LAPORAN KEGIATAN LITBANG TAHUN 2011
TIM OPTIMALISASI PROSES PADA PROTOTYPE PLANT COAL WATER FUEL (CWF)
PUSAT PENELITIAN DAN PENGEMBANGAN MINERAL DAN BATUBARA 2011
ii
KATA PENGANTAR
Laporan ini adalah hasil kegiatan Kelompok Program Teknologi Litbang Pengolahan dan Pemanfaatan Batubara mengenai Penerapan Teknologi Coal
Water Fuel pada Industri
Pengguna Boiler.
Tujuan penelitian khususnya adalah menerapan Coal Water Fuel (CWF) sebagai
bahan
bakar berbasis batubara berbentuk slurry untuk dijadikan substitusi terhadap bahan bakar minyak yang biasa digunakan pada pemanasan boiler.
Mudah-mudahan hasil penelitian ini dapat bermanfaat dalam menunjang kebutuhan industri akan energi dan teknologi pemanfaatannya.
i
SARI
Sebagai bahan bakar yang berbentuk fluida Coal water Fuel (CWF) dapat digunakan untuk bahan bakar alternatif pengganti bahan bakar minyak (MFO/HFO) yang biasa digunakan untuk pemanasan boiler. Untuk mengatasi masalah tersebut diperlukan uji penerapan pada boiler yang biasa digunakan pada industri tersebut.
Untuk meningkatkan performa dan kapasitas pembakaran CWF dilakukan perancangan spray burner. Dari hasil percobaan dengan menggunakan spray burner yang telah di modifikasi performa pembakaran dan kapasitas bahan bakar dapat ditingkatkan, kapasitas burner dapat mencapai 92 kg/jam slurry CWF dan tempereratur tungku dapat mencapai 1120oC.
ii
DAFTAR ISI Kata Pengantar
………………………………………………………………………..…..
i
…………………….………………………………………………………………..….
ii
……................…………………………………………..........................……
iii
…………..…..……………………………………..............................……
v
………..……………………………………….............................……
v
......………………………………………………….......................…
1
1.1 Latar belakang
.............…………………………………………...................…
1
1.2 Ruang lingkup
..........……………………………………………................……
3
1.3 Tujuan
........……………………………………………………...................…
3
1.4 Sasaran
….....……………………………………………….......................…
4
…………………………………………….....................……
4
………………..……………………………......................………
5
….…………………………………………………………………
5
………………………………………………………………
7
……..…………………….........................................…………
10
3.1 Pelaksanaan kegiatan
…………………………………………………………….
10
3.2 Persiapan peralatan
……………………………………………………………
11
…………………………………………………………………
11
……………………………………………………………..
12
……………………………………………………………...............……
14
………………………..………………………………................
14
………………………………...............................………
14
Sari Daftar Isi Daftar Tabel Daftar Gambar 1.
Pendahuluan
1.5 Lokasi kegiatan 2.
Tinjauan Pustaka 2.1 Stabilitas CWF 2.2 Pembakaran CWF
3.
Program Kegiatan
3.3 Persiapan bahan 3.4 Prosedur percobaan 4.
Metodologi 4.1
Peralatan
4.1.1 Tungku bakar
iii
4.1.2 Spray burner 4.2 5.
6.
Bahan baku
Hasil dan Pembahasan
……………………………………………………………………
15
..........................................................................................
15
...…………………………………………….....................
17
5.1
Optimaslisasi proses pembuat CWF…………………….......................…
17
5.1.1
Kalibrasi peralatan
17
5.1.2
Persiapan bahan baku dan peralatan
5.2
Rancang Bangun Spray Burner dan Ruang Bakar
5.3
Perancangan Otomatisasi Peralatan
5.4
Uji Proses Pembuatan Dan Pembakaran CWF
5.4.1
Pembuatan CWF
5.4.2
Pembakaran CWF
5.5
Penyebar luasan informasi
Penutup 6.1
Kesimpulan
6.2
Saran
………..………………………………….........……… ………………………………………
18
………………………
19
…………………………………....
12
…………………………
21
……………………………………………………………...
21
…………………………………………………………
23
…………………………………………………..
29
……………….………………………………………........................……
30
…………………………………………………………………..
30
…………………………………………………………………………
30
Daftar Pustaka Lampiran
iv
DAFTAR TABEL Tabel 4.1 Karakteristik batubara hasil proses UBC
..........................................................
15
………………………………………………….
23
……………………………………………
24
………………………………………………
33
……………………………………
34
........................................................................
12
Table 5.1. kalibrasi kapasitas pompa slurry Tabel 5.2. Kalibrasi kapasitas pada spray burner Tabel 5.3 kandungan abu hasil pembakaran Tabel 5.4 kandungan senyawa kimia abu pembakaran
DAFTAR GAMBAR Gambar 3.1 Peralatan pembuatan CWF
Gambar 3.2. Bagan alir Proses UBC dan Pembuatan CWF Gambar 5.1 Panel Kontrol otomatis
……………………………
13
………………………………………………………….
17
Gambar 5.2 Panel tambahan pada prototype plant CWF Gambar 5.3 Flow diagram pada protipe plat CWF hasil modifikasi v
………………………………
17
……………….…
19
Gambar 5.4 Distribusi ukuran partikel batubara
……………………………………………
21
…………………………………………………
22
……………………………………………………….
23
Gambar 5.5 Spray burner tipe mengkrucut Gambar 5.6 Spray burner tipe melebar
Gambar 5.7 Rungan tes spray dan kalibrasi burner CWF
…………………………………
24
…………………………………………………………..
25
………………………………………………..
25
………………………………………………….
26
…………………………………………………………………
27
Gambar 5.8 pembuatan kotak abu Gambar 5.9 kotak abu pada ruang bakar Gambar 5.10 Percobaan pembuatan CWF Gambar 5.11 Rheologi CWF
Gambar 5.12 Percobaan pembakaran awal CWF
...........................................................
28
Gambar 5.13 Temperatur ruang bakar dengan menggunakan spray burner 1
………
30
Gambar 5.14 Temperatur ruang bakar dengan menggunakan spray burner 2
………
30
Gambar 5.15 Temperatur ruang bakar dengan menggunakan spray burner 3
…………
31
Gambar 5.16. Nyala api pada ruang bakar
....................................................................
31
Gambar 5.17. Nyala api pembakaran CWF
....................................................................
32
vi
1.
PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang
Pemberlakuan Undang-Undang Nomor 4 Tahun 2009
tentang Pertambangan Mineral dan
Batubara tanggal 12 Januari 2009, yang menggantikan Undang-Undang Nomor 11 Tahun 1967 tentang
Ketentuan-Ketentuan
Pokok
Pertambangan,
semakin
menegaskan
komitmen
Pemerintah untuk terus mengoptimalkan manfaat dari kegiatan subsektor pertambangan nonmigas, termasuk batubara, bagi kepentingan negara dan masyarakat (Setiawan, 2009). Dalam konteks pasar dunia, Indonesia merupakan salah satu produsen dan eksportir batubara uap (steam coal) utama di dunia meskipun konsep kebutuhan dalam negeri tetap lebih diutamakan daripada untuk ekspor (Ariyono, 2009).
Dalam Peraturan Pemerintah Nomor 23 tahun 2010 tentang Pelaksanaan Kegiatan Usaha Pertambangan Mineral dan Batubara, antara lain mengamanatkan bahwa pemegang Izin Usaha Pertambangan (IUP) Operasi Produksi, IUP Khusus (IUPK) Operasi Produksi, dan IUP Operasi Produksi khusus pengolahan dan pemurnian batubara, wajib melakukan pengolahan untuk meningkatkan nilai tambah batubara yang diproduksi, baik secara langsung maupun kerja sama dengan perusahaan pemegang IUP dan IUPK lainnya. Hal ini dilakukan dengan tujuan untuk meningkatkan dan mengoptimalkan nilai tambang, tersedianya bahan baku, penyerapan tenaga kerja, dan peningkatan penerimaan negara.
Senyawa hidrokarbon seperti minyak dan gas bumi serta batubara merupakan kekayaan alam yang sangat potensial dan strategis di Indonesia. Selama ini dapat dirasakan bahwa ekonomi Indonesia bertumpu kepada pendapatan dari minyak dan gas bumi. Dilain pihak bentuk hidrokarbon lainnya yaitu batubara pemanfaatanya belum memberikan peranan yang sebanding dengan besarnya cadangan yang ada.
