Produksi DRI / Sponge Iron Berbasis Biochar

Pada industri baja kondisi carbon neutral production akan dicapai ketika produksi besi dan baja pada industri tersebut 100% menggunakan energi terbarukan. Penggunaan tungku listrik (EAF/Electric Arc Furnace) bisa dilakukan sepanjang listrik yang dihasilkan dari sumber energi terbarukan. Tetapi penggunaan EAF yang masih menggunakan listrik dari bahan bakar fosil bisa sebagai media transisi sebelum 100% carbon neutral production karena emisi CO2 yang lebih kecil dibanding blast furnace dari kokas yang berasal dari batubara. Bahan baku yang diolah dengan EAF adalah steel scrap dan besi tereduksi langsung (DRI / sponge iron). Steel scrap atau DRI (sponge iron) langsung dimasukkan ke dalam tungku busur listrik (EAF) untuk pembuatan baja, sehingga menghasilkan emisi karbon yang lebih rendah dibandingkan dengan metode blast-furnace. Emisi CO2 dari blast furnace tersebut sekitar 2,33 ton untuk setiap crude iron / pig iron sedangkan dengan EAF tersebut hanya sekitar 0,66 ton untuk setiap ton crude steel. 

 

Saat ini sekitar 80% steel scrap saat ini didaur ulang dengan EAF. Secara global produksi baja dengan EAF mencapai sekitar 22% (berbahan baku scrap dan sponge iron). India sebagai produsen terbesar sponge iron atau DRI. Produsen utama lainnya termasuk Iran, Rusia, Meksiko, dan Arab Saudi. Pada tahun 2023, India memproduksi 49,3 juta ton, sementara Iran memproduksi 33,4 juta ton. Produksi sponge iron atau DRI global mencapai 135,5 juta ton pada tahun 2023, sedangkan pig iron hampir 1,5 milyar ton. 

Dan faktanya memang saat ini untuk mencapai tujuan produksi baja carbon neutral tersebut masih jauh karena pembangunan blast furnace – basic oxygen furnace (BF -BOF) masih banyak dilakukan, yang seharusnya adalah EAF (Electric Arc Furnace) atau saat ini hanya sekitar 30% secara global industri besi dan baja menggunakan EAF ini. Pembangunan blast furnace-blast furnace baru tersebut memang cenderung meningkat yang faktanya yakni pada pertengahan 2024 sekitar 207 juta ton per tahun produksi baru telah diumumkan dan sekitar 100 juta ton per tahun dalam tahap pembangunan.

Sponge iron atau DRI diproduksi dari bijih besi (iron ore) yang telah diproses untuk menghilangkan oksigen, menghasilkan bahan seperti spons berpori. Proses pembuatan DRI disebut proses direct reduction.  Proses direct reduction  dapat dibagi secara kasar menjadi dua kategori: berbasis gas dan berbasis batubara. Dan seperti halnya batubara dapat digunakan, arang (biochar) sebagai bahan karbon juga dapat digunakan. Perbedaannya adalah bahwa arang (biochar) berasal dari kayu atau biomassa, yang merupakan sumber daya terbarukan. Proses ini biasanya melibatkan rotary kiln  di mana bijih besi (iron ore) dan batubara atau arang (biochar) diumpankan bersama, dan reaksi pereduksi terjadi dalam keadaan padat. India adalah produsen utama DRI berbasis batubara, dengan produksi meningkat secara substansial dalam beberapa tahun terakhir, seperti pada peta dibawah ini. Sedangkan produsen-produsen besar DRI atau sponge iron lainnya umumnya prosesnya berbasis gas alam.  

Ketersediaan biochar yang memenuhi spesifikasi dan volume yang mencukupi serta pasokannya yang berkelanjutan dibutuhkan untuk subtitusi dari batubara pada produksi DRI tersebut. Hal ini sehingga di sisi hulu ketersediaan bahan baku biomasa baik dari limbah kehutanan, pengolahan kayu, limbah pertanian dan limbah agroindustri sangat penting untuk keberlangsungan produksi biochar tersebut, bahkan tidak terkecuali juga dengan pembuatan kebun energi untuk maksud tersebut. Selain mengganti reduktor atau bahan bakar dari batubara ke arang (biochar) pada produksi DRI atau sponge iron, upaya mengurangi emisi karbon pada produksi baja rute DRI – EAF  juga dengan mengganti elektrode EAF dari graphite sintetis berbahan baku fossil ke biographite berbahan baku biochar, untuk lebih detail baca disini.  

