M E S I N

Jurnal Teknik Mesin Vol. 21, No. 2, Oktober 2006 ISSN 0852-6095

Diterbitkan oleh : Program Studi Teknik Mesin,

Fakultas Teknologi Industri - ITB

Surat ijin : STT No. 964/DIT-JEN/PPG/STT/1982.

DAFTAR ISI

M E S I N

Jurnal Teknik Mesin

Vol. 21, No. 2, Oktober 2006 ISSN 0856-6095

Prihadi Setyo Darmanto Laboratorium Teknik Pendingin, Program Studi Teknik Mesin, FTI ITB

Ringkasan

Kalsiner suatu pabrik semen merupakan reaktor tempat terjadinya proses dekarbonisasi atau kalsinasi batu kapur dan pembakaran bahan bakar secara simultan di suatu pabrik semen. Proses dekarbonisasi batu kapur merupakan proses endotermik yang memanfaatkan energi panas hasil pembakaran bahan bakar. Namun karena kedua proses tersebut menghasilkan CO2, efektivitas proses dekarbonisasi sangat dipengaruhi oleh konsentrasi gas ini di dalam reaktor yang bervariasi sepanjang lintasan proses di dalamnya. Demikian pula kecepatan reaksi pembakaran juga terpengaruh oleh konsentrasi CO² dalam gas hasil pembakaran. Hal inilah yang menjadi dasar pertimbangan dalam rancang bangun kalsiner, sehingga berakibat banyak sekali variasi hasil rancangan (desain) yang dapat ditemukan. Variasi desain ini mengakibatkan bervariasinya parameter rancangan maupun parameter operasinya. Penelitian ini dimaksudkan untuk mencari suatu petunjuk memilih dan memberi nilai parameter desain kalsiner pabrik semen yang berbahan bakar batu bara sebagai pertimbangan agar hasil rancangan dapat beroperasi dengan baik sesuai harapan saat proses perancangan dilakukan.

1. PENDAHULUAN

Kalsiner merupakan salah satu reaktor di dalam suatu pabrik semen dengan proses kering yang biasanya berkapasitas besar (> 5000 ton/hari atau TPD). Di dalam kalsiner tersebut terjadi proses dekarbonisasi batu kapur dengan persamaan reaksi sebagai berikut:

\[CaCO_3 \rightarrow CaO + CO_2 \tag{1}\]

Reaksi tersebut merupakan reaksi endotermik di mana kebutuhan energinya dipasok oleh hasil pembakaran bahan bakar yang terjadi di dalam kalsiner itu pula. Dengan demikian di dalam kalsiner terjadi dua proses reaksi secara simultan yang keduanya menghasilkan gas CO2, yaitu dekarbonisasi batu kapur dan pembakaran bahan bakar. Kompleksitas dua reaksi simultan ini mengakibatkan rancangan bentuk, dimensi, dan parameter desain yang berkaitan dengan parameter proses lain seperi beban panas reaktor, kecepatan aliran, waktu tinggal material dan lain sebagainya menjadi bervariasi dengan rentang nilai parameter yang cukup lebar.

Penambahan kalsiner di dalam pabrik semen modern pada umumnya bertujuan untuk mengurangi beban panas kiln. Di dalam kiln pabrik semen terjadi dua

proses utama yaitu kalsinasi batu kapur dan klinkerisasi bahan baku. Pada kiln tanpa kalsiner proses kalsinasi batu kapur sebagian besar (hingga 90% atau bahkan lebih) terjadi di dalamnya. Dengan memindahkan proses kalsinasi batu kapur ini ke dalam kalsiner, tinggal sekitar 10% saja proses kalsinasi terjadi di dalam kiln sehingga ruangan yang tersedia dapat digunakan lebih banyak untuk proses klinkerisasi. Dengan demikian untuk ukuran kiln tertentu, pabrik yang memiliki kalsiner akan berkapasitas produksi lebih besar dibanding pabrik tanpa kalsiner. Selain itu, dengan adanya kalsiner, udara pendingin terak (clinker) yang tinggi temperaturnya dapat dimanfaatkan sebagai udara pasok pembakaran bahan bakar, sehingga kebutuhan bahan bakar dapat dihemat.

