Circored & Circofer: Reduksi Bijih Besi Halus Efisien dengan Reduksi Langkas Saringan Cair

Proses pembuatan baja Circored dan Circofer adalah proses reduksi bijih besi halus berbasis saringan cair. Proses-proses ini sepenuhnya menghindari proses aglomerasi dan menggunakan bijih besi halus secara langsung. Karena proses-proses ini menggunakan batubara non-koks, kebutuhan baterai oven koks tidak ada. Teknologi saringan cair sangat cocok untuk proses yang intensif energi seperti reduksi langsung karena memungkinkan tingkat transfer panas dan massa yang tinggi.

Kedua proses Circored dan Circofer telah dikembangkan oleh Lurgi Metallurgie GmbH, Jerman (saat ini Outotec Oyj, Finlandia) untuk produksi besi reduksi langsung (DRI) dari bijih besi halus. Untuk kedua proses, kapasitas di atas 1 juta ton per tahun mungkin dalam satu unit produksi, yang menghasilkan skala ekonomi yang ditingkatkan.

Proses Circored adalah proses berbasis hidrogen (H2) sementara proses Circofer adalah berbasis batubara. Circored memiliki konfigurasi dua tahap untuk mencapai metalisasi tinggi 90 % hingga 95 %, sedangkan Circofer memiliki konfigurasi satu tahap yang dapat mencapai prereduksi hingga metalisasi sekitar 70 %. Proses Circofer berbasis batubara menghasilkan material masukan yang telah direduksi untuk reaktor reduksi peleburan, seperti AusIron, atau tanur pelebur listrik – produk akhirnya adalah logam panas atau besi mentah.

Proses Circored

Proses Circored menggunakan saringan cair pada skala yang diadopsi oleh Outotec untuk aplikasi lain. Pengembangan proses dimulai pada akhir tahun 1970 dengan uji pabrik pilot yang dilakukan di pabrik ELRED milik ASEA di Swedia. Uji juga dilakukan di unit demonstrasi reaktor CFB 3 ton per jam di Thyssen Stahl di Duisburg, Jerman. Uji-ujinya telah difokuskan pada pengolahan limbah pabrik baja.

Unit komersial Circored pertama dibangun pada tahun 1998 oleh Cliffs and Associates Ltd. di Kompleks Industri Point Lisas di Trinidad pada tahun 1998. Pabrik memiliki kapasitas 500.000 ton per tahun HBI. Pabrik saat ini tidak beroperasi.

Proses ini adalah proses berbasis gas alami untuk produksi DRI dari bijih besi halus. Ini adalah proses saringan cair dua tahap. Tahap reduksi pertama adalah saringan cair beredar (CFB), tahap reduksi kedua reaktor saringan cair gelembung (BFB). Untuk pemanasan produk DRI halus hingga suhu briquetasi, pemanas flash digunakan.

Proses Circored berbasis H2 menghasilkan DRI yang sangat terlogam atau besi briquetasi panas (HBI) untuk umpan langsung ke tanur busur listrik (EAF) untuk pembuatan baja. Proses ini mengurangi konsumsi energi dan emisi dan menawarkan solusi berkelanjutan untuk pembuatan baja. Fitur khusus proses ini adalah (i) penggunaan langsung bijih besi halus tanpa aglomerasi sebelumnya, seperti peletisasi atau sinterisasi, dan (ii) operasi dengan hidrogen murni sebagai gas perekat memungkinkan reduksi dengan nilai emisi CO2 yang sangat rendah, dan memungkinkan aplikasi suhu reduksi rendah yang meminimalkan kecenderungan menempel. H2 dihasilkan melalui reforming gas alami, tetapi H2 dari sumber selain pemanah uap, misalnya dari elektrolisis air, juga dapat digunakan.

Reaksi kimia dasar yang mendasari proses Circored bergantung pada penambahan H2 ke bijih besi, yang bereaksi untuk menghasilkan besi murni dan air (Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O).

