217400645 proses klinkerisasi versi printout

8/10/2019 217400645 Proses Klinkerisasi Versi Printout

1/46

Proses Klinkerisasi

Tinjauan Aspek Material dan Proses di Kiln System

Course/06.05/Lusy Widowati


2/46

Proses Pembentukan Klinker

1. Pendahuluan

2. Reaksi Klinkerisasi

3. Mekanisme Reaksi

4. Kinetika Reaksi

5. Thermodinamika Pembentukan Klinker

6. Aspek Proses


3/46

Klinker adalah batuan buatan yang dihasilkan dariproses pemanasan raw meal di dalam kiln pada suhusekitar 1400 oC. Selama proses pemanasan di dalamSelama proses pemanasan di dalam

kiln, akan terjadi reaksi fisika dan kimia secarakiln, akan terjadi reaksi fisika dan kimia secarabersamaan dan interaksi antar molekul membentukbersamaan dan interaksi antar molekul membentuksenyawa klinker senyawa klinker

Overview

Klinker


4/46

Mengapa belajar proses burning di kiln system ?

Kondisi operasi kiln normalPengaruh komposisi kimia, fineness dan mineralogi raw

mixPengaruh bahan lainnyaPengaruh kondisi operasi di kiln system

Kondisi operasi kiln abnormal

Mengetahui penyebab unburned klinker

Untuk memahami pengaruh kondisi operasi terhadapkualitas klinker yang dihasilkan


5/46

Transformasi Kimia Pembentukan Klinker

Mineral Alam MineralSynthetic Hydraulic

(T), (P)

Time (t)

Raw Material Klinker


6/46

Transformasi Raw Mix menjadi Klinker

1

Disintegrasi struktur awal

Pecah & giling

Dekomposisi panas

Perubahan struktur

2

Pembentukan struktur baru

Produk Intermediate

Pertumbuhan mineral klinker

Kristalisasi fasa liquid


7/46

Proses Klinkerisasi

Sistem reaksi yang kompleks

Membutuhkan energi tinggi

Laju reaksi rendah

Mineral klinker tidak stabil pada temperatur ambien

Kualitas klinker ditentukan oleh :

Komposisi kimia klinker

Mikrostruktur klinker


8/46

Klasifikasi reaksi

Classification according to the state of matter:

solid - solid quartz and free CaO belite

solid - liquid liquid phase crystallisation

aluminate + ferritesolid - gas CaCO 3 CaO + CO 2

Mekanisme reaksi


9/46

Mekanisme reaksi

Klasifikasi reaksi kimia di dalam kiln

perubahan struktur high quartz low quartz

dekomposisi CaCO3

CaO + CO2

kombinasi 2CaO + SiO 2 C 2S


10/46

1

Kontrol Proses Pembakaran

Aspek Material

Burnability raw mealCoatingGranulasi klinker dsb

Jumlah dan sifat fasa liquid

Aspek Proses

Temperatur burning

Atmosfir kilnType bahan bakar

Karakteristik flame

dsb


11/46

1

Reaksi Klinkerisasi

Untuk memberi gambaran proses klinkerisasi, hal-halyang perlu dipertimbangkan :

Komposisi kimia dan mineralogi raw mix

Sekuen reaksi

Aspek proses yang berpengaruh


12/46

1

L.o.I. 35.5 33.8 37.3

SiO 2 14.4 12.8 16.0 Al2O 3 3.2 2.4 4.6Fe 2O 3 1.8 1.0 3.8

CaO 42.4 39.0 44.2SO 3 0.37 0.08 1.1Na 2O 0.17 0.04 0.58

LS 94.0 85.4 103.4SR 2.9 1.8 3.9

AR 1.9 0.7 3.2

Komposisi kimia raw mix

Parameter x x min. x max.


