Karbonisasi Batubara

 Pengantar Energi (Karbonisasi Batubara)

A. SIFAT FISIS

1. Free Swelling Index (FSI)

Free Swelling Index (FSI) merupakan suatu parameter seberapa jauh batubara akan memuai apabila dipanaskan. FSI ditentukan dengan memanaskan batubara yang telah digerus dan dicetak berbentuk “ kancing kemeja” sampai 800ºC di dalam cawan selama waktu tertentu. Setelah zat terbang habis “kancing” kokas yang lebih kecil dari ukuran semula tetap berada dalam cawan. Penampang sisa kokas dibandingkan dengan penampang baku bernomor 1-10.

Pengaruh nilai FSI pada batu bara :

a. Bila pemuaian kokas mengakibatkan ia sama dengan ukuran panjang nomor 0-2 ( jadi FSI -nya 0-2) batubara tersebut bukan batubara kokas yang baik (pori-porinya terlalu rendah).

b. Bila FSI -nya 8-10 berarti tingkat pemuaiannya terlalu tinggi berarti bila dijadikan kokas terlalu berpori-pori besar sangat rapuh.

c. Batubara dengan nomor FSI 4-6 adalah ideal untuk diproses menjadi kokas (batubara ini akan menjadi kokas yang cukup berpori dan kuat menahan beban).

2. Hardgrove Grindability Index (HGI)

Hardgrove Grindability Index (HGI) adalah indeks kemampugerusan atau indeks kekerasan hardgrove, yakni ukuran/tingkat mudah atau sukarnya batubara digerus menjadi tepung batubara sebagai bahan bakar (khususnya pada PLTU). Indeks ini

terdiri dari angka 0 – 100. Pengaruh nilai HGI pada batu bara :

1. Batubara dengan indeks hardgove kurang dari 50 adalah keras sehingga sukar digerus menjadi tepung batubara yang memerlukan serangkaian alat alat penggerus yang mahal.
2. Batubara yang mempunyai indeks hardgrove 50 keatas adalah batubara lunak sehingga mudah untuk digerus menjadi tepung.Harga Hardgrove Grindabilit.

Index diperoleh dengan rumus :

HGI = 13,6 + 6,93 W

W adalah berat dalam gram dari batubara lembut berukuran 200 mesh. Makin tinggi harga HGI makin lunak batubara tersebut. 

3. Specific Heat

Specific Heat merupakan indikasi kandungan nilai energi yang terdapat pada batubara, dan merepresentasikan kombinasi pembakaran dari karbon, hidrogen, nitrogen, dan sulfur. Specific Heat sangat berpengaruh terhadap pengoperasian pulveriser/mill, pipa batubara dan windbox, serta burner. Pengaruh Specific Heat pada batu bara :

1. Semakin tinggi Specific Heat maka aliran batubara setiap jam-nya semakin rendah sehingga kecepatan coal feeder harus disesuaikan.
2. Untuk batubara dengan kadar kelembaban dan tingkat ketergerusan yang sama, maka dengan Specific Heat yang tinggi menyebabkan pulveriser akan beroperasi di bawah kapasitas normalnya (menurut desain), atau dengan kata lainoperating ratio nya menjadi lebih rendah.

4. Size Stability

Ukuran butir batubara dibatasi pada rentang butir halus (pulverized coal atau dust coal) dan butirkasar (lump coal). Butir paling halus untuk ukuran maksimum 3mm, sedangkan butir paling kasar sampai dengan ukuran 50mm.
Pengaruh Specific Heat pada batubara yaitu semakin kecil ukuran partikel batubara,

maka semakin besar luas permukaanya.

5. Bulk Density

Bulk Density (kepadatan Massal) adalah nilai massa suatu bahan padat yang dibagi dengan total volume mereka tempati. Total volume meliputi volume partikel, volume void (kosong) antar-partikel dan Volume internal pori-pori bahan.
Pengaruh Bulk Density terhadap kualitas batubara adalah semakin besar nilai bulk densitynya maka kualitas batubara itu semakin baik/tinggi , sebab dengan bulk density yang lebih besar maka jumlah massa batubara dalam volume tersebut lebih banyak jumlah nya pada total volume yang ditempati bernilai sama.Bulk Khas Kepadatan Batubara :

• Batubara Antrasit: 50 - 58 (lb/ft 3 ), 800 - 929 (kg/m 3 ) 
• Batubara Bitumen: 42-57 (lb / ft 3), 673-913 (kg / m 3 )
• Batubara Lignit: 40 - 54 (lb / ft 3), 641-865 (kg / m 3 )

