24

PERANCANGAN ROTARY KILN PADA PABRIK SEMENRotary Kiln merupakan peralatan paling utama pada proses pembuatan semen. Fungsi utamanya adalah sebagai tempat terjadinya kontak antara gas panas dan material umpan kiln sehingga terbentuk senyawa-senyawa penyusun semen yaitu C3S, C2S, C3A dan C4AF. Kiln putar ini berbentuk silinder yang terbuat dari baja yang dipasang secara horizontal dengan kemiringan sekitar 4. Kiln tanur mampu membakar umpan dengan kapasitas 7800 ton/jam hingga menjadi terak klinker.Gambar 1. Rotary Kiln2.1 Prinsip Kerja KilnPerputaran kiln yang berlawanan arah dengan arah jarum jam dan dengan posisi kiln yang miring menyebabkan terjadinya gaya dorong umpan sehingga material bisa bergerak keluar kearah clinker cooler setelah mengalami kontakdengan gas panas.2.2 Mekanisme Kerja Rotary KilnUmpan kiln dari preheater akan masuk melalui inlet chamber. Tenaga gerak dari motor dan main gear menyebabkan kiln berputar. Perputaran pada kiln diatur oleh girth gear yang berfungsi sebagai pengaman dan mengurangi beban main gear. Karena pengaruh kemiringan dan gaya putar kiln, maka umpan kiln akan bergerak perlahan disepanjang kiln. Dari arah yang berlawan gas panas hasil pembakaran batu bara dihembuskan oleh burner, sehingga terjadi kontak panas dan perpindahan panas antara umpan kiln dengan gas panas. Kontak panas tersebut akan mengakibatkan terjadinya reaksi kimia untuk membentuk komponen semen. Pembakaran akan terus berlangsung sampai terbentuk klinker dan akan keluar menuju clinker cooler. Selama proses pembakaran, material akan melewati 4 zona dalam kiln dengan range suhu yang berbeda-beda sehingga dalam kiln akan terjadi reaksi kimia pembentukan senyawa penyusun semen. Zona-zona tersebut, yaitu :1. Zona kalsinasi, yaitu proses di mana material yang baru masuk ke dalam kiln akan terkalsinasi dikarenakan mendapatkan panas yang lebih tinggi dari pada di dalam suspension preheater (SP), yaitu berkisar antara 1100-1200C, sehingga mengakibatkan perubahan bentuk pada material tersebut yang tadinya berupa serbuk-serbuk padat menjadi serbuk-serbuk yang mulai terlihat meleleh2. Zona transisi, yaitu proses di mana material mandapatkan pemanasan yang lebih tinggi berkisar antara 1200-1300C, dimana pada proses ini material hampir mendekati cair3. Zona pembakaran, yaitu proses di mana material benar-benar mendapatkan pemanasan secarapenuh dari kiln hingga material tersebut mencair dan panasnya mencapai 1400-1600C.

4. Zona pendinginan, pada proses ini material yang telah masuk ke cooler mendapatkan pendinginan secara cepat atau proses pendinginan yang mendadak karena pada cooler ini panas pada material harus lebih dingin dibandingkan di dalam kiln dimaksudkan supaya klinker tersebut tidak lengket pada great plat dan panas pada cooler mencapai 150- 200C. Panas yang dihasilkan didalam tungku kiln tidak serta merta berimbas keluar di karena pada dinding kiln dilapisi oleh bata tahan api yang mampu menahan panas yang sangat tinggi hingga 1600C sehingga lingkungan yang disekitar kiln tidak terlalu panas pada saat kita berada disekitar area kiln.

Gambar 2. Zona Pada Rotary Kiln

2.3 Neraca Massa dan Neraca EnergiPerhitungan neraca massa dan neraca energi dilakukan dengan menggunakan persamaan-persamaan termodinamika, perpindahan panas serta reaksi kimia yang berlangsung di dalam system. Perhitungan neraca massa merupakan tahapan awal yang harus dilakukan. Data hasil perhitungan neraca massa selanjutnya digunakan untuk perhitungan neraca energi. Perhitungan neraca massa didasarkan atas hukum kekekalan massa yang melewati rotary kiln, seperti persamaan di bawah ni:

......(1)

Dimana :

....(2)

