Coke Ovens: Peralatan Penting dalam Pembuatan Baja & Produksi Karbon

Definisi dan Konsep Dasar

Perapian kokas adalah tungku industri khusus yang dirancang untuk karbonisasi batubara metalurgi untuk menghasilkan kokas, sumber reduksi dan energi yang vital dalam pembuatan baja. Tungku ini memfasilitasi dekomposisi termal batubara dalam kondisi terkontrol, mengubahnya menjadi kokas dengan menghilangkan komponen yang mudah menguap.

Dalam rantai pembuatan baja, perapian kokas berfungsi sebagai langkah utama dalam proses produksi kokas, yang memasok kokas ke tungku tiup atau fasilitas reduksi lainnya. Mereka integral untuk keseluruhan proses pembuatan besi, menyediakan bahan bakar dan reduktor kimia yang diperlukan untuk reduksi bijih besi. Operasi perapian kokas secara langsung mempengaruhi kualitas kokas, berdampak pada proses hilir seperti efisiensi tungku tiup dan kualitas baja.

Perapian kokas biasanya terletak di dalam pabrik baja terintegrasi atau fasilitas pabrik kokas yang didedikasikan. Output mereka—kokas—masuk ke operasi tungku tiup, di mana ia berfungsi sebagai bahan bakar dan sumber karbon untuk reduksi besi. Alur proses melibatkan persiapan batubara, karbonisasi di dalam tungku, pendinginan kokas, dan penanganan selanjutnya sebelum digunakan dalam pembuatan baja.

Desain dan Operasi Teknis

Teknologi Inti

Perapian kokas beroperasi berdasarkan prinsip distilasi destruktif, di mana batubara dipanaskan tanpa udara untuk menguraikan senyawa yang mudah menguap. Rekayasa dasar melibatkan ruang tertutup yang dilapisi refraktori dengan sistem pemanas yang mempertahankan suhu tinggi, biasanya antara 1000°C dan 1100°C.

Komponen teknologi kunci termasuk ruang tungku (juga disebut baterai tungku kokas), saluran pemanas, sistem pemanas regeneratif, dan sistem pengumpulan gas. Ruang tungku adalah struktur panjang, berbentuk persegi panjang atau kotak yang terbuat dari refraktori tahan suhu tinggi, dirancang untuk menahan stres termal dan serangan kimia.

Pemanasan dicapai melalui pembakaran gas tungku kokas atau bahan bakar lainnya di saluran yang mengelilingi atau melewati bawah ruang tungku. Transfer panas menyebabkan batubara mengalami pirolisis, melepaskan gas-gas yang mudah menguap dan meninggalkan kokas padat. Sistem pengumpulan gas menangkap produk sampingan yang mudah menguap ini untuk pemulihan energi atau pemrosesan kimia.

Mekanisme operasi utama melibatkan pengisian batubara ke dalam tungku, pemanasan untuk menginduksi karbonisasi, dan kemudian mendorong atau mendinginkan kokas setelah proses selesai. Aliran material mencakup input batubara, gas panas, produk sampingan yang mudah menguap, dan produk kokas akhir.

Parameter Proses

Variabel proses kritis termasuk suhu tungku, laju pemanasan, waktu karbonisasi, dan tekanan. Suhu tungku yang khas berkisar antara 1000°C hingga 1100°C, dengan laju pemanasan sekitar 20–30°C per jam untuk memastikan karbonisasi yang merata.

Durasi siklus karbonisasi biasanya berkisar antara 12–36 jam, tergantung pada desain tungku dan jenis batubara. Mempertahankan profil suhu yang konsisten memastikan kualitas kokas yang merata, sementara deviasi dapat menyebabkan cacat seperti kokas yang lemah atau tidak teratur.

Sistem kontrol menggunakan termokopel, analizer gas, dan sensor tekanan untuk memantau parameter proses secara real-time. Sistem kontrol otomatis menyesuaikan laju pemanasan, aliran gas, dan jadwal dorong untuk mengoptimalkan kualitas kokas dan keselamatan operasional.

Konfigurasi Peralatan

Baterai tungku kokas yang khas terdiri dari beberapa tungku yang diatur dalam seri, membentuk tata letak linier atau persegi panjang. Setiap tungku memiliki panjang sekitar 6–12 meter, lebar 1,5–2 meter, dan tinggi 2–4 meter, tergantung pada kapasitas.

