Injeksi Batubara Bubuk: Kunci Operasi Tanur Pancur yang Efisien

Memahami Injeksi Batubara Bubuk dalam Tanur Pancur

Injeksi batubara bubuk (PCI) adalah teknologi yang telah terbukti untuk produksi logam panas (HM) dalam tanur pancur (BF). Ini dilakukan di sebagian besar BF dan semua BF baru biasanya dibangun dengan kemampuan PCI. Komposisi dan sifat batubara yang digunakan untuk injeksi dapat mempengaruhi operasi, stabilitas dan produktivitas BF, kualitas HM, dan komposisi gas BF. Batubara yang digunakan untuk PCI dijelaskan dalam artikel di bawah tautan ‘https://www.ispatguru.com/coal-for-pulverized-coal-injection-in-blast-furnace/’.

Aspek kritis sistem PCI meliputi persiapan batubara, penyimpanan dan distribusi untuk memastikan umpan batubara yang seragam ke setiap tuyere tanpa fluktuasi dalam laju pengiriman batubara dan pembakarannya melalui desain lance dan injeksi oksigen (O2).

Persiapan Batubara

Penggerusan batubara dilakukan dalam satu atau beberapa pabrik gerinda (pulverizer) tergantung pada kebutuhan. Penggerusan dan distribusi batubara ke lance injeksi merupakan biaya operasional besar. Batubara yang diambil dari penyimpanan batubara disaring untuk pengeluaran bahan asing dan setiap potongan batubara yang besar dihancurkan. Batubara kemudian dimasukkan ke dalam pabrik di mana digerus dan dikeringkan. Batubara dengan ukuran yang diperlukan diangkut keluar dari pabrik oleh aliran gas panas, dikumpulkan dalam filter kantong dan diangkut ke tangki penyimpanan. Penggerusan dan pengangkutan dilakukan dalam atmosfer iners untuk meminimalkan risiko pembakaran partikel batubara kering. Distribusi ukuran partikel batubara yang dihasilkan mempengaruhi kemampuannya dalam alat transportasi pneumatik dan, pada laju injeksi tinggi, kemampuan pembakarannya.

Pulverizer menggiling batubara ke salah satu dari dua fraksi ukuran yaitu (i) batubara bubuk di mana sekitar 70 % hingga 80 % batubara di bawah 75 mikron (mikrometer) dan sisanya di bawah 2 mm, dan (ii) batubara granuler yang memiliki ukuran atas 2 mm hingga 3 mm dengan batas 2 % batubara di atas 2 mm dan 20 % hingga 30 % di bawah 75 mikron. Sistem yang menginjeksikan ukuran batubara ini disebut injeksi batubara granuler (GCI). Penggerusan yang lebih kasar memiliki keuntungan biaya penggerusan dan pengeringan yang lebih rendah dengan batubara yang lebih mudah ditangani. Penggerusan yang lebih halus memiliki pembakaran yang lebih baik di balapan raceway. PCI lebih populer dibandingkan GCI.

Kehalusan batubara dapat bervariasi dalam pulverizer dengan sejumlah langkah yang meliputi pengubahan laju umpan batubara, pengaturan klasifikasi, atau aliran udara. Meskipun pabrik dapat disesuaikan untuk batubara tertentu untuk menghasilkan ukuran yang diperlukan, ini tidak praktis dalam kasus campuran batubara di mana sejumlah besar batubara digunakan. Dalam kasus ini beberapa konstituen batubara mungkin tidak mencapai kehalusan yang diperlukan.

Salah satu fungsi pulverizer adalah untuk menghilangkan sebanyak mungkin kelembaban dari batubara. Pengeringan diperlukan karena kelembaban menyebabkan masalah aliran bebas baik dalam sistem transportasi pneumatik maupun dalam tangki penyimpanan. Juga, kelembaban perlu diminimalkan karena energi tambahan diperlukan untuk pengeluarannya dalam BF dan injeksi kelembaban meningkatkan laju redusan. Selain itu, batubara dengan kelembaban lebih tinggi mengonsumsi lebih banyak daya dalam pulverizer selama penggerusannya dan menurunkan throughput.

Evaporasi kelembaban permukaan batubara mencegah masalah aglomerasi dalam pulverizer karena batubara dengan kandungan air dan tanah liat yang tinggi cenderung lengket. Oleh karena itu, biasanya perlu mengurangi kandungan air total batubara hingga sekitar tingkat kelembaban seimbang untuk mengurangi masalah penanganan dalam pabrik dan tangki penyimpanan. Kandungan air batubara yang keluar dari pabrik harus dua pertiga dari tingkat kelembaban seimbang. Kelembaban seimbang batubara bervariasi dengan peringkat, komposisi makeral, dan kandungan abu batubara.

Penting untuk memastikan bahwa batubara digiling hingga kehalusan yang diinginkan dengan aus minimum pada bagian pulverizer dan dengan konsumsi daya paling rendah untuk menurunkan biaya operasional. Aus mempengaruhi pemadaman dan pemeliharaan pulverizer. Sifat batubara yang mempengaruhi aus meliputi kandungan abu dan komposisi, distribusi ukuran partikel, kelembaban, dan densitas massa. Kandungan kelembaban yang lebih tinggi mempercepat aus karena efek gabungan aus dan korosi. Mineral abrasif (keras) dalam abu batubara meliputi silica (SiO2) dan pirita (FeS2). Selain aus elemen penggerus, mineral abrasif juga dapat merosot pipa dan saluran. Tes yang paling umum digunakan untuk mengevaluasi propersi abrasif batubara adalah ‘Indeks Abrasi’ (AI). Biasanya batubara dengan AI tinggi diharapkan menyebabkan tingkat aus yang lebih tinggi.

Pengurangan konsumsi daya pabrik menurunkan biaya operasional. Konsumsi daya dan kapasitas (throughput) pabrik tergantung pada desainnya, pengaturan pabrik, kehalusan yang diperlukan, dan sifat batubara. Semakin besar pengurangan ukuran batubara yang diperlukan, semakin besar konsumsi daya yang diperlukan. Tingkat kehalusan batubara yang lebih tinggi membutuhkan kapasitas pabrik yang meningkat yang mungkin juga diperlukan saat menggiling batubara yang sulit.

Sifat batubara utama yang memiliki pengaruh utama pada konsumsi daya dan kapasitas pabrik adalah kekekalan, yang ditentukan oleh ‘Indeks Penggilingan Hardgrove’ (HGI). Biasanya, semakin tinggi HGI, semakin mudah menggiling batubara, dengan konsumsi daya yang lebih rendah dan throughput yang lebih tinggi. Jika kapasitas desain pulverizer membatasi laju PCI, maka mungkin untuk meningkatkan laju injeksi dengan beralih ke batubara yang lebih lunak. Meningkatkan persentase batubara lunak dengan VM rendah, CV tinggi dalam campuran batubara keras dengan VM tinggi membantu meningkatkan kapasitas pulverizer, serta menurunkan tekanan tiupan dalam BF dan meningkatkan konsumsi batubara.

