Redsmelt: Produksi Besi Tingkat Lanjut Dua Langkah

Proses Redsmelt untuk Pembuatan Besi

Redsmelt adalah proses pembuatan besi baru yang berdasarkan dua tahap reduksi. Pertama, pre-reduksi bahan mengandung besi dalam roasting hearth furnace (RHF), dan kedua, peleburan besi yang telah direduksi panas (DRI, direct reduced iron). Awalnya, submerged arc furnace (SAF) digunakan untuk tahap kedua. SAF kini telah diganti dengan konverter coal dan oxygen yang dikenal sebagai ‘New Smelting Technology’ (NST). RHF mengurangi green pellets yang terbuat dari bijih besi, fin reduktor, dan pengikat untuk menghasilkan DRI metalisasi panas yang kemudian diisi ke NST untuk peleburan menjadi hot metal.

Proses Redsmelt dirancang sebagai teknologi hemat biaya dan ramah lingkungan. Beberapa highlights penting dari proses ini adalah sebagai berikut.

• Proses ini tidak memerlukan charge materials yang telah disiapkan
• Proses ini tidak memerlukan energi listrik, karena peleburan DRI dilakukan menggunakan energi kimia
• Smelter memiliki produktivitas tinggi sehingga biaya investasi terbatas
• Proses ini dapat menggunakan praktis semua residu yang dihasilkan selama berbagai proses di pabrik baja (termasuk sludge dan mill scale berminyak), sehingga mengatasi masalah pengelolaan limbah baja yang semakin meningkat
• Off-gas dari reaktor peleburan digunakan sebagai bahan bakar di RHF, dengan optimasi pemanfaatan energi secara keseluruhan. Ini menghasilkan pengurangan konsumsi energi yang efektif

Pabrik Demonstrasi Redsmelt

Pabrik demonstrasi Redsmelt dengan proses peleburan reduksi dua langkah dibangun dan diuji di Piombino works (Italia) untuk produksi hot metal. Pabrik demonstrasi dioperasikan pada tahun 2003. Dua tahap produksi di pabrik demonstrasi didasarkan pada pre-reduksi bahan mengandung besi dalam RHF dan peleburan DRI panas dalam oxy-coal converter. Pabrik dirancang untuk memproses hingga 65.000 ton per tahun bahan baku (basis kering) dengan kapasitas hot metal rated sebesar 30.000 ton per tahun hingga 35.000 ton per tahun.

Pengembangan Teknologi Redsmelt

Teknologi proses Redsmelt dikembangkan untuk memenuhi permintaan yang semakin tinggi akan alternatif pembuatan besi yang ramah lingkungan dan berbiaya rendah dibandingkan dengan rute blast furnace tradisional di pabrik terpadu skala besar. Pabrik dengan proses ini dapat dirancang dengan kapasitas produksi 0,3 juta ton per tahun hingga 1,0 juta ton per tahun hot metal. Proses ini terutama dirancang untuk dua aplikasi dasar, yaitu (i) mengonversi sampingan mengandung besi pabrik menjadi hot metal bernilai, dan (ii) menghasilkan hot metal dengan skala menengah-kecil (biasanya sekitar 500.000 ton per tahun), untuk sesuai dengan konsep mini-mill di mana hot metal digunakan sebagai pengganti skrap.

Konsep proses Redsmelt ditunjukkan dalam Gambar 1.

Gambar 1 Konsep Proses Redsmelt

Proses

Proses terdiri dari beberapa langkah sebagai berikut.

Persiapan Bahan – Bahan mengandung besi yang dihancurkan halus dan reduktor berbasis karbon, seperti batu bara atau coke petroleum, digunakan untuk persiapan green pellets. Proses pelletisasi memerlukan bahan dengan granulometri yang sejauh mungkin mendekati optimum yaitu 80 % di bawah 100 mikrometer dan 100 % di bawah 250 mikrometer. Campuran basah disiapkan dalam mixer di mana bahan-bahan dicermat dengan penambahan air dan sejumlah kecil pengikat (bentonit). Campuran yang telah disiapkan kemudian diformasi menjadi pellet pada disk pelletizer dengan penambahan lebih banyak air. Green pellets yang dihasilkan kemudian diayak untuk menghilangkan fraksi yang terlalu kecil yang direcycle, sementara produk yang berukuran sesuai dimuat ke dalam dryer pita logam.

