Daur Ulang Gas Atas Tanur Tiang: Meningkatkan Efisiensi & Mengurangi CO₂

Daur Ulang Gas Atas Tanur Tiang: Meningkatkan Efisiensi & Mengurangi CO₂

Dalam bidang produksi logam panas (HM) dengan tanur tiang (BF), teknologi paling menjanjikan untuk secara signifikan mengurangi emisi CO2 (karbon dioksida) adalah daur ulang CO (karbon monoksida) dan H2 (hidrogen) dari gas yang keluar dari atas BF. Kandungan CO dan H2 dari gas atas BF memiliki potensi untuk bertindak sebagai elemen gas pengurang, dan dengan demikian daur ulangnya ke BF dianggap sebagai alternatif efektif untuk meningkatkan kinerja BF, meningkatkan utilizasi C (karbon) dan H2, dan mengurangi emisi CO2. Teknologi 'daur ulang gas atas' (TGR) ini terutama didasarkan pada penurunan penggunaan C fosil (koks dan batubara) dengan penggunaan kembali agen pengurang (CO dan H2), setelah pengeliminasian CO2 dari gas atas BF. Ini mengarah pada kebutuhan energi yang lebih rendah. Karena keuntungan produktivitas tinggi, tingkat PCI (injeksi batubara halus) tinggi, tingkat bahan bakar rendah, dan emisi CO2 rendah, dll., proses TGR-BF dianggap sebagai salah satu proses pembuatan besi yang menjanjikan di masa depan.

Konsep TGR-BF

Di TGR-BF, oksigen (O2) ditiup ke dalam BF alih-alih udara panas untuk menghilangkan nitrogen (N2) dalam gas atas BF. Sebagian gas atas BF yang mengandung CO dan H2 digunakan kembali sebagai agen pengurang dalam BF. CO2 dari gas atas BF ditangkap dan kemudian disimpan. Beberapa proses daur ulang telah disarankan, dievaluasi, atau secara praktis diterapkan untuk tujuan yang berbeda. Proses-proses ini dibedakan oleh (i) dengan atau tanpa penghapusan CO2, (ii) dengan atau tanpa pemanasan sebelumnya, dan (iii) posisi injeksi.

Konsep TGR-BF (Gambar 1) melibatkan banyak teknologi yang meliputi (i) injeksi komponen gas atas BF pengurang CO dan H2 di tuyere tiang dan dinding, (ii) penurunan konsumsi input C fosil karena tingkat koks yang lebih rendah, (iii) penggunaan gas O2 murni alih-alih udara tiang panas di tuyere dinding (penghapusan N2 dari proses), dan (iv) pemulihan CO2 murni dari gas atas BF untuk penyimpanan bawah tanah.

Gambar 1 Konsep TGR-BF

Konsep daur ulang gas atas telah diuji secara eksperimental di Tanur Tiang Eksperimental (EBF) LKAB di Lulea, Sweden. EBF dimodifikasi dan pabrik pemisahan gas berbasis teknologi VPSA (vacuum pressure swing adsorption) dibangun di dekat EBF.

Sejarah Daur Ulang Gas Atas Tanur Tiang

Untuk menurunkan tingkat redusan dan untuk meningkatkan produktivitas BF, beberapa konsep baru berdasarkan proses konvensional BF telah diperkenalkan selama abad ke-20.

Sudah pada tahun 1920-an, sebuah konsep dikembangkan untuk injeksi gas pengurang panas ke dalam BF. Volume gas yang lebih rendah dari tuyere di dalam tanur perlu dikompensasi dengan injeksi gas pengurang yang dipanaskan sebelumnya pada 1000 °C dengan 27% CO, 33% H2, dan 26% N2 ke dalam zona tiang bawah. Akibatnya hanya 30% koks (pada waktu itu 345 kg/tHM) yang ditemukan diperlukan untuk proses BF. Pada pertengahan tahun 1960-an, ide ini diangkat kembali di Belgia dan pada awal tahun 1970-an percobaan pertama dilakukan di BF dengan diameter tiang 4,6 m di Cockerill-Seraing di Belgia. Jumlah spesifik 400 N cum/tHM gas reformasi yang dipanaskan hingga 1000 °C disuntikan ke dalam tiang bawah BF. Rasio penggantian sebesar 0,22 kg hingga 0,26 kg koks per N cum gas pengurang diamati.

