Batu Kapur dalam Produksi Besi & Baja: Pengolahan, Penggunaan, dan Manfaat
Batu kapur adalah batuan sedimen yang terjadi secara alami dan melimpah yang terdiri atas tingkat tinggi kalsium karbonat (CaCO3) dalam bentuk mineral kalsit. Beberapa batu kapur mungkin mengandung persentase kecil magnesium karbonat (MgCO3). Batu kapur ini dikenal sebagai batu kapur dolomitik.
Batu kapur juga adalah mineral industri yang sangat penting. Sifat kimianya menjadikannya mineral yang berharga untuk berbagai penggunaan industri/manufaktur. Batu kapur juga adalah salah satu bahan baku vital yang digunakan dalam produksi besi dan baja.
Batu kapur, menurut definisi, adalah batuan yang mengandung paling sedikit 50 % CaCO3 dalam bentuk kalsit menurut berat. Ada partikel kecil kuarsa (silika), feldspar (alumino-silikat), mineral tanah liat, pirita (sulfur besi), siderit (karbonat besi), dan mineral lain yang terkait dengan batu kapur. Semua batu kapur mengandung paling sedikit beberapa persen material lain. Impurities dalam batu kapur dapat terdiri dari silika (SiO2), alumina (Al2O3), oksida besi (Fe2O3), sulfur (sebagai sulfida atau sulfat), fosforus (P2O5), kalium (K2O), dan soda (Na2O). Silika dan alumina adalah impurities utama batu kapur. Batu kapur yang digunakan dalam pembuatan besi diperlukan untuk mengandung paling sedikit 85 % kalsium karbonat dan persentase alumina yang rendah. Demikian pula batu kapur yang digunakan untuk pembuatan baja diperlukan untuk mengandung paling sedikit 92 % kalsium karbonat dan persentase impurities yang sangat rendah terutama persentase silika.
Penggunaan utama batu kapur dalam industri besi dan baja adalah (i) sebagai material fluks, dan (ii) penggunaan lain yang terdiri dari agen desulfurisasi, pelapis cetakan mesin cetak besi mentah, netralisasi air asam, pengolahan air, pengolahan air limbah (efluen), pengolahan gas buang, dan pengolahan lumpur dan riol. Ini juga merupakan komponen escoria sintetis. Batu kapur biasanya digunakan dalam tiga bentuk. Ini adalah (i) batu kapur mentah yang juga adalah bentuk alami batu kapur, (ii) batu kapur yang telah dibakar atau quicklime, atau hanya lime, dan (iii) sebagai hydrated lime. Ketika batu kapur digunakan sebagai material fluks maka digunakan sebagai batu kapur mentah atau sebagai batu kapur yang telah dibakar. Hydrated lime biasanya dihasilkan dari quicklime kalsium tinggi dan mengandung 72 % hingga 74 % oksida kalsium dengan 23 % hingga 24 % air yang terikat kimia.
Pengolahan Batu Kapur
Batu kapur setelah pertambangan harus melalui beberapa proses sebelum dapat digunakan dalam berbagai proses. Proses dasar dalam produksi batu kapur adalah (i) penambangan batu kapur mentah, (ii) persiapan batu kapur yang ditambang untuk digunakan dengan menghancurkan dan mensizing, (iii) calcining batu kapur mentah, (iv) pengolahan lebih lanjut batu kapur yang telah dibakar dengan hidrasi untuk menghasilkan hydrated lime jika diperlukan untuk digunakan, dan (v) operasi transfer, penyimpanan, dan penanganan lainnya. Semua proses ini mungkin tidak perlu ada di setiap pabrik.
Secara dasar tiga jenis produk batu kapur digunakan di pabrik besi dan baja. Mereka adalah (i) produk batu kapur mentah, (ii) produk batu kapur yang telah dibakar atau quicklime, dan (iii) produk hydrated lime. Pengolahan untuk batu kapur untuk produk ini dijelaskan di bawah ini.
Proses pertama terjadi di tambang batu kapur di mana bijih yang ditambang mengalami menghancurkan dan saringan untuk pemisahan fraksi ukuran yang berbeda dari bijih. Di pabrik besi dan baja, di beberapa tempat, batu kapur mentah diproses lebih lanjut. Contohnya adalah pabrik sinter di mana batu kapur mentah dihancurkan di hammer mills hingga ukuran -3 mm (biasanya dalam rentang 85 % hingga 90 %).
