Hidrogen Fosil dalam Produksi Baja: Peran, Proses & Peralatan

Definisi dan Konsep Dasar

Hidrogen fosil mengacu pada hidrogen yang dihasilkan melalui reformasi bahan bakar fosil, terutama gas alam (metana), menggunakan proses termal seperti reformasi metana uap (SMR). Dalam konteks produksi baja, hidrogen fosil semakin dianggap sebagai alternatif rendah karbon untuk sumber karbon tradisional, terutama dalam proses seperti reduksi langsung besi (DRI) di mana hidrogen bertindak sebagai agen reduksi.

Secara fundamental, tujuan hidrogen fosil adalah untuk berfungsi sebagai reduktan bersih atau rendah emisi dalam pembuatan baja, menggantikan kokas atau batu bara yang secara tradisional digunakan dalam tanur tiup. Perannya sangat penting dalam transisi industri baja menuju dekarbonisasi dengan mengurangi emisi gas rumah kaca yang terkait dengan proses yang intensif karbon.

Dalam keseluruhan rantai pembuatan baja, hidrogen fosil diintegrasikan terutama ke dalam proses reduksi langsung, di mana ia bereaksi dengan bijih besi untuk menghasilkan besi yang direduksi langsung (DRI). DRI ini kemudian dapat dilebur dalam tanur busur listrik (EAF) atau diproses lebih lanjut, membentuk bagian dari jalur menuju produksi baja yang lebih ramah lingkungan.

Desain dan Operasi Teknis

Teknologi Inti

Produksi hidrogen fosil bergantung pada reformasi gas alam, terutama melalui reformasi metana uap (SMR). Proses ini melibatkan reaksi metana (CH₄) dengan uap suhu tinggi (H₂O) di atas katalis, biasanya berbasis nikel, untuk menghasilkan hidrogen (H₂) dan karbon monoksida (CO). Reaksi kimia utama adalah:

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂

Selanjutnya, reaksi pergeseran gas-air mengubah CO menjadi H₂ tambahan:

CO + H₂O → CO₂ + H₂

Prinsip rekayasa inti adalah konversi termokimia, memanfaatkan suhu tinggi (700–1000°C) dan katalis untuk memaksimalkan hasil hidrogen.

Komponen teknologi kunci mencakup reaktor reformer, penukar panas, konverter pergeseran, dan unit pemurnian gas. Reaktor reformer adalah komponen pusat, di mana metana dan uap diperkenalkan dan bereaksi. Alur proses melibatkan pemanasan awal gas alam dan uap, melewati reformer, kemudian menggeser campuran gas untuk meningkatkan kandungan hidrogen, dan akhirnya memurnikan hidrogen melalui adsorpsi ayunan tekanan (PSA) atau pemisahan membran.

Mekanisme operasi utama melibatkan pemeliharaan suhu, tekanan, dan aktivitas katalis yang optimal untuk memastikan efisiensi produksi hidrogen yang tinggi. Aliran material mencakup gas alam dan uap yang masuk ke reformer, dengan gas kaya hidrogen keluar untuk digunakan dalam pembuatan baja, dan CO₂ serta produk sampingan lainnya dibuang atau ditangkap.

Parameter Proses

Variabel proses kritis mencakup suhu reformer (biasanya 800–950°C), tekanan (20–30 bar), dan aktivitas katalis. Laju produksi hidrogen tergantung pada laju aliran bahan baku, dengan konsumsi gas alam yang khas sekitar 3–4 m³ per kg H₂ yang diproduksi.

Suhu operasi mempengaruhi kinetika reaksi dan umur panjang katalis, sementara tekanan berdampak pada efisiensi konversi. Target kemurnian hidrogen umumnya di atas 99,9%, dicapai melalui unit PSA.

Sistem kontrol memanfaatkan sensor waktu nyata untuk suhu, tekanan, dan komposisi gas, yang terintegrasi ke dalam sistem otomatisasi untuk stabilitas proses. Pemantauan kinerja katalis dan emisi sangat penting untuk mempertahankan efisiensi dan kepatuhan.

Konfigurasi Peralatan

Pabrik hidrogen fosil yang khas memiliki reaktor reformer yang diatur dalam konfigurasi seri atau paralel, dengan penukar panas, konverter pergeseran, dan unit pemurnian yang terkait. Reformer sering kali berupa reaktor tubular atau tipe pelat, dengan dimensi yang bervariasi dari beberapa meter dalam panjang dan diameter tergantung pada kapasitas.