Perkembangan Konsep Daur Ulang

Penyelidikan lebih lanjut tidak dilakukan karena alasan ekonomi karena biaya tinggi gas alam. Pada akhir tahun 1970-an, pekerjaan pengembangan untuk proses baru dimulai di Jerman di mana injeksi O2 murni dingin, bahan bakar, dan gas daur ulang dilakukan pada dua tingkat tuyere. Berdasarkan ide ini, sebuah proses dikembangkan di Kanada pada tahun 1984 untuk BF konvensional tanpa baris tuyere kedua. Fitur utama konsep ini adalah injeksi batubara untuk menggantikan koks. Keduakonsep tidak pernah direalisasikan dan berakhir hanya sebagai studi.

Sekitar waktu yang sama, ide ini lebih lanjut digunakan oleh NKK di Jepang di mana baris tuyere kedua dipasang di tengah tiang. Gas pengurang yang dipanaskan sebelumnya, yang terdiri dari gas atas daur ulang tanpa penghapusan CO2, disuntikan di tuyere ini. Gas dipanaskan oleh pembakaran parsial dengan oksigen. O2 dingin, batubara, dan gas atas daur ulang dingin disuntikan ke dalam tuyere tiang. NKK menguji proses dalam BF eksperimental dengan 3 tuyere, volume internal 3,9 cum dan diameter tiang 0,95 m. Tingkat injeksi batubara dapat ditingkatkan hingga 320 kg/tHM, sementara tingkat koks dapat diturunkan hingga 350 kg/tHM. Kekurangan gas bahan bakar di pabrik baja terintegrasi karena daur ulang gas atas BF menghentikan pengembangan proses ini, karena harga energi listrik dan gas alam tinggi di Jepang.

Operasi komersial pertama dari BF dengan daur ulang gas atas dilakukan pada akhir tahun 1980-an dalam 12 kampanye oleh RPA Toulachermet di Rusia di BF nomor 2 dengan volume berguna 1033 cum. Dalam konsep proses BF koks semu ini, gas atas panas dan hampir bebas CO2, ditiup ke dalam tuyere tiang, bersama dengan O2 murni. Gas atas yang terdekarbonasi dipanaskan di pemanas panas hingga 1200 °C. Dengan proses baru ini hampir 250.000 ton logam panas (HM) dihasilkan. Tingkat koks terendah yang dicapai adalah 367 kg/tHM, dibandingkan referensi 606 kg/tHM yang berarti pengurangan tingkat koks sebesar 239 kg (39%). Selama kampanye ini, pembakaran tuyere yang serius terlihat, yang mengarah pada perubahan dalam desain tuyere. Kesulitan dengan sistem pembersihan CO2 akhirnya menghentikan proses. Dengan mempertimbangkan penyelidikan latar belakang ini, konsep ULCOS (ultra-low carbon dioxide steelmaking) TGR-BF telah dikembangkan pada tahun 2004.

Pengembangan ULCOS TGR-BF

Pekerjaan pengembangan telah dilakukan dalam dua tahap. Dalam tahap pengembangan pertama, yang berlangsung dari 2004 hingga 2009, proses dinamakan 'proses tanur tiang baru ULCOS'. Selama tahap ini tiga konsep proses baru telah dikembangkan dan diuji. Dalam tahap kedua yang dimulai pada tahun 2009 dan dinamakan 'proses tanur tiang daur ulang gas atas ULCOS', dua kampanye ULCOS TGR-BF tambahan dilakukan.

Selama pengembangan, model keseimbangan panas dan massa dan model 3-D axi-symmetrik BF digunakan untuk perhitungan data utama dan kondisi internal proses untuk pemilihan parameter operasional terbaik. Empat alternatif didefinisikan dan dievaluasi untuk kemungkinan tercapainya penghematan C dan kelayakan menjalankan BF di bawah konsep baru ini. Kesimpulannya adalah alternatif 1, 3, dan 4 harus dapat mencapai penghematan C fosil sebesar 21% atau lebih dengan tingkat injeksi batubara halus yang tinggi. Alternatif 2 ditolak karena penghematan C yang diharapkan rendah dan kebutuhan teknologi yang menantang untuk memanaskan gas daur ulang dalam dua langkah, pertama dalam penukar panas dan kemudian pemanasan lebih lanjut oleh oksidasi parsial. Semua alternatif mencakup penghapusan CO2 dan injeksi gas produk kaya CO ke tuyere tiang, penggunaan O2 murni dan injeksi batubara bersama dengan gas pengurang. Dalam semua alternatif, penggunaan biomassa, bijih setengah direduksi, dan gas kaya H2 telah dipertimbangkan sebagai kemungkinan di masa depan.