Sumber daya batubara Indonesia saat ini mencapai 105,18 milyar ton dengan cadangan sebesar 21,1 milliar ton (Badan Geologi, 2010). Sebagian besar cadangan tersebut termasuk kedalam batubara peringkat rendah berupa lignit dan sub-bituminus. Batubara jenis ini umumnya 1
mempunyai kadar air yang tinggi sehingga nilai kalor menjadi rendah. Tingginya kadar air menajdi kendala dalam pemanfaatan batubara jenis ini. Selain biaya transportasi yang tinggi, juga harganya yang murah. Dilain pihak, dalam kebijakannya pemerintah lebih mengutamakan batubara peringkat tinggi untuk ekspor, sedangkan batubara peringkat rendah sebagai upaya pemenuhan energi di dalam negeri.
Berbagai penelitian mengenai pemanfaatan batubara sebagai bahan bakar yang nyaman dgunakan seperti halnya bahan bakar minyak (BBM) yang relative bebas abu dan belerang, telah banyak dilakukan oleh para peneliti baik di Indonesia maupun di luar negeri.
Penelitian-
penelitian tersebut pada umumnya dilakukan dengan maksud untuk mendapatkan bahan bakar berbasis batubara yang relatif bersih. Dari beberapa teknologi pemanfaatan batubara yang berkembang di dunia saat ini, teknologi coal water fuel (CWF) merupakan salah satu alternative karena sifat alirnya yang berupa cairan (fluida).
Sebagaimana Peraturan Presiden No. 5 tahun 2006 yang telah dijabarkan dalam bentuk Blue Print Pengelolaan Energi Nasional mengamanatkan bahwa di masa mendatang batubara akan menduduki porsi 33% dari bauran energi nasional. Penggunaan batubara sebagai sumber energi tersebut termasuk untuk memasok energi bagi industri yang menggunakan boiler, dimana CWF dapat dipandang sebagai sumber energi pada industri pengguna boiler tersebut yang berfungsi sebagai substitusi bahan bakar minyak, antara lain di industri tekstil, keramik dan pulp. Selain itu, CWF juga merupakan salah satu dari ketentuan pengolahan dan pemurnian batubara sebagaimana tertuang dalam Peraturan Pemerintah Nomor 23 Tahun 2010 tentang Pelaksanaan Kegiatan Usaha Pertambangan Mineral dan Batubara, di samping penggerusan batubara (coal crushing), pencucian batubara (coal washing), pencampuran batubara (coal blending), peningkatan mutu batubara (coal upgrading), pembuatan briket batubara (coal briquetting), pencairan batubara (coal liquefaction), dan gasifikasi batubara (coal gasification).
CWF memiliki prospek yang cukup besar dimasa yang akan datang sebagai bahan bakar altrenatif, terutama sebagai pengganti minyak berat (heavy oil-marine fuel oil/MFO) dengan 2
harga yang relatip murah. Hal ini menjadi sangat penting mengingat saat ini Indonesia sedang mengalami krisis BBM yang berawal dari penghapusan subsidi BBM oleh pemerintah, sehingga dirasakan oleh masyarakat harga BBM menjadi lebih mahal. Bentuk batubara yang padat memerlukan penanganan yang kompleks dibanding dengan bentuk fluida. Penanganan dalam masalah lingkungan harus diperhatikan untuk mengurangi debu yang bertebaran, dalam penggangkutan batubara padat memerlukan alat angkut yang khusus, memiliki resiko terhadap swabakar dan dalam penyimpanannya batubara padat memerlukan lahan yang lebih luas.
Pembuatan CWF sebetulnya sangat sederhana, yaitu dengan mencampurkan batubara dan air dalam perbandingan tertentu sehingga membentuk cairan kental yang homogen selama penyimpanan, pengangkutan dan pembakaran. Masalah utama yang dihadapi dalam pembuatan CWF adalah masalah kestabilan, yaitu terpisahnya batubara dan air membentuk endapan. Untuk itu maka diperlukan zat aditif yang berfungsi untuk menjaga kestabilan CWF, sehingga batubara tetap terdispersi dengan baik dalam air.
CWF biasanya dibuat dari batubara yang mempunyai kandungan air rendah (bituminus). Batubara peringkat rendah dapat digunakan sebagai bahan baku pembuatan CWF melalui proses upgrading terlebih dahulu. Pembuatan CWF dari batubara hasil proses upgrading dapat dengan proses UBC (upgrading brown coal), hot water treating (HWT) dan coal drying and briquetting (CDB).
Prototype plant dari batubara hasil proses Upgrading telah dibangun dan dioperasikan di Palimanan, Cirebon sejak tahun 2009. Untuk mendapatkan kondisi optimum proses pembuatan dan pembakaran CWF dengan menggunakan batubara hasil proses upgrading, maka penelitian perlu untuk terus dilakukan, terutama proses pembuatan CWF dengan alat yang terintegrasi secara kontinyu. Selain itu, sebagai bahan bakar baru sosialisasi kepada masyarakat industry tentang teknologi CWF sebagai pengganti BBM terutama minyak berat juga perlu untuk dilakukan.
3
1.2
Ruang Lingkup - Optimalisasi operasi pembuatan CWF - Rancang bangun burner dan furnace untuk boiler - Perancangan otomatisasi peralatan - Uji proses pembuatan dan pembakaran CWF
1.3
Tujuan
Melaksanakan penelitian dan pengembangan CWF untuk mendapatkan data optimum proses pembuatan CWF dengan batubara hasil upgrading pada skala prototype plant, serta mendapatkan kontruksi burner dan tungku pembakar CWF sebagai pengganti burner BBM.
1.4
Sasaran
Menguasai teknologi pembuatan CWF skala prototype plant serta teknologi burner CWF pengganti burner BBM, juga mendapatkan data-data percobaan yang optimal, sehingga dapat menunjang dan menumbuh-kembangkan minat pemanfaatan batubara dalam bentuk slurry pada masyarakat industri pengguna boiler yang selama ini menggunakan bahan bakar minyak (MFO).
1.5
Lokasi Kegiatan
Tempat Pelaksanaan kegiatan optimalisasi proses adalah : Sentra Litbang Pemanfaatan Batubara di Palimanan, Cirebon, dan pelaporan di Puslitbang tekMIRA - Bandung,
4
2.
TINJAUAN PUSTAKA
CWF adalah satu bahan bakar yang dibuat dengan mencampurkan batubara dan air dalam perbandingan tertentu yang dengan bantuan aditif akan membentuk suatu suspensi kental yang homogen. Dengan adanya pengungkungan/penjebakan batubara di dalam air, maka dibandingkan dengan batubara bubuk, CWF dapat ditangani secara lebih bersih dan aman sehingga bahaya emisi debu dan penyalaan spontan serta peledakan dapat dihindarkan.
Penggunaan batubara dalam bentuk CWF memberikan keuntungan sebagai berikut : 1. Memperbesar diversifikasi pemanfaatan batubara; 2. Bebas dari bahaya penyalaan spontan; 3. Pengangkutan lebih mudah karena memungkinkan pengangkutan lewat pemipaan; 4. Dapat menggunakan boiler yang sudah ada, yaitu yang dirancang untuk minyak bakar dengan sedikit modifikasi.
2.1
Stabilitas CWF
Syarat utama dari keberhasilan penerapan teknologi CWF adalah tersedianya data dan informasi mengenai jenis dan jumlah bahan aditif yang sesuai untuk mendapatkan CWF yang memenuhi kriteria sebagai berikut : 1. Stabil, baik selama penyimpanan, pengiriman maupun saat pembakaran; 2. Mempunyai sifat alir yang baik hingga dapat dipompa dan dialirkan dengan lancar lewat pipa; dan 3. Dapat dibakar dengan nyala api yang mantap dan mempunyai suhu yang tinggi.
