Puslitbang tekMIRA Jl. Jend. Sudirman No. 623 Bandung 40211
Telp : 022-6030483 Fax : 022-6003373 E-mail : Info@tekmira.esdm.go.id
Laporan
Kelompok Pelaksana Litbang Teknologi Pengolahan dan Pemanfaatan Batubara
OPTIMALISASI PROSES PEMBUATAN DAN PEMBAKARAN CWF SEBAGAI BAHAN
BAKAR BOILER
Oleh :
Dedy Yaskuri, DR. Datin F. Umar, Liston Setiawan, Toton Sentana Kunrat, Fahmi Sulistiohadi, Iwan Rijwan,
PUSLITBANG TEKNOLOGI MINERAL DAN BATUBARA - tekMIRA 2012
i KATA PENGANTAR
Laporan ini adalah hasil kegiatan Kelompok Program Teknologi Litbang Pengolahan dan Pemanfaatan Batubara mengenai Penerapan Teknologi Coal Water Fuel pada Industri Pengguna Boiler.
Tujuan penelitian khususnya adalah menerapan Coal Water Fuel (CWF) sebagai bahan bakar berbasis batubara berbentuk slurry untuk dijadikan substitusi terhadap bahan bakar minyak yang biasa digunakan pada pemanasan boiler.
Mudah-mudahan hasil penelitian ini dapat bermanfaat dalam menunjang kebutuhan industri akan energi dan teknologi pemanfaatannya.
Bandung, 12 Desember 2012
Kepala Puslitbang Teknologi Mineral dan Batubara
Dra. Retno Damayanti, Dipl. EST NIP.19621022 198703 2 002
ii SARI
Sebagai bahan bakar yang berbentuk fluida Coal water Fuel (CWF) dapat digunakan untuk bahan bakar alternatif pengganti bahan bakar minyak (MFO/HFO) yang biasa digunakan untuk pemanasan boiler. Untuk mengatasi masalah tersebut diperlukan uji penerapan pada boiler yang biasa digunakan pada industri tersebut.
Slurry CWF yang berbentuk bahan bakar cair mirip seperti minyak bakar, dapat digunakan sebagai bahan bakar pengganti bahan bakar cair (MFO). Penggunaan slurry CWF sebagai pengganti MFO yang digunakan pada boiler adalah dengan cara slurry CWF disalurkan menuju spray burner yang dibantu dengan tekanan udara dari compressor untuk menjadikan slurry CWF mengkabut. Pengkabutan dari slurry ini disemburkan kedalam ruang bakar yang telah dipanaskan terlebih dahulu dengan temperatur ruang mencapai 500oC-600oC, sehingga slurry dalam bentuk kabut tersebut dapat mudah terbakar pada ruang bakar. Hasil dari pembakaran pada ruang bakar tersebut akan berbentuk lidah api yang kemudian dapat disalurkan pada boiler.
Untuk meningkatkan performa dan kapasitas pembakaran CWF dilakukan perancangan spray burner. Dari hasil percobaan dengan menggunakan spray burner yang telah di modifikasi yang dikoneksi dengan boiler kapasitas 200kg/jam didapatkan dari pembakaran dengan bahan bakar CWF dihasilkan efisiensi boiler terbesar 51,89 %. Efisiensi boiler dengan pembakaran CWF masih rendah dibanding dengan pembakaran menggunakan BBM yang mencapai 85%, ini dikarenakan ruang bakar boiler didisain untuk BBM sehingga tidak mampu untuk menampung jumlah asap hasil pembakaran CWF.
iii DAFTAR ISI
Kata Pengantar ……….. i
Sari ……….………. ii
Daftar Isi ……...………...…… iii
Daftar Tabel …………..…..………...…… iv
Daftar Gambar ………..………...…… iv
I. Pendahuluan ...………...… 1
1.1 Latar belakang ...………...… 1
1.2 Ruang lingkup ...………...…… 3
1.3 Tujuan ...………...… 4
1.4 Sasaran …...………...… 4
1.5 Lokasi kegiatan ………...…… 4
II. Tinjauan Pustaka ……….………...……… 5
2.1 Pembuatan CWF ….………..………… 5
2.2 Pembakaran CWF……….……….……… 6
2.3 Boiler ……….. 7
III. Program Kegiatan ……..………...………… 8
3.1 Pelaksanaan kegiatan ………..………. 8
3.2 Persiapan peralatan ……… 9
3.3 Persiapan bahan ……….……… 9
3.4 Prosedur percobaan …..………..……….. 10
IV. Metodologi ……… 12
4.1 Peralatan ….………..……..………...…… 13
4.1.1 Tungku pembakar ..……….………...……… 13
4.1.2 Pengumpan CWF..………….………..……… 13
iv
4.1.3 Ruang bakar dan Boiler ... 13
4.1.4 Kompresor ……….……….. 14
4.1.5 Spray burner ………..……….. 14
4.1.6 Peralatan pembantu …………..……… 15
4.2 Bahan baku batubara ….…..……… 15
V. Hasil dan Pembahasan……… 16
5.1 Sinkronisasi proses pembuatan dan pembakaran CWF...…… 16
5.1.1 Kebutuhan air untuk proses pembuat slurry CWF dan boiler………..… 16
5.1.2 Jalur pemipaan..……… 17
5.1.3 Modifikasi peralatan…..……….. 18
5.2 Perancangan spray burner………..………....…… 20
5.2.1 Kalibrasi spray burner ……….. 21
5.3 Uji coba proses pembuatan dan pembakaran slurry CWF…………..…….. 22
5.3.1 Pembuatan slurry CWF………... 22
5.3.2 Persiapan bahan baku dan peralatan ………..……… 23
5.3.3 Uji coba pembakaran ………..………. 24
5.3.3.1 Pembakaran CWF dengan boiler menggunakan penghisap asap Pembakaran dengan cerobong……… 25 5.3.3.2 Pembakaran CWF dengan boiler menggunakan penghisap asap Pembakaran dengan exhaust fan ……… 29 5.4 Studi banding dengan HWD demonstration plant ………. 38
5.4.1 Proses pembuatan dan pemanfaatan CWF pada HWD demo plant………. 38
5.4.2 Potensi keekonomian pabrik komersial CWF Indonesia ………..…………. 42
VI Kesimpulan dan Saran……… 44
6.1 Kesimpulan ……….. 44
6.2 Saran ……… 44
Daftar Pustaka Lampiran
v Daftar Tabel
Tabel 4.1 Karakteristik batubara hasil proses UBC ... 15
Tabel 5.1 Kalibrasi spray burner ………. 22
Table 5.2 Hasil pembakaran dengan menggunakan boiler demonstration plant JCF ….…… 42
Tabel 5.3 Ringkasan Asumsi ………..……… 43
Tabel 5.4 Ringkasan Indikator Finansial……….……….………. 43
Daftar Gambar Gambar 3.1 Peralatan pengecilan ukuran batubara ... 9
Gambar 3.2 Bagan alir proses pembuatan CWF... 10
Gambar 4.1 Skema pembakaran dengan menggunakan boiler .………..………. 14
Gambar 4.2 Kompresor ……….. 14
Gambar 5.1 Sinkronisasi proses pembuatan dan pembakaran CWF……….. 16 17 Gambar 5.2 Fasilitas air untuk proses pembuatan CWF dan boiler……… 17
Gambar 5.3 Heater pemanas air……….………..……….. 18
Gambar 5.4 Tangki pengecer aditif ……….……… 18
Gambar 5.5 Inverter pengatur putaran motor screw feeder……… 18
Gambar 5.6 Koneksi ruang bakar dengan boiler…………..………. 19
Gambar 5.7 Penambahan Exhaust fan………..………..………..……… 19
Gambar 5.8 Modifikasi input udara pada blower ..……… 19
Gambar 5.9 Kompresor untuk pengkabutan.……….……….. 20
Gambar 5.10 Spray burner 1 ………..……… 21
Gambar 5.11 Spray burner 2 ………….……….……….. 21
Gambar 5.12 Kalibrasi pada runga cold model ………..……… 22
Gambar 5.13 Bentuk pengabutan yang dihasilkan spray burner ... 22
vi
Gambar 5.14 Kerugian panas akibat api tidak mengalir ke boiler ………. 27
Gambar 5.15 Api pembakaran yang tidak mengalir ke boiler ………. 33
Gambar 5.16 Api pembakaran yang mengalir ke boiler ………. 33
Gambar 5.17 Indikator temperatur pembakaran ………. 34
Gambar 5.18 Tekanan steam boiler………. 34
Gambar 5.19 Bagan alir proses pembuatan dan pembakaran JCF……….. 38
Gambar 5.20 Hammer Mill ……….. 39
Gambar 5.21 Rangkaian peralatan proses upgrading dengan HWD (tahap 2)………... 39
Gambar 5.22 Filter press ……….. 40
Gambar 5.23 Ball mill ……… 40
Gambar 5.24 High speed Mixer ………. 40
Gambar 5.25 Pompa JCF ……….. 41
Gambar 5.26 Rangkaian peralatan pembakar JCF dan boiler……….. 41
Daftar Grafik Grafik 5.1 Partikel size hasil penggerusan …..……….……..…….. 23
Grafik 5.2 Viskositas CWF…………..………..………. 24
Grafik 5.3 Temperatur pembakaran spray burner 1………..… 26
Grafik 5.4 Temperatur pembakaran spray burner 2……….…. 27
Grafik 5.5 Pembakaran dengan spray burner 1 kecepatan 10 Hz……….……….. 30
Grafik 5.6 Pembakaran dengan spray burner 1 kecepatan 15 Hz………….……….. 31
Grafik 5.7 Pembakaran dengan spray burner 2 kecepatan 10 Hz………….……….. 32
Grafik 5.8 Pembakaran dengan spray burner 2 kecepatan 15 Hz…………..……….. 33
vii
CWF 2012 1 I. PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Pemberlakuan Undang-Undang Nomor 4 Tahun 2009 tentang Pertambangan Mineral dan Batu- bara tanggal 12 Januari 2009, yang menggantikan Undang-Undang Nomor 11 Tahun 1967 ten- tang Ketentuan-Ketentuan Pokok Pertambangan, semakin menegaskan komitmen Pemerintah untuk terus mengoptimalkan manfaat dari kegiatan subsektor pertambangan non-migas, termasuk batubara, bagi kepentingan negara dan masyarakat (Setiawan, 2009a). Dalam konteks pasar dunia, Indonesia merupakan salah satu produsen dan eksportir batubara uap (steam coal) utama di dunia meskipun konsep kebutuhan dalam negeri tetap lebih diutamakan daripada untuk ekspor (Ariyono, 2009).