Alternatif 1

Dalam alternatif 1 (Gambar 2), gas produk yang terdekarbonasi disuntikan dingin dengan O2 murni dan batubara di tuyere tiang dan panas di tuyere tiang. Salah satu titik kritis dalam alternatif ini adalah aliran gas dingin yang kecil pada tingkat tuyere tiang yang mengarah pada ukuran raceway yang lebih kecil dan suhu nyala api yang lebih tinggi dibandingkan proses BF normal. Juga, desain tuyere baru diperlukan karena aliran gas yang kecil.

Gambar 2 Tanur Tiang Daur Ulang Gas Atas ULCOS – Alternatif 1

Alternatif 3

Dalam alternatif 3 (Gambar 3), gas produk yang terdekarbonasi disuntikan panas di tuyere tiang normal bersama dengan O2 dan batubara. Untuk mencapai penghematan C yang tinggi, diperlukan untuk beroperasi dengan RAFT (suhu nyala api adiabatik raceway) yang rendah dan pada saat yang sama dengan tingkat injeksi batubara yang tinggi.

Gambar 3 Tanur Tiang Daur Ulang Gas Atas ULCOS – Alternatif 3

Alternatif 4

Dalam alternatif 4 (Gambar 4), gas produk yang terdekarbonasi disuntikan panas di tuyere tiang dan panas di tiang bawah. Suhu gas daur ulang bervariasi dari suhu kamar hingga 1250 °C.

Gambar 4 Tanur Tiang Daur Ulang Gas Atas ULCOS – Alternatif 4

Dalam alternatif 1 dan 4, gas produk juga disuntikan melalui tuyere tiang. Perbedaannya adalah suhu injeksi gas dan posisi titik injeksi. Dalam semua kasus, sebagian kecil gas dipanaskan dalam sistem regeneratif. Penghematan C fosil yang diharapkan untuk alternatif 1 adalah 21% pada tingkat batubara 170 kg/tHM, alternatif 3 adalah 24% pada tingkat batubara 180 kg/tHM dan alternatif 4 adalah 25% pada tingkat batubara 150 kg/tHM.

Model matematika kondisi raceway dan tes gasifikasi kemudian dilakukan dan penyelidikan skala laboratorium dan pilot dilakukan untuk desain dan rekayasa tuyere di bawah keterbatasan injeksi bersamaan gas daur ulang, O2 murni, dan batubara halus. Geometri tuyere telah ditingkatkan berdasarkan hasil perhitungan untuk menghindari hot spot dan kegagalan selama operasi dan untuk memelihara impuls yang cukup dari aliran gas untuk membentuk raceway dengan kedalaman yang cukup.

Kampanye Proses TGR-BF di Tanur Tiang Eksperimental

Tujuan percobaan adalah untuk mendemonstrasikan operasi EBF dalam mode TGR lengkap dengan O2 murni dan PCI di tuyere tiang. Ini dilakukan di bawah tiga alternatif yang ditentukan. Beban besi terdiri dari 30% pelet dan 70% sinter. Tingkat produksi HM dipertahankan pada tingkat konstan 1,5 ton per jam dan tingkat PCI bervariasi antara 130 kg/tHM hingga 170 kg/tHM. Selama periode percobaan yang berbeda, volume gas atas daur ulang dipersiapkan untuk mendapatkan penghematan C fosil maksimum. Hasil yang diperoleh selama percobaan di EBF kemudian dibandingkan dengan perhitungan model.