CFB dipilih untuk mencapai derajat prereduksi dalam rentang 65 % hingga 70 %, karena (i) kecepatan geser tinggi antara gas dan padatan, (ii) memungkinkan transfer panas dan massa yang baik dan (iii) waktu tinggal singkat di reaktor. Kecepatan gas tinggi memungkinkan ukuran reaktor yang lebih kecil, sehingga menghemat biaya modal. CFB juga memungkinkan gas buang yang mengandung debu dari BFB digunakan sebagai gas sekunder, meningkatkan penggunaan gas secara keseluruhan.

BFB dipilih untuk tahap kedua proses untuk mencapai metalisasi akhir 93 % hingga 95 % karena laju reaksi yang lebih lambat. BFB ditandai dengan kecepatan gas yang lebih rendah dan waktu tinggal hingga 4 jam.

Proses Circored beroperasi pada suhu perekat rendah dan menggunakan gas alami untuk menghasilkan gas perekat melalui reforming. Proses menggunakan bijih halus yang memiliki ukuran partikel dalam rentang 0,03 mm hingga 1 mm dan menghasilkan HBI.

Bijih besi halus pertama kali dikeringkan dan dipanaskan terlebih dahulu dalam sistem pemanas saringan cair pada sekitar 850 derajat C hingga 900 derajat C. Halus yang telah dikeringkan dan dipanaskan kemudian diisi ke reaktor CFB. Panas yang diperlukan dihasilkan oleh pembakaran gas alami dan udara yang diperkenalkan ke reaktor CFB. Halus mengalami langkah prereduksi cepat dalam CFB lainnya pada 630 derajat C hingga sekitar 65 % hingga 70 % metalisasi. CFB menyediakan kondisi transfer panas dan massa yang menguntungkan, yang menghasilkan waktu tinggal 20 menit hingga 30 menit. Kecepatan gas di CFB adalah 4 meter per detik hingga 6 meter per detik. Kecepatan gas tinggi digunakan di CFB, yang dirancang dengan diameter yang relatif lebih kecil. Pengcampuran lateral dan vertikal yang baik dari padatan di CFB memastikan distribusi suhu yang seragam di reaktor dan komposisi produk yang seragam. CFB juga memungkinkan gas buang yang mengandung debu dari BFB digunakan sebagai gas sekunder, meningkatkan penggunaan gas secara keseluruhan.

Sebagian halus yang sebagian terlogam ditarik dari CFB dan memasuki reaktor BFB. Reaktor BFB dikompartemenkan menjadi beberapa bagian, dan memiliki kecepatan gas dalam rentang 0,5 meter per detik hingga 0,6 meter per detik. BFB beroperasi dengan kecepatan gas yang relatif rendah dan menyediakan waktu tinggal 2 jam hingga 4 jam. Halus mencapai reduksi akhir di reaktor BFB tahap kedua pada 650 derajat C. Reaksi di sini terutama dikontrol difusi untuk menghasilkan produk dengan metalisasi 93 % hingga 95 %. Gas buang yang keluar dari atas reaktor BFB dilanjutkan ke CFB. Produk keluar dari reaktor BFB pada sekitar 650 derajat C, kemudian dipanaskan dalam pemanas flash untuk mencapai suhu briquetasi sekitar 700 derajat C, dan dibriquetasi untuk menghasilkan HBI.

Circored menggunakan H2, yang dihasilkan dari reforming gas alami, sebagai satu-satunya sumber perekatnya (yaitu tidak ada CO yang digunakan) dalam proses, menghasilkan produk tanpa karbon. Suhu operasi di bawah 650 derajat C dipilih untuk proses untuk menghindari kecenderungan menempel dari bijih besi halus yang telah direduksi. Suhu operasi rendah memerlukan volume gas proses spesifik yang lebih tinggi. Oleh karena itu, tekanan operasi 4 kilogram per sentimeter kuadrat digunakan untuk mengurangi laju aliran gas aktual.