Dalam Peraturan Pemerintah Nomor 23 tahun 2010 tentang Pelaksanaan Kegiatan Usaha Pertambangan Mineral dan Batubara, antara lain mengamanatkan bahwa pemegang Izin Usaha Pertambangan (IUP) Operasi Produksi, IUP Khusus (IUPK) Operasi Produksi, dan IUP Operasi Produksi khusus pengolahan dan pemurnian batubara, wajib melakukan pengolahan untuk meningkatkan nilai tambah batubara yang diproduksi, baik secara langsung maupun kerja sama dengan perusahaan pemegang IUP dan IUPK lainnya. Hal ini dilakukan dengan tujuan untuk meningkatkan dan mengoptimalkan nilai tambang, tersedianya bahan baku, penyerapan tenaga kerja, dan peningkatan penerimaan Negara (Setiawan, 2009b).
Pertumbuhan ekonomi dan pertambahan penduduk yang sangat pesat di dunia termasuk Indonesia menyebabkan meningkatnya permintaan segala bentuk energi. Energi mempunyai peranan penting dalam pencapaian tujuan sosial, ekonomi dan lingkungan untuk pembangunan berkelanjutan serta merupakan pendukung bagi kegiatan ekonomi nasional.
Kondisi energi nasional secara umum dihadapkan pada beberapa persoalan. Di antaranya adalah pertumbuhan konsumsi energi yang tumbuh sebesar 7% per tahun dan belum sepe- nuhnya diimbangi oleh pasokan. Persoalan lain, kita masih terhitung boros dalam pemakaian energi, sedangkan energi alternatif lain yang ada belum mencapai harga pasar (Saleh, 2011).
Dengan kondisi seperti ini, upaya untuk memperbaiki permasalahan pasokan energi nasional, khususnya persoalan pasokan konsumsi dalam negeri, diversifikasi dan konservasi energi perlu dilakukan secara menerus dan konsisten. Bahan bakar minyak (BBM) yang jumlahnya semakin
CWF 2012 2 terbatas dan harga minyak dunia yang cenderung naik, serta kemampuan produksi minyak bumi nasional yang cenderung menurun, maka ketergantungan pada sumber energi BBM saat ini sudah tidak ekonomis lagi. Sementara itu, pemanfaatan sumber energi baru dan terbarukan yang relatif murah dan berpotensi besar belum digarap secara optimal. Perluasan basis sediaan energi perlu dilakukan secara cermat dan tepat, sebagaimana yang dirumuskan dalam Perpres nomor 5 tahun 2006 tentang Kebijakan Energi Nasional (Umar, 2011).
Pemanfaatan batubara dalam bentuk CWF (coal water fuel) merupakan suatu hal yang sangat menarik karena sifat alirnya yang tergolong bersifat cairan (fluida) yang memungkinkan pem- anfaatan batubara sebagai bahan bakar cair menggantikan minyak bakar di kilang-kilang minyak atau industri lainnya yang biasa menggunakan minyak bakar berat (heavy fuel oil) sebagai ba- han bakar untuk pengolahan produknya.
Keuntungan penggunaan batubara dalam bentuk CWF antara lain karena sifat alirnya yang berupa cairan hingga memungkinkan pengiriman/pengangkutan CWF di antara berbagai lokasi di dalam/luar instalasi/pabrik lewat pipa. Selain itu boiler (ketel) yang semula beroperasi dengan minyak bakar masih dapat digunakan dengan melakukan sedikit modifikasi. Selain itu, batubara dalam bentuk suspensi dapat ditangani secara bersih hingga menunjang program bersih ling- kungan dan terhidar dari kemungkinan terjadinya pembakaran spontan yang biasa ditimbulkan batubara dalam bentuk serbuk.
Untuk mendapatkan CWF dengan konsentrasi batubara yang tinggi dari batubara peringkat ren- dah, berdasarkan hasil penelitian sebelumnya batubara tersebut harus melalui proses upgrading terlebih dahulu (Umar, dkk., 2006). Proses upgrading yang diterapkan dalam penelitian ini ada- lah proses upgraded brown coal (UBC).
Sebagai bahan bakar, ada beberapa kriteria yang perlu diperhatikan dalam pembuatan CWF, yaitu:
Stabil, selama penyimpanan, pengangkutan dan pembakaran,
Mempunyai konsentrasi batubara yang tinggi,
Mudah dilairkan melalui pipa saat ditransportasikan baik dari pabrik ke konsumen mau- pun dari tanki penyimpanan ke boiler.
Dapat dibakar dengan nyala api yang sempurna dan efisiensi pembakaran yang tinggi.
CWF 2012 3 Berdasarkan kriteria CWF seperti yang tersebut di atas, maka dilakukan penelitian optimasi proses pembuatan dan pembakaran CWF sebagai Bahan Bakar Boiler yang merupakan ke- lanjutan dari kegiatan penelitian sebelumnya. Pada kegiatan tahun anggaran 2011 telah dil- akukan percobaan pembakaran CWF, dengan melakukan modifikasi pada spray burner untuk mendapatkan pengkabutan slurry CWF lebih baik. Dari hasil pengungujian pembakaran dengan menggunakan spray burner hasil modifikasi terdapat peningkatan performa pembakaran, yaitu penyumbatan pada spray burner berkurang, volume slurry lebih besar, temperatur pembakaran pada ruang bakar dapat mencapai 1088oC (Yaskuri, dkk., 2011) . Pengujian pembakaran yang dilakukan tanpa memanfaatkan panas yang dihasilkan dari pembakaran. Dengan demikian pada tahun anggaran 2012 ini, akan dilakukan tindak lanjut percobaan dengan memanfaaatkan hasil pembakaran CWF dengan memanfaatkan panas yang dihasilkan dari pembakaran dengan menggunakannya pada boiler, dengan penggunaan boiler dapat digunakan sebagai per- bandingan perhitungan efisiensi pembakaran dengan menggunakan BBM dan menggunakan bahan bakar CWF.
Uji coba pembakaran CWF sebagai bahan bakar boiler yang didisain untuk bahan bakar minyak dilakukan untuk mengetahui kemampuan CWF sebagai bahan bakar alternatif pengganti BBM.
Efisiensi boiler digunakan sebagai acuan keekonomian dibandingkan dengan bahan bakar lain atau BBM.
1.2 Ruang Lingkup
Ruang lingkup kegiatan meliputi:
Sinkronisasi ruang bakar CWF dengan Boiler kapasitas 200 kg uap/jam
Rancang bangun spray burner CWF
Melakukan uji coba pembakaran yang terkoneksi dengan boiler 200kg uap/jam.