Alternatif 3 dan alternatif 4 diuji pada tahun 2007, selama kampanye pertama setelah startup konvensional. Alternatif 3 diuji untuk optimasi selama musim gugur tahun 2009 dalam kampanye kedua yang diikuti oleh tes alternatif 1. Dalam kampanye ketiga dan terakhir selama tahun 2010 fokus pada alternatif 4 pada 900 °C. Alternatif 4 dianggap sebagai alternatif yang disukai untuk proyek demonstrasi BF ULCOS lanjutan pada skala industri. Batas 900 °C untuk suhu gas yang diinjeksi kembali ditetapkan untuk menghindari masalah reduksi silika oleh H2 dari material refractory.

Hasil Kampanye

Selama setiap kampanye, pengukuran suhu dan komposisi gas secara in-situ serta sampel dari material beban diambil dari EBF dengan dua probe beban. Untuk menyelidiki perilaku material beban di bawah kondisi operasional baru, keranjang dengan berbagai material sinter dan pelet diisi ke dalam EBF tepat sebelum penghentian kampanye. Keranjang ini diambil kembali dari EBF selama pembedahan tanur setelah penyelaman dengan nitrogen. Ini telah dilakukan selama kampanye pada tahun 2007 dan 2010. Dalam kampanye kedua pada tahun 2009 hanya penyelaman yang dapat dilakukan karena akhir kampanye yang tidak dipersiapkan karena masalah dalam sistem isian EBF dan oleh karena itu tidak ada keranjang yang diisi.

Selama kampanye, sampel dari zona kohesin diambil kembali dan ukuran dan bentuk raceway diukur untuk penyelidikan lebih lanjut. Kampanye dimulai dengan satu minggu operasi BF konvensional normal (tiupan udara panas) dengan sinter, terlebih dahulu untuk pemanasan dan stabilisasi termal dan kemudian untuk menetapkan referensi untuk operasi BF konvensional. Setelah referensi, dihentikan untuk memutuskan blower dan menghubungkan gas produk ke pemanas kerikil (regenerator). Startup dalam mode TGR-BF dilakukan dengan tiupan buatan yang terdiri dari O2 dingin dari lancang dan N2 panas dari pemanas kerikil. Dalam langkah progresif, N2 dari pemanas kerikil diganti dengan gas atas terdekarbonasi (gas produk).

Hasil Kampanye ULCOS TGR-BF

Kesimpulan pertama yang muncul dari kampanye adalah bahwa mungkin untuk mengoperasikan proses ULCOS TGR-BF. Tidak ada masalah keamanan yang terjadi selama kampanye dengan proses baru. Operasi unit VPSA, yang merupakan fasilitas penting kedua, lancar dan tanpa kegagalan besar. EBF yang dipasangkan dengan unit VPSA bekerja sangat baik selama kampanye.

Namun, perlu dicatat bahwa operasi unit VPSA dipengaruhi oleh perubahan komposisi gas atas dan volume gas dari EBF. Oleh karena itu, kedua unit harus dioperasikan dalam hubungan yang sangat erat. Rasio maksimum gas atas daur ulang yang dicapai selama kampanye sekitar 90%.

Selama kampanye proses TGR-BF, operasi BF yang stabil dialami dengan penurunan beban yang lancar dan mudah untuk mempertahankan stabilitas termal. Efisiensi gas di tiang BF stabil selama berbagai alternatif dan ada distribusi gas yang baik seperti yang ditunjukkan oleh pengukuran probe tiang beban. Namun, ada beberapa kegagalan peralatan selama kampanye yang menyebabkan EBF harus dihentikan selama operasi di bawah kondisi proses baru. Beberapa penhentian lama memerlukan kembali ke langkah operasi 'operasi konvensional' dengan tiupan buatan O2 dingin dan operasi N2 panas. Penhentian kecil hanya memerlukan menghentikan injeksi gas dan penambahan beberapa koks dan/atau batubara tambahan.

Setelah startup dengan N2, ketika tidak ada gas atas BF yang tersedia, gas produk dapat didaur ulang lagi dalam sekitar 1 jam. Semua masalah diselesaikan seperti yang diprediksi dan stabilitas termal BF tidak pernah benar-benar dalam bahaya. Sepanjang kampanye, pengalaman yang diperoleh dan kepercayaan yang meningkat memungkinkan secara progresif untuk membuat pemulihan EBF lebih cepat (pada tingkat produksi). Setiap kali selama perubahan alternatif (3 ke 4, 3 ke 1), BF dihentikan selama sekitar 8 jam untuk membuat sambungan gas yang diperlukan ke tuyere tiang dan perubahan tuyere tiang.