Green Economy Pada Industri Semen Bagian 7 : Penggunaan Bahan Bakar Biomasa Selain Subtitusi Clinker Pada Pabrik Semen

Pabrik semen memiliki keunikan atau perbedaan dibandingkan dengan pabrik pengolahan atau industri lainnya, yakni sebagian besar emisi karbon (CO2) dihasilkan bukan dari penggunaan bahan bakar tetapi pada produksi clinker. Emisi CO2 dari produksi clinker mencapai 60%, sedangkan dari penggunaan bahan bakar hanya 40%. Hal tersebut mengindikasikan bahwa upaya dekarbonisasi pada pabrik semen harus memprioritaskan pada kedua hal tersebut.

Penggunaan bahan additif semen atau SCM (supplementary cementious material) sebagai subtitusi clinker telah berperan besar pada dekarbonisasi pada pabrik semen. Semakin besar penggunaan SCM tersebut atau rasio clinker terhadap semen semakin kecil maka semakin emisi karbon pada produksi semen tersebut. Penggunaan SCM pada umumnya produksi semen di pabriknya tetapi ada penggunaan SCM pada produksi beton bahkan dengan porsi malah lebih besar daripada dibanding diproduksi semennya yakni yang umum di Amerika Serikat. 

 

Pabrik semen pada umumnya adalah pengguna utama batubara dengan volume cukup besar sehingga harus secara bertahap dikurangi sebagai bagian upaya dekarbonisasi. Terkait emisi karbon pada penggunaan bahan bakar tersebut, pabrik semen sudah banyak menggunakan energi alternatif seperti ban bekas atau RDF dari sampah padat perkotaan. Idealnya penggunaan bahan bakar terbarukan akan mengurangi emisi karbon tersebut secara signifikan. Hal itulah sehingga sejumlah pabrik semen mulai menggunakan bahan bakar biomasa seperti limbah-limbah pertanian atau limbah-limbah industri perkayuan. Semakin besar porsi penggunaan bahan bakar terbarukan seperti biomasa limbah pertanian dan limbah-limbah industri perkayuan maka semakin rendah emisi karbon yang dihasilkan. 

 

Penggunaan teknologi untuk meningkatkan efisiensi bahan bakar juga mengurangi emisi karbon seperti penggunan preheater dan precalciner, karena terjadi penghematan penggunaan bahan bakar pada produksi clinker. Tetapi juga ada kondisi spesifik tertentu misalnya produksi semen tipe II/V atau tipe V (tahan sulfat tinggi) akan membutuhkan bahan bakar lebih banyak karena semen membutuhkan clinker dengan kandungan C3A (tricalcium aluminate) rendah yang prosesnya membutuhkan lebih banyak energi panas. 

Analogi pada PLTU batubara dalam upaya dekarbonisasi sebagai perbandingan, kurang lebih sama seperti pabrik semen. PLTU batubara adalah industri penghasil emisi karbon besar seperti halnya pabrik semen. Pada PLTU batubara upaya dekarbonisasi dimulai dengan cofiring batubara dengan biomasa. Rasio biomasa pada cofiring tersebut terus ditingkatkan seiring waktu. Semakin besar rasio cofiring atau porsi biomasa maka semakin rendah emisi karbon. Pada level tertentu PLTU batubara tersebut akan bisa 100% digantikan dengan biomasa (fulfiring).

Jika upaya menjadi emisi nol karbon (nett zero emission) pada PLTU batubara bisa dilakukan dengan mengkonversi bahan bakarnya menjadi biomasa 100%, maka pada pabrik semen tidak bisa dilakukan hanya dengan mengganti bahan bakarnya saja dengan biomasa karena sumber emisi karbon utama pada pabrik semen pada produksi clinkernya. Hal itulah mengapa pada pabrik semen penggunaan SCM untuk subtitusi clinker rasio atau porsinya juga mesti ditingkatkan. Maksimalisasi penggunaan bahan bakar dan penggunaan SCM, juga tidak bisa mengurangi emisi karbon hingga nol (nett zero emission), karena proses kalsinasinya. Hal itulah sehingga untuk memcapai nett zero emission pada pabrik semen perlu ditambah perangkat CCS (carbon capture and storage). 