Namun demikian karena banyak sekali tipe kalsiner yang terpasang di pabrik semen, pantas diduga bahwa penelitian mengenai kalsiner ini masih belum selesai. Penelitian ini dilakukan atas dasar pengamatan bahwa kalsiner yang terpasang di pabrik semen di Indonesia sangat bervariasi baik dari sisi tipe, bentuk, dan ukuran, serta penempatannya di dalam konfigurasi peralatan pabrik secara keseluruhan. Variasi desain tersebut tentunya akan menimbulkan perbedaan parameter operasinya, yang berakibat pula pada perbedaan

karakteristik operasional pabrik secara keseluruhan. Dengan latar belakang keingintahuan tentang state of the art desain dan operasi kalsiner inilah penelitian ini dilakukan, karena pengetahuan ini sangat diperlukan dalam pengembangan penelitian selanjutnya dalam rangka perbaikan kinerja sebuah kalsiner di pabrik semen.

2. PROSES SIMULTAN PEMBAKARAN BATUBARA DAN KALSINASI BATU KAPUR

Pada umumnya pabrik semen di Indonesia berbahan bakar batu bara mengingat harganya yang masih relatif lebih murah dibanding bahan bakar minyak dan gas. Disamping itu temperatur yang dihasilkan dari proses pembakaran batu bara masih memenuhi persyaratan yang diperlukan untuk proses klinkerisasi bahan baku semen yaitu sekitar 1450°C. Proses pembakaran batubara ini sebagian dilakukan di kalsiner dan sebagian lagi di kiln.

Pembakaran batu bara adalah reaksi berantai yang kompleks. Panas hasil pembakaran bahan bakar pertama-tama akan digunakan untuk meningkatkan temperatur gas hasil pembakaran bahan bakar. Di dalam sebuah kalsiner, karena gas tersebut membawa material bahan baku semen (raw-mix) yang salah satunya adalah batu kapur, maka panas tersebut akan digunakan baik untuk menaikkan temperaturnya maupun menunjang terjadinya reaksi kalsinasi. Pada umumnya bahan bakar batubara yang digunakan terdiri dari volatile matter [hv_vol], char atau tar dan ash. Reaksi yang terjadi berlangsung melalui dua tahap, yaitu:

1. Tahap pembakaran volatile matter (hv_vol) berdasarkan basis molar dapat ditulis sebagai:

\[hv_vol + 1,598 O_2 \rightarrow CO_2 + 1,417 H_2O\] (2)

Tahap pembakaran tar [char] berdasarkan basis massa dapat ditulis sebagai:

Char + \[2,67 O2 \rightarrow CO_2\] (3)

Dari persamaan reaksi (2) dan (3) di atas, keduanya akan menghasilkan gas \(\mathrm{CO}_2\) yang juga dihasilkan dari proses kalsinasi batu kapur sesuai dengan persamaan (1). Reaksi kalsinasi dan pembakaran batu bara tersebut secara simultan terjadi di dalam kalsiner sehingga konsentrasi \(\mathrm{CO}_2\) di dalamnya akan dengan cepat sekali meningkat. Hal ini akan mempengaruhi kecepatan reaksi kalsinasi karena reaksi tersebut bersifat bolak-balik [3]. Sebagai konsekuensinya di dalam perancangan kalsiner ketidakpastian proses akan menyulitkan penentuan dimensi yang tepat atau yang mendekati benar.

3. PARAMETER OPERASI KALSINER

Para praktisi pabrik semen lebih memperhatikan parameter operasi yang dapat dievaluasi berdasarkan besaran-besaran operasional seperti temperatur, tekanan, laju aliran massa bahan bakar dan material, dan lainlain. Beberapa parameter operasi kalsiner yang biasa dievaluasi untuk menentukan kinerjanya antara lain [3]:

a. Derajat kalsinasi batu kapur yaitu prosentase massa batu kapur yang telah terurai menjadi kalsium oksida (CaO) dan gas karbon dioksida seperti yang dinyatakan dalam persamaan (1). Di dalam makalah ini derajat kalsinasi yang dievaluasi adalah saat material baku meninggalkan kalsiner karena nilainya merupakan target desain sebuah kalsiner. Selain itu nilai tersebut merupakan data awal bagi proses selanjutnya.

