Download - Coal Combustion Kelompok 2

Transcript
Page 1: Coal Combustion Kelompok 2

Tugas Kelompok 2 KONVERSI BATUBARA Combustion OLEH Wendi fauzan Saputra (03101002010) Reza Wijaya (03101002011) Popik Hidayat (03101002012) Dedi Rianto (03101002013) Mahmuda (03101002014)

Teknik Pertambangan

UNIVERSITAS SRIWIJAYA

2013

Page 2: Coal Combustion Kelompok 2

Combustion

KONVERSI BATUBARA Page 2

Pendahuluan

Pada PLTU, batubara dibakar di boiler menghasilkan panas yang digunakan untuk

mengubah air dalam pipa yang dilewatkan di boiler tersebut menjadi uap, yang selanjutnya

digunakan untuk menggerakkan turbin dan memutar generator. Kinerja pembangkitan listrik

pada PLTU sangat ditentukan oleh efisiensi panas pada proses pembakaran batubara tersebut,

karena selain berpengaruh pada efisiensi pembangkitan, juga dapat menurunkan biaya

pembangkitan. Kemudian dari segi lingkungan, diketahui bahwa jumlah emisi CO2 per satuan

kalori dari batubara adalah yang terbanyak bila dibandingkan dengan bahan bakar fosil

lainnya, dengan perbandingan untuk batubara, minyak, dan gas adalah 5:4:3. Sehingga

berdasarkan uji coba yang mendapatkan hasil bahwa kenaikan efisiensi panas sebesar 1%

akan dapat menurunkan emisi CO2 sebesar 2,5%, maka efisiensi panas yang meningkat akan

dapat mengurangi beban lingkungan secara signifikan akibat pembakaran batubara. Oleh

karena itu, dapat dikatakan bahwa teknologi pembakaran (combustion technology) merupakan

tema utama pada upaya peningkatan efisiensi pemanfaatan batubara secara langsung sekaligus

upaya antisipasi isu lingkungan ke depannya.

Pada dasarnya metode pembakaran pada PLTU terbagi 3, yaitu pembakaran lapisan

tetap (fixed bed combustion), pembakaran batubara serbuk (pulverized coal combustion

/PCC), dan pembakaran lapisan mengambang (fluidized bed combustion / FBC

Page 3: Coal Combustion Kelompok 2

Combustion

KONVERSI BATUBARA Page 3

Tinjauan Pustaka

Pengertian Boiler

Boiler adalah bejana bertekanan dengan bentuk dan ukuran yang didesain untuk

menghasilkan uap panas atau steam. Steam dengan tekanan tertentu kemudian digunakan

untuk mengalirkan panas ke suatu proses.

Prinsip kerja dari boiler (Saturated steam) bisa dilihat pada gambar di bawah ini.

Gambar. Prinsip kerja boiler

1. Air Umpan setelah melalui proses pretreatment di softener atau air condensate

dipompakan ke economizer.

2. Di economizer terjadi pemanasan awal yang memanfaatkan panas buang di chimney.

Pemanasan awal dimaksudkan untuk meningkatkan efisiensi dari boiler.

3. Selanjutnya air umpan masuk ke dalam ketel tapi sebelumnya diberikan chemichal

sesuai dosis yang ditentukan.

Page 4: Coal Combustion Kelompok 2

Combustion

KONVERSI BATUBARA Page 4

4. Setelah itu air umpan yang mengalami pemanasan didalam ketel uap berubah fasa

menjadi steam dan siap didistribusikan.

5. Setelah steam berubah fasa kembali menjadi air (air condensat) maka bisa kembali

dipompakan kedalam ketel kembali. Air make up hanya digunakan untuk

menggantikan hilangnya air akibat proses blowdown.

Sistem Boiler

a) Sistem Air umpan

Air umpan adalah air yang disuplai ke boiler untuk dirubah menjadi steam. Sedangkan

sistem air umpan adalah sistem penyediaan air secara otomatis untuk boiler sesuai

dengan kebutuhan steam. Ada dua sumber Air umpan, yaitu:

Kondensat : steam yang telah berubah fasa menjadi air (mengembun)

Air make up : air baku yang sudah diolah

Untuk meningkatkan efisiensi boiler air umpan sebelum di suplai ke boiler dipanaskan

terlebih dahulu menggunakan limbah panas dari chimney.

b) Sistem Steam

Sistem steam adalah proses pengontrolan produksi steam dalam boiler, seperti:

kapasitas, pressure, dsb. Selanjutnya steam didistribusikan ke pengguna melalui jalur

perpipaan.

c) Sistem Bahan bakar

Sistem bahan bakar adalah semua equipment atau peralatan yang digunakan untuk

menyediakan bahan bakar boiler. Peralatan yang digunakan tergantung pada jenis

bahan bakar yang digunakan boiler.

Pembakaran Lapisan Tetap

Metode lapisan tetap menggunakan stoker boiler untuk proses pembakarannya.