Studi banding dengan Hot Water Drying (HWD) demonstration plant, Karawang Jawa Barat.
CWF 2012 4 1.3 Tujuan
Melaksanakan penelitian dan pengembangan pembuatan CWF dengan menggunakan batubara hasil proses UBC dan pembakaran CWF yang dihubungkan dengan boiler kapasitas 200 kg uap/jam, sehingga didapat efisiensi boiler dari hasil pembakaran menggunakan CWF sebagai bahan bakar.
1.4 Sasaran
Teknologi pembuatan dan pembakaran CWF skala pilot plant dengan melakukan perancangan spray burner untuk mengkabutkan CWF. Hasil pembakaran CWF dimanfaatkan untuk men- guapkan air pada boiler dengan kapasitas 200 kg/jam dengan efisiensi boiler 80%
1.5 Lokasi Kegiatan
- Kegiatan optimalisasi proses dilaksanakan di pilot plant CWF Sentra Litbang Pemanfaatan Batubara di Palimanan, Cirebon. Kegiatan analisa slurry CWF dilakukan dilaboratorium di Puslitbang TekMira di Bandung.
- Studi banding CWF demonstration plant dikarawang Jawa Barat - Pelaporan di Puslitbang tekMIRA – Bandung,
CWF 2012 5 II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Pembuatan CWF
Pembuatan CWF pada prinsipnya cukup sederhana, yaitu dengan mencampurkan batubara halus dan air dalam perbandingan tertentu sampai homogen. Dengan karena adanya perbedaan berat jenis antara batubara dan air, maka batubara cenderung untuk memisah membentuk suatu endapan dalam air. Untuk mencegah hal tersebut, maka perlu ditambahkan suatu bahan aditif yang biasanya berupa bahan kimia dalam jumlah yang relatif kecil (<1%). Faktor-faktor yang mempengaruhi kestabilan CWF adalah jenis/sifat permukaan batubara, ukuran partikel, konsentrasi batubara dalam CWF, sifat alir, jenis dan jumlah aditif yang ditambahkan (Umar, dkk, 1994).
Jenis batubara yang paling baik sebagai bahan baku pembuatan CWF adalah batubara bituminus, dengan kadar air < 6% dan nilai kalor > 5527 kkal/kg. Batubara bituminus juga mempunyai ratio O/C yang rendah (< 0,2) dengan sifat permukaan hidrofobik atau sifat tidak suka air. Sifat ini akan menahan air untuk tidak masuk ke dalam pori-pori batubara, sehingga kadar air dalam CWF tidak terlalu besar. Batubara yang terdapat di Indonesia pada umumnya adalah batubara lignit dan sub-bituminus yang termasuk jenis batubara peringkat rendah.
Batubara jenis ini mempunyai perbandingan O/C yang besar dengan sifat permukaan cenderung hidrofilik. Dalam pembuatan CWF sifat hidrofilik ini kurang disengangi karena CWF yang dihasilkan dari batubara jenis ini akan mempunyai kandungan air yang cukup tinggi karena sebagian besar air akan masuk terserap oleh batubara. Dengan proses upgrading, sifat permukaan batubara yang hidrofilik dirubah menjadi hidrofobik dengan perbandingan O/C yang lebih kecil dibandingkan dengan batubara sebelum proses upgrading (Saeki, et al., 1999).
Proses upgrading yang telah diterapkan pada skala pilot adalah proses upgraded brown coal (UBC), yaitu memanaskan batubara pada suhu150°C dan tekanan 3,5 atm (Deguchi et al, 1999 dan Umar, dkk 2003). JGC Corp., Jepang saat ini tengah mengembangkan teknologi pembuatan CWF yang berasal dari batubara peringkat rendah yang telah melalui proses upgrading dengan metode hot water drying (HWD), yaitu dengan cara memanaskan batubara pada temperatur >
300°C dan tekanan > 60 bar kemudian dibuat CWF (Suyama, 2008).
CWF 2012 6 2.2. Pembakaran CWF
Pembakaran CWF dilakukan dengan menyemprotkan CWF menggunakan pompa dan kompre- sor ke tungku pembakaran yang telah dipanaskan terlebih dahulu (sistim injeksi). Komponen yang paling penting dalam proses pembakaran adalah spray burner, yaitu suatu alat untuk mengendalikan pencampuran udara dengan bahan bakar untuk menghasilkan nyala api yang stabil. Secara umum, proses pembakaran meliputi dua tahap, yaitu tahap penguapan air dan tahap penyalaan (Umar, dkk., 2007).
Pada tahap penguapan, sesaat setelah CWF disemprotkan ke tungku pembakar, batubara be- lum terbakar. Saat penguapan proses penyalaan tertunda dan dapat menurunkan suhu tungku.
Oleh karena itu makin cepat waktu penguapan air, makin sempurna pembakaran CWF. Untuk membantu mempercepat penguapan kandungan air dalam CWF dapat digunakan udara pemba- kar yang telah dipanaskan terlebih dahulu. Dengan digunakannya udara panas sebagai udara pembakaran, maka peristiwa penguapan air menjadi lebih cepat.
Penguapan air akan mengakibatkan jumlah uap air (H2O) naik dalam konsentrasi yang tinggi.
Kehadiran uap air akan berfungsi sebagai katalis pada pembentukan radikal hidroksil (OH) yang bereaksi dengan gas CO dan partikel karbon yang terdapat dalam batubara, sehingga mempercepat proses penguapan dan pembakaran.
Setelah proses penguapan air dalam CWF, terjadi penyalaan/pembakaran batubara. Pada prin- sipnya, pembakaran adalah reaksi antara karbon dan hidrogen yang ada dalam batubara, dengan oksigen dari udara yang menghasilkan karbondioksida dan uap air serta panas. Jumlah oksigen yang diperlukan dalam pembakaran tersebut secara teoritis dapat dihitung dan disebut dengan kebutuhan stokhiometri. Pada kenyataannya karena proses pembakaran tidak mencapai keadaan ideal, diperlukan O2 yang berlebih, yaitu udara yang dikonsumsi lebih besar dari kebutuhan teoritis. Oksigen yang berlebih ini disebut dengan excess air
Efisiensi pembakaran tergantung pada pengkabutan (atomisasi) CWF dan jenis atomisator yang digunakan, sedangkan kesempurnaan pembakaran tergantung pada jumlah/kandungan batubara dalam air, kecepatan aliran CWF, kecepatan aliran udara pembakaran (udara primer dan sekunder) dan temperatur udara pembakaran (Thambimuthu, 1994).
CWF yang dipompakan akan mengalami atomisasi sehingga terbentuk tetesan - tetesan (droplet) CWF. Tetesan-tetesan CWF tersebut mengalami pemanasan dalam tungku boiler yang telah dipanaskan (pre-heating) sehingga terjadi pengeringan, peleburan dan penyalaan awal.
CWF 2012 7 Selanjutnya terjadi rotasi dan kemudian fragmentasi partikel-partikel batubara dalam tetesan CWF sehingga akhirnya terjadi penyalaan sempurna. Dalam hal ini, kinerja pembakaran yang baik akan tergantung ukuran tetesan CWF yang masuk ke tungku boiler melalui spray burner.
Pembakaran CWF yang kurang sempurna akan menghasilkan jelaga dan asap yang antara lain terdiri dari partikel karbon dan senyawa hidrokarbon. Banyaknya jelaga dan suasana reduksi dapat merugikan, terutama menyebabkan rendahnya efisiensi.
2.3 Boiler
Efisiensi boiler merupakan perbandingan antara panas yang diserap oleh air umpan untuk beru- bah menjadi uap terhadap seluruh energi di dalam bahan bakar yang digunakan. Efisiensi digunakan sebagai ukuran kemampuan boiler untuk memenuhi suatu kebutuhan uap dengan sejumlah bahan bakar yang tersedia. Untuk membuat suatu boiler dengan kehilangan panas yang sangat kecil atau tanpa kehilangan panas adalah sangat mahal, oleh karena itu efisiensi boiler selalu kurang dari 100%.
Efisiensi boiler dapat dihitung dengan cara, yaitu:
Perhitungan efisiensi boiler
efisiensi boiler % = Panas yang diserap oleh Uap
Energi total dalam bahan bakarx 100
efisiensi boiler % = Uap yang dihasilkan x entalpi Uap
Konsumsi Bahan Bakar x Nilai Kalor Bahan Bakar x 100
𝜂 𝑏𝑜𝑖𝑙𝑒𝑟 =(hg steam − hf air)xQ q CWF x GCV x100 Entalpi steam dapat dilihat dilampiran
CWF 2012 8 III. PROGRAM KEGIATAN
Program kegiatan optimalisasi proses pada Pilo plant CWF merupakan salah satu upaya untuk mendapatkan proses pembuatan dan pembakaran CWF yang lebih baik, dengan melakukan sinkronisasi proses pembuatan dan pembakaran CWF dengan menggunakan boiler dan meningkatkan kapasitas spray burner .