b. Specific cross section area load (SCSAL) adalah perbandingan antara luas penampang (CSA) kalsiner dalam (m²) dengan kapasitas desain kiln (Cl.Prod) per jam dalam (Ton/jam atau TPH). Satuannya adalah

\[\left(\frac{m^2}{Ton_{\,klin\,ker}/jam}\right)\]. Perumusan matematiknya adalah:

\[SCSAL = \frac{CSA}{Cl. Pr od}\] (4)

c. Specific calciner load (SCL) adalah perbandingan antara kapasitas produksi kiln (Cl.Prod) dengan Volume efektif (Vol) kalsiner (\(m^3\)). Satuannya adalah \(\left(\frac{Ton_{klin\,ker}/hari}{m^3}\right)\). Perumusan matematiknya adalah sebagai berikut

\[SCL = \frac{Cl. \operatorname{Pr} \operatorname{od} \times 24}{\operatorname{Vol}}\] (5)

d. Kecepatan rata-rata aliran gas \((v_g)\) adalah kecepatan rata-rata mengalirnya gas di dalam kalsiner. Kecepatan aliran gas dihitung berdasarkan debit \((VA_g)\) atau laju volume aliran gas \((m^3/s)\) dibagi dengan luas penampang (CSA) saluran peralatan \((m^2)\). Formulasi matematiknya adalah:

\[v_g = \frac{VA_g}{CSA} \tag{6}\]

e. Waktu tinggal gas (gas resident time, tg) di kalsiner dalam detik (s) adalah waktu tinggal gas selama mengalir di dalam kalsiner sejak gas tersebut memasuki kalsiner hingga meninggalkannya. Waktu tinggal ini dihitung berdasarkan panjang efektif kalsiner (Lc) dalam (m) dibagi dengan kecepatan rata-rata aliran gas di dalam kalsiner (vg) dalam (m/s). Penulisan persamaan matematiknya adalah:

\[t_{g} = \frac{L_{c}}{v_{\sigma}} \tag{7}\]

f. Thermal Specific Load (TSL) adalah nilai total laju energi dari pembakaran bahan bakar di dalam kalsiner (Mkal/jam) per satuan volume kalsiner (m³).

Satuan TSL adalah \(\left(\frac{(Mkal\,/\,jam)}{m^3}\right)\). Formulasi untuk mengevaluasi TSL adalah:

\[TSL = \frac{m_{bb} \times NHV_{bb}}{Vol}\] (8)

dimana m_bb dan NHV_bb adalah berturut-turut laju bahan bakar yang dibakar didalam kalsiner (kg/jam) dan nilai kalor netto bahan bakar (Mkal/kg) yang dalam penelitian ini dipakai sebesar 6 Mkal/kg.

4. DATA BEBERAPA KALSINER PABRIK SEMEN DI INDONESIA

Berdasarkan posisinya di pabrik semen relatif terhadap aliran gas melalui kiln, ada dua tipe kalsiner yang banyak dipakai di pabrik semen di Indonesia yaitu in-line calciner (ILC) dan separated line calciner (SLC). ILC menerima gas dari kiln sehingga tercampur dengan gas yang dihasilkan oleh pembakaran bahan bakar di dalam kalsiner itu sendiri. Sedangkan pada SLC aliran gas hanya berasal dari proses yang terjadi di dalam kalsiner tanpa ada masukan atau percampuran dengan gas dari kiln. Pada umumnya prosentase proses kalsinasi di dalam ILC lebih sedikit dibanding yang terjadi di dalam SLC. Hal ini salah satu penyebabnya adalah kadar CO2 gas saat masuk ILC biasanya lebih tinggi dibanding SLC sehingga reaksi kalsinasi menjadi lebih sulit terjadi. Tingginya kadar CO2 dalam gas ini disebabkan oleh masuknya gas dari kiln melalui ILC, dimana gas dari kiln tersebut sudah mengandung CO2 dengan konsentrasi yang cukup tinggi sebagai hasil reaksi pembakaran bahan bakar serta proses kalsinasi lanjutan di dalam kiln.

