, minyak berat, stock berat rendah sulfur (LSHS), atau gas alam.

Parameter penting untuk tungku pemanasan ulang meliputi sistem pembakaran yang terdiri dari bahan bakar yang digunakan, pasokan dan kondisi teknologis udara pembakaran, pemangkar dan lokasinya untuk distribusi panas yang tepat, pemanasan udara pembakaran dan gas bahan bakar, sistem pemulihan panas buang, rasio udara bahan bakar, kontrol tirisan tungku, sistem buang tungku, dan sistem pengukuran dan kontrol parameter tungku. Sistem pembakaran tungku selain mendukung tingkat produktivitas yang diperlukan tungku, memastikan pemanfaatan panas input yang efisien, kerugian panas yang lebih rendah, pemulihan panas buang yang efisien, kerusakan minimal pada refraktori tungku, dan generasi gas rumah kaca yang lebih rendah terutama NOx. Sistem pembakaran tungku juga memastikan atmosfer tungku yang meminimalkan pembentukan skala pada permukaan baja.

Sistem pemulihan panas telah digunakan secara luas di pabrik baja untuk mengurangi kerugian panas gas buang tungku pemanasan ulang. Karena kerugian panas gas buang merupakan persentase tinggi dari kerugian termal, efisiensi tungku ditingkatkan dan konsumsi bahan bakar berkurang dengan penggunaan sistem pemulihan panas. Dua jenis sistem pemulihan panas biasanya digunakan yaitu sistem terpusat dan sistem terdistribusi. Sistem pemulihan panas terpusat memanaskan udara pembakaran dengan pemulih panas logam dengan panas gas buang dan saat ini digunakan secara luas. Namun, suhu udara pram panas maksimum yang dapat dicapai dengan metode ini adalah sekitar 600 derajat C dengan suhu tungku sekitar 1300 derajat C karena batasan suhu bahan. Sistem pemulihan panas terdistribusi terdiri dari sistem pemangkar regeneratif tipe pengalih dengan bola keramik (biasanya alumina) sebagai media regeneratif. Ini menyediakan udara pram panas dengan suhu yang lebih tinggi daripada sistem terpusat.

Pemangkar yang digunakan dalam tungku pemanasan ulang merupakan salah satu aspek penting yang menentukan efisiensi energi tungku pemanasan ulang. Spesifikasi baja yang berbeda memerlukan profil suhu yang berbeda dalam tungku pemanasan ulang. Oleh karena itu untuk distribusi panas yang tepat di dalam tungku, penting bahwa pemangkar harus memiliki fleksibilitas sehingga personel operasi dapat menyesuaikan parameter pembakaran untuk menyesuaikan dengan berbagai kondisi proses. Pemangkar perlu memiliki rasio turun yang tepat, kemampuan NOx rendah, dan efisiensi tinggi.

Pengaturan pemangkar dalam tungku pemanasan ulang juga sangat penting untuk karakteristik pemanasan tungku. Menurut posisi pemangkar di tungku, pengaturan diklasifikasikan menjadi tiga metode pemanasan yaitu (i) Penggunaan pemangkar aliran aksial di dinding depan, (ii) penggunaan pemangkar samping di dinding samping, dan (iii) Penggunaan pemangkar radiasi nyala datar di atap. Setiap metode pemanasan memiliki karakteristiknya sendiri. Metode pemanasan tertentu atau kombinasi metode pemanasan diadopsi untuk tungku pemanasan ulang untuk menyesuaikan kondisi lokal di pabrik baja. Di pabrik baja di mana beberapa bahan bakar tersedia, pemangkar harus memiliki kemampuan penggunaan beberapa bahan bakar.

Tungku pemanasan ulang harus dirancang untuk memastikan bahwa dalam waktu tertentu bahan baku baja dipanaskan secara merata ke suhu yang diinginkan dengan jumlah bahan bakar minimum. Karena pemanasan dilakukan dengan penggunaan pemangkar, hal berikut perlu dipastikan untuk distribusi panas yang tepat.

• Pemanasan tungku pemanasan ulang dilakukan oleh pemangkar yang terletak di uhi pengeluaran tungku dan terletak di atas dan/atau bawah bahan baku baja.
• Nyala tidak boleh menyentuh atau terhalang oleh benda padat apa pun. Pengganggu apa pun menyebabkan partikel bahan bakar de-atomisasi, yang mempengaruhi pembakaran dan menyebabkan asap hitam. Jika nyala menyentuh bahan baku baja, kerugian skala meningkat. Jika nyala menyentuh refraktori, produk dari pembakaran yang tidak sempurna dapat menempel dan bereaksi dengan konstituen refraktori pada suhu tinggi yang menyebabkan kerusakan pada refraktori tungku.
• Nyala dari berbagai pemangkar harus bebas satu sama lain, karena nyala yang bersilang menyebabkan pembakaran yang tidak sempurna. Juga diinginkan untuk menyegerakkan pemangkar di sisi yang berlawanan.
• Nyala pemangkar cenderung berjalan bebas di ruang pembakaran tepat di atas bahan. Untuk alasan ini, sumbu pemangkar di tungku tidak boleh ditemajukan paralel dengan hearth tetapi pada sudut ke atas. Namun nyala tidak boleh mengenai atap tungku.
• Pemangkar besar menghasilkan nyala yang lebih panjang, yang biasanya sulit terkandung di dalam dinding tungku. Oleh karena itu sejumlah besar pemangkar dengan kapasitas lebih kecil biasanya digunakan untuk memastikan distribusi panas yang lebih baik di dalam tungku dan juga untuk meningkatkan umur tungku.