Dryer Green Pellet – Dua tujuan dryer green pellet adalah (i) untuk menghindari masalah menempel pada sistem feeding RHF, dan (ii) untuk mencegah degradasi green pellets di RHF. Panas yang diperlukan untuk pengeringan green pellets disediakan oleh off-gas RHF. Ini juga menghasilkan peningkatan efisiensi energi keseluruhan proses.

Rotary Hearth Furnace – Annular hearth yang berputar ditempatkan dalam ruang furnace yang dilapisi atap tergantung. Dinding sisi, atap, dan hearth RHF dilapisi refraktori untuk memungkinkan suhu operasi hingga 1450 deg C. Green pellets yang telah kering diisi ke dalam RHF melalui vibrating feeder dan dibagikan di seluruh hearth sebagai lapisan seragam sekitar 20 mm (satu hingga tiga pellet) di seluruh lebar hearth.

Gas bahan bakar dan udara pembakaran diperkenalkan melalui beberapa side burner yang dikelompokkan dalam tiga zona kontrol. Dalam setiap zona pembakaran, aliran bahan bakar dan udara dikontrol secara individu oleh sistem kontrol untuk mendapatkan suhu dan komposisi gas yang diinginkan (CO dan O2). Di zona 1 dan 2, udara sekunder diperkenalkan melalui inlet udara terpisah untuk pembakaran CO yang dirilis oleh proses reduksi. Pellets setelah diisi, dipanaskan dengan cepat ke suhu reduksi. Waktu tinggal total bervariasi dari 10 menit hingga 18 menit di hearth RHF untuk mencapai tingkat metalisasi akhir 70 % hingga 90 %. Bergantung pada properti bahan baku yang berbeda, produksi spesifik DRI bervariasi dalam rentang 60 kg/sqm jam hingga 100 kg/sqm jam.

Panas yang diperlukan untuk proses disediakan oleh empat sumber energi berbeda, yaitu (i) pembakaran bahan bakar tambahan (gas kaya CO dari vessel reaktor NST), (ii) pembakaran CO yang dihasilkan dari reduksi oksida besi, (iii) pembakaran volabel yang dirilis oleh reduktor (batu bara), dan (iv) pembakaran sebagian reduktor itu sendiri (carbon burnout). Pemanfaatan sumber energi ini jelas bersaing dengan fenomena tidak diinginkan yaitu re-oxidasi besi. Desain RHF khusus bertujuan untuk mengoptimalkan sistem gas-dinamik yang kompleks ini. Ini mencakup burner dan inlet udara khusus untuk injeksi udara pembakaran sekunder, yang mampu menyesuaikan tingkat turbulensi yang tepat di setiap zona dan setiap level ruang furnace. Faktor kritis lainnya yang diperlukan untuk desain RHF yang baik adalah kebutuhan akan kontrol suhu yang sangat akurat di seluruh area hearth untuk mendapatkan properti mekanis dan kimiawi yang konsisten dari pellets yang dihasilkan. Sistem burner biasanya dirancang untuk memenuhi semua target ini dan untuk memastikan pembentukan NOx minimum.

DRI pellets yang dihasilkan dikeluarkan melalui screw pendingin air ke dalam chute dan kemudian dipindahkan oleh konveyor pita logam kontinu (yang dirancang untuk pengangkutan DRI panas) ke furnace peleburan. Konveyor logam terbuat dari bahan tahan panas dan dilipat dalam shaft gas tight. Off gas yang keluar dari RHF dan dryer dibuang ke atmosfer setelah post combustion, pencampuran udara, injeksi air, dan dedusting melalui bag filter.

Sebagian energi gas buangan RHF digunakan untuk mengeringkan green pellets. Energi gas buangan juga digunakan untuk memanaskan udara pembakaran dan menyediakan panas untuk pengeringan bahan baku. Di pabrik skala besar, energi gas buangan juga dapat digunakan untuk menghasilkan uap oleh waste heat boiler.

Furnace Peleburan – Dalam konsep proses Redsmelt asli, submerged arc furnace telah disertakan untuk peleburan dan reduksi akhir DRI. Namun dalam demonstrasi Redsmelt di Piombino, NST smelting furnace digunakan untuk peleburan dan reduksi akhir DRI.

NST smelting furnace terdiri dari vessel reaktor vertikal non-tilting. Bagian bawahnya (hearth) dilengkapi dengan siphon taphole yang mirip dengan yang digunakan di mini-blast furnaces atau cupolas (pemisahan slag dan hot metal dengan skimmer). Hot DRI diisi oleh gravitasi dari atas melalui water cooled chute, yang ditempatkan di tengah vessel. Air curtain di sekitar ujung lance meminimalkan carryover DRI langsung dengan aliran gas buangan. Fluks dalam ukuran lump diisi melalui port feeding terpisah. Pendinginan vessel reaktor di area interface slag dan metal-slag dilakukan oleh special copper cooling elements. Atap vessel reaktor dan off-gas duct terbuat dari water-walls dengan pipe-to-pipe welding.

