WAELZ ROTARY KILN: Teknologi, Proses dan Penjelasannya

(1)

1 *e-Mail: abd.ghofur2044@gmail.com | Pusat Studi Metalurgi Indonesia (PSMI)

WAELZ ROTARY KILN:

Teknologi, Proses dan Penjelasannya

Oleh: Abdul Ghofur*, 2015

Waelz Rotary Kiln merupakan proses yang paling umum digunakan untuk memproses zinc dari secondary material atau limbah industri yang mengandung logam zinc. Presentase penggunaan dan aplikasi teknologi ini mewakili lebih dari 80% industri secara global. Secara proses hampir mirip dalam proses produksi semen, yakni menggunakan rotary kiln.

Feed material atau material umpannya berupa limbah debu pabrik baja (EAF dust) yang mengandung seng oksida dan kemudian dicampur dengan karbon dan fluks untuk selanjutnya dibakar didalam rotary kiln. Material tersebut secara perlahan berpindah mengikuti rotasi dari kiln yang memiliki kemiringan dan arah berlawanan dengan udara panas yang dihembuskan (countercurrent flow). Adapun karbon yang digunakan dalam proses ini sebaiknya jenis batubara antrasit karena memiliki volatilitas rendah atau juga dapat menggunakan fine cokes.

Temperatur reaksi dari pemanasan bahan baku tersebut di kisaran 1150°C dalam bagian pertama dari kiln. Pada zona reaksi, karbon akan dioksidasi menjadi gas CO yang selanjutnya mereduksi seng oksida (ZnO) menjadi zinc metal dalam bentuk gas sesuai dengan prinsip reduksi karbotermik.

C + O2  CO2

C + CO2  2CO

ZnO + CO  Zn(g) + CO2

Besi oksida juga direduksi menjadi besi metal, dimana turut membantu proses reduksi seng oksida dan bentuk oksida lainnya. Zinc vapour kemudian mengisi bagian kosong pada tumbling bed dan segera dioksidasi menjadi zinc oxide fume oleh oksigen berlebih yang terdapat dalam aliran gas diatas bed. Tentu, volatile metals seperti timbal (Pb) juga turut teroksidasi bersama zinc.

Berikut ini merupakan zona-zona pada waelz rotary kiln:

Gambar 1.

Zona-zona pada Waelz Rotary Kiln

Section 1: Drying Zone

Section 2: Preheating and Coke

Combustion Zone

Section 3:

Pre-reaction Zone Section 4: Main Reaction Zone

Section 5: Slag Forming

(2)

Reaksi kimia yang terjadi selama proses dalam Waelz Kiln untuk proses seng oksida dapat diilustrasikan sebagai berikut:

Gambar 2.

Reaksi pada Waelz Kiln Process

(Sumber: Koukkari, 2012)

Kiln sendiri dioperasikan dalam kondisi proses reduksi yang tinggi didalam tumbling bed, dan kemudian teroksidasi didalam rongga gas yang ada. Range operasi dapat menjadi sangat kompleks karena berhubungan dengan besi, dan pembentukan molten phases seperti komposisi eutektik dari 2FeO.SiO2–FeO, yang memiliki melting point sebesar

1180°C. Pembentukan dari material yang belakangan itu adalah sangat penting dalam pembentukan akresi pada dinding dalam kiln.

Dalam feed materials juga terdapat sulfur dalam bentuk sulfat dan akan direduksi selama proses menjadi sulfide. Ini membantu pemisahan lead, dimana diuapkan sebagai besi sulfide dan tembaga sulfide sehingga dapat membentuk fasa matte, dimana dapat menjaga silver dan sebagai alasan mengapa rekoveri silver ke bentuk fume berlangsung secara relatif lambat untuk proses Waelz. Arsenik dan Antimoni juga dapat berada dalam fasa matte namun memiliki derajat vaporisasi rendah. Sementara Germanium dan Thalium mengalami penguapan sebagai sulfida dan hasilnya dilaporkan sangat baik untuk menjadi ke bentuk fume.

