Mengurangi Emisi CO2 dalam Pembuatan Besi Tanur Tiang

Mengurangi Emisi CO2 dalam Pembuatan Besi Tanur Tiang

Diakui luas bahwa karbon dioksida (CO2) di atmosfer adalah komponen utama yang mempengaruhi pemanasan global melalui efek rumah kaca. Sejak 1896 konsentrasi CO2 di atmosfer telah meningkat sebesar 25%. Industri besi dan baja dikenal sebagai industri yang konsumsi energinya tinggi dan sebagai emiten CO2 yang signifikan. Oleh karena itu, perubahan iklim diidentifikasi oleh industri besi dan baja sebagai tantangan lingkungan yang besar. Lama sebelum temuan Inter-governmental Panel on Climate Change pada tahun 2007, produsen besi dan baja besar menyadari bahwa solusi jangka panjang diperlukan untuk mengatasi emisi CO2 dari industri besi dan baja. Oleh karena itu, industri besi dan baja telah sangat proaktif dalam meningkatkan konsumsi energi dan mengurangi emisi gas rumah kaca (GHG).

Pengurangan Emisi dan Energi

Dalam lingkungan perubahan iklim saat ini, dalam industri besi dan baja, ada dorongan konstan untuk mengurangi biaya energi, mengurangi emisi dan memastikan penggunaan kembali energi limbah maksimum. Dalam proses tradisional untuk produksi besi dan baja, emisi CO2 tidak dapat dihindari, terutama untuk proses tanur tiang (BF), yang membutuhkan karbon (C) sebagai bahan bakar dan agen pengurang untuk mengubah oksida besi ke keadaan logam, dan oleh karena itu adalah proses utama untuk generasi CO2 di pabrik besi dan baja terintegrasi. Kebijakan iklim sebenarnya adalah driver penting untuk pengembangan lebih lanjut teknologi pembuatan besi oleh BF.

Kritis, di antara tantangan yang dihadapi operasi BF adalah dekarbonisasi. Langkah signifikan telah dilakukan oleh industri besi dan baja untuk meningkatkan efisiensi termal operasi BF, tetapi pada akhirnya ada batas keras dalam dekarbonisasi, yang terkait dengan kebutuhan C sebagai agen pengurang kimia. Sejak tahun 1950, upaya R&D (penelitian dan pengembangan) signifikan telah dilakukan untuk membuat teknologi pembuatan besi BF lebih efisien. Upaya R&D ini mencakup (i) kualitas koks dan sinter yang ditingkatkan, (ii) pengayaan oksigen (O2), (iii) injeksi redusan lain seperti batubara halus dan gas alam, (iv) distribusi beban, dan (v) teknologi pengukuran dan sebagainya. Pada tahun 1950 tingkat redusan sekitar 1000 kilogram per ton logam panas (kg/tHM), dan sejak itu telah diturunkan dengan faktor 2 karena upaya R&D dan implementasi hasil upaya R&D.

Konsumsi agen pengurang di konvensional BF saat ini sekitar 500 kg/tHM mendekati hanya 5% di atas nilai termodinamika terendah yang mungkin di bawah operasi BF klasik. Proses BF sekarang adalah proses yang sangat berkembang yang beroperasi dekat batas termodinamika efisiensi. Tidak ada peningkatan besar yang jelas yang diharapkan secara fundamental untuk mengurangi kebutuhan C-nya atau secara signifikan meningkatkan efisiensi termalnya, tetapi, karena BF adalah generator emisi utama, upaya untuk mengurangi dampak lingkungan industri harus, secara terpaksa, difokuskan pada proses pembuatan besi BF.

Teknologi Pembuatan Besi Inovatif

Teknologi pembuatan besi inovatif diperlukan untuk pengurangan signifikan lebih lanjut dari konsumsi C atau emisi CO2. Beberapa teknologi telah diusulkan untuk pengurangan lebih lanjut dari penggunaan C fosil dan pengurangan emisi CO2 dalam proses BF itu sendiri. Ini mencakup (i) daur ulang CO dari gas atas BF, (ii) penggunaan biomassa, (iii) substitusi CO oleh H2 sebagai agen pengurang, (iv) penggunaan DRI rendah C, besi briquetan panas (HBI), atau besi reduksi rendah (LRI), (v) Penggunaan bahan komposit rendah C, (vi) penggunaan energi listrik rendah C, dan (vii) penangkapan dan penyimpanan CO2 (CCS) dll. Namun, pendekatan yang dibutuhkan adalah untuk mengusulkan perbaikan bertahap yang menawarkan langkah untuk mengurangi emisi atau untuk menghasilkan lebih dari potensi yang ada dalam proses saat ini.

