Pemodelan Rotary Kiln pada Produksi Besi Spons Yazid Bindar Program Studi Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Bandung Jalan Ganesha no. 10 Bandung 40132 Telp : +62 22 250 0989, Fax : +62 22 250 1438 Email :
[email protected]
Anton Irawan Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sultan Ageng Tirtayasa, Cilegon.
Teguh Kurniawan Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sultan Ageng Tirtayasa, Cilegon.
Abstrak Makalah ini memaparkan model matematis suatu reaktor rotary kiln dalam memproduksi besi spons (DRI, Direct Reduced Iron) berdasarkan konsep teknik reaksi kimia serta neraca massa dan energi. Pemodelan dilakukan dengan membagi rotary kiln menjadi empat zona berdasarkan peristiwa kimia-fisik dominan yang terjadi sepanjang reaktor, yaitu : pengeringan, preheating, devolatilisasi, dan oksidasireduksi. Pada masing-masing zona terjadi interaksi antara gas dan padatan yang diterangkan dengan 1) model perpindahan panas secara konduksi, konveksi, radiasi, 2) reaksi-reaksi kimia termasuk juga penguapan air 3) laju masuk dan keluar tiap-tiap senyawa yang terlibat. Hasil pemodelan berupa profil temperatur dan komposisi aksial rotary kiln untuk aliran gas dan padatan. Kata kunci: besi spons, model, rotary kiln.
Abstrak The paper presents a mathematical model of rotary kiln for sponge iron production (DRI, Direct Reduced Iron) based on reaction engineering, heat and mass balances. Appropriate models for simulating solidgas contact were developed by made zones with dominant physical-chemistry consideration along the reactor. There were four zones i.e. drying, preheating, devolatilization, and reduction-oxidation. In each zone, it is considered: (1) heat transfer by conduction, convection and radiation (2) chemical reactions, including vaporization of the water content (3) entrance and exit of flows of each chemical specimen. The results are complete maps of axial temperature and composition of both gas and bed section.
Keyword : DRI, model, rotary kiln. 1. Pendahuluan Rotary kiln atau tanur putar merupakan suatu reaktor berbentuk silinder panjang, berputar, dipasang dengan sudut kemiringan tertentu (gambar 1). Umpan berupa padatan dimasukkan dari ujung atas dan keluar dari bawah setelah mengalami proses pada temperatur tinggi dengan bantuan gas panas hasil reaksi pembakaran. Tanur putar banyak digunakan pada industri semen, metalurgi, kimia, serta pengolahan limbah padat. Pemodelan tanur putar pada industri metalurgi, khususnya reduksi bijih besi belum banyak dilakukan, padahal metode simulasi
merupakan cara yang cukup ampuh untuk keperluan desain dan operasi tanur putar.
Gas buang
valid
udara Coal + lump ore
Char DRI
Gambar 1. Skema tanur putar
Reaksi utama reduksi bijih besi adalah sebagai berikut: 1.
Reduksi hematite (Fe2O3) menjadi magnetit (Fe3O4) 3Fe2O3(s) + CO(g) 2Fe3O4(s) + CO2(g)
2.
Reduksi magnetit (Fe3O4) menjadi wustit (FeO) Fe3O4(s) + CO(g) 3FeO(s) + CO2(g)
3.
