Efek Ash Campuran Batubara Mutu Rendah Terhadap Pontensi Pembentukan Slagging & Fouling Pada Boiler PT. Semen Tonasa

IsmailJurusan Pendidikan Teknik Otomotif, Fakultas Teknik

Universitas Negeri MakassarJl. Dg. Tata Parang Tambung Makassar 90223, Indonesia

Abstrak

Efektifitas penggunaan bahan bakar fosil untuk pembangkit tenaga bergantung dari kemampuan peralatan pembangkit uap untuk mengakomodasi sisa pembakaran tak aktif yang umumnya disebut ash (abu). Kuantitas dan karakteristik dari ash tidak dapat dipisahkan dari bahan bakar yang merupakan perhatian utama dari desain dan operasi dari peralatan pembangkit listrik.PT. Semen Tonasa saat ini telah menggunakan batubara mutu tinggi dan campuran batubara mutu tinggi dan rendah, namun karena cadangan batu bara kualitas tinggi semakin berkurang maka perlu dilakukan pengkajian tentang karakteristik kualitas batubara campuran sebagai bahan bakar pembangkit tenaga dan bagaimana efek dari ash (abu) yang dihasilkan terhadap potensi timbulnya slagging&fouling dari pembakaran batubara campuran tersebut.Metode yang dilakukan adalah Menganalisa karakteristik batubara campuran PT. semen Tonasa melalui analisis proksimasi (kadar air, zat terbang & kadar abu), pengujian nilai kalor, ketergerusan (HGI), titik leleh abu, dan analisis ultimasi (C, H, S, N, Cl dan O), serta analisis komposisi ash batubara (SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, K2O, Na2O, TiO2, MnO2& LOI), pengujian ini menggunakan peralatan Gas Chromatography Mass Spectrophotometer (GCMS), kemudian mengklasifikasikan jenis ash untuk menentukan indeks slagging dan fouling, kemudian menganalisa performa boiler dengan menggunakan Btu-Method.Dari analisis kualitas batu bara, setelah dilakukan coal blending (pencampuran) maka kualitas batu bara Tonasa, Sul-Sel menjadi sub bituminous dengan hasil analisis proksimasi : nilai kalor (11,160 Btu/lb), kandungan zat terbang (44.61%), karbon padat (31.16%), kadar air (19.23%), kandungan ash (5.0%) serta hasil analisis ultimasi : Sulfur (0.7%), Karbon (49.38%), Nitrogen (1.40%), Hidrogen (5.12%) dan Oksigen (19.17%). Dari analisis komposis ash dan Ash Fusion Temperature (AFT), terlihat bahwa batu bara Tonasa diklasifikasikan sebagai ash lignit dengan potensi slagging yang sedang (Rs

* = 2735.6) dan potensi fouling yang rendah - sedang (Rf= 0.25). Berdasarkan perhitungan performa furnace, fraksi absorbsi sesudah dilakukan pembersihan (sootblowing) mengalami peningkatan dari 46.4 % menjadi 49.1 %. Hal ini menunjukkan bahwa potensi munculnya slagging terbukti terjadi pada daerah furnace. Berdasarkan perhitungan efisiensi dengan Btu method, absorbsi panas pada tiap komponen mengalami kenaikan setelah dilakukan sootblowing, sehingga efisiensinya menjadi semakin meningkat dari 80.68 % menjadi 83.46 %.

Keywords : Slagging, Fouling, Ash, Batubara, boiler

1

1. PENDAHULUAN

Efektifitas penggunaan bahan bakar fosil untuk pembangkit tenaga bergantung dari kemampuan peralatan pembangkit uap untuk mengakomodasi sisa pembakaran tak aktif yang umumnya disebut ash (abu). Kuantitas dan karakteristik dari ash tidak dapat dipisahkan dari bahan bakar yang merupakan perhatian utama dari desain dan operasi dari peralatan pembangkit listrik.Ada dua jenis endapan ash yang umum yaitu slagging&fouling. Slagging adalah pembentukan dari leburan atau endapan yang sebagian melebur pada dinding furnace atau permukaan konveksi yang bersentuhan langsung dengan panas. Fouling adalah pembentukan dari endapan pada permukaan panas konveksi seperti superheater dan reheater. Dengan kata lain slagging adalah penempelan ash pada daerah radiasi sedangkan fouling adalah penempelan ash pada daerah konveksi.[1]Yurismono dkk. (1999) meneliti potensi slagging&fouling dari beberapa jenis batubara di Indonesia dengan menggunakan LSDE Boiler simulator. Hasilnya menunjukkan bahwa untuk batubara dengan tipe ash lignit, hanya nilai indeks slagging yang mendekati hasil dari LSDE Boiler simulator, sedangkan untuk batubara dengan tipe ash bituminous, indeks slagging maupun fouling mendekati hasil dari LSDE Boiler simulator.[2]Hasni Kasim, 2000 mengemukakan dari prediksi dan analisis yang dilakukan baik berdasarkan pengujian Ash Fusion Temperature maupun pada diagram temer, maka diperoleh asumsi bahwa jika batubara yang mempunyai nilai komposisi abu antara CaO, AlO3, SiO2 seperti pada percobaan, maka batubara yang digunakan dalam proses pembakaran relatif aman terhadap potensi terbentuknya slagging&fouling.[3]PT. Semen Tonasa saat ini telah menggunakan batubara mutu tinggi dan campuran batubara mutu tinggi dan rendah, namun karena cadangan batu bara kualitas tinggi semakin berkurang maka perlu dilakukan pengkajian tentang karakteristik kualitas batubara campuran sebagai bahan bakar pembangkit tenaga dan bagaimana efek dari ash (abu) yang dihasilkan terhadap potensi timbulnya slagging&fouling dari pembakaran batubara campuran tersebut.

