Ekonomi Pembakaran dari Pemurnian CO dari Gas Tanur Tiup dengan Adsorpsi Ayunan Tekanan

Abstrak: Karena nilai kalor dan efisiensi pembakarannya yang rendah, banyak gas tungku ledakan (BFG) terbuang di China. Dalam makalah ini, teknologi adsorpsi ayunan tekanan (PSA) diterapkan untuk memurnikan BFG, yang dapat meningkatkan nilai kalor dan efisiensi pembakaran secara signifikan. Analisis kelayakan teknis, efisiensi pembakaran, dan ekonomi rekayasa menunjukkan bahwa BFG yang dimurnikan dengan PSA adalah cara paling efektif untuk penghematan energi dan memiliki prospek aplikasi yang luas.

Kata kunci: Gas Tungku Ledakan, Adsorpsi Ayunan Tekanan, ekonomi pembakaran.

1. Pendahuluan

Gas Tungku Ledakan (BFG) adalah produk sampingan dari proses pembuatan besi di tanur tinggi, dan emisinya menempati proporsi tertinggi dalam gas produk sampingan industri baja. Ini terutama terdiri dari N₂, CO, CO₂, H₂, CH₄, dll., dengan komposisi spesifik seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1. Karena nilai kalor gas tungku ledakan umumnya hanya sekitar 3.000-3.800 kJ/Nm³, maka tidak dapat memenuhi persyaratan nilai kalor suhu pembakaran teoritis tungku industri. Sebagian besar pabrik baja memiliki kelebihan gas tungku ledakan; ada berbagai tingkat fenomena emisi, yang mengakibatkan polusi lingkungan dan pemborosan energi.

Dalam beberapa tahun terakhir, karena perhatian nasional terhadap teknologi penghematan energi perusahaan baja dan besi, emisi gas tungku ledakan dari perusahaan telah menurun. Cara penggunaan gas tungku ledakan terutama adalah pembakaran, kegunaan utamanya adalah: 1) penggunaan langsung di kompor udara panas; 2) penggunaan langsung di oven kokas termal kompleks; 3) penggunaan campuran dengan gas nilai kalor tinggi di tungku pemanas dan lubang perendaman; 4) penggunaan teknologi pembakaran regeneratif di tungku pabrik penggilingan; 5) pembangkit boiler dari BFG murni; 6) pembangkit listrik siklus gabungan (CCPP) dari turbin gas dan turbin uap dengan gas tungku ledakan sebagai bahan bakar utama.

Tabel 1 Komponen utama dari gas tungku ledakan umum

Jika komponen efektif CO dari gas tungku ledakan dapat dipekatkan dan digunakan, tidak hanya dapat mengurangi tingkat emisi secara signifikan, tetapi juga akan menghemat biaya bahan bakar, dan bahkan menyediakan bahan baku untuk produk kimia. Ketika CO dipekatkan menjadi 65%-70%, nilai bahan bakar dapat mencapai 8.200-9.000 kJ/Nm³, dan gas produk dapat langsung dibakar sebagai bahan bakar dengan nilai kalor tinggi^[1], atau digunakan sebagai gas reduksi untuk injeksi tanur tiup^[2]. Ketika CO terkonsentrasi hingga 98,5% atau lebih, gas produk CO dengan kemurnian tinggi selanjutnya dapat digunakan untuk produksi produk kimia bernilai tambah tinggi^[3].

2.Pemurnian gas tanur tiup Hengyang Steel dengan PSA

Hengyang Valin Steel Pipe Co., Ltd. (selanjutnya disebut "Hengyang Steel") adalah pabrikan pipa baja seamless khusus dengan kapasitas produksi tahunan sebesar 1 juta ton besi, 1,2 juta ton baja, dan 1,5 juta ton pipa. Produksi tahunan BFG sekitar 21×10⁸m³, terutama untuk tungku tiup panas (sekitar 35%), tungku sinter (sekitar 2%), dicampur dengan gas alam untuk tungku penggilingan (sekitar 38%), dan sebagian besar sisanya dipancarkan; tingkat emisi BFG tertinggi mencapai 29%, dan terendah hanya dapat dikurangi hingga sekitar 23%^[4]. Untuk memenuhi kebutuhan bahan bakar dengan nilai kalor tinggi, Hengyang Steel perlu membeli gas, dan mencampurnya dengan gas tanur tiup, untuk meningkatkan nilai kalor gas tanur tiup, untuk digunakan pada tungku pemanas penggilingan baja. Hal ini mengakibatkan kontradiksi serius antara permintaan besar Hengyang Steel akan gas dengan nilai kalor tinggi dan kegagalan dalam pemanfaatan efektif gas dengan nilai kalor rendah. Memurnikan BFG untuk mendapatkan gas dengan nilai kalor tinggi telah menjadi pilihan bijak untuk efisiensi energi Hengyang Steel.

