Sains, Teknologi dan Ekonomi Bisnis

Pembakaran batubara (hydrocarbon kompleks) di boiler furnace diharapkan terjadi pembakaran sempurna menghasilkan karbondioksida (CO₂) yang bercirikan asap putih atau bening dan menghindarkan dari pembakaran tidak sempurna menghasilkan karbon monoksida (CO) yang bercirikan asap hitam pekat. Ketika pembakaran batubara tidak sempurna berarti terdapat carbon yang tidak habis terbakar (unburned coal) sehingga efisiensi pembangkit menurun dan terjadi pemborosan energi bahan bakar. Pembakaran tidak sempurna terjadi karena minimnya excess air (O₂). Tujuan dari excess air pada pembakaran di boiler furnace adalah untuk pembakaran sempurna menghasilkan (CO₂) dan menghindarkan pembakaran tidak sempurna (CO). Sesuai reaksi:

C + O ---> CO

C + 3/2 O₂ ---> CO₂

Kebutuhan O₂ antara kedua reaksi tersebut berbeda, dimana kebutuhan yang lebih besar adalah untuk menghasilkan CO₂ dan inilah tujuan excess air.

Secara teoritis berarti dalam pembakaran hydrocarbon (coal) harus melebihkan sedikit bahan bakar agar terjadi pembakaran sempurna dan harus melakukan perhitungan secara kimia perbandingan mol antar reaktan untuk menghasilkan produk yang dikenal dengan istilah stoikiometri. Enjiniring pembangkitan harus memiliki formula untuk mengetahui kebutuhan udara pembakaran ketika spesifikasi batubara yang masuk berbeda-beda. Disinilah peranan penting chemical engineer di PLTU. Seperti contoh CoA batubara berikut:

BACA JUGA: Certificate of Analysis (CoA) Batubara Uji Laboratorium

Berikut urutan cara menghitung excess air dan kebutuhan udara pembakaran di boiler furnace:

1. Mendata dari CoA %berat unsur penyusun utama batubara yaitu: C, H, O, N dan S
2. Mencari di tabel periodik berat atom (Ar/Mr) setiap unsur yaitu: C (12), H(1), O (16), N (14) dan S (32)
3. Menghitung mol unsur=gr/mr dengan gr dibuat basis misalnya 100 gram atau 100 kg agar mudah menghitungnya,kemudian mengalikan dengan %berat masing-masing unsur
4. Menghitung mol/mol C. ini dimaksudkan agar rumus molekul kimia batubara menjadi sederhana yaitu membagi semua mol dengan mol terbesar (untuk kasus ini C adalah mol terbesar)
5. Membentuk rumus kimia batubara yaitu: C_xH_yO_zN_xS_y 

6. Mencari data komposisi udara dan ini sudah baku yaitu: 20.9% ~21% O₂ dan 78% N₂ sehingga perbandingan O₂ : N₂ = 1 : 3.762
7. Melanjutkan penyetaraan reaksi pembakaran sesuai stoikimoteri berikut: A C_xH_yO_zN_xS_y (hydrocarbon) + B (O₂ + 3.762 N₂) udara ---> C CO₂ + D H₂O + E SO₂ + F N₂

8. Kemudian menghitung rasio air/fuel

Berdasarkan perhitungan tersebut dengan basis massa per ton maka setiap 1 ton fuel (coal) maka membutuhkan 8.58 ton udara. Umumnya satuan flow udara pembakaran di PLTU adalah m³/h sehingga harus di-konversi ke ton/h, berikut detailnya:

• Rumus n=mol=massa/mr dengan mr udara= 28.9 massa/mol
• Densitas udara= 1.225 kg/m³
• Satuan yang umum di udara pembakaran (PA + SA Fan) adalah m³/h, sehingga untuk konversi ke ton/h = m³/h x 1.225 kg/m³ =1.225 kg/h=0.001225 ton/h

BACA JUGA: Prinsip Pembakaran Hydrocarbon untuk Mencapai Efisiensi Tinggi di PLTU

Poin-Poin Pentingnya:

• Setiap bahan bakar (hydrocarbon) PASTI terdiri dari unsur berdasarkan urutan komposisi prioritas C, H, O, N dan S 
• Setiap pembakaran PASTI terdiri dari reaktan hydorcarbon + O₂ atau karena di PLTU ini digunakan untuk menghitung kebutuhan udara pembakaran dalam massa maka reaksi pembakarannya adalah hydorcarbon + udara (O₂ + N₂) walaupun dalam pembakarannya nanti N₂ tidak bereaksi karena boiler furnace masih <1200 ^oC sehingga diakhir reaksi (produk) N₂ harus dimunculkan kembali
• Pembakaran batubara PASTI menghasilkan produk gas berupa CO₂, H₂O, CO₂ dan N₂ (akibat tidak bereaksi kimia)

Berdasarkan handbook Frayne (2002) tersebut didapatkan informasi yaitu:

• Excess air untuk bahan bakar batubara (coal) adalah 20-50%
• Excess air untuk bahan bakar gas atau minyak adalah 5-20%
• Setiap 10% excess air berdampak pada kehilangan 1% efisiensi boiler

Menurut Basu (2015) sebagai berikut:

Excess air untuk beberapa tipe boiler PLTU berbeda-beda sebagai berikut:

• Stoker: 20-30%
• Bubbling Fluidized Bed (BFB): 20-25%
• Circulating Fluidized Bed (CFB): 15-20%
• Pulverized: 15-30%

Proses pembakaran batubara di boiler PLTU mengikuti skema berikut: [Basu, 2015]

Berdasarkan grafik tersebut didapatkan informasi sebagai berikut:

1. Pada temperatur 200 ^oC, batubara mengalami drying & heating
2. Pada temperatur 300-800 ^oC, kandungan volatile batubara mulai terlepas
3. Pada temperatur >800 ^oC, terjadi pembakaran sempurna batubara

Kutip Artikel ini Sebagai Referensi (Citation):

Feriyanto, Y.E. (2021). Stoikometri pada Pembakaran Batubara (Excess Air dan Air Fuel Rasio) di Boiler Furnace PLTU, Best Practice Experience in Power Plant. www.caesarvery.com. Surabaya

Referensi:

[1] Feriyanto, Y.E. (2020). Best Practice Experience in Power Plant. Surabaya

[2] Frayne, C. (2002). Boiler Water Treatment Principles and Practice. Vol. 1. New York-USA

[3] Basu, P. (2015). Circulating Fluidized Bed Boiler, Design Operation and Maintenance. Canada

Ingin Konsultasi dengan Tim Website, Silakan Hubungi DISINI

Perkembangan teknologi boiler semakin maju dengan meminimalisir kelemahan untuk mencapai efisiensi dan reliability, berikut skema urutannya:

1. Pada temperatur 200 ^oC, batubara mengalami drying & heating
2. Pada temperatur 300-800 ^oC, kandungan volatile batubara mulai terlepas
3. Pada temperatur >800 ^oC, terjadi pembakaran sempurna batubara

Prinsip Heat-Transfer pada Boiler PLTU:

1. Radiasi, coal terbakar dan panas radiasi mengenai tube boiler
2. Konduksi, tube boiler yang menyerap panas akan merata pada seluruh bagian metal
3. Konveksi, panas pada metal kemudian terserap oleh feedwater pada inner tube dan merata sepanjang tube (feedwater-saturated-superheated)

Pembagian Zona Heat-Transfer pada Boiler PLTU:

1. Combustion Zone, area pembakaran batubara di floor furnace dengan temperatur antara 1100-1200 ^oC
2. Radiation Zone, area diatas combustion zone yang bercirikan bubbling bed material sudah tidak ada dengan temperatur antara 800-900 ^oC
3. Convection Zone, area dimana fase steam (saturated & superheated) berada dengan temperatur sekitar 650 ^oC

Berdasarkan Basu (2015) di Boiler CFB dijaga pada range 800-900 ^oC dengan alasan sebagai berikut:

1. Pada temperatur tersebut sebagian besar fuel ash tidak mengalami fusi
2. Pengikatan sulphur efektif di kisaran 850 ^oC
3. Alkali metal dari coal tidak teruapkan pada kisaran temperatur tersebut
4. Pada temperatur tersebut, nitrogen tidak membentuk NOx

Beberapa Hal yang Harus Diperhatikan di Boiler:

• Boiler PLTU hanya didesain pada 1 tipe coal saja sehingga ketika properties yang masuk berbeda maka akan ada dampak pada operasionalnya sehingga unit PLTU diharapkan memiliki tabel khusus untuk planning operasi ketika ada properties feeding coal maka akan didapatkan beban yang diijinkan untuk dioperasikan

