Optimasi Pembersihan Gas Dapur Tinggi untuk Efisiensi Energi

Pembersihan Gas Dapur Tinggi

Proses produksi besi cair di dapur tinggi (BF) menghasilkan gas di atas dapur yang merupakan produk samping penting dari proses BF. Gas atas dapur tinggi ini pada suhu dan tekanan yang ada di atas dapur tinggi dan biasanya tercemar dengan debu dan partikel air. Gas atas ini memiliki nilai kalor yang besar dan dikenal sebagai gas BF mentah atau gas BF tercemar. Komposisi dan kuantitas gas atas ini tergantung pada sifat proses teknologis di dapur tinggi dan jenis serta kualitas bahan baku yang digunakan untuk produksi besi di dapur tinggi. Untuk menggunakan gas BF mentah lebih lanjut, perlu membersihkannya menggunakan sistem proses tertentu yang mengurangi kandungan partikel padatnya.

Gas atas mengandung karbon monoksida (CO) dan dikenal sebagai gas BF setelah pembersihannya. Ia digunakan sebagai gas bahan bakar untuk memanaskan angin kebal di stove panas serta bahan bakar tambahan di pabrik baja. Agar gas BF dapat digunakan sebagai gas bahan bakar, perlu membersihkan dan mendinginkan gas BF mentah untuk mengurangi volume gas dan kadar kelembaban. Pendinginan awal dan pengurangan volume gas juga diperlukan karena menghasilkan penghematan yang besar dalam biaya pengiriman di seluruh sistem distribusi yang luas di pabrik baja.

Analisis Gas Dapur Tinggi

Analisis tipis gas dapur tinggi untuk dapur tinggi yang beroperasi dengan injeksi bubuk batu bara (PCI) diberikan dalam Tab 1. Sistem proses untuk pembersihan gas adalah sistem pembersihan gas basah atau sistem pembersihan kering. Sistem pembersihan gas dengan efisiensi tinggi sangat penting untuk operasi yang andal dan umur kampanye yang panjang sistem angin panas suhu tinggi BF serta jaringan gas BF di pabrik baja. Sistem pembersihan basah adalah sistem yang lebih umum digunakan untuk pembersihan gas BF.

Fungsi utama sistem pembersihan gas dapur tinggi adalah menghilangkan partikel partikel dari gas ini. Selain itu, sistem juga mendinginkan gas untuk mengurangi kadar kelembabannya, sehingga meningkatkan nilai kalornya. Lumpur/debu yang dihasilkan mengandung jumlah besi dan karbon yang relatif tinggi dan dapat didaur ulang melalui pabrik sinter.

Desain dan Operasi Sistem Pembersihan Gas

Pengetahuan proses dapur tinggi diperlukan untuk desain dan operasi yang tepat sistem pembersihan gas. Persiapan beban dan jenis beban bijih (pellet atau sinter) mempengaruhi kuantitas dan ukuran partikel debu. Juga, pilihan dan persiapan bahan fluks mempengaruhi kimia air dalam sistem scrubber. Kalsium dapat diperkenalkan ke dalam sistem air dari batu kapur yang digunakan sebagai agen fluks. Kokos dan injeksi bahan bakar menyumbangkan sulfur, klorida, amonia dan oksida nitrogen. Analisis gas bervariasi dengan bahan beban dan operasi dapur tinggi dengan atau tanpa PCI. Tingkat produksi dan laju angin mempengaruhi beban partikel dalam sistem pembersihan gas.

Tekanan atas dan penurunan tekanan scrubber (dalam kasus sistem basah) mempengaruhi efisiensi pengumpulan debu, serta penyerapan gas terlarut dalam air scrubber. Selain fungsi dasar pembersihan dan pendinginan gas atas, scrubber dan/atau turbin pemulihan energi gas atas juga mengontrol tekanan atas dapur tinggi. Untuk operasi dapur tinggi yang mulus dan stabil, tekanan atas harus dikontrol dan dipertahankan konstan seakir mungkin. Oleh karena itu, desain sistem pembersihan gas harus sepenuhnya terintegrasi dengan operasi dapur tinggi.

