TEKNOLOGI PEMBAKARAN BATUBARA

Ir. Nur Rokhati, MTTeknik Kimia Fakultas Teknik UNDIP

Keunggulan Batubara Dibandingkan Bahan Bakar Fosil Lainnya

Batubara yang siap dieksploitasi secara ekonomis terdapat dalam jumlah banyak.

Batubara terdistribusi secara merata di seluruh dunia.

Jumlah yang melimpah membuat batubara menjadi bahan bakar fosil yang paling lama dapat menyokong kebutuhan energi dunia.

Kelemahan Batubara

Identik sebagai bahan bakar yang kotor dan tidak ramah lingkungan karena komposisinya yang terdiri dari C, H, O, N, S, dan abu.

Kandungan C per mol batubara jauh lebih besar dibandingkan bahan bakar fosil lainnya sehingga pengeluaran CO2 dari batubara jauh lebih banyak.(batubara : minyak : gas = 5:4:3)

Kenaikan efisiensi panas 1% akan mengurangi beban emisi CO2 sebesar 2,5%

Kandungan S dan N batubara bisa terlepas sebagai SOx dan NOx dan menyebabkan terjadinya hujan asam.

Pemanfaatan Pembakaran Batubara

Pembangkit listrik Memproduksi steam dan panas di industri Pemanas kiln di pabrik semen Cooking untuk pembuatan baja Pemanas ruang Bahan bakar rumah tangga

PERSIAPAN BATUBARA PenggilinganPenghancuran batubara menjadi ukuran kecil. Biasanya menggunakan ball mill PencucianPemisahan kandungan non organik (bahan mineral dan sulfur) secara grafimetris.Batubara yang sudah dihancurkan, disuspensikan dalam campuran air dan magnetite halus dengan s.g 1,3 1,8. sedangkan batubara organik mempunyai s.g 1,2 1,5 dan bahan non organik batubara sekitar 2,7. Sehingga maseral batubara akan mengapung dan bahan non organik akan mengendap dan siap dipisahkan. Pada proses ini sulfur yang bisa terpisah hanya senyawa sulfur non organik (misal pyrit) Pengeringan. Pengklasifikasian ukuran partikelPersyaratan untuk pembakaran batubara pada boiler biasanya digunakan ukuran batubara yang minimum 70% lolos dari ayakan ukuran 200 mesh.

Klasifikasi pembakaran:Aliran : tercampur, plug, resirkulasi.Metode proses pembakaran : Unggun/lapisan tetap (fixed bed combustion) Suspensi (pulverized coal combustion/PCC) Unggun terfluidakan/ lapisan mengambang

(fluidized bed combustion / FBC).Ukuran partikel : besar (1-5cm), sedang,

kecil.

Metode pembakaran

Pembakaran Lapisan Tetap (stoker boiler )

- Ukuran partikel maks 30 mm

- Tebal minimum lapisan abu 5 cm

- Bahan batubara dg kadar abu tdk terlalu rendah (10-15%)

- Jumlah fly ash sedikit (30% total)

Pembakaran Batubara Serbuk (Pulverized Coal Combustion/PCC)

-Batubara dihancurkan dg coal millshg ukurannya 200 mesh

-Butiran batubara + udara disemprotkan ke ruang pembakaran

-kadar air kurang dari 30%

-rasio bahan bakar (fuel ratio) kurang dari 2

-Suhu operasi : 1400 1500 oC

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

Pembakaran Lapisan Mengambang (Fluidized Bed Combustion/FBC)

-batubara dihancurkan menggunakan crusher sampai berukuran maksimum 25mm

-Kecepatan/tekanan udara dijaga shg batubara mengambang

- Perpaduan gaya dorong keatas dan gaya gravitasi menyebabkan batubara spt fluida yg selalu bergerak

- Sirkulasi udara berjalan baik & kontak udara-batubara baik shg rekasi pembakaran sempurna

- Syarat bahan batubara tidak seketat metode yang lain, kecuali kadar air permukaan tidak lebih 4%

- Suhu operasi 850 900oC (NOx dpt ditekan)

Berdasarkan mekanisme kerja pembakaran, metode FBC terbagi 2 : Bubbling Fluidized Bed Combustion (FBC) Circulating FBC (CFBC) Pada CFBC dilengkapi cyclone suhu tinggi. Partikel media fluidized bed /batubara yang belum bereaksi yg ikut aliran gas buang akan dipisahkan di cyclone ini untuk kemudian dialirkan kembali ke boiler.

