Optimasi Pembuatan Besi Tanur Timur: Peran Injeksi Batubara Halus (PCI)
Memahami Pembuatan Besi Tanur Timur dengan Injeksi Batubara Halus
Injeksi batubara halus di tanur timur (BF) awalnya didorong oleh harga minyak yang tinggi tetapi sekarang penggunaan injeksi batubara halus (PCI) telah menjadi praktik standar dalam operasi BF karena memenuhi persyaratan untuk mengurangi biaya bahan baku, polusi dan juga memenuhi kebutuhan untuk memperpanjang umur oven koks yang tua. Injeksi batubara halus ke dalam BF menghasilkan (i) peningkatan produktivitas BF, yaitu jumlah logam panas (HM) yang diproduksi per hari oleh BF, (ii) mengurangi konsumsi batubara koksi yang lebih mahal dengan menggantikan koks dengan batubara koksi lunak atau termal yang lebih murah, (iii) membantu mempertahankan stabilitas tanur, (iv) meningkatkan konsistensi kualitas HM dan mengurangi kandungan silikon (Si), dan (v) mengurangi emisi gas rumah kaca. Selain keuntungan ini, penggunaan PCI di BF telah terbukti menjadi alat yang kuat bagi operator tanur untuk menyesuaikan kondisi termal tanur jauh lebih cepat dari yang dapat dilakukan dengan menyesuaikan muatan beban dari atas.
Batubara halus pada dasarnya memiliki dua peran dalam operasi BF. Ini tidak hanya menyediakan sebagian panas yang diperlukan untuk mereduksi bijih besi, tetapi juga sebagian gas pengurangan. Untuk memahami produksi HM di BF dengan injeksi batubara halus, diperlukan untuk memahami apa yang terjadi di dalam BF serta reaksi kimia dan pentingnya permeabilitas di dalam tanur dan bagaimana bahan baku dapat mempengaruhi parameter ini.
BF pada dasarnya adalah tanur piringan bergerak aliran salang dengan padatan (bijih besi, koks dan fluks), dan kemudian cairan leleh, bepergian ke bawah poros. Batubara halus dan tiupan udara panas yang diperkaya oksigen (O2) disuntik di level tuyere di dekat dasarnya. Gas yang dibentuk oleh berbagai reaksi yang terjadi bergerak ke atas poros tanur, mereduksi bijih besi saat menurun.
Muatan BF terdiri dari (i) bahan baku yang mengandung besi (bijih lump, pelet, dan sinter) dan fluks (kapur, dolomit, dan kuarsa), dan (ii) koks. Bahan muatan ini secara bergantian dimuat di atas tanur. Bahan setelah dimuat dikeringkan dan dipanaskan terlebih dahulu oleh gas yang meninggalkan tanur.
Saat muatan berjalan ke bawah tanur, dipanaskan dan, pada suhu sekitar 500 derajat C, reduksi indirect bijih oleh karbon monoksida (CO) dan hidrogen (H2) dalam gas yang naik dimulai. Transformasi oksida besi yang lebih tinggi menjadi oksida besi (FeO) dimulai di zona ini. Saat muatan menurun lebih jauh dan dipanaskan ke tingkat suhu sekitar 900 derajat C hingga 950 derajat C, reduksi langsung oksida besi oleh koks padat terjadi. Bijih direduksi oleh CO dan H2, dan karbon dioksida (CO2) yang terbentuk segera direduksi oleh koks kembali menjadi CO. Efek netto adalah reduksi bijih oleh koks. Reaktivitas koks terhadap CO2 adalah parameter penting karena menentukan rentang suhu di mana transisi dari reduksi indirect ke langsung terjadi.
Lebih bawah tanur ada daerah yang dikenal sebagai zona kohesi. Di sini, escaria mulai terbentuk pada sekitar 1100 derajat C. Awalnya relatif viskus, dan mengelilingi partikel oksida besi, mencegah reduksi lebih lanjut. Seiring dengan peningkatan suhu ke tingkat sekitar 1400 derajat C hingga 1450 derajat C, meleleh dan reduksi berlanjut. Daerah ini kritis dalam hal permeabilitas beban.
Zona berikutnya di BF dikenal sebagai zona koks cair atau aktif. Di zona ini, suhu meningkat ke sekitar 1500 derajat C, proses peleharan bijih besi dan escaria berlanjut. Ada gerakan yang signifikan di daerah ini dan koks menyusut dari sana ke dalam raceway. Raceway adalah bagian terpanas di BF, di mana suhu dapat mencapai hingga 2200 derajat C. Dibuat ketika tiupan udara panas disuntik melalui tuyere ke dalam tanur. Batubara halus disuntik dengan tiupan udara panas secara langsung ke dalam raceway. Pembakaran dan gasifikasi batubara, dan koks terjadi, menghasilkan baik gas pengurangan (CO dan H2) dan panas yang diperlukan untuk meleleh bijih besi dan escaria dan untuk mendorong reaksi endotermik.