Selama operasi seperti pengisian, pengambilan, equalization dan pergantian stove, ada variasi dalam aliran gas dan tekanan yang tidak terhindarkan. Fluktuasi biasanya berdurasi singkat tetapi amplitudo yang cukup besar dan terasa di atas dapur tinggi serta hilirnya di seluruh sistem gas. Sistem pembersihan gas BF harus dirancang untuk menangani dan mengontrol fluktuasi tersebut.

Gas BF yang keluar dari atas dapur dalam kasus dapur yang beroperasi dengan PCI mengandung sekitar 20-30 gram debu asap per meter kubik normal gas dan tidak dapat digunakan sebagai tambahan. Debu ini mengandung partikel halus dari kokos, bahan beban dan senyawa kimia yang terbentuk karena reaksi yang berlangsung di dapur tinggi. Distribusi ukuran partikel tipis dalam gas BF mentah dengan penggunaan PCI diberikan dalam Tab 2.

Karena tujuan utama pembersihan gas dapur tinggi adalah menghasilkan gas bebas debu dan dingin untuk digunakan sebagai bahan bakar di dapur pabrik baja, sistem pembersihan gas harus dirancang untuk memenuhi tujuan ini.

Tahap Pembersihan Gas

Pengelolaan yang efektif dari campuran debu kasar dan halus dari gas yang sangat berdebu memerlukan penggunaan penangkap debu dan sistem pemolesan multi venturi. Pendinginan yang efektif memerlukan penggunaan menara pendingin gas sebelum gas BF dibuang ke jaringan gas BF di pabrik baja. Gas BF mentah dibersihkan di pabrik pembersihan gas dalam dua tahap yaitu tahap pembersihan gas primer dan tahap pembersihan gas sekunder. Lembar aliran tipis sistem pembersihan gas dapur tinggi ditunjukkan dalam Fig 1.

Fig 1 Lembar aliran sistem pembersihan gas

Tahap Pembersihan Gas Primer

Pembersihan gas primer didasarkan pada prinsip pemisahan gravitasi dan digunakan untuk pengeliminasi partikel besar debu. Ini adalah pemisahan kering partikel debu dalam gas atas dapur tinggi sebelum pemolesan basah dan biasanya dilakukan oleh penangkap debu gravitasi atau paling baru oleh siklon berdiameter besar. Pada tahap ini semua partikel kaser dihilangkan. Tujuannya adalah untuk menghilangkan sebanyak mungkin debu dalam kondisi kering untuk penggunaan kembali dan daur ulang. Debu yang didaur ulang juga harus rendah dalam Zink dan timbal untuk memenuhi batas keseimbangan zink dapur tinggi. Efisiensi pengeliminasi pemisah tergantung pada distribusi ukuran partikel, pada mekanisme pemisahan (yaitu gaya gravitasi atau sentrifugal) dan, dalam tingkat yang lebih rendah, pada beban debu inlet. Debu yang dipisahkan biasanya berukuran lebih besar dari 10 mikrometer dan dikumpulkan di hopper penyimpanan debu, yang biasanya diukur untuk satu setengah hari akumulasi debu, dan dikosongkan melalui sistem pengeluaran debu.

Penangkap debu adalah struktur silinder besar biasanya dengan diameter besar dan dengan tinggi yang diperlukan. Biasanya dilapisi untuk mengisolasi dan mencegah kondensasi kelembaban dalam gas BF sehingga debu tetap kering dan tidak membeku dan mengalir bebas ke bagian kerucut bawah penangkap debu untuk pengeluaran berkala.

Gas dikirim ke penangkap debu oleh satu down comer dan masuk melalui atas oleh pipa vertikal yang membawa gas ke bawah di dalam penangkap debu. Pipa ini membuka di ujung bawahnya seperti cangkir terbalik, sehingga saat gas melewati ke bawah kecepatannya (dan sehingga potensi pengangkutan debu) menurun, dan sebagian besar debu kaser jatuh dari aliran gas dan ditinggalkan di kerucut di bawah penangkap debu. Karena bawah penangkap debu ditutup, dan keluar gas di dekat atas, arah perjalanan gas harus berbalik 180 derajat. Pembalikan tiba-tiba dalam arah aliran ini menyebabkan lebih banyak debu untuk merendam.