Calcination batu kapur adalah proses perawatan termal untuk melakukan dekomposisi termal dari batu kapur mentah dan penghilangan LOI (loss on ignition) atau bagian karbon dioksida (CO2) dari komposisinya. Proses calcination terdiri dari reaksi endotermik yang dilakukan dalam keadaan padat. Quicklime berkualitas tinggi yang digunakan dalam pembuatan baja umumnya mengandung sekitar 90 % hingga 95 % CaO. Secara teoritis 56 kg CaO dihasilkan dari 100 kg CaCO3 selama calcination lengkap. Namun, dalam praktik nyata bervariasi karena beberapa faktor. Selama calcination batu kapur, karena CO2 dihilangkan, lime (i) berpori (ii) memiliki luas permukaan lebih tinggi, (iii) memiliki reaktivitas tinggi, dan (iv) higroskopis. Sekitar 1,8 t batu kapur diperlukan untuk menghasilkan 1 t quicklime.
Calcination batu kapur, karena reaksi kimia endotermik, memerlukan input energi yang cukup. Ketika batu kapur dipanaskan, kalsium karbonat terdekomposi sesuai persamaan berikut.
CaCO3 + sekitar 42,5 kcal panas = CaO + CO2
Calcination batu kapur adalah proses pembakaran tunggal sederhana yang dilakukan di tanur silinder atau tanur rotary. Ini terdiri dari lima langkah proses. Ini adalah (i) transfer panas dari lingkungan ke permukaan partikel, (ii) konduksi panas dari permukaan ke reaksi front, (iii) kinetika kimia di front, (iv) difusi CO2 melalui lapisan oksida pori ke permukaan, dan (v) kemudian transfer ke lingkungan. Batu kapur diisi ke dalam tanur dan, sambil bergerak melalui tanur, sedang terdekomposi atau calcined. Dekomposisi CaCO3 dimulai pada 810 derajat C.
Proses calcination dapat dijelaskan menggunakan potongan batu kapur yang sebagian terdekomposi, di mana profil tekanan parsial CO2 dan suhu ditunjukkan pada Gambar 1. Sampel terdiri dari inti karbonat padat yang dikelilingi oleh lapisan pori. Di tanur calcining pada suhu Tgas panas ditransfer oleh radiasi dan konveksi (disebut ‘h’) ke permukaan padat pada suhu Tsurface. Melalui konduksi termal (A) panas menembus melalui lapisan oksida untuk mencapai reaksi front, di mana suhu adalah Trc. Karena enthalpi reaksi banyak kali lebih besar dari energi internal, panas yang mengalir lebih dalam ke inti adalah negibel selama reaksi. Oleh karena itu suhu inti hanya sedikit lebih rendah dari suhu front. Setelah panas disuplai, konstanta reaksi kimia (k) kemudian terjadi yang daya dorongnya adalah deviasi tekanan parsial CO2 dari keseimbangan (p-eq – p-f). CO2 yang dilepaskan difusi (Dp) melalui lapisan oksida pori ke permukaan dan akhirnya melewati konveksi (B) ke lingkungan di mana tekanan parsial CO2 p-surface ada. Sifat kimia dan fisik lime dipengaruhi oleh calcination yang consequently dipengaruhi oleh konduktivitas, koefisien transfer massa, dan difusivitas lapisan lime.
Gambar 1 Profil sampel batu kapur selama calcining
Untuk calcination lengkap batu kapur dan untuk tidak ada inti sisa batu kapur yang tidak calcined, diperlukan bahwa panas yang disuplai ke permukaan batu kapur harus menembus melalui transfer panas konduktif ke inti. Suhu 900 derajat C harus tercapai di inti setidaknya untuk waktu singkat karena atmosfer di dalam material adalah CO2 murni. Permukaan batu kapur harus dipanaskan lebih dari 900 derajat C untuk mempertahankan gradien suhu yang diperlukan dan mengatasi efek insulasi dari material yang telah calcined di permukaan batu kapur. Namun, saat menghasilkan quicklime, suhu permukaan tidak boleh melebihi 1.100 derajat C hingga 1.150 derajat C karena jika tidak re-kristalisasi CaO terjadi dan menghasilkan reaktivitas yang lebih rendah dan consequently mengurangi properti slaking quicklime.