Idealnya ketika PLTU batubara mengkonversi bahan bakarnya 100% dengan biomasa maka emisi karbonnya nol (nett zero emission) dan apabila ditambah perangkat CCS maka menjadi carbon negative emission. Sedangkan pada pabrik semen penggunaan SCM yang optimum dan bahan bakar biomasa 100% tetap belum bisa untuk mencapai emisi nol karbon, sehingga perlu ditambah perangkat CCS untuk menangkap CO2 dari proses kalsinasi untuk mencapai nol karbon tersebut dan apabila ingin mencapai kondisi carbon negative emission maka CCS juga perlu digunakan untuk menangkap CO2 dari pembakaran atau penggunaan bahan bakar biomasanya.
 

Green Economy Pada Industri Semen Bagian 4

Pabrik atau industri semen selain sebagai industri yang memanfaatkan atau mengolah limbah seperti slag dan fly ash sehingga terbentuk pola circular economy, juga merupakan industri yang memusnahkan limbah yakni dengan cara menggunakannya sebagai bahan bakar. Bahan bakar RDF dari sampah kota adalah sumber energi alternatif yang banyak digunakan oleh industri semen khususnya pada pembuatan clinker. Selain membantu mengatasi masalah lingkungan berupa pencemaran lingkungan dari sampah kota tersebut, penggunaan RDF (Refuse Derived Fuel) juga membantu menurunkan emisi karbon atau bagian upaya dari dekarbonisasi. Terkait mengatasi masalah lingkungan bahan bakar alternatif seperti ban bekas yang dicacah menjadi tyre chip dan plastik juga sering digunakan. Selain bahan-bahan bakar alternatif tersebut, limbah biomasa seperti limbah pertanian dan limbah peternakan juga mulai digunakan. Limbah biomasa tersebut 100% bahan bakar terbarukan, sehingga lebih sejalan dan ramah lingkungan. Penggunaan limbah pertanian seperti sekam padi dan kotoran ternak kotoran unta adalah contoh penggunaan limbah biomasa tersebut, untuk lebih detail baca disini. 

Dengan beroperasi pada suhu tinggi sehingga pabrik semen bisa berfungsi sebagai pemusnah limbah yang efektif. Terkait hal itu dipersyaratkan test DRE (Destruction Removal Efficiency) yang harus memenuhi nilai sangat tinggi atau hampir 100% (99,9999%) untuk bisa melakukan aktivitas pemusnahan limbah tersebut. Kegagalan mencapai nilai tersebut karena temperatur yang kurang tinggi, sehingga konsekuensinya tidak semua fasilitas di pabrik semen bisa untuk memusnahkan atau membakar limbah tersebut, hanya burner di kiln yang beroperasi di atas suhu 1200 derajat celcius yang bisa melakukannya, yang teknisnya limbah atau bahan bakar alternatif tersebut juga memiliki feeding point tersendiri.

Disamping karena mati listrik, operasional pabrik semen bisa berhenti karena terjadi blocking. Blocking tersembut menyumbat cyclone pada preheater maupun calciner. Penyebab utama terjadi blocking adalah karena kandungan sulphur yang terutama dari batubara dan petcoke atau bisa juga bahan bakar alternatif yang memiliki kandungan sulphur tinggi seperti ban (tyre chip), yang sulphur tersebut selanjutnya bereaksi dengan alkali sehingga membentuk senyawa yang mudah menempel di dinding cyclone tersebut atau bahkan kiln. Hal ini sehingga prosentase sulphur perlu dibatasi. Dan penyebab blocking yang kedua adalah khlor, yang juga bereaksi dengan alkali sehingga mudah menempel di dinding alat tersebut, tetapi bedanya blocking karena khlor terjadi pada suhu lebih rendah, sehingga menempel pada cyclone bagian atas. Hal ini sehingga prosentase khlor juga perlu dibatasi.  