Selama proses operasi Waelz kiln, penting untuk menjaga bahan baku dalam kondisi kering dan putaran kiln. Hal ini dibutuhkan agar pembentukan fasa molten menjadi seminimal mungkin. Jika terjadi melting berlebih, kontak antara reduktor dan bahan baku mengalami lost dan karbon tidak terbakar sempurna sehingga turut keluar bersamaan dengan slag, hal ini akan menurunkan laju reaksi yang cukup besar. Sebagai tambahan, terdapatnya kelengketan akan meningkatkan pembentukan lingkaran akresi pada dinding kiln, yang menghalangi perpindahan bahan baku dan gas dalam melewati kiln. Dalam kondisi ekstrem, hal ini akan membutuhkan penanganan berupa shutdown mesin dan pendinginan untuk membersihkan akresi. Kokas berlebih merupakan cara yang paling umum digunakan sebagai agen pengondisi untuk mengatasi pengaruh tersebut melalui penambahan jumlah berlebihr ke bahan baku dan diharapkan dapat mengabsorpsi fasa molten. Kuantitas dari kokas yang ditambahkan normalnya adalah sekitar 25% dari bahan baku, namun dapat lebih hingga 40% dalam kondisi tertentu.

(3)

Kokas berlebih juga dapat mereduksi kekuatan dari akresi dan memungkinkannya untuk dibersihkan dari dinding kiln dengan cara barring down, atau melalui penggantian kondisi pembakaran dan menggunakan karbon sebagai bahan bakar untuk membakarnya. Untuk tujuan ini, ukuran dari kokas sangatlah penting. Jika terlalu fine/terlalu reaktif akan membakarnya secara intensif, meningkatkan temperatur bed dan mengganggu melting dari bahan baku yang ada melalui peningkatan melting dan menurunkan viskositas dari fasa molten yang ada. Apabila terlalu kasar, maka relatif tidak bereaksi karena rendahnya luas permukaan. Untuk mentoleransi kokas yang berlebih dalam bahan baku, biasanya dengan merekoveri sisa kokas dari waelz slag dan merecycle-nya ke feed dari kiln. Ini merupakan praktik yang umum untuk menambah beberapa batubara sebagai kokas untuk menurunkan temperatur awal dari bahan bakar dan mengimbangi jika digunakan kokas kasar.

Material fluks juga dapat ditambahkan ke bahan baku untuk meningkatkan melting point dari potensi slag yang akan terbentuk. Kapur atau batu kapur umumnya digunakan dalam tujuan ini. Penambahan kapur juga dapat mereduksi kemampuan leaching dari logam berat yang terdapat dalam slag dan membuatnya lebih siap bertemu dengan standart pengelolaan limbah di lingkungan. Performa dapat diindikasikan dengan rasio (CaO + MgO) : (SiO2 + FeO) dalam charge dan slag. Pada rasio 0.1 – 0.2

Secara aslinya, waelz kiln digunakan dalam treatment low-grade oxidic ores untuk mendapatkan zinc oxide yang memenuhi syarat untuk proses smelting selanjutnya. Secara umum, waelz kiln plant dapat dibagi menjadi tiga unit proses utama [7]:

- Raw materials handling

- Rotary kiln, and

- Gas cleaning units

Produk utama lainnya dari proses ini adalah slag treatment dan waelz oxide treatment. Skemanya dapat dilihat pada gambar dibawah ini

Gambar 3. Waelz Kiln Process

(4)

Temperatur operasi normal dari waelz kiln adalah 1200°C, bergantung pada parameter teknis dari kiln seperti inklinasi, panjang dan kecepatan rotasi dimana rata-rata dari waktu tinggalnya adalah 2 – 4 jam.

Persamaan untuk menghitung residence time pada rotary kiln berdasarkan formula dari US Bureau of Mines [3]

Residence time in kiln (t) = 1.77 𝑥 𝐿 𝑥 √𝜃 𝑃 𝑥 𝐷 𝑥 𝑁 F t = residence time

L = length of kiln (meter)

θ = natural angle of repose of the material (°) P = Kiln inclination (%)

D = internal diameter of kiln (meter) N = rotational speed (rpm)

F = factor considered in section reductions ( =1, for constant diameter)

Dan dapat disederhanakan untuk waelz kiln [1] menjadi: Time of passage (minutes) = 42 𝑥 𝐿

𝐷 𝑥 𝑁 𝑥 𝑆

Dimana,

L = length of kiln (meter)

D = internal diameter of kiln (meter) R = Rotational speed (rpm)

S = Kiln slope (%)

Untuk mempermudah memahami proses yang terjadi selama Waelz Kiln bekerja, perhatikan gambar berikut ini.