Untuk memberikan gambaran yang lebih jelas dari kedua jenis kalsiner ini di dalam suatu rangkaian

peralatan di pabrik semen, pada Gambar 1 diperlihatkan suatu contoh diagram skematik peralatan utama di sebuah pabrik semen yang kebetulan memakai kedua jenis kalsiner ini.

Di dalam penelitian ini, pabrik-pabrik yang diteliti antara lain Pabrik Indarung 4 dan 5, PT Semen Padang (P4 dan P5 PTSP), Pabrik 6 dan 11 PT Indocement Tunggal Prakarsa (P6 dan P12 PT ITP), Pabrik 4 PT Semen Cibinong (P4 PTSC), Pabrik 1 dan 2 PT Semen Gresik (P1 dan P2 PTSG), dan Pabrik 4 PT Semen Tonasa (P4 PTST). Data desain untuk kalsiner jenis ILC dan SLC, terutama mengenai dimensi utama kalsiner, kapasitas produksi, laju bahan bakar normal yang diumpankan ke dalam kalsiner serta nilai kalornya, dan data penunjang lainnya untuk masing-masing pabrik berturut-turut diberikan dalam Tabel 1 dan 2. Dari kedua tabel tersebut terlihat bahwa terdapat perbedaan dimensi walaupun pabrik tersebut dirancang untuk kapasitas produksi yang sama atau mirip. Hal ini menunjukkan adanya variasi parameter-parameter desain dalam perancangan dimensi kalsiner. Sebagai konsekuensinya akan terjadi pula perbedaan kinerja dari setiap desain kalsiner yang dapat ditunjukkan dari hasil perhitungan parameter kinerja masing-masing.

Gambar 1. Posisi relatif ILC dan SLC dalam suatu pabrik semen dan gambaran sebuah kalsiner (inset)

Tabel 1. Data Dimensi Kalsiner Jenis ILC dan Kapasitas Produksi beberapa Pabrik Semen di Indonesia

Tabel 2. Data Dimensi Kalsiner Jenis SLC dan Kapasitas Produksi beberapa Pabrik Semen di Indonesia

5. EVALUASI PARAMETER KINERJA KALSINER DAN DISKUSI

Evaluasi parameter kinerja kalsiner dapat dilakukan apabila telah diperoleh data mengenai neraca massa dan panas untuk setiap pabrik. Perhitungan neraca massa dan panas berdasarkan data-data operasional masing-masing pabrik yang diteliti telah dilakukan dan dibukukan dalam referensi [2,5]. Khusus untuk parameter-parameter kinerja kalsiner yang diteliti, hasil perhitungan berdasarkan Persamaan (1) dan Persamaan (4) hingga Persamaan (7) pada kondisi kapasitas produksi desain diberikan dalam Tabel (3) untuk kalsiner jenis ILC dan Tabel 4 untuk kalsiner jenis SLC.