Tahapan-tahapan penelitian:
- Sinkronisasi ruang bakar CWF dengan boiler kapasitas 200 kg uap/jam - Modifikasi peralatan pada pilot plant CWF
- Rancang bangun spray burner CWF
- Uji coba pembakaran yang dihubungkan dengan boiler kapasitas 200kg uap/jam.
- Studi banding CWF demonstration plant, di Karawang JawaBarat
3.1 Pelaksanaan kegiatan
Penelitian optimalisasi proses pada pilot plant CWF di lakukan di sentra teknologi pemanfaatan batubara Palimanan, Cirebon, Jawa Barat. Bahan baku batubara yang digunakan untuk pembu- atan CWF, adalah batubara hasil proses UBC dengan zat aditif CMC.
Persiapan kegiatan dilakukan melalui pengecekan kelaikkan alat dan indentifikasi peralatan yang ada dengan menghitung kapasitas masing-masing peralatan sebagai data untuk perancangan sistem kontrol. Proses pembuatan CWF dilakukan melalui beberapa tahapan proses yaitu pen- gecilan ukuran batubara hingga -200 mesh, kemudian proses pencampuran batubara , air dan aditif dengan pengadukan pada putaran tingggi.
Pembakaran CWF dilakukan dengan cara menyemprotkan CWF ke dalam tungku pembakaran yang sebelumnya telah dipanaskan menggunakan batubara bongkah/ kayu bakar hingga men- capai temperatur > 500oC. Untuk pembakaran CWF digunakan burner yang telah didesain khu- sus, sehingga CWF yang dialirkan melalui pompa akan tercampur sempurna dengan udara dari kompresor yang menghasilkan pengkabutan.
3.2 Persiapan Peralatan.
CWF 2012 9 Dalam melaksanakan kegiatan optimasi pembuatan dan pembakaran CWF, diperlukan peralatan-peralatan yang siap pakai sehingga pelaksanaan kegiatan dapat berjalan dengan baik.
Pembuatan CWF secara kontinu dilakukan dengan menggunakan peralatan pengecilan ukuran batubara antara lain; belt conveyor (transportasi batubara), hammer mill (pengecilan ukuran < 1 cm), bucket elevator, roller mill (pengecilan ukuran sampai lolos -200 mesh), hopper storage (penampung), classifier dan blower.
Peralatan pembuatan CWF terdiri atas; screw conveyor (transportasi batubara halus), mixer (pembuatan slurry), tangki air, tangki aditif dan pompa (zat aditif, air) dan tangki penyimpanan CWF. Peralatan pembakaran CWF terdiri atas; kompresor,tabung udara, burner, pompa CWF, blower dan tungku pembakaran, peralatan pengecilan ukuran batubara dapat dilihat pada Gam- bar 3.1.
3.3 Persiapan Bahan
Bahan baku batubara yang digunakan dalam optimasi proses pembuatan dan pembakaran CWF, adalah batubara hasil proses UBC dengan nilai kalor + 5800 kkal/g dan kadar air <10%
dengan menggunakan zat aditif CMC.
Gambar 3.1 Peralatan pengecilan ukuran batubara
CWF 2012 10 3.4 Prosedur Percobaan
Batubara hasil proses UBC digiling dengan menggunakan roller mill sampai menghasilkan batubara dengan ukuran < 200 mesh dengan cara mengatur kecepatan classifier dan slade gate udara blower. Evaluasi hasil penggilingan dilakukan analisis dengan menggunakan alat partikel size analyzer, sedangkan karakterisasi batubara dilakukan melalui analisis proksimat (air lembab, abu dan zat terbang), sulfur dan nilai kalor.
Batubara hasil proses penggilingan (<200 mesh) dicampur dengan zat aditif CMC sebanyak 0,5% (Umar dkk., 1997). Pengadukan batubara dan air dilakukan dalam 2 tahap, yaitu tahap pengadukan dan tahap homogenisasi. Pada tahap pengadukan, batubara, air dan zat aditif dimasukkan ke dalam rotary mixer 1 dengan kapasitas 300 liter sehingga tercampur merata dengan kecepatan putar 3.500 rpm. Selanjutnya homogenisasi dilakukan dengan menggunakan rotary mixer 2 pada kecepatan 1.000 rpm sampai semua batubara tercampur dengan sempurna.
Contoh CWF diambil untuk pengujian konsentrasi, viskositas dan sifat alir. Bagan alir proses pembuatan CWF melalui proses upgrading dengan UBC dapat dilihat pada Gambar 3.2 (Umar, dkk., 2008).
Gambar 3.2. Bagan alir proses pembuatan CWF
Batubara Slurry
Batubara halus
< 200 mesh
Proses Up- grading
Air
Pencampuran
Zat aditif
Coal water fuel (CWF)
CWF 2012 11 Percobaan pembakaran CWF dilakukan dalam 2 tahap yakni tahap uji karakteristik spray burner dan tahap pembakaran. Tahap uji karakteristik spray burner dilakukan untuk mengetahui kemampuan dari spray burner untuk mengabutkan CWF. Pada masing-masing spray burner dilakukan kalibrasi yang dilakukan pada suatu ruang cold model ruang bakar, sehingga diketahui karakteristik bentuk pengkabutan dari spray burner, volume CWF yang di semburkan, dan ketahanan spray burner terhadap penyumbatan pada kondisi temperatur udara normal. Tahap pembakaran dilakukan dengan melakukan penyalaan awal pada tungku pembakaran dengan menggunakan kayu bakar dan batubara bongkah. Setelah temperatur ruang bakar menjapai 500oC-600oC, setelah itu slurry dimasukkan kedalam tungku pembakaran. Dilakukan pengamatan terhadap nyala api suplay slurry dan pengkabutan spray burner, tekanan steam pada boiler dan pengukuran temperatur pada ruang bakar.
CWF 2012 12 IV. METODOLOGI
CWF merupakan campuran batubara, air dan aditif, yang membentuk suatu slurry dengan nilai kalor 2551 kalori/gram adb, penggunaan CWF sebagai bahan bakar tidak dapat langsung digunakan sebagai mana BBM, karena CWF mempunyai sifat tidak mudah terbakar, akan tetapi mempuyai sifat alir seperti BBM (MFO/HFO), sehingga apabila akan digunakan sebagai bahan bakar harus melalui media pemanas lain (furnace) sebagai pengganti burner BBM. Penggunaan tungku pembakaran pada penerapan CWF pada boiler industri adalah dengan memasang di luar ruang bakar BBM, yaitu dengan menggandengkan tungku pembakar CWF dengan ruang bakar BBM, tungku tersebut terbuat dari susunan refraktori, penelitian pembakaran dilakukan untuk mengetahui kesempurnaan pembakaran, temperatur yang dicapai, dan panas yang dihasilkan untuk pemanasan boiler untuk menghasilkan steam.
Pembakaran dilakukan dengan menyemprotkan CWF menggunakan pompa ke tungku pembakaran yang telah dipanaskan terlebih dahulu (sistem injeksi). Efisiensi pembakaran tergantung pada derajat atomisasi CWF dan jenis atomisator yang digunakan (Wall, 1987), sedangkan kesempurnaan pembakaran tergantung pada jumlah/kandungan batubara dalam air, kecepatan aliran CWF, kecepatan aliran udara pembakaran (udara primer dan sekunder) dan temperatur udara pembakaran.
Pelaksanaan uji coba optimasi proses CWF:
Penyiapan bahan baku batubara hasil proses upgrading, zat aditif, dan peralatan pembuatan CWF
Reduksi ukuran batubara hasil proses UBC sampai berukuran < 200 mesh untuk pembuatan CWF
Sinkronisasi proses pada pilot plant CWF.
Pembuatan 2 buah spray burner untuk dilakukan uji coba pembakaran.
Uji coba proses pembuatan CWF secara kontinyu.
Uji coba pembakaran dengan boiler
4.1. Peralatan Uji coba pembuatan dan pembaran CWF
CWF 2012 13 4.1.1. Tungku pembakar
Tungku pembakar CWF dibuat dari refraktori dan disambungkan dengan boiler yang berkapasi- tas 200 kg uap perjam, tungku pembakaran CWF dibuat dengan dua bagian dengan ukuran pan- jang 310 cm, diameter 100 cm dan diameter 50 cm.