Gambar 4.

Parameter penting dalam Kiln yang mempengaruhi transfer material

(5)

Gambar 5.

Diagram Alir pada Pabrik dengan teknologi Waelz Kiln

(sumber: Mager, 2003)

Jorge Madias (2015), menjelaskan secara ringkas mengenai proses dalam Waelz Rotary Kiln:

 Raw Material Preparation

 Untuk memastikan homogenitas dari material umpan: o EAF dust dari pabrik berbeda

o Small coke sebagai agen pereduksi (180 – 350 kg/ton dust)

o Pembentuk slag (pasir 100-250 kg/ton EAF dust atau lime 40-50 kg/ton EAF dust)

o Konsumsi daya 150-300 kWh/ton dust

 Kiln

 Material umpan dengan rotasi kiln (1 rpm) dan inklinasi (2-3%)  Dibagian akhir kiln udara dipompakan dan slag padat keluar dari kiln

 Material umpan dikeringkan, dipanaskan dan memulai untuk reaksi dalam Kiln  Terjadi proses reduksi endotermik zinc, vaporisasi, re-oksidasi

 Gas mengandung ZnO melewati chamber, kemudian di semprotkan dengan butiran air dan udara; sehingga pemisahan dapat dilakukan dalam bag filters  Pembangkitan panas dengan mengalirkan kokas dan oksidasi dari Zn vapor  Temperatur maksimum 1200°C, masuknya udara pada temperatur ambient, gas

(6)

Berikut ini merupakan contoh komposisi kandungan pada proses Waelz (tabel 1) dan juga potensi produk samping yang dihasilkan dari industri yang menerapkan proses Waelz terutama dalam recycling material yang mengandung zinc (tabel 2).

Tabel 1.

Contoh komposisi kandungan pada EAF Dust, Waelz Slag dan Waelz Oxide [7]

Parameter EAF Dust Waelz Slag Waelz Oxide

Zinc (%) 14 – 35 0.2 – 2 55 – 58 Lead (%) 0 – 2 0.1 – 2 7 – 10 Cadmium (%) 0.1 – 0.2 <0.002 0.3 – 0.5 Chlorine (%) 1 – 5 0.1 – 0.5 4 – 8 FeO (%) 20 – 45 30 – 50 2 – 5 SiO2(%) 3 – 6 25 – 40 0.5 – 1.5 CaO (%) 3 – 10 4 – 10 0.3 – 1 Tabel 2.

Potensi produk yang dihasilkan dari pabrik Waelz di Jerman [7]

Unit Proses Output Penggunaan/opsi perlakuan

Sistem perlakuan gas Waelz oxide Produk dijual

Loaded absorbent Dumping

Sistem perlakuan slag Slag Civil engineering/ konstruksi jalan

Leaching Waelz oxide Double leached waelz oxide Produk dijual

Sludges Diolah sendiri

Referensi

[1] Sinclair, R.J. 2005. Extractive Metallurgy of Zinc. Carlton Victoria: The Australasian Institute of Mining and Metallurgy

[2] Koukkari, P., dan Risto Pajarre. 2012. Use of ChemSheet and Kilnsimu for Material and Energy Saving Processes. Herzogenrath: GTT Thermochemistry Workshop

[3] Guirao,. Model of Mass and Energy Transfer in a Clinker Rotary Kiln

[4] Hans-Joachim Gehrmann. 2002. Residence Time Behavior of Wastes in Rotary Kiln Systems – Experimental Investigations and Mathematical Modelling. TU Dresden

[5] Madias, Jorge. 2015. Technologies to Transform Steelmaking Sludge/Dust in Byproducts. Rio de Janeiro: ABM Week – 46th Steelmaking

[6] Mager, K., Meurrer, U., and J. Wirling. 2003. Minimizing Dioxin and Furan Emissions during Zinc Dust Recycle by the Waelz Process. JOM: Research Summary – Recycling

[7] S. Hahre, and F. Schultmann. 1999. Report on Best Available Techniques (BAT) in German Zinc and Lead Production – Final Draft. Germany: Univ. of Karlsruhe