13/46

1

Fluktuasi 1% CaO di dalam raw mix akanmenyebabkan variasi C3S di dalam klinker sekitar10 14 %

Komposisi kimia raw mix


14/46

1

Komposisi Kimia Raw Mix vs T klinkerisasi


15/46

1

alite + belite+

melt (1450C)

reactants + products+

intermediate products(450 - 1300C)

Raw mixture(20C)

cooledclinker

Sekuen reaksi klinkerisasi


16/46

1

Sekuen Reaksi Klinkerisasi

Heating (C)

20 - 100 Evaporation of H 2O

100 - 300 Loss of physically adsorbed water 400 - 900 Removal of structural H 2O (H 2O and OH groups)from clay minerals

>500 Structural changes in silicate minerals

600 - 900 Dissociation of carbonates>800 Formation of belite, intermediate products, aluminateand ferrite

>1250 Formation of liquid phase (aluminate and ferrite melt)

~1450 Completion of reaction and growth of aliteand belite

Cooling (C)

1300 - 1240 Crystallization of liquid phase into mainly aluminateand ferrite


17/46

1

Thermodinamika Pembentukan Klinker

Selama proses pembentukan klinker, panas diserap ( endothermicdan dihasilkan ( exothermic ).

Temp. (C) Type of Reaction Heat Change

20 - 100 Evaporation of free H 2 O Endothermic100 - 300 Loss of physically adsorbed H 2O Endothermic

400 - 900 Removal of structural H 2O Endothermic(H2O, OH groups from clay minerals)600 - 900 Dissociation of CO 2 from carbonate Endothermic

> 800 Formation of intermediate products, belite,aluminate and ferrite Exothermic

> 1250 Formation of liquid phase Endothermic(aluminate and ferrite melt)Formation of alite Exothermic

1300 - 1240 Crystallization of liquid phase into mainly

(cooling cycle) aluminate and ferrite Exothermic


18/46

1

Endothermic processes kJ/kg clinker dehydration of clays 170decarbonization of calcite 1990heat of melting 105heating of raw materials 0 - 1450 C 2050Total endothermic 4315

Exothermic processes kJ/kg clinker crystallization of dehydrated clay -40heat of formation of clinker minerals -420crystallization of melt -105cooling of clinker -1400cooling of CO 2 (ex calcite) -500cooling of H 2O (ex clays) -85Total exothermic -2550

Net theoretical heat of clinker formation + 1765

Thermodinamika Pembentukan Klinker


19/46

1Preheater Precalciner Kiln

32001900550

PREHEATING

SINTERINGCALCINING

COOLING

Zona di Kiln System


20/46

2

C a CO

O

O C a C

O

O

O

+>800 C

CaCO 3 CaO + CO 2

Reaksi Kalsinasi


21/46

2

O S i O

C a O

C a O

C a O

O

C a

+

C a O

C a O

O S i O

2CaO + SiO 2 2CaOSiO 2 = C

Free Lime

(Belite)

Reaksi Pembentukan Belite (C2S)


22/46

2

Laju Reaksi tergantung dari :

Kontak permukaan antar reaktanDiffusi ion CaO

Pembentukan Belite (C2S)

700 - 1200C2 CaCO 3 + SiO 2 > C 2S + CO 2Calcite Quartz Belite Carbon Dioxide

Reaksi solid/solid


23/46

2

Pembentukan Alite (C3S)

>1250CC 2S + CaO C 3S

liquid fluxaO

liquid fl

C 3S C 3SC 2S


24/46

2

Pembentukan Alite (C3S)

Reaksi Kombinasi

pada T > 1250 C , pada temperatur ini fasa liquid ikutterbentuk. Merupakan reaksi liquid - solid

Pembentukan alite dan stabilitasnya tergantung pada

keberadaan fasa liquid.Laju reaksi tergantung pada :

Jarak antar speciesJumlah dan viskositas fasa liquid

C 2S + CaO C 3S>1250 C

liquid phase


25/46

2

Fasa Liquid

Lelehan yang terbentuk selama prosespembentukan klinker Tempat reaksi CaO dengan C2S membentuk C3SSebagai pembentuk coating

Batasan nilai fasa cair 23 - 28 %, idealnya 25 - 27 %


26/46

2

< 23 % :

Klinker dusty (terlalu halus)