4.1.2. Pengumpan CWF
Pengumpan CWF pada proses pembakaran CWF digunakan tipe pengkabutan melebar, dibuat 2 buah spray burner yang sama dengan sudut yang berbeda, uji coba pembuatan spray burner dimaksudkan untuk mengetahuhi karakter pengkabutan CWF yang dihasilkan dan juga untuk mengetuhi kapasaitas volume yang mampu dikabutkan oleh spray burner.
CWF dialirkan melalui pipa dengan menggunakan pompa type monopump dengan penggerak variabel berkekuatan 1 pk dengan kapasitas maksimum 3,8 liter per menit. Untuk mengatur laju alir CWF, maka pada motor dipasang inverter yang dibantu oleh dua buah kompresor dan CWF dialirkan kedalam sebuah tabung. Penggunaan tabung dimaksudkan agar tekanan udara yang akan dialirkan menuju spray burner stabil. Tekanan yang dihasilkan dari tabung tersebut dapat mencapai 3-4 bar setelah sebagian udaranya digunakan untuk menekan slurry sehingga menghasilkan pengkabutan pada slurry CWF.
4.1.3. Ruang bakar dan boiler
Boiler yang digunakan untuk percobaan adalah boiler yang didisain untuk menggunakan BBM sebagai bahan bakarnya. Berdasarkan hasil pengujian boiler yang lalu dengan menggunakan BBM, didapat efisiensi boiler sebesar 85% (Liston, dkk,. 2010).Boiler yang digunakan pada adalah type pipa api Vertikal (fire tube) dengan kapasitas uap 200 kg per jam dengan tekanan maksimum 5 bar dan tinggi cerobong 9 meter. Tungku pembakaran CWF yang digunakan mempunyai panjang ruang bakar 310 cm dan lebar 30 cm. Ruang bakar terbuat dari bata tahan api yang dilengkapi dengan pipa besi berdiameter 6 inch sebagai penghantar panas pada ruang bakar boiler. Skema percobaan pembakaran CWF dengan menggunakan bolier ditunjukan pada Gambar 4.1.
CWF 2012 14 Gambar 4.1 Skema pembakaran dengan menggunakan boiler
4.1.4. Kompresor
Kompressor digunakan untuk menekan slurry pada spray burner, sehingga slurry CWF dapat membentuk kabut. Parameter yang diamati adalah tekanan yang dihasilkan oleh kompresor. Un- tuk menambah volume dan tekanan udara yang dibutuhkan untuk mengkabutkan slurry CWF pada spray burner maka digunakan 2 buah kompressor (Gambar 4.2). Kompresor dihubungkan dengan sebuah tabung bertekanan secara parallel dan kemudian udara tekan dialirkan ke spray burner.
Gambar 4.2 Kompresor
4.1.5 Spray burner
Untuk meningkatkan kinerja spray burner , maka dibuat 2 buah spray burner denga tipe melebar.
Pada masing-masing spray burner dilakukan pengujian karakteristik untuk mengetahui volume slurry yang dapat dikabutkan, bentuk pengkabutan dan ketahanan terhadap penyumbatan pada spray burner dikarenakan slurry yang mongering pada nozzle spray burner.
CWF 2012 15 4.1.6. Perlengkapan Pembantu
Selain perlengkapan pokok diatas, digunakan juga perlengkapan pendukung seperti termocopel, timbangan, moisture balance dan blower.
4.2. Bahan Baku Batubara
Batubara yang digunakan adalah batubara hasil proses UBC (Upgraded Brown Coal) dengan nilai kalor 5.527 kal/g adb (Tabel 4.1) ukuran – 200 mesh, dan aditif CMC.
Tabel 4.1. Karakteristik batubara hasil proses UBC Analisis , air dried basis Nilai Analisis proksimat
Air bawaan,%
Abu ,%
Zat terbang ,%
Karbon tertambat *,%
Nilai kalor, kkal/kg
6,65 9,04 45,2 39,11 5.527
CWF 2012 16 V. HASIL DAN PEMBAHASAN
Dalam pelaksanaan optimalisasi proses pada prototype CWF sebagai bahan bakar mengganti- kan bahan bakar minyak telah dilakukan beberapa tahapan kegiatan untuk mendapatkan hasil yang baik.
5.1. Sinkronisasi proses pembuatan dan pembakaran CWF
Pada proses pembuatan dan pembakaran CWF yang dihubungkan dengan boiler dibutuhkan modifikasi dan tambahan peralatan yang telah tersedia pada pilot plant CWF berupa sinkronisasi untuk mendukung proses uji coba pembuatan dan pembakaran CWF secara kontinyu (Gambar 5.1).
Tangki Air+Aditif
PROCESS FLOW DIAGRAM CWF (Coal Water Fuel)
Bag Filter
Conveyor Flight
Conveyor
Belt Conveyor
Conveyor
Batubara Pulverizer
Siklon
Blower
Kompresor 2
Hammer Mi ll
Tangki air BOILER
Burner
Kotak Abu
Mixer 1
Pompa Air
Air
S t ea m
Pompa CWF-1 Pompa CWF-2
Pompa screw Pompa Aditif
TangkiPenampung-1
Mixer 2
M1
M2 M3
M4 M5
M6
W a t e r s o f t e n e r
Tangki air
Kolam penampung air
Pompa air Pompa air
heater
Kompresor 1 Cerobong
Keterangan : modifikasi dengan warna biru
Rencana penambahan kompressor
Gambar 5.1 Sinkronisasi proses pembuatan dan pembakaran CWF
5.1.1 Kebutuhan air untuk proses pembuatan slurry CWF dan boiler
Pada proses pembuatan dan pembakaran CWF dengan menggunkanan boiler sangat dibutuh- kan pasokan air agar uji coba dapat berjalan secara kontinyu. Maka dari itu, dilakukan pekerjaan pembuatan fasilitas penampungan air dan bak pengolahan air untuk memenuhi kebutuhan air pada proses pembuatan slurry CWF dan pasokan air untuk boiler.
CWF 2012 17 Pada penampungan air ini bak disekat menjadi dua bagian, air pada bak pertama sebagai pen- ampung air dari PDAM. Air dari bak pertama terlebih dahulu diolah sebelum dialirkan ke bak kedua dengan menggunakan water softerner untuk menghilangkan kadungan mineral-mineral pada air, sehingga air lebih aman untuk digunakan pada boiler. (Gambar 5.2).
Gambar 5.2 Fasilitas penampungan air untuk proses pembuatan CWF dan boiler
5.1.2 Jalur Pemipaan
Pendistribusian air dilakukan dengan membuat instalasi pipa air dari bak penampung menuju water torn (penampung air). Dari penampung air tersebut, aliran dibagi menjadi dua cabang yai- tu jalur pemipaan pertama yang digunakan untuk suplai air pada boiler dan jalur pemipaan kedua untuk dialirakan ke tanki/mixer proses pembuatan slurry CWF. Pada proses pembuatan slurry dibutuhkan aditif yang telah dilarutkan dengan menggunakan air panas. Air panas didapat- kan dengan memasang heating element pada tangki 1(Gambar 5.3), yang kemudian dialirkan pada tangki 2. Pada tangki 2 ini dilakukan pencampuran aditif dan air panas yang kemudian di- aduk dengan menggunakan agitator (Gambar 5.4). Dalam tangki 2 ini aditif dicampur dengan air yang telah diperhitungakan komposisinya sesuai dengan komposisi batubara dan air dalam CWF yang dikehendaki.
CWF 2012 18 Gambar 5.3 heater pemanas air Gambar 5.4 Tangki pengeceran aditif
5.1.3 Modifikasi peralatan
Modifikasi pada peralatan yang ada pada pilot plant CWF telah dilakukan untuk mempermudah pembuatan campuran batubara, air dan aditif sehingga menjadi slurry CWF.
1. Proses pencampuran antara batubara dan air harus membentuk suatu komposisi slurry CWF yang tepat. Oleh karena itu jumlah batubara dan air harus diperhitungkan dengan tepat. Volume air sebagai pencampur diatur pada volume tabung pencampuran air dan aditif, sedangkan volume batubara halus yang telah tersipan pada siklon dialirkan dengan motor screw feeder yang putaran motornya dapat diatur dengan inverter (Gambar 5.5), sehingga volume batubara pada proses pencampuran dapat lebih akurat.
Gambar 5.5 Inverter pengatur putaran motor screw feeder
2. Ruang bakar CWF dikoneksikan dengan boiler dengan kapsitas 200 kg/jam (Gambar 5.6), api hasil pembakaran CWF yang masuk kedalam boiler akan memanaskan air dan merubah air tersebut menjadi steam bertekenan, sehingga dapat diperhitungkan efisiensi boiler dari hasil pembakaran dengan boiler.