Tiupan udara panas diperkaya dengan oksigen (O2) untuk mempertahankan suhu api yang diinginkan dan untuk meningkatkan efisiensi pembakaran. BF memiliki banyak tuyere (jumlah tuyere bergantung pada diameter telapak tanur), masing-masing dengan raceway sendiri, disusun simetris di sekitar periferinya. Kedalaman setiap raceway biasanya dalam rentang 1 meter (m) hingga 2 m, tergantung pada energi kinetik tiupan udara panas.
Bahan yang tidak terbakar meninggalkan raceway dan bergerak ke atas tanur ke daerah poros dan shaft. Besi cair dan escaria melewati 'deadman' (kasur koks stagnan) ke telapak tanur di mana dikumpulkan dan secara berkala dikeluarkan melalui lubang tap. Escaria kemudian diambil dari besi cair. Beberapa tanur memiliki lubang tap terpisah untuk escaria dan besi. Dapat memakan waktu sekitar 6 jam (h) hingga 8 h untuk bahan baku menurun ke telapak tanur, meskipun koks dapat tetap selama hari, atau bahkan minggu, di dalam deadman. Besi cair, disebut HM, diangkut ke fasilitas pembuatan baja. Persyaratan kualitas HM untuk pembuatan baja adalah kualitas HM yang konsisten dan suhu yang setinggi mungkin.
Gas panas yang meninggalkan atas tanur dikenal sebagai gas atas BF. Disingkat, dibersihkan, dan digunakan di pabrik baja sebagai gas bahan bakar dengan sebagian besarnya digunakan untuk pemanasan tiupan panas di pemanas tiupan panas. Gambar 1 menunjukkan penampang lintang BF yang menunjukkan berbagai zona beserta suhu mereka.
Gambar 1 Penampang lintang BF yang menunjukkan berbagai zona beserta suhu mereka
Reaksi kimia di dalam BF
BF dapat dianggap sebagai tanur pertukaran panas dan massa aliran salang karena panas ditransfer dari gas yang naik ke beban BF dan O2 dari beban yang turun ke gas. sifat aliran salang dari reaksi membuat proses keseluruhan menjadi proses yang sangat efisien. Reaksi kimia yang terjadi di dalam BF bersifat kompleks. Reaksi utama yang terjadi di dalam tanur dijelaskan di sini.
Reaksi kimia utama adalah reduksi muatan bijih besi menjadi besi logam. Ini berarti penghapusan O2 dari oksida besi dari muatan bijih oleh serangkaian reaksi kimia yang disebut reduksi gas atau reduksi indirect. Reaksi ini adalah sebagai berikut.
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 (dimulai pada sekitar 500 derajat C)
3Fe2O3 + H2 = 2Fe3O4 + H2O
Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 (terjadi dalam rentang suhu 600 derajat C hingga 900 derajat C)
Fe3O4 + H2 = 3FeO + H2O
FeO + CO = Fe + CO2 (terjadi dalam rentang suhu 900 derajat C hingga 1100 derajat C)
FeO + H2 = Fe + H2O
Reaksi di atas adalah ekso termik dan menghasilkan panas. Pada saat yang sama dengan oksida besi melalui reaksi ini, mereka juga mulai melembut dan meleleh. Pada suhu tinggi di dekat zona cair, karbon (C) dari koks mereduksi FeO untuk menghasilkan besi (Fe) dan CO. Reaksi ini, disebut sebagai 'reduksi langsung', sangat endotermik, dan panas yang mendorongnya disediakan oleh kalor spesifik yang terkandung dalam gas raceway panas.
FeO + C = Fe + CO
Pembakaran dan gasifikasi batubara, dan koks menghasilkan gas pengurangan (CO dan H2) yang mengalir ke atas tanur. Saat batubara dan koks masuk ke raceway, mereka menyala oleh tiupan udara panas dan segera terbakar sesuai dengan reaksi berikut untuk menghasilkan CO2 dan panas.
C + O2 = CO2
Karena reaksi terjadi kehadiran C berlebih pada suhu tinggi, CO2 direduksi oleh reaksi 'Boudouard atau solution loss' berikut menjadi CO yang merupakan reaksi endotermik.
CO2 + C = 2CO
Selain itu, uap air (H2O) yang dihasilkan selama pembakaran direduksi sesuai dengan reaksi berikut yang juga merupakan reaksi endotermik.