.....(3)Peralatan utama kiln, selain shell kiln itu sendiri adalah batu tahan api (refractory) dan burner. Bentuk api yang dihasilkan oleh proses pembakaran sangat menentukan proses perpindahan panas yang terjadi dan pada akhirnya akan mementukan kualitas klinker. Sedangkan batu tahan api selain berfungsi untuk melindungi shell kiln dan mengurangi panas yang mengalir ke lingkungan juga berpengaruh terhadap pembentukan coating.a) Refractory LiningPerkembangan teknologi mengakibatkan sebgai zone kalsinasi dipindahkan ke suspension preheater dan prekalsiner, sehingga proses yang terjadi di dalam kiln lebih efektif ditinjau dari segi konsumsi panasnya. Gerakan antara material dan gas panas hasil pembakaran batubara berlangsung secara counter current. Proses perpindahan panas di dalam kiln sebagian besar ditentukan oleh proses radiasi sehingga diperlukan isolator yang baik untuk mencegah panas terbuang keluar. Isolator tersebut adalah batu tahan api dan coating yang terbentuk selama proses. Karena fungsi batu tahan api di tiap bagian proses berbeda maka jenis batu tahan api disesuaikan dengan fungsinya. Refraktori (batu tahan api) adalah material non-metal yang dapat dipakai untuk konstruksi atau melapisi tungku yang beroperasi pada temperatur tinggi dan juga mampu untuk mempertahankan bentuk dan komposisi kimianya pada temperatur tinggi. Fungsi refraktori pada industri semen adalah untuk melindungi bagian metal agar tidak langsung kontak dengan nyala api atau gas/padatan yang sangat panas. Sebagai contoh shell kiln akan sangat turun kekuatannya pada temperatur di atas 400C sementara itu temperatur klinker berkisar 1350-1550C, serta nyala api di kiln bisa mencapai 1900C. Selain itu refraktori juga berfungsi untuk mencegah kehilangan panas sehingga berada pada kondisi yang masih bisa ditoleransi (12-22 % dari panas pembakaran). Hal ini penting untuk mempertahankan temperatur nyala sehingga proses yang terjadi di dalam kiln akan terjamin kualitasnya. Konsumsi refraktori berkisar 0,05-0,15 kg/ton klinker. Jadi secara ringkas fungsi refraktori adalah sebagai proteksi (pengamanan operasi) Klin Shell terhadap temperatur tinggi sebagai bahan bakar untuk memperpanjang umur teknis shell Kiln, dengan sebagai isolator panas.b) BurnerProses pembakaran untuk menghasilkan klinker diawali dengan menyiapkan bahan bakarnya terlebih dahulu baru kemudian melakukan pembakaran. Tujuan dari proses pembakaran ini ialah untuk menghasilkan klinker bermutu baik dengan pemakaian energi serendah mungkin dan operasi pembakaran berlangsung stabil dalam waktu yang lama. Salah satu faktor utama untuk mendapatkan hasil pembakaran yang baik ialah rancangan kiln feed (raw mix design) yaitu menentukan komposisi kimia dan ukuran partikel atau kehalusan dari raw mix. Raw mix dirancang untuk menghasilkan klinker bermutu baik yang mempunyai senyawa alite (C3S), belite (C2S), aluminate (C3A), ferrite (C4AF) dalam jumlah cukup dan mudah digiling. Proses pada tahap ini meliputi pemanasan awal umpan baku di preheater (pengeringan, dehidrasi dan dekomposisi), pembakaran di kiln (klinkerisasi) dan pendinginan di grate cooler (quenching). Selanjutnya klinker yang dihasilkan disimpan di clinker silo. Beberapa reaksi kimia yang berlangsung dalam proses pembuatan klinker, yaitu :

1. Proses Pemanasan Awal

Proses pemanasan awal adalah proses penguapan air dan proses kalsinasi pada umpan kiln (raw meal) pada suhu 600-800C. Proses ini terjadi dalam peralatan preheater. Reaksinya adalah :CaCO3 ~> CaO + CO2MgCO3 ~> MgO + CO22. Proses KlinkerisasiProses klinkerisasi dalam pembuatan semen adalah proses pengikatan antara oksida-oksida yang terkandung dalam material untuk membentuk senyawa C3S, C2S, C3A dan C4AF. *Pembentukan dicalsium silicate (C2S) yang terjadi pada temperatur 900-1400C.Reaksinya yaitu :

2CaO +SiO2 ~> 2CaO.SiO2.