Gas proses yang dikompresi dipanaskan terlebih dahulu hingga sekitar 750 derajat C dalam dua pemanas gas yang dibakar, untuk diinjeksi ke setiap tahap proses (yaitu CFB dan BFB). Gas buang dari BFB disuplai sebagai gas proses sekunder ke CFB. Gas yang keluar dari siklon daur ulang CFB didinginkan dalam pemanah panas gas proses, dilewatkan melalui multi-siklon untuk pemulihan sebagian partikel debu, yang didaur ulang ke pemanas flash. Gas buang kemudian dicuci dan dipadatkan secara bersamaan untuk penghilangan akhir debu dan air yang dihasilkan selama reduksi. Gas kemudian dikompresi dan dipanaskan kembali dalam pemanah panas proses untuk diinjeksi kembali ke dalam proses

Untuk pemulihan debu pemutih, proses mikrogranulasi diadopsi. Dalam proses mikrogranulasi ini, partikel ultra halus diaglomerasi menjadi mikrogranulat dengan penambahan pengikat dengan ukuran rata-rata sekitar 350 mikrometer. Peralatan pemanas tambahan tidak digunakan karena pengakutan granulat berlangsung di bagian pemanasan pabrik Circored. Mikrogranulasi juga dapat diterapkan jika bijih ultra halus, seperti umpan pelet, akan diproses.

Gas proses yang telah didinginkan dan dibersihkan dikompresi kembali dalam kompresor dan kemudian dipanaskan dalam pemanas gas hingga suhu sekitar 750 derajat C sebelum dimasukkan kembali ke sistem reaktor reduksi. H2 tambahan segar, yang dihasilkan dalam pemanah uap standar yang dilengkapi sistem penghapusan CO2, ditambahkan setelah tahap kompresi. Gas proses dipanaskan sebelum diperkenalkan ke tanur reduksi. Dua pertiga gas segar digunakan di reaktor BFB sekunder, dan satu pertiga di reaktor CFB.

Opsi pengisian panas dapat diintegrasikan untuk memungkinkan DRI panas yang dihasilkan untuk diumpankan secara langsung tanpa briquetasi ke EAF.

Lembar alur proses proses Circored ada pada Gambar 1 dan tata letak pabrik 500.000 ton per tahun ada pada Gambar 2.

Gambar 1 Lembar alur proses proses Circored

Gambar 2 Tata letak tipikal pabrik Circored

Input proses tipikal untuk proses Circored per ton HBI terdiri dari (i) bijih besi halus (67 % Fe) adalah 1470 kg, (ii) daya listrik adalah 100 kWh, (iii) gas alami adalah 2,75 Gcal, (iv) air adalah 0,6 cum, dan (v) jam kerja adalah 0,23.

Keuntungan proses ini meliputi (i) penggunaan langsung bijih besi halus dengan biaya rendah tanpa aglomerasi sebelumnya, seperti peletisasi atau sinterisasi, (ii) operasi dengan H2 sebagai perekat memungkinkan reduksi dengan nilai emisi CO2 yang sangat rendah, dan memungkinkan aplikasi suhu reduksi rendah yang meminimalkan kecenderungan menempel, (iii) kondisi transfer panas dan massa yang baik di reaktor CFB, dan (iv) biaya investasi dan operasional yang rendah. Berikut adalah potensi hemat energi proses ini.

• Penggunaan gas proses rendah pada 2,75 Gcal/ton.
• Konsumsi listrik per ton baja cair yang dihasilkan melalui rute Circored-HBI-EAF adalah 901 kWh/ton baja.

Emisi CO2 terkait proses dan total (termasuk listrik) dari proses dilaporkan sebesar 1,2 dan 2,02 ton/ton baja. Rute Circored-EAF hanya mengeluarkan sekitar 50 % emisi CO2 yang dihasilkan oleh rute tanur blast-tanur oksigen dasar konvensional, dengan asumsi H2 dihasilkan melalui reforming uap konvensional. Jika keduanya, H2, dihasilkan melalui elektrolisis air, dan daya listrik untuk EAF, didasarkan pada energi terbarukan, emisi CO2 dapat dikurangi hingga 90 %.