Reduksi wustite (FeO) menjadi DRI FeO(s) + CO(g) Fe (s) + CO2(g)
Gambar 2. Tanur putar di industri proses Untuk melakukan pemodelan diperlukan analisis yang detail terhadap fenomena perpidahan massa dan panas yang terjadi di dalam tanur putar. Serangkaian metodologi telah dikembangkan untuk melakukan pemodelan dengan pembagian zona dan segmentasi setiap zona. Pada akhirnya dalam setiap segmen akan dihasilkan sistem persamaan differensial bernilai awal. Direct reduced iron (DRI) adalah hasil reduksi bijih besi untuk bahan baku pembuatan baja. Reaksi reduksi ini dilakukan oleh gas karbon monoksida dan atau hydrogen. Saat gas pereduksi bereaksi untuk menghilangkan oksigen dalam bijih besi akan terbentuk pori dan dihasilkan pula gas karbondioksida. Gas pereduksi dan karbondioksida akan hilir mudik berdifusi melewati celah pori sehingga membuat struktur mikro bijih besi tereduksi seperti spons. Oleh karena itulah seringkali DRI disebut pula sebagai besi spons. Produksi DRI dengan menggunakan gas pereduksi karbon monoksida hasil reaksi pembakaran batubara yang diumpankan secara bersamaan ke dalam tanur putar memiliki beberapa kelebihan, yaitu 1. Perpindahan panas yang efisien 2. Rentang ukuran, kualitas bahan baku bijh besi dapat lebih bervariasi 3. Lebih ekonomis 2. Teori Dasar Laju padatan arah aksial dalam tanur putar telah banyak di modelkan baik secara numeric maupun analitik. Berikut ini persamaan untuk laju alir padatan aksial dalam tanur putar (Kramers dan Croockweit 1952) (1)(1)
(1)
Gambar 3. Penampang melintang besi spons Reaksi yang berkaitan deangan batubara yaitu devolatilisasi dan pembakaran dapat dimodelkan sebagai berikut. 1. 2. 3. 4.
Batubara(s)+heat VM(H2,CH4,CO)(g) C(s) + O2 (g) CO(g) C(s) + O2(g) CO2(g) C (s)+ CO2(g) CO(g)
Kinetika reaksi untuk berbagai reaksi dalam tanur putar tersebut telah dimodelkan dengan cukup baik oleh para peneliti sebelumnya. Untuk kinetika reaksi pengeringan (Pattison, et.al., 2000) dimodelkan sebagai berikut,
E kdr ko ,dr exp dr RT
(3)
keterangan:
ko ,dr = 3.11 s-1
Edr =27700 J/mol Kinetika devolatilisasi batubara (Pattison, et.al.,
(2)
2000) dimodelkan sebagai berikut.
v j kdc dc w j Reaksi-reaksi kimia yang terjadi di dalam tanur putar besi spons cukup kompleks karena selain reaksi reduksi bijih besi juga terjadi reaksi devolatilisasi dan pembakaran batu bara.
(4)
j= H2, CO, CH4
Edev, j kdev, j ko,dev, j exp RT
(5)
yang terbuat dari material logam, kemudian isolator dan akhirnya dinding luar tanur yang berinteraksi dengan lingkungan. Selain itu konduksi juga terjadi antar bijih besi, antar batubara dan bijih besi-batubara dalam tanur putar. Panas yang dibawa oleh gas panas akan berpindah ke padatan yang lebih dingin melalui mekanisme konveksi dan radiasi.
Tabel 1. Parameter kinetika devolatilisasi Ko,dev s-1
Senyawa
Edev, J/mol
H2
316,4
108500
CO
32,6
78700
CH4
27,9
72400
Kinetika oksidasi batubara (Babu, B.V., et.al) dimodelkan sebagai berikut.
dnC kC nC dt
(6)
E kC Ac exp C RT
(7)
Qos Qgi
Qio
Keterangan:
Qgb
Qib
AC= 36,16 1/s EC= 77390 J/mol
Kinetika reduksi bijih besi oleh karbon monoksida hasil pembakaran batubara (A.K Ray and K.K Prasad, 1992) dimodelkan sebagai berikut. Fe2O3(s) + CO(g) 2FeO(s) + CO2(g)
Gambar 4. Penampang melintang tanur putar dengan kecepatan putar ω.
d E 1, 41Ap exp( )(1 ) 2 / 3 (1 eq ) dt RgTs PCO2 eq ' PCO 2
EB E 2/3 eq Ts(1 ) (1 PCO2 ) 1 C1 exp RgTs (8)
1
Secara garis besar pemodelan perpindaha panas dalam tanur putar dapat diturunkan sebagai berikut.