2. METODE Menganalisa karakteristik batubara campuran PT. semen Tonasa melalui analisis proksimasi (kadar air, zat terbang & kadar abu), pengujian nilai kalor, ketergerusan (HGI), titik leleh abu, dan analisis ultimasi (C, H, S, N, Cl dan O), serta analisis komposisi ash batubara (SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, K2O, Na2O, TiO2, MnO2& LOI), pengujian ini menggunakan peralatan Gas Chromatography Mass Spectrophotometer (GCMS).

1. Klasifikasi AshKarena karakteristik dari ash bituminous dan lignit bervariasi secara signifikan, langkah pertama dalam menghitung indikasi slagging&fouling adalah menentukan jenis ash. Ash diklasifikasikan sebagai bituminous jika :

Fe2O3> CaO + MgO................(3.1)

Sedangkan Ash diklasifikasikan sebagai lignit jika :

Fe2O3< CaO + MgO................(3.2)

2.1. Indeks Slagginga. Ash BituminousPerhitungan Slagging Indeks (Rs) untuk Ash Bituminous dibawa ke perhitungan base untuk rasio asam dan persen berat pada dry basis dari sulfur dalam batu bara. Kandungan sulfur mengindikasikan jumlahbesi yang muncul dalam bentuk pyrite. Perhitungannya sebagai berikut :

R s = BA

x S

................(3.3)dimana :

B = CaO + MgO + Fe2O3 + Na2O + KO2 = senyawa asam, %

A = SiO2 + Al2O3 + TiO2 = senyawa basa, %

S = % berat sulfur pada dry basis batu bara

Klasifikasi potensi slagging dengan menggunakan Rs adalah :

Rs< 0.6 = Rendah0.6 < Rs< 2.0 = Sedang2.0 < Rs< 2.6 = Tinggi2.6 < Rs = Tinggi sekali

b. Ash LignitIndeks slagging untuk ash lignit berdasarkan temperatur pembentukan Ash ASTM, seperti dijelaskan sebelumnya bahwa temperatur fusibilitas mengindikasikan range dimana temperatur saat plastis slag mulai muncul. Indeks ini adalah rata-rata dari temperatur Hemispherical Maximum (HT) dan temperatur minimum awal pembentukan (IT) :

R s∗ =(Max HT ) + 4 (Min IT )

5................(3.4)

dimana :

2

Max HT = Temperatur maksimum dari resuksi atau oksidasi

Hemispherical Softening.

Min IT = Temperatur pembentukan (Initial Deformation) awal dari reduksi atau oksidasi yang terendah.

Klasifikasi potensi slagging dengan Rs*

adalah :2,450 < Rs* = Rendah

2,250 < Rs* < 2,450 = Sedang

2,100 < Rs*< 2,250 = Tinggi

Rs* < 2,100 =Tinggi Sekali

2.2. Indeks Foulinga. Ash bituminous (Rf)

Indeks fouling untuk ash bituminous didapatkan dari karakteristik kekuatan sintering menggunakan kandungan sodium dari ash batubara dan rasio dasar dari asam :

R f = BA

x Na2O

................(3.5)dimana :

B = CaO + MgO + Fe2O3 + Na2O + KO2

A = SiO2 + Al2O3 + TiO2

Na2O = % berat alkali dari analisis ash batu bara

Klasifikasi potensi fouling menggunakan Rf adalah :

Rf< 0.2 = Rendah0.2 < Rf< 0.5 = Sedang0.5 < Rf< 1.0 = Tinggi1.0 < Rf = Tinggi Sekalib. Ash LignitKlasifikasi fouling untuk ash batubara lignit adalah berdasarkan kandungan sodium dalam ash sebagai berikut :

Jika CaO + MgO + Fe2O3> 20 % berat ash batubara

Na2O < 3 = Rendah – Sedang

3 < Na2O < 6 = Tinggi

6 < Na2O = Tinggi Sekali

Jika CaO + MgO + Fe2O3< 20 % berat ash batubara

Na2O < 1.2 = Rendah – Sedang

1.2 < Na2O < 3 = Tinggi

Na2O > 3 = Tinggi Sekali

Menganalisa performa boiler dengan menggunakan sistem btu-method.