Dari Tabel 3 nampak bahwa target derajat kalsinasi bahan baku keluar dari kalsiner jenis ILC sangat bervariasi. Hal ini dapat dimaklumi karena ILC bukan merupakan tujuan akhir proses kalsinasi bagi pabrik vang dilengkapi dengan SLC. ILC lebih merupakan suatu alat konservasi energi panas yang terbawa oleh gas dari kiln yang selain bertemperatur cukup tinggi masih juga mengandung oksigen cukup sehingga masih dapat dipergunakan untuk membakar bahan bakar. Selain itu proses kalsinasi di dalam ILC merupakan proses yang cukup sulit mengingat gas dari kiln mengandung CO2 yang cukup banyak, sedangkan kalsinasi sendiri selain akan menghasilkan CO2 juga merupakan reaksi bolak-balik. Untuk target kalsinasi keluar ILC yang cukup tinggi, misalnya di P6 PT-ITP, diperlukan volume kalsiner yang besar dan waktu tinggal material di dalamnya cukup panjang. Pertimbangan lain dalam mendesain ukuran kalsiner ILC adalah material baku yang memiliki sifat berbeda antara tambang yang satu dengan yang lain. Parameter kinerja lain di dalam ILC yang cukup bervariasi adalah TSL (thermal specific load). Pertimbangan dalam menentukan TSL ini adalah selain apakah rancangan pabrik akan menggunakan SLC atau tidak, juga kemungkinan perluasan volume kalsiner yang dapat diperoleh saat material keluar kalsiner hingga menuju siklon untuk memisahkan partikel dari gas pembawanya. Beberapa desainer rupanya menganggap bahwa ruangan dari kalsiner menuju siklon beserta siklonnya sendiri merupakan bagian tak terpisahkan dari ILC. Dengan demikian volume efektif kalsiner meningkat. Pada umumnya desain pabrik dengan dua jenis kalsiner menganggap bahwa ILC hanya merupakan bagian awal dari SLC. Dasar utama anggapan ini adalah kecepatan reaksi kalsinasi yang dipengaruhi oleh konsentrasi CO2 di dalam gas pembawa material [4]. Semakin tinggi konsentrasi CO₂ dalam gas akan semakin rendah kecepatan reaksi kalsinasi. Di dalam desain pabrik menggunakan ILC dan SLC menurut hemat penulis [5] perubahan konsentrasi \(CO_2\) maksimum di dalam ILC adalah sekitar 16%. Sedangkan pabrik yang hanya menggunakan ILC perubahan konsentrasi CO2 dalam gas dapat mencapai 22%. Namun demikian nilai ini masih lebih rendah bila dibandingkan yang terjadi di SLC yang dapat mencapai lebih dari 30%. Perubahan konsentrasi CO2 di dalam SLC yang besar dimungkinkan karena udara pembawa material yang sekaligus sebagai pemasok kebutuhan oksigen untuk pembakaran bahan bakar belum mengandung CO2 saat memasuki SLC. Selain itu khusus desain pabrik dengan ILC saja memiliki keterbatasan menampung jumlah bahan bakar yang dibakar di dalamnya karena keterbatasan oksigen sisa yang berada di dalam gas pembawa. Untuk meningkatkan kemampuan pembakaran di ILC, biasanya pada pabrik dengan dua kalsiner, pasokan udara ditambah dari cooler seperti nampak pada Gambar 1.

Dari Tabel 4 nampak perbedaan parameter kinerja yang menonjol adalah target kalsinasi material dan Thermal Specific Load (TSL). Target kalsinasi pabrik P4 PTSP tidak terlalu tinggi menginat pabrik ini hanya memiliki satu kalsiner dan dibuat pada dekade 80-an. Hal yang sangat berbeda adalah di P4 PTST yang menargetkan derajad kalsinasi 94% walaupun hanya memakai satu unit kalsiner. Pabrik ini dibuat tahun 1996. Selain tahun pembuatan berbeda lima belas tahunan dan material baku yang memiliki sifat yang berbeda, menurut penelitian penulis dari dua desain pabrik ini, asumsi yang diambil rupanya berbeda pula. Pada P4 PTST perluasan volume SLC diperoleh dari perpanjangan saluran dari kalsiner menuju siklon serta siklonnya sendiri. Disamping itu pabrik P4 PTST memakai dua buah siklon. Dengan penambahan volume yang besar tersebut praktis waktu tinggal partikel dan proses pembakaran baik batu bara maupun material baku menjadi lebih lama, sehingga meningkatkan efektifitas proses. Untuk pabrik-pabrik yang didesain memakai dua kalsiner pada umumnya target derajad kalsinasi ditetapkan di sekitar 80%. Hal

ini pada umumnya karena pertimbangan flowability dan stickyness material yang semakin tinggi dengan meningkatnya derajad kalsinasi, sehingga para perancang takut mengambil resiko terjadi penyumbatan atau bahkan material dengan mudah meluncur di dalam kiln (flushing).

Mengenai thermal specific load yang bervariasi menurut dugaan penulis adalah sebagai akibat pertimbangan sifat material tambang di masing-masing pabrik. Pada umumnya nilai TSL berkaitan erat dengan target kalsinasi material. Semakin tinggi target kalsinasi semakin tinggi pula TSL-nya.

Secara umum perbedaan parameter desain ini akan berakibat pada parameter operasi sehingga kemudahan dan kesulitan yang dialami masing-masing pabrik dalam operasi hariannya akan sangat bervariasi pula. Beberapa pabrik baru beroperasi sesuai dengan target desainnya setelah lebih dari tiga tahun dan setelah mengalami beberapa modifikasi untuk meningkatkan kinerja kalsinernya. Hal ini menunjukkan bahwa setiap desain memerlukan penanganan operasi yang khusus sehingga memerlukan waktu cukup lama untuk dapat beroperasi sesuai dengan keinginan desain.

