Coke: Bahan Bakar Penting dan Agen Pengurang dalam Proses Pembuatan Baja
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Definisi dan Konsep Dasar
Kokas adalah bahan bakar padat kaya karbon yang berasal dari distilasi destruktif (pirolisis) bahan karbon, terutama batu bara metalurgi. Ini adalah agen reduksi yang vital dan sumber energi dalam proses pembuatan baja primer, terutama dalam operasi tungku tiup. Kokas memberikan dukungan struktural yang diperlukan di dalam tungku tiup, mempertahankan permeabilitas, dan memfasilitasi reduksi kimia bijih besi untuk menghasilkan besi cair.
Dalam rantai manufaktur baja, kokas diproduksi di oven kokas dari batu bara yang dipilih dan kemudian diangkut ke tungku tiup. Ini berfungsi sebagai bahan bakar untuk menghasilkan suhu tinggi dan sebagai reduktor kimia untuk mengubah oksida besi menjadi besi logam. Perannya sangat penting untuk efisiensi, produktivitas, dan kinerja lingkungan dari pabrik baja terintegrasi.
Desain dan Operasi Teknis
Teknologi Inti
Produksi kokas menggunakan distilasi destruktif dari batu bara metalurgi di oven kokas di bawah kondisi suhu tinggi yang terkontrol. Proses ini melibatkan pemanasan batu bara dalam ketiadaan udara, menyebabkan senyawa volatil menguap dan melarikan diri, meninggalkan residu karbon padat—kokas.
Komponen teknologi kunci termasuk ruang oven kokas, sistem pemanasan, dan infrastruktur pengumpulan gas. Ruang oven biasanya merupakan ruang persegi panjang atau silinder yang dilapisi dengan bata tahan api untuk menahan suhu tinggi. Sistem pemanasan menyediakan panas secara tidak langsung melalui saluran atau dengan pembakaran gas oven kokas, yang dipulihkan dan digunakan di tempat lain.
Aliran material dimulai dengan pengisian batu bara ke dalam oven, diikuti oleh karbonisasi pada suhu sekitar 1000–1100°C. Gas-gas volatil yang dilepaskan dikumpulkan, didinginkan, dan diproses untuk pemulihan produk sampingan, sementara kokas padat tetap di dalam oven sampai didinginkan dan dikeluarkan.
Parameter Proses
Variabel proses kritis meliputi:
| Parameter Kinerja | Rentang Tipikal | Faktor yang Mempengaruhi | Metode Kontrol |
|---|---|---|---|
| Suhu karbonisasi | 1000–1100°C | Tipe batu bara, desain oven | Sensor suhu, sistem kontrol otomatis |
| Kecepatan pemanasan | 1–3°C/menit | Kelembaban batu bara, isolasi oven | Algoritma kontrol proses, pemanasan awal |
| Waktu retensi | 15–24 jam | Ukuran oven, campuran batu bara | Jadwal proses, pemantauan waktu nyata |
| Kandungan kelembaban kokas | < 5% | Kecepatan pendinginan, penanganan | Pendinginan terkontrol, pengukuran kelembaban |
Parameter ini mempengaruhi kualitas kokas, termasuk kekuatan, porositas, dan reaktivitas. Kontrol yang tepat memastikan sifat produk yang konsisten dan pemulihan gas yang optimal.
Sistem kontrol menggunakan sensor canggih, otomatisasi, dan umpan balik untuk mempertahankan kondisi operasi yang stabil. Pemantauan terus-menerus terhadap suhu, tekanan, dan komposisi gas membantu mengoptimalkan efisiensi dan kualitas produk.
Konfigurasi Peralatan
Instalasi oven kokas yang khas adalah oven sarang lebah, kotak, atau baterai, dengan pabrik modern lebih memilih oven baterai untuk kapasitas dan efisiensi yang lebih tinggi. Sebuah baterai standar dapat berisi 20–100 oven yang diatur dalam seri, dengan setiap oven memiliki panjang sekitar 6–12 meter, lebar 4–6 meter, dan tinggi 4–6 meter.
Evolusi desain termasuk pergeseran dari oven sarang lebah tradisional ke oven kokas produk sampingan yang lebih ramah lingkungan dan efisien energi, seperti oven produk sampingan dengan pemanasan regeneratif. Sistem tambahan termasuk unit persiapan batu bara, mobil pengisian, sistem pendinginan, dan peralatan pembersihan gas.