Operasi dan efisiensi penangkap debu gravitasi konvensional diatur oleh hukum Stokes. Pada tahun 1851, George Stokes menghasilkan ekspresi untuk gaya geser (juga disebut gaya drag) yang diberikan pada objek bola dengan nomor Reynolds (Re) sangat kecil, misalnya, partikel yang sangat kecil, dalam fluida viskosa kontinu dengan menyelesaikan batas massa fluida kecil dari persamaan Navier-Stokes yang secara umum tidak dapat diselesaikan.

Namun, hukum Stokes hanya berlaku untuk objek bola dengan nomor Re sangat kecil dengan kecepatan endapan di daerah laminar. Untuk partikel dengan nomor Re lebih tinggi dari 0,2 dan hingga 100.000, tingkat turbulensi menjadi signifikan, yang mengarah pada gaya drag tambahan. Oleh karena itu, kecepatan endapan (atau terminal) umumnya lebih rendah dari yang diprediksi oleh hukum Stokes. Untuk ukuran partikel ini, kecepatan terminal ditentukan oleh korelasi antara nomor Re partikel dan koefisien dragnya menggunakan nilai yang diberikan dalam tabel Haywood. Secara alternatif, korelasi antara nomor Re partikel dan nomor Archimedes (Ar) (yang berlaku antara Re = 0,2 dan 20.000) dapat digunakan.

Jika partikel jatuh dalam fluida viskosa oleh bobotnya sendiri, maka kecepatan terminal, juga dikenal sebagai kecepatan endapan, tercapai ketika gaya geser ini digabungkan dengan gaya apungan tepat menyeimbangkan gaya gravitasi. Berdasarkan hukum Stokes yang digabungkan dan tabel Haywood, kecepatan terminal setiap grup partikel dapat ditentukan. Dari kecepatan terminal partikel efisiensi pengeliminasi dapat dihitung, yang bergantung pada kecepatan gas naik dalam anulus penangkap debu dan, oleh karena itu, diameter tong.

Dalam kasus penangkap debu siklon operasi dan efisiensi penangkap debu didasarkan pada gaya sentrifugal. Dalam penangkap debu siklon gas dapur tinggi mentah diperkenalkan melalui satu atau dua inlet tangensial dengan kecepatan untuk memaksa partikel debu ke dinding dan memisahkan mereka dari aliran gas. Penangkap debu siklon dapat memiliki berbagai jenis konstruksi internal. Salah satu jenis siklon sepenuhnya kosong, sementara jenis lainnya memiliki dom inlet yang rumit dan vana penandu yang dapat diganti.

Pemisahan debu yang lebih tinggi di dalam siklon terkait dengan gaya sentrifugal dan kecepatan sirkulasi tinggi di dalam siklon dibandingkan dengan teknologi penangkap debu. Kecepatan yang lebih tinggi di dalam wadah memerlukan perlindungan khusus pada permukaan di dalam wadah. Penangkap debu sangat sering dioperasikan tanpa perlindungan pada permukaan dalam karena kecepatan gas rendah, tetapi teknologi siklon memerlukan perlindungan pada permukaan ini untuk menghindari aus.

Penangkap debu siklon biasanya dengan vortex finder, apex, flow cone dan hopper pengumpulan debu dengan dua outlet debu. Efisiensi pengumpulan siklon sangat bergantung pada distribusi ukuran partikel. Partikel di bawah 5 mikrometer tidak dihilangkan karena massa mereka kecil; partikel antara 5 mikrometer hingga 30 mikrometer sebagian dipisahkan dan partikel lebih besar dari 30 mikrometer sepenuhnya dipisahkan dalam penangkap debu kerucut. Efisiensi pemisahan keseluruhan penangkap debu siklon lebih baik dari penangkap debu gravitasi. Debu kering yang dihilangkan mengandung konsentrasi zink dan timbal yang sangat sedikit dan dapat dengan mudah didaur ulang. Penangkap debu siklon mengurangi beban debu pada tahap sekunder yang terdiri dari pembersihan gas basah.