H2O + C = CO + H2
Injeksi batubara yang mengandung H2 menambah reduksi indirect. H2 adalah gas pengurangan yang lebih efektif daripada C (reduksi langsung). Reaksi regenerasi H2 (H2O + C = CO + H2) kurang endotermik dan berlangsung lebih cepat daripada regenerasi CO (reaksi Boudouard). Kandungan H2 yang lebih tinggi dalam gas BF yang naik mempromosikan laju reduksi bijih besi yang lebih tinggi, dan oleh karena itu meningkatkan produktivitas BF. Namun, konsentrasi H2 yang lebih tinggi juga dapat menyebabkan jumlah debu koks yang lebih tinggi di poros tanur.
Kapur dan dolomit turun di dalam tanur dan tetap padat saat melalui reaksi kalinasi berikut.
CaCO3 = CaO + CO2
(Ca,Mg)CO3 = (Ca,Mg)O + CO2
Reaksi ini adalah endotermik dan dimulai pada sekitar 870 derajat C. CaO (oksida kalsium) dan MgO (oksida magnesium) membantu pengapusan sulfur (S) dan pengganggu asam dari muatan bijih untuk membentuk escaria cair. Ini juga dapat membantu mengapus S yang dilepaskan dari koks dan batubara.
Masalah proses
Operasi stabil BF bergantung pada distribusi seragam dari aliran gas yang naik dan aliran yang tidak terhalang dari HM dan escaria ke telapak BF. Oleh karena itu, pemeliharaan permeabilitas di dalam tanur penting untuk operasi tanur yang stabil, dan oleh karena itu produktivitas BF. Mayoritas masalah teknis yang terkait dengan peningkatan laju injeksi batubara adalah respons terhadap persyaratan permeabilitas. Beberapa masalah yang pada dasarnya terkait dengan laju PCI tinggi ditunjukkan dalam Gambar 2.
Gambar 2 Masalah teknis yang terkait dengan laju PCI tinggi di BF
Permeabilitas di dalam tanur dipengaruhi oleh properti beban bijih, koks, dan batubara. Debu yang dihasilkan dari materi-materi ini dapat mengakumulasi, memblokir aliran gas dan cair. Arang yang tidak terbakar dari batubara dan debu koks, misalnya, dapat mengakumulasi di sarang burung, zona relatif padat antara raceway dan deadman, dan di sekitar bawah zona kohesi. Ini dapat mengakibatkan fluktuasi aliran gas dan operasi yang tidak stabil. Aliran gas periferi dapat terjadi yang mengakibatkan peningkatan beban panas pada dinding tanur, terutama di bagian bawah tanur. Ini dapat mempersingkat umur lapisan refraktori tanur, sehingga mempercepat kebutuhan akan perbaikan modal dini.
Efisiensi proses BF bergantung pada laju penghapusan O2 dari muatan bijih. Semakin banyak gas yang menghapus O2 dari muatan bijih, semakin efisien proses. Oleh karena itu, kontak intim antara gas dan muatan bijih penting. Untuk optimasi kontak ini, permeabilitas lapisan bijih harus setinggi mungkin. Rasio gas yang mengalir melalui muatan bijih dan jumlah O2 yang akan dihapus dari muatan juga harus seimbang.
Permeabilitas lapisan bijih sebagian besar ditentukan oleh jumlah debu (kurang dari 5 mm) di dalamnya. Mayoritas debu biasanya dihasilkan oleh sinter, jika ada di muatan yang dimuat, atau dari bijih lump. Ada dua sumber debu, yaitu yang (i) membentuk bagian dari muatan bijih besi, dan (ii) dihasilkan oleh degradasi materi muatan bijih selama transportasi dan pemuatan, dan di dalam poros tanur.
Oleh karena itu penting untuk menyaring materi muatan untuk menghapus debu sebelum dimuat ke dalam BF. Ukuran yang disukai untuk berbagai materi biasanya 5 mm hingga 30 mm untuk sinter, 8 mm hingga 16 mm untuk pelet dan 10 mm hingga 30 mm untuk bijih lump besi. Mayoritas BF yang beroperasi saat ini pada laju PCI tinggi menggunakan proporsi besar muatan bijih yang dipersiapkan yang terdiri dari lebih dari 80 % sinter dan/atau pelet.
Dalam kasus di mana debu dihasilkan oleh degradasi materi muatan bijih selama transportasi dan pemuatan, dan di dalam poros tanur, penting untuk mengontrol karakteristik degradasi materi muatan. Ada tes standar untuk menentukan resistensi materi muatan bijih terhadap degradasi fisik oleh dampak dan abrasi, dan untuk mengukur desintegrasi selama reduksi pada suhu rendah.