Komposisi makeral juga mempengaruhi penggilingan. Secara umum, batubara vitrin yang lebih tinggi cenderung memiliki kebutuhan energi penggerusan yang lebih rendah daripada batubara vitrin yang lebih rendah karena vitrin lebih mudah digiling daripada inertinit dan liptinite. Efek peringkat berkurang di atas reflectansi sekitar 1,6 di mana energi patah yang diperlukan untuk vitrin dan inertinit kurang lebih sama.

Batubara umumnya dicampur untuk mengoptimalkan kekuatan relatif mereka. Namun, campuran tidak berperilaku sebagai rata-rata komponennya, tetapi dapat terpengaruh secara tidak proporsional oleh satu batubara dengan karakteristik masalah. Penggilingan preferensial batubara yang lebih lunak terjadi ketika campuran dari dua batubara yang HGI-nya berbeda lebih dari 20 digerus. Penggerusan campuran batubara ‘keras’ dan ‘lunak’ telah menunjukkan bahwa karakteristik buruk konstituen batubara cenderung mendominasi campuran, dengan kinerja pulverizer lebih mirip dengan batubara yang lebih keras. Penggilingan preferensial makeral yang lebih lunak juga dapat terjadi saat menggiling campuran. Batubara yang mengandung tanah liat pembengkakan dapat menyerap kelembaban setelah mereka keluar dari pulverizer dan menjadi dingin. Bahkan ketika hadir sebagai komponen campuran, batubara semacam ini dapat menyebabkan blokir dalam sistem injeksi.

Sistem Injeksi Batubara

Sistem injeksi secara pneumatik mengangkut dan mengukur batubara bubuk dari tangki penyimpanan melalui wadah injeksi, di mana difungsikan hingga atau di atas tekanan BF, ke lance injeksi tuyere. Lance menginjeksikan batubara dalam jumlah yang sama melalui tuyere, yang tersusun simmetris di sekitar lingkaran BF. Faktor kritis dalam desain sistem distribusi adalah untuk memastikan umpan batubara yang seragam ke setiap tuyere tanpa fluktuasi dalam rute pengiriman batubara. Setiap gangguan dalam pasokan batubara dapat dengan cepat menyebabkan masalah serius. Semakin tinggi laju injeksi, semakin serius konsekuensi gangguan yang tidak terencana.

Setidaknya dua wadah injeksi diperlukan untuk memberikan aliran batubara yang kontinu ke BF. Secara dasar, ada dua pengaturan berbeda dari wadah ini yaitu (i) pengaturan serial di mana wadah atas secara berkala mengisi wadah bawah, yang selalu dipertahankan di bawah tekanan, dan menginjeksikan batubara, dan (ii) pengaturan paralel di mana kedua wadah menginjeksikan secara bergantian dengan operasi tumpang tindih untuk mempertahankan injeksi batubara selama periode pergantian.

Penting untuk mengontrol jumlah batubara yang diinjeksikan. Oleh karena itu, wadah injeksi terus ditimbang dan laju aliran batubara dikontrol dengan hati-hati. Masalah penanganan batubara bubuk dalam tangki penyimpanan yang menyediakan wadah injeksi dan pipa disebabkan oleh jumlah kelembaban dan partikel ultrafine, dan kehadiran tanah liat dalam batubara. Pemanas eksternal dan/atau isolasi mungkin diperlukan untuk mengurangi kemungkinan blokir tangki karena kondensasi kelembaban yang dapat terjadi di dalam dinding tangki. Di beberapa tempat, nitrogen (N2) dihembuskan melalui aeration pads di dasar tangki injeksi menengah untuk memastikan aliran bebas saat batubara bubuk dipindahkan ke tangki injeksi bawah.

Batubara dari wadah injeksi umumnya diangkut oleh (i) pipa individual ke setiap tuyere dalam hal ini jumlah batubara dikontrol secara independen dan dimuat di setiap pipa, (ii) pipa umum ke distributor di samping BF dalam hal ini, distributor membagi batubara secara merata ke pipa individual yang mengarah ke setiap tuyere. Keuntungan dengan sistem ini adalah jarak antara pabrik persiapan batubara dan BF dapat lebih lama daripada dengan sistem pipa individual.

Perbedaan dalam rute pipa ke tuyere dan pembagian tidak terhindirnya batubara di titik pembagian dapat menghasilkan umpan yang tidak seragam ke tuyere. Ketidakseimbangan juga dapat menyebabkan aus yang tidak seragam pada pipa dan distributor.

Bergantung pada rasio batubara terhadap gas pengangkutan, batubara secara pneumatis diangkut dari wadah injeksi ke tuyere dalam fase encer, atau fase padat. Muatan gas pengangkutan dalam sistem fase encer untuk batubara biasanya sekitar 10 kg batubara per kg gas pengawal, dan kecepatan gas pengawar sekitar 15 meter/detik (m/s) hingga 20 m/s. Gas pengawar biasanya adalah campuran N2 dan udara dengan udara terkompresi ditambahkan ke pipa di bawah wadah injeksi. Dalam hal sistem fase padat, muatan adalah sekitar 40 kg hingga 80 kg batubara per kg gas pengawal, dan kecepatan gas pengawar sekitar 1 m/s hingga 5 m/s. Gas pengawar biasanya N2 atau campuran N2 dan udara.

Kecepatan gas pengawal selalu harus lebih tinggi dari kecepatan pengangkutan minimum untuk mencegah blokir. Kecepatan minimum ini tergantung pada sejumlah parameter yang mencakup tekanan sistem dan diameter pipa. Variabel ini saling berinteraksi. Kecepatan rendah dalam sistem fase padat berarti aus pipa dan komponen yang rendah, sedangkan kecepatan pengangkutan tinggi dalam sistem fase encer dapat menyebabkan aus, terutama di lengkungan pipa. Tingkat aus ditentukan oleh kekerasan, bentuk dan kecepatan partikel batubara. Sifat batubara juga mempengaruhi aus. Melapis bagian pipa yang rawan aus dengan, misalnya, bahan elastomer urethane memberikan resistensi abrasi, serta menahan penumpukan debu yang dapat menyebabkan blokir. Sifat batubara yang terkait dengan blokir saluran transfer adalah kandungan air dan mineral tanah liat.

Kelembaban tinggi pada batubara dan campuran dapat menyebabkan masalah. Oleh karena itu, batas kelembaban yang ketat diterapkan pada batubara yang digiling. Kehadiran tanah liat, yang membengkak pada kehadiran air, dapat menyebabkan masalah, terutama jika ada penurunan tekanan dalam sistem pengangkutan, dan/atau jika ada kehadiran partikel ultrafine. Seiring meningkatnya kandungan debu (kurang dari 5,8 mikron) batubara bubuk, penurunan tekanan dalam sistem pengangkutan meningkat. Jika penurunan tekanan melebihi nilai tertentu, yang terkait dengan desain pabrik, maka blokir dapat terjadi. Plugging pipa dialami karena penumpukan endapan di lengkungan pipa yang biasanya terkait dengan sifat lunak batubara (distribusi ukuran partikel yang lebih halus). Saat menginjeksikan batubara, batubara ultrafine (kurang dari 10 mikron) memulai proses dengan menempel pada dinding siku, dan ketika permukaan kasar terbentuk partikel yang lebih besar mulai menempel. Selain itu, penggilingan preferensial batubara yang lebih lunak dalam campuran batubara dapat menghasilkan proporsi partikel ultrafine yang tinggi, yang mengarah pada blokir.

