Mengoptimalkan Pembangkitan Angin Panas dengan Tanur Angin Panas Regeneratif

Pembangkitan Angin Panas dan Tanur Angin Panas

Tanur angin panas adalah fasilitas untuk menyediakan secara berkelanjutan angin panas blast ke tanur tinggi. Sebelum udara blast diantar ke tuyere tanur tinggi, ia dipanaskan sebelumnya dengan melewati tanur angin panas regeneratif yang dipanaskan terutama oleh pembakaran gas atas tanur tinggi (gas BF). Dengan cara ini, sebagian energi gas atas dikembalikan ke tanur tinggi dalam bentuk panas wajar. Energi termal tambahan ini yang dikembalikan ke tanur tinggi sebagai panas mengurangi kebutuhan kokas tanur tinggi secara substansial dan memfasilitasi injeksi bahan bakar tambahan seperti serbuk batubara sebagai pengganti koks metalurgi yang mahal. Ini meningkatkan efisiensi proses. Manfaat tambahan yang dihasilkan dari kebutuhan bahan bakar yang lebih rendah adalah peningkatan laju produksi logam panas. Semuanya memiliki efek signifikan dalam hal mengurangi biaya logam panas.

Sejarah tanur angin panas

Penggunaan tanur tinggi dimulai sejak setidaknya abad ke-5 SM di China. Namun, tidak sampai tahun 1828 efisiensi tanur tinggi merevolusi dengan pemanasan sebelumnya menggunakan stove panas dalam konjungsi dengan proses, inovasi yang diciptakan oleh James Beaumont Nielson, sebelumnya mandor di gas works Glasgow. Dia menciptakan sistem pemanasan sebelumnya angin blast untuk tanur. Dia menemukan bahwa dengan meningkatkan suhu ke 300 derajat F (149 derajat C), ia dapat mengurangi konsumsi bahan bakar dari 8,06 ton menjadi 5,16 ton dengan reduksi lebih lanjut pada suhu yang lebih tinggi. Pada tahun 1860, penggunaan kooperatif stove panas dengan tanur tinggi lebih ditransformasikan oleh Edward Alfred Cowper dengan mendaur ulang gas atas tanur tinggi alih-alih menerima bahan bakar padat seperti yang dilakukan desain awal.

Desain awal stove panas yang digunakan dengan tanur tinggi awalnya ditempatkan di atas tanur alih-alih di sampingnya, tata letak yang digunakan saat ini. Mereka menggunakan panas buang dari tanur tinggi yang diirkan melalui pipa besi cor ke stove panas untuk memanaskan sebelumnya udara blast dingin. Satu masalah besar dengan menggunakan pipa besi cor adalah pembentukan retakan di seluruhnya. Ini diatasi dengan menghapus pipa dan menggunakan tahan api. Ini juga memperluas desain tata letak stove panas dengan tanur tinggi untuk penggunaan dua hingga empat stove panas yang ditempatkan bersebelahan di samping tanur tinggi. Ini memungkinkan pemanasan satu stove blast oleh gas atas tanur tinggi saat yang lain diosongkan panasnya untuk memanaskan sebelumnya udara blast ke dalam tanur tinggi. Saat udara blast memasuki stove, ia dipanaskan sebelumnya oleh bata panas dan keluar dari stove sebagai angin blast. Cambria Iron Works adalah perusahaan pertama di AS untuk menggunakan stove regeneratif pada tahun 1854. Stove ini dibangun dari cangkang besi yang dilapis tahan api dan mengandung beberapa saluran tahan api untuk blast di seluruhnya. Stove khas dengan desain ini memiliki sekitar 186-232 meter persegi permukaan pemanasan. Pada tahun 1870, Whitwell Stoves merancang dan memproduksi stove yang lebih besar dengan permukaan pemanasan sekitar 8546 meter persegi, yang dapat memberikan angin blast 454-566 derajat C ke tanur tinggi. Ini juga stove pertama yang menggunakan papan pemeriksa tahan api berenang, dukungan pemeriksa besi cor, dan ruang pembakaran semi-elips untuk meningkatkan distribusi gas di seluruh pemeriksa.