2. HASIL DAN PEMBAHASANDari analisis kualitas batubara dengan

melakukan pengujian analisis ultimasi & proksimasi setelah mengalami pencampuran (Coal blending) dimana pada penerapan dilapangan, proses pencampuran batubara dilakukan di coal yard dengan menggunakan excavator, hasil analisis kualitas batubara setelah dicampur adalah sebagai berikut :

Batubara PT. Semen Tonasa, Sul-Sel (Sub Bituminous)Data analisis Ash dari Batubara pada PT.

Semen Tonasa adalah sebagai berikut :

Kandungan Ash & Temperatur Ash Fusion

Batubara yang digunakan di PT. Semen Tonasa, Sulsel

Rank (Tingkat

mutu)

Sub Bituminous

Ash, dry basis,%

5.0

Sulfur, dry basis,%

0.70

A n a l i s i s o f A s h , % b y w t

SiO2 48.96Al2O3 29.26TiO2 2.27Fe2O3 6.83CaO 6.08MgO 1.13Na2O 1.20K2O 0.00SO3 4.17

Ash Fusibility Temperatur (AFT)Initial Deformation temperature

(IT),oF

BATU BARA TONASA, SUL-SELULTIMATE (%) PROXIMATE (%)

Carbon (C) 49.38 Moisture 19.23Sulfur (S) 0.70 Volatile matter, dry 44.61Hydrogen (H2) 5.12 Fixed Carbon, dry 31.16Water (H2O) 19.23 Ash, dry 5.00Nitrogen (N2) 1.40 Higher Heating value,

Btu/lb11,16

0Ash 5.00Oxygen (O2) 19.17

3

Reducing 2345Oxidicing 2462

Softening temperature (ST), oFReducing 2372Oxidicing 2480Hemispherical temperature (HT), oF

Reducing 2390Oxidicing 2498

Fluid temperature (FT), oFReducing 2530Oxidicing 2710

Berdasarkan analisis kandungan ash dan ash fusion temperature, klasifikasi ash batubara Tonasa, Sul-Sel adalah ash lignit dengan potensi slagging yang dapat dikategorikan sedang berdasarkan temperatur pembentukan ash ASTM, diperoleh Rs

* = 2,375.6oF dimana 2,250 < Rs*<

2,450. Sedangkan indeks foulingnya adalah 0.25 dengan potensi timbulnya fouling rendah-sedang. Juga kontribusi dari Alkali khususnya Na2O juga menunjukkan ada potensi munculnya fouling. Karena bentuk cair dari elemen alkali ini akan menguap dalam burner pada saat temperatur pembakaran dan juga dapat bereaksi dengan sulfur dan elemen ash lainnya membentuk suatu ikatan yang memberikan kontribusi untuk terjadinya fouling di daerah konveksi.

Tabel 1. Indeks dan Potensi Slagging Batubara Tonasa

Tabel.2. Indeks dan Potensi Fouling Batubara Tonasa

0.45

0.47

0.49

0.51

0.53

0.55

0.57

0.59

800 900 1000 1100 1200 1300

sebelum sootblow ing sesudah sootblow ingLinear (sesudah sootblowing)

Gambar 1. Temperatur gas keluar furnace (FEGT) sebagai fungsi dari Fraksi absorbsi (fab)

0.44

0.46

0.48

0.50

0.52

0.54

0.56

0.58

14.5 15 15.5 16 16.5 17

Sebelum sootblow ing sesudah sootblow ingLinear (Sebelum sootblow ing) Linear (sesudah sootblow ing)

Gambar 2. Beban yang dapat dicapai boiler (MW) sebagai fungsi dari fraksi absorbsi (fab) sebelum

dan sesudah sootblowing

Dari gambar 1 terlihat bahwa semakin tinggi temperatur gas keluar furnace (FEGT) maka fraksi absorbsi akan semakin kecil. Tingginya FEGT disebabkan oleh adanya slagging yang menempel pada furnace sehingga menghambat penyerapan panas pada pipa-pipa di dalam furnace. Pada kondisi sebelum sootblowing, dimana diindikasikan terjadi slagging FEGT-nya lebih besar dibandingkan sesudah sootblowing. Sedangkan fraksi absorbsi akan mengalami peningkatan sesudah dilakukan sootblowing, karena slag yang menghambat proses absorbsi panas telah dibersihkan.