Percobaan yang dilakukan di tingkat laboratorium telah menunjukkan bahwa material beban konvensional tidak akan menjadi masalah untuk proses baru. Ini dikonfirmasi selama kampanye. Tidak ada masalah proses khusus yang terkait dengan properti material beban. Hasil dari kedua probe dan sampel pengeboran telah menunjukkan profil reduksi dari tanur bekerja pusat yang merupakan tingkat reduksi rendah di dinding dan tingkat reduksi yang lebih tinggi di pusat tanur untuk sampel sinter dan pelet. Tes gulungan pada sampel pengeboran telah menunjukkan perilaku hancur yang mirip dengan proses BF konvensional yang sesuai dengan tes laboratorium. Dari pekerjaan pengujian beban, dapat disimpulkan bahwa properti beban yang digunakan dalam BF konvensional saat ini sepertinya tidak memiliki masalah untuk proses ULCOS TGR-BF.

Hasil Penghematan C

Hasil yang dicapai selama kampanye ULCOS TGR-BF sangat mengalahkan dengan respecto penghematan C (batubara dan koks). Percobaan dari ketiga kampanye telah menunjukkan penurunan yang signifikan dalam tingkat redusan yang dicapai oleh injeksi gas atas BF terdekarbonasi. Selama ketiga kampanye input batubara dan koks menurun dari sekitar 530 kg/tHM hingga 400 kg/tHM, yang mewakili penghematan C yang signifikan. Input karbon berkurang dari 470 kg/tHM hingga sekitar 350 kg/tHM, menghasilkan penghematan C sekitar 25%.

Meskipun alternatif 1 tidak dapat dieksplorasi sepenuhnya karena penhentian dini kampanye kedua, pengurangan maksimum input C melalui koks adalah 21% dibandingkan periode referensi di bawah operasi BF konvensional. Untuk alternatif ini, teknologi tuyere baru dikembangkan. Desain tuyere terdiri dari pipa koaksial dengan pipa dalam digunakan untuk injeksi batubara halus dan pipa luar untuk injeksi O2. Tiga tuyere yang terpasang bekerja sangat baik dan setelah dibongkar tidak ada kerusakan atau aus yang diamati. VPSA mampu mendaur ulang hingga 88% gas atas BF.

Seperti yang berkaitan dengan alternatif 3, konsumsi C dapat diturunkan hingga 15% dalam kampanye pertama dengan rasio daur ulang gas atas sekitar 72%. Hasil alternatif ini lebih rendah (sekitar 15%) dari yang diharapkan dari perhitungan keseimbangan panas dan massa (24%) karena ini adalah pengalaman pertama dengan mode daur ulang gas atas dan proses belum dioptimalkan. Dalam kampanye kedua, hasil alternatif ini jauh lebih baik, ketika pengurangan maksimum input C sekitar 25% dicapai dengan rasio daur ulang gas atas hingga 90%.

Dalam kasus alternatif 4, penghematan C sebesar 24% dicapai dengan rasio daur ulang gas atas 90%. Dalam hal konsumsi koks dan batubara, ada penghematan hingga 123 kg/tHM dalam proses baru (alternatif 4) dibandingkan periode referensi operasi. Dari hasil ini, korelasi yang baik antara jumlah gas yang disuntikan (CO+H2) dan pengurangan tingkat redusan dapat ditentukan. Input C melalui koks dan batubara dapat diturunkan sebesar 17 kg dalam rata-rata per 100 N cum gas (CO+H2) yang disuntikan.

Kampanye EBF telah membuktikan bahwa mungkin untuk menjalankan proses BF pada tingkat konsumsi C fosil yang jauh lebih rendah dibandingkan dengan tingkat konsumsi BF saat ini. Penghematan C hingga 25% terbukti oleh injeksi gas atas terdekarbonasi yang mengurangi. Ini adalah penurunan yang signifikan dibandingkan proses BF terbaik yang dioperasikan saat ini. Sebuah fakta, aplikasi teknologi BF-TGR pada BF modern diharapkan mengarah pada pengurangan konsumsi C dari tingkat saat ini sekitar 405 kg C/tHM ke tingkat sekitar 295 kg C/tHM.