Gejala sirkulasi alkali meningkatPembentukan dust ring di zona transisi

Fasa Liquid

> 28 % :Klinker cenderung keras

Serangan terhadap bata basic di burning zone


27/46

2

Fasa Liquid

Komposisi kimia raw mix menentukan :

jumlah fasa liquid yang terbentuk pada temperatur ttt

Sifat-sifat fisik fasa liquid pada sebarang temperatur,terutama viscositasnya


28/46

2

Fasa Liquid


29/46

2

Meskipun pembentukan fasa liquid pertama kalinya terjadi pada titik

temperatur (eutectic point) yang hampir sama, namun pada

temperatur yang lebih tinggi jumlah dan sifat fasa liquid sangat

tergantung pada komposisi kimia raw mix.

Pada proses klinkerisasi, sistem C - S - A - F membentuk fasaliquid pada temperatur 1338 C, dengan komposisi :

CaO - 55 %

SiO 2 - 6 % Alumina ratio Al2O 3 - 22 % (AR) = 1.38

Fe 2O 3 - 16 %

Fasa Liquid


30/46

3

Memperkirakan Jumlah Fasa Liquid

1338 oC = 6.1 Fe 2O 3 + MgO + Na 2O + K 2O jika AR 1.3

8.2 Al2O

3 5.22 Fe

2O

3+ MgO + Na

2O + K

2O jika AR 1.38

1450 oC = 3.0 Al 2O 3 + 2.25 Fe 2O 3 + MgO + Na 2O + K 2O utk MgO 2

Jumlah fasa liquid pada temperatur 1400 C umumnya : 20 s/d 30 %dry: up to 23 %normal: 23 27 %

wet: more than 27 %

1400 oC = 2.95 Al 2O 3 + 2.2 Fe 2O 3 + MgO + Na 2O + K 2O for MgO 2 %

Perhitungan menurut LEA & PARKER


31/46

3

Viscositas Fasa Liquid

Viscositas fasa liquid berkurang dengan adanya fluxagen sebagai berikut :

Na 2O < CaO < MgO < Fe 2O 3 < MnO


32/46

3

Ayakan (sieves) yang dirujuk untuk tes granulasi:1, 5, 8, 16 mmKriteria dusty clinker: > 25 % lolos ayakan 1 mmStandar granulasi klinker :

max.

30.9

53.564.1

92.4

min.

0.4

15.124.9

59.1

x

10.2

32.846.7

74.5

1

58

16

Passing (%)Sieve opening (mm)

Granulasi Klinker


33/46

3

Efek dusty clinker:

Operasi kiln (heat transfer dari flame)Operasi cooler operation (transport)

Faktor kimia yang memiliki kecenderungan menaikkan

dusty clinker:Fasa liquid sedikit : < 23 % (SR > 2.8)LS tinggi : LS > 98

Kandungan SO 3 tinggi : SO 3 > 1.3(Tentative)

Granulasi Klinker


34/46

3

Efek clinker balls

Temperatur klinker masih tinggi pada cooler outletOperasi cooler

Faktor kimia yang memiliki kecenderungan menaikkanclinker balls

Fasa liquid > (> 27 %), viscositas > (AR > 2.2)(Tentative)

Granulasi Klinker


35/46

3

Apa yang dapat menghasilkan klinker yang baik ?

1. Komposisi kimia raw meal

2. Raw Meal Fineness

3. Kondisi pembakaran yang baik:temperaturewaktuatmosphere (oxidizing)cooling

Burnability


36/46

3

Kinetika Reaksi

raw mix(1 - )

clinker

kT

RT Ea

T Aek

=

kT = konstanta reaksi pada temperatur T

T = temperatur reasi A = frequency factor

R = konstanta gas E a = energi aktivasi

Persamaan Arrhenius

Konsekuensi teoretis :Laju reaksi akan meningkat dengan kenaikan T (biaya!)Laju reaksi turun dengan kenaikan energi aktivasi(tergantung pada mineralogi raw mix)Laju reaksi naik dengan kenaikan A (misal partikel lebih

halus)


37/46

3

Laju reaksi

Meningkat sesuai temperatur dan luas permukaankomponen raw mix (faktor frekuensiA)

Menurun sesuai kenaikan energi aktivasi E a komponenraw mix

Kompensasi bagi mineral raw mix yang reaktivitasnya

rendah dan lambat diperlukan temperatur burning lebihtinggi atau periode burning lebih lama.