Evolusi desain telah bergerak menuju reformer kompak dan modular dengan integrasi panas yang ditingkatkan dan daya tahan katalis. Sistem tambahan mencakup pemanas gas umpan, unit pengolahan air, dan perangkat kontrol emisi seperti sistem penangkapan CO₂.

Konfigurasi reformer bervariasi dari reformer uap tradisional hingga reformer autothermal (ATR) yang menggabungkan oksidasi parsial dengan reformasi, menawarkan fleksibilitas operasional dan peningkatan efisiensi.

Kimia dan Metalurgi Proses

Reaksi Kimia

Reaksi kimia utama dalam produksi hidrogen fosil adalah:

• Reformasi metana uap: CH₄ + H₂O → CO + 3H₂ (endotermik)
• Pergeseran gas-air: CO + H₂O → CO₂ + H₂ (eksotermik)

Proses keseluruhan mengubah metana dan air menjadi hidrogen dan karbon dioksida. Termodinamika mendukung suhu tinggi untuk konversi maksimum, tetapi aktivitas katalis dan manajemen panas sangat penting untuk efisiensi.

Produk sampingan termasuk CO₂, yang harus dikelola untuk meminimalkan dampak lingkungan. Kotoran jejak seperti senyawa sulfur dihilangkan selama pemurnian untuk mencegah keracunan katalis.

Transformasi Metalurgi

Sementara hidrogen fosil itu sendiri tidak secara langsung mengubah mikrostruktur baja, penggunaannya dalam reduksi langsung menginduksi transformasi metalurgi. Reduksi oksida besi (Fe₂O₃, Fe₃O₄, FeO) menjadi besi logam terjadi melalui hidrogen:

Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O

Proses ini menghasilkan besi yang direduksi langsung (DRI) dengan mikrostruktur yang ditandai oleh partikel besi yang berpori dan seperti spons. Mikrostruktur mempengaruhi perilaku peleburan selanjutnya dan sifat mekanik.

Reduksi hidrogen terjadi pada suhu sekitar 800–1050°C, mempromosikan transformasi fase dari oksida ke fase logam, dengan kontaminasi karbon minimal, menghasilkan produk baja yang lebih bersih.

Interaksi Material

Selama reduksi berbasis hidrogen, interaksi antara bijih logam, terak, dan pelapis refraktori minimal tetapi signifikan. Lingkungan proses bersifat reduktif, mencegah oksidasi bahan refraktori tetapi memerlukan pelapis yang tahan korosi.

Hidrogen dapat difusi ke dalam bahan refraktori, yang berpotensi menyebabkan degradasi seiring waktu. Pemilihan yang tepat dari komposisi refraktori dan pelapis pelindung mengurangi hal ini.

Mekanisme transfer material mencakup penghilangan oksigen dari oksida besi dan evolusi uap air. Kontaminasi dari kotoran seperti sulfur atau fosfor dalam bahan baku dapat mempengaruhi efisiensi reduksi dan kualitas baja.

Pengendalian interaksi yang tidak diinginkan melibatkan pemeliharaan suhu dan kondisi atmosfer yang optimal, serta standar kemurnian bahan baku.

Alur Proses dan Integrasi

Bahan Masukan

Bahan masukan utama adalah gas alam (metana), bijih besi (lebih disukai hematit atau magnetit), dan air proses. Gas alam harus memenuhi spesifikasi untuk rendah sulfur dan kotoran hidrokarbon untuk mencegah keracunan katalis.

Bijih besi disiapkan melalui penghancuran, pengolahan, dan peletisasi untuk memastikan ukuran dan komposisi kimia yang seragam. Air diproses untuk menghilangkan kotoran dan mencegah pengendapan atau korosi.

Kualitas masukan secara langsung mempengaruhi efisiensi proses, hasil hidrogen, dan kualitas DRI. Gas alam berkualitas tinggi meningkatkan produksi hidrogen, sementara bijih berkualitas tinggi memastikan kinerja reduksi yang konsisten.

Urutan Proses

Urutan operasional dimulai dengan gas alam dan air yang masuk ke reformer, di mana hidrogen diproduksi melalui reaksi reformasi dan pergeseran. Gas kaya hidrogen kemudian dimurnikan, dikompresi, dan disuplai ke reaktor reduksi langsung.

Dalam tahap reduksi, pelet atau bongkah bijih besi terpapar hidrogen pada suhu tinggi, mengubah oksida menjadi besi logam. DRI yang dihasilkan didinginkan dan disimpan untuk pemrosesan