Muatan bijih dengan redusibilitas tinggi disukai. Ada metode standar yang tersedia untuk penetapan redusibilitas materi yang membentuk muatan bijih. Sayangnya, meningkatkan redusibilitas dapat meningkatkan degradasi dan desintegrasi materi bijih. Kandungan silica (SiO2) dan oksida kalsium (CaO) yang lebih rendah, dan kandungan alkali yang lebih tinggi meningkatkan redusibilitas tetapi juga meningkatkan desintegrasi.
Permeabilitas untuk aliran gas berkurang segera materi muatan mulai melembut dan meleleh. Oleh karena itu, penting bahwa materi muatan mulai meleleh pada suhu yang relatif tinggi sehingga mereka tidak memperlambat aliran gas saat masih berada di bagian atas poros. Transisi cepat dari keadaan padat ke cair juga diinginkan. Properti peleharan ditentukan oleh komposisi escaria. Peleburan pelet dan bijih lump biasanya dimulai dalam rentang suhu 1000 derajat C hingga 1100 derajat C, sedangkan sinter dasar mulai meleleh pada suhu yang lebih tinggi.
Selanjutnya, kualitas materi muatan harus konsisten untuk memastikan operasi stabil BF. Juga, harus didistribusikan ke dalam BF dengan cara yang mencapai operasi yang lancar dengan produktivitas tinggi.
Koks memiliki tiga fungsi utama di BF. Ini adalah (i) kimiawi, (ii) termal, dan (iii) fisik. Karena fungsi kimiawi, berperan sebagai agen pengurangan. Pembakarannya menghasilkan gas untuk mereduksi oksida besi, dan oksida lain seperti silica (SiO2). Ini juga menyediakan C untuk karburisasi HM. Karena fungsi termal, koks terbakar dalam raceway yang menyediakan sumber panas untuk meleleh besi dan escaria, dan juga untuk mendorong proses endotermik. Karena fungsi fisik, koks menyediakan dukungan untuk beban besi pada matriks permeabel, melalui mana gas dan besi cair dan escaria dapat mengalir.
Batubara berkontribusi pada dua fungsi pertama tetapi tidak pada fungsi 'fisik' ketiga. Di sini, koks harus memastikan permeabilitas untuk gas tanur di wilayah di atas zona kohesi, di dalam zona kohesi, dan untuk gas dan produk cair di daerah poros dan telapak tanur. Peran koks sangat penting di zona kohesi di mana melembutan dan peleharan bijih besi dapat membentuk lapisan tidak permeabel, yang dipisahkan oleh lapisan koks permeabel atau jendela. Selain itu, di zona ini koks membentuk jaringan yang kuat yang mendukung sebagian beban muatan di atasnya. Karena fungsi fisik koks, ada batas pada jumlah batubara yang dapat disuntik.
Kualitas koks yang tinggi dan konsisten diperlukan untuk mengurangi pembentukan debu yang dapat menyebabkan permeabilitas buruk, operasi BF yang tidak stabil, dengan produktivitas yang lebih rendah. Laju di mana koks degradasi dan menghasilkan debu saat menurun melalui tanur terutama dikontrol oleh reaksi Boudouard, stres termal, stres mekanis dan akumulasi alkali, tergantung pada posisinya di dalam tanur dan juga pada kondisi operasional. Oleh karena itu properti koks utama berikut menarik perhatian.
- Kekuatan dingin (di dalam BF) – Kekuatan dingin menentukan resistensi terhadap patah dan abrasi selama penanganan. Mecanisme pecahan dan abrasi mendominasi pembentukan debu di bagian atas atau poros tanur, dan mekanisme ini seringkali terkait dengan kekuatan dingin koks. Tes standar untuk menilai degradasi mekanis (kekuatan dingin) koks tersedia.
- Kekuatan panas – Karena kekuatan panas koks, ada retensi integritas struktural dalam potongan koks saat bereaksi dengan CO2 pada suhu tinggi. Reaksi koks dengan CO2 (reaksi Boudouard) dalam raceway mempromosikan degradasi dan produksi debu. Selain itu, degradasi akibat dampak dengan tiupan udara panas berkecepatan tinggi dapat terjadi. Koks dengan kekuatan panas lebih rendah dapat mengakibatkan raceway dan zona kohesi yang tersasar, dan akumulasi debu koks di deadman yang mengakibatkan masalah permeabilitas. Oleh karena itu, kekuatan dan stabilitas struktur koks setelah reaksi dengan CO2 pada suhu tinggi adalah parameter penting. Dua indeks digunakan untuk memberikan indikasi perilaku potensial koks pada suhu tinggi. Ini adalah (i) Indeks Reaktivitas Koks (CRI) dan (ii) Kekuatan Koks Setelah Reaksi (CSR). Ini ditentukan menggunakan tes standar.