Blokir dapat dicegah dengan perbaikan tata letak pipa dan sistem distribusi dan, dalam beberapa kasus, dengan menyesuaikan sistem persiapan (seperti pulverizer batubara) untuk menghasilkan ukuran partikel yang lebih kasar. Sistem injeksi biasanya memiliki prosedur untuk mendeteksi dan membersihkan blokir karena ini adalah fenomena yang umum. Saluran pengangkutan menyertakan port purge di mana blokir dibersihkan, biasanya dengan udara tekanan tinggi. Sebuah tes yang sederhana dan praktis diperlukan untuk menilai aliran dan kemampuan penanganan batubara bubuk dan campuran batubara. Ini memungkinkan materi yang sulit diidentifikasi sebelum digunakan.

Lance injeksi menginjeksikan batubara ke dalam blowpipe yang mengarah ke tuyere. Partikel segera dipanaskan oleh tiupan panas, terbakar, gasifikasi dan terbakar. Desain dan penempatan lance mempengaruhi efisiensi pembakaran batubara. Sebelumnya lance biasanya lance baja lurus yang ditempatkan pada atau dekat antarmuka tuyere/blowpipe. Desain yang menggabungkan injeksi O2 langsung ke dalam aliran partikel batubara (lance oksigen-batubara) dan/atau cara untuk menghasilkan lebih banyak turbulensi di ujung lance telah dikembangkan untuk meningkatkan efisiensi pembakaran. Ini mencakup (i) lance koaksial (di mana batubara diinjeksikan melalui pipa dalam dan O2 melalui anulus di sekitarnya), (ii) lance dispersi tinggi, (iii) lance berlapis, (iv) lance celah, (v) lance ganda eksentrik (non-konsentris), dan (vi) lance swirl.

Pemanasan awal batubara untuk meningkatkan efisiensi pembakaran juga dilakukan. Masalah yang terjadi saat batubara pertama kali diperkenalkan, seperti blokir lance dan tuyere dan melelehnya ujung lance, sebagian besar telah diatasi. Blokir sebagian besar disebabkan oleh batubara yang dipanaskan pada suhu di mana mereka menjadi lengket dan menempel pada permukaan lance injeksi dan tuyere. Penumpukan abu diminimalkan dengan menggunakan batubara dengan suhu leleh abu (AFT) yang tinggi. Untuk semua tujuan praktis, AFT harus 50 deg C lebih tinggi dari suhu tiupan panas. Lance juga dapat tersumbat jika batubara dengan fluiditas tinggi lengket di dekat ujung tuyere. Ini dapat diatasi dengan menghindari batubara dengan indeks lengket tinggi, atau dengan meningkatkan laju aliran.

Menempatkan lance injeksi lebih dekat ke tuyere mengurangi tingkat impingement abu di blowpipe. Penggunaan lance koaksial pendingin udara membantu mencegah blokir dan erosi, dan dapat memperpanjang umur ujung. Laju aliran udara pendingin harus diminimalkan untuk mengurangi efek pendinginnya pada pembakaran batubara. Namun, blokir lance masih bisa menjadi hal yang sering terjadi. Ada prosedur yang ditetapkan untuk mendeteksi dan membersihkan blokir ini sebelum mereka dapat menyebabkan masalah.

Penggunaan logam yang berbeda untuk lance injeksi dan pembatasan suhu tiupan panas juga telah mempengaruhi pelepasan ujung lance. Ketahanan lance adalah pertimbangan operasional yang penting karena lance terbakar seiring waktu.

Pembakaran Batubara

Raceway adalah wilayah penting dalam BF meskipun volume totalnya biasanya tidak melebihi 1 % dari volume dalam BF. Mereka menyediakan proses dengan panas dan agen pengurangan. Injeksi batubara secara tak terhindarkan mempengaruhi kondisi raceway yang, pada gilirannya, memiliki konsekuensi di luar raceway. Partikel yang tidak terbakar yang meninggalkan raceway dapat menyebabkan masalah operasional seperti permeabilitas yang berkurang, distribusi gas dan suhu yang tidak diinginkan, erosi koks yang berlebihan, dan peningkatan pembawa char. Jumlah char yang tidak terbakar meningkat dengan meningkatnya laju injeksi. Dengan demikian, perilaku pembakaran dan gasifikasi batubara yang diinjeksikan di raceway adalah elemen penting untuk operasi stabil BF. Sangat jelas bahwa BF dapat mengonsumsi lebih banyak batubara yang diinjeksikan daripada yang terbakar dalam raceway karena bahan yang tidak terbakar dikonsumsi di tempat lain dalam tanur.

Pembakaran batubara dalam BF telah banyak diteliti. Studi telah dilakukan menggunakan peralatan skala laboratorium seperti analisis termogravimetrik (TGA), tungku tabung jatuh (DTF) dan reaktor kawat jaring (WMR). Teknik ini tidak sepenuhnya mensimulasikan kondisi dalam raceway. Waktu tinggal partikel batubara bubuk dalam DTF, sebagai contoh, berurutan detik sedangkan dalam raceway BF sekitar milidetik. Oleh karena itu, teknik ini biasanya digunakan untuk memberikan evaluasi komparatif berbagai jenis batubara.

Pendekatan yang diikuti adalah penggunaan fasilitas yang dirancang khusus untuk mensimulasikan kondisi raceway. Ini termasuk injeksi tiupan panas ke dalam kandang koks padat, yang sering disebut ‘model panas’. Ini memiliki kemampuan untuk mensimulasikan kondisi pembakaran untuk waktu tinggal milidetik, serta lokasi raceway yang berbeda. Namun, fasilitas skala pilot masih tidak sepenuhnya mensimulasikan kondisi raceway dalam BF. Sebagai contoh, mereka mungkin tidak bekerja pada tekanan dekat dengan tekanan tuyere/bustle main. Tekanan yang lebih tinggi di raceway meningkatkan laju gasifikasi batubara.

Beberapa model komputer tersedia untuk menilai perilaku batubara di raceway dan di tempat lain dalam BF. Keabsahan model-model ini telah dipertanyakan karena mekanisme yang digambarkan kompleks dan tidak sepenuhnya dipahami. Akurasinya tergantung pada asumsi yang dibuat dan keabsahan hubungan yang tertanam dalam model. Karena perilaku batubara sangat dipengaruhi oleh desain dan kondisi operasi BF, serta sifat batubara, model komputer mungkin hanya berlaku untuk BF tertentu, kondisi operasi dan jenis batubara yang sama yang telah dikembangkan dan diuji. Ini adalah keterbatasan semua teknik ini.

Pembakaran batubara antara keluar lance injeksi dan dinding belakang raceway (jarak fisik sekitar 0,7 m hingga 2 m) terjadi pada suhu tinggi (1400 deg C hingga 2200 deg C), tekanan yang meningkat (sekitar 3 kg/sq cm hingga 6 kg/sq cm dan waktu tinggal pendek (10 milidetik hingga 40 milidetik untuk partikel bubuk). Ini adalah dalam kondisi yang parah ini bahwa tingkat pembakaran batubara yang tinggi harus dicapai.