Beberapa waktu retensi atau tinggal diperlukan untuk mentransfer panas dari gas pembakaran ke permukaan batu kapur dan kemudian dari permukaan ke inti batu kapur. Potongan batu kapur yang lebih besar memerlukan waktu lebih lama untuk calcined daripada potongan yang lebih kecil. Secara prinsip, calcining pada suhu yang lebih tinggi mengurangi waktu retensi yang diperlukan. Namun, suhu yang terlalu tinggi secara buruk mempengaruhi reaktivitas produk. Hubungan antara suhu calcining dan waktu retensi yang diperlukan untuk berbagai ukuran batu kapur ditunjukkan pada Tab 1.
| Tab 1 Hubungan antara suhu calcining dan waktu tinggal |
|---|
| Sl. No. | Ukuran batu kapur | Suhu calcining | Waktu tinggal (perkiraan) |
|---|
| Unit | mm | derajat C | Jam |
|---|
| 1 | 50 | 1000 | 2,1 |
| | 1200 | 0,7 |
| 2 | 100 | 1000 | 8,3 |
| | 1200 | 2,9 |
Beberapa jenis tanur yang berbeda digunakan untuk proses calcination. Tanur ini dapat berupa tanur rotary atau tanur silinder. Jenis tanur yang akan dipilih sangat tergantung pada karakteristik batu kapur, tingkat produksi yang diantisipasi, biaya bahan bakar, biaya investasi, bahan bakar yang tersedia, kondisi lokal, infrastruktur dan hal lain. Secara umum, semua data termasuk uji laboratorium harus dievaluasi sebelum memilih tanur calcining.
Tanur rotary, dengan atau tanpa preheater, biasanya memproses batu kapur dengan ukuran material antara 10 mm dan 50 mm. Neraca panas jenis tanur ini dikategorikan agak oleh kerugian tinggi dengan gas buang dan melalui cangkang tanur. Nilai tipikal untuk kerugian gas buang berada dalam rentang sekitar 25 % dan untuk kerugian cangkang tanur berada dalam rentang sekitar 20 % dari total kebutuhan panas. Hanya sekitar 60 % energi bahan bakar yang diperkenalkan ke dalam tanur dengan preheater yang digunakan untuk proses calcining.
Dalam kasus tanur silinder tunggal vertikal, terdapat ketidakseimbangan antara panas yang tersedia dari zona calcining dan panas yang diperlukan di zona preheating. Bahkan dengan proses calcination ideal suhu gas buang mungkin lebih tinggi dari 100 derajat C. Dalam kasus tanur PFR (parallel flow regenerative), ada penggunaan yang lebih baik dari panas zona calcining dan peminjaman kehilangan panas dalam gas buang, yang menghasilkan konsumsi panas yang lebih rendah per ton lime.
Diagram skematis tanur silinder tunggal vertikal yang menunjukkan aliran material dan aliran gas, komponen utama tanur lime rotary, dan mekanisme transfer panas di tanur rotary ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 2 Diagram skematis tanur silinder tunggal vertikal, komponen tanur rotary dan mekanisme transfer panas di tanur rotary
Perbandingan data untuk berbagai tanur yang biasanya digunakan untuk calcination batu kapur dengan angka konsumsi penting dan ukuran material baku tipikal diberikan pada Tab 2.