Pada tahun 2012, Beijing Peking University Pioneer Technology Co., Ltd. ("PIONEER") dan Valin Hengyang Steel mencapai kesepakatan kerja sama mengenai desain dan pembangunan pabrik pemurnian CO gas tanur tiup, saat ini pabrik telah berhasil dioperasikan, dengan operasi yang stabil, indikator yang sangat baik, konsumsi rata-rata gas mentah mencapai 60.000 Nm³/jam, volume gas produk rata-rata 18.000 Nm³/jam, dan hasil CO sekitar 93%. Konsentrasi CO dalam gas produk dapat disesuaikan dalam kisaran 60% hingga 70% sesuai kebutuhan, gas produk sepenuhnya dapat memenuhi kebutuhan nilai kalor pengguna hilir Hengyang Steel, dan efek penghematan energi serta peningkatan pendapatan sangat signifikan. Komposisi gas rata-rata dan volume gas pabrik ditunjukkan pada Tabel 2.

Tabel 2 Komposisi gas rata-rata dan volume gas

3. Analisis manfaat ekonomi3.1 Perhitungan biaya

Biaya penggunaan perangkat PSA-CO untuk memurnikan gas tanur tiup adalah masalah yang paling penting bagi pengguna. Biaya gas produk PSA-CO mencakup biaya tetap dan biaya variabel. Dihitung berdasarkan harga gas umpan BFG sebesar RMB0,04 per meter kubik, volume gas produk 18.000 Nm³/jam, periode operasi yang direncanakan pabrik selama 10 tahun, dan tingkat utilisasi kapasitas tahunan sebesar 94%, hasil perhitungan biaya tetap gas produk PSA-CO tercantum dalam Tabel 3, biaya variabel ditunjukkan pada Tabel 4, total biaya keseluruhan gas produk sekitar RMB0,5225/Nm³. Jika biaya gas mentah BFG tidak dihitung, maka total biaya gas produk PSA-CO adalah RMB0,3921/Nm³.

Tabel 3 Perhitungan biaya tetap per meter kubik gas produk

Tabel 4 Konsumsi per meter kubik gas produk dan biaya operasi

3.2 Analisis ekonomi pembakaran

Karena gas tanur tiup dan gas produk setelah terkonsentrasi digunakan sebagai bahan bakar untuk pembakaran, analisis ekonomi pembakarannya sangat penting. Data pembakaran dari 60.000 Nm³/jam gas tanur tiup dengan konsentrasi CO 22,4% dan data pembakaran dari 18.000 Nm³/jam gas produk kaya CO pada konsentrasi 70% ada di Tabel 5. Dasar perhitungan pada Tabel 5 adalah tiga kondisi batasan berikut: 1) asumsikan kedua gas terbakar sempurna dalam kondisi adiabatik, dan menggunakan tungku pembakaran yang sama; 2) asumsikan bahwa kedua gas adalah gas kering, dan udara adalah udara kering; 3) kandungan setiap komponen gas tanur tiup dan gas produk kaya CO dihitung sesuai dengan data pada Tabel 2, jumlah oksigen mendekati nol.

Tabel 5 Perhitungan proses pembakaran gas tanur tiup dan gas produk PSA-CO

Catatan:H_i:nilai kalor rendah komponen yang mudah terbakar dalam gas, kJ/Nm³, CO: 12640 kJ/m³, H₂: 18790 kJ/m³, CH₄: 35880 kJ/m³;

r_i:Persentase volume komponen yang mudah terbakar dalam gas;

x_i:Persentase volume komponen yang mudah terbakar dalam gas buang;

V_i:Volume komponen yang dihasilkan akibat pembakaran sempurna gas kering per satuan waktu, Nm³/jam;

c_i,c_g,c_a:Kapasitas panas volumetrik rata-rata suatu komponen gas, gas, udara pada 0-t_f℃, 0-t_g℃, 0-t_a℃, kJ/(Nm³·K), data dapat diperoleh dari tabel;

T_f,T_g,T_a:Suhu mutlak K dari asap, gas, dan udara, masing-masing, 423K, 313K, 313K;

Q₄:Kalori kJ/jam yang dikonsumsi oleh CO₂dan H₂O dalam gas buang melalui dekomposisi pada suhu tinggi, data dapat diperoleh dari tabel

Hasil perhitungan proses pembakaran pada Tabel 5 menunjukkan bahwa nilai kalor gas tanur tiup adalah 3199 kJ/Nm³, suhu pembakaran teoritis hanya 1,315℃; nilai kalor gas produk kaya CO adalah 8,970 kJ/Nm³, dan suhu pembakaran teoritis mencapai 2,095℃, memenuhi persyaratan tungku industri Hengyang Steel untuk bahan bakar, dan dapat langsung digunakan untuk pembakaran.