Tidak dapat dihindari, bahwa saat mempertimbangkan teknologi semacam ini sejumlah tema lintas disiplin di sekitar ekonomi dan emisi CO2 keseluruhan perlu dipertimbangkan. Misalnya, penggunaan CO2 dan gas proses sebagai bahan baku kimia dapat memerlukan pembelian bahan bakar tambahan untuk pemanas reheating, yang dapat mempengaruhi biaya pabrik terintegrasi, kualitas baja dan emisi CO2 total. Solusi apa pun yang akan dipertimbangkan lebih lanjut perlu memiliki potensi untuk mencapai optimasi multi-komponen dari aspek-aspek individu ini.

Tantangan Operasi BF Masa Depan

Tantangan utama yang dihadapi operasi BF di masa depan adalah (i) mengurangi biaya modal dan operasional secara signifikan untuk menghasilkan return modal yang berkelanjutan melalui siklus ekonomi, dan (ii) mengurangi emisi CO2 efektif ke titik bahkan di bawah yang ditentukan dari termodinamika kimia dari proses koks konvensional. Untuk menghadapi tantangan ini, penting untuk mengidentifikasi sejumlah peluang teknologi. Ini dijelaskan di bawah ini.

Daur Ulang Gas Atas dan Teknologi Penangkapan Karbon

Pengurangan input C dibatasi oleh kesetimbangan reduksi gas di BF. Penurunan input C dapat dicapai dengan menurunkan rasio reduksi langsung (reaksi endotermik) dengan memperkuat reduksi gas di dalam BF melalui dekarbonisasi dan daur ulang gas atas dengan injeksi ke dalam tanur. Lembar aliran tipikal tanur tiang dengan daur ulang gas atas (TGR) ditunjukkan dalam Gambar 1.

Gambar 1 Lembar Aliran Tipikal Tanur Tiang dengan Daur Ulang Gas Atas

Solusi apa pun untuk dekarbonisasi rute BF memerlukan beberapa elemen penangkapan C. Untuk mencapai pengurangan CO2 yang signifikan (lebih dari 50%), aplikasi teknologi CCS diperlukan, meskipun ada konsensus umum di industri bahwa pengurangan lebih dari 80% tidak mungkin. Salah satu variasi yang mengalahkan dari penangkapan C adalah daur ulang gas atas dalam proses pembuatan besi oleh proses BF. Ini adalah teknologi yang paling menjanjikan yang dapat secara signifikan mengurangi emisi CO2 dan terdiri dari daur ulang CO dan H2 dari gas yang keluar dari BF dari atas.

Teknologi TGR-BF

Teknologi TGR terutama didasarkan pada penurunan penggunaan C fosil (koks) dengan penggunaan kembali agen pengurang (CO dan H2) setelah penghapusan CO2 dari gas atas. Ini mengarah pada kebutuhan energi yang lebih rendah. Teknologi utama TGR-BF adalah (i) pembersihan CO2 dari gas atas dan injeksi komponen gas atas pengurang sisa CO dan H2 di tiang BF dan tuyere dinding, (ii) input C fosil yang lebih rendah karena tingkat koks yang lebih rendah, (iii) penggunaan O2 murni alih-alih tiupan udara panas di tuyere dinding yaitu penghapusan nitrogen (N2) dari proses, dan (iv) pemulihan CO2 murni dari gas atas untuk penyimpanan bawah tanah.

Sebagian besar skema penangkapan C umumnya terkait dengan penyimpanan, tetapi utilizasi juga dapat dipertimbangkan. Koneksi ini antara penangkapan C dan utilizasi menyoroti area penelitian yang penting yang saat ini menarik perhatian adalah di sekitar integrasi proses. Dibandingkan aspek seperti pengumpulan, transportasi dan penyimpanan, area integrasi proses dengan retrofit BF yang ada dengan sistem penangkapan C, telah menerima sedikit pertimbangan.

Diharapkan bahwa untuk sebagian besar lokasi di mana BF beroperasi, penangkapan C akan dioperasikan bersama dengan BF yang telah beroperasi selama beberapa dekade. Ada potensi untuk tingkat gangguan proses yang signifikan yang terkait dengan aspek seperti kualitas gas, tekanan, protokol operasional dan optimasi relatif dari baik BF maupun pabrik utilizasi C. Retrofit dan operasi selanjutnya perlu dicapai tanpa mengorbankan baik efisiensi operasional, atau kualitas produk, dari aset yang ada.

Dalam area integrasi proses ini, teknik simulasi dan pemodelan proses canggih perlu diterapkan untuk mengoptimalkan kombinasi dari BF terintegrasi dan sistem penangkapan C. Dalam hal ini kombinasi pemodelan termo-fluida, dengan kinetika proses dan melalui pemodelan ekonomi proses, yang selaras dengan pemahaman parameter utama proses pembuatan besi diperlukan. Dengan fokus seperti itu, aplikasi penangkapan C pada operasi BF yang ada dapat direalisasikan.