Kelebihan: Efisiensi lebih tinggi Dapat menggunakan batubara kualitas rendah maupun

bahan lain seperti biomass, sladge, plastik, dll Semua abu sisa pembakaran berupa fly ash yg mengalir

bersama gas buang yang nantinya bisa ditangkap dengan Electric Precipitator

Gambar . CFBC Boiler(Sumber: Idemitsu Kosan Co., Ltd)

Penampang boiler Internal Circulating FBC (ICFBC)(Sumber: Coal Note, 2001)

Ruang pembakaran utama dan ruang pengambilan panas dipisahkan oleh dinding penghalang shg keausan pipa bisa dihindari.

Aliran udara dr bag tepi yang besar dan aliran udara bagian tengah kecil menyebabkan terbentuknya spiral flow

Pembuangan bahan tak terbakar (abu) lebih mudah

Skema pembangkitan listrik pada PLTU batubara(Sumber: The Coal Resource, 2004)

Slagging dan Fouling

Pada prinsipnya kedua fenomena ini adalah sama, penyebabnya pun sama yaitu terutama disebabkan oleh faktor bahan bakar (batubara).

Slagging adalah fenomena terjadinya penimbunan/deposit kerak (abu batubara padat atau leburan) pada permukaan heat exchanger di daerah terjadinya pembakaran batubara (di daerah terjadinya perpindahan panas secara radiasi)

Fouling adalah fenomena terjadinya penimbunan/deposit kerak akibat pembakaran batubara di daerah terjadinya pertukaran panas secara konveksi

Penyebab slagging dan fouling akibat kandungan unsur alkali pada abu batubara

Penampang Boiler

Cara penilaian terhadap slagging/fouling

Rasio alkali dalam abu (base/acid ratio)Rasio alkali dalam abu = unsur alkali / unsur asam = (Fe2O3 + CaO + MgO + Na2O+ K2O) / (SiO2 + Al2O3 + TiO2 ) Fabrikan boiler biasanya menentukan nilai rasio yang lebih rendah dari 0.4 ~ 0.5

Total alkali (Na2O + K2O)pembuat boiler biasanya menentukan nilai total alkali kurang dari 5%, dengan angka ideal kurang dari 3%

FLY ASH Fly ash merupakan abu ringan yang dihasilkan dari

pembakaran batubara. Ukuran partikel fly ash berkisar antara 10 - 20m

dengan bentuk partikel sperti bola. Fly ash mengandung mineral SiO2 amorf, SiO2 kristalin,

Al2O3, CaO, TiO2, Fe2O3 dan MgO. Komposisi fly ash sangat tergantung pada jenis batubara

dan sistem pembakaran batubara tersebut. Permasalahan kesehatan yang diakibatkan oleh fly ash

adalah iritasi pada mata, iritasi pada kulit, iritasi pada membran mucuous, penyakit pada organ pernafasan seperti pada paru-paru dan penyakit kanker.

Sifat fly ash yang dapat larut di dalam air menyebabkan oksida logam yang terkandung di dalamnya tersebar dalam lingkungan sehingga fly ash menjadi polutan bagi lingkungan

KONTROL POLUSI GAS BUANG BATUBARA

Polusi udara adalah keadaan di udara atmosfir, dimana satu atau lebih bahan-bahan polusi, yang jumlah dan konsentrasinya dapat membahayakan kesehatan manusia, binatang, tanaman, atau dapat merusak, mempengaruhi kenyamanan hidup.

Oleh karena itu segala bahan padat, cair, atau gas yang ada di udara dalam kadar yang dapat menimbulkan ketidaknyamanan disebut polusi udara.

Standart polusi udara: Polusi udara primer : partikulat, oksida sulfur

(SOx), oksida nitrogen (NOx), volatile organic compounds (VOCs), carbon monoksida (CO), dan partikulat timbal (Pb)

Polusi udara sekunder : ozone (O3) Jenis polusi udara lain : hujan asam dan CO2.

Bila oksida sulfur dan nitrogen bereaksi dengan oksigen dari udara atmosfir, maka akan menghasilkan hujan asam, yang akan turun kebawah bersama hujan (wet diposition) atau turun kebawah secara sendiri atau kering (dry deposition)

Tabel : Standart Nasional polusi udara di Indonesia

Jenis Polusi Rata-rata waktu Baku Mutu

Partikulat Geometri tahunan 0,26 mg/m3

SO2 Geometri tahunan 0,1 ppm

Timbal (Pb) Geometri 3 bulan 0.06 mg/m3

NO2 Geometri tahunan 0,05 ppm

CO Geometri 8 jam 20 ppmO3 Geometri 1 jam 0,1 ppm

BAHAN BATUBARA PEMBENTUK POLUSI UDARA

Ada 3 bahan penyebab polusi dalam batubara: Nitrogen Sulfur

SO2 dan SO3 adalah dua oksida sulfur yang terbentuk bila terdapat bahan mengandung sulfur yang terbakar. Efek yang sangat serius akan terjadi jika oksida sulfur lepas ke atmosfi. Sehingga harus ada kontrol oksida sulfur yang lepas ke atmosfir.