| Tab 2 Perbandingan berbagai jenis tanur calcining |
|---|
| Jenis tanur calcining | Kapasitas tanur | Ukuran batu kapur | Konsumsi bahan bakar spesifik | Konsumsi daya spesifik | Keterangan |
|---|
| tpd | mm | kcal/kg | kWh/ton | |
|---|
| Tanur PFR persegi panjang | 100-400 | 30-120 | 810-870 | Sekitar 20 | Lime yang sangat reaktif dihasilkan |
| Tanur PFR lingkaran | 300-800 | 30-160 | 810-870 | Sekitar 20 | Lime yang sangat reaktif dihasilkan |
| Tanur lime halus | 200-400 | 15-40 | 790-850 | Sekitar 20 | Lime yang sangat reaktif dihasilkan |
| Tanur silinder berukuran | 200-600 | 15-200 | 910-980 | Sekitar 30 | Kandungan CO2 tinggi dalam gas buang |
| Tanur silinder tunggal | 50-300 | 10-100 | 980-1100 | Sekitar 35 | Lime yang terbakar sedang dihasilkan |
| Tanur rotary dengan preheater | 300-1200 | 10-50 | 1150-1350 | Sekitar 30 | Lime yang sangat reaktif dihasilkan, tingkat produksi tinggi dan sulfur rendah |
| Tanur rotary panjang tanpa preheater | 300-1000 | 20-50 | 1600-1700 | Sekitar 20 | Tingkat produksi tinggi, lime reaktif dan sulfur rendah |
| Calcination suspensi | 300-1200 | 0,03-2 | 1300-1400 | | Material baku yang sangat halus |
Berikut adalah faktor dan parameter operasi yang berpengaruh pada calcination batu kapur.
Jenis Tanur
Ada dua jenis tanur yang digunakan untuk calcining batu kapur. Mereka adalah tanur silinder vertikal atau tanur rotary horizontal. Tergantung pada jenis tanur, ukuran charge batu kapur berbeda. Di tanur vertikal, batu kapur bergerak ke bawah, dan gas panas mengalir ke atas melalui batu kapur, oleh karena itu batu harus cukup besar untuk memberikan laluan bagi gas pembakaran untuk bergerak ke atas. Tanur ini biasanya menggunakan ukuran batu kapur berkisar dari 130 mm hingga 200 mm. Dalam jenis tanur ini, kenaikan suhu harus lambat dan consequently waktu tinggal yang dihasilkan panjang. Tanur vertikal hemat bahan bakar, tetapi terbatas dalam kapasitas. Dalam kasus tanur horizontal, tubuh tanur berputar, memungkinkan batu kapur berguling dan mengekspos semua permukaan pada gas panas. Ukuran tipikal batu kapur untuk jenis tanur ini berkisar dari 25 mm hingga 40 mm. Keseragaman ukuran batu kapur untuk mengisi tanur sangat penting untuk proses calcining yang seragam. Namun, dari sudut pandang praktis, sizing yang ketat mahal karena beberapa saringan yang diperlukan. Batu kapur ukuran kecil seperti 6 mm dan lebih kecil dengan persentase tertentu halus dalam tanur horizontal, cenderung terbalik dalam mass, sehingga mengurangi paparan partikel pada gas panas. Proses ini menghasilkan paparan yang tidak merata, sehingga mengurangi kualitas quicklime. Di tanur vertikal, keberadaan ukuran batu kapur yang sangat kecil memblokir rongga antara batu kapur, mengganggu laluan gas, dan consequently dengan transfer panas, menyebabkan calcination yang tidak merata. Selain itu, partikel batu kapur kecil (kurang dari 3 mm) cenderung degradasi dan menyebabkan pembentukan halus yang perlu dihilangkan oleh pengumpul debu.
Ukuran dan Gradasi Batu Kapur
Selama proses calcination, dissosiasi batu kapur biasanya berkembang secara bertahap dari permukaan ke dalam batu kapur. Semakin besar ukuran batu kapur, semakin sulit untuk calcined dan juga membutuhkan lebih banyak waktu. Distribusi ukuran partikel yang luas dalam umpan tanur juga mengganggu distribusi panas di tanur. Batu kecil mengumpulkan di antara rongga yang dibentuk oleh batu besar di tanur silinder, sehingga memblokir draft dan aliran nyala dan gas pembakaran. Juga, selama calcining berbagai ukuran batu kapur, suhu yang calcine ukuran yang lebih kecil dengan memadai tanpa over calcining, hanya calcine cangkang luar batu kapur dengan dimensi yang lebih besar. Oleh karena itu, batu kapur dengan gradasi yang terbatas, terlepas dari ukuran, jauh lebih mudah untuk calcined. Ukuran batu kapur juga merupakan elemen kritis dalam proses calcination. Saat batu kapur memasuki tanur, ia diekspos pada gas panas di dalam tanur. Laju penetrasi panas bergantung pada suhu batu kapur dan gas di sekitarnya. Selain itu, membutuhkan waktu bagi panas untuk menembus batu kapur. Semakin kecil ukuran batu kapur, semakin singkat waktu penetrasi panas. Dalam kasus batu kapur bubuk, waktu ini dapat menjadi pecahan menit.
