Batu bara: Bahan Bakar Esensial dan Agen Pengurang dalam Produksi Baja

Table Of Content

Table Of Content

Definisi dan Konsep Dasar

Batu bara adalah batuan sedimen yang mudah terbakar yang terdiri terutama dari karbon, bersama dengan berbagai jumlah senyawa volatil, kelembapan, sulfur, nitrogen, dan bahan mineral. Dalam konteks pembuatan baja, batu bara berfungsi sebagai bahan baku yang vital, terutama digunakan sebagai sumber karbon dan pembawa energi selama proses reduksi dan pemurnian.

Dalam rantai pembuatan baja, tujuan dasar batu bara adalah untuk menyediakan karbon untuk paduan dan menghasilkan panas suhu tinggi yang diperlukan untuk peleburan, pemurnian, dan langkah-langkah pemrosesan utama lainnya. Batu bara bertindak sebagai reaktan kimia dan sumber energi, memungkinkan transformasi bijih besi mentah menjadi baja.

Posisi batu bara dalam alur produksi baja secara keseluruhan terutama berada pada tahap awal, terutama dalam proses seperti produksi kokas untuk operasi tungku tiup dan sebagai bahan bakar dalam pembuatan baja tungku busur listrik (EAF). Batu bara diproses menjadi berbagai bentuk—terutama kokas—untuk memenuhi persyaratan metalurgi tertentu.

Desain dan Operasi Teknis

Teknologi Inti

Prinsip rekayasa inti di balik pemanfaatan batu bara dalam pembuatan baja berfokus pada konversinya menjadi kokas, bahan bakar padat yang kaya karbon dan berpori dengan kekuatan dan reaktivitas tinggi. Produksi kokas melibatkan karbonisasi batu bara yang terkontrol dalam tungku kokas, di mana senyawa volatil dihilangkan, meninggalkan material tahan lama yang kaya karbon.

Komponen teknologi kunci termasuk baterai tungku kokas, yang terdiri dari beberapa ruang tungku yang diatur dalam seri, dan sistem tambahan seperti mobil pengisian, sistem pendinginan, dan unit pemulihan gas. Tungku kokas beroperasi pada suhu tinggi (sekitar 1000–1100°C) dalam lingkungan yang kekurangan oksigen, memfasilitasi pirolisis batu bara.

Mekanisme operasi utama melibatkan pemanasan batu bara dalam ruang tertutup, menyebabkan materi volatil menguap dan melarikan diri, sementara struktur karbon yang tersisa mengkonsolidasikan menjadi kokas. Alur proses mencakup pengisian batu bara, karbonisasi, dorongan kokas, pendinginan, dan penanganan.

Parameter Proses

Variabel proses kritis meliputi:

  • Suhu tungku: biasanya dipertahankan antara 1000–1100°C untuk mengoptimalkan penghilangan volatil dan kualitas kokas.
  • Waktu karbonisasi: umumnya 16–24 jam per siklus tungku, tergantung pada jenis batu bara dan desain tungku.
  • Kadar kelembapan batu bara: idealnya di bawah 10% untuk memastikan karbonisasi yang efisien.
  • Kecepatan aliran gas: dikendalikan untuk memaksimalkan pemulihan volatil dan meminimalkan emisi.

Parameter ini mempengaruhi kekuatan kokas, porositas, reaktivitas, dan tingkat kotoran. Kontrol yang tepat memastikan kualitas kokas yang konsisten, yang secara langsung mempengaruhi efisiensi tungku tiup dan kualitas baja.

Sistem kontrol menggunakan sensor canggih, pengontrol suhu, dan analisis gas untuk memantau dan menyesuaikan parameter secara real-time. Data dari sistem ini memungkinkan operator untuk terus mengoptimalkan kondisi proses.

Konfigurasi Peralatan

Sebuah baterai tungku kokas yang khas terdiri dari serangkaian ruang vertikal, masing-masing sekitar 6–8 meter tinggi dan 1,2–2 meter lebar, dengan panjang tergantung pada kapasitas (berkisar antara 50 hingga 150 meter). Tungku dibangun dari bata tahan api yang mampu menahan suhu tinggi dan siklus termal.

Variasi desain termasuk tungku sarang lebah, kotak, dan tungku pengisian atas, dengan fasilitas modern lebih memilih pengisian atas, operasi kontinu, dan otomatisasi. Seiring waktu, inovasi telah meningkatkan efisiensi energi, kontrol emisi, dan kualitas kokas.

Sistem tambahan termasuk penghancur batu bara, sabuk konveyor, mobil pengisian, menara pendinginan, dan unit pembersihan gas. Sistem ini memfasilitasi penanganan material, regulasi suhu, dan kepatuhan lingkungan.