Sebagai bahan bakarnya adalah batubara dengan kadar abu yang tidak terlalu rendah dan

berukuran maksimum sekitar 30mm. Selain itu, karena adanya pembatasan sebaran ukuran

butiran batubara yang digunakan, maka perlu dilakukan pengurangan jumlah fine coal yang

ikut tercampur ke dalam batubara tersebut. Alasan tidak digunakannya batubara dengan kadar

Page 5: Coal Combustion Kelompok 2

Combustion

KONVERSI BATUBARA Page 5

abu yang terlalu rendah adalah karena pada metode pembakaran ini, batubara dibakar di atas

lapisan abu tebal yang terbentuk di atas kisi api (traveling fire grate) pada stoker boiler. Bila

kadar abunya sangat sedikit, lapisan abu tidak akan terbentuk di atas kisi tersebut sehingga

pembakaran akan langsung terjadi pada kisi, yang dapat menyebabkan kerusakan yang parah

pada bagian tersebut. Oleh karena itu, kadar abu batubara yang disukai untuk tipe boiler ini

adalah sekitar 10 – 15%. Adapun tebal minimum lapisan abu yang diperlukan untuk

pembakaran adalah 5cm.

Gambar

Stoker Boiler

(Sumber: Idemitsu Kosan Co., Ltd)

Pada pembakaran dengan stoker ini, abu hasil pembakaran berupa fly ash jumlahnya

sedikit, hanya sekitar 30% dari keseluruhan. Kemudian dengan upaya seperti pembakaran

NOx dua tingkat, kadar NOx dapat diturunkan hingga sekitar 250 – 300 ppm. Sedangkan

untuk menurunkan SOx, masih diperlukan tambahan fasilitas berupa alat desulfurisasi gas

buang.

Page 6: Coal Combustion Kelompok 2

Combustion

KONVERSI BATUBARA Page 6

Pembahasan

A. Pulverised Coal Combustion (PCC)

Dalam sistem pulverised coal combustion (PCC – pembakaran serbuk batu

bara) ini, serbuk batu bara ditiupkan ke dalam ruang bakar ketel dan serbuk batu bara

tersebut di bakar pada suhu yang tinggi. Gas panas dan energi panas yang dihasilkan

mengubah air – dalam tabung-tabung ketel – menjadi uap. Uap tekanan tinggi

disalurkan ke dalam suatu turbin yang memiliki ribuan bilah baling-baling. Uap

mendorong bilah-bilah tersebut sehingga poros turbin berputar dengan kecepatan yang

tinggi.

Satu pembangkit listrik terpasang di salah satu ujung poros turbin dan terdiri

dari kumparan kabel terbuka. Listrik dihasilkan pada saat kumparan trsebut berputar

dengan cepat dalam suatu medan magnetik yang kuat. Setelah melewati turbin, uap

menjadi terkondensasi dan kembali ke ketel untuk dipanaskan sekali lagi. Listrik yang

dihasilkan ditransformasikan ke tegangan yang lebih tinggi – mencapai 400000 volt –

yang digunakan transmisi ekonomis yang efisien. melalui jaringan pengantar arus

kuat.

Pada saat mendekati titik konsumsi, seperti rumah kita, tegangan listrik

diturunkan ke sistem tegangan yang lebih aman 100- 250 volt sebagaimana yang

digunakan pada pasar domestik. Teknologi PCC yang moderen sudah berkembang

dengan baik dan memberikan kontribusi pada 90% dari kapasitas listrik yang

dibangkitkan oleh batu bara di seluruh dunia. Pengembangan terus dilakukan pada

rancangan pembangkit listrik PCC konvensional dan teknik pembakaran baru sedang

dikembangkan. Perkembangan tersebut memungkinkan produksi listrik yang lebih

banyak dengan menggunakan batu bara yang lebih sedikit – hal ini dikenal sebagai

meningkatkan efisiensi termal dari pembangkit listrik.

Page 7: Coal Combustion Kelompok 2

Combustion

KONVERSI BATUBARA Page 7

Gambar 1

Pulverised Coal Combustion (PCC)

Saat ini, kebanyakan PLTU terutama yang berkapasitas besar masih menggunakan

metode PCC pada pembakaran bahan bakarnya. Hal ini karena sistem PCC merupakan

teknologi yang sudah terbukti dan memiliki tingkat kehandalan yang tinggi. Upaya

perbaikan kinerja PLTU ini terutama dilakukan dengan meningkatkan suhu dan

tekanan dari uap yang dihasilkan selama proses pembakaran. Perkembangannya

dimulai dari sub critical steam, kemudian super critical steam, serta ultra super

critical steam (USC). Sebagai contoh PLTU yang menggunakan teknologi USC

adalah pembangkit no. 1 dan 2 milik J-Power di teluk Tachibana, Jepang, yang

boilernya masing – masing berkapasitas 1050 MW buatan Babcock Hitachi. Tekanan

uap yang dihasilkan adalah sebesar 25 MPa (254.93 kgf/cm2) dan suhunya mencapai

600℃/610℃ (1 stage reheat cycle). Perkembangan kondisi uap dan grafik peningkatan

efisiensi pembangkitan pada PCC ditunjukkan pada gambar 4 di di bawah ini.