Karakteristik tanur angin panas modern

Nilai kalori gas atas tanur tinggi tidak cukup tinggi untuk mencapai suhu nyala yang diperlukan untuk suhu angin blast yang lebih tinggi 1000 derajat C hingga 1200 derajat C. Oleh karena itu, gas tanur tinggi untuk stove biasanya diperkaya dengan penambahan bahan bakar dengan nilai kalori yang jauh lebih tinggi, seperti gas oven kokas untuk mencapai suhu nyala yang tinggi. Namun banyak tanur tinggi modern memiliki stove angin panas, yang memiliki burner yang dirancang untuk penggunaan hanya gas tanur tinggi.

Tanur angin panas tanur tinggi modern memiliki karakteristik berikut.

• Pencapaian pembakaran yang efisien – Pencapaian pembakaran yang efisien bahkan dalam operasi dengan hanya gas tanur tinggi.
• Radiasi panas yang lebih kecil dari tubuh stove.
• Biaya konstruksi rendah.
• Masa pakai stove yang tinggi - Masa pakai stove modern yang diharapkan sekitar 40 tahun
• Penghapusan sepenuhnya retakan korosi stres.
• Konsentrasi CO yang tidak terbakar yang rendah di atas permukaan atas bata pemeriksa.

Sebagian besar tanur tinggi dilengkapi dengan tiga tanur angin panas, meskipun dalam beberapa kasus ada empat. Stove adalah struktur baja silinder tinggi yang dilapis isolasi dan hampir sepenuhnya diisi bata pemeriksa di mana panas disimpan dan kemudian ditransfer ke udara blast. Setiap stove hampir set besar diameter dengan tanur tinggi, dan tinggi kolom pemeriksa sekitar 1,5 kali lebih tinggi dari tinggi kerja tanur tinggi. Di tanur tinggi modern, hubungan ukuran stove dengan ukuran tanur bahkan lebih besar. Sebagai contoh, satu tanur tinggi baru khas memiliki diameter hearth 9,75 m dan tinggi kerja 25,9 m, dan dilengkapi dengan tiga stove dengan setiap stove memiliki diameter dalam 10,36 m dan tinggi pemeriksa 40 m.

Gambar 1 menunjukkan potongan melintang khas dari stove angin panas konvensional dua lajur. Seperti yang terlihat dalam gambar, ruang pembakaran berbentuk oval mengambil sekitar 10 persen dari total area melintang stove. Ini memanjang dari bawah stove hingga sekitar 4 m dari atas gulung stove. Dinding dada bata yang kokas memisahkan ruang pembakaran dari sisa stove, yang diisi bata pemeriksa yang beristirahat pada grid baja yang didukung oleh kolom baja.

Gambar 1 Potongan melintang khas stove angin panas konvensional

Ada lapisan isolasi tepat di dalam cangkang baja. Ini biasanya sangat tebal di sisi dekat ruang pembakaran. Ruang pembakaran sepenuhnya dikelilingi oleh dinding sumur bata, yang dilapis bata tahan api super duty yang mengandung 50 persen hingga 60 persen alumina. Untuk suhu angin blast yang sangat tinggi di atas 1200 derajat C, seluruh ruang pembakaran dan gulung dilapis dengan jenis bata ini. Juga, 8 m hingga 10 m atas pemeriksa biasanya dari bata super duty.

Namun, untuk tanur baru untuk stove. refractory silika adalah bahan pilihan untuk stabilitas yang ditingkatkan karena eliminasi gerakan ekspansi dalam struktur atas selama operasi. Refractory silika memiliki keuntungan tambahan dibandingkan refractory alumina, karena mereka tahan terhadap akumulasi debu. Untuk alasan ini, tujuh lapis pemeriksa silika biasanya dipasang di atas shaft pemeriksa, di stove berbasis alumina.

Dalam pengaturan lining gulung, bata lengkung digunakan dan ruang disediakan antara bata dan gulung untuk memungkinkan ekspansi dinding cakram yang didukungnya. Di beberapa stove, ada offset dalam pekerjaan baja di atas dinding cakram sehingga bata gulung dapat didukung secara independen.