Penangkap debu dilengkapi dengan sistem pengeluaran debu untuk pembuangan debu secara batch di bawah di dekat tekanan atmosfer untuk mencegah penumpukan debu di penangkap debu dan untuk mengurangi emisi debu dan gas. Debu biasanya dibasahi sebelum dibuang ke tanah atau langsung ke dalam dumper/kereta di bawah. Ada perangkat pengindera tingkat yang dipasang di hopper debu untuk indikasi tingkat. Sinyal dari perangkat pengindera tingkat digunakan untuk memantau penumpukan debu, memulai siklus pembuangan debu dan memberikan alarm tingkat rendah dan tinggi.

Tahap Pembersihan Gas Sekunder

Gas BF setelah pembersihan primer di penangkap debu, di mana sebagian besar partikel berat dihilangkan, bergerak menuju tahap pembersihan gas sekunder (scrubbers) yang adalah sistem pembersihan basah. Pada tahap ini, gas BF dibersihkan dalam kontak dengan air dan hampir semua partikel terpencil dipisahkan (lebih dari 99 %). Di beberapa pabrik gas ini lebih lanjut diarahkan ke penangkap elektrostatis. Gas yang telah diproses setelah tahap pembersihan gas sekunder diarahkan ke jaringan gas BF pabrik dan digunakan juga untuk pemanasan stove dapur tinggi. Air terpencar dari sistem pada saat yang sama mengandung konsentrasi partikel terpencil yang tinggi dalam rentang 500-10.000 mg/l dan sebagai berikut dikirim ke kolam endapan/ clarifier-thickener di mana debu menendam dan air jernih dari atas dipompa untuk penggunaan kembali. Scrubbers tersedia dalam berbagai desain, ukuran, dan kemampuan kinerja. Mereka harus dirancang terutama untuk pengumpulan partikel.

Operasi scrubber yang bebas masalah, bahkan selama kondisi operasi dapur yang kasar, adalah prasyarat untuk produksi besi yang ekonomis di dapur tinggi. Desain scrubber harus dioptimalkan untuk memberikan keandalan tinggi dan kinerja unggul. Karakteristik yang dibutuhkan dari scrubber adalah (i) beberapa mekanisme pengeliminasi debu, (ii) kebutuhan air pemolesan minimum, (iii) kontrol tekanan atas yang unggul, (iv) kinerja teruji dan efisiensi tinggi, (v) kebutuhan ruang rendah, (vi) konsumsi energi rendah, dan (vii) emisi bising rendah.

Ukuran partikel adalah salah satu faktor paling penting yang mempengaruhi efisiensi pengeliminasi scrubber. Partikel yang lebih besar jauh lebih mudah dihilangkan sementara partikel sub-mikron adalah yang paling sulit dihilangkan.

Terhadap mekanisme pengeliminasi debu dalam scrubber basah, pemisahan partikel debu dari gas dapur tinggi memerlukan aplikasi gaya yang menghasilkan gerakan diferensial partikel relatif terhadap gas dan waktu retensi yang cukup untuk partikel bermigrasi ke permukaan pengolehan.

Scrubbers untuk pembersihan gas dapur tinggi beroperasi pada prinsip aerodinamis dasar. Analog sederhana dari prinsip aerodinamis adalah bahwa jika tetesan air yang sangat besar dilemparkan untuk bertabrakan dengan partikel aliran gas yang jauh lebih kecil maka kemungkinan statistik tabrakan sangat kecil. Saat ukuran tetesan air dikurangi menjadi lebih dekat dengan ukuran partikel aliran gas, kemungkinan tabrakan meningkat. Studi telah menunjukkan bahwa film permukaan yang mengelilingi tetesan air memiliki ketebalan mendekati 1/200 dari diameternya. Partikel aliran gas dalam penerbangan mengalir melalui film aliran di sekitar tetesan tanpa tabrakan jika memiliki diameter kurang dari 1/200 diameter tetesan air. Tetapi jika diameter tetesan air jauh lebih kecil, maka tabrakan akan terjadi. Partikel sasaran 10 mikron membutuhkan tetesan air lebih kecil dari 2000 mikron (200×10) untuk pengolehan yang memadai. Pemolesan yang efisien, oleh karena itu, memerlukan atomisasi air ke kehalusan yang terkait dengan ukuran partikel untuk memberikan kontak maksimal dengan partikel yang akan ditangkap. Lebih lanjut probabilitas tetesan air mengenai partikel debu berbanding lurus dengan konsentrasi debu. Satu partikel debu kurang mungkin mengenai satu tetesan daripada sekelompoknya. Untuk menyetarakan faktor-faktor ini, scrubber diatur sesuai dengan volume gas yang akan dipoles (diukur oleh penurunan tekanan aliran gas), dan air yang akan disemprotkan (diukur oleh tekanan hidrolik di nozel semprotan). Tinggi dan diameter kamar pemolesan juga disesuaikan dengan karakteristik gas yang diketahui.