Perapian kokas modern memiliki desain tipe kotak atau sarang lebah, dengan kemajuan yang lebih memilih konfigurasi pengisian atas, dorong atas, dan pemanasan regeneratif. Seiring waktu, desain tungku telah berkembang untuk meningkatkan efisiensi energi, mengurangi emisi, dan meningkatkan keselamatan.

Sistem tambahan termasuk pabrik persiapan batubara (penghancur, layar, stasiun pencampuran), unit pembersihan gas, sistem pemulihan panas, dan fasilitas pendinginan. Sistem ini mendukung operasi berkelanjutan, kepatuhan lingkungan, dan kontrol kualitas kokas.

Kimia Proses dan Metalurgi

Reaksi Kimia

Proses kimia utama di perapian kokas adalah dekomposisi termal dari konstituen organik batubara, terutama karbon, hidrogen, sulfur, nitrogen, dan unsur jejak. Selama karbonisasi, senyawa yang mudah menguap seperti metana, tar, benzena, dan hidrokarbon lainnya dilepaskan.

Reaksi utama melibatkan pemecahan molekul organik kompleks menjadi gas dan cairan yang lebih sederhana, meninggalkan kokas padat yang kaya karbon. Misalnya, pirolisis batubara dapat diringkas sebagai:

$$\text{Batubara} \xrightarrow{\text{panas}} \text{Kokas} + \text{Gas yang mudah menguap} + \text{Tar} $$

Secara termodinamika, reaksi ini bersifat endotermik, memerlukan suhu tinggi yang berkelanjutan. Kinetika tergantung pada peringkat batubara, ukuran partikel, dan laju pemanasan, mempengaruhi pelepasan yang mudah menguap dan struktur kokas.

Produk sampingan seperti gas tungku kokas (COG), tar, dan minyak ringan dihasilkan. COG, yang kaya akan hidrogen, metana, dan karbon monoksida, sering dipulihkan untuk penggunaan energi atau sintesis kimia.

Transformasi Metalurgi

Selama karbonisasi, mikrostruktur batubara berubah dari matriks organik yang kompleks dan heterogen menjadi padatan yang berpori dan kaya karbon. Perkembangan mikrostruktural termasuk pembentukan jaringan pori yang saling terhubung dan pengembangan struktur grafitik.

Transformasi fase melibatkan hilangnya materi yang mudah menguap dan konsentrasi karbon tetap. Kokas yang dihasilkan menunjukkan kekuatan tinggi, porositas, dan stabilitas termal, yang penting untuk mendukung beban di tungku tiup.

Perubahan metalurgi ini secara langsung mempengaruhi sifat mekanik, reaktivitas, dan perilaku termal kokas. Pengendalian yang tepat dari proses karbonisasi memastikan produksi kokas dengan kekuatan dan reaktivitas optimal untuk pembuatan besi yang efisien.

Interaksi Material

Interaksi antara kokas, terak, pelapisan refraktori, dan gas atmosfer sangat penting untuk stabilitas proses. Keausan refraktori terjadi akibat korosi suhu tinggi, siklus termal, dan serangan kimia oleh gas seperti senyawa sulfur.

Kokas dan terak dapat berinteraksi melalui difusi dan reaksi kimia, yang berpotensi menyebabkan kontaminasi atau degradasi material refraktori. Dinamika aliran gas mempengaruhi transfer senyawa yang mudah menguap dan distribusi panas.

Pengendalian interaksi yang tidak diinginkan melibatkan pemilihan material refraktori yang tepat, mempertahankan profil suhu yang optimal, dan mengelola komposisi gas. Sistem pembersihan gas dan kontrol emisi mengurangi dampak lingkungan dari emisi yang mudah menguap.

Alur Proses dan Integrasi

Material Input

Input utama adalah batubara metalurgi, yang harus memenuhi standar kualitas tertentu terkait dengan kandungan materi yang mudah menguap, abu, sulfur, dan kelembapan. Spesifikasi batubara yang khas mencakup materi yang mudah menguap sebesar 25–35%, kandungan abu di bawah 10%, dan tingkat sulfur di bawah 1%.

Batubara dipersiapkan melalui penghancuran, penyaringan, dan pencampuran untuk memastikan keseragaman dan karakteristik karbonisasi yang optimal. Penanganan yang tepat meminimalkan debu dan memastikan keselamatan.

Kualitas input secara langsung mempengaruhi sifat kokas seperti kekuatan, reaktivitas, dan porositas. Batubara berkualitas tinggi menghasilkan kokas dengan kinerja yang konsisten, mengurangi masalah operasional di hilir.

Urutan Proses

Urutan operasional dimulai dengan