Gulung hemisfere tradisional, meskipun sederhana dalam bentuk, memiliki ketidakstabilan alami dengan kecenderungan bagian atas gulung runtuh pertama. Oleh karena itu beberapa tanur tinggi memiliki gulung berbentuk catenary terbalik. Gulung ini memiliki bentuk yang seimbang statis dan dapat dibangun dengan minimum bata bentuk khusus. Karena refractory gulung jamur juga meleleh dan menyusut, konstruksi dukungan yang berhubung memungkinkan gerakan ini, tanpa menyelakkan gaya apa pun pada struktur.

Dengan fasilitas pembersihan gas yang lebih baik yang tersedia saat ini, mungkin untuk menggunakan pemeriksa dengan lubang saluran yang lebih kecil tanpa bahaya tumpatan saluran dengan kotoran. Dengan lubang saluran yang lebih kecil, tingkat transfer panas lebih baik karena rasio permukaan pemanasan terhadap bobot pemeriksa besar dan lebih banyak bobot pemeriksa dipasang di ruang yang tersedia. Namun, dengan lubang saluran yang lebih kecil, menjadi sangat penting untuk menata pemeriksa dengan baik sehingga saluran cocok sempurna. Saluran yang tidak rata meningkatkan penurunan tekanan melalui stove secara signifikan dan mencegah penggunaan efektif semua kapasitas penyimpanan panas.

Burner untuk stove tanur tinggi terletak di dekat bawah ruang pembakaran. Di sebagian besar stove angin panas, burner berada di luar ruang pembakaran. Ada klep shutoff burner di antara burner dan stove yang ditutup untuk mengisolasi burner ketika stove sedang pada blast, tetapi terbuka ketika stove sedang dibakar. Gas dan udara pembakaran sebagian dicampur dalam burner logam, tetapi karena kecepatan tinggi mereka melalui burner, nyala sebenarnya mungkin tidak terjadi sampai di dalam stove. Campuran gas dan udara mengenai dinding target di depan port burner dan kemudian berbelok 90 derajat.

Pembakaran berlanjut sambil gas naik ke atas ruang pembakaran. Ketika stove akan dipanaskan dari kondisi dingin, igniter biasanya digunakan untuk memulai pembakaran tetapi, selama operasi normal, panas sisa di dinding target cukup untuk menyebabkan nyala.

Di beberapa stove angin panas modern, burner keramik digunakan. Burner ini, dengan kamera campurannya, dipasang di dalam ruang pembakaran dan pembakaran dilakukan ke atas dalam arah vertikal alih-alih arah horizontal seperti pada burner logam konvensional. Dengan jenis burner ini, klep shutoff diperlukan di baik saluran gas utama dan saluran udara pembakaran. Klep ini mampu menahan gaya tekanan blast. Burner keramik memiliki beberapa manfaat karena fitur desain khususnya.

Port di mana udara blast keluar dari stove terletak di sisi ruang pembakaran biasanya 4 m hingga 7 m di atas burner. Di antara stove dan saluran angin panas utama terdapat klep angin panas yang di pendingin air yang mencegah udara tekanan tinggi di saluran utama masuk ke stove selama proses pemanasan. Klep angin panas biasanya terletak beberapa jarak dari stove untuk mengurangi jumlah radiasi yang diterimanya dari gas pembakaran. Di beberapa pabrik tanur tinggi, udara campuran dingin yang digunakan untuk mengontrol suhu angin panas dicampur dengan udara panas dari stove di sisi stove dari klep. Ini untuk mencegah klep terekspos pada suhu maksimum yang diperoleh di gulung dome stove. Beberapa tanur tinggi memiliki satu pengaduk udara blast dingin sentral yang terletak di saluran angin panas utama di antara stove terdekat dan tanur itu sendiri.

Sistem sentral memiliki keuntungan kurang siklus termal saluran angin panas dengan sistem suhu yang lebih tinggi. Sebagian besar klep angin panas adalah jenis gate atau jenis jamur dan diameter 1,2 m hingga 2,0 m.

Pemanasan ulang stove memerlukan instrumen di area dome, refractory pemeriksa dan area keluar gas buang setidaknya. Ada pembukaan di dome stove angin panas di mana termocouple atau detektor suhu tipe radiasi biasanya dimasukkan. Instrumen ini untuk mengontrol jumlah gas dan udara selama proses pembakaran. Instrumen pemantauan suhu di dome, pemeriksa dan area gas buang juga digunakan untuk melindungi refractory dari kondisi panas berlebihan.