Proses pembakaran batubara dapat dibagi menjadi langkah-langkah berikut dengan beberapa dari mereka tumpang tindih.

• Partikel bubuk yang diinjeksikan (kurang dari 75 mikron) segera dipanaskan saat mereka memasuki tiupan udara panas yang kaya O2. Laju pemanasan ditentukan oleh kondisi operasional tetapi sekitar 100 deg C per detik. Suhu tiupan panas biasanya 1000 deg C hingga 1200 deg C dan kecepatan gas sekitar 180 m/s hingga 250 m/s.
• Pirolysis partikel terjadi untuk menghasilkan volabel non-kondensabel (gas), volabel kondensabel (tawar) dan char karbonasis. Membutuhkan sekitar 2 milidetik hingga 20 milidetik untuk menyelesaikan devolatilisasi.
• Penyalaan dan pembakaran VM terjadi untuk menghasilkan terutama CO2 (karbon dioksida) dan H2O (uap air). Ini membutuhkan beberapa milidetik.
• Pembakaran parsial char sisa terjadi oleh O2. Pembakaran char menyumbang sebagian besar panas yang dilepaskan selama pembakaran. Berbeda dengan pembakaran VM, di mana VM menyebar menuju atmosfer yang kaya O2 (menghasilkan area reaksi yang besar), O2 untuk oksidasi char harus diangkut ke permukaan partikel yang relatif kecil. Akibatnya, oksidasi char adalah proses yang lebih lambat. Selama VM dilepaskan, O2 tidak dapat kontak dengan permukaan char karena kebutuhan stoikiometri tinggi VM.
• Gasifikasi char sisa oleh CO2 dan H2O untuk menghasilkan CO (karbon monoksida) dan H2 (hidrogen). Ini adalah reaksi yang paling lambat dari semua proses ini, dan terutama terjadi di luar raceway.

Ini adalah karakteristik pembakaran batubara daripada pembakaran koks yang mengatur komposisi gas dan distribusi suhu di raceway karena mereka terutama terbakar. Fig 1 menggambarkan beberapa langkah pembakaran batubara yang terjadi dalam raceway, dan bagaimana komposisi gas bervariasi. Sebagian besar O2 dikonsumsi di dekat hidung tuyere, sementara atmosfer yang kaya CO2 dihasilkan di tengah, dan atmosfer yang kaya CO di akhir raceway.

Fig 1 Pembakaran batubara bubuk dan komposisi gas di raceway

Tingkat pembakaran (efisiensi pembakaran), dan oleh karena itu jumlah bahan yang tidak terbakar yang diangkut keluar dari raceway, tergantung pada beberapa parameter yang mencakup (i) sifat batubara, seperti kandungan VM, ukuran partikel dan densitas, dan (ii) kondisi operasi, misalnya, komposisi gas tiupan dan suhu, serta posisi dan desain lance.

Grafik di Fig 2 yang menunjukkan efisiensi pembakaran dan laju injeksi batubara bubuk didasarkan pada studi yang dilakukan saat menyelidiki laju maksimum untuk batubara bubuk dari neraca karbon dalam BF menggunakan model neraca bahan dan panas.

Fig 2 Efisiensi pembakaran dan laju injeksi batubara bubuk

Berdasarkan berbagai penyelidikan yang dilakukan, upaya untuk meningkatkan pembakaran batubara di raceway diringkas di bawah ini.

• Mengkaya tiupan dengan O2. Namun, efek non-linier O2 tiupan pada tingkat pembakaran harus dipertimbangkan. Peningkatan laju pembakaran menjadi lebih kecil seiring meningkatnya kandungan O2.
• Pencampuran pratinjau batubara bubuk dengan O2 sebelum diperkenalkan ke dalam ruang tuyere.
• Penggunaan campuran batubara (biasanya batubara dengan kandungan VM tinggi dan rendah) dan campuran bahan bakar untuk mempertahankan baik tingkat pembakaran yang tinggi maupun rasio penggantian koks/batubara yang tinggi.
• Injeksi batubara dengan oksida Fe (bijih besi halus, dan limbah yang mengandung Fe dll.), karbonat, dan aditif kaya O2 lainnya.
• Penggunaan fenomena kimia dan fisik, misalnya katalitik, polarisasi dan efek lainnya.
• Optimasi penggerusan batubara, tergantung pada kondisi operasi dan sifat batubara.

Efek Peringkat Batubara

Perilaku pembakaran dan gasifikasi batubara bubuk di raceway dipengaruhi oleh sifatnya. Efek sifat secara umum pada suhu nyala (FT) dan efisiensi pembakaran (CE) dijelaskan di bawah ini.

PCI memiliki efek pendingin pada FT. FT adalah parameter penting karena mempengaruhi kimia escak dan logam, evaporsi dan sirkulasi elemen alkali yang ada, dan alur logam di telapak. Sulit untuk mengukur FT dan oleh karena itu umumnya dihitung dari neraca energi zona raceway. Nilai yang dihitung dikenal sebagai ‘suhu nyala adiabatik raceway’ (RAFT), atau FT teoretis. Perhitungan RAFT dapat bervariasi dari satu BF ke BF lain tergantung pada asumsi yang dibuat, sehingga nilai mungkin tidak langsung dapat dibandingkan. Ada RAFT optimum untuk setiap BF tergantung pada faktor seperti komposisi muatan dan permeabilitas, kualitas koks, dan laju tiupan. Injeksi batubara menurunkan RAFT (dibandingkan dengan operasi semua koks) karena mempromosikan reaksi endotermis. Batubara VM rendah dan VM tinggi menurunkan FT dalam rentang 80 deg C hingga 120 deg C dan 150 deg C hingga 220 deg C per 100 kg/tHM, masing-masing. Secara umum, semakin tinggi rasio H2/C (karbon) dalam batubara, semakin besar efek pendingin. RAFT juga menurun seiring meningkatnya laju injeksi batubara. Peningkatan suhu tiupan dan/atau pengayaan O2, dan/atau penurunan kelembaban tiupan dapat menanggulangi efek pendingin batubara.

Eksperimen pembakaran dalam kondisi yang mensimulasikan lingkungan BF telah menunjukkan bahwa CE biasanya meningkat dengan meningkatnya kandungan VM batubara. Batubara HV (volatile tinggi) mudah digasifikasi, menghasilkan jumlah gas yang lebih besar, dengan CV lebih rendah, dan jumlah char yang lebih kecil dibandingkan batubara volatile rendah (LV) dan volatile sedang (MV). Dengan demikian, pembakaran gas lebih penting untuk batubara peringkat lebih rendah daripada pembakaran char. Jika pembakaran gas tidak sempurna, asap dapat terbentuk, dan ini dapat menyebabkan kerusakan permeabilitas BF ketika meninggalkan raceway. Asap memiliki reaktivitas yang lebih rendah daripada char yang tidak terbakar.