Proses Circofer

Proses Circofer mirip dengan proses Circored. Ini mengurangi bijih halus dengan batubara dalam CFB, di mana gas perekat yang digunakan dihasilkan dari gasifikasi batubara. Proses dirancang dengan suhu operasi sekitar 950 derajat C, tanpa produksi gas buang berlebihan apa pun. Karena penggunaan yang konsisten elemen-elemen yang beragam dari teknologi CFB, proses Circofer membedakan diri dengan transfer panas dan massa yang luar biasa, distribusi suhu yang seragam di seluruh rangkaian reaktor dan penggunaan panas dan gas yang luar biasa.

Pabrik pilot untuk proses Circofer, dengan kapasitas 5 ton per hari dipasang di Frankfurt, Jerman. Pabrik pilot menyediakan cara untuk menguji berbagai bijih besi dan batubara dan memungkinkan simulasi kondisi proses untuk membantu mengembangkan parameter desain untuk operasi skala industri. DRI yang dihasilkan oleh proses Circofer (metalisasi lebih dari 93 %) terutama dipertimbangkan untuk digunakan di pabrik mini baja dan pabrik baja alloy untuk produksi baja khusus. Namun, ini juga dapat digunakan di pabrik baja terpadu.

Prereduksi Circofer pada dasarnya terdiri dari CFB, di mana bijih besi direduksi oleh karbon monoksida (CO) dan gas H2 yang dihasilkan dari gasifikasi batubara in-situ. Gas buang dari CFB digunakan untuk memanaskan bijih besi dalam pemanas suspensi dua tahap. Bijih besi kemudian dipanaskan lebih lanjut oleh char yang didaur ulang dan melalui pembakaran sebagian batubara dengan oksigen di generator panas. Setelah tahap pemanasan, gas buang lebih didinginkan dalam boiler sisa panas (menghasilkan uap untuk pemutih CO2) dan akhirnya didinginkan dalam pemutih venturi untuk menghilangkan uap air yang dihasilkan selama reduksi. CO2 sebagai produk sisa dari reduksi dihilangkan dalam pemutih CO2 dan gas proses CO dan H2 dikembalikan ke tahap reduksi.

Batubara, char dan bijih besi halus (0,1 mm hingga 1,0 mm) adalah bahan baku primer yang diisi langsung ke dalam proses. Batubara dengan variasi apa pun dengan suhu leleh abu di atas 1050 derajat C dan dengan bahan volatil dalam rentang 10 % hingga 40 % dapat digunakan. Namun, diinginkan untuk memiliki batubara dengan kandungan abu rendah (kurang dari 15 %) untuk mempertahankan beban sirkulasi di reaktor, dan dalam kasus pengisian langsung ke dalam pelebur volume escoria, ke minimum.

Proses Circofer menggunakan kombinasi saringan cair beredar dan stasioner. Bijih halus dipanaskan terlebih dahulu dalam unit pemanas terintegrasi dua tahap sebelum dimasukkan ke tahap reduksi pertama. Tahap reduksi pertama adalah reaktor CFB, dengan generator panas terintegrasi di mana energi yang diperlukan disuplai ke sistem oleh pembakaran sebagian batubara dengan oksigen. Pembakaran batubara sebagian ini terintegrasi dengan sistem CFB tidak hanya menghasilkan panas yang dibutuhkan untuk proses tetapi, khususnya, menyediakan char yang diperlukan sebagai karbon perekat dan agen anti-menempel. Dengan pengaturan ini mungkin untuk melakukan prereduksi CFB pada suhu tinggi 950 derajat C tanpa mendorong penempelan bijih halus.