Struktur Kristal dan Densitas Batu Kapur
Struktur kristal batu kapur mempengaruhi laju calcination, kekuatan internal batu kapur, serta ukuran kristal yang dihasilkan dari CaO dalam lime. Kristal kecil mengaglomerasi selama calcination, membentuk kristal yang lebih besar, yang menyebabkan penyusutan dan pengurangan volume. Suhu tanur yang lebih tinggi membantu dalam proses aglomerasi. Semakin banyak aglomerasi, semakin banyak penyusutan volume produk akhir. Densitas batu kapur dan struktur kristalnya agak terkait. Bentuk kristal menentukan ruang rongga antara kristal, dan consequently, densitas batu kapur. Rongga yang lebih besar memungkinkan laluan mudah bagi gas CO2 selama calcination, tetapi juga menghasilkan pengurangan volume selama calcination. Beberapa jenis batu kapur, karena struktur kristalnya, terpecah dalam proses calcination. Jenis batu kapur ini tidak cocok untuk calcining. Ada beberapa jenis batu kapur lain yang berperilaku sebaliknya dan menjadi sangat padat selama calcination sehingga mencegah pelarian CO2 dan menjadi tidak pori. Kembali, jenis batu kapur ini tidak cocok untuk calcination.
Suhu Calcination
Calcination batu kapur dimulai pada sekitar 810 derajat C pada tekanan atmosfer dan dalam atmosfer yang terdiri dari 100 % CO2. Dissosiasi berlangsung secara progresif dari permukaan luar ke permukaan dalam. Untuk dissosiasi menembus interior batu kapur, suhu yang lebih tinggi diperlukan. Suhu perlu ditingkatkan lebih lanjut sehingga dissosiasi inti batu kapur dapat terjadi. Semakin besar ukuran batu kapur, semakin tinggi suhu yang dibutuhkan untuk dissosiasi inti karena tekanan internal yang meningkat saat gas CO2 mendorong pelariannya. Peningkatan suhu memberikan pengaruh yang jauh lebih besar pada laju dissosiasi daripada retensi suhu. Selain itu, suhu teoritis yang diperlukan untuk calcination adalah sekitar 1.000 derajat C. Namun, dalam praktik, suhu yang dipertahankan di tanur jauh lebih tinggi (sekitar 1350 derajat C). Suhu yang benar di tanur bergantung pada ukuran batu kapur serta jenis tanur dan jenis bahan bakar yang digunakan. Operator tanur biasanya bereksperimen untuk menentukan suhu yang tepat untuk ukuran dan kualitas batu kapur tertentu yang digunakan. Secara umum, lebih baik menggunakan suhu terendah dengan waktu tinggal yang sesingkat mungkin untuk mencapai calcination lengkap. Suhu calcination yang lebih tinggi menyebabkan penyusutan yang meningkat dan pengurangan volume. Suhu calcination yang lebih tinggi juga menyebabkan karbonasi permukaan batu kapur yang telah calcined, dengan keberadaan CO2 yang dilepaskan dari batu serta produk samping pembakaran, yang membuat lime tidak pori, dan consequently kurang reaktif.
Laju Kenaikan Suhu
Kenaikan suhu harus bertahap dan merata. Ini sangat penting saat menggunakan batu kapur ukuran besar (100 mm hingga 150 mm). Saat calcining batu kapur ukuran besar, batu kapur diperlukan untuk tetap pori selama proses. Saat suhu naik, lapisan luar batu kapur dipanaskan hingga suhu dissosiasi, di mana CO2 melarikan diri dari batu kapur, meninggalkan kapilari yang membuat lime pori. Saat gas melarikan diri, batu kapur menyusut dalam volume hingga 40 %. Penyusutan volume ini membatasi laluan gas dari tengah batu kapur, mencegah gas CO2 tambahan untuk melarikan diri. Waktu tinggal yang terlalu lama memfasilitasi kombinasi CaO dan CO2 kembali menjadi CaCO3 (karbonasi) pada suhu di atas 1350 derajat C. Jika kenaikan suhu sangat cepat, lapisan luar potongan batu kapur calcined sangat cepat. Saat suhu naik, permukaan potongan batu kapur menyusut dan pori yang dibuat oleh pelarian CO2 tertutup. Ini menghasilkan tekanan internal yang meningkat di dalam batu kapur. Karena gas tidak dapat melarikan diri, itu menyebabkan batu kapur meledak dan hancur. Ini menghasilkan produksi halus yang tidak diinginkan yang mengurangi kualitas quicklime yang dihasilkan.