Tingkat devolatilisasi dipengaruhi oleh ukuran partikel batubara, dengan ukuran yang lebih halus menghasilkan devolatilisasi yang lebih sempurna. Seiring berkurangnya kandungan VM batubara, CE akhir diatur oleh reaksi char karena penyalaan dan pembakaran VM cepat. Char dengan reaktivitas yang lebih tinggi memiliki CE yang lebih tinggi. Sering dibahas bahwa pada suhu tinggi yang terjadi di raceway, reaktivitas kimia menjadi kurang penting karena laju pembakaran dibatasi oleh laju difusi O2 ke partikel, dan waktu pembakaran lebih bergantung pada ukuran partikel dan konsentrasi O2. Gabungan dengan waktu tinggal yang pendek, efek perbedaan reaktivitas char antara batubara mungkin tidak terlalu signifikan di raceway. Ada pendapat lain yang menyatakan bahwa mengingat ukuran partikel yang kecil yang digunakan (lebih dari 80 % kurang dari 75 mikron dalam PCI) dan kondisi turbulensi tinggi yang ada di raceway, laju pembakaran char secara keseluruhan biasanya dipengaruhi oleh reaktivitas kimia intrinsik char. Reaktivitas char tentu penting di luar raceway. Dalam kondisi di bagian atas tanur, gasifikasi char kemungkinan dikontrol oleh laju reaksi kimia. Oleh karena itu, laju reaksi gasifikasi char secara keseluruhan kemungkinan dipengaruhi oleh reaktivitas char terhadap CO2.

Secara umum, reaktivitas char meningkat dengan kandungan VM batubara, yaitu batubara HV biasanya menghasilkan char yang lebih reaktif dibandingkan batubara LV, dan sehingga pembakaran yang lebih baik. Ada pengecualian karena reaktivitas char dipengaruhi oleh sejumlah faktor yang mencakup (i) morfologinya (luas permukaan dan porositas), (ii) struktur yang dihasilkannya, (iii) komposisinya, dan (iv) kondisi operasi. Laju pembakaran dan reaktivitas char sebagian bergantung pada ukuran partikel dan struktur porinya. Struktur pori mengontrol pasokan gas reaktif ke dalam interior partikel batubara dan menyediakan permukaan internal yang berubah untuk reaksi.

Fragmentasi char, yang dipengaruhi oleh strukturnya, meningkatkan luas permukaan eksternal. Proporsi partikel char yang lebih tinggi dengan rongga dinding tipis dan porositas makro serta luas permukaan pori makro yang lebih tinggi dihasilkan pada laju pemanasan tinggi. Secara umum, jenis char ini cenderung mengalami fragmentasi lebih banyak daripada yang memiliki dinding lebih tebal dan porositas lebih rendah, dan sehingga memiliki laju reaksi char yang lebih tinggi. Fragmentasi dapat menjadi salah satu alasan mengapa beberapa operator menemukan bahwa VM memiliki efek yang sedikit pada kemampuan pembakaran batubara. Char yang terbentuk dari batubara peringkat lebih tinggi (LV) pada suhu tinggi biasanya lebih teratur dan sehingga lebih tidak reaktif. Pengembangan char cenosphere yang sangat anaisotropis dengan meningkatnya suhu juga mengurangi reaktivitas char. Batubara ini mendapat manfaat dari suhu tiupan yang lebih rendah untuk meningkatkan kemampuan pembakaran.

Perubahan dalam komposisi makeral batubara dapat menjelaskan perbedaan dalam reaktivitas pembakaran, terutama di antara batubara dengan peringkat yang serupa. Makeral inertinit biasanya dianggap ‘iners’ (tidak reaktif). Namun, tidak semudah itu. Tidak semua makeral inertinit, sebenarnya, tidak reaktif, dan tidak semua makeral vitrin reaktif. Vitrin, inertinit, dan bahkan liptinite, dapat berkontribusi pada C yang tidak terbakar dalam sisa karbonasis. Juga telah diperhatikan bahwa meskipun char batubara kaya inertinit pada dasarnya lebih tidak reaktif daripada char batubara kaya vitrin pada 500 deg C, ini tidak lagi penting pada suhu tinggi (1300 deg C). Kemungkinan perbedaan dalam kemampuan pembakaran batubara sangat berkurang di bawah kondisi pembakaran yang sangat intens di raceway.

Kinerja pembakaran batubara dapat ditingkatkan karena efek katalitik mineral konstituen atau ditunda oleh konsentrasi mineral berlebihan. SiO2 dan Al2O3 (alumina) dapat memperlambat laju reaksi, sementara kalsium (Ca), magnesium (Mg), besi (Fe) dan jenis alkali dapat meningkatkannya, dengan efek katalitik yang lebih mencolok pada batubara peringkat lebih rendah. Namun, kemampuan pembakaran yang ditingkatkan dari partikel yang kaya mineral telah dikaitkan, bukan dengan efek katalitik, tetapi dengan difusi yang menguntungkan gas reaksi melalui mineral dan antarmuka makeral-mineral. Ketidakadaan korelasi yang jelas antara reaktivitas char dan fase inorganik individu dapat terkait dengan perbedaan dalam pengaruh suhu pada transformasi mineral batubara. Meskipun batubara dan char dengan reaktivitas tinggi biasanya diinginkan, reaktivitas terlalu tinggi dapat menyebabkan kondisi tanur yang tidak stabil.

Pencampuran dapat mereduksi properti pembakaran yang tidak menguntungkan dari batubara. Namun, kinerja pembakaran campuran lebih kompleks daripada batubara tunggal. Setiap komponen batubara mengalami devolatilisasi dan pembakaran pada suhu yang berbeda dan pada waktu yang berbeda dan pembakaran mereka dapat bervariasi secara signifikan. Selanjutnya, interaksi antara berbagai batubara dalam campuran dapat terjadi yang menyusutkan prediksi perilaku pembakaran campuran. Interaksi pertama kali terjadi di pulverizer di mana ada potensi perbedaan besar dalam distribusi ukuran komponen batubara, terutama jika ada perbedaan signifikan dalam kekerasan setiap batubara. Disproportionation juga terjadi, mempengaruhi komposisi mineral dan petrografik partikel yang dihasilkan, dan perilaku pembakaran selanjutnya.

Interaksi antara komponen batubara dapat meningkatkan kemampuan pembakaran campuran. Sebagai contoh, kemampuan pembakaran batubara LV dapat ditingkatkan dengan mencampurnya dengan batubara HV. Batubara HV melepaskan lebih banyak VM membantu membentuk medan suhu gas yang lebih tinggi, yang kemudian memanaskan batubara LV. Ini mempromosikan devolatilisasi, penyalaan dan pembakaran. Efek sinergis lebih mencolok saat fraksi batubara HV lebih tinggi, hingga persentase tertentu. Dalam kondisi yang mensimulasikan BF, campuran yang mengandung sekitar 70 % batubara HV dengan 32,5 % VM dan 30 % batubara LV dengan 20 % VM telah memberikan pembakaran tertinggi.

Efek Ukuran Partikel

Kinerja pembakaran batubara dipengaruhi oleh ukuran partikelnya. Untuk konversi lengkap, dan oleh karena itu pemanfaatan batubara yang diinjeksikan secara efektif, pemanasan, devolatilisasi, pirolysis dan pembakaran partikel perlu terjadi dalam periode antara masuknya ke tiupan panas dan batas raceway. Biasanya, jumlah VM yang lebih besar dilepaskan dengan berkurangnya ukuran partikel batubara. Ini dapat memfasilitasi pembakaran fase gas.