Dapat ditemukan melalui kontras panas yang dihasilkan dari pembakaran 60,000 Nm³/h gas tanur tiup dan 18,000 Nm³/h gas produk kaya CO, karena rendemen CO setelah pemurnian sekitar 93%, dan sebagian CH₄dan H₂akan hilang, sehingga panas yang dihasilkan oleh pembakaran gas produk sekitar 84% dari gas tanur tiup; kontras panas dari pembakaran dua gas buang menunjukkan bahwa, ketika suhu gas buang adalah 150℃, tingkat kehilangan gas buang dari pembakaran produk kaya CO adalah 16.3%, secara signifikan lebih rendah dari tingkat kehilangan gas buang 27.5% dari gas tanur tiup (lihat Gambar 1), dan efisiensi pembakaran meningkat secara signifikan.

Berdasarkan analisis perhitungan di atas, gas produk kaya CO memiliki nilai kalor, suhu pembakaran teoritis, dan efisiensi pembakaran yang lebih tinggi daripada tungku batu bara, sehingga memiliki ekonomi pembakaran yang lebih baik.

Gambar 1 Kehilangan panas gas buang dari gas tanur tiup dan produk PSA-CO

3.3 Analisis manfaat

Setelah penyelesaian proyek pada akhir tahun 2013, Hengyang Steel mentransmisikan 18000 Nm³/h dari 70% produk CO yang dimurnikan dari sekitar 60000 Nm³/h gas tanur tiup langsung ke tungku untuk digunakan. Ekuivalen gas alam dari produk PSA-CO dapat diperkirakan berdasarkan kalori pembakaran. Berdasarkan total biaya gas produk PSA-CO dan harga gas regional Hengyang Steel, jumlah pendapatan tahunan dari pabrik pemurnian dapat

Tabel 6 Setara

Ini dapat diperoleh dari Tabel 6, produk PSA-CO dapat menggantikan sekitar 4.537 Nm³gas alam per jam, volume substitusi tahunan mencapai 3.974×10⁴Nm³, setara dengan sekitar sepertiga dari konsumsi gas alam asli Hengyang Steel, yang akan sangat meringankan dan menyeimbangkan permintaan gas alam yang ketat di Hengyang Steel. Berdasarkan kondisi operasi aktual, setelah dikurangi total biaya perangkat, proyek ini dapat langsung menciptakan pendapatan sekitar RMB29,46 juta bagi Hengyang Steel setiap tahun.

4. Prospek

Teknologi pemurnian (konsentrasi) BFG yang dikembangkan oleh PIONEER telah memecahkan masalah emisi gas tungku ledakan yang selalu mengganggu industri baja China, secara signifikan mengurangi pemborosan energi, dan menciptakan manfaat ekonomi yang signifikan bagi perusahaan. Produk CO yang diperkaya hingga sekitar 70% dapat digunakan sebagai gas pembakaran atau gas pereduksi dengan nilai kalor tinggi, untuk mengurangi penggunaan batu bara, gas alam, atau batu bara dan kokas; CO yang diperkaya hingga lebih dari 98,5% dapat lebih lanjut digunakan dalam produksi kimia, untuk sintesis etilen glikol, dimetil karbonat, asam asetat, metanol, TDI, DMF, dan sejenisnya. Teknologi ini sangat cocok untuk emisi gas tungku ledakan, dan perusahaan baja dengan pasokan gas alam, gas minyak cair, dan energi lainnya yang terbatas; terutama saat ini, dengan persaingan ketat di pasar baja dan masalah lingkungan yang semakin berkembang, teknologi ini memiliki manfaat sosial dan ekonomi yang penting.

Referensi

1 Geng Yunfeng, dkk. Metode Pembuatan Besi Tungku Ledakan: CN 101463398 A

2 Geng Yunfeng, dkk. Proses Pengayaan Gas Tungku Ledakan: CN102643681A

3 Tang Hongqing, Karbon- Pengantar Teknologi Kimia Baru, Beijing: Chemical Industry Press, 2009

4 Zhou Weihan, dkk, Analisis Status dan Tindakan Pemanfaatan Gas Tungku Ledakan di Hengyang Steel, Konferensi Akademik Energi Nasional dan Teknik Termal–2010