Di plenum chamber di bawah grid yang mendukung pemeriksa, ada pembukaan ke tiang dan ke saluran blast dingin. Biasanya, ada dua klep tiang, dengan ukuran diameter 1,5 m hingga 2,0 m, yang dibuka ketika stove sedang dipanaskan sehingga produk pembakaran ditarik keluar ke stack stove. Ketika stove sedang pada blast (memanaskan udara blast), klep tiang ditutup. Kursi klep diatur sehingga ketika stove sedang pada blast, tekanan di stove memegang kursi bersama untuk mencegah kebocoran. Ketika stove akan diambil dari blast dan diletakkan pada pemanasan, ada klep blow off yang dibuka untuk mengurangi tekanan. Karena kebutuhan untuk mendepresurisasi stove dengan cepat, udara harus keluar dengan kecepatan yang sangat tinggi. Akibatnya, klep blow off dilengkapi dengan silencer untuk menjaga tingkat kebisingan dalam batas yang dapat ditoleransi.

Klep blast dingin adalah jenis yang ditahan tertutup oleh tekanan di saluran blast dingin. Sebelum klep ini dapat dibuka, port kecil di disc klep dibuka untuk mempresurisasi stove dan menyamakan tekanan di kedua sisi klep.

Di beberapa tanur tinggi modern, stove dilengkapi dengan ruang pembakaran sepenuhnya di luar cangkang stove. Stove ini memiliki burner logam eksternal yang terletak di dekat atas stove.

Keuntungan desain ini adalah seluruh cangkang stove dapat diisi dengan pemeriksa. Selain itu, pola termal di stove jauh lebih simetris dan ada jauh lebih sedikit stres yang cenderung merusakkan dan meretakan bata. Namun, telah banyak masalah yang diinduksi stres yang menyebabkan retakan di pekerjaan baja di bagian juncungan antara ruang pembakaran dan stove. Akibatnya, perbaikan yang sering diperlukan pada pekerjaan baja di lokasi ini.

Jaringan udara

Di antara stove angin panas dan blower tanur tinggi adalah saluran blast dingin. Ini tidak dilapis karena suhu blast dingin biasanya 150 derajat C hingga 250 derajat C, yang merupakan suhu yang dihasilkan dari panas kompresi di blower. Di ujung stove dari saluran utama adalah klep blast dingin untuk stove dan saluran mixer yang dilengkapi dengan klep kupu-kupu. Untuk mempertahankan suhu angin blast konstan ke tanur tinggi, termocouple di saluran angin panas utama mengontrol klep kupu-kupu ini di saluran mixer dan mempropori jumlah udara yang diantarkan ke stove dan jumlah yang melewatinya.

Ketika stove yang dipanaskan pertama kali pada blast, suhu udara yang dipanaskan jauh lebih tinggi dari suhu angin blast yang diinginkan, jadi sebagian besar udara harus melewati stove. Seiring panas dikeluarkan dari stove dan suhu menurun, klep kupu-kupu saluran mixer perlahan ditutup dan memaksa lebih banyak udara melalui stove. Di beberapa sistem pergantian stove otomatis, posisi klep pengatur digunakan sebagai sinyal yang memulai pergantian stove.

Saluran blast dingin juga dilengkapi dengan klep snort, biasanya terletak di dekat tanur tinggi, yang dibuka saat perlu untuk mengurangi tekanan blast dengan cepat. Ini melepaskan udara blast dingin ke atmosfer dan menjaga tekanan positif pada garis blast dingin sehingga gas dari tanur tidak dapat kembali ke blower. Karena pelepasan udara yang cepat saat klep snort dibuka, ini juga biasanya dilengkapi dengan silencer.

Untuk menghasilkan udara blast, banyak tanur tinggi dilengkapi dengan turbo blower sentrifugal yang dilengkapi dengan tiga atau empat tahap. Untuk tanur tinggi yang sangat besar, dua blower biasanya disediakan yang beroperasi secara paralel. Namun, dengan tanur tinggi yang sangat besar, blower aksial dapat digunakan secara lebih efisien.