BACA JUGA: Klasifikasi Batubara Berdasarkan Kalori Menurut ASTM

• Istilah low rank, medium/moderate & high rank coal hanya istilah di marketing penyediaan batu bara saja sedangkan istilah dalam operasional PLTU adalah over-spec atau under-spec coal yang didasarkan pada desain boiler oleh manufacture
• Berdasarkan prinsip gas ideal, PV=nRT sehingga tekanan (P) berbanding lurus dengan temperatur (T) dan ketika di boiler over-heat maka harus digali adalah penyebab over-pressure. Hal ini bisa disebabkan karena pengaruh PA Fan dan SA Fan sehingga membutuhkan combustion tuning. Hal ini bisa disebabkan juga karena adanya penyumbatan pada air nozzle cap oleh agglomerasi atau adanya fouling di tube boiler
• Agglomeration pada boiler furnace lebih disebabkan karena berlebihnya feeding coal sedangkan melting karena properties coal itu sendiri yang banyak mengandung Na dan K sehingga menyebabkan titik leleh bed material menjadi turun.

BACA JUGA: Karakteristik Pasir (Bed Sand Material) dan Agglomeration pada Boiler CFB

• Langkah yang umum dilakukan ketika steam overheating adalah mengaktifkan desuperheater (DSH) menggunakan demineralized water untuk menjaga temperatur steam pada standar Main Steam Temperature (MST). Sedangkan bagian luar yaitu tube boiler tidak terkendali dan tetap overheating sehingga potensi kebocoran mudah terjadi. Hal inilah yang seharusnya menjadi concern juga mengapa tube CFB boiler mudah terjadi leak. Selain itu, jika penggunaan DSH terlalu besar maka MST akan turun dan Main Steam Flow (MSF) turun sehingga langkah umum yang dilakukan operator adalah feeding kembali coal sehingga akan terus menambah temperatur tube boiler sehingga bisa overheating

BACA JUGA: Cara Menurunkan Temperature Superheated Steam di PLTU

• Umpan coal boiler selalu fluktuatif properties-nya dan tergantung juga salah satunya dari jenis penambangannya yaitu: (i) open/ground mining, bertipe lignite cenderung besar kandungan Ca dan Si karena termasuk batubara permukaan yang bersifat lengket, tidak mudah pecah seperti tanah liat; (ii) close/under ground mining, cenderung dominan kandungan S yang bersifat korosif dan CH₄ (metana) yang bersifat explosion, termasuk bituminuous & sub-bituminuous yang bersifat brittle mudah pecah. Stock batubara ini bukan ranah O&M pembangkitan melainkan owner sehingga sebagai O&M harus bisa menjelaskan dampak ketika coal properties yang diberikan under-spec dari desain boiler
• Pembakaran di boiler hanya untuk yang reaksi bersifat eksothermis seperti C menjadi CO₂, H menjadi H₂O dan S menjadi SO₂. 

Sedangkan N tidak terbakar karena untuk membentuk NO₂ membutuhkan panas yang sangat tinggi kisaran 1200-1300 ^oC (sesuai grafik yang diarsir diatas) dan sifat reaksinya adalah endothermis.  NO₂ ini di CFB boiler jarang bisa tercapai karena furnace temperature yang hanya berkisar antara 800-900 ^oC bahkan ketika sampai di convection zone turun sampai 650 ^oC. Sedangkan O₂ hanya sebagai pe-reduksi saja unsur yang terkandung pada coal

• Coal tidak terbakar sempurna atau efisiensi termal rendah salah satunya adalah tingginya moisture content. Rekomendasi yang umum dilakukan adalah drying coal atau menimbun coal di ruang beratap (coal dome), namun perlu diketahui bahwa moisture content ada 2 yaitu: (i) surface content, terletak pada permukaan coal saja; (ii) inherent content, terletak didalam coal