CWF dikatakan stabil apabila dalam perioda tertentu batubara masih tetap terdispersi dalam air dan tidak mengalami pengendapan. Pengendapan ini terjadi karena adanya perbedaan berat jenis antara batubara dan air. Jika pengendapan terjadi sebelum CWF digunakan, akan menimbulkan masalah yang rumit dalam penyimpanan dan pengangkutan. Karena itu, jangka waktu terjadinya pengendapan partikel batubara diusahakan selama mungkin. Faktor-faktor yang mempengaruhi kestabilan CWF adalah jenis dan sifat permukaan batubara, distribusi 5
ukuran partikel, jumlah batubara dalam campuran dan jumlah dan jenis zat aditif (Umar, dkk., 2007):
Batubara peringkat rendah Indonesia jika digunakan sebagai bahan baku, akan menghasilkan suspensi dengan konsentrasi batubara yang rendah, sehingga nilai kalor menjadi rendah pula (Umar, dkk., 2007). Untuk mengatasi hal tersebut, maka batubara peringkat rendah perlu mengalami proses upgrading sehingga kadar air dalam batubara tersebut menjadi turun dan menghasilkan suspensi dengan konsentrasi batubara yang cukup tinggi. Proses upgrading yang telah diterapkan pada skala pilot adalah dengan metoda upgraded brown coal (UBC) proses, yaitu dengan memanaskan batubara pada temperatur 150°C dan tekanan 3,5 atm.
Selain itu, sifat alir CWF juga merupakan suatu masalah yang sangat penting. CWF harus mempunyai konsentrasi batubara setinggi mungkin, tapi dengan viskositas yang relatif rendah agar mudah untuk dialirkan. Karena itu perlu ditambahkan bahan aditif baik sebagai dispersan maupun sebagai penstabil. Sifat alir CWF ditentukan berdasarkan hasil pengukuran viskositas dan tegangan geser shear stress pada beberapa kecepatan geser (shear rate). Hubungan antara (shear stress) dan shear rate menunjukkan karakteristik rheologi suatu fluida. Secara umum fluida dibagi menjadi 2 kelompok, yaitu: Fluida Newtonian yang mengikuti hukum Newton, yaitu fluida yang mempunyai viskositas yang tetap untuk perubahan kecepatan geser. Fluida non-Newtonoian yang tidak mengikuti hukum Newton karena fluida tersebut mempunyai viskositas yang berubah-ubah tergantung pada kecepatan geser.
Fluida non Newtonian terbagai lagi menjadi 3 bagian, yaitu Bingham plastis, pseudoplastis dan dilatan. Kurva aliran Bingham plastis tidak melewati titik awal sumbu tegangan geser tetapi memotong. Jika kurva di interpolasi dari bagiannya yang lurus ke sumbu tegangan geser pada sutu titik sumbu tegangan geser, maka jarak antara titik nol ke titik tersebut disebut dengan yield stress. Hal ini terjadi karena adanya kontak antara partikel yang berdekatan yang harus
6
dipecahkan sebelum fluida tersebut mengalir. Nilai yield stress ini merupakan petunjuk besarnya gaya flokulasi (Umar, dkk.2008, ).
Aliran pseudplastis tidak mempunyai nilai yield stress sebagaimana aliran Bingham plastis. Kurva aliran pseudo plastids mempunyai penurunan slope dengan naiknya kecepatan geser sampai suatu batas slope. Harga viskositas dari aliran fluida Bingham dan pseudo plastis turun dengan naiknya kecepatan geser. Untuk jenis ini disebut shear thinning. Fluida dilatan sebaliknya, harga viskositas naik dengan naiknya kecepatan geser dan disebut dengan shear thickening. Jenis fluida dilatan tidak dikehendaki dalam CWF karena akan menyulitkan jika CWF tersebut dialirkan.
Adapun CWF yang akan digunakan sebagai bahan bakar harus mengikuti persayaratan sebagai berikut:
Mempunyai nilai yield stress optimum hingga dihasilkan CWF dengan kestabilan yang baik, baik dalam keadaan statis maupun dinamis.
Mempunyai sifat aliran fluida Newtonian saat diberikan shear rate dengan pemompaan pada waktu pengangkutan melalui pipa ataupun waktu pembakaran.
Mempunyai viskositas yang tinggi saat penyimpanan, viskositas sedang pada saat pengangkutan dan viskositas rendah saat pembakaran.
Nilai yield stress yang tinggi, menunjukkan terbentuknya struktur yang stabil (viskositas naik). Kestabilan yang ditunjukkan dengan meningkatnya yield stress disebut kestabilan statis. Untuk mengetahui kestabilan dinamis perlu adanya analisis hubungan shear stress dengan shear rate dan viskositas dengan shear rate.
2.2 Pembakaran CWF Uji pembakaran CWF perlu dilakukan untuk mendapatkan data – data mengenai cara membakar, komposisi batubara minimum dalam CWF yang dapat dibakar dan efisiensi pembakarannya.
Pembakaran CWF dilakukan dengan menyemprotkan CWF menggunakan 7
pompa ke tungku pembakaran yang telah dipanaskan terlebih dahulu (sistim injeksi). Pembakaran adalah reaksi eksotermik antara bahan bakar dengan oksigen. Komponen yang paling penting dalam proses pembakaran adalah burner, yaitu suatu alat untuk mengendalikan pencampuran udara dengan bahan bakar untuk menghasilkan nyala api yang stabil. Apapun bentuk bahan bakar, yang terpenting adalah hanya uap yang volatile dalam bahan bakar yang dapat terbakar. Dan komponen uap yang dapat terbakar tersebut harus dilepaskan dari sumber cair atau padat, diuapkan dan bercampur dengan oksigen untuk menghasilkan api. Secara umum, proses pembakaran meliputi dua tahap, yaitu tahap penguapan air dan tahap penyalaan.
Sesaat setelah CWF disemprotkan ke tungku pembakar, peristiwa pertama yang terjadi adalah peristiwa penguapan air. Selama proses ini batubara belum terbakar. Saat penguapan proses penyalaan tertunda dan dapat menurunkan suhu tungku. Oleh karena itu makin cepat waktu penguapan air, makin sempurna pembakaran CWF.
Faktor yang berpengaruh terhadap peristiwa penguapan adalah kandungan air dalam CWF dan model burner yang dipakai untuk pembakaran. Makin banyak jumlah kandungan air dalam CWF, makin banyak pula energi yang diperlukan untuk menguapkan air dan waktu penguapan makin lama. Akibat adanya proses penguapan air ini maka nilai kalor CWF menjadi rendah. Nilai kalor CWF harus dapat mencukupi energi yang diperlukan untuk proses penguapan air yang terkandung dalam CWF.
Untuk membantu mempercepat penguapan kandungan air dalam CWF dapat digunakan udara pembakar yang telah dipanaskan terlebih dahulu. Dengan digunakannya udara panas sebagai udara pembakaran, maka peristiwa penguapan air menjadi lebih cepat.
Penguapan air akan mengakibatkan jumlah uap air (H2O) naik dalam konsentrasi yang tinggi. Kehadiran uap air akan berfungsi sebagai katalis pada pembentukan radikal hidroksil (OH) dengan reaksi sebagai berikut:
8
H + H2O
H2 + OH
O + H2O
2OH
2CO(g) + 2OH(g)
2CO2(g) + H2
Radikal hidroksil tersebut selain bereaksi dengan gas CO bereaksi pula dengan partikel karbon yang terdapat dalam batubara, yaitu:
2C(s) + 2OH
2CO + H2
Model burner yang digunakan sangat berpengaruh terhadap proses ini. Proses penguapan harus terjadi tepat pada ujung burner gun sehingga tidak ada penyumbatan yang disebabkan oleh butiran batubara karena terlalu cepatnya air menguap sebelum CWF mencapai ujung burner.
Tahap penyalaan/pembakaran pada prinsipnya adalah tahapan reaksi antara karbon dan hidrogen yang ada dalam batubara, dengan oksigen dari udara yang menghasilkan karbondioksida dan uap air serta panas dengan reaksi sebagai berikut:
2C(s) + O2(g)
2H2(g) + O2(g)
2CO2(g)
H= -94,054 kkal/g mol
2H2O(g)
H= -57,798 kkal/g mol
Jumlah oksigen yang diperlukan dalam pembakaran tersebut secara teoritis dapat dihitung dan disebut dengan kebutuhan stokhiometri. Pada kenyataannya karena proses pembakaran tidak mencapai keadaan ideal, diperlukan O2 yang berlebih, yaitu udara yang dikonsumsi lebih besar dari kebutuhan teoritis. Oksigen yang berlebih ini disebut dengan excess air. Jika jumlah O2 yang
9
diperlukan tidak mencukupi, maka reaksi antara karbon dan oksigen akan membentuk gas CO dengan reaksi sebagai berikut:
2C(s) + O2(g)
2 CO(g)
H = -26,417 kkal/g mol
Atomisasi merupakan parameter yang mempengaruhi tingkat pembakaran karbon. Seperti bahan bakar cair yang lain, adalah penting untuk bahan bakar agar dapat teratomisasi secara baik untuk memaksimalkan luas permukaan yang terbuka untuk pemanasan secara konveksi maupun radiasi. Penting juga untuk menurunkan volume untuk meminimalkan efek pembakaran karbon yang terlalu cepat. Bahan bakar cair dengan viskositas yang relatif tinggi, tekanan atomisasi tidak mudah. Atomisasi dapat dilakukan dengan menggunakan uap air, udara tekan atau tenaga mekanis (Wall, 1987).