Pemangkar yang digunakan dalam tungku pemanasan ulang adalah nyala panjang atau nyala datar.

Pemangkar Nyala Datar

Pemangkar nyala datar (FFB) biasanya digunakan di atap tungku pemanasan ulang. Karena pemangkar ini transfer panas radiasi tidak langsung terjadi. Panas dari pembakaran bahan bakar ditransfer ke bahan baku baja tidak hanya langsung dari nyala, tetapi juga melalui lapisan refraktori atap tungku. Nyala, yang biasanya non-luminous, ditandai oleh suhu tinggi dan emisivitas rendah yang sesuai dengan radiasi selektif dari karbon dioksida dan uap air. Karena tidak ada dampak nyala pada bahan baku baja, tungku yang dipanaskan FFB dikenal sebagai tungku pemanasan tidak langsung.

Pemangkar dirancang untuk menyebarkan nyala di atas permukaan atap dalam lapisan tipis. Karena laju aliran gas pembakaran dalam arah sumbu pemangkar adalah tidak signifikan, suhu atap refraktori meningkat karena transfer panas intensif dari nyala ke atap. Dengan cara ini, atap refraktori bertindak sebagai permukaan radiasi utama.

Penggunaan pemangkar nyala datar dianggap sesuai dan menguntungkan ketika bahan baku baja dalam tungku pemanasan ulang memiliki permukaan datar besar, mungkin paralel dengan atap tungku dan ketika suhu pemanasan bahan baku baja di atas 900 derajat C. Berikut adalah keuntungan dan kerugian utama tungku yang dibakar FFB

Distribusi suhu di ruang tungku FFB dan dalam bahan baku baja lebih merata. Ada kontrol suhu yang memuaskan untuk zona individu yang memungkinkan untuk mencapai output tungku yang diperlukan.

• Laju pemanasan yang lebih cepat, karena FFB, mengurangi waktu paparan bahan baku baja terhadap suhu tinggi. Oleh karena itu kejadian oksidasi permukaan atau fenomena seperti dekarburasi dan struktur grain kasar baja sangat terkurangi.
• Pengurangan besar dalam konsumsi bahan bakar hingga hampir 40% dapat dicapai setelah penurunan output tungku 100% hingga 50%.
• Pencampuran intensif gas bahan bakar dan udara pembakaran memastikan pembakaran campuran yang cepat dan sempurna pada nilai udara berlebih rendah.
• Kelemahan dasar pemanasan atap adalah risiko pemanasan berlebihan permukaan bahan baku baja setelah perubahan tiba-tiba dalam output tungku.
• Laju pemanasan yang berlebihan di awal ruang tungku dapat menyebabkan stres termal yang tidak diinginkan dan deformasi struktural dalam bahan baku baja.

Pemangkar Nyala Panjang

Berbagai macam pemangkar nyala panjang dengan karakteristik dan kapasitas yang berbeda tersedia di pasar. Pemangkar ini tersedia dalam berbagai kapasitas dan untuk penggunaan bahan bakar yang berbeda seperti minyak, gas, atau beberapa bahan bakar.

Dalam tungku pemanasan ulang dengan pemangkar nyala panjang, karena sebagian besar pemanasan bahan baku baja terjadi oleh konveksi, sirkulasi ulang produk pembakaran secara substansial berkontribusi pada kecepatan pemanasan dan keseragaman suhu. Pemangkar nyala panjang menghasilkan gas berkecepatan tinggi yang menarik dan mengedarkan gas pembakaran untuk mencapai keseragaman suhu di tungku dengan minimum udara berlebih.

Pemangkar di dinding depan tungku pemanasan ulang biasanya nyala yang lebih panjang sementara yang di dinding samping tungku adalah nyala pendek yang variabel. Pemangkar di dinding depan tungku pemanasan ulang biasanya tipe pembakaran aliran aksial dan memerlukan rentang penyesuaian yang luas. Mereka adalah pemangkar kapasitas besar dan memiliki keterbatasan panjang per zona dalam arah panjang tungku. Aliran gas pembakaran di dalam tungku mulus sepanjang panjang tungku. Bagian hidung pemangkar membuat struktur tungku menjadi rumit. Dengan pemangkar ini ada keseragaman pemanasan di sepanjang lebar tungku tetapi suhu cenderung jatuh di bagian hidung dalam arah panjang tungku. Kerjabilitas relatif baik kecuali di sekitar pemangkar di area bawah di mana suhu relatif tinggi.