Mineral

Bila batubara dibakar maka ketiga komponen tersebut akan berubah menjadi NOx, SOx dan ROx (partikulat). Gas SOx dan NOx tersebut dapat bereaksi dengan uap air yang ada di udara sehingga membentuk H2SO4 dan HNO3 sehingga mengakibatkan terjadinya hujan asam

AKIBAT HUJAN ASAM Asam dalam air hujan menambah kemampuan air itu

untuk melarutkan logam-logam berat keluar dari tanah, seperti merkuri (Hg) dan aluminium (Al) serta melarutkan tembaga (Cu) dan timbal (Pb) dari pipa-pipa logam untuk menyalurkan air.

Peristiwa ini tentu saja akan menggganggu persediaan air untuk konsumsi manusia (nilai pH antara 6-9).

Air dengan pH 5 menyebabkan ikan salem dan farel tidak mampu berkembang biak.

Pada pH sekitar 4,5, ikan lenyap dari danau. Sedang pada pH 4, danau menjadi tanpa kehidupan. Pada pH mendekati 3, daun tanaman menjadi rusak.

STRATEGI KONTROL POLUSI(Kontrol polusi pra pembakaran)

Pemilihan batubara bersihMemilih jenis batubara dengan kadar N, S, dan mineral rendah.

Blending batubaraMencampur batubara kadar polusi tinggi dengan kadar polusi rendah

Pembersihan batubaraPenurunan kadar sulfur dan mineral batubara secara fisis

Konversi batubaraDalam rangka mendapatkan energi yang efisien dan ramah lingkungan, akhir-akhir ini telah dikembangkan cara konversi batubara misalnya, likuifikasi, gasifikasi

Seleksi boilerPenggunaan boiler dengan tungku yang mampu membakar bahan bakar cair/minyak.

Pembuatan campuran batubara air (coal-water slurry fuel)Kandungan sulfur dan partikulat dapat dikurangi sekitar 50%Adanya campuran air, hasil pembakaran menghasilkan NOx lebih rendah.

STRATEGI KONTROL POLUSI(Kontrol polusi selama proses pembakaran)

Mengurangi excess udara. Pengurangan udara berarti menurunkan kadar N2 dan O2 sehingga

pembentukan NOx dapat dikurangi Memasukkan kembali gas hasil pembakaran kedalam tungku (recirculating)

Dapat mengurangi suhu api sehingga menurunkan hasil NOx Memasukkan uap atau air kedalam ruang api.

Mengurangi suhu api akan menurunkan hasil NOx Fluidized bed combustion menggunakan kapur.

Campuran kapur akan menangkap SO2 dan suhu pembakaran turun sehingga produksi NOx bisa berkurang.

Penggunaan proses pembakaran bertingkat (stage combustion). Dalam tahap awal, penggunaan udara pada pembakaran batubara

dibawah nilai stoichiometri. Dengan cara ini udara dan suhu api turun sehingga tidak mampu merubah kandungan nitrogen manjadi NOx tetapi akan berubah manjadi N2.

Tahap dua, bahan bakar yang belum terbakar di tahap awal akan terbakar sempurna dengan penambahan udara sekunder.

Dengan cara ini akan menurunkan hasil NOx hingga 50-60%.

STRATEGI KONTROL POLUSI(Kontrol polusi setelah pembakaran)

Kontrol partikulat : Cyclone, Elektrostatic precipitator (ESP), Fabric Filter (bag filter), Scrubber

Kontrol Oksida Sulfur : Proses kontrol oksida sulfur pada gas hasil pembakaran :

Lime scrubbing :Larutan limestone dikontakkan dengan gas buang didalamsuatu menara spray. SO2 diserap, dinetralisasikan, dan sebagian dioksidasikan menjadi kalsium sulfit dan kalsiumsulfat.

Kontrol Oksida nitrogenAda dua cara pengambilan NOx yaitu : Proses Kering

Mereduksi NOx menjadi N2 dengan menggunakan catalytic reduction

Proses basah (wet scrubbing)Penambahan air dan amonia ke dalam flue gas yang mengandung NOx dan SOx akan menghasilkan bahan padat NH4NO3 dan (NH4)2SO4 yang selanjutnya bisa dipisahkan

Proses denitrasi pada boiler PCC(Sumber: Coal Science Handbook, 2005)

Bahan bakar sebagian dimasukkan ke bagian di sebelah atas burner utama.

NOx yang dihasilkan dari pembakaran utama selanjutnya dibakar melalui 2 tingkat.

Di zona reduksi kandungan Nitrogen dalam bahan bakar akan diubah menjadi N2.

Selanjutnya, pembakaran tingkat kedua atau pembakaran oksidasi (oxidizing combustion), di zona pembakaran sempurna.