Di pabrik di mana blast diperkaya dengan oksigen, oksigen biasanya ditambahkan pada tekanan atmosfer ke inlet turbo blower atau dapat ditambahkan dengan tekanan di saluran blast dingin. Kelembaban ditambahkan di saluran blast dingin saat diperlukan untuk kontrol kelembaban blast.

Blowpipe, yang menghubungkan sistem angin blast ke tuyere, pas di dalam kursi bola yang dimesin di dasar tuyere. Pendingin tuyere dan tuyere di pendingin air. Dalam tanur tinggi modern dengan suhu angin blast 1000 derajat C hingga 1200 derajat C, saluran air badan tuyere dirancang untuk menjaga kecepatan air di atas 20 m/detik dan saluran air hidung tuyere dirancang untuk menjaga kecepatan air di atas 27,5 m/detik untuk meningkatkan laju transfer panas. Biasanya hidung blowpipe juga di pendingin air, meskipun dalam tanur tinggi lama tidak dilakukan. Lancang injeksi bahan bakar tambahan memasuki melalui dinding blowpipe dan biasanya melepaskan bahan bakar sedikit di luar garis tengah dan sekitar 50 mm dari hidung blowpipe. Dengan penggunaan serbuk batubara sebagai bahan bakar tuyere, penempatan lancang injeksi lebih kritis untuk menghindari benturan di dalam tuyere dan untuk pembakaran serbuk batubara yang lebih baik.

Blowpipe dipegang erat terhadap tuyere oleh tegangan bridle rod, yang menghubungkan stock tuyere ke jaket hearth. Bridle spring di ujung bridle rod memungkinkan gerakan terbatas saat blowpipe meleleh dan menyusut dengan perubahan suhu angin blast. Blowpipe itu sendiri adalah tabung baja aloi yang dilapis bahan tahan api untuk mencegah logam menjadi terlalu panas.

Di bagian belakang stock tuyere pada garis tengah blowpipe dan tuyere adalah lubang kecil di mana batang dapat dimasukkan untuk membersihkan materi dari blowpipe. Lubang ini ditutup oleh cap yang dapat dibuka saat diperlukan tetapi gas tight saat ditutup. Di cap ini, yang disebut cap tuyere, ada peep sight yang dilapisi kaca yang memungkinkan operator memeriksa interior tanur secara langsung di depan tuyere. Bagian atas stock terhubung melalui joint swivel ke nozel tahan api dari gooseneck yang diklem dengan lugs dan kunci yang pas di dalam kursi bar gantung. Setiap gooseneck kemudian terhubung melalui flange dan baut ke leher yang meluas radial dari diameter dalam pipa busur. Pipa busur adalah pipa besar, bundar, dilapis tahan api dan diisolasi yang mengelilingi tanur di di atas tingkat mantel dan mendistribusikan angin blast dari saluran angin panas utama ke setiap sambungan tuyere.

Operasi stove

Saat ini, dengan penggunaan beban yang siap baik dan kontrol yang baik atas distribusi beban, operasi tanur tinggi jauh lebih seragam. Oleh karena itu tanur tinggi biasanya dioperasikan sangat dekat dengan suhu angin blast maksimum yang dapat dipelihara stove atau yang dapat diterima oleh bahan beban tertentu tanpa menyebabkan peleburan prematur dan gerakan beban yang buruk. Dengan suhu angin blast yang lebih tinggi, operasi tanur tinggi lebih efisien karena persentase lebih besar dari panas yang dikonsumsi disediakan oleh panas wajar dari angin blast dan bahan bakar lebih sedikit diperlukan di tanur tinggi. Dalam operasi sistem angin blast, pekerjaan keramik pemeriksa stove dipanaskan oleh pembakaran gas tanur tinggi terkadang dikombinasikan dengan gas oven kokas, dan kemudian udara dari blower dilewatkan melalui stove dan dipanaskan oleh pekerjaan pemeriksa panas. Dalam siklus pemanasan, stove dibakar sampai suhu gas keluar di klep tiang telah mencapai suhu maksimum yang ditetapkan sekitar 400 derajat C hingga 450 derajat C, sambil hati-hati tidak memanaskan terlalu panas dome stove. Selama siklus pemanasan suhu di dome stove dikontrol sehingga tidak melebihi maksimum, yang ditentukan terutama oleh jenis bahan tahan api yang digunakan untuk lining dome. Jika suhu dome mencapai maksimum ini sebelum suhu stack mencapai maksimumnya, udara berlebihan ditambahkan melalui burner untuk menahan suhu nyala dan mencegah dome memanas terlalu panas sementara pembakaran dilanjutkan sampai suhu gas stack mencapai batasnya. Namun, jika suhu dome tidak meningkat cukup cepat untuk mencapai suhu maksimum yang diizinkan pada waktu suhu gas stack mencapai maksimumnya, gas tanur tinggi biasanya diperkaya dengan bahan bakar dengan nilai kalori yang lebih tinggi untuk mendapatkan laju pemanasan yang lebih cepat.