Pemangkar di dinding samping membutuhkan rentang penyesuaian yang sempit. Pemangkar ini juga kapasitas besar dan memiliki keterbatasan dalam arah lebar tungku. Aliran gas pembakaran cenderung melayang karena arah pemangkar tegak lurus dengan arah panjang tungku. Karena tidak ada bagian hidung dalam pemangkar ini, mereka tidak menyulitkan struktur tungku. Pemangkar memiliki keseragaman yang baik dalam arah panjang tungku tetapi keseragaman buruk dalam arah lebar tungku. Kerjabilitas relatif baik dengan pemangkar ini.

Pemangkar Regeneratif dan Pemulih Panas

Pemangkar regeneratif adalah dengan sistem pemulihan panas yang memulihkan panas buang gas buang tungku untuk memanaskan udara pembakaran yang diperlukan untuk pembakaran bahan bakar di pemangkar. Penggunaan pemangkar regeneratif untuk tungku pemanasan ulang dapat memberikan penghematan energi yang signifikan.

Pemangkar regeneratif dirancang untuk memulihkan panas ke udara masuk dengan mentransfer panas dari gas buang ke udara masuk yang akan digunakan dalam pembakaran. Pemangkar regeneratif memiliki dua set pemangkar masing-masing dengan regenerasi dan klep pembalik. Regenerasi menggunakan bola keramik (biasanya alumina) untuk mengumpulkan panas. Sementara pemangkar regeneratif pertama menyala, yang lain mengeluarkan gas tungku. Gas buang dilewatkan melalui tubuh pemangkar regeneratif dan mentransfer panas ke bola keramik. Oleh karena itu, panas dari gas buang ditransfer ke udara masuk karena dilewatkan melalui bola keramik yang dipanaskan. Klep pembalik menetapkan arah aliran udara yang masuk ke kepala pemangkar, yang membuat suhu udara masuk mirip dengan suhu operasi. Karena suhu udara pembakaran pram panas yang tinggi, pemangkar regeneratif dapat menghemat bahan bakar dan membuat pembakaran dengan efisiensi tinggi.

Dalam kasus pemangkar pemulih panas, struktur pemangkar mirip dengan tabungan penukar panas radiasi yang memanaskan udara masuk ke suhu yang lebih tinggi (sekitar 750 derajat C) dengan memulihkan panas dari gas buang ke udara masuk. Oleh karena itu, panas yang ditukarkan di pemangkar dapat meningkatkan efisiensi pembakaran dan menghemat biaya bahan bakar sekitar 25% hingga 30%.

Prinsip pemangkar regeneratif ditunjukkan dalam Gambar 1. Pemangkar pertama berada dalam mode menyala sementara pemangkar kedua berada dalam mode mengeluarkan. Pemangkar pertama menyala dengan udara pembakaran hangat yang menyiangi pemangkarnya. Pemangkar kedua menerima gas buang panas dari tungku ke bola keramiknya untuk menyimpan panas di pemangkar. Hanya setelah melewatkan panasnya, gas buang dilepaskan. Setelah setengah menit sampai satu menit, pemangkar kedua dialihkan ke mode menyala sementara pemangkar pertama mulai menerima gas buang panas. Mode menyala dan menerima pemangkar beroperasi secara bergantian dan berkelanjutan sampai tungku pemanasan ulang dihentikan. Suhu udara pram panas yang tinggi membuat proses pembakaran sangat efisien.

Prinsip pemangkar pemulih panas juga ditunjukkan dalam Gambar 1. Suhu udara masuk dipanaskan sebelum pembakaran di tungku dengan teknik pertukaran panas. Gas buang mengalir melalui pemangkar yang dilengkapi dengan penukar panas yang dipasang di dalam pemangkar. Panas dari gas buang ditukarkan ke udara masuk sebelum mengalir keluar dari pemangkar. Gas buang melalui area di sekitar luar pemangkar dan panas ditukarkan di dalam pemangkar.

Gambar 1 Prinsip sistem pemangkar regeneratif dan pemulih panas

Pemangkar Oxy Fuel

Oxy fuel merujuk pada praktik penggantian udara sepenuhnya sebagai sumber oksidator untuk pembakaran dengan oksigen kelas industri. Pembakaran oxy fuel mengurangi atau menghilangkan nitrogen dalam udara pembakaran dan secara substansial mengurangi panas buang yang dibawa dengan gas buang. Pemangkar oxy fuel dapat digunakan dalam tungku pemanasan ulang suhu tinggi di mana keseragaman suhu kritis dan emisi NOx sangat rendah diinginkan.

Keuntungan umum penggantian udara dengan oksigen kelas industri adalah konten nitrogen yang ada dalam udara yang dibawa ke proses pembakaran 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 dalam gas buang.

Manfaat penggunaan oxy fuel dibandingkan pembakaran udara-bahan bakar adalah (i) konsumsi energi yang berkurang, (ii) laju pemanasan yang meningkat menghasilkan produksi yang lebih tinggi tanpa meningkatkan titik suhu tungku, dan (iii) emisi tungku yang berkurang

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.

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.