Pencampuran udara dengan CWF harus berlangsung baik (dengan udara yang berlebih) untuk mendapatkan oksigen yang tinggi pada pembakaran. Hal ini dapat mempercepat penyalaan sehingga pembakaran akan lebih baik dengan membatasi waktu tinggal yang tersedia pada tungku. CWF sebagai bahan bakar yang sulit dinyalakan, perpindahan panas pada burner harus selalu tinggi untuk menjaga aliran CWF yang tepat dan kestabilan penyalaan. Pembakaran udara biasanya diputar (swirl) sebelum dimasukkan ke dalam tungku. Pada tingkat perputaran yang tinggi, gradien tekanan radial diatur sejak pembelokan jalur udara.
10
3. PROGRAM KEGIATAN Program kegiatan optimalisasi proses pada prototype plant CWF merupakan salah satu upaya untuk mendapatkan proses pembuatan dan pembakaran slurry CWF lebih baik, dengan membuat sistem kontrol otomatis pada pengoperasian pembuatan CWF dan meningkatkan kapasitas spray burner . Tahapan-tahapan penelitian: -
Membuat rancangan sistem kontrol otomatis pada Prototype plant CWF;
-
memodifikasi spray burner dan tungku ruang pembakar CWF untuk meningkatkan kinerja pembakaran;
-
Melakukan optimalisasi pengoperasian Prototype plant dengan peralatan yang terintegrasi secara kontinu
-
Uji coba proses
-
Uji coba pembakaran
3.1 Pelaksanaan kegiatan Penelitian optimalisasi proses pada prototype
plant CWF di lakukan di sentra teknologi
pemanfaatan batubara Palimanan, Cirebon, Jawa Barat. Bahan baku batubara yang digunakan untuk pembuatan CWF, adalah batubara hasil proses UBC dengan zat aditif CMC.
Persiapan kegiatan melakukan pengecekan kelaikkan alat dan melakukan indentifikasi peralatan yang ada dengan menghitung kapasitas pada masing-masing peralatan sebagai data untuk perancangan sistem kontrol. Proses pembuatan CWF melalui beberapa tahapan proses yaitu pengecilan ukuran batubara hingga -200 mesh yang kemudian proses pencapuran dengan air dan aditif dengan penadukan putaran tingggi.
Pembakaran CWF dilakukan dengan cara menyemprotkan CWF ke dalam tungku pembakaran yang sebelumnya telah dipanaskan menggunakan batubara bongkah/ kayu bakar hingga mencapai temperatur > 600oC. Untuk pembakaran CWF digunakan burner yang telah didesain
11
khusus, sehingga CWF yang dialirkan melalui pompa akan tercampur sempurna dengan udara dari kompresor yang menghasilkan bentuk spray
3.2 Persiapan Peralatan. Dalam melaksanakan kegiatan optimasi pembuatan dan pembakaran CWF, diperlukan peralatan-peralatan yang siap pakai sehingga pelaksanaan kegiatan dapat berjalan dengan baik. Pembuatan CWF secara terintegrasi menggunakan peralatan reduksi batubara antara lain; belt conveyor (transportasi batubara), hammer crusher (Pengecilan ukuran < 1 cm), bucket elevator, roller mill (pengecilan ukuran sampai lolos -200 mesh), hopper storage (penampung), classifier dan blower.
Peralatan pembuatan CWF terdiri atas; screw conveyor (transportasi batubara halus), mixer (pembuatan slurry), tangki air, tangki aditif dan pompa (zat aditif, air), tangki penyimpanan CWF dan peralatan pembakaran CWF terdiri atas; kompresor,tabung udara, burner, pompa CWF, blower dan tungku pembakaran, Rangkaian peralatan tersebut dapat dilihat pada Gambar 3.1.
3.3 Persiapan Bahan Bahan baku batubara yang dipergunakan dalam optimasi proses pembuatan dan pembakaran CWF, adalah batubara hasil proses UBC dengan nilai kalor + 6.000 kal/g dan kadar air <10% dan menggunakan zat aditif CMC. Pengecilan ukuran batubara sampai lolos 200 mesh dilakukan dengan menggunakan roller mill, untuk menghasilkan produk – 200 + 300 mesh yaitu, dengan cara mengatur kecepatan classifier roller mill.
12
Gambar 3.1 Peralatan pembuatan CWF
3.4 Prosedur Percobaan Terhadap batubara hasil proses UBC dilakukan penggilingan/pengecilan ukuran dengan menggunakan peralatan roller mill yang sudah terintegrasi sampai menghasilkan ukuran lolos 200 mesh dengan cara mengatur kecepatan classifier dan slade gate udara blower. Untuk evaluasi hasil penggilingan maka dilakukan analisis dengan alat partikel size, sedangkan karakterisasi batubara dilakukan melalui analisis proksimat (air lembab, abu dan zat terbang), sulfur dan nilai kalor.
Batubara hasil proses penggilingan lolos -200 mesh dicampur dengan zat aditif CMC sebanyak 0,5% (Umar dkk., 1997). Pengadukan batubara dan air dilakukan dalam 2 tahap, yaitu tahap pengadukan dan tahap homogenisasi. Pada tahap pengadukan, batubara, air dan zat aditif dimasukkan ke dalam rotary mixer 1 dengan kapasitas 300 liter sehingga tercampur merata dengan kecepatan putar 3.500 rpm. Selanjutnya pengadukan dilakukan dengan menggunakan rotary mixer 2 pada kecepatan 1.000 rpm sampai semua batubara tercampur dengan sempurna. Kemudian diambil contoh CWF untuk dilakukan pengujian konsentrasi, viskositas dan sifat
13
alirnya. Bagan alir proses pembuatan CWF melalui proses upgrading dengan UBC dapat dilihat pada Gambar 3.2 (Umar, dkk., 2008).
Batubara
Penggerusan
Pembuatan slurry
Kerosen + LSWR
Pengurangan air
Proses UBC
Pemisahan batubara-kerosen
Batubara UBC
Air + aditif
Pencampuran CWF
Gambar 3.2. Bagan alir Proses UBC dan Pembuatan CWF
14
Pembuatan CWF
Percobaan pembakaran CWF dilakukan dalam 2 tahap yakni tahap pendahuluan dan tahap pembakaran. Tahap pendahuluan dilakukan untuk mengetahui cara kerja burner dan atomizer, karena CWF tidak langsung disemprotkan ke dalam tungku pembakar. Tahap pendahuluan ini meliputi uji atomisasi burner dan uji bahan bakar untuk pemanasan awal. Tahap pembakaran dilakukan menggunakan tungku pembakaran. Pengamatan dilakukan dengan mengukur temperatur rungan bakar pada ruang awal, ruang tengah, dan lubang api.
15
IV. Metodologi CWF merupakan campuran batubara air dan aditif, penggunaan CWF sebagai bahan bakar tidak dapat langsung digunakan sebagai mana BBM, karena CWF mempunyai sifat tidak mudah terbakar, akan tetapi mempuyai sifat alir seperti BBM (MFO/HFO), sehingga apabila akan digunakan sebagai bahan bakar harus melalui media pemanas lain (furnace) sebagai pengganti burner BBM.
Pembakaran dilakukan dengan menyemprotkan CWF menggunakan pompa ke tungku pembakaran yang telah dipanaskan terlebih dahulu (sistem injeksi). Efisiensi pembakaran tergantung pada derajat atomisasi CWF dan jenis atomisator yang digunakan (Wall, 1987), sedangkan kesempurnaan pembakaran tergantung pada jumlah/kandungan batubara dalam air, kecepatan aliran CWF, kecepatan aliran udara pembakaran (udara primer dan sekunder) dan temperatur udara pembakaran. Pelaksanaan uji coba optimasi proses CWF:
Penyiapan bahan baku
batubara hasil proses upgrading, zat aditif, dan peralatan
pembuatan CWF
Reduksi ukuran batubara hasil proses UBC sampai berukuran < 200 mesh untuk pembuatan CWF
Modifikasi sistim elektrik kontrol proses.