Batubara Tonasa, Sul-Sel dengan indeks slagging yang berpotensi sedang untuk menimbulkan slag terlihat dari adanya peningkatan temperatur gas keluar furnace (FEGT). Dan setelah dilakukan sootblowing, untuk membersihkan slag, terlihat adanya penurunan FEGT dan peningkatan fraksi absorbsi. Hal ini menunjukkan peningkatan beban yang dapat dicapai oleh boiler sesudah dilakukan proses sootblowing.

Dari gambar 2 di atas memperlihatkan hubungan antara fraksi absorbsi dengan beban yang dihasilkan boiler untuk kondisi sebelum dan sesudah sootblowing. Pada kondisi sebelum

Klasifikasi Indeks Batu Bara TonasaNilai Potensi Nilai Potensi

2400 < Rs* Rendah - -

2250 < Rs*< 2450 Sedang 2375.6 Sedang

2100 < Rs*< 2250 Tinggi - -

Rs*< 2100 Tinggi

Sekali - -

Klasifikasi Indeks Batu Bara TonasaNilai Potensi Nilai Potensi

Na2O < 1.2 Rendah - Sedang 0.25 Rendah -

Sedang1.2 < Na2O

< 3 Tinggi - -

Na2O > 3 Tinggi Sekali - -

4

SuperHeater 17%

Economizer 20%

AirHeater20%

Furnace43%

Furnace41%

SuperHeater 19%

Economizer 22%

AirHeater18%

sootblowing, akibat adanya slagging yang menurunkan fraksi absorbsi sehingga boiler hanya dapat mencapai beban antara 14.9 MW - 16.4 MW. Setelah melalui proses sootblowing, dimana slag yang menempel telah dibersihkan, fraksi absorbsi akan meningkat dan beban yang dicapai juga mengalami peningkatan antara 16.2 MW sampai 16.7 MW.

Gambar 3. Boiler Thermal Performance Summary

Dari gambar 3 menunjukkan bahwa, sesudah proses pembersihan slag di furnace (sootblowing), nilai kalor yang diserap di furnace meningkat dari 59.0 x 106 Btu/h (41%) menjadi 68.8 x 106 Btu/h (43%) . Demikian pula kalor yang diabsorbsi pada superheater dan economizer meningkat setelah dibersihkan dari endapan fouling. Dimana penyerapan kalor terbesar terjadi pada furnace, kemudian superheater, economizer dan air heater.

Gambar di atas juga memperlihatkan profil temperatur dari flue gas pada tiap komponen sebelum dan sesudah sootblowing. Temperatur flue gas mengalami penurunan setelah sootblowing, karena panas yang dihasilkan dapat terabsorbsi secara maksimal pada masing-masing komponen.

KESIMPULAN

1. Dari analisis kualitas batu bara, setelah dilakukan coal blending (pencampuran) maka kualitas batu bara Tonasa, Sul-Sel menjadi sub bituminous dengan hasil analisis proksimasi : nilai kalor (11,160 Btu/lb), kandungan zat terbang (44.61%), karbon padat (31.16%), kadar air (19.23%), kandungan ash (5.0%) serta hasil analisis ultimasi : Sulfur (0.7%), Karbon (49.38%), Nitrogen (1.40%), Hidrogen (5.12%) dan Oksigen (19.17%).

2. Dari analisis komposis ash dan Ash Fusion Temperature (AFT), terlihat bahwa batu bara Tonasa diklasifikasikan sebagai ash lignit dengan potensi slagging yang sedang (Rs

* = 2735.6) dan potensi fouling yang rendah - sedang (Rf= 0.25)

3. Berdasarkan perhitungan performa furnace, fraksi absorbsi sesudah dilakukan pembersihan (sootblowing) mengalami peningkatan dari 46.4 % menjadi 49.1 %. Hal ini menunjukkan bahwa potensi munculnya slagging terbukti terjadi pada daerah furnace.

4. Berdasarkan perhitungan efisiensi dengan Btu method, absorbsi panas pada tiap komponen mengalami kenaikan setelah dilakukan sootblowing, sehingga efisiensinya menjadi semakin meningkat dari 80.68 % menjadi 83.46 %.

REFERENSI

[1] Stultz Steven C, Kitto John B,. Steam It’s Generation and Use. Ed. 40th Babcock & Wilcox Company. Ohio, United State of America, 1992.

[2] Kasim, Hasni, Studi Titik Leleh AbuBatubara untuk Tiga Komponen

Oksida. Master thesis Teknik Pertambangan ITB, 2000.

5

[3] Yurismono,H, Cahyadi, Panaka, Petrus, Slagging & Fouling Potential of Indonesian Coal Tested at LSDE Boiler Simulator, Proceedings

International Conference on Clean & Efficient Coal Technology in Power Generation, 1999.

6

7