Mekanisme pemisahan utama dalam pemolesan gas dapur tinggi terdiri dari (i) penyekatan inersial, (ii) difusi turbulen (Brownian), dan (iii) penyekatan garis aliran. Ketika partikel kecil tersuspendi dalam fluida, ia tunduk pada dampak molekul cairan. Untuk partikel ultra-halus (koloid), momentum segera yang diberikan pada partikel bervariasi secara acak yang menyebabkan partikel bergerak pada jalur erat yang sekarang dikenal sebagai gerakan Brownian. Penyekatan inersial ditandai oleh gaya inersial yang berbeda dari massa yang bervariasi. Ketika gas yang tercemar debu mengalir di sekitar tetesan air yang mengolehi, partikel debu dengan massa lebih besar tidak mengikuti garis aliran aliran gas. Partikel ini, didorong oleh gaya inersia, mengenai dan menembus tetesan air, dan oleh karena itu dihilangkan dari aliran gas. Difusi turbulen sangat efektif dalam menghilangkan partikel debu yang lebih kecil dari aliran gas. Partikel kecil, khususnya yang berukuran kurang dari sekitar 0,3 mikrometer dalam diameter, menunjukkan gerakan Brownian yang cukup besar dan tidak bergerak secara seragam sepanjang garis aliran gas. Partikel ini menyebar dari aliran gas ke permukaan tetesan air dan dikolehi. Mekanisme pengolehan ini hanya dapat berfungsi dalam scrubber yang mempromosikan aliran turbulen dari campuran gas-cair, beroperasi pada kecepatan rendah dan menyediakan waktu retensi yang cukup. Penyekatan garis aliran hanya berfungsi jika garis aliran gas melewati dalam satu jari-jari partikel dari tetesan air yang mengolehi. Partikel debu yang berjalan sepanjang garis aliran ini menyentuh tetesan air dan dikolehi tanpa pengaruh inersia, atau difusi turbulen. Mekanisme pengeliminasi debu selama pemolesan air gas BF diberikan dalam Fig 2.

Fig 2 Mekanisme pengeliminasi debu

Penangkap debu hanyalah kamar endapan untuk menghilangkan partikel besar dan mengurangi beban pada scrubber venturi. Gas melewati kedua venturi primer (dengan pemisah) dan venturi sekunder untuk pengeliminasi partikel yang lebih efektif. Kemudian gas melewati kombinasi pemisah entrainmen/menara pendingin gas. Gas yang dibersihkan, dingin kemudian dikirim ke jaringan gas BF pabrik baja. Pendinginan yang memadai diperlukan untuk mengurangi tingkat kelembaban gas untuk menghindari masalah dalam saluran distribusi gas BF dan dapur.

Air daur ulang yang dikumpulkan dari venturi pertama, yang mengandung tingkat partikel tinggi, dikirim langsung ke clarifier-thickener. Air daur ulang yang dikumpulkan dari pemisah direcirculasi ke scrubber venturi pertama. Air tambahan ditambahkan di clarifier, dan gabungan overflow direcirculasi ke venturi sekunder. Jadi air terbersih menyentuh gas terbersih, dan bekerja kembali ke venturi pertama dan kemudian ke clarifier. Air dapat direcirculasi dari thickener ke scrubber atau dapat digunakan untuk tujuan lain seperti penyingkatan escoria.