Modifikasi burner dan tungku CWF
Uji coba proses
4.1
Peralatan
4.1.1 Tungku Pembakar Tungku pembakar CWF dibuat dari refraktori dengan tungku pembakaran CWF dibuat dengan dua bagian dengan ukuran panjang 300 cm, diameter 100 cm dan diameter 50 cm.
16
4.1.2 Spray burner Pengumpan CWF pada proses pembakaran CWF digunakan Atomizer Type Y dengan 3 lubang spray dan ruang swirl udara 30o sehingga CWF yang keluar dari atomizer berbentuk turbulensi, dan dua buah spray burner modifikasi, CWF tersebut dialirkan melalui pipa dengan menggunakan pompa type monopump dengan penggerak variabel berkekuatan 1 pk berkapasitas maksimum 3,8 liter per menit, untuk mengatur laju alir CWF, maka pada motor CWF diatur oleh inverter serta dibantu kompresor dengan tekanan 5 bar dan tekanan kerja pada atomizer 2 – 3 bar.
4.2
Bahan Baku Batubara
Batubara yang digunakan adalah batubara hasil proses UBC (Upgraded Brown Coal) dengan ukuran – 200 mesh, dan aditif CMC dengan nilai kalor batubara UBC 6096 kal/g ar (tabel 4.1).
Tabel 4.1 Karakteristik batubara hasil proses UBC Analisis , air dried basis
UBC
Analisis proksimat Air bawaan,%
7.84
Abu ,%
6.83
Zat terbang ,%
48.81
Karbon tertambat *,%
36.52
Analisis ultimat Karbon ,%
60.29
Hidrogen,%
4.97
Nitrogen,%
0.75
Sulfur,%
0.33
Oksigen*,%
26.83
Nilai kalor,kal/g ar
6.096
17
Dari hasil analisis sebagaimana terlihat pada Tabel 4.1, batubara hasil proses upgrading dengan UBC dapat digunakan sebagai bahan baku pembuatan CWF karena mempunyai kadar air, kadar abu dan kadar belerang yang cukup rendah, yaitu masing-masing 7.84%, 6.83%, 0.33% dalam air dried basis (adb). Nilai kalor batubara tersebut juga cukup tinggi, yaitu 6096k al/g (ar).
Kadar air yang rendah akan menghasilkan CWF dengan kadar air yang tidak terlalu tinggi sehingga batubara dalam CWF menjadi tinggi dan menghasilkan CWF dengan nilai kalor yang tinggi pula. Kadar abu yang rendah, akan menghasilkan abu sisa pembakaran yang rendah sehingga tidak akan bermasalah dalam pembuangannya apabila CWF tersebut digunakan sebagai bahan bakar pada industry. Begitu pula kadar belerang yang rendah, tidak akan menghasilkan emisi gas Sox yang dapat mencemari lingkungan.
18
V. HASIL DAN PEMBAHASAN Dalam pelaksanaan optimalisasi proses pada prototype CWF
sebagai bahan bakar
menggantikan bahan bakar minyak perlu dilakukan beberapa tahapan kegiatan yang perlu dilakukan untuk mendapatkan hasil yang baik.
5.1. Optimalisasi Operasi Pembutan CWF dengan sistem kontrol otomatis Untuk mempermudah pembuatan campuran batubara, air dan aditif sehingga menjadi slurry CWF, dengan menambahkan sistem kontrol otomatis dapat lebih mempermudah pada proses pembuatan slurry, dengan menggunakan fasilitas yang telah ada pada prototype plant CWF.
Gambar 5.1 Panel Kontrol otomatis
Gambar 5.2 Panel tambahan pada prototype plant CWF
Sistem kontrol otomatis pada pembuatan slurry CWF kerja motor diatur dengan menggunakan sistem waktu (timer). Masing-masing motor terkoneksi dengan alat pengatur waktu, sehingga dibuat suatu rangkaian yang berurutan sesuai dengan fungsi kerja motor dapat dilihat pada (gambar 5.1)
rangkaian pada panel kontrol otomatis.
5.1.1 Prisip kerja kontrol otomatis dengan menggunakan pengaturan waktu Pada perancangan sistem kontrol otomatis ini dapat dioperasikan dengan dua cara yaitu dengan cara manual dan dengan cara otomatis
19
1. Pengoperasian dengan cara manual Pada panel box terdapat saklar kontrol yang dapat diarah pada posisi off, manual dan otomatis, dengan mengarahkan switch tersebut kearah manual pengoperasian motor dapat dilakukan secara masing-masing. Dengan cara menekan tombol yang tersedia pada panel.
2
Pengoperasian dengan cara otomatis pada pengoperasian dengan cara otomatis, telah dirancang rangkaian sistem kontrol sesuai dengan urutan pada pembuatan Slurry. Dimana masing-masing motor bekerja secara berurutan yang telah diatur dengan sistem waktu (timer). Dimana masing-masing motor telah terhubung seracar seri dengan pengatur waktu (timer), dengan pengaturan waktu tersebut secara otomatis motor akan berhenti sesuai dengan waktu yang telah diatur, dan akan memutuskan aliran listrik melalui kontaktor yang rangkai secara parelel. Urutan kerja motor pada pengaturan dengan sistem otomatis : Dengan mengarahkan posisi saklar pada posisi auto maka motor pompa campuran air dan aditif (M1) akan bekerja dan mengalirkan ke tangki 1 (pembuat slurry), dengan pengaturan waktu maka M1 akan berhenti. Setelah M1 berhenti maka M2 (screw feeder) dan M3 (motor agitator 1) akan bekerja, pengaturan waktu kerja M2 diatur sesuai dengan jumlah batubara yang akan dijadikan Slurry, sedangkan waktu kerja M3 berdasarkan kwalitas pencapuran batubara, air dan aditif. Setelah M3 berhenti maka M4 (motor pompa slurry 1 ) akan bekerja, dengan adanya modifikasi pada sistem pemipaan pemindahan slurry dari tangki 1 ke tangki 2 dapat diatur dengan mengalirkan sebagian slurry kembali ke tangki 1 dan ke tangki 2. Setelah M4 berhenti maka M5 (motor agitator 2) akan bekerja untuk lebih menyempurnakan slurry yang telah di aduk pada tangki 1, waktu kerja M5 dapat diatur sesuai dengan kebutuhan. Setelah M5 berhenti maka M6 akan bekerja, perinsip kerja sama dengan pompa M4 dengan adanya sirkulasi sebagian slurry ke tangki 2 dan tangki 3 (tangki penyimpan). Keterangan gambar dapat dilihat pada (gambar 5.3)
20
Gambar 5.3 Flow diagram pada protipe plat CWF hasil modifikasi
5.1.2 uji coba proses Untuk persiapan pemasangan otomatisasi proses CWF, dilakukan perhitungan kapasitas pada masing-masing peralatan, untuk mengetahui kapasitas alat tersebut yang kemudian disesuaikan dengan pengaturan waktu (timer) pada sistem otomatisasi proses pembuatan CWF. Perencanaan sistem elektrik kontrol dibuat dengan saling keterkaitan antara kapasitas masingmasing peralatan, sehingga dapat membuat suatu komposisi campuran batubara, air dan aditif yang membentuk suatu komposisi slurry CWF yang tepat.