Pada PCC, batubara diremuk dulu dengan menggunakan coal pulverizer (coal

mill) sampai berukuran 200 mesh (diameter 74μm), kemudian bersama – sama dengan

udara pembakaran disemprotkan ke boiler untuk dibakar. Pembakaran metode ini

sensitif terhadap kualitas batubara yang digunakan, terutama sifat ketergerusan

(grindability), sifat slagging, sifat fauling, dan kadar air (moisture content). Batubara

Page 8: Coal Combustion Kelompok 2

Combustion

KONVERSI BATUBARA Page 8

yang disukai untuk boiler PCC adalah yang memiliki sifat ketergerusan dengan HGI

(Hardgrove Grindability Index) di atas 40 dan kadar air kurang dari 30%, serta rasio

bahan bakar (fuel ratio) kurang dari 2. Pembakaran dengan metode PCC ini akan

menghasilkan abu yang terdiri diri dari clinker ash sebanyak 15% dan sisanya berupa

fly ash.

Gambar 5. PCC Boiler

(Sumber: Idemitsu Kosan Co., Ltd)

Ketika dilakukan pembakaran, senyawa Nitrogen yang ada di dalam batubara

akan beroksidasi membentuk NOx yang disebut dengan fuel NOx, sedangkan Nitrogen

pada udara pembakaran akan mengalami oksidasi suhu tinggi membentuk NOx pula

yang disebut dengan thermal NOx. Pada total emisi NOx dalam gas buang, kandungan

fuel NOx mencapai 80 – 90%. Untuk mengatasi NOx ini, dilakukan tindakan denitrasi

(de-NOx) di boiler saat proses pembakaran berlangsung, dengan memanfaatkan sifat

reduksi NOx dalam batubara.

Page 9: Coal Combustion Kelompok 2

Combustion

KONVERSI BATUBARA Page 9

Gambar 6. Proses denitrasi pada boiler PCC

(Sumber: Coal Science Handbook, 2005)

Pada proses pembakaran tersebut, kecepatan injeksi campuran batubara serbuk

dan udara ke dalam boiler dikurangi sehingga pengapian bahan bakar dan pembakaran

juga melambat. Hal ini dapat menurunkan suhu pembakaran, yang berakibat pada

menurunnya kadar thermal NOx.

Selain itu, sebagaimana terlihat pada gambar 6 di atas, bahan bakar tidak

semuanya dimasukkan ke zona pembakaran utama, tapi sebagian dimasukkan ke

bagian di sebelah atas burner utama. NOx yang dihasilkan dari pembakara utama

selanjutnya dibakar melalui 2 tingkat. Di zona reduksi yang merupakan pembakaran

tingkat pertama atau disebut pula pembakaran reduksi (reducing combustion),

kandungan Nitrogen dalam bahan bakar akan diubah menjadi N2. Selanjutnya,

dilakukan pembakaran tingkat kedua atau pembakaran oksidasi (oxidizing

combustion), berupa pembakaran sempurna di zona pembakaran sempurna. Dengan

tindakan ini, NOx dalam gas buang dapat ditekan hingga mencapai 150 – 200 ppm.

Sedangkan untuk desulfurisasi masih memerlukan peralatan tambahan yaitu alat

desulfurisasi gas buang.

B. Pulverised coal injection (PCI)

Suatu tanur tiup menggunakan bijih besi, kokas (dibuat dari batu bara kokas

khusus) dan sedikit batu gamping. Beberapa tanur menggunakan batu bara ketel uap

yang lebih murah – disebut pulverised coal injection (PCI – injeksi serbuk batu bara) –

untuk menghemat biaya. Bijih besi adalah mineral yang mengandung oksida besi.

Page 10: Coal Combustion Kelompok 2

Combustion

KONVERSI BATUBARA Page 10

Bijih besi komersial biasanya memiliki kandungan besi setidak-tidaknya 58%. Bijih

besi ditambang di sekitar 50 negara – tujuh negara penghasil bijih besi terbesar

memberikan kontribusi sekitar 75% dari produksi dunia.

Sekitar 98% bijih besi digunakan dalam pembuatan baja. Kokas terbuat dari

batu bara kokas, yang memiliki kandungan fisika tertentu yang membuat batu bara

menjadi lembut, mencair dan kemudian membeku kembali menjadi bongkahan keras

namun berpori pada saat dipanaskan tanpa udara. Batubara kokas harus selalu

memiliki kandungan sulfur dan fosfor yang rendah dan karena batu bara kokas relatif

langka, maka harganya lebih mahal daripada batu bara ketel uap yang digunakan pada

pembangkit listrik. Batu bara kokas diancurkan dan dicuci. Kemudian batu bara kokas

„dimurnikan‟ atau „dikarbonisasikan‟ dalam sejumlah tungku kokas yang disebut

baterai. Selama proses ini, hasil-hasil sampingan dibuang dan kokas diproduksi.

Tanur Tiup

Bahan mentah – bijih besi, kokas dan fluks (mineral-mineral seperti batu

gamping yang digunakan untuk menarik bahan-bahan campuran) – dimasukkan pada

bagian atas tanur tiup. Udara dipanaskan sampai sekitar 1200°C dan dihembuskan ke

dalam tanur melalui pipa yang berada di bagian bawah. Udara membuat kokas

terbakar sehingga menghasilkan karbon monoksida yang menimbulkan reaksi kimia.