Pelapisan tahan api adalah komponen kritis, dirancang untuk menahan suhu tinggi dan serangan kimia. Sistem tambahan seperti penyaring gas, pengumpul debu, dan unit pemulihan panas adalah bagian integral untuk kepatuhan lingkungan dan efisiensi energi.
Kimia Proses dan Metalurgi
Reaksi Kimia
Reaksi kimia utama selama produksi kokas melibatkan dekomposisi termal dari konstituen organik batu bara. Senyawa volatil seperti tar, hidrokarbon ringan, dan gas seperti metana, karbon monoksida, dan hidrogen dilepaskan.
Reaksi utama meliputi:
-
Pirolisis konstituen batu bara:
Batu bara (C, H, O, N, S) → Char (padatan kaya karbon) + gas volatil (CO, CO₂, CH₄, H₂, tar) -
Reaksi gasifikasi selama pemanasan:
C + O₂ → CO₂
C + CO₂ → 2CO
C + H₂O → CO + H₂
Termodinamika mendukung pembentukan CO dan H₂ pada suhu tinggi, yang penting untuk reduksi oksida besi di tungku tiup.
Produk reaksi yang signifikan termasuk karbon monoksida (CO), yang bertindak sebagai agen reduksi utama, dan karbon dioksida (CO₂), yang dihasilkan selama proses pembakaran dan gasifikasi.
Transformasi Metalurgi
Selama pembentukan kokas, materi organik batu bara mengalami devolatilization, menghasilkan struktur berpori yang kaya karbon dengan kekuatan mekanik tinggi. Secara mikrostruktur, kokas terdiri dari partikel karbon yang menyatu dengan jaringan pori yang memfasilitasi aliran gas.
Transformasi metalurgi melibatkan reduksi oksida besi (Fe₂O₃, Fe₃O₄, FeO) di tungku tiup oleh gas CO dan H₂ yang dihasilkan dari kokas. Reduksi ini berlangsung melalui beberapa tahap, menghasilkan besi tuang cair dan slag.
Mikrostruktur kokas mempengaruhi reaktivitas dan kekuatannya. Kokas dengan kekuatan tinggi dan porositas rendah tahan terhadap degradasi di dalam tungku, mempertahankan permeabilitas dan mengurangi masalah operasional seperti keausan tuyere atau saluran gas.
Interaksi Material
Interaksi antara kokas, slag, pelapisan tahan api, dan gas atmosfer sangat penting untuk stabilitas proses. Kokas bereaksi dengan gas dan slag, yang dapat menyebabkan degradasi struktur kokas atau bahan tahan api.
Interaksi yang tidak diinginkan termasuk degradasi kokas akibat oksidasi suhu tinggi, infiltrasi slag ke dalam pori kokas, dan erosi tahan api akibat serangan kimia. Ini dapat menyebabkan kegagalan operasional, pengurangan umur tungku, dan masalah kualitas produk.
Mengendalikan interaksi ini melibatkan pengoptimalan kualitas kokas (misalnya, reaktivitas rendah, kekuatan tinggi), mempertahankan atmosfer tungku yang tepat (kondisi reduksi), dan memilih bahan tahan api yang tahan terhadap serangan kimia.
Aliran Proses dan Integrasi
Bahan Masukan
Bahan masukan utama adalah batu bara metalurgi berkualitas tinggi, yang ditandai dengan abu rendah, sulfur rendah, dan kandungan materi volatil yang sesuai. Spesifikasi batu bara yang khas meliputi:
- Kandungan abu: < 10%
- Kandungan sulfur: < 1%
- Materi volatil: 20–30%
- Karbon tetap: > 70%
Batu bara dipersiapkan melalui penghancuran, penyaringan, dan pencampuran untuk memastikan keseragaman dan mengoptimalkan sifat pengkokasan.
Penanganan melibatkan penyimpanan di silo atau tumpukan, dengan sistem penekanan debu untuk meminimalkan emisi. Kualitas masukan secara langsung mempengaruhi kekuatan, porositas, dan reaktivitas kokas, yang mempengaruhi kinerja tungku tiup.