CWF 2012 19 Gambar 5.6 koneksi ruang bakar dengan boiler
3. Dari hasil percobaan api hasil pembakaran yang membetuk asap tidak dapat tersalurkan atau terhisap dengan sempurna oleh cerobong, sehingga dibutuhkan penambahan alat exhaust fan untuk mempermudah hisapan hasil pembakaran CWF . (gambar 5.7)
Gambar 5.7 Penambahan Exhaust fan
4. Pada proses penghalusan batubara pada roll mill berkendala pada sulitnya mendapatkan produk batubara pada siklon dari hasil penggerusan. Dilakukan modifikasi pada siklon sehingga produk hasil penggerusan dapat tertangkap pada siklon (Gambar 5.8)
Gambar 5.8 Modifikasi input udara pada blower
5. Udara tekan adalah sebagai salah satu parameter yang dibutuhkan untuk mengkabutkan slurry batubara pada spray burner. Untuk meningkatkan kemampuan slurry CWF agar
CWF 2012 20 dapat mengkabut lebih baik dilakukan penambahan 1 unit kompresor yang dirangkai secara parallel dengan kompresor sebelumnya yang dihubungkan dengan 1 buah tabung (Gambar 5.9). Dengan penambahan 1 unit kompresor dapat meningkatkan volume dan tekanan yang digunakan untuk mengkabutkan slurry CWF.
Gambar 5.9 kompresor untuk pengkabutan
5.2 Perancangan spray burner
Pada rancang bangun spray burner untuk CWF diinginkan bentuk atomisasi yang merata sem- purna, dan stabil. Dibuat dua buah spray burner dengan sudut nozel tipe melebar, perbedaan antara kedua spray burner ini adalah dengan membedakan sudut kemiringan dari nozel tersebut dan jumlah lubang pada masing-masing nozel (Gambar 5.10 dan 5.11). Perancangan dan pem- buatan spray buner dimaksudkan untuk mendapatkan hasil pengkabutan slurry yang lebih baik dengan bentuk pengkabutan yang melebar sehingga tekanan pengkabutan dapat tersebar menuju dinding ruangan bakar yang telah dipanaskan terlebih dahulu, sehingga dengan cara ini kandungan carbon dalam batubara dapat lebih lama dalam ruang bakar yang menyebabkab efisiensi pembakaran dapat meningkat, dan juga untuk mendapatkankan data peningkatan ka- pasistas burner untuk mampu mengkabutkan slurry CWF lebih banyak. Bahan yang digunakan pada nozel spray burner menggunakan bahan kuningan, ini dimaksudkan untuk meredam panas radiasi yang dihasilkan oleh ruang bakar yang sering menyebabkan terjadinya pengeringan pada slurry yang mengakibatkan penyumbatan slurry CWF spray burner. untuk mengetahui karater dari spray burner tersebut, dilakukan uji coba spray dengan menggunakan ruang cold model.
Pada ruang ini dapat diketahui dan dipantau kemapuan dan kapasitas spray burner tersebut.
Parameter yang diamati adalah kapasitas burner, bentuk pengkabutan, volume slurry yang mampu dikabutkan, kebutuhan udara tekan, ketahanan burner dalam beroperasi atau tidak mu- dah terjadi sumbatan dan temperatur pembakaran.
CWF 2012 21
Gam- bar
5.10 Spray burner 1
Gambar 5.11 Spray burner 2 5.2.1 Kalibrasi spray burner
Spray burner yang telah dibuat dilakulkan uji coba untuk mengetahuhi karekater dari spray burn- er tersebut. Pengujian dilakukan pada cold model CWF pada alat ini dapat dilakukan kalibrasi dengan menyemburkan slurry pada rungan tersebut dan juga dapat dilihan bentuk pengkabutan yang dihasilkan serta ketahan spray burner terhadap penyumbatan pada kondisi dingin (Tabel 5.1).
Hasil dari percobaan pada ruang cold model (Gambar 5.12) spray burner dapat mengkabutkan slurry CWF dengan baik (Gambar 5.13) dan selama pengujian tidak terjadi sumbatan pada spray burner, sehingga apabila tidak terjadi radiasi panas pada spray burner dari ruang bakar yang tidak terlalu besar pada maka spray burner dapat bekerja secara maksimal untuk dapat mengkabutkan slurry CWF secara kontinyu.
CWF 2012 22 Tabel 5.1 kalibrasi spray burner
Jenis Spray burner
Frekwensi inverter
7 Hz
Frekwensi inverter
10Hz
Frekwensi inverter
15 Hz Kapasitas (Kg/jam)
Spray burner 1 29.9 77 126.8
Spray burner 2 48.6 57.8 96.6
Gambar 5.12 Kalibrasi pada ruang cold model
Gambar 5.13 Bentuk pengabutan yang dihasilkan spray burner
5.3 Uji coba pembuatan dan pembakaran pembakaran slurry CWF 5.3.1 Pembuatan slurry CWF
Untuk persiapan pemasangan otomatisasi proses CWF, dilakukan perhitungan kapasitas pada masing-masing peralatan, untuk mengetahui kapasitas alat tersebut yang kemudian disesuaikan dengan pengaturan waktu (timer) pada sistem otomatisasi proses pembuatan CWF.
Perencanaan sistem elektrik kontrol dibuat dengan saling keterkaitan antara kapasitas masing- masing peralatan, sehingga dapat membuat suatu komposisi campuran batubara, air dan aditif yang membentuk suatu komposisi slurry CWF yang tepat.
CWF 2012 23 5.3.2 Persiapan bahan baku dan peralatan
Bahan baku pembuatan CWF adalah batubara hasil proses UBC dengan ukuran partikel hasil penggerusan dari roll mill – 200 mesh, dengan komposisi persen padatan batubara dalam CWF 50% batubara -50% air, dan 0,5% aditif, zat aditif yang digunakan CM. Proses pembuatan CWF dilakukan secara terintegrasi menggunakan peralatan yang telah tersedia pada skala pilot dengan kapasitas 4 ton/hari.
Berdasarkan hasil analisis distribusi partikel, peralatan reduksi batubara dengan menggunakan roller mill jumlah partikel yang lolos ukuran 120 µm dapat mencapai persen kumulatif 100 % dapat dilihat pada (Grafik 5.1). Hal ini menyatakan peralatan reduksi batubara untuk proses pembuatan CWF berfungsi dengan baik
Grafik 5.1 Partikel size hasil penggerusan
Viskositas CWF pada kecepatan geser 103/detik menunjukkan angka kurang dari 500 mPas (Grafik 5.2). Hal ini juga sesuai dengan CWF yang disarankan oleh (Usui, 1997.) Karena jika vis- kostas pada kecepatan geser 100/detik > 1.000 mPa.s, maka CWF tersebut sukar untuk dialir- kan sehingga akan menghambat baik pada saat ditransportasikan maupun pada saat pemba- karan.
0 20 40 60 80 100 120
0,1 1 10 100 1000 10000
persen kumulatif (%)
Channel diameter (µm)
partikel size
Hasil cyclon
CWF 2012 24 Hubungan antara tegangan geser dan kecepatan geser, terlihat bahwa CWF mengaikuti aliran fluida non-Newtonian pseudo-plastis. Dimana tegangan meningkat dengan meningkatnya ke- cepatan geser. Hal ini menunjukkan bahwa CWF tersebut mudah untuk dialirkan dan disemprot- kan pada saat pembakaran hingga bisa mengabut dengan sempurna.
Grafik 5.2 viskositas CWF
5.3.3 Uji Coba Pembakaran
Untuk melakukan pembakaran dengan bahan bakar CWF sebelum dilakukan pemanasan rungan bakar terlebih dahulu, pemanasan rungan bakar dapat menggunakan batubara, kayu bakar dan minyak. Pemanasan ruang bakar dilakukan hingga temperatur ruang mencapai + 500 oC. slurry dapat disemprotkan secara bertahap dengan mengatur kecepatan motor pompa dengan menggunakan inverter sehingga temperatur meninggkat.
Pada percobaan pembakaran menggunakan slurry dengan komposisi 50% batubara dan 50% air dengan 0,5 % aditif didalam air. Dengan komposisi terstebu didapatkan kalori kalori slurry CWF sebesar 2551 kkalori/gram ar .
Pada percobaan pembakaran menggunkan spray burner 2 buah spray burner, dan melakukan variasi volume bahan bakar (slurry CWF). untuk menghitung efisensi boiler dari pembakaran slurry CWF digunakan variasi volume pada setiap spray burner menggunakan 2 macam ke- cepatan yaitu 10 Hz dan 15 Hz.