Bijih besi dikurangi untuk meleburkan besi dengan mengeluarkan oksigen. Keran di

bagian dasar tanur dibuka secara berkala dan besi lebur serta terak logam dikeringkan.

Pada suatu basic oxygen furnace (BOF – Tanur oksigen dasar) dimasukkan potongan

baja dan batu gamping yang lebih banyak dan oksigen murni 99% ditiupkan pada

campuran tersebut. Reaksi dengan oksigen menaikkan suhu sampai 1700°C,

mengoksidasikan bahan-bahan campuran, dan meninggalkan baja cair yang hampir

murni. Sekitar 0,63 ton (630 kg) kokas akan menghasilkan 1 ton (1000 kg) baja.

Saat ini, basic oxygen furnace memproduksi sekitar 64% dari baja dunia.

Sekitar 33% baja diproduksi dalam electric arc furnace (EAF – tanur busur cahaya).

EAF digunakan untuk menghasilkan baja baru dari potongan-potongan logam. Jika

baja potongan telah tersedia, maka metode ini lebih murah daripada tanur tiup

konvensional. Electric arc furnace mendapat daya dari baja potongan dan besi.

Elektroda dipasang pada tanur dan pada saat listrik dialirkan, maka elektorda tersebut

akan menghasilkan busur listrik. Energi yang diperoleh dari busur tersebut akan

menaikkan suhu sampai 1600°C, yang melelehkan potongan-potongan baja dan

Page 11: Coal Combustion Kelompok 2

Combustion

KONVERSI BATUBARA Page 11

menghasilkan baja lebur. Listrik yang digunakan pada EAF banyak yang dihasilkan

oleh Batu bara. Perkembangan dalam industri baja memungkinan untuk menggunakan

teknologi „injeksi bubuk batubara‟. Teknologi demikian memungkinkan batu bara

untuk langsung diinjeksikan ke dalam tanur tiup. Berbagai ragam batu bara, termasuk

batu bara ketel uap dapat dalam PCI. Baja dapat didaur ulang 100%, dimana sekitar

383 Jt dari baja daur ulang digunakan pada tahun 2003 dan sekitar 400 Jt digunakan

pada tahun 2004. Proses BOF menggunakan baja daur ulang sebanyak 30% dan

sekitar 90-100% digunakan dalam produksi EAF. Hasil-hasil sampingan dari

pembuatan besi dan baja juga bisa didaur ulang – kerak logam misalnya, dapat

dipadatkan, dihancurkan dan digunakan dalam adukan tanah, permukaan jalan dan

semen.

Gambar 2

Pulverised coal injection (PCI)

C. Fluidized Bed Combustion

Sistem Fluidized bed Combustion ini menggunakan bahan bakar yang mudah

terbakar seperti batubara, kertas, sekam padi, serpihan kayu (saw dust), cangkang

sawit. Memerlukan pasir silica sebagai media untuk menyimpan panas. Hembusan

angin dari FDF Force Draft Fan akan melewati furnace nozzle akan menggerakkan

pasir silica yang bercampur dengan batubara yang terbakar sehingga menimbulkan

panas yang menyerupa lava dan bergerak naik turun sesuai dengan tekanan angin yang

telah di atur sedemikian rupa.

Page 12: Coal Combustion Kelompok 2

Combustion

KONVERSI BATUBARA Page 12

Dengan menggunakan metode bubling makan panas di dalam dapur hingga

sampai temperature 700 - 950 derajat celcius. Panas di dalam furnace di kontrol oleh

FBC tube sehingga temperatur didalam furnace maksimal 900-1000 derajat celcius.

Sehingga terhindar dari terbentuknya NOx yang berbahaya bagi lingkungan.

Dengan terjaganya suhu dalam temperatur rendah sehingga pasir silca dan abu

pembakaran tidak akan meleleh. Apabila sampai meleleh hal ini menyebabkan

pengerasan atau membatu sehingga operasi boiler berhenti. Pada sistem ini di lengkapi

Silica Sand Vibrator yang berfungsi untuk menyaring kotoran di dalam dapur dengan

pasir silica dan di masukkan kembali dengan otomatis tanpa boiler berhenti.

Gambar 3

Fluidized Bed Combustion

Page 13: Coal Combustion Kelompok 2

Combustion

KONVERSI BATUBARA Page 13

Keunggulan Boiler dengan system Fluidized Bed Combustion :

1. Pembakaran sempurna ( Perfect Combustion ).

System FBC adalah system pembakaran yang tertutup, sehingga seluruh

batubara yang masuk ke dalam dapur api akan terbakar sempurna ( 100 % ),

sebelum habis terbakar batubara akan terperangkap di dalam pasir silica yang

bergerak, dengan demikian efficiency boiler menjadi tinggi.

2. Batu bara yang digunakan dalam system FBC sangat flexible

Menggunakan batubara rendah kalori, dengan ukuran 0 ~ 15 mm. Spesifikasi

Batu bara tersebut adalah yang paling murah dan paling banyak tersedia di

indonesia.

3. Tidak ada mechanical yang bergerak

Dalam system FBC tidak ada mechanical yang bergerak dalam dapur api yang

sangat panas.