Identifikasi masing-masing peralatan pembuat slurry CWF dengan melakukan kalibrasi untuk mengetahui kapasitas peralatan. Dari hasil kalibrasi perlatan diperoleh data sebagai berikut:
Kapasitas jaw crusher untuk mengecilkan ukuran batubara sampai berukuran <1 cm adalah 4.740 kg/jam
kapasitas rata-rata bucket elevator adalah 1200 kg/jam
21
Kapasitas roll mill untuk mengecilkan batubara hingga lolos saringan ukuran 200 mesh adalah 3.240 kg/jam
Kapasitas pompa (M1) pemindah air + aditif = 24,5 L/menit
kapasitas volume rata-rata screw = 6,4 kg/menit
Kapasitas tangki pembuat slurry CWF = 300 kg
Kapasitas pompa slury 1 adalah 9.558 liter/jam dan pompa slury 2: 6.160 liter/jam
Kalibrasi pompa burner, dapat dilihat pada Tabel 5.1
Dari hasil kalibrasi ini dapat ditentukan pengaturan waktu lamanya motor bekerja, dan dapat juga di tentukan komposisi campuran antara batubara dan air serta jumlah slurry yang akan dibuat. Pada uji coba pembuatan slurry CWF yang telah dilakuakan, untuk membuat komposisi batubara 50% dan air 50% dengan kapasitas 200 kg slurry CWF, pengaturan waktu yang dilakukan pada motor adalah M1 (motor pompa air)
= 4,1 menit
M2 (motor screw feeder)
=15,6 menit
M3 (motor Agitator 1)
= 20 menit
M4 (motor pompa slurry 1)
=15 menit
M5 (motor Agitator 2)
= 10 menit
M6 (motor pompa slurry 2)
= 10 menit
Untuk membuat slurry CWF dengan kapasitas 200 kg slurry dibutuhkan waktu untuk satu kali membuatan selama 59,1 menit.
5.1.2 Persiapan bahan baku dan peralatan Bahan baku pembuatan CWF adalah batubara hasil proses UBC dengan ukuran partikel hasil penggerusan dari roll mill – 200 mesh, dengan komposisi persen padatan batubara dalam CWF 45%-50%, menggunakan zat aditif CMC proses pembuatan CWF. dilakukan secara terintegrasi menggunakan peralatan yang telah tersedia pada skala pilot dengan kapasitas 4 ton/hari.
22
Berdasarkan hasil analisis distribusi partikel, peralatan reduksi batubara pada screw dengan menggunakan roller mill jumlah persen kumulatif partikel yang lolos ukuran – 200 mesh dapat mencapai diatas 90 % dapat dilihat pada (Gambr 5.1). Hal ini menyatakan peralatan reduksi batubara untuk proses pembuatan CWF berfungsi dengan baik
Ukuran partikel hasil penggerusan 120
kumulatif ( %)
100 80 60 40 20 0 0,1
1
10
100
1000
10000
Ukuran partikel (micron)
Gambar 5.4. Distribusi ukuran partikel batubara
5.2
Rancang Bangun Spray Burner dan Modifikasi Ruang Bakar
Perencanaan kegiatan dengan melakukan modifikasi dan rancang bangun spray burner untuk mendapatkan hasil uji coba pembakaran dan pembuatan slurry CWF yang lebih baik. Dengan memodifikasi spray burner bisa didapatkan disaint dan kapasitas burner yang tepat untuk digunakan sebagai spray burner CWF.
5.2.1 Rancang Bangun Spray Burner Pada rancang bangun spray burner untuk CWF diinginkan bentuk atomisasi yang merata sempurna, stabil dan meminimalkan draft loss burner. Perancangan dengan dua tipe nozel yaitu tipe nozel mengkrucut dan tipe nozel melebar, untuk dapat mengetahui karakter dan untuk dapat membandingkan tipe nozel yang lebih baik. Parameter yang diamati dari tipe-ini adalah
23
kapasitas burner, kebutuhan udara tekan, ketahanan burner dalam beroperasi atau tidak mudah terjadi sumbatan dan temperatur pembakaran.
Pada perancangan rungan bakar adalah memodifikasi rungan bakar yang telah ada dengan menambahkan kotak pembuangan abu dari pembakaran untuk mempermudah membuang abu yang ada pada ruang bakar dan membuat tripot atau dudukan spray burner agar lebih mudah dalam pengoperasian dan burner tidak langsung terkena api dari ruang bakar (Gambar 5.2).
Gambar 5.5 Spray burner tipe mengkrucut
24
Gambar 5.6 Spray burner tipe melebar
Table 5.1. kalibrasi kapasitas pompa slurry
Waktu (jam)
Frekuensi motor (Hz)
Jumlah CWF (kg)
1
7
50
1
10
96
1
15
132
1
20
172
1
25
210
1
30
276
1
35
300
1
40
360
1
45
396
25
Tabel 5.2. Kalibrasi kapasitas pada spray burner
Jenis burner
Frekwensi
Frekwensi
Frekwensi
Frekwensi
10 Hz
9 Hz
8 Hz
7 Hz
Kapasitas kg/jam Burner 1
66
53
45
35
Burner 2
85
68
61
42
Burner 3
92
73.2
66
45
Untuk dapat mengetahui kapasitas pada masing-masing burner dan bentuk pengkabutan atau atomisasi slurry CWF dilakukan kalibrasi pada rungan tes spray dapat dilihat pada gambar (5.6). untuk hasil kalibrasi dilakukan pengaturan frekwensi putaran motor pompa dengan menggunakan beberapa variasi putaran motor dengan yang di atur menggunakan inverter, hasil kalibrasi spray burner dapat dilihat pada (tabel 5.2) Dari hasil uji coba dengan burner modifikasi kapasitas burner dapat meningkat dan kecendrungan terjadi penyumbatan semakin rendah.
Gambar 5.7 Rungan tes spray dan kalibrasi burner CWF
26
5.2.2 Modifikasi Ruang Bakar Pada proses pembakaran batubara ada kadungan abu yang tidak dapat terbakar, abu hasil pembakaran adaya yang berupa bottom ash dan fly ash. Pembuatan kotak abu dimaksudkan untuk mempermudah pengabilan abu hasil dari pembakaran batubara yang tersisa pada rungan bakar, dapat dilihat pada (gambar 5.8). Pembuatan kotak abu dengan cara membuat lubang pada ruang bakar yang telah ada yang dan membuat kotak penyimpan abu dibawahnya, sehingga sisa abu dari pembakaran batubara dapat terperangkap dalam kotak abu, pembuatan kotak abu dapat diliah pada (gambar 5.7)
Gambar 5.9 kotak abu pada ruang bakar
Gambar 5.8 pembuatan kotak abu
5.3. Uji Proses Pembuatan Dan Pembakaran CWF 5.3.1. Pembuatan CWF Percobaan pembuatan CWF dilakukan dengan menggunakan batubara hasil proses UBC, dengan menggunakan adifif CMC 0.5%. Persen padatan yang digunakan 45%-50%. Untuk mengetahui karakteristik sifat alir CWF, maka dilakukan uji rheologi dengan alat Haake viscometer. Kegiatan pembuatan CWF dan hasil pengujian rheologi dapat dilihat pada Gambar 5.3 dan 5.4.
27
Gambar 5.10. Percobaan pembuatan CWF
Dari Gambar 5.4 dapat dilihat bahwa CWF dengan menggunakan zat aditif CMC 0.5 % dengan persen padatan 47% mengikuti aliran fluida non-Newtonian, dimana viskositas turun dengan naiknya kecepatan geser. Pada kecepatan geser rendah, viskositas tinggi dan pada kecepatan geser tinggi, viskositas rendah. Hal ini sesuai dengan CWF yang disarankan oleh (Thambimuthu, 1994), yaitu viskositas tinggi saat disimpan, viskositas sedang saat ditransportasikan dan viskositas rendah saat pembakaran. Pada kecepatan geser rendah, yaitu pada saat CWF disimpan dalam tanki yang dilengkapi dengan impeller berkecepatan putar rendah, CWF mempunyai viskositas yang tinggi sehingga kecepatan pengendapan menjadi rendah sesuai dengan hukum Stokes (Umar., dkk,2008). Saat diangkut/ditransportasikan kecepatan geser sedang (pemompaan melalui pipa) dan saat pembakaran kecepatan geser tinggi karena adanya penekanan agar CWF mengabut sempurna.
28
Gambar 5.11 Rheologi CWF
Viskositas CWF pada kecepatan geser 100/detik menunjukkan angka kurang dari 1.000 mPas. Hal ini juga sesuai dengan CWF yang disarankan oleh (Usui, 1997.) Karena jika viskostas pada kecepatan geser 100/detik > 1.000 mPa.s, maka CWF tersebut sukar untuk dialirkan sehingga akan menghambat baik pada saat ditransportasikan maupun pada saat pembakaran.
Hubungan antara tegangan geser dan kecepatan geser, terlihat bahwa VWF mengaikuti aliran fluida non-Newtonian pseudo-plastis.