Berdasarkan kondisi tersebut di atas, penggunaan bahan bakar alternatif khususnya dari bahan yang terbarukan penting dilakukan, apalagi bahan bakar terbarukan seperti biomasa memiliki kandungan sulphur sangat rendah, demikian juga khlor-nya, tetapi bahan bakar alternatif tertentu harus dikalkulasi secara cermat terutama kandungan sulphur dan khlor, sehingga tidak terjadi blocking. Sedangkan bahan bakar fossil seperti batubara dan petcoke selain kontra dengan upaya dekarbonisasi juga ternyata juga penyebab utama terjadi blocking atau penyumbatan. Hal tersebut sehingga penggunaan bahan bakar atau energi fossil harus semakin dikurangi. 

Green Economy di Industri Semen Bagian 2

Sejumlah pabrik semen bisa berproduksi dengan baik cukup hanya dengan bahan baku batu kapur (limestone) dan lempung (clay). Hal tersebut karena dari material tersebut telah terpenuhi semua oksida yang dibutuhkan dalam pembuatan clinker-nya. Oksida-oksida yang dibutuhkan tersebut adalah CaO (C), SiO2 (S), Al2O3 (A) dan Fe2O3 (F). Batu kapur (lime stone) sendiri biasa memiliki kandungan CaO (C) sekitar 90% dan SiO2 (S) 5%. Tetapi fakta di lapangan banyak pabrik semen yang membutuhkan material tambahan untuk mencapai komposisi oksida yang diinginkan atau biasa disebut bahan korektif. Sejumlah bahan korektif tersebut adalah high grade limestone yang memiliki kandungan CaO diatas 95% sebagai koreksi oksida C, selanjutnya silica sand untuk koreksi oksida S, selanjutnya kaolin atau bauksit untuk koreksi oksida A dan iron ore atau pyrite untuk koreksi oksida F.

Jadi secara umum saat ini material yang dibutuhkan yang dibutuhkan untuk produksi clinker tersebut adalah limestone, clay, silica sand dan iron ore. Dalam perkembangannya iron ore bisa digantikan dengan slag. Kandungan Fe2O3 (F) slag lebih rendah dibandingkan iron ore tetapi harganya lebih murah. Slag yang digunakan terutama berasal dari industri besi dan baja yang biasa dikenal dengan GBFS atau GGBFS. Slag sebenarnya juga material aditif yang bisa ditambahkan dengan clinker dan gypsum sehingga menjadi produk (slag) semen. Selain slag material lain seperti fly ash juga biasa digunakan sebagai aditif tersebut, kedua bahan tersebut biasa disebut bahan suplemen semen atau SCM (supplementary cementious material). Ukuran fly ash yang sangat lembut tidak perlu dihancurkan lagi sehingga bisa langsung dicampurkan dengan clinker dan gypsum, sedangkan slag dari pabrik besi atau baja perlu dihancurkan atau dilembutkan lagi menjadi GGBFS sebelum dicampur dengan clinker dan gypsum. Untuk kebutuhan aditif tersebut selain aspek fisik seperti ukuran partikel, aspek kimia yakni slag chemistry dan fly ash chemistry adalah parameter penting yang perlu diperhatikan. 

Penggunaan SCM seperti slag dan fly ash di atas, akan mengurangi penggunaan terutama bahan bakar fosil. Hal ini karena SCM tersebut ditambahkan pada clinker dan gypsum sehingga tidak membutuhkan energi panas. Energi panas sendiri dibutuhkan pada pembuatan clinker yakni di calciner dan rotary kiln. Sebagai contoh pada pembuatan slag cement menghasilkan 38% lebih sedikit emisi CO2 dibandingkan proses untuk produksi portland cement karena lebih sedikit batu gamping (limestone) dibakar untuk produksi slag cement daripada dibutuhkan untuk Portland cement. Energy panas tersebut saat ini masih banyak menggunakan bahan bakar fossil dan secara bertahap mulai menggunakan energi terbarukan. Energi berasal dari biomasa seperti limbah pertanian dan kotoran hewan juga mulai digunakan. 