Waktu Calcination
Terlihat bahwa terlepas dari jenis dan kualitas batu kapur, suhu pembakaran yang lebih tinggi dan periode calcination yang lebih lama menghasilkan quicklime yang lebih keras yang memiliki penyusutan tinggi, densitas tinggi, porositas rendah dan reaktivitas kimia rendah. Kebalikan terjadi pada suhu pembakaran yang lebih rendah dengan durasi calcination yang lebih singkat menghasilkan lime yang diinginkan, lembut yang sangat reaktif dengan penyusutan dan densitas rendah dan porositas tinggi. Calcination batu kecil dan besar dalam hal waktu pemanasan dan calcination relatif mereka berbanding lurus dengan kuadrat ketebalan (atau diameter rata-rata untuk batu berbentuk tidak teratur. Waktu tinggal di tanur bergantung pada ukuran batu kapur serta suhu calcination. Ukuran batu kapur adalah elemen paling kritis untuk calcination. Saat batu kapur memasuki tanur, ia diekspos pada gas panas di dalam tanur. Laju penetrasi panas didasarkan pada selisih suhu batu kapur dan suhu gas. Selain selisih suhu ini, membutuhkan waktu bagi panas untuk menembus batu kapur. Semakin kecil ukuran batu kapur, semakin pendek waktu untuk penetrasi panas. Dalam kasus batu kapur bubuk, waktu ini dapat berkurang menjadi kurang dari 1 menit. Jika waktu tinggal terlalu pendek, inti batu kapur tetap tidak calcined, sementara permukaan luar menjadi calcined. Jika waktu tinggal terlalu lama, maka permukaan potongan batu kapur menyusut dan pori yang dibuat oleh pelarian gas CO2 tertutup, menghasilkan permukaan yang tidak membusuk. Jenis lime ini disebut lime yang terbakar keras atau mati. Lime ini memiliki reaktivitas yang sangat rendah dan tidak slake dengan baik. Selain itu, waktu tinggal yang lebih lama berarti produksi yang lebih rendah dan biaya produksi yang lebih tinggi.
Konsentrasi CO2 di Tanur
Konsentrasi CO2 di atmosfer tanur meningkat dengan pelariannya dari batu kapur selama calcination. Untuk calcination yang tepat, CO2 harus dihilangkan secara kontinu. Jika CO2 tidak dihilangkan maka kombinasi konsentrasi CO2 yang tinggi dan suhu calcination yang tinggi menyebabkan karbonasi potongan batu kapur yang telah calcined dan mengubah CaO kembali menjadi CaCO3. Selain itu, CO2 juga bereaksi dengan impurities batu kapur.
Reaktivitas Kimia
Ada hubungan antara porositas, densitas dan distribusi ukuran pori. Faktor-faktor ini mempengaruhi properti ukur standar quicklime seperti reaktivitas, lime yang tersedia dan distribusi ukuran partikel serta luas permukaan. Terlihat bahwa waktu retensi 1 jam hingga 4 jam memiliki very little atau tidak ada efek pada porositas, luas permukaan, atau reaktivitas dalam rentang suhu calcination 950 derajat C hingga 1070 derajat C dan densitas massa quicklime tetap konstan. Suhu calcination yang berlebihan dan periode calcination yang panjang menyebabkan pembakaran keras batu kapur dan ini menghasilkan produksi lime dengan reaktivitas rendah.