Dimana tegangan meningkat dengan meningkatnya
kecepatan geser. Hal ini menunjukkan bahwa CWF tersebut mudah untuk dialirkan dan disemprotkan pada saat pembakaran hingga bisa mengabut dengan sempurna.
5.3.2 Pembakaran CWF Percobaan pembakaran CWF dari batubara hasil proses UBC dilakukan pada berbagai persentasi batubara, yaitu 45-50% dengan ukuran butir batubara -200 mesh dan aditif CMC 0,5%. Tungku pembakaran sebelumnya dipanaskan dengan menggunakan minyak tanah dan batubara bongkah sebagai bahan bakar. Setelah tungku mencapai temperatur + 600ºC, CWF baru disemprotkan ke dalam tungku. Kegiatan percobaan pembakaran CWF dapat dilihat pada Gambar 5.5. 29
Gambar 5.12. Percobaan pembakaran awal CWF
Pada penyalaan awal menggunakan bahan bakar CWF lebih sulit dibanding dengan pembakaran dengan bahan bakar lain, dikarenakan adanya kadungan air pada bahan bakar dan persentasi karbon yang rendah dapat menyebabkan temperatur tungku menjadi turun, selain itu juga mudah terjadinya penyumbatan pada pipa dan burner yang dapat menyebabkan tidak tersalur dengan sempurna bahan bakar menuju ruang bakar.
Uji coba pembakaran CWF dengan menggunakan beberapa variasi diantaranya penggunaan burner dan persen padatan dalam slurry, ini dimaksudkan untuk mendapatkan data temperatur pembakaran, kapasitas burner dan ketahanan spray burner terhadap penyumbatan terhadap slurry. Percobaan menggunakan beberapa variasi persen padat dikarenakan dalam pengujian masih
sering
tersumbatnya
CWF
pada
burner
sehingga
temperatur
tidak
dapat
maksimal,diantaranya disebabkan viskositas yang tinggi sehingga slurry tidak dapat mengalir dengan merata.
30
Percobaan penggunaan beberapa spray burner untuk mendapatakan disain spray burner yang cocok untuk di gunaka pada slurry CWF. Dilakukan beberapa modifikasi bentuk dan kapasitas burner, ini dimaksudkan untuk mengetahui kinerja dan karakteristik bentuk atomisasi yang dihasilkan oleh burner. Dalam percobaan ini digunakan 3 (tiga) jenis burner Temperatur pembakaran hasil percobaan dengan masing-masing burner dapat dilihat pada Gambar 5.7 sampai dengan 5.9 dan nyala api pembakaran dapat dilihat pada Gambar 5.10 dan 5.11. Karakteristik pada 3 jenis burner 1. Spray Burner 1 : Mempunyai karakteristik atomisasi yang sempurna, slurry dapat teratomisasi dengan kebutuhkan pasokan udara lebih kecil sehingga tekanan pada tabung dapat mencapai 3 bar. Kendala dalam penggunaan burner ini adalah jarak pada rungan pencampuran udara dengan bahan bakar yang kecil dapat memepermudah terjadinya penyumbatan. Kapasitas burner dapat dilihat pada (tabel 5.2) 2. Spray burner 2 : dibuat prototype burner dengan bentuk mengkerucut sama dengan burner 1 dengan perbedaan jumlah lubang dan besar lubang diperbesar, dan memperbesar jarak pada ruang pencapuran udara tekan dan bahan bakar. Dengan spray burner 2 slurry dapat teratomisasi dengan baik dengan kebutuhan udara tekan lebih besar dan kendala penyumbatan pada burner lebih kecil. Kapasitas spray burner dapat dilihat pada (tabel 5.2) 3. Spray burner 3 : dibuat prototype burner dengan bentuk melebar dengan jumlah lubang dan besar lubang diperbesar, dan memperbesar jarak pada ruang pencapuran udara tekan dan bahan bakar. Dengan spray burner 3 slurry dapat teratomisasi dengan baik dengan kebutuhan udara tekan lebih kecil dari burner 2 dan kendala penyumbatan masih terjadi akan tetapi tetapi relatif libh lama. Kapasitas spray burner dapat dilihat pada (tabel 5.2)
31
Temperatur ruang bakar 50%padatan 700
Temperatur oC
600 500 400
Temp ruang 1
300
Temp ruang 2
200 100 0 1
6
11
16
21
Waktu (menit)
Gambar 5.13. Temperatur ruang bakar dengan menggunakan spray burner 1 dengan
Tempertur ruang bakar 45%padatan 1200
temperatur oC
1000 800 temp ruang 1
600
temp ruang 2
400
temp ruang 3
200 0
0
50
100
150
200
Waktu (menit)
Gambar 5.14. Temperatur ruang bakar dengan menggunakan spray burner 2
32
Temperatur ruang bakar 47% padatan 1200
Temperatur (oC)
1000 800
temp ruang 1
600
temp ruang 2
400
temp ruang 3
200 0 0
50
100
150
200
250
waktu (menit)
Gambar 5.15. Temperatur ruang bakar dengan menggunakan spray burner 3
Gambar 5.16. Nyala api pada ruang bakar
33
Gambar 5.17. Nyala api pembakaran CWF
Pada uji pembakaran parameter yang diamati adalah: -
Tekanan udara pada tabung: untuk mengetahui tekanan udara yang dibutuhkan spray burner untuk menjadikan slurry teratomisasi.
-
Kecepatan motor, slurry dialirkan melalui pompa, jumlah slurry dapat diatur dengan mengatur kecepatan pompa.
-
Temperatur ruang bakar: untuk mengetahui temperatur ruanga bakar hasil dari pembakaran CWF.
-
Tekanan pompa slurry: sebagai indikator untuk mengetahui kondisi spray burner.
Percobaan pembakaran diatur kecepatan motor dengan 7-9 Hz, penyalaan awal suplay diatur tidak terlalu banyak untuk menjaga agak temperatur ruang bakar tidak turun dikarenakan adanya air dalam slurry CWF, menjaga tekanan agar tidak terlalu rendah yang dapat membuat atomisasi tidak baik. Dari gambar dapat dilihat dari beberapa percobaaan dengan menggunakan spray burner yang berbeda, pada grafik dalam Gambar 5.7, percobaan menggunakan burner 1 temperatur tungku masih rendah dikarenakan masih adanya kendalakendala pada penyalaan awal dan masih sering terjadi penyumbatan pada spray burner yang 34
menyebabkan
terhentinya pasokan CWF keruang bakar sehingga temperatur tidak dapat
maksimal.
Penggunaan spray burne 2 dapat lihitat pada gambar (Gambar 5.8), temperatur ruang bakar dapat mencapi temperatur 1000 oC -1088oC dengan konstan, dikarenakan pasokan slurry yang masuk melalui spray burner tidak terjadi penyumbatan hingga bahan bakar dapat tersuplay secara kontinyu menuju ruang bakar, temperatur ruang bakar ini dapat mencapai target dari pembakaran. dengan melakukan pengaturan penyalaan awal pada frekwensi motor pada 7 Hz, yang dapat di tingkatkan kembali frekwensi motor hingga 9 Hz untuk menambah jumlah bahan bakar yang masuk ruang bakar.
Hasil percobaan dengan menggunakan spray burner 3, temperatur ruang bakar dapat mencapai temperatur 1100 oC -1121oC dengan konstan (Gambar 5.9). Hal ini disebabkan karena pasokan bahan bakar yang masuk lebih besar melalui spray burner dan tidak terjadi penyumbatan hingga bahan bakar dapat tersuplay secara kontinyu menuju ruang bakar, temperatur ruang bakar ini dapat mencapai target dari pembakaran, dengan melakukan pengaturan penyalaan awal pada frekwensi motor pada 7 Hz, yang dapat di tingkatkan kembali frekwensi motor hingga 10 Hz untuk menambah jumlah bahan bakar yang masuk ruang bakar.