4. Temperature pembakaran yang rendah.

Design temperature System FBC kami adalah maksimum 950 °C, karakteristik

Batu bara Indonesia, abu dari batubara akan mulai berubah bentuk atau

meleleh pada suhu 1050 °C sehingga dengan design yang kami tawarkan tidak

akan terjadi “Melting Ash” atau kandungan abu batubara yang meleleh. Dan juga

pembakaran suhu rendah dapat menghindari terbentuknya NOx, NOx baru akan

terbentuk pada suhu 1000°C.

5. Pemasukan Batubara

Dalam system FBC, Batubara dimasukan kedalam ruang bakar sedikit demi

sedikit menggunakan screw conveyor komposisi batubara adalah 5 % dan 95 %

lainnya adalah pasir silica, sehingga sangat mudah untuk melakukan control bila

terjadi Fluktuasi pada pemakaian uap di pabrik dengan mengatur kecepatan pada

screw conveyor.

6. Investasi Cepat Kembali

Dengan menggunakan Boiler sistem Fluidized Bad Combustion (FBC)

efisiensi pemakaian batu bara sangat tinggi, sehingga biaya produksi industri akan

lebih rendah dibandingkan dengan Boiler dengan bahan bakar minyak (BBM)

Page 14: Coal Combustion Kelompok 2

Combustion

KONVERSI BATUBARA Page 14

Pada pembakaran dengan metode FBC, batubara diremuk terlebih dulu dengan

menggunakan crusher sampai berukuran maksimum 25mm. Tidak seperti pembakaran

menggunakan stoker yang menempatkan batubara di atas kisi api selama pembakaran

atau metode PCC yang menyemprotkan campuran batubara dan udara pada saat

pembakaran, butiran batubara dijaga agar dalam posisi mengambang, dengan cara

melewatkan angin berkecepatan tertentu dari bagian bawah boiler. Keseimbangan

antara gaya dorong ke atas dari angin dan gaya gravitasi akan menjaga butiran

batubara tetap dalam posisi mengambang sehingga membentuk lapisan seperti fluida

yang selalu bergerak. Kondisi ini akan menyebabkan pembakaran bahan bakar yang

lebih sempurna karena posisi batubara selalu berubah sehingga sirkulasi udara dapat

berjalan dengan baik dan mencukupi untuk proses pembakaran.

Karena sifat pembakaran yang demikian, maka persyaratan spesifikasi bahan

bakar yang akan digunakan untuk FBC tidaklah seketat pada metode pembakaran yang

lain. Secara umum, tidak ada pembatasan yang khusus untuk kadar zat terbang

(volatile matter), rasio bahan bakar (fuel ratio) dan kadar abu. Bahkan semua jenis

batubara termasuk peringkat rendah sekalipun dapat dibakar dengan baik

menggunakan metode FBC ini. Hanya saja ketika batubara akan dimasukkan ke

boiler, kadar air yang menempel di permukaannya (free moisture) diharapkan tidak

lebih dari 4%. Selain kelebihan di atas, nilai tambah dari metode FBC adalah alat

peremuk batubara yang dipakai tidak terlalu rumit, serta ukuran boiler dapat diperkecil

dan dibuat kompak.

Bila suhu pembakaran pada PCC adalah sekitar 1400 – 1500℃, maka pada FBC,

suhu pembakaran berkisar antara 850 – 900℃ saja sehingga kadar thermal NOx yang

timbul dapat ditekan. Selain itu, dengan mekanisme pembakaran 2 tingkat seperti pada

PCC, kadar NOx total dapat lebih dikurangi lagi.

Kemudian, bila alat desulfurisasi masih diperlukan untuk penanganan SOx pada

metode pembakaran tetap dan PCC, maka pada FBC, desulfurisasi dapat terjadi

bersamaan dengan proses pembakaran di boiler. Hal ini dilakukan dengan cara

mencampur batu kapur (lime stone, CaCO3) dan batubara kemudian secara bersamaan

dimasukkan ke boiler. SOx yang dihasilkan selama proses pembakaran, akan bereaksi

dengan kapur membentuk gipsum (kalsium sulfat). Selain untuk proses desulfurisasi,

batu kapur juga berfungsi sebagai media untuk fluidized bed karena sifatnya yang

lunak sehingga pipa pemanas (heat exchanger tube) yang terpasang di dalam boiler

tidak mudah aus.

Page 15: Coal Combustion Kelompok 2

Combustion

KONVERSI BATUBARA Page 15

Gambar . Tipikal boiler FBC

(Sumber: Coal Science Handbook, 2005)

Berdasarkan mekanisme kerja pembakaran, metode FBC terbagi 2 yaitu

Bubbling FBC dan Circulating FBC (CFBC), seperti ditampilkan pada gambar 7 di

atas. Dapat dikatakan bahwa Bubbling FBC merupakan prinsip dasar FBC, sedangkan

CFBC merupakan pengembangannya.