Reduksi Hidrogen

Tantangan lingkungan yang penting untuk proses BF adalah penggunaan C sebagai redusan kimia. Ini memiliki batas termodinamika keras, di bawahnya pengurangan C lebih lanjut tidak mungkin tanpa perubahan proses yang signifikan. Salah satu perubahan proses tersebut adalah pergantian sebagian dari C ke hidrogen (H2) sebagai redusan. Contoh agen pengurang dengan kandungan H2 tinggi adalah limbah plastik (CnHm) atau gas alam (dengan komponen utama CH4). H2 sudah digunakan dalam proses reduksi langsung untuk produksi DRI dan jadi ada pemahaman dasar tentang mekanisme dan termodinamika kimia, tetapi ada peluang untuk penelitian proses dan inovasi lebih lanjut tentang seberapa besar keseimbangan antara reduksi H2 dan reduksi C dapat digeser di dalam tanur.

Penggunaan Limbah Plastik

Penggunaan limbah plastik (WP) untuk mempromosikan reduksi H2 di BF dilakukan melalui injeksi WP di BF. WP diuntikan sebagai padat melalui tuyere dengan cara yang serupa dengan batubara halus (PC). Biasanya dilakukan sebagai ko-injeksi WP dan batubara ke dalam BF. Energi pembakaran WP umumnya setidaknya setinggi yang biasanya diuntikan, dan rasio H2 ke C yang lebih tinggi berarti lebih sedikit CO2 dihasilkan di dalam BF dari pembakaran dan proses reduksi bijih besi. Juga, ada konsumsi energi yang lebih rendah karena H2 adalah agen pengurang yang lebih menguntungkan daripada C. Injeksi WP meningkatkan konsentrasi H2 gas bosh. Karena laju reaksi kimia reduksi H2 lebih tinggi daripada CO, sejumlah reaksi Boudouard berkurang seiring bertambahnya konsentrasi H2 gas bosh. CO2 dan H2O ada di bagian atas BF karena reduksi oksida besi.

Untuk mempromosikan reduksi H2 di tanur tiang, metode lain sedang diselidiki melalui Proyek COURSE50 di Jepang, pekerjaan yang dimulai pada tahun 2008. Proyek ini adalah upaya untuk mengurangi emisi CO2 dengan mengembangkan lebih lanjut teknik injeksi gas pengurang ke tiang BF, dalam kombinasi dengan amplifikasi H2 dengan reformasi gas oven koks. Teknologi reduksi H2 yang diusulkan oleh proyek ini terdiri dari peningkatan H2 oleh (i) reformasi gas oven koks, (ii) teknologi reduksi bijih H2, dan (iii) teknologi pembuatan koks untuk tanur tiang reduksi H2. Dalam proyek ini, gas pengurang diuntikan ke tiang BF. Dari keseimbangan momentum dua gas, ditemukan bahwa area penetrasi gas injeksi tiang proporsional dengan laju injeksi gas dan reduksi bijih besi dipromosikan oleh H2. Namun, karena reduksi H2 adalah reaksi endotermik, perhatian khusus diperlukan untuk pemeliharaan suhu di puncak tanur.

Bahan Alternatif Mengandung Karbon

Bahan alternatif mengandung C adalah agregat komposit C (CCA) atau komposit C besi (CIC). Ini adalah agregat dari campuran material karbonatis dan oksida besi dan merupakan jenis koks terbentuk yang mengandung besi logam. Material karbonatis dapat berupa koks halus, batubara, arang kayu, C kaya limbah dalam pabrik, biomassa, limbah plastik, dll., sementara oksida besi dapat berupa bijih besi kelas rendah, limbah dalam pabrik kaya besi, dll. Material komposit C karena efek katalitik dari partikel besi memiliki reaktivitas yang sangat tinggi terhadap gas CO2 dibandingkan koks metalurgi. Biasanya material komposit C bereaksi dengan gas CO2 dari suhu sekitar 150 °C lebih rendah dari koks metalurgi.

Reaksi reduksi bijih dipromosikan oleh material komposit C karena (i) reaktivitas yang lebih tinggi dari material ini, dan (ii) fakta bahwa reaksi kehilangan larutan dari material ini dimulai dari suhu yang lebih rendah. Utilisasi agregat semacam ini tidak hanya membantu dalam mitigasi emisi CO2 tetapi juga membantu dalam penghematan koks dan energi. Jarak dekat antara besi dan C dalam agregat semacam ini meningkatkan kinetika reaksi secara signifikan. Manfaat lain yang dapat divisualisasikan setelah utilisasi agregat semacam ini adalah (i) kemungkinan penggunaan besi dan/atau C kaya limbah dalam pabrik, (ii) suhu gasifikasi yang lebih rendah karena efek coupling antara reaksi gasifikasi dan reduksi oksida besi (wustite), dan (iii) ketergantungan yang lebih rendah pada CO2 dan proses persiapan bijih yang konsumsi energi tinggi.