Kinetika Reaksi


38/46

3

Umumnya metoda termudah untuk mengamati laju

reaksi klinkerisasi di dalam kiln ialah denganmengukur jumlah free lime .

Perbedaan mineralogi dan ukuran partikel kristal

individu akan berpengaruh terhadap mekanismedan laju reaksi.

Kinetika Reaksi


39/46

3

Free Lime di dalam Klinker

Penyebab potensial FL (CaO bebas) di dalam klinker, :LSF tinggi (> 100)- tidak mungkin semua CaO bereaksi

Under-burning- kiln tidak cukup panasDekomposisi aliteInheterogen kiln feed

Batasan free lime 0.75 - 1.5 %

< 0.75 % hasil dari over-burning- kebutuhan fuel >>

- potential bahaya bagi refractory

> 1.5 % menyebabkan unsoundness pada semen


40/46

4

Temperatur Tertinggi ( Maximum Temperature )

Pada temperatur tertinggi yang sesuai akan dihasilkanklinker dengan liter weight yang baik. Pembentukankristal C2S yang relatif kecil sehingga mempermudahinteraksinya dengan CaO bebas membentuk C3S

dalam fasa liquid.

Temperatur pembakaran teoretis :

oC = 1300 + 4.51 C3S 3.74 C3A 12.64 C4AF

Aspek proses yang perlu diperhatikan


41/46

4

0 10 20 30 (menit)

1500

1400

1300

1200

1100

OC

Waktupembakaran

Maksimum

Temperatur

Hubungan antara kenaikan temperatur dengan waktupembakaran klinker



42/46

4

Waktu pembakaran (burning time)

Waktu pembakaran yang panjang akan memperbanyak jumlah C3S dan C4AF. Namun demikian waktu pembakaranyang berlebihan akan memperbesar ukuran alite namunkemungkinan akan pecah internal.



43/46

4

Apabila jumlah oksigen di dalam kiln tidak mencukupikebutuhan pembakaran, terjadi perubahan komposisifasa silikat yaitu pemecahan C3S pada saat

pendinginan klinker.


Atmosfer di dalam kiln


44/46

4

Kondisi pendinginan akan berpengaruh terhadapkomposisi mineral klinker.

Klinker dengan komposisi kimia yang sama namun jika mengalami laju pendinginan yang berbedaakan mengalami perubahan kualitas yaituperbedaan ukuran kristal pada fasa C3A dan C4AF

juga bentuk kristal C3S dan C2S


Laju pendinginan


45/46

4

Jika pembentukan C 3S sudahsempurna, tidak diperlukanlagi reaksi pada suhu tinggi

Proses akhir ini disebut

cooling yg berfungsi tidakhanya menurunkantemperatur, tetapi untukmenumbuhkan kristal danmengubah fasa liquid menjadisolid kembali.

Pada titik ini, C 3 A dan C 4 AFmemadat.

Tujuan proses

berikutnya ialahmendapatkanpertumbuhankristal C 3S danmengurangi

jumlah MgObebas

alali

bbe

alumialumin

fefer



46/46

4

BaikJelekKetahanan thd Sulfat

BaikJelekSoundness

TinggiRendah Aktivitas Hidraulis

TinggiRendahKuat tekan akhir

Sedikit rendahTinggiKuat tekan awal

Relatif KecilBesar Ukuran partikel

Stabil, tidak aktif Tidak stabil, aktif C3S, C2S

GlassyCrystallineC3A, C4AF

Kristal kecilKristal besar MgO

Rapid Cooling

18-20 oC/min

Slow Cooling

4-5 oC/min

Parameter


Laju pendinginan

217400645 proses klinkerisasi versi printout

Documents