Pada CFBC, terdapat alat lain yang terpasang pada boiler yaitu cyclone suhu

tinggi. Partikel media fluidized bed yang belum bereaksi dan batubara yang belum

terbakar yang ikut terbang bersama aliran gas buang akan dipisahkan di cyclone ini

untuk kemudian dialirkan kembali ke boiler. Melalui proses sirkulasi ini, ketinggian

fluidized bed dapat terjaga, proses denitrasi dapat berlangsung lebih optimal, dan

efisiensi pembakaran yang lebih tinggi dapat tercapai. Oleh karena itu, selain batubara

berkualitas rendah, material seperti biomasa, sludge, plastik bekas, dan ban bekas

dapat pula digunakan sebagai bahan bakar pada CFBC. Adapun abu sisa pembakaran

hampir semuanya berupa fly ash yang mengalir bersama gas buang, dan akan

ditangkap lebih dulu dengan menggunakan Electric Precipitator sebelum gas buang

keluar ke cerobong asap (stack).

Page 16: Coal Combustion Kelompok 2

Combustion

KONVERSI BATUBARA Page 16

Gambar 8. CFBC Boiler

(Sumber: Idemitsu Kosan Co., Ltd)

Pada FBC, bila tekanan di dalam boiler sama dengan tekanan udara luar, disebut

dengan Atmospheric FBC (AFBC), sedangkan bila tekanannya lebih tinggi dari pada

tekanan udara luar, sekitar 1 MPa, disebut dengan Pressurized FBC (PFBC).

Faktor tekanan udara pembakaran memberikan pengaruh terhadap

perkembangan teknologi FBC ini. Untuk Bubbling FBC berkembang dari PFBC

menjadi Advanced PFBC (A-PFBC), sedangkan untuk CFBC selanjutnya berkembang

menjadi Internal CFBC (ICFBC) dan kemudian Pressurized ICFBC (PICFBC).

PFBC

Pada PFBC, selain dihasilkan panas yang digunakan untuk memanaskan air

menjadi uap untuk memutar turbin uap, dihasilkan pula gas hasil pembakaran yang

memiliki tekanan tinggi yang dapat memutar turbin gas, sehingga PLTU yang

menggunakan PFBC memiliki efisiensi pembangkitan yang lebih baik dibandingkan

dengan AFBC karena mekanisme kombinasi (combined cycle) ini. Nilai efisiensi bruto

pembangkitan (gross efficiency) dapat mencapai 43%.

Sesuai dengan prinsip pembakaran pada FBC, SOx yang dihasilkan pada PFBC

dapat ditekan dengan mekanisme desulfurisasi bersamaan dengan pembakaran di

dalam boiler, sedangkan NOx dapat ditekan dengan pembakaran pada suhu relatif

rendah (sekitar 860℃) dan pembakaran 2 tingkat. Karena gas hasil pembakaran masih

dimanfaatkan lagi dengan mengalirkannya ke turbin gas, maka abu pembakaran yang

ikut mengalir keluar bersama dengan gas tersebut perlu dihilangkan lebih dulu.

Pemakaian CTF (Ceramic Tube Filter) dapat menangkap abu ini secara efektif.

Page 17: Coal Combustion Kelompok 2

Combustion

KONVERSI BATUBARA Page 17

Kondisi bertekanan yang menghasilkan pembakaran yang lebih baik ini secara

otomatis akan menurunkan kadar emisi CO2 sehingga dapat mengurangi beban

lingkungan.

Gambar 9. Prinsip kerja PFBC

(Sumber: Coal Note, 2001)

Untuk lebih meningkatkan efisiensi panas, unit gasifikasi sebagian (partial

gasifier) yang menggunakan teknologi gasifikasi lapisan mengambang (fluidized bed

gasification) kemudian ditambahkan pada unit PFBC. Dengan kombinasi teknologi

gasifikasi ini maka upaya peningkatan suhu gas pada pintu masuk (inlet) turbin gas

memungkinkan untuk dilakukan.

Pada proses gasifikasi di partial gasifier tersebut, konversi karbon yang dicapai

adalah sekitar 85%. Nilai ini dapat ditingkatkan menjadi 100% melalui kombinasi

dengan pengoksidasi (oxidizer). Pengembangan lebih lanjut dari PFBC ini dinamakan

dengan Advanced PFBC (A-PFBC), yang prinsip kerjanya ditampilkan pada gambar

10 di bawah ini. Efisiensi netto pembangkitan (net efficiency) yang dihasilkan pada A-

PFBC ini sangat tinggi, dapat mencapai 46%.

Page 18: Coal Combustion Kelompok 2

Combustion

KONVERSI BATUBARA Page 18

Gambar 10. Prinsip kerja A-PFBC

(Sumber: Coal Science Handbook, 2005)

ICFBC

Penampang boiler ICFBC ditampilkan pada gambar 11 di bawah ini.

Gambar 11. Penampang boiler ICFBC

(Sumber: Coal Note, 2001)

Seperti terlihat pada gambar, ruang pembakaran utama (primary combustion

chamber) dan ruang pengambilan panas (heat recovery chamber) dipisahkan oleh

dinding penghalang yang terpasang miring. Kemudian, karena pipa pemanas (heat

exchange tube) tidak terpasang langsung pada ruang pembakaran utama, maka tidak

ada kekhawatiran terhadap keausan pipa sehingga pasir silika digunakan sebagai

pengganti batu kapur untuk media FBC. Batu kapur masih tetap digunakan sebagai

bahan pereduksi SOx, hanya jumlahnya ditekan sesuai dengan keperluan saja.