Karakteristik Penyusutan
Penyusutan quicklime dapat dihitung dari densitas batu kapur dan lime setelah mengizinkan loss on ignition (LOI). Ini dihitung dengan rumus S = 100*{[100/Ds-(100-L)/Dl]/100*Ds} Di mana S adalah penyusutan dalam persen, Ds adalah densitas batu kapur dalam gram/cc, Dl adalah densitas quicklime dalam gram/cc dan L adalah loss of ignition batu kapur dalam persen. Penyusutan batu kapur memiliki pengaruh besar pada densitas massa charge batu kapur di tanur. Semakin tinggi penyusutan semakin sedikit rongga dalam charge batu kapur. Ini menghasilkan pengemasan batu kapur di tanur yang mengakibatkan tekanan jatuh yang tinggi di tapak tanur dengan pengaruhnya pada draft gas buang dari tanur.
Kualitas dan Jenis Bahan Bakar
Kualitas dan jenis bahan bakar mempengaruhi efisiensi tanur dan kualitas lime yang dihasilkan. Bahan bakar padat kasar seperti kayu, arang kayu dan batubara digunakan sejak zaman dahulu. Batubara bubuk, gas produsen, gas alami dan minyak bakar digunakan di tanur. Gas alami adalah bahan bakar yang paling nyaman dan gas produsen adalah yang paling sulit. Pilihan akhir bahan bakar juga ditentukan oleh pertimbangan lingkungan karena beberapa bahan bakar memiliki kecenderungan yang lebih tinggi untuk mencemari lingkungan melalui emisi berbahaya. Biasanya, tanur vertikal menggunakan minyak atau gas alami untuk bahan bakar, sedangkan tanur rotary horizontal menggunakan batubara. Namun, kedua jenis tanur dapat menggunakan salah satu bahan bakar ini. Baik minyak maupun batubara mengandung persentase senyawa sulfur yang dapat bervariasi dari 0,5 % hingga 3 %. Sulfur biasanya bereaksi dengan CaO pada suhu yang tepat dan menghasilkan sulfurida kalsium atau sulfat kalsium. Ini biasanya terjadi pada permukaan material yang telah calcined dan membuat material tidak pori, sehingga mengurangi reaktivitasnya. Selain itu, persentase abu yang tinggi dalam batubara menghasilkan penumpukan pada pelapis tahan api di tanur rotary, sehingga mengganggu aliran charge batu kapur di tanur. Tanur harus didinginkan secara berkala dan penumpukan abu dihapus secara manual yang merupakan operasi yang sangat melelahkan dan mahal. Gas alami adalah bahan bakar yang paling bersih dan sebagian besar digunakan di tanur vertikal.
Jenis pengolahan ketiga dari batu kapur terdiri dari produksi hydrated lime, yang adalah bubuk kering yang dihasilkan dengan memproses quicklime dengan air yang cukup untuk memuaskan affinitas kimianya terhadap air, dengan mengubah oksida menjadi hidroksida. Hydrated lime juga kadang disebut slaked lime. Untuk desulfurisasi gas buang, karakteristik hydrated lime memerlukan kehalusan rata yang ditingkatkan, luas permukaan yang lebih tinggi, dan volume pori yang lebih besar. Reaksi hidrasi secara kimia sederhana tetapi sangat eksotermik, dengan generasi panas sekitar 276 kcal/kg CaO. Reaksi adalah sebagai berikut.
CaO + H2O = Ca(OH)2 + panas
Untuk keperluan perbandingan, panas eksotermik yang dihasilkan dari hidrasi 1.000 ton quicklime kalsium tinggi sama dengan total nilai panas sekitar 35 ton batubara. Istilah hidrasi dan slaking digunakan cukup sering secara bergantian. Namun, ada perbedaan yang pasti dan jelas. Hidrasi biasanya didefinisikan sebagai proses di mana jumlah air dan lime yang setara stoikiometri bereaksi untuk membentuk produk, hidrat, yang merupakan bubuk kering. Ini mengandung kurang dari 1 % kelembaban bebas dan ditangani sebagai bubuk. Slaking di sisi lain didefinisikan sebagai proses di mana lime bereaksi dengan jumlah air berlebihan untuk membentuk slurry lime yang ditangani sebagai cairan.