Menara pendingin konvensional biasanya digunakan untuk penghapusan panas dari air menara pendingin gas atau air scrubber. Desain menara memungkinkan untuk menjaga air pendingin dan air scrubber venturi terpisah. Air scrubber biasanya mengandung kekerasan dan alkalinitas yang cukup dari debu kapur dalam beban di dapur tinggi. Akibatnya, penyekapan sering ditemukan. Setoran oksida besi dan karbon yang tidak terbakar juga merupakan kekhawatiran dalam banyak sistem. Masalah setoran paling sering ditemukan di nozel dan daerah tenggorokan venturi pertama, di mana gas mengandung tingkat partikel tertinggi, dan dalam saluran dan pompa yang pergi dari dan ke thickener.

Namun, setoran dapat terjadi di salah satu scrubber venturi, pemisah, menara pendingin gas, atau saluran daur ulang scrubber dan pompa. Klarifikasi adalah area masalah utama lainnya karena pemisahan cairan/padatan yang tidak memadai menghasilkan kualitas air yang buruk dari overflow clarifier.

Akhir-akhir ini, pada dapur tinggi baru dan rekonstruksi, terutama di Republik Rakyat Tiongkok, pembersihan kering gas dapur tinggi dengan filter kantong telah mendapat aplikasi yang luas. Pembersihan gas kering memiliki perbedaan berikut dibandingkan pembersihan gas basah menggunakan scrubber venturi.

• Ketiadaan air dalam proses pembersihan menghilangkan atau mengurangi sejumlah fasilitas air dapur tinggi misalnya: stasiun pompa lumpur sistem pembersihan gas, kolam endapan lumpur dan flokulator, stasiun pompa transfer lumpur, stasiun pompa circulasi siklus putar pembersihan gas, dll.
• Suhu gas setelah pembersihan berada dalam rentang 100 °C hingga 120 °C, yang 50 °C hingga 70 °C lebih tinggi dari suhu gas setelah pembersihan gas basah. Juga kelembaban gas berkurang 50 hingga -60 gram/cum, yang bersama-sama sama dengan peningkatan nilai kalor gas dapur tinggi sebesar 50 hingga 60 kcal/cum.
• Pengurangan kandungan debu dalam gas dapur tinggi ke 2-3 mg/cum yang meningkatkan umur layanan stove angin panas dan juga meningkatkan kinerja turbin pemulihan tekanan atas.
• Peningkatan lingkungan di pabrik baja karena pengeliminasi debu yang lebih baik dari gas dan eliminasi fasilitas penanganan lumpur.

Sistem pembersihan gas sekunder berdasarkan pembersihan kering terdiri dari berikut ini.

• Unit filter kantong dengan beberapa bagian, di mana masing-masing dipasang beberapa puluh kantong filter
• Sistem pembersihan kantong dari debu dengan nitrogen
• Struktur logam pendukung dan pelindung
• Sistem saluran gas dengan klep dan kompensator efek termal
• Sistem pembersihan dan daur ulang debu yang tertangkap (pneumatis atau dengan konveyor gergaji)
• Sistem pasokan nitrogen untuk purging filter dan untuk transportasi debu pneumatis
• Sistem pembebasan tekanan dari filter kantong
• Unit penyimpanan debu yang tertangkap
• Sistem otomatisasi, inspeksi, dan kontrol listrik

Filter kantong biasanya memiliki 8 hingga 16 bagian, yang diatur dalam dua baris, di mana satu atau dua bagian adalah cadangan, satu bagian lagi dalam mode pembersihan siklus nitrogen dan bagian lainnya dalam mode pembersihan gas. Untuk bahan filter, kain dengan tahan api, resistensi aus dll. digunakan. Selain itu, setelah perlakuan kimia kain mudah dibersihkan dari debu selama pembersihan purge, karena memiliki properti menolak air dan minyak yang ditingkatkan. Kain juga mencegah terjadinya arus elektrostatis. Laju filter maksimum adalah 1,0 hingga 1,5 cum/menit dan suhu gas 50 °C hingga 280 °C (sistem juga dapat beroperasi secara stabil (andalan) selama 2 jam pada suhu gas 300 °C).

Kandungan debu normal gas dapur tinggi setelah pembersihan biasanya tidak lebih dari 3 mg/cum. Umur kantong kain umumnya hingga dua tahun.