Bijih besi halus dan char daur ulang, dari pemisahan magnetik produk sebelum briquetasi, dipanaskan terlebih dahulu hingga sekitar 800 derajat C dalam sistem CFB dua tahap menggunakan panas masuk gas buang dari proses. Material yang telah dipanaskan diisi ke reaktor CFB melalui gasifier. Batubara diisi langsung ke gasifier yang beroperasi pada suhu sekitar 1000 derajat C, di mana dioksidasi sebagian dengan bantuan oksigen yang diinjeksi untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan untuk proses. Padatan dan gas memasuki CFB di mana oksida besi direduksi pada suhu sekitar 950 derajat C hingga derajat metalisasi sekitar 70 %. Padatan dari CFB dipindahkan ke reaktor FB (saringan cair) untuk langkah reduksi akhir hingga metalisasi sekitar 93%. Produk yang telah terlogam, abu dan char berlebihan dikeluarkan dari reaktor FB, didinginkan hingga sekitar 730 derajat C dan diikuti pemisahan magnetik. Produk yang telah terlogam dibriquetasi panas pada sekitar 680 derajat C. Char non-magnetik didaur ulang kembali ke proses.

Komposisi tipikal DRI dari proses Circofer menunjukkan Fe (total) – 92,7 %, besi logam – 85,8 %, metalisasi – 92,6 %, % C – 1,32, % SiO2 – 1,25, % Al2O3 – 2,62, % CaO – 0,06.

Setelah reduksi akhir, produk dipisahkan magnetik dalam kondisi panas dan dapat diproses lebih lanjut dengan berbagai cara. Satu opsi terdiri dari mendaur ulang sebagian besar char yang dipisahkan (yang berarti fraksi non-logam) dan membriquet produk yang sangat terlogam dalam kondisi panas untuk mengirimkannya dari pabrik sebagai besi briquetasi panas (HBI). Opsi lain terdiri dari peleburan segera DRI panas (AusIron). Rute ini memiliki keuntungan karena memungkinkan hemat energi yang signifikan dengan operasi ‘dalam satu heat’. Dalam proses ini, karbon berlebihan dapat digunakan sebagai sumber energi untuk peleburan.

Lembar alur proses Circofer bersama dengan tanur AusIron ada pada Gambar 3. Proses Circofer ditandai dengan sistem gas tertutup. Gas yang dihasilkan oleh gasifikasi batubara dan reduksi bijih pertama kali didinginkan, kemudian dihilangkan debu sebelum produk reduksi air dan CO2 dapat dicuci keluar. Gas dengan potensi reduksi tinggi yang diperoleh ini dikompresi dan dipanaskan sebelum akhirnya didaur ulang ke dalam proses. Suhu reduksi tinggi dan reaksi Boudouard yang berlangsung memungkinkan penggunaan gas yang tinggi dan consequently, mode operasi tanpa menghasilkan gas ekspor.

Gas mengalir dalam sistem gas tertutup. Gas buang reaktor digunakan di pemanas bijih dan kemudian didinginkan hingga sekitar 220 derajat C dalam boiler sisa panas. Gas dihilangkan debu dalam filter kantong, dipadatkan dan dicuci untuk menghilangkan uap air yang dihasilkan dalam proses sebelum memasuki unit penghapusan CO2. Unit penghapusan CO2 menggunakan uap yang dihasilkan dalam boiler sisa panas untuk stripping CO2 dari gas buang. Gas kemudian dikompresi dan diinjeksi kembali ke kedua reaktor dan gasifier.

Gambar 3 Lembar alur proses Circofer dengan tanur Ausiron

Berikut adalah karakteristik penting dari proses Circofer.

• Proses menggunakan batubara untuk proses
• Bijih besi halus digunakan tanpa aglomerasi atau pra-pengolahan lain
• Proses memerlukan persiapan material minimal
• Proses memiliki transfer panas dan massa yang luar biasa karena teknologi saringan cair
• Proses memiliki sistem energi tertutup dengan kebutuhan energi primer yang diminimalkan
• Proses tidak memiliki energi berlebihan
• Proses tidak memiliki limbah berbahaya
• Proses ramah lingkungan dengan emisi rendah
• Proses memiliki fleksibilitas untuk menghasilkan HBI produk yang dapat dijual, atau DRI panas dapat dipindahkan ke tanur pelebur untuk menghasilkan logam panas
• Meningkatkan secara signifikan kapasitas tanur pelebur hilir (AusIron)
• Mengurangi konsumsi daya pelebur listrik hilir.