Reaksi berlangsung sampai SiO2 habis.

*Pembentukan tricalsium aluminat (C3A) dan tetracalsium aluminat ferrite (C4AF) yang terjadi pada temperatur 1100 1338 C. Reaksinya yaitu:Pembentukan C3A3CaO + Al2O3 ~> 3CaO. Al2O3Pembentukan C4AF4CaO + Al2O3 + FeCO3 ~> 4CaO.Al2O3.Fe2O3Proses pemanasan pada rotary kiln menggunakan gas, pada ujung outletnya dilengkapai dengan sumber api gas yang bisa diatur bukaan gasnya. Prosentasi bukaan gas akan menetukan tinggi rendahnya temperatur yang diinginkan. Penggunaan gas akan menyebabkan biaya operational akan menjadi lebih murah dibanding dengan menggunakan listrik. Penggunaan listrik dapat menyebabkan proses pemanasan akan lebih lama dan daya yang digunakan akan lebih besar. Material di burning zone berupa semisolid dan akan memadat sempurna pada cooling zone Di dalam rotary kiln selain jumlah panas yang dibutuhkan untuk pembakaran raw mix harus terpenuhi, perlu juga diperhatikan bentuk nyala saat pembakaran bahan bakar pada burner. Bentuk nyala ini mempengaruhi kualitas klinker yang dihasilkan. Kedua parameter ini dipengaruhi oleh proses pembakaran saat bahan bakar mulai keluar dari ujung burner hingga habis terbakar.2.4 Efisiensi Panas Rotary KilnNeraca panas dapat ditentukan dengan menghitung neraca massa terlebih dahulu. Pada neraca panas tersebut, panas yang masuk ke dan keluar dari system rotary kiln adalah sebagai berikut:a) Panas sensibel umpan kiln merupakan panas yang dibawa umpan masuk kerotary kiln dengan basis kering (tanpa air). Nilainya ditentukan oleh massa, komposisi dan suhu masuk umpan kiln tersebut. b) Panas sensibel air dalam umpan kiln merupakan panas yang dibawa air yang terkandung dalam umpan kiln. Nilainya ditentukan oleh kadar air dalam umpan kiln. c) Panas sensibel batubara merupakan panas yang dibawa batubara dengan basis kering (tanpa air). Nilainya ditentukan oleh massa dan suhu masuk batubara. Panas sensibel air dalam batubara merupakan panas yang dibawa air yang terkandung dalam batubara. Nilainya ditentukan oleh kadar air dalam batubara.

d) Panas pembakaran batubara merupakan panas yang dihasilkan dari pembakaran batubara di rotary kiln. Nilainya ditentukan oleh massa dan nilai bakar batubara.e) Panas sensibel udara primer merupakan panas yang dibawa udara yang dimasukkan bersama bahan bakar. Nilainya ditentukan oleh massa dan suhu masuk udara primer.

f) Panas sensibel udara sekunder merupakan panas yang dibawa oleh udara yang dimasukkan ke rotary kiln. Nilainya ditentukan oleh kebutuhan udara sekunder dan suhu masuk udara tersebut.

g) Panas sensibel gas buang merupakan panas yang terbawa keluar bersama gas buang dari suspension preheater dan rotary kiln. Nilainya ditentukan oleh massa, komposisi dan suhu gas buang tersebut.

h) Panas sensibel klinker merupakan panas yang terbawa keluar bersama klinker yang dihasilkan pada rotary kiln. Nilainya ditentukan oleh massa dan suhu keluar klinker.

i) Panas reaksi merupakan panas yang digunakan untuk reaksi pembentukan

klinker.j) Panas hilang karena pendinginan merupakan panas yang terbawa keluarbersama gas panas yang tertarik pada unit pendinginan. Nilainya ditentukan oleh massa udara pendingin dan suhu keluar udara tersebut.

k) Panas radiasi-konveksi yang hilang di kiln merupakan panas yang hilang karena terjadinya kedua peristiwa tersebut pada sistem. Nilainya ditentukan oleh luas dan suhu permukaan kiln, suhu lingkungan, serta massa klinker.l) Panas tak teranalisa merupakan panas yang keluar dari sistem ke lingkungan yang disebabkan oleh isolasi sistem yang tidak mampu menahan panas pada kiln tersebut.2.5 Jenis-Jenis Kiln

16