Coal Combustion Kelompok 2
Transcript of 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
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
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.
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
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.
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.
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
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.
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.
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
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.
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
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)
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.
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).
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.
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%.
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
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.
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”.
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
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.
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.
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
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.