Di bagian bawah ruang pembakaran utama terpasang windbox untuk

mengalirkan angin ke boiler, dimana angin bervolume kecil dialirkan melalui bagian

Page 19: Coal Combustion Kelompok 2

Combustion

KONVERSI BATUBARA Page 19

tengah untuk menciptakan lapisan bergerak (moving bed) yang lemah, dan angin

bervolume besar dialirkan melewati kedua sisi windbox tersebut untuk menimbulkan

lapisan bergerak yang kuat. Dengan demikian maka pada bagian tengah ruang

pembakaran utama akan terbentuk lapisan bergerak yang turun secara perlahan,

sedangkan pada kedua sisi ruang tersebut, media FBC akan terangkat kuat ke atas

menuju ke bagian tengah ruang pembakaran utama dan kemudian turun perlahan –

lahan, dan kemudian terangkat lagi oleh angin bervolume besar dari windbox. Proses

ini akan menciptakan aliran berbentuk spiral (spiral flow) yang terjadi secara kontinyu

pada ruang pembakaran utama. Mekanisme aliran spiral dari media FBC ini dapat

menjaga suhu lapisan mengambang supaya seragam. Selain itu, karena aliran tersebut

bergerak dengan sangat dinamis, maka pembuangan material yang tidak terbakar juga

lebih mudah.

Kemudian, ketika media FBC yang terangkat kuat tersebut sampai di bagian atas

dinding penghalang, sebagian akan berbalik menuju ke ruang pengambilan panas.

Karena pada ruang pengambilan panas tersebut juga dialirkan angin dari bagian

bawah, maka pada ruang tersebut akan terbentuk lapisan bergerak yang turun perlahan

juga. Akibatnya, media FBC akan mengalir dari ruang pembakaran utama menuju ke

ruang pengambilan panas kemudian kembali lagi ke ruang pembakaran utama,

membentuk aliran sirkulasi (circulating flow) di antara kedua ruang tersebut.

Menggunakan pipa pemanas yang terpasang pada ruang pengambilan panas, panas

dari ruang pembakaran utama diambil melalui mekanisme aliran sirkulasi tadi.

Secara umum, perubahan volume angin yang dialirkan ke ruang pengambilan

panas berbanding lurus dengan koefisien hantar panas secara keseluruhan. Dengan

demikian maka hanya dengan mengatur volume angin tersebut, tingkat keterambilan

panas serta suhu pada lapisan mengambang dapat dikontrol dengan baik, sehingga

pengaturan beban dapat dilakukan dengan mudah pula.

Untuk lebih meningkatkan kinerja pembangkitan, proses pada ICFBC kemudian

diberi tekanan dengan cara memasukkan unit ICFBC ke dalam wadah bertekanan

(pressurized vessel), yang selanjutnya disebut dengan Pressurized ICFBC (PICFBC).

Dengan mekanisme ini maka selain uap air, akan dihasilkan pula gas hasil pembakaran

bertekanan tinggi yang dapat digunakan untuk memutar turbin gas sehingga

pembangkitan secara kombinasi (combined cycle) dapat diwujudkan.

Page 20: Coal Combustion Kelompok 2

Combustion

KONVERSI BATUBARA Page 20

Kesimpulan

Pada sebuah boiler dengan bahan bakar batubara, sistem kontrol pembakaran

yang ada menjadi satu hal yang sangat krusial. Untuk memaksimalkan efisiensi

operational, proses pembakaran harus diatur secara akurat, sehingga bahan bakar yang

digunakan harus pada jumlah yang tepat sesuai dengan kebutuhan uap air. Selain itu,

proses pembakaran harus dilakukan dengan aman, sehingga tidak membahayakan para

pekerja, pabrik, serta lingkungan sekitar.

Jumlah batubara dengan udara sehingga didapatkan proses pembakaran yang

sempurna di dalamfurnace boiler diatur sesuai dengan air-fuel ratio teoritis. Namun

secara prakteknya, untuk mendapatkan pembakaran yang sempurna tersebut tidaklah

mudah. Karena faktor kerugian dari proses pembakaran tidak mungkin dapat dihindari.

Yang dapat dilakukan yaitu mengatur proses pembakaran dengan menekan serendah-

rendahnya kerugian/losses yang mungkin terjadi.

Ada dua faktor kerugian yang muncul pada saat proses pembakaran batubara

dilakukan. Jika jumlah udara (oksigen) kurang dari kebutuhan pembakaran, maka

jumlah bahan bakar yang tidak terbakar akan semakin banyak sehingga terbuang sia-

sia melalui cerobong (stack). Namun jika sebaliknya, jumlah oksigen semakin banyak

yang ditandai dengan jumlah excess air juga semakin banyak, maka akan semakin

banyak pula energi panas yang ikut terbuang keluar karena diserap oleh excess

airtersebut. Kerugian yang kedua ini sering disebut dengan heat loss. Oleh karena

adanya dua macam kerugian inilah maka dicari kerugian total yang paling rendah.

Untuk lebih memahami kerugian-kerugian dari proses pembakaran batubara tersebut

mari kita perhatikan grafik di bawah ini. Sesuai dengan grafik tersebut kerugian total

yang paling rendah, didapatkan pada jumlah excess air “A”.