Partikel yang lebih halus memiliki luas permukaan spesifik yang lebih tinggi dan sehingga laju pemanasan yang lebih tinggi. Batubara granuler melepaskan jumlah VM yang lebih rendah dibandingkan ketika digerus. Hasil perhitungan pirolysis menunjukkan bahwa hampir semua VM dari batubara bubuk dilepaskan sementara tidak lengkap dalam kasus batubara granuler. Kehadiran VM sisa dalam batubara granuler mempengaruhi reaktivitas gasifikasi CO2 berikutnya dari char. Juga telah ditunjukkan bahwa tingkat devolatilisasi dalam partikel yang lebih halus (45 mikron hingga 75 mikron) lebih lengkap daripada partikel yang lebih besar (75 mikron hingga 150 mikron). Efek ini lebih mencolok untuk batubara LV (15 % VM) dibandingkan batubara HV (37 % VM). Ini karena peningkatan VM dapat menghasilkan lebih banyak asap dan tawar, yang dihasilkan dari reaksi sekunder volabel. Reaktivitas asap lebih rendah daripada char yang tidak terbakar. Dengan demikian, semakin rendah pembentukan asap, semakin baik stabilitas BF.

CE (atau pembakaran) batubara biasanya meningkat dengan berkurangnya ukuran partikel karena luas permukaan yang lebih besar tersedia untuk reaksi. Partikel yang lebih besar membutuhkan waktu yang lebih lama untuk pembakaran. Peningkatan lebih mencolok seiring meningkatnya kandungan VM dalam batubara. Namun, efek ukuran partikel juga bergantung pada stoikiometri O2, serta peringkat batubara (dan reaktivitas char). Telah ditemukan bahwa partikel batubara yang lebih besar biasanya memiliki CE (tingkat pembakaran) yang lebih tinggi pada rasio O2/C lebih besar dari 2 (kondisi bahan bakar langka) dalam kondisi yang mensimulasikan BF. Partikel yang lebih kecil memiliki CE di bawah kondisi bahan bakar berlebih (rasio O2/C kurang dari 2).

Faktor Operasional

Penggunaan batubara yang efektif memerlukan perubahan operasional untuk mengkompensasi perubahan parameter raceway dan efeknya di tempat lain dalam BF (seperti keadaan termal, regime escak dan dinamika gas). Upaya untuk meningkatkan pembakaran batubara di wilayah tuyere/raceway, dan oleh karena itu meningkatkan laju injeksi meliputi (i) meningkatkan jumlah O2 di tuyere, dan (ii) penyesuaian suhu tiupan dan kelembaban. Ada beberapa upaya lain yang dilakukan untuk meningkatkan pembakaran batubara, seperti pemanasan awal batubara dan penggunaan aditif. Selanjutnya, pilihan ukuran partikel, dan oleh karena itu parameter penggerusan, juga dapat mempengaruhi CE.

Oksigen dapat ditambahkan ke tuyere oleh (i) pengayaan tiupan udara panas, (ii) injeksi melalui lance batubara, dan (iii) lance O2 terpisah. Penambahan O2 menghasilkan ketersediaan O2 yang lebih tinggi untuk partisipasi dalam pembakaran batubara di raceway. Oleh karena itu, CE batubara meningkat. Namun, pengaruh pengayaan O2 terhadap CE terbatas. Telah ditunjukkan melalui perhitungan bahwa CE meningkat sekitar 6,7 % untuk batubara HV (34,5 % VM) dan 3,3 % untuk batubara LV (14 % VM) saat pengayaan O2 tiupan udara panas dinaikkan dari 0 % hingga 6 % menurut volume. Dengan pengayaan O2 yang lebih tinggi, CE sebenarnya dapat menurun karena campuran yang tidak mencukupi. Peningkatan pengayaan O2 meningkatkan difusi O2, tetapi mengurangi volume gas pembakaran yang mentransfer panas ke partikel batubara. Dengan demikian, ada efek non-linier kandungan O2 tiupan pada tingkat pembakaran batubara.

Pengayaan O2 tiupan udara panas menghasilkan baik penurunan aliran gas bosh serta kenaikan FT. Efek pertama dapat membantu menanggulangi peningkatan resistensi muatan (permeabilitas lebih rendah) dan penurunan tekanan yang terkait dengan laju injeksi tinggi. Efek kedua dapat membantu mengkompensasi efek pendingin dari dekomposisi VM batubara. Kandungan CO dan H2 juga meningkat dengan pengayaan O2, yang mengarah pada pengurangan bijih besi yang lebih baik di poros tengah. CV gas BF atas biasanya meningkat dengan pengayaan O2.

Batas bawah pengayaan O2 umumnya ditentukan oleh jumlah yang diperlukan untuk mempertahankan RAFT yang diperlukan, dengan lebih banyak O2 yang diperlukan seiring meningkatnya kandungan VM batubara. Jika FT terlalu tinggi, maka penurunan muatan dapat menjadi tidak teratur. FT terlalu rendah menghambat pembakaran batubara dan peleran muatan bijih. Batas atas bergantung pada mempertahankan suhu gas atas yang cukup. Seiring bertambahnya O2, aliran massa gas dalam BF berkurang, yang mengurangi aliran panas ke wilayah atas tanur untuk pengeringan muatan. Batas atas suhu gas atas juga diatur oleh kebutuhan untuk melindungi peralatan gas atas. Keterbatasan lain pada pengayaan O2 meliputi biaya dan ketersediaannya.

Posisi dan desain lance injeksi mempengaruhi CE dan penumpukan abu di tuyere. Namun, injeksi lance oksigen-batubara (injeksi ko-annular) dapat menghasilkan efek isolasi di sekitar partikel batubara, yang mengarah pada pembakaran batubara yang lebih sedikit di dalam tuyere. Efek ini berlanjut ke raceway, dan kurangnya pembakaran adalah hasil akhirnya. Penurunan laju injeksi lance O2 dalam hal ini meningkatkan CE.

Upaya kunci untuk pembakaran pada laju injeksi tinggi adalah suhu tiupan yang tinggi. Pengayaan O2 memainkan peran yang lebih penting sebagai cara untuk mengontrol aliran gas dalam BF daripada mengontrol pembakaran batubara. Biasanya, suhu tiupan panas yang lebih tinggi adalah langkah yang lebih hemat biaya daripada pengayaan O2 karena memungkinkan konsumsi O2 yang lebih rendah. Peningkatan suhu tiupan juga mengurangi konsumsi koks, biasanya 10 kg/tHM untuk setiap kenaikan 40 deg C dengan PCI, dan mengarah pada kenaikan kecil dalam kedalaman raceway. Suhu tiupan yang lebih tinggi biasanya diperlukan seiring meningkatnya VM batubara. Ini karena reaktivitas char yang lebih rendah dari batubara VM rendah.

Penurunan kelembaban tiupan dapat membantu mengkompensasi efek pendingin PCI. Jika RAFT menjadi berlebihan, maka kelembaban tiupan dapat ditingkatkan. Peningkatan kelembaban tiupan panas berarti lebih banyak H2 dalam gas bosh untuk pengurangan bijih besi. RAFT optimum dalam BF yang beroperasi dengan kandungan H2 yang lebih tinggi dapat lebih rendah daripada BF yang beroperasi dengan kandungan H2 yang lebih rendah. Juga, kecepatan tiupan dapat disesuaikan untuk tidak hanya meningkatkan pembakaran batubara, tetapi untuk mempertahankan panjang zona raceway yang penting untuk mendapatkan kondisi yang baik di telapak.