- Komposisi kimia – Terkait komposisi kimia, abu, S (yang mempengaruhi S dalam HM) dan kandungan alkali penting. Alkali (dan oksida dasar lain seperti oksida besi) meningkatkan reaktivitas koks terhadap CO2 karena efek katalitik, dan menurunkan resistensi abrasi. Oleh karena itu koks lebih rentan terhadap degradasi. Abu dalam koks biasanya memiliki efek buruk pada kinerja BF.
- Ukuran rata-rata dan distribusi ukuran – Material kecil perlu diayak sebelum dimuat untuk menghindari masalah permeabilitas yang mungkin. Distribusi ukuran mempengaruhi langsung permeabilitas tanur, baik di area poros dan bagian bawah tanur. Ukuran rata-rata koks yang dimuat biasanya dalam rentang 20 mm hingga 50 mm. Di bawah operasi BF yang stabil, mayoritas debu koks dikonsumsi di dalam tanur oleh reaksi Boudouard, karburisasi HM dan reaksi dengan escaria, dengan hanya jumlah kecil yang meninggalkan dengan gas atas BF.
Laju koks di bawah 300 kilogram per ton HM (kg/tHM) telah menjadi praktik state-of-the-art di BF modern dengan PCI. Nilai terendah untuk laju koks yang dicapai sekitar 240 kg/tHM. Penggunaan koks nut menjadi umum, jumlahnya tergantung pada kondisi lokal. Koks nut meningkatkan hasil C keseluruhan BF. Ini melindungi koks kasar dari degradasi ukuran berlebihan karena secara prioritas digasifikasi di poros.
Emisi dan kekhawatiran lingkungan
Secara global industri besi dan baja mencatat bagian terbesar emisi CO2 (sekitar 27 %) dari sektor manufaktur. Ini karena produksi yang intensif energi, ketergantungan pada batubara sebagai sumber energi utama dan volume produksi baja yang besar. Sekitar 60 % produksi baja global melalui rute BF dan pembuatan besi oleh BF adalah salah satu sumber utama emisi di dalam pabrik baja, karena sebagian besar konsumsi energi terkait dengan proses BF sekitar 2,4 giga kalori per ton (Gcal/t) hingga 3,1 Gcal/t baja mentah, termasuk pemanas tiupan panas. Karena CO2 terkait dengan perubahan iklim, pengurangannya adalah kekhawatiran penting. Diberikan di bawah ini adalah jumlah, komposisi dan nilai kalori (CV) dari gas atas BF, emisi udara, dan emisi CO2 dan pengurangannya, serta secara singkat limbah cair dan padat.
Gas kotor panas BF meninggalkan atas tanur, di bawah tekanan, dan melewati pabrik pembersihan gas (GCP) di mana partikel (utama arang yang tidak terbakar, arang dan debu koks) dan air dihapus, dan gas BF didinginkan. Jumlah debu yang harus dihapus meningkat seiring dengan peningkatan laju injeksi batubara. GCP modern adalah unit multi-tahap di mana partikel kasar pertama dihapus dengan pemisahan gravitasi (penangkap debu atau siklon), diikuti oleh penghapusan debu halus dengan scrubber basah atau penangkap elektrostatis basah untuk mencapai kandungan debu di bawah 10 miligram per meter kubik (mg/cum). Di beberapa BF penghapusan debu halus kering menggunakan filter kantong udara juga dilakukan. GCP modern bahkan memungkinkan debu yang diekstrak diurutkan menjadi berbagai jenis untuk penggunaan ulang yang efektif.
Gas atas BF berisi sekitar H2 – 4 %, CO – 25 %, dan CO2 – 20 %, dengan sisanya sebagian besar nitrogen (N2). Memiliki CV sekitar 810 kilo kalori per meter kubik (kcal/cum), yaitu sekitar 35 % hingga 40 % dari konten energi batubara dan koks yang diekstrak dari BF dalam gas BF. Gas BF yang dibersihkan digunakan di berbagai tempat di pabrik baja termasuk dalam pemanasan udara tiupan di pemanas tiupan panas. CV gas BF mempengaruhi penggunaannya dalam proses downstream.