Page 21: Coal Combustion Kelompok 2

Combustion

KONVERSI BATUBARA Page 21

Heat Losses dan Unburned Losses Pada Furnace

Berikut adalah contoh sistem-sistem kontrol proses pembakaran batubara pada

boiler mulai dari yang paling sederhana hingga yang kompleks:

1. Sistem Kontrol Paralel

Cara yang paling sederhana dalam mengontrol proses pembakaran batubara

adalah dengan mengatur jumlah batubara dan udara yang masuk ke boiler secara

paralel. Jumlah batubara yang masuk ke dalam boiler diatur oleh sebuah control

valve sedangkan jumlah udara diatur oleh damper, keduanya dihubungkan secara

mekanikal sehingga setiap perubahan jumlah batubara yang masuk akan selalu diikuti

oleh jumlah udara yang masuk ke boiler.

Sistem Kontrol Paralel Pembakaran Batubara

Page 22: Coal Combustion Kelompok 2

Combustion

KONVERSI BATUBARA Page 22

Sistem kontrol ini cocok digunakan pada boiler-boiler berukuran kecil. Dan akan

semakin tidak cocok jika digunakan pada boiler yang berukuran semakin besar.

Kelemahan mendasar dari sistem kontrol ini adalah adanya asumsi bahwa jumlah dari

batubara dan udara yang masuk ke boiler adalah konstan sesuai dengan yang

diharapkan, jika posisi control valve dan damper pada posisi tertentu. Sehingga

jumlah excess air serta jumlah aktual batubara yang masuk ke boiler tidak diketahui

secara tepat.

2. Flow Ratio Control

Pada sistem kontrol yang kedua ini, digunakan sensor pembacaan debit aliran

udara dan bahan bakar sebagai input untuk mengontrol jumlah udara yang masuk ke

boiler. Sistem kontrol ini juga menggunakan persamaan teoritis untuk memproses

sinyal input dari debit aliran batubara sehingga didapatkan kontrol udara yang lebih

mendekati teoritis.

Flow Ratio Control

Sistem kontrol ini disebut dengan sistem kontrol fuel-lead, karena sistem ini

menjadikan debit batubara sebagai nilai acuan untuk mengatur besar aliran udara yang

akan masuk ke boiler. Pada sistem ini perintah utama kebutuhan pembakaran batubara

yang diatur oleh master demand, dikirimkan hanya kepada control valve batubara.

Kebalikan dari sistem ini adalah sistem air-lead, dimana debit aliran udara menjadi

nilai acuan sistem kontrol.

Page 23: Coal Combustion Kelompok 2

Combustion

KONVERSI BATUBARA Page 23

3. Sistem Kontrol Bersilangan

Sistem kontrol ini mirip dengan sistem kontrol paralel, hanya saja sudah

dipergunakannya sensor pembacaan debit aliran batubara dan udara sebagai

sinyal feed-forward. Masing-masing sistem kontrol bahan bakar dan udara

mendapatkan sinyal perintah utama dari master demand, namun nilai kontrol-nya

masih dipengaruhi juga oleh kondisi aktual debit aliran batubara dan udara. Hasil akhir

dari sistem kontrol ini adalah diharapkan terjadi proses pembakaran yang lebih

responsif untuk perubahan nilai beban boiler serta lebih akurat.

Sistem Kontrol Bersilangan

4. Penggunaan Sensor Excess Air

Satu parameter yang dapat digunakan untuk lebih mempresisikan sistem kontrol

pembakaran batubara pada boiler adalah jumlah excess air pada gas buang hasil

pembakaran. Pembacaan excess air pada gas buang menggunakan oxygen analyzer.

Pembacaan excess air digunakan sebagai sinyal feed forwardpada sistem kontrol

pembakaran batubara.

Page 24: Coal Combustion Kelompok 2

Combustion

KONVERSI BATUBARA Page 24

Pembacaan Excess Air Sebagai Sinyal Input Sistem Kontrol

5. Penggunaan Sensor Gas Buang Lainnya

Sistem kontrol pembakaran batubara pada boiler yang terakhir adalah dengan

melibatkan parameter-parameter lain selain excess air. Salah satu parameter penting

tersebut adalah gas karbon monoksida. Kandungan karbon monoksida dalam gas

buang menunjukkan jumlah gas yang tidak terbakar di ruang bakar. Sehingga sistem

kontrol ini secara nyata berusaha untuk meminimalisir kerugian terbuangnya bahan

bakar yang tidak dapat dibakar, serta kerugian (heat loss) akibat excess air yang terlalu

besar.

Pembacaan Gas CO dan O2 Pada Sistem Kontrol Pembakaran Batubara

Page 25: Coal Combustion Kelompok 2

Combustion

KONVERSI BATUBARA Page 25

Pustaka

1. Li, K. W.,Priddy.(1985).”Power Plant System”. John Wiley & Sons, Inc.

2. Van Kievelen, D, W.,(1993). “ Coal Typology – Physic – Chemistry – Constituation”.

Elsevier, Inc.

3. Decker, Jr.,H.W.,and Hoff (1963). “Coal Preparation vol.1”. The Pennsylvania Statet

University.