Unit VPSA dan Emisi CO2

Unit VPSA telah beroperasi secara stabil. Perhatian bahwa unit VPSA dapat memperlakukan 97% gas atas dari BF. Fraksi volume rata-rata CO2 dalam gas yang disuntikan sekitar 2,67% dan tingkat pemulihan CO adalah 88%, memenuhi persyaratan kuantitas dan kualitas. Digabungkan dengan unit VPSA dan CCS, emisi CO2 yang dikurangi oleh proses TGR-BF dapat mencapai 1270 kg/tHM yang merupakan 76% dari total emisi CO2 dalam proses pembuatan besi. 24% CO2 yang dikurangi adalah oleh daur ulang gas dan sisanya 52% diangkut dan disimpan bawah tanah oleh CCS.

Dari sudut pandang proses, dapat dinyatakan bahwa operasi ULCOS lebih stabil dari operasi BF konvensional, sejauh yang berkaitan dengan suhu dan kualitas HM. Ini sepertinya terutama karena pengaruh yang lebih rendah dari reaksi solution-loss yang terkait dengan tingkat reduksi langsung (DRR) yang jauh lebih rendah. Nilai terendah yang diamati dari DRR ini adalah 5%. Tidak ada indikasi dalam hasil operasi bahwa ini sebenarnya nilai minimum yang dapat dicapai dalam ULCOS TGR-BF. Kualitas HM sangat dipengaruhi oleh operasi ULCOS TGR-BF. Terutama, penurunan yang signifikan dalam kandungan silikon (lebih dari 1% absolut) dan peningkatan yang berkorelasi dari kandungan C diamati. Namun perlu disebutkan bahwa kandungan silikon dalam operasi BF konvensional jauh lebih rendah (sekitar 0,5% dalam BF konvensional terhadap sekitar 2,0% di EBF), dan oleh karena itu perubahan sebesar itu tidak harus diharapkan selama aplikasi proses BF-TGR ULCOS pada skala industri.

Kampanye percobaan ULCOS TGR-BF telah menunjukkan bahwa proses TGR-BF baru dapat dilakukan dan mudah dioperasikan. Ini dapat dioperasikan dengan keamanan yang baik, efisiensi tinggi, dan stabilitas kuat. Kampanye percobaan telah membuktikan bahwa mungkin untuk mengubah operasi EBF antara 4 mode operasi (konvensional, alternatif 1, 3, dan 4). Ini juga membuktikan bahwa mungkin untuk mengoperasikan proses BF dan pabrik pemisahan gas VPSA dalam loop tertutup. Penghematan C yang didapatkan konsisten dengan prediksi dari perhitungan lembar aliran. Tes juga menunjukkan bahwa material beban konvensional sinter, pelet, dan koks cocok untuk proses ULCOS TGR-BF.

Berdasarkan pengalaman dari kampanye EBF, item yang memerlukan perhatian untuk aplikasi industri yang aman dan berkelanjutan dari proses ULCOS TGR-BF adalah (i) risiko kebocoran gas pada tingkat tuyere mungkin menuntut tingkat tuyere dipisahkan secara fisik dari gudang tuang untuk perlindungan kebakaran, (ii) risiko kebocoran karena lenturan flange pada suhu tinggi, (iii) perpanjang beruga dari pemanas panas/pemanas untuk menghindari gas beracah di sekitar, (iv) untuk menghindari kegagalan pada fase startup, personil operasional harus dilatih dengan gas buatan selama fungsi pengujian, (v) parameter injeksi yang optimal penting untuk menghindari penumpukan/penyangga di hidung tuyere, (vi) pentingnya kontrol aliran tiup individu ke tuyere untuk menghindari penumpukan O2 berlebih dan batubara halus di tuyere dalam kasus penyangga, (vii) pemilihan material refractory dan pembuatan item refractory harus dimodifikasi dan penggunaan ancor baja C harus jika mungkin dihindari, alternatif bahan lain daripada baja C harus digunakan, atau baja dilapisi alumina, dan (viii) penting untuk menghindari metal dusting dengan seleksi yang hati-hati dari bagian logam.

Hasil tes telah menunjukkan bahwa alternatif 4 memiliki efek pengurangan emisi terbaik dan dipilih sebagai pilihan pertama untuk uji coba pada BF skala industri selama tahap berikutnya.