BF modern biasanya dioperasikan pada tekanan tinggi untuk meningkatkan produktivitas tanur. Di banyak BF, turbin pemulihan tekanan atas digunakan untuk menghasilkan listrik dari tekanan yang tersisa dalam gas atas. Daya output turbin pemulihan tekanan atas dapat mencakup sekitar 30 % dari kebutuhan listrik untuk semua peralatan BF, termasuk blower untuk tiupan udara. Jumlah, komposisi dan CV gas BF dipengaruhi oleh properti batubara serta kondisi operasional. Misalnya, batubara HV biasanya memiliki kandungan H2 yang lebih tinggi dan CV yang lebih rendah dibandingkan LV, dan oleh karena itu dapat menghasilkan gas BF dengan kandungan H2 yang lebih tinggi dan CV yang lebih rendah. Injeksi batubara HV biasanya meningkatkan jumlah debu dalam gas BF dibandingkan batubara LV. Jumlah debu halus dalam gas BF biasanya lebih tinggi ketika batubara VM (bahan volail) sangat tinggi diinjeksi. Material karbon yang lebih besar dalam debu halus diidentifikasi sebagai arang, berasal dari pembakaran tidak sempurna dari VM batubara.
Hanya informasi kecil yang tersedia mengenai perubahan emisi udara saat batubara diinjeksi ke dalam BF. Injeksi batubara tidak menyebabkan peningkatan kandungan S dalam gas BF saat batubara dengan kandungan S sekitar 0,8 % diinjeksi ke dalam BF. Sebuah studi untuk inventaris siklus hidup BF telah menunjukkan bahwa baik emisi SO2 maupun NO2 sebenarnya menurun sekitar 22 % dan 16 %, masing-masing, saat laju PCI meningkat dari 16 kg/tHM menjadi 116 kg/tHM.
Batasan kandungan klorin (Cl) untuk batubara (biasanya di bawah 0,05 %) adalah karena propersi korosif dari senyawa klor yang dihasilkan, khususnya asam hidroklorida (HCl). Klorin, yang terbentuk dalam raceway saat batubara diinjeksi, bereaksi dengan alkali gas (dari abu batubara atau koks) untuk membentuk klorida alkali (NaCl dan KCl). Sebagian asam HCl dan jumlah kecil senyawa Cl lainnya juga dihasilkan. Sebagian asam HCl yang dihasilkan dihapus oleh batu kapur di dalam tanur. Klorida alkali (juga dihasilkan dari bijih besi) dapat beredar di dalam poros menyebabkan desintergrasi sinter dan oleh karena itu, kandungan debu yang meningkat dan degradasi permeabilitas tanur. Senyawa Cl juga dapat merosot lapisan refraktori dan pipa di GCP BF. Mereka dibuang dalam air cuci di scrubber.
Termodinamika dan metalurgi proses BF mengkonsentrasikan elemen jejak yang berasal dari batubara, koks dan bijih besi ke dalam aliran output yang berbeda. Elemen mudah menguap, seperti kadmium (Cd) dan merkuri (Hg), diserap pada debu halus dan keluar dalam gas atas BF. Mereka dihapus di GCP (sekitar 75 % Cd dan 90 % Hg). Cd dan Hg tidak pergi ke HM atau escaria. Elemen yang kurang mudah menguap, seperti seng (Zn) dan tembaga (Cu), terpartisi antara logam cair dan escaria. Mayoritas Zn dari semua sumber input terlarut ke dalam HM karena tekanan tinggi di BF, dengan sekitar 70 % keluar dalam HM dan escaria. Timbal (Pb) memiliki suhu avaporasi yang lebih rendah dari Zn, dan dapat mengakumulasi di BF, menurunkan produktivitas. Sebagian besar timbal (Pb) berasal dari bijih besi (sinter, bijih lump dan pelet), diikuti oleh koks. Mayoritas meninggalkan BF terserap pada partikel debu halus dari materi muatan dan koks, dan dihapus di GCP di scrubber (lebih dari 80 %). Transfernya ke HM dianggap kurang penting. Hanya sekitar 1 % masing-masing Cd dan Pb, dan 5 % Hg yang diemisi dalam keadaan logam gas.
Emisi CO2 dari BF dipengaruhi oleh sejumlah faktor. BF kecil cenderung memancarkan lebih banyak CO2/tHM daripada BF besar karena efisiensi yang lebih rendah. BF besar biasanya lebih efisien karena kerugian panas lebih rendah dan biasanya lebih ekonomis untuk memasang peralatan hemat energi. Kerugian energi untuk BF yang efisien kurang dari 10 % dari total input energi. Selain itu, kualitas bahan baku mempengaruhi konsumsi energi dan oleh karena itu emisi CO2. Misalnya, batubara dengan abu rendah menghasilkan jumlah escaria yang lebih rendah dibandingkan batubara dengan abu tinggi, dan oleh karena itu efisiensi termal yang lebih baik dicapai karena kurang energi yang dibutuhkan untuk meleleh abu. Untuk setiap peningkatan persentase kandungan abu dari batubara yang diinjeksi, sekitar 1,5 kg/tHM koks tambahan diperlukan yang meningkatkan input C dan oleh karena itu emisi CO2.