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

Dari Polutan ke Gipsum Salah satu metode untuk memisahkan polutan SOx dalam gas buang adalah dengan teknik flue-gas desulfurization(FGD).

Gas buang dari cerobong dimasukkan ke dalam fasilitas FGD. Ke dalam alat ini kemudian disemprotkan udara sehingga SO2 teroksidasi menjadi SO3.

Gas buang selanjutnya didinginkan dengan air, sehingga SO3 bereaksi dengan air (H2O) membentuk asam sulfat (H2SO4).

Asam sulfat direaksikan dengan batu kapur atau Ca(OH)2 sehingga diperoleh hasil pemisahan berupa gipsum (gypsum).

Gas buang yang keluar dari sistim FGD sudah terbebas dari oksida sulfur. Hasil samping proses FGD disebut gipsum sintetis

Cara mengatasinya ?

BEBERAPA KELEMAHAN PEMBAKARAN LANGSUNG

UNGGUN TETAP (FIXED BED) Pada sistem ini batubara berada pada sebuah kisi

sementara udara pembakaran dilewatkan (biasanya dari bawah) kisi

Kelemahan: tingginya biaya untuk menangkap SO2, terutama apabila

menggunakan batubara berkualitas rendah (kadar belerang tinggi)

Diperlukan pembakar khusus untuk mengurangi terbentuknya NOx dari udara pembakaran.

terjadinya klinker dalam unggun tetap akan mengganggu aliran dalam tungku

Efisiensi pembakaran rendah

SISTEM BATUBARA HALUS (PULVERIZED COAL).

Pada sistem ini batubara yang telah dihaluskan (< 100m) dihembuskan kedalam tungku dengan menggunakan aliran udara.

Kelemahan: tingginya biaya untuk menangkap SO2, terutama apabila

menggunakan batubara berkualitas rendah (kadar belerang tinggi) Diperlukan pembakar khusus untuk mengurangi terbentuknya NOx

dari udara pembakaran. jumlah abu terbang yang harus ditangkap oleh sistem penangkap

debu sangat besar (dapat mencapai 80%) Terjadinya fouling pada dinding tungku sistem batubara-halus dan

terbentuk endapan abu Perlu ruang pembakaran besar. Perlu tempat penyempurnaan

pembakaran, perpindahan panas, menghindari pengendapan jelaga. Erosi boiler oleh abu terbang

SISTEM UNGGUN TERFLUIDA batubara dibakar dengan sebuah unggun yg berisikan partikel padat

(biasanya pasir, batukapur) dengan gas (udara) sbg media fluidisasi untuk pembakaran.

Keuntungan : Perlengkapan penyerap SO2 Suhu pembakaran merata dan suhu relatif rendah (sekitar 8500C),

lebih rendah dr suhu pembentukan termal nitrogen membentu NOx.

Diperlukan ukuran butiran batubara yang cukup besar (1-5 mm) Kontak antar batubara dan udara cukup baik Kecepatan perpindahan panas dan produk energi persatuan

volume cukup tinggi Kelemahan:

Erosi dan korosi di dalam boiler karena gerak antar partikel yang menumbuk pipa boiler.

Efisiensi berkurang akibat hilangnya karbon yang terikut aliran gas buang

Jenis Konversi BatubaraPadat :

Briket batubaraCair :

Likuifaksi batubara Campuran batubara-air

Gas: Gasifikasi

Pirolisis

Terima Kasih

Slide Number 1Keunggulan Batubara Dibandingkan Bahan Bakar Fosil LainnyaKelemahan BatubaraPemanfaatan Pembakaran Batubara PERSIAPAN BATUBARA Klasifikasi pembakaran:Metode pembakaran Pembakaran Lapisan Tetap (stoker boiler ) Pembakaran Batubara Serbuk (Pulverized Coal Combustion/PCC) Pembakaran Lapisan Mengambang (Fluidized Bed Combustion/FBC)Slide Number 11Slide Number 12Slide Number 13Slide Number 14Slide Number 15Slagging dan Fouling Slide Number 17Cara penilaian terhadap slagging/fouling FLY ASH KONTROL POLUSI GAS BUANG BATUBARASlide Number 21Slide Number 22BAHAN BATUBARA PEMBENTUK POLUSI UDARA AKIBAT HUJAN ASAMSTRATEGI KONTROL POLUSI (Kontrol polusi pra pembakaran) STRATEGI KONTROL POLUSI (Kontrol polusi selama proses pembakaran)STRATEGI KONTROL POLUSI (Kontrol polusi setelah pembakaran)Slide Number 28Dari Polutan ke Gipsum Slide Number 30UNGGUN TETAP (FIXED BED)SISTEM BATUBARA HALUS (PULVERIZED COAL). SISTEM UNGGUN TERFLUIDA Jenis Konversi BatubaraSlide Number 35