Setelah stove telah dipanaskan, siap untuk dimasukkan ke blast. Ini dilakukan dengan pertama mematikan pasokan gas dan udara ke burner dan kemudian menutup klep shutoff burner dan klep tiang. Klep blast dingin kemudian dibuka dengan cara yang udara yang masuk ke stove membawa tekanan sama dengan tekanan blast tanpa mengurangi tekanan blast secara berlebihan. Di beberapa instalasi tanur tinggi modern, kontrol blower diubah dari kontrol volume konstan ke kontrol tekanan konstan selama pergantian stove. Dalam sistem semacam ini, blower memacu sehingga stove dapat diisi dan dipresurisasi dengan cepat tanpa menyebabkan penurunan terdeteksi dalam tekanan blast.

Setelah stove diisi, klep mixer (yang mengontrol jumlah udara dingin yang dilewatkan di sekitar stove untuk dicampur dengan udara sangat panas dari stove untuk menghasilkan suhu angin blast yang diinginkan) diatur pada pembukaan yang benar sekitar. Klep angin blast kemudian dibuka untuk memasukkan stove ke blast dan, setelah stove sedang pada blast, pengontrol suhu angin blast secara otomatis menyesuaikan pembukaan klep mixer untuk mempertahankan suhu angin blast yang diinginkan.

Stove angin panas setelah digunakan, kemudian diambil dari blast dengan menutup pertama klep blast dingin dan kemudian klep angin blast. Klep blow off kemudian dibuka untuk mendepresurisasi stove dan, setelah mendepresurisasi, klep tiang dibuka dan klep blow off ditutup. Selanjutnya, klep shutoff burner dibuka, dan pasokan udara ke burner dihidupkan. Terakhir, klep shutoff gas dibuka untuk mendapatkan laju aliran gas yang diinginkan.

Di instalasi tanur tinggi modern, klep stove motorisasi dan pergantian klep otomatis sehingga hanya sekitar tiga menit yang diperlukan untuk pergantian stove. Dengan waktu pergantian yang lebih singkat, waktu pemanasan dapat ditingkatkan sehingga suhu angin blast yang lebih tinggi dapat digunakan dan efisiensi yang lebih besar dapat diperoleh. Siklus pergantian stove otomatis dapat diinisiasi dengan membuat penjaga stove menekan tombol saat pergantian diperlukan atau oleh sinyal elektronik yang sepenuhnya otomatis. Sinyal ini dapat berdasarkan seberapa besar pembukaan klep mixer (seperti, misalnya, ketika klep mixer 85 persen tertutup), pada suhu dome, atau secara ketat pada siklus waktu.

Biasanya, tanur tinggi dilengkapi dengan tiga stove angin panas, dan setiap stove kept blast selama sekitar satu jam. Dengan demikian, jumlah panas yang diambil dari stove saat sedang pada blast harus dikembalikan ke stove dalam periode pemanasan yang secara sederhana dua kali waktu blast dikurangi dua kali waktu pergantian stove. Di beberapa tanur, ada empat stove. Dengan stove tambahan, laju pembakaran tidak perlu sebesar itu karena siklus pemanasan tiga kali siklus blast dikurangi dua kali waktu pergantian stove. Keuntungan lain dari stove tambahan adalah jika ada masalah dengan peralatan stove, stove dapat diperbaiki satu per satu tanpa secara signifikan mempengaruhi operasi tanur. Gambar 2 memberikan tata letak khas dengan tiga stove angin panas.

Gambar 2 Tata letak khas dengan tiga stove angin panas