B. KARBONISASI

Karbonisasi merupakan suatu proses untuk mengkonversi bahan organik menjadi arang. Pada proses karbonisasi akan melepaskan zat yang mudah terbakar seperti CO, CH4, H2, formaldehid, metana, formik dan acetil acid serta zat yang tidak terbakar seperti seperti CO2, H2O dan tar cair. Gas-gas yang dilepaskan pada proses ini mempunyai nilai kalor yang tinggi dan dapat digunakan untuk memenuhi kebutuhan kalor pada proses karbonisasi.Proses karbonisasi dapat merupakan reaksi endoterm atau eksoterm tergantung pada temperatur dan proses reaksi yang sedang terjadi. Secara umum hal ini dipengaruhi oleh hubungan temperatur karbonisasi, sifat reaksi, perubahan fisik/kimiawi yang terjadi. Perubahan fisika terdiri atas pelunakan, aliran material, penggabungan dan pengerasan, sedangkan perubahan kimia terdiri atas

perekahan polimerisasi dan penguapan.

Karbonisasi Batubara

Karbonisasi batubara adalah proses pemanasan batubara dengan keadaan anaerob (tanpa oksigen) pada temperatur beberapa ratus derajat menghasilkan material – material :

1. Karbon padat (solid residu).

Disebut semikokas/kokas jika bersifat kompak dan padat, atau disebut char jika lebih berpori dan tidak kompak.

2. Hasil cair

Terbuat dari campuran hidrokarbon (zat arang cair) disebut tar dan larutan yang mengandung air yang mengandung jenis bahan-bahan terlarut yang disebut zat amoniak.

3. Hidrokarbon dan campuran lain 

Dalam bentuk gas yang didinginkan ke temperatur normal.Berdasarkan perbedaan besarnya temperatur pemanasan, proses karbonisasi

terdiri atas:

1.      Low temperature carbonization pada suhu 500oC-700oC (1290oF)

2.      Medium temperature carbonization pada suhu 700oC-900Oc

3.      High temperature carbonization pada suhu > 900oC (1650oF)

Karbonisasi Bertemperatur Rendah

Karbonisasi bertemperatur rendah adalah proses karbonisasi tanpa udara pada temperatur 500 – 700oC. Karbonisasi bertemperatur rendah umumnya untuk memproduksi padatan, bahan bakar tak berasap atau tar. Padatan hasil karbonisasi bertemperatur rendah mudah pecah, berwarna kehitaman, masih banyak mengandung

zat terbang.Sebagian besar peralatan menggunakan retort pada temperatur 500-600 C, sehingga material yang digunakan untuk pemanasan masih dapat menggunakan besi cor/cast iron, ditinjau dari perpindahan panas masih menguntungkan untuk proses-proses pemanasan tidak langsung. Penggunaan refraktori/bata tahan api hanya digunakan pada tempat-tempat yang sangat panas biasanya disekitar pembakar atau burner.
Pada diagram alir dari suatu proses pemanfaatan karbonisasi batubara temperatur rendah untuk batubara dengan kandungan volatil matter tinggi.
Tungku putar horisontal dengan pemanasan menggunakan panas sensibel dari gas buang, tungku disangga oleh dua pasang penggerak putar dan mempunyai sedikit kemiringan untuk mengarahkan gerakan material. Tungku dibuat dari bahan baja yang dilapisi oleh bahan tahan panas agar tidak secara langsung gas panas mengenai baja report, yang didesain counter current dengan aliran batubara masuk silinder tungku putar. Diperlukan waktu 2,5 jam untuk pemanasan di dalam tungku putar dan menghasilkan semikokas, gas dan cairan yang berupa tar. Pada penggunaan batubara kadar rendah (brown coal) dengan kandungan moisture 45,53%, zat terbang 37,09%, abu 6,79% dan karbon tetap 11,0% dapat menghasilakn semikokas dengan komposisi zat terbang 20,56%, karbon tetap 53,73% dan abu 23,41%. Untuk batubara bituminus tiap ton dapat menghasilkan 21,6 galon minyak, 44.000 ft3 gas dan 15,2 lb amonium sulfat.
Keunggulan dari KTR ini ditinjau dari material konstruksi dapat diterapkan untuk material peralatan baja biasa atau besi cor karena temperatur yang disyaratkan hanya sekitar 500 oC, menggunakan baja karbon atau mild steel sudah cukup, tersedia cukup banyak di pasaran. Walaupun untuk keperluan khusus tempat-tempat yang kondisinya diretort oksidasi harus digunakan pelapisan dengan bahan material tahan api seperti castabel atau fiber keramik.

Tujuan Karbonisasi

Tujuan dari proses karbonisasi adalah menaikkan kadar karbon padat dan menghilangkan zat terbang (volatile matter) yang terkandung dalam batubara serendah mungkin sehingga dihasilkan semi kokas atau kokas dengan kandungan zat terbang yang ideal 8-15% dengan nilai kalori yang cukup tinggi di atas 6.000 kkal/kg. Kandungan zat terbang berhubungan erat dengan kelas batubara, makin tinggi zat terbangnya maka makin rendah kelas batubara, karena zat terbang akan mempercepat pembakaran karbon padatnya. Dengan karbonisasi juga akan menghasilkan produk

akhir yang tidak berbau dan berasap.