Char yang Tidak Terbakar

Seiring meningkatnya laju injeksi, kemampuan pembakaran batubara cenderung menurun sehingga bahan yang tidak terbakar (seperti char, debu, dan abu terbang) meninggalkan raceway. Beberapa bahan ini, bersama dengan puing koks, berkumpul di belakang raceway, di sarang burung, menghambat aliran gas naik dan padatan yang terserap di daerah ini. Mayoritas ditusuk ke atas di mana mereka dapat mengumpulkan di bawah zona kohesif, mengurangi permeabilitas dan oleh karena itu produktivitas BF.

Perubahan dalam permeabilitas zona tanur bawah dapat lebih lanjut mempengaruhi kualitas HM dan viskositas escak. Bahan yang tidak terbakar cenderung berkumpul di posisi di mana terjadi perubahan besar dalam aliran gas. Akhirnya ia terserap ke dalam aliran gas, melewati celah koks zona kohesif, dan ke atas poros, di mana dapat mempengaruhi permeabilitas muatan, dan akhirnya dikeluarkan dengan gas BF atas. Laju injeksi batubara yang lebih tinggi juga meningkatkan volume gas pembakaran, dan oleh karena itu aliran gas, dan mengubah beban panas di bagian bawah BF. Selain itu, lebih banyak escak dihasilkan.

Penyimpanan bahan halus yang tidak terbakar adalah fenomena kompleks yang terdiri dari beberapa mekanisme pembentukan, reaksi, aliran multi-fasa, penumpukan dan re-serapan. Berbagai model aliran gas telah dikembangkan untuk memahami dan memprediksi perilaku bahan halus dalam BF. Dengan pola pemuatan muatan yang sesuai (seperti pemuatan koks sentral) dan penggunaan koks yang lebih kuat, banyak masalah terkait aliran gas dapat diatasi.

Pengalaman operasional telah menunjukkan bahwa sebagian besar bahan yang tidak terbakar (char) dikonsumsi dalam tanur oleh tiga mekanisme yaitu (i) gasifikasi dengan CO2 dan H2O, (ii) reaksi dengan besi cair (karburisasi), dan (iii) reaksi dengan escak. Menguntungkan jika char yang tidak terbakar berpartisipasi dalam reaksi pengurangan bijih, sehingga menggantikan lebih banyak koks dan mengurangi jumlah padatan yang tidak terbakar dalam gas BF atas. Tiga mekanisme konsumsi char dijelaskan di bawah ini.

Reaksi gasifikasi char dengan CO2 dan H2O dimulai di raceway, tetapi karena waktu tinggal untuk partikel halus terlalu pendek untuk reaksi yang signifikan, gasifikasi terutama terjadi di poros BF. Reaksi C char dengan CO2 (reaksi kehilangan larutan atau Boudouard) dan H2O lebih lambat dari pembakaran char. Char yang diperoleh dari batubara bersaing dengan char dari koks untuk CO2 dan H2O. Char dari batubara lebih reaktif daripada char dari koks dan oleh karena itu terutama digasifikasi. Oleh karena itu, degradasi koks oleh reaksi kehilangan larutan menurun seiring meningkatnya laju PCI. Secara umum, char batubara VM tinggi memiliki reaktivitas CO2 yang lebih tinggi daripada char batubara VM rendah. Namun reaktivitas char dalam kasus batubara VM rendah dapat ditingkatkan dengan mencampurnya dengan batubara VM tinggi. Reaktivitas CO2 campuran batubara non-aditif.

Reaktivitas C dalam char yang tidak terbakar terhadap CO2 dan H2O tidak hanya bergantung pada luas permukaan (ukuran partikel) melainkan juga pada strukturnya dan komposisinya, serta kondisi operasi dalam BF. Telah ditunjukkan bahwa reaktivitas gasifikasi CO2 char batubara meningkat dengan suhu hingga 1500 deg C, terutama antara 1300 deg C dan 1500 deg C. Gasifikasi char lengkap biasanya membutuhkan waktu kontak sekitar 10 detik pada 1500 deg C. Karena waktu tinggal partikel pada suhu yang tinggi ini terlalu pendek dalam BF, sehingga gasifikasi char terutama terjadi pada suhu yang menurun di poros tanur.

Sifat char berubah saat bergerak ke atas BF, dan dengan demikian reaktivitasnya terhadap CO2 dan H2O. Atmosfer reaksi tidak seragam. Sebagai contoh, konsentrasi CO, CO2, H2 dan H2O bervariasi di lokasi yang berbeda dalam BF. Injeksi batubara meningkatkan konsentrasi H2 gas bosh. Karena laju reaksi kimia pengurangan H2 lebih tinggi dari CO, tingkat reaksi kehilangan larutan berkurang seiring meningkatnya H2 gas bosh. CO2 dan H2O ada di bagian atas BF karena pengurangan bijih besi. Dalam kondisi di sini, gasifikasi char oleh CO2 diharapkan dikontrol oleh laju reaksi kimia. Di bagian bawah BF, gasifikasi char sebagian dikontrol difusi. Oleh karena itu, laju reaksi gasifikasi char secara keseluruhan kemungkinan dipengaruhi oleh reaktivitas kimia char terhadap CO2 di wilayah ini. Reaktivitas char terhadap CO2 juga dipengaruhi oleh struktur kimianya, dengan struktur yang kurang teratur lebih reaktif.

Kehadiran mineral tertentu dalam abu char, seperti Fe dan alkali, dapat memfasilitasi reaksi gasifikasi CO2, sementara mineral lain, seperti SiO2 dan Al2O3, dapat memperlambat reaksi. Efek katalitik ini lebih mencolok untuk batubara peringkat rendah. Bergantung pada komposisinya, abu juga dapat menunda konversi C karena blokir partikel char sebagai hasil dari proporsi pembentukan escak yang meningkat dalam partikel char. Di bagian bawah BF, alkali yang terkondensasi dari gas sirkulasi (yang berasal dari batubara, koks dan bijih besi) dapat memiliki efek katalitik. Hilangnya C oleh gasifikasi meningkatkan kandungan abu char.

Karburisasi HM dimulai dalam fase padat di dalam zona kohesif BF, dan berlanjut selama turunan titik logam melalui zona koks aktif, deadman dan telapak. Char dan bahan halus yang tidak terbakar yang meninggalkan raceway dapat kontak dengan logam cair yang menitis di zona bosh dan telapak. C dan elemen lain, seperti Fe, Si (silikon) dan S (sulfur), larut dari char ke dalam besi cair dan oleh karena itu mempengaruhi komposisi HM. Pelarutan C berkontribusi pada karburisasi besi cair, dan mengontrol tingkat konsumsi char oleh HM. Ini menjadi kritis ketika CE rendah. Jika HM mendekati saturasi saat mencapai deadman dan telapak, bahan yang tidak terbakar tidak dapat dikonsumsi, sehingga mengurangi permeabilitas di wilayah ini. C dapat berasal dari batubara yang tidak terbakar serta dari koks. Karena laju pelarutan C dari char batubara adalah proses yang lebih lambat daripada dari koks, C dari koks terutama dikonsumsi.