Tabel 3. Data Parameter Kinerja Kalsiner Jenis ILC Beberapa Pabrik Semen di Indonesia

Tabel 4. Data Parameter Kinerja Kalsiner Jenis SLC Beberapa Pabrik Semen di Indonesia

6. KESIMPULAN

Kalsiner merupakan reaktor proses kalsinasi batu kapur dan pembakaran bahan bakar secara simultan dan kedua proses tersebut saling mempengaruhi. Kompleksitas proses inilah yang mengakibatkan

parameter desain menjadi belum baku. Hal inilah yang nampak dari penelitian ini. Banyak parameter kinerja yang berbeda nilainya antara satu desain dengan yang lainnya dan variasinya cukup besar. Selain itu faktor material baku yang akan diproses menjadi salah satu penentu dalam menentukan parameter desain. Beberapa

kesimpulan yang dapat ditarik dari penelitian ini antara lain:

• 1. Target derajat kalsinasi merupakan parameter desain yang perlu ditetapkan paling awal karena akan menentukan parameter lainnya. Nilai derajad kalsinasi ini sangat bergantung pada kualitas bahan baku yang diproses termasuk di dalamnya struktur geologi tambangnya. Derajat kalsinasi akan menentukan waktu tinggal yang dibutuhkan material dan kebutuhan bahan bakar yang harus diumpankan ke dalam kalsiner.
• 2. Dari variasi nilai parameter kinerja kalsiner dapat disimpulkan bahwa belum ada pembakuan nilai parameter desain dalam merancang kalsiner sehingga perancang memiliki kebebasan dalam menentukan parameter desain yang diinginkan.
• 3. Para desainer lebih banyak menganggap bahwa kalsiner tipe ILC hanya merupakan pemanfaat panas terbuang sehingga tidak memerlukan waktu tinggal yang lama dan dirancang dengan volume kurang besar yang mengakibatkan nilai Specific Calciner Load (SCL) menjadi besar. Perbedaan yang menyolok nampak pada pabrik P6 PT-ITP yang menganggap bahwa kalsiner ILC yang dirancang sekaligus juga merupakan satu-satunya kalsiner sehingga diperlakukan sebagai SLC pula. Dengan asumsi seperti ini konsekuensinya harus dirancang dengan volume yang lebih besar agar memberikan waktu tinggal yang cukup.
• 4. Dalam hal kecepatan aliran aerosol, pada SLC umumnya dirancang dengan nilai yang lebih rendah karena dengan semakin tinggi derajat kalsinasi

• material akan lebih enteng sehingga lebih mudah diangkat oleh aliran gas.
• 5. Untuk menambah volume kalsiner yang diperlukan pada desain dengan target derajat kalsinasi yang lebih tinggi, beberapa perancang memanfaatkan saluran keluar kalsiner menuju siklon serta siklonnya sendiri sebagai tambahan ruang agar waktu tinggal memanjang.
• 6. Variasi nilai parameter desain maupun parameter kinerja kalsiner menandakan masih luasnya penelitian yang perlu dilakukan untuk penyempurnaan desain dan operasi kalsiner.

7. DAFTAR PUSTAKA

• 1. H. Walter Duda., Cement-Data Book, International Process Engineering in the Cement Industry, Bauverlag GMBH Wiesbadeen, Berlin.
• 2. Prihadi Setyo Darmanto, Kinerja Kiln Besar, Prosiding Diskusi Institut Semen dan Beton Indonesia, Ciangsana, 2000.
• 3. International Cement Production Seminar, Heat Balances, Lecture 5.13A, Parts & Services Division, F.L. Smidth.
• 4. K.H. Obst, W. Munchberg, dasn M. Rahder., Production of Reactive Quicklime, Translation ZKG, No 10/78, pp 215 – 220.
• 5. Prihadi Setyo Darmanto, Pengembangan Perangkat Lunak Neraca Massa dan Panas Beberapa Pabrik Semen di Indonesia, Laporan Penelitian, Bandung, 1998-2004