Qgb hgb Agb (Tg Ts ) GSb (Tg4 Ts4 ) (9) Qgi hgi Agi (Tg Ti ) GSi (Tg4 Ti 4 ) (10)
Qib k b 2dz
Keterangan: eq ' eq ' PCO 1 PCO 2
eq ' CO
P
1/ 2 4 0,5K 1 ' 1 K P ' P
D K P' exp C Ts
(T T ) Qio k w 2dz i o r log o ri dTs Qgb Qgi Qio H r ,i dz C p,i
Pemodelan peristiwa perpindahan panas terdiri atas tiga mekanisme perpindahan, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi (gambar 4) Perpindahan panas secara konduksi terjadi dominan pada dinding bagian dalam tanur
(11) (12)
(13)
i
C=21,37
D 20729K 1
(Ti Ts ) SS a (Ti 4 Ts4 ) r log o ri
dTg dz
Q
gb
Qib Qio H r , j
C j
p, j
(14)
mulai
3. Metodologi Nilai awal, data fisik kimia, literatur dan asumsi.
I
II
gas
III
Zona I Pengeringan Zona II Pemanasan awal
Pembagian zona
IV
Segmentasi zona menjadi n-bagian
Zona III Devolatilisasi Zona IV Oksidasi-reduksi
Neraca massa & energi per segmen
Gambar 5. Pembagian zona-zona berdasarkan fenomena fisik dan kimia pada rotary kiln.
Pada tahap awal dilakukan pengumpulan data fisik, kimia, lapangan, literatur dan asumsiasumsi. Pembagian zona-zona dilakukan untuk menyederhanakan pemodelan berdasarkan pada kejadiaan fisik ataupun kimia yang paling dominan terjadi sepanjang tanur putar besi spons. Ada empat zona yang dapat dibuat seperti disajikan pada gambar 5. Pada zona 1, batubara dan biji besi akan mengalami proses pengeringan sehingga air menguap seluruhnya. Pada zona 2, batubara dan bijih besi mengalami kenaikan temperatur sampai pada temperatur proses devolatilisasi pada batubara dapat terjadi. Pada zona 3, batubara akan mengalami proses devolatilisasi menghasilkan gas-gas hidrogen, karbon monoksida, dan metan. Pada saat itu bijih besi belum mengalami reduksi yang signifikan. Pada zona 4, karbon dalam batubara terbakar menghasilkan karbon monoksida dan karbon dioksia. Secara simultan karbon monoksida akan mereduksi bijih besi menjadi DRI. Dalam setiap zona dilakukan segmentasi menjadi n-bagian. Penyusunan persamaan model dilakukan per segmen yang melibatkan model kinetika reaksi, perpindahan panas dan massa. Hasil simulasi pada segmen ke-i akan menjadi nilai awal bagi persamaan ke-i+1, begitu selanjutnya hingga seluruh segmen dapat diselesaikan. Validasi dilakukan dengan membandingkan hasil simulasi dengan data lapangan yang tersedia. Jika hasil simulasi dengan data lapangan berbeda jauh, maka dilakukan penyesuaian terhadap parameter dan asumsi yang telah dibuat.
Penyelesaian sistem persamaan
Tidak valid
Validasi hasil pemodelan dgn data lapangan valid selesai
Gambar 6. Algoritma pemodelan tanur putar besi spons
sistem persamaan differensial diselesaikan dengan menggunakan bantuan rutin ode23 MATLAB. 4. Hasil dan Pembahasan Hasil yang diperoleh dari pemodelan adalah: 1. Profil temperatur aksial untuk aliran gas dan padatan (gambar 7) 2. Derajat metalisasi DRI sepanjang reaktor tanur putar. (gambar 8) 3. Profil laju alir massa setiap senyawa dalam aliran gas pada masing-masing zona (gambar 9,10,11) 4. Profil laju alir massa setiap senyawa dalam aliran padatan.
Data lapangan yang dapat dikumpulkan dari industri tidak begitu lengkap. Hanya profil temperatur rata-rata gas-padatan yang dapat dibandingkan dengan data lapangan. Terlihat pada kurva bahwa temperatur aktual rata-rata gas-padatan berada di antara temperatur gas dan temperatur padatan hasil simulasi. Sepanjang sepuluh meter pertama nampak bahwa kesesuaian antara model dengan data lapangan tidak terlalu
baik dibandingkan untuk terakhir.