Kualitas koks mempengaruhi jumlah agen pengurangan (koks, dan batubara) yang diperlukan di BF dan oleh karena itu emisi CO2. Peningkatan 1 % abu koks meningkatkan laju escaria sebesar 10 kg/tHM hingga 12 kg/tHM, dan kebutuhan energi untuk setiap 10 kg/tHM escaria sekitar 15 Mcal/tHM. Kualitas koks bergantung pada kualitas batubara yang digunakan dalam produksinya dan proses kokselesai.
Kualitas bijih besi berbeda dalam komposisi kimia dan kandungan besi, yang mempengaruhi energi yang dibutuhkan untuk reaksi reduksi untuk menghasilkan besi, dan untuk meleleh bijih besi. Komposisi kimia gangue mempengaruhi jumlah batu kapur atau kapur yang harus ditambahkan untuk mencapai basicitas escaria yang dibutuhkan. Secara keseluruhan faktor-faktor ini dapat membuat perbedaan sekitar 240 Mcal/t hingga 480 Mcal/t dalam kebutuhan energi untuk BF. Namun, kualitas bijih besi menurun karena kehabusan deposit berkualitas tinggi. Oleh karena itu, kebutuhan energi untuk pembuatan besi meningkat karena faktor ini.
PCI mengurangi emisi CO2 keseluruhan pabrik baja dibandingkan dengan operasi semua koks. Ini terutama karena PCI mengurangi kebutuhan akan koks dan oleh karena itu konsumsi energi dan emisi CO2 dari baterai oven koks. Energi yang dihemat rata-rata sekitar 840 Mcal/t koks yang digantikan. PCI juga dapat menurunkan konsumsi energi di dalam BF.
Sebuah studi asesmen siklus hidup (LCA) mengevaluasi kinerja lingkungan produk dan materi dari pertambangan bahan baku melalui akhir kehiduan dan pembuangan limbah. Tahap awal LCA melibatkan melakukan inventaris siklus hidup, yang mengukur materi, energi dan emisi yang terkait dengan sistem tertentu. Industri besi dan baja memiliki aliran energi dan materi yang kompleks, baik di dalam maupun di luar pabrik baja. Banyak produk dapat dijual 'di luar pagar' dan beberapa dapat dikirim ke jarak jauh. Oleh karena itu, penggunaan energi produksi keseluruhan dan emisi CO2 mungkin jauh lebih tinggi atau lebih rendah daripada yang dianjurkan oleh jejak situs. Misalnya, membeli koks dan/atau listrik mengurangi emisi CO2 di situs tetapi meningkatkan emisi di tempat lain. Hasil LCA bergantung pada di mana batas sistem ditetapkan.
World Steel Association (WSA) telah menggunakan pendekatan LCA untuk mengukur penggunaan sumber daya, energi dan emisi lingkungan yang terkait dengan produksi empat belas produk industri baja dari ekstraksi bahan baku melalui gerbang pabrik baja ('cradle-to-gate'). Inventaris siklus hidup mencakup baik rute BF/roti oksigen dasar dan roti busa ark. Sebuah inventaris siklus hidup untuk BF telah menunjukkan sekitar 6,5 % pengurangan CO2 saat laju PCI meningkat dari 16 kg/tHM menjadi 116 kg/tHM. Ada batas, meskipun, pada jumlah batubara yang dapat diinjeksi. Sebuah studi telah menunjukkan bahwa laju batubara maksimum yang dapat diinjeksi sekitar 250 kg/tHM. Namun, menurut WSA, peningkatan injeksi batubara di atas 180 kg/tHM tidak mengurangi jumlah koks, dan batubara tambahan hanya digasifikasi dan menghasilkan lebih banyak gas BF.
Dalam salah satu studi yang dilakukan dengan metodologi LCA, diperkirakan bahwa efek pengurangan CO2 dari PCI adalah 0,07 kg CO2 pada laju injeksi 0,1 kg/kg HM.
Berbagai studi LCA menunjukkan bahwa menyuntik agen pengurangan yang mengandung H2, seperti batubara, dapat menurunkan emisi CO2 (dibandingkan dengan operasi semua koks karena kandungan H2 koks hanya sekitar 0,5 %). Pengurangan CO2 lebih lanjut dapat dicapai dengan menurunkan input C (koks dan batubara). Upaya untuk mencapai ini dapat dibagi menjadi dua kelompok berikut.