CWF 2012 25 Dalan beberapa percobaan yang dilakukan dengan menggunakan boiler ada modifikasi- modifi- kasi yang dilakukan dikarenakan dalam percobaan tersebut ada indikasikasi yang menyebabkan pembakaran CWF tidak sempurna sehingga menurunkan efisiensi pembakaran dan efisiensi boiler. Indikasi yang ketahui adalah api pembakaran yang cenderung menuju suplay bahan ba- kar sehingga banyak panas yang tidak terserap oleh boiler dan steam yang dihasilkan masih rendah. Beberapa indikator penyembab penurunan efisiensi yaitu:
1. Dengan arah api yang cenderung menuju suplay bahan bakar ini dapat menyebabkan spray burner mendapatkan panas yang berlebih sehingga dapat menyebabkan penyum- batan dikarenakan slurry CWF yang mengering. Langkah yang dilakuan untuk memper- baiki hasil percobaan ada beberapa tahap diantaranya adalah
a. Menambah tinggi cerobong boiler dari 3 m menjadi 9 m. dari penambahan ini ada pe- rubahan, akan tetapi efiseinsi dari boiler masih rendah.
b. Dikarenakan dari percobaan sebelumnya masih belum maksimal, maka dilakukan penambahan exhauser untuk dapat menghisap asap hasil pembakaran lebih besar.
2. Ruang bakar pada boiler yang telalu kecil karena didisain untuk bahan bakar minyak, se- hingga tidak dapat menampung volume asap yang dihasilkan dari pembakaran CWF.
Volume asap dari CWF lebih besar dikarenakan kalori CWF yang rendah sehingga dibu- tuhkan volume bahan bakar semakin besar dan serta kandungan air yang sangat besar sehingga menghasilkan jumlah asap yang lebih besar dibanding dengan bahan bakar minyak. Hasil pembakaran CWF yang didapat dengan menggunakan boiler adalah
5.3.3.1 Pembakaran CWF dengan boiler menggunakan penghisapan asap pembakaran dengan cerobong
Dari hasil percobaan temperatur ruang bakar dapat mencapai temperatur 800 oC -900oC dengan temperatur yang tidak konstan. Dari hasil uji coba pemabakaran api yang dihasilkan cukup be- sar, akan tetapi api tidak dapat mengalir dengan baik menuju boiler sehingga panas yang dihasilkan banyak yang terbuang dan tidak dapat merambat untuk memanaskan air pada boiler untuk dijadikan steam. Tekanan steam pada boiler tidak dapat konstan dikarenakan air pada boiler tidak dapat berubah menjadi steam. sehingga efisiensi boiler hasil masih rendah.
Dari pengamatan yang dilakukan dari hasil uji coba pembakaran bahwa boiler tidak dapat memproduksi steam dengan kontinyu dan tekanan steam tidak dapat dapat stabil, diprediksi bahwa disebabkan ada beberapa faktor kemungkinan diantaranya.
1. Pembakaran yang kurang sempuna sehingga api yang dihasilkan tidak cukup untuk memanaskan air pada boiler.
CWF 2012 26 2. Draf hasil pembakaran tidak mengalir dengan baik menuju cerobong, sehingga panas yang dihasilkan dari pembakaran tidak cukup untuk hasilkan steam dengan kontinyu.
Dapat dilihat pada (Gambar 5.18) api pembakaran cenderung berbalik kearah suplay ba- han bakar.
3. Akibat dari hisapan cerobong yang tidak baik menyebabkan api hasil pembakaran ber- balik ke spraya burner sehingga mudah terjadinya penyumbatan pada spray burner dikarenakan adanya rambatan panas secara radiasi maupun langsung pada spray burner yang menyebabkan slurry dapat mengering sehingga menyumbat lubang burner.
Dari percobaan ini didapatkan temperatur pembakaran dapat mencapai 900oC pada ruang 1, sedangkan temperatur pada ruang 2 dapat mencapai 600oC- 700oC dan pada ruang pembu- angan abu hanya mencapai 70oC - 80oC dapat dilihat pada (Grafik 5.3 dan 5.4), temperature pembakaran tidak dapat stabil dan penurunan temperature dari ruang bakar 1 ruang bakar 2 dan ruang abu sangat jauh, sedangkan steam dihasilkan maksimal hanya mencapai 3 bar dan cenderung sulit untuk dicapai.
Grafik 5.3 Temperatur pembakaran spray burner 1
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
5 20 35 50 65 80 95 110125140155170185205220235
Temperatur pembakaran (oC)
waktu (menit)
pembakaran CWF dengan spray burner 1
ruang 1 ruang 2 ruang abu
CWF 2012 27 Grafik 5.4 Temperatur pembakaran spray burner 2
dari percobaan yang telah dilakukan dengan mengkoneksi ruang bakar dengan boiler didapat efisiensi boiler mencapai 29.1 %. Efisiensi boiler hasil pembakaran masih belum maksimal.
Penurunan efisiensi boiler ini disebabkan karena aliran hasil pembakaran tidak dapat mengalir dengan sempurna menuju cerobong (Gambar 5.14), sehingga panas yang dihasilkan tidak cukup untuk mengubah air menjadi steam yang bertekanan.
Gambar 5.14 Kerugian panas akibat api tidak mengalir ke boiler
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
0 50 100 150 200 250 300
Tekanan (bar)
Temperatur (°C)
Waktu (menit)
Pembakaran CWF dengan spray burner 2
T1 T2 T3 Tekanan
CWF 2012 28 Pehitungan efisiensi boiler
1. Pada burner 1 pada kecepatan putaran motor penyuplay CWF 10 Hz Diketahui :
Volume CWF (q) : 57,8 kg/jam hasil kalibrasi Tekanan steam (P) : 3 bar
Entalpi steam (hg) : 2725 kj/kg table steam Temperatur air (T) : 25 oC
Entalpi air (hf) : 104,9 kj/kg Volume air (Q air) : 69 kg/jam Kalori CWF (GCV) : 2551 kg/jam Konversi kj ke kcal :0.2389
𝜂 𝑏𝑜𝑖𝑙𝑒𝑟 =(hg steam−hf air)xQ q CWF x GCV x100 𝜂 𝑏𝑜𝑖𝑙𝑒𝑟 =(2725−104,9)x69
58 x 2551 x 100
𝜂 𝑏𝑜𝑖𝑙𝑒𝑟 =180189,99 147958 x 100 𝜂 𝑏𝑜𝑖𝑙𝑒𝑟 =43189,99
147958 x 100 𝜂 𝑏𝑜𝑖𝑙𝑒𝑟 = 29,1 %
CWF 2012 29 5.3.3.2 Pembakaran CWF dengan boiler menggunakan penghisapan asap pembakaran
dengan exhaust fan
Dari hasil percobaan sebelumnya yang belum menndapatkan hasil pembakaran yang baik, se- hingga menghasilkan efisiensi boiler yang masih rendah, makan pada percobaan ini dilakukan penambahan exhast fan pada cerobong untuk agar memudahkan hisapan asap hasil pemba- karan.
Pada percobaan pembakaran menggunakan slurry dengan komposisi 50% batubara dan 50%
air, dengan menggunkan spray burner 2 buah spray burner, dan melakukan variasi volume ba- han bakar (slurry CWF). untuk menghitung efisensi boiler dari pembakaran slurry CWF digunakan variasi volume pada setiap spray burner menggunakan 2 macam kecepatan yaitu 10 Hz dan 15 Hz.
Pada uji pembakaran yang dilakukan ditambahkan exhaust fan pada cerobong boiler untuk menghisap asap pembakaran CWF. Pada percobaan sebelumnya adanya kendala draf asap hasil pembakaran, dengan demikian dari percobaan ini diharapkan ada perbedaan yang positif setelah ada tambahan exhauser sehingga dapat meningkatkan efisensi dari boiler.
Dari masing-masing spray burner didapatkan volume pada putaran motor , dapat dilihat pada tabel 1 s/d 6, untuk kecepatan putaran 7,5 Hz digunakan untuk penyalaan awal. Dalam perco- baan ini dilakukan 4 variasi percobaan yang masing-masing didapatkan data temperatur pemba- karan dan efisiensi boiler, hasil yang didapatkan adalah :
1. Uji coba pembakaran pada spray burner 1 dengan kecepatan putaran 10 Hz. pada ke- cepatan putar ini spray burner dapat menghasilkan volume slurry sebanyak 77 kg/jam.