dua puluh meter 0.7 H2Oliq H2Ovap
1400
Temperatur, oC
laju alir massa, Ton/day
*
1000
*
800
*
*
p a d a t a n
p a d a t a n
p p a p a 400 d a d a d a 200 t a t a 0 t5 a10 0 25 n15 m 20 a n Panjang, n temperatur gas dan solid *data lapangan untuk Gambar 7. Profil temperatur aksial gas dan padatan dalam tanur putar
*
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
30
0
1
2
3 panjang RK, m
4
5
6
Gambar 9. Profil laju alir massa air pada zona pengeringan 14
Dari gambar 7 diatas dapat dilihat kenaikan temperatur cukup tajam terjadi pada x=18 meter, menandakan reaksi pembakaran batubara terjadi intensif. Berkaitan dengan itu gas-gas hasil pembakaran semakin banyak terbentuk seperti terlihat pada gambar 11. 0.9
H2 CH4 CO
12
laju alir massa, Ton/day
1200
600
0.6
Tgas Tbed
10
8
6
4
0.8 2
0.7 0
Metalisasi
0.6 0.5
6
8
10
12 panjang RK, m
14
16
18
Gambar 10. Profil laju alir gas-gas volatil pada zona devolatilisasi
0.4 0.3 0.2
7
0.1
20
22
24 Panjang RK, m
26
28
30
Gambar 8. Derajat metalisasi DRI Derajat metalisasi menunjukkan jumlah besi yang terbentuk dibandingkan dengan total besi oksida yang tersisa. Pada gambar 8 derajat metalisasi pada akhir keluaran reaktor mencapai 90 %.
laju alir mol, Tonmol/day
0 18
C CO CO2 O2
6
5
4
3
2
1
0 18
20
22
24 Panjang RK, m
26
28
30
Gambar 11. Profil laju alir gas-gas pada zona oksidasi reduksi 5. Kesimpulan Simulasi peristiwa perpindahan panas dan massa pada tanur putar produksi besi spons telah berhasil dilakukan. Perpaduan antara pemodelan yang tepat dengan pemrograman yang tangguh telah memberikan gambaran profil temperatur dan komposisi sepanjang tanur putar dengan
cukup baik. Meskipun demikian masih diperlukan penyempurnaan terhadap pendekatanpendekatan yang telah dilakukan agar lebih mendekati data-data di lapangan. Secara keseluruhan kesesuaian antara model dengan data lapangan masih harus diperbaiki baik dari sisi pemodelan maupun dari pengukuran datadata lapangan yang akurat. Dengan pengembangan pemodelan tanur putar besi spons lebih lanjut diharapkan dapat menjadi acuan dalam perancangan dan operasional tanur putar besi spons. Ucapan Terima Kasih Penulis mengucapkan terima PT Krakatau Steel atas kerjasama.
kasih
Daftar Simbol u(z) = laju solid arah aksial (m/s).
m Laju alir massa solid (kg/s). H ( z ) tinggi bed (m). dwi = Inside diameter (m)
a
massa jenis, kg/m3
derajat reduksi (metalisasi) Ts = Temperatur solid Qgb= konveksi dan radiasi dari gas ke padatan Qgi = Konveksi dan radiasi dari gas ke dinding dalam tanur putar. Qib = Konveksi dan radiasi dari dinding dalam rotary kiln ke padatan Qio = Konduksi dari dinding dalam ke rotary kiln ke padatan
Daftar Pustaka 1.
2.
3.
A A. Boateng, (2008), ” Rotary Kiln: Transport Phenomena and Transport Processes”, Butterworth-Heinemann, USA. A.K Ray and K.K Prasad, (1992) ,”A model for the isothermal reduction of iron ore with coal char”, Solid State Ionics Journal, 50, 217-226 Babu, B.V., et.al. Modeling and Simulation of Reduction Zone of Downdraft Biomass Gasifier: Effect of Air to Fuel Ratio. Department of Chemical Engineering Birla Institute of Technology & Science Pilani 333031 (Rajasthan) India.
4. 5.
6.
H. Kramers, P. Croockweit (1952): Chem. Eng. Sci., , vol 1, pp. 259-65 Pattison, et.al. (2000), “Coal Pyrolysis in a Rotary Kiln: Part I. Model of the Pyrolysis of a Single Grain”. Metallurgical And Materials Transactions B, Volume 31b, 381-390. Pattison,at.al. (2000), “Coal Pyrolysis in a Rotary Kiln: Part II. Overall Model of the Furnace”, Metallurgical And Materials Transactions B, Volume 31b,