Hidrasi yang cepat cenderung menghasilkan partikel yang lebih halus, karena kristal hidrat diberi kesempatan yang lebih sedikit untuk mengaglomerasi. Namun, reaksi yang paling cepat tidak selalu kondisi terbaik. Secara prinsip reaksi lime yang sangat reaktif berkembang dalam tiga fase (Gambar 3). Fase-fase ini disebut (i) kinetik, (ii) transitory, dan (iii) diffusion. Fase kinetik biasanya sangat singkat (kurang dari 10 detik), dan menunjukkan kenaikan suhu tajam, yang dapat mencapai 50 % dari kenaikan suhu total. Panjang fase transitory (seringkali kurang dari satu menit) dapat berubah karena ukuran lump lime yang diumpankan ke hydrator. Ini menunjukkan lenturan yang terlihat dari kenaikan suhu. Dalam fase diffusion, suhu lagi naik tajam hingga melanda cepat untuk menunjukkan akhir reaksi.
Gambar 3 Fase reaksi hidrasi dan mekanisme hidrasi
Mekanisme hidrasi juga ditunjukkan pada Gambar 3. Mekanisme hidrasi partikel lime menunjukkan bahwa setelah kontak awal dengan air reaksi dimulai dengan sangat kuat dalam beberapa detik karena kontak yang tidak terhalang antara lime dan air. Setelah lapisan pertama lime yang sebagian terhidrasi terbentuk di permukaan, ia bertindak sebagai perisai terhadap lapisan quick lime di bawahnya karena cenderung tetap di dekat permukaan partikel. Oleh karena itu, lapisan lime yang sebagian terhidrasi menunda penetrasi air. Saat kristal Ca(OH)2 terbentuk secara bertahap ke bentuk akhir mereka, mereka mulai terpisah. Ini meningkatkan penetrasi air yang melanjutkan tren reaksi. Faktor lain yang penting adalah bahwa perkembangan reaksi adalah fungsi dari ukuran lump quicklime.
Aplikasi Batu Kapur dan Lime di Pabrik Besi dan Baja
Selama produksi besi melalui rute tanur blast (BF), batu kapur ditambahkan baik dalam proses sintering atau sebagai umpan langsung di tanur blast. Batu kapur biasanya ditambahkan selama pembuatan besi untuk mendapatkan escoria BF yang netral atau sedikit basa. Penambahan batu kapur melalui sinter adalah rute yang lebih disukai karena CO2 batu kapur dihilangkan selama proses sintering. Dalam kasus sintering, batu kapur dihancurkan hingga -3 mm (dalam rentang 85 % hingga 90 %) di hammer crushers sebelum dicampur dalam campuran sinter. Dalam kasus umpan langsung ke tanur blast, lump batu kapur ukuran 10 mm hingga 40 mm digunakan.
Dalam kasus penambahan batu kapur melalui sintering, saat ini batu kapur yang telah dibakar (lime) juga langsung digunakan. Penggunaan quicklime dalam proses sintering memiliki keuntungan (i) Peningkatan karakteristik pengikat campuran sinter, (ii) peningkatan produktivitas mesin sintering, (iii) peningkatan kekuatan sinter, dan (iv) pengurangan volume gas buang dengan keuntungan yang terkait.
Kandungan silika (SiO2) tinggi dalam batu kapur yang digunakan untuk tujuan sintering disukai karena SiO2 mencegah efek alumina (Al2O3) di tanur blast.
Penggunaan kedua utama batu kapur adalah dalam pembuatan baja. Ini digunakan untuk mempertahankan basicitas escoria (CaO/SiO2) sekitar 3. Dalam pembuatan baja, batu kapur digunakan dalam bentuk yang telah dibakar. Untuk digunakan dalam pembuatan baja, kandungan SiO2 (karena sifat asamnya) dalam batu kapur harus sangat rendah lebih rendah dari 1 %. Juga, reaktivitas lime harus sangat baik, karena waktu yang lebih sedikit tersedia karena proses pembuatan baja adalah proses yang sangat cepat. Seluruh proses pembuatan baja memakan waktu kurang dari 20 menit untuk diselesaikan.
Penggunaan kecil lime (baik yang telah dibakar atau hydrated) terdiri dari agen desulfurisasi, pelapis cetakan mesin cetak besi mentah, netralisasi air asam, pengolahan air, pengolahan air limbah (efluen), pengolahan gas buang, dan pengolahan lumpur dan riol dll. Lime juga kadang ditambahkan sebagai komponen escoria sintetis.