Pelarutan karbon dari char yang tidak terbakar ke dalam logam cair dipengaruhi oleh kondisi operasi tanur dan faktor-faktor berikut.

• Ukuran partikel char – Char yang tidak terbakar yang mempertahankan bentuk bubuknya bereaksi sangat sedikit dengan logam cair dan escak karena tidak dapat menembus ke dalam cairan. Namun, jika partikel char diaglomerasi menjadi partikel yang lebih besar atau ditangkap oleh potongan koks yang lebih besar, maka mereka berperilaku seperti koks bosh dan mengkarburisasi logam cair hingga saturasi. Namun, contoh probe tuyere yang diambil di BF di Australia menunjukkan bahwa partikel char batubara ultrafine dapat bereaksi dengan logam cair yang menitis, dan bahwa mereka lebih mudah larut dibandingkan partikel koks ultrafine. Eksperimen, meskipun, telah menunjukkan bahwa laju pelarutan C dari char batubara, meskipun pada ukuran partikel yang lebih besar, adalah proses yang lebih lambat daripada dari koks.
• Struktur char – Biasanya, laju pelarutan meningkat seiring struktur C menjadi lebih teratur.
• Mineral char – Secara umum, SiO2, Al2O3 dan MgO (magnesia) memperlambat kinetika pelarutan C, sementara CaF2 (kalium fluorida) dan oksida Fe meningkatkan laju. Efek CaO (kalium oksida) kurang jelas. Reaksi Ca (kalium) dengan S dalam logam menghasilkan lapisan CaS (kalium sulfida) yang dapat menghambat transfer C. AFT juga salah satu mekanisme kontrol yang membatasi pelarutan C. Pembentukan lapisan abu pada bahan karbonasis mengurangi luas permukaan yang tersedia untuk pelarutan, sehingga menurunkan laju pelarutan C. AFT rendah memungkinkan pengendapan abu yang mudah, dalam bentuk escak cair. Ini menghasilkan paparan konstan permukaan C segar ke besi cair, memungkinkan transfer massa C ke besi cair.
• Komposisi besi cair – Berubah seiring waktu. Laju pelarutan C biasanya menurun seiring meningkatnya kandungan C dalam besi cair. Kandungan S yang lebih tinggi juga menunda pelarutan C. Pembakaran batubara dan koks melepaskan oksida sulfura (SOx) yang dapat bereaksi dengan logam dan escak yang menitis.

Char yang tidak terbakar, abu, debu dan koks dapat berinteraksi dengan escak yang menitis. Komposisi escak berubah saat bergerak ke bawah BF, dengan konsentrasi oksida Fe terus berkurang. Reaksi di antarmuka antara char padat dan escak cair memainkan peran utama dalam konsumsi char karena mempengaruhi kinetika reaksi pengurangan dan area kontak antara escak dan char yang tersedia untuk reaksi.

Faktor yang mempengaruhi interaksi char yang tidak terbakar dengan escak mencakup komposisi escak, kandungan C char, dan kandungan serta komposisi abu char, serta kondisi operasi tanur. Konsumsi char oleh escak pada dasarnya terjadi melalui mekanisme berikut.

• Pengurangan oksida Fe dalam escak oleh C dalam char – Karakter basah memiliki efek signifikan pada mekanisme pengurangan dominan yang terjadi. Karakter basah escak bervariasi dengan komposisi escak, suhu, waktu, dan bahan karbonasis. Basah bervariasi sebagai fungsi waktu karena pengurangan oksida Fe dalam escak oleh char, dan pelarutan komponen abu char ke dalam escak, menghasilkan variasi kontinu dalam komposisi escak dan char. Peningkatan suhu biasanya menghasilkan basah yang lebih baik di antarmuka escak/C. Laju pengurangan biasanya meningkat dengan meningkatnya kandungan escak FeO (2 % hingga 10 %) dan dengan meningkatnya suhu reaksi (1300 deg C hingga 1600 deg C). Secara umum, char batubara tidak mudah basahi oleh escak yang mengandung lebih dari 10 % FeO pada 1400 deg C dan 1500 deg C. Laju reaksi yang lebih cepat untuk koks menunjukkan bahwa debu koks terutama dikonsumsi sebelum char batubara.
• Pengurangan SiO2 dalam escak oleh C dari char – Ini adalah fungsi suhu. Pada suhu kurang dari 1500 deg C, hanya pengurangan FeO yang terjadi. Pada suhu yang lebih tinggi, baik SiO2 maupun FeO dalam escak tereduksi, sehingga mengarah pada konsumsi char yang meningkat. SiO2 direduksi oleh C, melalui SiO gas, menjadi Si atau karbida silikon (SiC). Reduksi mandiri SiO2 dalam abu char oleh C juga dapat terjadi, mengarah pada konsumsi char lebih lanjut. Kinetika pengurangan SiO2 dipengaruhi oleh basah char oleh escak. Perilaku basah meningkat dengan meningkatnya kandungan escak SiO2, dan dengan meningkatnya suhu (1500 deg C hingga 1700 deg C). Jumlah SiO2 dan FeO yang lebih besar dalam abu char memfasilitasi interaksi escak/C, mengarah pada konsumsi yang ditingkatkan oksida ini melalui reaksi pengurangan.
• Interaksi antara komponen dalam escak dan char – Ini mengarah pada assimilasi komponen abu char seperti S. Selain itu, pengurangan MgO dalam escak oleh char C dapat mengarah pada konsumsi lebih lanjut. Reduksi mandiri oksida dalam abu char oleh C juga dapat berkontribusi pada konsumsi char.

Viskositas escak juga memiliki peran. Kehadiran char yang tidak terbakar dalam escak dapat mengganggu penebusan dengan meningkatkan viskositas escak, sedangkan penyerapan char biasanya meningkatkan fluabilitas escak bosh. Perubahan mobilitas escak dapat mempengaruhi posisi dan bentuk zona cair dan kohesif. Viskositas escak yang tinggi di sekitar tuyere mengarah pada masalah aliran gas yang serius. Viskositas escak adalah fungsi kompleks dari komposisi escak, suhu dan tekanan parsial O2. Juga char yang tidak terbakar, koks, dan abu yang tidak terbakar dari batubara dapat berinteraksi dengan escak. Semua bahan karbonasis ini menyumbangkan oksida ke escak. Secara umum, jumlah SiO2 atau Al2O3 (komponen asam) yang lebih besar meningkatkan viskositas escak, sedangkan basa yang lebih tinggi (CaO atau MgO yang lebih tinggi) menurunkan viskositas escak karena de-polimersi jaringan silikat. Viskositas escak menurun dengan meningkatnya kandungan FeO (0 % hingga 20 %) pada basa yang tetap. Basa biasanya ditentukan oleh rasio CaO/SiO2. Karena escak tidak sepenuhnya menyerap char dan abu di wilayah bosh, escak bosh biasanya memiliki basa yang lebih tinggi daripada escak yang ditembuskan. Penambahan flux dapat membantu dalam menyelesaikan masalah pembentukan escak.