Produksi Briket / Pellet Kotoran Sapi Sebagai Bahan Bakar dan Bioekonomi

Penggunaan energi terbarukan semakin meningkat seiring kesadaran global masalah lingkungan dan iklim. Bahan-bahan yang dulu dianggap limbah dan mencemari lingkungan, saat ini dengan konsep zero waste dan circular economy telah banyak diubah menjadi energi alternatif atau energi terbarukan. Industri-industri besar seperti pembangkit listrik, industri semen dan sebagainya telah mulai menggunakan energi terbarukan tersebut dalam rangka program penurunan emisi CO2 atau dekarbonisasi. Program dekarbonisasi ini semakin populer dan diaplikasikan pada berbagai lini kehidupan.

Sebagai contoh riil adalah industri semen di UAE yakni Gulf Cement Co, yang menggunakan energi terbarukan dari kotoran unta. Dari hasil ujicoba operasional didapat bahwa setiap 2 ton kotoran unta bisa menggantikan 1 ton batubara. Penggunaan kotoran hewan sebagai bahan bakar sebenarnya bukan hal yang baru bagi mereka, dari cerita nenek moyang kotoran sapi telah digunakan sebagai pemanas atau bahan bakar, tetapi untuk kotoran unta banyak yang belum terpikirkan. Gulf Cement Co saat ini menggunakan 50 ton/hari kotoran unta sebagai bahan bakar. UAE memiliki populasi unta sekitar 9000 ekor untuk produksi susu, balap dan kontes kecantikan. Setiap unta menghasilkan kotoran 8 kg/hari, lebih banyak atau berlebih daripada yang dibutuhkan petani. Melalui program pemerintah para peternak unta mengumpulkan kotoran-kotoran unta tersebut di tempat-tempat pengumpulan. 

Kotoran sapi juga telah digunakan sebagai sumber energi dari Amerika Serikat, Zimbabwe sampai ke China. Di Indonesia hal tersebut juga seharusnya bisa dilakukan. Dengan setiap ekor sapi menghasilkan kotoran rata-rata 15 kg per hari (hampir 2 kalinya unta), maka hal itu sama seperti kondisi di UAE di atas, volume kotorannya lebih banyak atau berlebih daripada yang dibutuhkan petani. Berlebihnya kotoran tersebut menjadi masalah lingkungan bahkan harus dibuang ke sungai dan sebagainya. Ratusan ton setiap hari kotoran sapi tersebut yang belum termanfaatkan di sejumlah daerah di Indonesia, padahal kotoran tersebut bisa dimanfaatkan sebagai bahan bakar terutama diolah menjadi briket atau pellet (terlebih dahulu dikeringkan). Pemadatan kotoran sapi menjadi briket atau pellet tersebut selain bertujuan untuk mendapatkan ukuran dan bentuk yang seragam, padat, memudahkan penyimpanan dan pemakaian, juga menghemat biaya transportasi. Dan untuk memenuhi kebutuhan bahan pabrik semen dibutuhkan seperti briket / pellet kotoran sapi dalam jumlah besar, sehingga dibutuhkan alat produksi kapasitas besar yang bekerja kotinyu. Diperkirakan kebutuhan pellet atau briket tersebut ribuan hingga puluhan ribu ton setiap bulannya.

Di pabrik semen ada 2 tempat yg membutuhkan energi panas : 1. calciner (tempat terjadi proses kalsinasi), 2. Rotary kiln (jantungnya pabrik semen, tempat pembuatan clinker). Energi terbarukan seperti briket atau pellet kotoran sapi, biasanya akan digunakan pada calciner dengan feeding point tersendiri. Sedangkan pada rotary kiln yang membutuhkan panas lebih tinggi saat ini umumnya pabrik semen masih menggunakan bahan bakar fossil. Penggunaan secara bertahap energi terbarukan akan mengurangi pencemaran lingkungan dan mengakselerasi program global dekarbonisasi. Pabrik semen sendiri bisa dikatakan sebagai industri yang mengolah dan memusnahkan limbah. Hal tersebut karena pabrik semen bisa mengolah limbah seperti slag dan fly ash sebagai bahan additif semen yang diproduksi - lebih detail bisa dibaca disini dan juga memusnahkan limbah yakni seperti penggunaan limbah kotoran sapi sebagai bahan bakar tersebut.