Kimia Proses dan Metalurgi

Reaksi Kimia

Proses kimia utama dalam produksi kokas adalah pirolisis, di mana komponen volatil batu bara dihilangkan melalui dekomposisi termal. Reaksi utama melibatkan pemecahan molekul organik kompleks menjadi gas (metana, karbon monoksida, hidrogen, uap tar) dan karbon residu.

Dari segi termodinamika, proses ini lebih menguntungkan pada suhu tinggi dan kondisi oksigen rendah, mendorong pelepasan volatil dan karbonisasi. Kinetika tergantung pada jenis batu bara, ukuran partikel, dan suhu, dengan laju pemanasan yang lebih cepat meningkatkan evolusi volatil.

Produk reaksi termasuk kokas (karbon padat), gas volatil, tar, dan kondensat. Gas-gas ini sering kali dipulihkan dan digunakan sebagai bahan bakar atau bahan baku kimia, sementara tar dan kondensat dapat diproses lebih lanjut.

Transformasi Metalurgi

Selama pembentukan kokas, perubahan mikrostruktur terjadi, termasuk pengembangan matriks karbon grafitik yang berpori. Transformasi ini meningkatkan kekuatan dan reaktivitas kokas, yang vital untuk mendukung beban di tungku tiup.

Transformasi fase melibatkan konversi karbon amorf menjadi struktur grafitik yang lebih teratur pada suhu tinggi. Mikrostruktur mempengaruhi sifat mekanik, konduktivitas termal, dan reaktivitas kimia.

Sifat metalurgi kokas—seperti kekuatan, reaktivitas, dan porositas—terkait langsung dengan mikrostrukturnya, mempengaruhi efisiensi reduksi besi dan kontrol kotoran di tungku tiup.

Interaksi Material

Interaksi antara kokas, terak, pelapisan tahan api, dan gas atmosfer sangat penting. Kokas bereaksi dengan oksigen dan gas lainnya selama pembakaran, mempengaruhi suhu dan komposisi gas di dalam tungku.

Reaksi terak-logam dapat menyebabkan kontaminasi jika kotoran dalam kokas, seperti sulfur atau abu, berpindah ke dalam logam cair. Degradasi tahan api dapat terjadi akibat serangan kimia oleh gas atau terak.

Pengendalian interaksi ini melibatkan pemilihan batu bara dengan kotoran rendah, mengoptimalkan kualitas kokas, dan menggunakan pelapisan tahan api pelindung. Sistem pembersihan gas juga mengurangi emisi sulfur dan polutan lainnya.

Alur Proses dan Integrasi

Bahan Masukan

Bahan masukan utama adalah batu bara metalurgi, yang ditandai dengan kandungan karbon tinggi, abu rendah, dan tingkat materi volatil yang sesuai. Spesifikasi tipikal meliputi:

  • Karbon tetap: >70%
  • Kadar abu: <10%
  • Materi volatil: 20–30%
  • Sulfur: <1%

Batu bara harus dipersiapkan melalui penghancuran dan penyaringan untuk mencapai ukuran partikel yang seragam, biasanya di bawah 50 mm, untuk memastikan karbonisasi yang efisien.

Penanganan melibatkan penyimpanan dalam silo atau tumpukan, dengan langkah-langkah untuk mencegah pembakaran spontan dan kontaminasi. Kualitas masukan secara langsung mempengaruhi hasil kokas, kekuatan, dan tingkat kotoran.

Urutan Proses

Proses dimulai dengan persiapan batu bara, diikuti dengan pengisian ke dalam tungku kokas. Karbonisasi terjadi selama siklus sekitar 16–24 jam, di mana materi volatil dihilangkan.

Setelah karbonisasi, kokas didorong keluar dari tungku, didinginkan dengan air atau gas inert, dan diangkut untuk digunakan di tungku tiup. Produk gas dikumpulkan dan diproses untuk pemulihan energi atau produksi kimia.

Urutan ini memerlukan waktu dan koordinasi yang tepat untuk memaksimalkan throughput dan mempertahankan kualitas. Operasi kontinu atau semi-kontinu meningkatkan efisiensi.

Titik Integrasi

Produksi kokas berada di hulu operasi tungku tiup, menyediakan sumber karbon esensial untuk reduksi besi. Gas tungku kokas yang dihasilkan digunakan untuk pembangkit listrik, pemanasan, atau sintesis kimia.

Aliran material mencakup batu bara ke tungku kokas, kok

Kembali ke blog

Tulis komentar