Metode Produksi Material Komposit C

Metode produksi material komposit C terdiri dari penggerusan, pencampuran, dan pembuatan briquet dari material besi murah dan batubara non-koks atau sedikit-koks, diikuti oleh pemanasan dan karbonisasi di tanur tiang. Kekuatan material ini adalah properti penting untuk masukan BF, dan kekuatan pada tingkat yang sama dengan koks metalurgi dapat dicapai, bahkan dari bahan baku berkualitas rendah, oleh efek densifikasi pembuatan briquet dan kontrol suhu yang relatif akurat di tanur tiang.

Bahan mengandung C juga dapat diperkenalkan ke dalam proses BF melalui beberapa cara. Dalam proses sintering, biomassa atau WP dapat sebagian menggantikan debu koks. Limbah dalam pabrik dapat digunakan sebagai sumber baik C maupun besi. Dalam pembuatan koks, upaya telah dilakukan untuk menambahkan biomassa, serta WP ke campuran batubara koks. Bahan alternatif mengandung karbon dapat diisi ke dalam BF dari atas bersama dengan material beban sebagai irisan atau limbah dalam pabrik kaya C atau biomassa dapat diuntikan ke dalam BF melalui tuyere.

Daur Ulang Gas Buangan dalam Pemanas Gas Tanur Tiang

Teknologi baru yang dikenal sebagai 'daur ulang gas buangan' (FGR) sedang dikembangkan untuk pemanas tiupan panas. Teknologi ini melibatkan konversi pemanas, dari pembakaran udara-bahan bakar ke pembakaran oksigen-bahan bakar yang meningkatkan persentase CO2 dari gas buangan. Suhu nyala api yang dihasilkan akan dimoderasi oleh daur ulang gas buangan ke pembakar pemanas. Perbandingan skematis operasi pemanas udara-bahan bakar konvensional dan operasi oksigen-bahan bakar yang ditingkatkan menggunakan daur ulang gas buangan ditunjukkan dalam Gambar 2.

Gambar 2 Perbandingan Skematis Operasi Pemanas Udara-Bahan Bakar Konvensional dan Operasi Oksigen-Bahan Bakar yang Ditingkatkan Menggunakan Daur Ulang Gas Buangan

Operasi FGR pemanas dapat didasarkan pada aliran massa konstan atau aliran volume konstan dari produk pembakaran. Aliran massa konstan memastikan transfer panas konvektif tidak berubah relatif terhadap operasi udara-bahan bakar konvensional, dan daur ulang gas buangan panas mengurangi kebutuhan energi pembakaran pemanas. Opsi aliran volume konstan timbul karena densitas yang meningkat dari produk pembakaran, ketika gas buangan didaur ulang. Dalam mode ini, pemulihan panas dapat digabungkan dengan laju gas pembakar yang meningkat dan ini mengonversi ke suhu tiupan panas yang lebih tinggi dan potensi untuk konsumsi koks yang lebih rendah di BF.

Potensi Penangkapan Karbon

Mempertimbangkan potensi penangkapan C, kandungan CO2 dari gas buangan pada dasarnya digandakan dibandingkan dengan praktik pemanasan konvensional untuk pemanas. Dalam hal massa gas buangan mengandung 0,8 ton CO2/ton logam panas (HM), yang lebih dari satu dari tiga tingkatan emisi spesifik saat ini. Generasi O2 yang diperlukan untuk memfasilitasi ini mengurangi manfaat penangkapan C secara kecil karena daya yang dikonsumsi untuk mengoperasikan pabrik pemisahan udara. Ini mengurangi potensi pengurangan emisi bersih sekitar 6%.

Daur ulang gas buangan di pemanas menghilangkan penggunaan baik udara maupun gas oven koks dalam proses pembakaran. Oleh karena itu, generasi oksida sulfur dan oksida nitrogen berkurang secara signifikan. Tujuan spesifik dari teknologi baru ini yang sedang dikembangkan mencakup (i) konfirmasi kandungan CO2 sebesar 40% hingga 50% dalam gas buangan yang dimodifikasi, (ii) verifikasi pemulihan panas buangan dan efisiensi termal yang ditingkatkan dari pemanas, dan (iii) konfirmasi bahwa kondisi operasional baru mempertahankan atau meningkatkan suhu tiupan panas yang diberikan ke BF dan oleh karena itu menghindari dampak negatif pada operasi BF.