Dari hasil pembakaran yang telah dilakukan sampling abu bawah (bottom ash) hasil pembakaran dianalisa, hasil analisa dapat diliahat pada tabel 5.3 dan 5.4. dari hasil pembakaran masih ada cabon yang belum terbakar sehingga pembakaran masih belum sempurna. Masih dibutuhkan penyempurnaan pembakaran dengan menambahkan udara lebih (exces air)
35
Tabel 5.3 kandungan abu hasil pembakaran
Analisa
Hasil pembakaran
Unit
basis
Standar acuan
Calorifik value
1750
Cal/g
adb
ASTM D. 5865
Total sulfur
0.98
%
adb
ASTM D. 4239
carbon
22.55
%
adb
ASTM D. 5373
Hydrogen
0.59
%
adb
ASTM D. 5373
nitrogen
0.18
%
adb
ASTM D. 5373
parameter
Tabel 5.4 kandungan senyawa kimia abu pembakaran
Parameter
Hasil pembakaran
Unit
SiO2
45
%
SNI 13-3608-1994
Al2O3
18.18
%
SNI 13-3608-1994
Fe2O3
17.66
%
SNI 13-3608-1994
K2O
0.53
%
SNI 13-3608-1994
Na2O
2.97
%
SNI 13-3608-1994
CaO
6.57
%
SNI 13-3608-1994
MgO
2.92
%
SNI 13-3608-1994
TiO2
1.34
%
SNI 13-3608-1994
MnO
1.35
%
AAS
P2O5
0.021
%
spektrofotometri
LOI
0.37
%
SNI 13-3608-1994
H2O
0.18
%
Gravimetri
SO3
2.67
%
Gravimetri
36
Metode
5.4. Penyebar luasan informasi Sebagai bahan bakar baru dan untuk mempercepat penerapannya pada skala komersial, maka dilakukan penyebar luasan informasi melalui pameran ataupun kunjungan ke industry yang biasa menggunakan boiler untuk mempromosikan tentang teknologi CWF.
Kunjungan ke industry, diantaranya dilakukan ke industri/pabrik kertas dan pulp di Karawang Jawa Barat dan pabrik keramik di Semarang Jawa Tengah. Pameran yang diikuti diantaranya adalah pameran dan ekspo hasil karya inovasi yang diselenggarakan oleh Business Inovation Centre di Serpong, besarnya ketertarikan pengunjung pada pameran untuk mengetahui lebih lanjut penggunaan CWF sebagai bahan bakar yang dapat menggantikan bahan bakar minyak pada industri, ini menunjukkan bahwa industri/masyrakat tertarik menggunakan CWF sebagai bahan bakar pengganti minyak berat yang biasa/saat ini mereka gunakan. Namun mereka berharap adanya jaminan keberlangsungan pasokan dan sistem pendistribusian yang pasti.
37
6.
KESIMPULAN DAN SARAN
Dari hasil percobaan optimasi pembuatan dan pembakaran CWF. dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut: 6.1 Kesimpulan Proses penyalaan awal dibutuhkan pemanasan ruang bakar hingga mencapai 500-600 oC untuk dapat menyeburkan CWF kedalam rungan bakar, dengan pengaturan putaran motor pada frekwensi 7 Hz dengan kapasitas 35-45 kg/jam CWF. Untuk dapat terjadinya pengkabutan dibutuhkan udara tekan 2.5 -3 bar Pembakaran CWF yang terbaik dengan menggunakan spray burner 3 temperatur tungku dapat mencapai >1121oC. masih terjadi sumbatan akan tetapi relatif lama + dikarenakan adanya radiasi panas pada burner sehingga ada sebagian CWF yang mengering yang dapat menyebabkan sumbatan. Penggunaan spray burner 2 membutuhkan udara tekan yang lebih besar dari burner 1 dan 3, sehingga butuh tambahan tabung udara yang lebih besar untuk mendapatkan pengkabutan yang baik. Penggunaan spray burner 1 slurry CWF dapat terkabutan baik dan tekanan udara dapat mencapai 3 bar, akan tetapi masih berkendala pada sering terjadinya sumbatan pada lubang burner. Masih adanya cabon yang terbakar, hingga menurunkan efisiesi pembakaran. Dibutuhkan campuran udara tambahan(exces air) pada proses pembakaran untuk lebih sempurna.
6.2 Saran Untuk proses pembuatan dan pembakaran yang lebih baik, masih perlu ada pengembangan kapasitas burner dan ruang bakar untuk dapat menyesuaikan dengan kapasitas energi yang dibutuhkan. Pengembangan lebih lajut tentang masih sulitnya penyalaan awal pada penggunan CWF, dikarenakan adanya kadungan air pada slurry yang menyebabkan temperatur rungan bakar menjadi turun. 38
Belum adanya fasilitas air pada prototipe plant di palimanan, sehingga masih berkendala pada pembuatan CWF dan kesulitan bila percobaan menggunakan boiler.
39
DAFTAR PUSTAKA Setiawan, B., 2009. Kebijakan Batubara Indonesia (Pasca Diterbitkannya UU No 4/2009 Tentang Pertambangan Mineral dan Batubara, disampaikan pada Konferensi dan Workshop Batubara Indonesia, PERHAPI, Jakarta. Ariyono, B.G., 2009. Kebijakan DMO Batubara dan Harga Batubara, Paper Disampaikan pada Konferensi dan Workshop Batubara Indonesia, PERHAPI, Jakarta. Deguchi. T.. Shigehisa. T..Makino. E. and Otaka. Y.. 2002 Proc. International Converence Exhibition on Clan and Efficient Coal Technology in Power Generation.
and
Coal-Tech.
Denpasar. Indonesia. Geankoplis. C. J.. 1993. Transport Processes and Unit Operations. Third Edition. Prentice Hall International Editions. A Simon & Schuster Company. Englewood Cliffs. New Jersey. Hashimoto. N.. 1986. Coal Water Slurry Fundamental Characteristics and Pilot Plant Scale Preparation. World Congress of Chem.. Eng.. Tokyo. Perry. R.H. and Green. D.W.. 1997. Perry’s Chemical Engineers’ Handbook. Seventh Edition. Mc Graw Hill. New York. Setiawan. L.. Umar. DF.. Kunrat. TS.. Hanafiah. N. dan Gandamanah. I.. 2008. Pembuatan dan Pembakaran CWF Skala Pilot 4 ton/hari. Laporan Intern Puslitbang tekMIRA. Suyama. C.. 2008. HWT-CS technology for Substitute for Fuel Oil. Proceedings of 7th Coaltech 2008. Technical and Policy Seminar. Thambimuthu K.. 1994. Developments in Coal Liquid Mixtures on Coal water Mixture (CWF) for Advanced Coal Utilization Toward The Environmentally Friendly System. IEACR/69. IEA Coal Research. London. Umar D. F.. 2001. Pengaruh Distribusi Ukuran Partikel Batubara Terhadap Rheologi Campuran Batubara-Air. Prosiding Temu Ilmiah Jaringan Kerjasama Kimia Indonesia. Seminar Nasional IV. Umar. D. F.. Suganal. Priyono. H.. Nuroniah. N.. Sodikin. I.. Supriatna. W.. Rijwan. I.. Rustomo. G.. Syahrial. Hernawati. T.. Astiti. M.W.. Atmini. S.. Paidi. Rohayati. T.. Agustiana. L.. Somadi. E. dan Aat. 2003. “Uji Coba Peningkatan Kualitas Batubara Peringkat Rendah dengan Proses UBC (Upgraded Brown Coal) Palimanan. Cirebon”. Laporan Litbang tekMIRA No: 09. 40
Umar. D.F.. Usui. H.. Komoda. Y. and Daulay. B.. 2008. Preparation of Carbonized Biomass Water Mixture and Upgraded Coal Water Mixture. Journal of Chemical Engineering of Japan. 37. 1206-1212. Umar. D. F.. Kunrat. T. S.. Basyuni. Y.. Setiawan. L.. Hanafiah. N. dan Kuswara T.. 2007. Teknologi Pembuatan dan Pembakaran Coal Water Mixture dari Batubara Hasil Proses Upgraded Brown Coal. Laporan Intern Puslitbang tekMIRA. Umar. DF. dan Daulay. B.. 2008. Effect of Dispersing and Stabilizing Additives on Rheological Characteristics of The Upgraded Brown Coal Water Mixture. Indonesian Mining Journal. Vol. 11 No. 10. Usui. T.. Tatsukawa T. and Usui H.. 1999. Preparation Techniques of Coal Water Mixtures with Upgraded Low Rank Coals. Coal Preparation. 21. 161-176. Wall. T. F.. 1987. The Combustion of Coal as Pulverized Fuel through Swirl Burners. In: Principles of Combustion Engineering for Boiler. C. J. Lawn (ed) London. UK. Harcourt Brace Jovanovich. 197-335.
41