Proses Karbonisasi Batubara 

Proses karbonisasi dilakukan melalui dua cara:

1.Proses Karbonisasi dengan pemanasan secara langsung 

Proses Karbonisasi dengan pemanasan secara langsung dalam tungku Beehive yang berbentuk kubah. Tungku Beehive merupakan tungku yang paling tua dimana batubara dibakar pada kondisi udara terbatas, sehingga hanya zat terbang saja yang akan terbakar. Jika zat terbang terbakar habis, proses pemanasan dihentikan.Kelemahannya antara lain terdapat produk samping berupa gas dan cairan yang tidak dapat dimanfaatkan atau habis terbakar, disamping itu produktivitas sangat rendah.

2.Karbonisasi batubara dengan pemanasan tidak langsung
Karbonisasi batubara dengan pemanasan tidak langsung atau proses distilasi kering di mana sirkulasi udara dikontrol seminimal mungkin. Melalui dinding baja, panas disalurkan ke dalam tanur bakar yang memuat batubara. Pada suhu sekitar 375oC - 475oC, batubara mengalami dekomposisi membentuk lapisan plastis di sekitar dinding.
Ketika suhu mencapai 475oC - 600oC, terlihat kemunculan cairan tar dan senyawa hidrokarbon (minyak), dilanjutkan dengan pemadatan massa plastis menjadi semi-kokas. Pada suhu 600oC - 1100oC, proses stabilisasi kokas dimulai. Ketika lapisan plastis sudah bertemu di tengah oven, berarti seluruh batubara telah terkarbonasi menjadi kokas, dilanjutkan dengan proses pendinginan (quenching). Setelah kokas selesai dibuat di oven, perlu pendinginan secepatnya supaya kokas tersebut tidak berubah jadi abu.
Cara ini selain menghasilkan kokas juga diperoleh produk samping berupa tar, amoniak, gas methana, gas hidrogen dan gas lainnya. Gas-gas tersebut dapat dimanfaatkan sebagai bahan bakar. sedangkan produk cair berupa tar, amoniak dan lain-lain dapat diproses lebih lanjut untuk menghasilkan bahan-bahan kimia, umumnya berupa senyawa aromatik

UJI PADA KARBONISASI

1.Free Swelling Index

Tes ini dilakukan untuk menentukan angka peleburan dengan cara memanaskan sejumlah sampel pada temperatur peleburan normal (kira-kira 800°C). Setelah pemanasan atau sampai semua semua volatile dikelurkan, sejumlah coke tersisa dari peleburan. Swelling number dipengaruhi oleh distribusi ukuran partikel dan kecepatan pemanasan.

2. Tes karbonisasi Gray-King dan tipe coke.

Tes Gray-King menentukan jumlah padatan, larutan dan gas yang diproduksikan akibat karbonisasi. Tes dilakukan dengan memenaskan sampel didalam tabung tertutup dari temperatur 300°C menjadi 600°C selama 1 jam untuk karbonisasi temperatur rendah atau dari 300°C menjadi 900°C selama 2 jam untuk karbonisasi temperatur tinggi. 

3.Tes Karbonisasi Fische

Prinsipnya sama dengan metode Gray-King, perbedaan terletak pada peralatan dan kecepatan pemanasan. Pemanasan dilakukan di dalam tabung alumunium selama 80 menit. Tar dan liquor dikondensasikan ke dalam air dingin. Akhirnya didapatkan persentase coke, tar dan, air sedangkan jumlah gas didapat dengan cara mengurangkannya. Tes Fischer umum digunakan untuk batubara rank rendah (brown coal dan lignit) untuk karbonisasi temperatur rendah. 

4. Plastometer Gieseler

Plastometer Gieseler adalah viskometer yang memantau viskositas sampel batubara yang telah dileburkan. Dari tes ini direkam data-data sbb:

a) Initial softening temperature

b) Temperatur viskositas maksimum

c) Viskositas maksimum

d) Temperatur pemadatan resolidifiation

5. Indeks Roga

Indeks Roga menyatakan caking capacity. Ditentukan dengan cara memanaskan 1 gram sampel batubara yang dicampur dengan 5 gram antrasit pada 850°C selama 15 menit. 

6. Tes lain yang dilakukan:

a)      Biasanya dilakukan untuk menentukan:

b)      Komposisi kimia (analisis proksimat, total belerang, analisis abu,dll)

c)      Parameter fisik (distribusi ukuran, densitas relatif)

d)     Uji kekuatan.

e)       Tes Metalurgi.