Percobaan pembakaran diawali dengan penyalaan awal dengan menggunakan kayu bakar dan batubara bongkah. Pada penyalaan slurry CWF dapat disemburkan setelah ditemperatur ruang mencapai + 500oC. Pada percobaan ini penggunaan Exhaust fan untuk menghisap asap dari pembakaran sangat berperan penting pada proses pembakaran, dengan penam- bahaan alat ini proses pembakaran lebih mudah untuk meningkatkan temperatur pemba- karan dan tidak mudah terjadi penyumbatan pada spray burner sehingga pembakaran dapat berlangsung secara kontinyu.
Pada pembakaran dengan kecepatan putar motor 10 Hz didapatkan hasil yang baik, dengan temperatur ruang bakar dapat meningkat hingga mencapai 1193 oC pada ruang 1dan pada ruang bakar 2 temperatur cenderung konstan dikisaran 800oC -900oC (Grafik 5.5). api pem- bakaran pada ruang bakar cenderung terhisap pada ruang bakar sehingga panas pemba-
CWF 2012 30 karan mengalir dengan baik menuju boiler (Gambar 5.16), dari pembakaran ini didapatkan efisiensi boiler 51,89%.
Grafik 5.5. Pembakaran dengan spray burner 1 kecepatan 10 Hz
2. Pada pembakaran dengan kecepatan putar motor 15 Hz dapat menghasilkan volume sembu- ran slurry CWF sebanyak 126,8 kg/jam. Dari pembakaran yang dihasilkan didapatkan hasil pembakaran yang baik dengan temperatur ruang bakar dapat meningkat hingga mencapai 700 oC-800 oC pada ruang 1dan pada ruang bakar 2 temperatur cederung konstan dikisaran 900oC -1000oC (Grafik 5.6). api pembakaran pada cenderung merambat pada ruang bakar 2 dan api pembakaran cenderung tidak terhisap sempurna oleh exhauser dikarenakan vol- ume slurry yang besar sehingga menghasilkan volume asap yang semakin banyak (Gambar 5.15). Dari percobaan ini didapatkan efisensi boiler sebesar 25.64%.
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5
1000 200 300 400 500 600 700 800900 1000 1100 1200
10 30 50 70 90 110 130 150 170 190 210 230 250 270 290 tekanan boiler (bar)
Temperatur ( °C)
waktu (menit)
Pembakara CWF dengan spray burner 1 pada kecepatan 10 Hz
ruang bakar 1 ruang bakar 2 ruang abu tekanan
CWF 2012 31 Grafik 5.6 Pembakaran dengan spray burner 1 kecepatan 15 Hz
3. Uji coba pembakaran pada spray burner 2 dengan kecepatan putaran 10 Hz. pada ke- cepatan putar ini spray burner dapat menghasilkan volume slurry sebanyak 57,8 kg/jam.
Percobaan pembakaran diawali dengan penyalaan awal dengan menggunakan kayu bakar dan batubara bongkah. Pada penyalaan slurry CWF dapat disemburkan setelah ditemperatur ruang mencapai + 500oC. Pada percobaan ini penggunaan Exhaust untuk menghisap asap dari pembakaran sangat berperan penting pada proses pembakaran, dengan penambahaan alat ini proses pembakaran lebih mudah untuk meningkatkan temperatur pembakaran dan tidak mudah terjadi penyumbatan pada spray burner sehingga pembakaran dapat berlang- sung secara kontinyu.
Pada pembakaran dengan kecepatan putar motor 10 Hz didapatkan hasil yang baik, dengan temperatur ruang bakar dapat meningkat hingga mencapai 950 oC pada ruang 1 dengan konstan dan pada ruang bakar 2 temperatur cederung konstan dikisaran 1000 oC (Grafik 5.7) dengan konstan. api pembakaran pada ruang bakar cenderung terhisap pada ruang bakar sehingga panas pembakaran mengalir dengan baik menuju boiler (gambar 5.16), dari pem- bakaran ini didapatkan efisiensi boiler 51,89%.
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
10 20 30 40 50 60 70 80
Tekanan boiler (bar)
Temperatur (°C)
Waktu (menit)
Pembakaran CWF dengan spray burner 1 pada kecepatan 15 Hz
ruang bakar 1 ruang bakar 2 ruang abu tekanan
CWF 2012 32 Grafik 5.7 Pembakaran dengan spray burner 2 kecepatan 10 Hz
4. Dengan melanjutkan pada pembakaran dengan putara 10 Hz, percobaan dilanjutkan dengan mengatur inverter dengan kecepatan putar motor pada 15 Hz, dengan menggunakan burner 2 ini dapat menghasilkan volume semburan slurry CWF sebanyak 96,6 kg/jam. Dari pemba- karan yang dihasilkan didapatkan hasil pembakaran yang baik dengan temperatur ruang ba- kar dapat kostan pada 950oC-1000oC pada ruang 1dan pada ruang bakar 2 temperatur cederung konstan dikisaran 850oC -950oC (Grafik 5.8). api pembakaran yang dihasilkan cenderung tidak terhisap sempurna oleh exhauser dikarenakan volume slurry yang besar sehingga menghasilkan volume asap yang semakin banyak (gambar 5.15). Dari percobaan ini didapatkan efisensi boiler sebesar 25.64%.
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5
0 200 400 600 800 1000 1200
10 40 70 100 130 160 190 220 250 280 Tekanan boiler (bar)
Temperatur ( oC)
Waktu (menit)
Pembakaran CWF dengan spray burner 2 pada kecepatan 10 Hz
Series1 Series2 Series3 tekanan
CWF 2012 33 Grafik 5.8 Pembakaran dengan spray burner 2 kecepatan 15 Hz
Gambar 5.15. Api pembakaran yang tid- ak mengalir ke boiler
Gambar 5.16. Api pembakaran mengalir ke boiler
3,2 3,3 3,4 3,5 3,6 3,7 3,8 3,9 4 4,1
0 200 400 600 800 1000 1200
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Tekanan boiler (bar)
Temperatur (oC)
Waktu (menit)
Pembakaran CWF dengan spray burner 2 pada kecepatan 15 Hz
Series1 Series2 Series3 tekanan
CWF 2012 34 Gambar 5.17 Indikator temperatur
pembakaran
Gambar 5.18. Tekanan steam boiler
Indikator yang digunakan pada percobaan ini adalah termokopel yang disambungkan pada dis- play indikator temperatur yang berfungsi untuk mengetahui temperatur yang dihasilkan dari pembakaran (Gambar 5.17) dan indikator tekanan steam yang berfungsi untuk mengetahui tekanan steam pada boiler (Gambar 5.18). Pada indikator tekanan ini sebagai acuan perhitungan dari efisensi boiler.
Pehitungan efisiensi boiler.
Dari hasil percobaan yang dilakukan pada pembakaran CWF dengan menggunakan boiler, didapatkan hasil efisiensi boiler dengan menggunkan beberapa variasi percobaan diantaranya, pada percobaan menggunakan dua buah spray burner dan pada pembakaran suplay CWF diatur dengan inverter pada kecepatan 10 Hz dan 15 Hz.
𝜂 𝑏𝑜𝑖𝑙𝑒𝑟 =(hg steam−hf air)xQ q CWF x GCV x100
Didapat dari masing-masing variasi percoabaan adalah
1. Pada burner 1 pada kecepatan putaran motor penyuplay CWF 10 Hz Diketahui :
Volume CWF (q) : 77 kg/jam hasil kalibrasi Tekanan steam (P) : 4 bar
Entalpi steam (hg) : 2739 kj/kg tabel Temperatur air (T) : 25 oC
CWF 2012 35 Entalpi air (hf) : 104,9 kj/kg
Volume air (Q air) : 162 kg/jam Kalori CWF (GCV) : 2551 kg/jam Konversi kj ke kcal :0.2389 Entalpi dapat dilihat dalam lampiran
𝜂 𝑏𝑜𝑖𝑙𝑒𝑟 =(hg steam−hf air)xQ q CWF x GCV x100 𝜂 𝑏𝑜𝑖𝑙𝑒𝑟 =(2739−104,9)x162
77 x 2551 x 100
𝜂 𝑏𝑜𝑖𝑙𝑒𝑟 =426724,2 196427 x 100
𝜂 𝑏𝑜𝑖𝑙𝑒𝑟 =101944.441 196427 x 100 𝜂 𝑏𝑜𝑖𝑙𝑒𝑟 = 51.89 %
2. Pada burner 1 pada kecepatan putaran motor penyuplay CWF 15 Hz Diketahui :
Volume CWF (q) : 126.8 kg/jam hasil kalibrasi Tekanan steam (P) : 4 bar
Entalpi steam (hg) : 2739 kj/kg tabel Temperatur air (T) : 25 oC
Entalpi air (hf) : 104,9 kj/kg Volume air (Q air) : 132 kg/jam Kalori CWF (GCV) : 2551 kg/jam Konversi kj ke kcal :0.2389