- Yang mempromosikan operasi BF yang lebih efisien. Ini mencakup suhu tiupan yang lebih tinggi, efisiensi poros yang ditingkatkan, dan suhu zona cadangan termal yang lebih rendah. Namun, upaya ini juga mengurangi pasokan gas atas BF ke proses downstream. Minimisasi produksi gas atas BF mengurangi emisi CO2 tetapi mungkin tidak mungkin di pabrik di mana pemanfaatan gas BF dalam proses downstream penting.
- Upaya yang mempromosikan penghematan energi dalam proses pembuatan besi, seperti pengurangan kerugian panas BF, pemuatan besi logam, laju escaria yang lebih rendah, dan operasi dengan rasio sinter yang lebih rendah atau sinter yang telah direduksi terlebih dahulu.
Selanjutnya, mendaur ulang gas BF yang telah dekarbonisasi ke BF menurunkan emisi CO2. Teknologi ini, biasanya disebut pemulihan gas atas (TGR), pertama menghapus CO2 oleh proses komersial seperti 'Selexol', sebelum memanaskan kembali dan menyuntik gas BF ke dalam poros tanur dan/atau melalui tuyere. Ini memerlukan operasi tanur dengan tiupan O2 murni untuk menghindari akumulasi N2 karena daur ulang. CO2 yang tertangkap dapat disimpan di bawah tanah. Gas BF, yang terutama terdiri dari CO dan H2, mengurangi konsumsi C dan meningkatkan produktivitas BF. ULCOS (Ultra-Low CO2 Steelmaking), konsorsium 48 perusahaan dan organisasi Eropa, memioneer teknologi ini. Pengujian skala pilot teknologi selama enam minggu menghasilkan hingga pengurangan 76 % emisi CO2, asalkan CO2 yang tertangkap disimpan.
Limbah cair dan produk sampingan
Produksi baja adalah proses yang intensif air, mengkonsumsi sekitar 180 meter kubik hingga 200 meter kubik air per ton baja. BF mengkonsumsi sekitar 14 meter kubik hingga 17,5 meter kubik air per ton HM, sebagian besar digunakan untuk tujuan pendinginan (untuk pendinginan dinding dan tuyere BF), dan untuk pendinginan escaria. Air lebih lanjut digunakan di GCP BF. Limbah cair yang dihasilkan dari proses-proses ini dirawat sebelum didaur ulang dengan lebih dari 90 % air yang didaur ulang. Jumlah dan komposisi limbah cair sebagian bergantung pada kualitas bahan baku BF. Misalnya, bahan baku dengan garam tinggi dapat memerlukan volume air cuci yang jauh lebih besar di scrubber gas atas BF. Proses rawat air dapat menghapus Cd dan logam berat lain dalam limbah cair sebelum didaur ulang atau dibuang.
Produksi besi dan baja terpadu menghasilkan sekitar 450 kg hingga 500 kg sisa dan produk sampingan per ton baja mentah yang dihasilkan. Dari ini, lebih dari 375 kg/t adalah escaria dan sekitar 60–65 kg/t adalah debu dan lumpur dari pembersihan gas buang dan skala. Sekitar 86 % semua sisa dan produk sampingan dapat didaur ulang secara internal dan eksternal, setelah dirawat. Debu kasar yang dihapus dari gas atas BF dengan pemisahan kering dapat didaur ulang secara internal. Lumpur yang mengandung partikel halus dari GCP BF biasanya diimbangi. Di beberapa pabrik juga didaur ulang melalui pabrik sinter.
Berbagai bentuk escaria dihasilkan tergantung pada metode yang digunakan untuk pendingin escaria cair. Ini mencakup escaria pendingin udara, escaria diperluas atau berbusa, escaria pelet, dan escaria granulat. Mayoritas escaria dapat dijual, dengan hanya jumlah kecil yang digunakan untuk imbangan (kurang dari 10 %). Oleh karena itu escaria BF dianggap sebagai produk sampingan daripada limbah. Escaria dapat digunakan dalam produksi semen, pembangunan jalan, sebagai bahan bangunan, dan untuk tujuan khusus. Penggunaan yang mungkin tergantung pada properti dan bentuk escaria.
Komposisi escaria bergantung pada kualitas bahan baku BF. Ini terbentuk dari materi gangue dalam bijih besi, dan abu dari koks dan batubara. Ini terdiri terutama dari silikat dan alumino-silikat Ca (kalsium) dan Mg (magnesium), bersama dengan senyawa lain S, Fe (besi), Mn (mangan), dan elemen jejak lain.
Jumlah escaria yang dihasilkan meningkat seiring dengan peningkatan laju injeksi dan peningkatan kandungan abu dan S dari redusen. S dalam escaria berasal terutama dari batubara. Namun, S efektif tertangkap dalam escaria. Hanya S yang ada pada permukaan yang secara potensial dapat luesi. Elemen jejak juga mungkin tertangkap dalam escaria.