Reaktor peleburan dilengkapi dengan dua tingkat side lances (tiga lance per tingkat) untuk menyuntikkan oxygen dan batu bara. Posisi dan orientasi lance ini bertujuan untuk menghasilkan kondisi kimia dan fluid dinamis yang tepat untuk proses. Khususnya, sistem dirancang untuk meningkatkan transfer panas antara zona oxidasi atas, di mana post-combustion gas CO terjadi, dan zona reduksi, di tempat reduksi langsung oksida besi dan reaksi endothermik lainnya terjadi. Lance atas menyuntikkan oxygen ke tingkat emulsion untuk mempromosikan post-combustion di zona transisi sementara lance bawah menyuntikkan oxygen dan batu bara ke dalam kolam hot metal. Dengan pengaturan ini, injeksi gas mempromosikan turbulensi slag yang cukup untuk mengirimkan energi panas yang diperlukan dari zona exothermic (post-combustion) ke zona endothermic (peleburan) di mana FeO reduksi langsung terjadi. Batu bara yang relatif kasar digunakan untuk mengurangi kehilangan karbon dan meningkatkan carburisasi hot metal. Hot metal yang dihasilkan dicetak menjadi pig iron baik dalam cetakan pasir atau mesin cetak pig tergantung pada kapasitas pabrik.

Atas smelter memiliki atap pendingin air untuk menghindari aus refraktori karena suhu tinggi yang dihasilkan dari post combustion. Setelah itu, duct pendingin air mengumpulkan dan menyaring off-gas smelter ke suhu yang tepat untuk memasuki sistem quenching. Off-gas didinginkan dan dibersihkan tanpa pembakaran dan dikirim ke gas-holder kecil untuk menstabilkan tekanannya kemudian digunakan di RHF sebagai bahan bakar burner.

Sistem Conditioning Off-gas – Garis conditioning off-gas terdiri dari post-combustion duct yang dilapisi refraktori, gas quencher dengan water sprays, air dilution station, dan bag filter. Karena kombinasi off-gas RHF dan NST menjadi sistem suction umum, desain sistem yang tepat sangat penting terutama off-gas duct RHF.

Off-gas keluar dari RHF pada suhu sekitar 1100 deg C dan tidak sepenuhnya dioksidasi. Kemudian diangkut ke duct yang dilapisi refraktori. Nozzle yang cocok untuk injeksi udara segar terletak setelah masuknya off-gas ke dalam duct yang dilapisi refraktori untuk membakar senyawa seperti CO, dan membatasi suhu di bawah nilai di mana fly ash mulai meleleh. Kondisi yang cocok untuk mencapai pembakaran lengkap off-gas adalah (i) tingkat free oxygen di atas 3 %, (ii) tingkat turbulensi tinggi, dan (iii) waktu tinggal di atas 1 detik. Nozzle injeksi udara didistribusikan secara homogen di sepanjang duct untuk meminimalkan pembentukan NOx.

Dibandingkan off-gas yang keluar dari RHF, off gas yang datang dari smelter memiliki suhu yang lebih tinggi (sekitar 1700 deg C) dan tingkat post-combustion yang lebih rendah dengan consequen kandungan senyawa yang tidak terbakar (CO+H2 lebih dari 30 %). Off-gas smelter diangkut ke duct pendingin air, di mana udara post-combustion disuntikkan. Parameter pembakaran (waktu tinggal, oxygen, turbulensi, dan suhu) sama dengan yang digunakan untuk perawatan off-gas RHF.

Gas RHF dan smelter pada suhu tidak lebih dari 950 deg C kemudian diangkut ke quencher yang sama, untuk menurunkan suhu asap menjadi sekitar 320 deg C. Nozzle tipe ‘spill-back’ memungkinkan nebulisasi penuh titik air dan pengurangan suhu gas yang cepat.

Emergency stack yang dilengkapi dengan bleeder valve (self-opening on emergency) ditempatkan di atas quencher. RHF primary, smelter primary, dan secondary dedusting air akhirnya dikirim ke dedusting plant.

Flow sheet proses Redsmelt dengan submerged arc furnace diberikan dalam Gambar 2.

Gambar 2 Flow sheet proses Redsmelt dengan submerged arc furnace sebagai unit peleburan