BACA JUGA: Macam-macam Analisa Bahan Bakar di PLTU

• CFB boiler cukup efektif dalam pengikatan kandungan SO₂ karena didesain ada injector limestone/kapur (CaCO₃) namun kebanyakan CFB boiler di Indonesia tidak mengaktifkan injeksi tersebut karena coal yang dipakai mengandung kadar S (sulfur content) yang rendah.
• Reaksi pembentukan yang terjadi pada pembakaran coal sebagai berikut: S + O₂ --> SO₂ bersifat eksothermis dan reaksi penguraian kapur sebagai berikut: CaCO₃ ---> CaO + CO₂ bersifat eksothermis. Ketika CaO berikatan dengan SO₂ maka terbentuk gypsum (CaSO₄) fase solid yang bisa terbuang lewat bottom ash. Berdasarkan hal tersebut, maka limestone berfungsi ganda selain untuk pengikat gas B3 juga sebagai penyerap panas sehingga boiler furnace tidak overheating

BACA JUGA: Fungsi Limestone/Kapur (CaCO3) pada Boiler CFB

• Exit flue gas temperature yang dianjurkan adalah 123 ^oC, karena jika dibawah temperature point tersebut akan terjadi dew-point corrosion yaitu pengkorosian pada ujung Air Pre-Heater (APH) sedangkan untuk diatasnya akan menyumbang kenaikan heat-loss pembakaran. Setiap kenaikan 4 ^oC akan meningkatkan heat-loss sebesar 5%. Ketika exit flue gas temperature tinggi maka radiasi yang ditransfer ke tube boiler berkurang sehingga mengurangi kalor serap di furnace boiler. Baca detail analisis reaksi di: Shell and Tube APH: Material, Korosi dan Karakteristiknya

• Potensi abrasi tinggi banyak terjadi di welded tube boiler (level boiler bawah yang mengerucut) sehingga direkomendasikan untuk menambah refractory sampai ketemu diatas level tersebut, dimana tidak ditemukan lagi welded joint tube yang bersentuhan langsung dengan bubbling bed material

• Urutan batubara terbakar adalah initial heating (pyrolisis/devolatilization/demineralization) yang melepas surface moisture kemudian pelan-pelan coal hancur dan melepas mineral kemudian terbakar terbentuk arang dan abu. 
• Beberapa Cara Mencegah Agglomeration:

1. Penambahan aditif kimia
2. Pre-treatment bahan bakar sebelum masuk boiler
3. Pemilihan alternatif lain bed material
4. Blending & mixing coal dengan biomass (co-firing), blending adalah mencampur dengan umpan yang berbeda misalnya coal + cangkang sawit/bahan organik sedangkan mixing adalah pencampuran antara bahan yang bisa menyebabkan hasil berbeda bisa karena reaksi kimia dll, seperti fuel + udara

• Terdapat kemungkinan kesalahan yang umum terjadi di lapangan ketika pengambilan sampling uji unburned carbon (UBC), umumnya sampel diambil begitu saja dari bottom ash tanpa melakukan seleksi padahal di bottom ash terdapat 2 carbon yaitu:

1. Unburned coal, karakteristiknya adalah jika dipegang masih keras dan menggumpal
2. Unburned carbon ash, karakteristiknya adalah lembut karena memang sudah jadi abu

Saran sebaiknya sampel diambil dengan memilah bagian yang terlihat halus namun masih mengandung butir-butir halus. Kesalahan pengambilan sampel ini bisa berakibat nilai UBC sangat tinggi (karena memang unburned coal masih besar nilai C-nya) dan data laboratorium yang dihasilkan kurang valid jika digunakan untuk analisa pembakaran. Letak sampling yang ideal adalah: (i) unburned carbon ash di bottom ash floor furnace; (ii) unburned coal di drain sealpot cyclone

• Standar baku rasio PA Fan : SA Fan adalah 60 : 40, namun itu untuk properties batubara desain, jika terdapat perbedaan spesifikasi maka hasil combustion tuning-lah yang dipakai
• Menganalisis kapasitas PA Fan + SA Fan apakah lebih besar (>) atau lebih kecil (<) dengan ID Fan sangat diperlukan untuk menentukan potensi flow fluida apakah over-pressure atau under-pressure
• Salah satu indikasi overheating boiler adalah bubbling bed material tidak sempurna karena coal size terlalu besar sehingga cenderung berada di floor furnace dan bisa menyebabkan melting % agglomeration.  
• Agglomeration index lebih disebabkan karena coal yang dipakai adalah low rank (lignite) bersifat lengket seperti tanah liat (clay) sehingga ketika bercampur dengan pasir maka akan terjadi ikatan yang menyebabkan densitas bed material naik sehingga mengganggu bubbling dan jatuh ke floor furnace terbentuklah aglomerasi
• Overheating juga bisa disebabkan karena pembakaran tidak sempurna karena minimnya excess air (O₂). Tujuan dari excess air pada pembakaran di boiler furnace adalah untuk pembakaran sempurna menghasilkan (CO₂) dan menghindarkan pembakaran tidak sempurna (CO). Sesuai reaksi:

C + O ---> CO

C + 3/2 O₂ ---> CO₂

Kebutuhan O₂ antara kedua reaksi tersebut berbeda, dimana kebutuhan yang lebih besar adalah untuk menghasilkan CO₂ dan inilah tujuan excess air. Mengapa jika menghasilkan CO tidak diinginkan di boiler furnace?? karena dari pembakaran tidak sempurna melanjutkan reaksi menuju sempurna sesuai reaksi: CO+ 1/2 O₂ ---> CO₂ menghasilkan panas (eksothermis) yang bisa menambah temperatur ruang bakar di zona radiasi (level 2 pada pembagian 3 level boiler yaitu: level 1-combustion, level 2-radiasi, level 3-konveksi) sehingga menyebabkan overheating. Cara mencari excess air dan kebutuhan udara pembakaran sebagai berikut:

1. Mengetahui komposisi coal dari CoA
2. Menghitung stoikiometri rasio
3. Mengetahui total coal flow
4. Menghitung stoikiometri air flow = stoikiometri rasio x total coal flow
5. Menghitung excess air = [oksigen terbaca di furnace / (20.9-oksigen terbaca di furnace)] x 100%
6. Total air flow = [100%+ excess air] x stoikiometri air flow

Lebih detail BACA: Stoikometri pada Pembakaran Batubara (Excess Air dan Air Fuel Rasio) di Boiler Furnace PLTU

• Parameter operasi utama di boiler adalah velocity dan residence time, dimana velocity CFB boiler berkisar ± 6 m/s dan residence time berkisar 1-2 s di radiation zone. Velocity & residence time dihitung hanya antara combustion zone (level 1) sampai radiation zone (level 2), sehingga apabila masih terdapat panas berlebih di convection zone (level 3) maka itu adalah heat-loss karena fase sudah superheated yang tidak memerlukan panas lagi
• Fluidisasi di CFB boiler ada 2 yaitu: (i) furnace boiler karena adanya PA/SA Fan; (ii) seal pot cyclone karena adanya return fan/seal fan/HP blower
• Standar asumsi persentase ash di boiler adalah bottom ash : fly ash = 80 : 20
• Ketika kandungan alkali di CoA bahan bakar >9% maka bisa dipastikan terdapat potensi agglomeration yang besar

Kutip Artikel ini Sebagai Referensi (Citation):

Feriyanto, Y.E. (2021). Catatan Lengkap Pembakaran Batubara (Coal Combustion) Based Experience di Workshop CFB Boiler, Best Practice Experience in Power Plant. www.caesarvery.com. Surabaya

Referensi:

[1] Feriyanto, Y.E. (2021). Workshop CFB Boiler. Surabaya

[2] Basu, P. (2015). Circulating Fluidized Bed Boiler, Design Operation and Maintenance. Canada

Ingin Konsultasi dengan Tim Website, Silakan Hubungi DISINI

Aliran proses yang umum ada di PLTU sebagai berikut: 

Air laut-Bak pengendapan/clarifier/sedimentation pond-Multi media filter (MMF)-Desalination (RO/MSF/MED)-Demineralization (mixed bed/single bed)-Condensate Water-Outlet deaerator/lnlet economizer-Boiler water/steam drum-Saturated steam/outlet drum-Superheated steam

• Bak Pengendapan/Clarifier, berfungsi menurunkan kadar lumpur/suspended solid. Parameter standar umum outlet clarifier adalah:

1. Turbidity, <5 NTU
2. Total Suspended Solid (TSS), <10 ppm

1. Turbidity, <1 NTU

• Desalination, berfungsi meminimalisir kandungan garam dengan prinsip filter membrane untuk RO dan distilasi untuk MED. Parameter standar umum outlet desalination adalah:

Inlet SWRO

1. Turbidity, <1 NTU
2. Free Chlorine, <100 ppb
3. Silt Density Index (SDI), <5

Outlet SWRO

1. pH, 6-8
2. Conductivity, <800 µS/cm

Outlet BWRO

1. pH, 6-8
2. Conductivity, <20 µS/cm

• Demineralization, berfungsi meminimalisir kandungan mineral ion. Parameter standar umum outlet demineralization adalah:

1. pH, 6-8
2. Specific Conductivity, <1 µS/cm
3. Silica (SiO₂), <20 ppb
4. Chloride (Cl^-), <100 ppb

• Condensate Water, air keluaran condenser yang merupakan kondensasi steam turbine menjadi cair. Parameter standar umum outlet condensate water adalah:

1. pH, 9-9.6 (TD), 8.8-9.3 (AM/BJ)
2. Conductivity/Specific Conductivity, <11 µS/cm
3. Cation Conductivity, <0.3 µS/cm (PCT)
4. Chloride (Cl^-), <100 ppb
5. Silica (SiO₂), <15 ppb (TD), <20 ppb (BK)
6. Dissolved Oxygen (DO), <50 ppb
7. Hardness Water, <1 ppb (air laut), <40 ppb (air sungai)
8. Iron (Fe), <20 ppb

• Deaerator/Economizer, deaerator berfungsi menurunkan dissolved gas sebelum masuk boiler, parameternya sama antara outlet deaerator & inlet economizer sebagai berikut:

1. pH, 9-9.6
2. Specific Conductivity, <11 µS/cm
3. Iron (Fe), <30 ppb (TD), <20 ppb (BT)
4. Hydrazine (N₂H₄), 10-30 ppb (TD), 30-50 ppb (AM)
5. DO, <7 ppb
6. Silica (SiO₂), <20 ppb

• Steam Drum/Boiler Water, air yang sudah dipanaskan dan treatment di steam drum namun masih dalam fase semi liquid-vapor (saturated steam) untuk siklus kembali ke boiler furnace (downcomer steam drum). Parameter standar umum boiler water adalah:

1. pH, 9.2-10.5
2. Specific Conductivity, <150 µS/cm (TD), <100 µS/cm (BK), <60 µS/cm (air sungai)
3. Phospate (PO₄), 0.5-3 ppm (TD), 2-10 ppm (BK)
4. Chloride (Cl^-), <2 ppm (TD), <1 ppm (BK)
5. Silica (SiO₂), <2000 ppb (TD), <800 ppb (AM)
6. Iron (Fe), <250 ppb

• Superheated Steam/Main Steam, uap kering yang siap digunakan untuk memutar turbine. Parameter standar umum superheated steam adalah:

1. pH, 9-9.6
2. Specific Conductivity, <11 µS/cm (TD), <15 µS/cm (BK)
3. Silica (SiO₂), <20 ppb
4. Iron (Fe), <20 ppb
5. Chloride (Cl^-), <0.1 ppm

Penamaan anion-cation conductivity dan spesific conductivity mengikuti hal berikut:

• Anion conductivity yang sebenarnya adalah anion exchanged conductivity ---> sampel air dilewatkan resin bed anion exchanger (muatan negative) sehingga muatan ion yang tertangkap dari sampel air adalah positif seperti sodium (Na⁺) dan potassium (K⁺)
• Cation conductivity/Acid conductivity yang sebenarnya adalah cation exchanged conductivity --->  sampel air dilewatkan resin bed cation exchanger (muatan positif) sehingga muatan ion yang tertangkap dari sampel air adalah negatif seperti chloride (Cl^-), sulphate (SO₄^2-)
• Specific conductivity artinya mengukur seluruh ion (positif dan negatif) pada sampel air. Umumnya penyebutan cukup conductivity atau total conductivity

Ingin Konsultasi dengan Tim Expert Website Silakan, KLIK

Kutip Artikel ini Sebagai Referensi (Citation):

Unburned Carbon/Hydrocarbon (UBC) adalah karbon/bahan bakar yang tidak habis terbakar pada proses pembakaran. Semakin besar nilai UBC maka semakin tidak efisien suatu bahan bakar, karena banyak energi yang masih belum terkonversi. Artikel kali ini difokuskan pada unburned carbon di PLTU, dimana banyak kandungannya pada fly ash-bottom ash (FABA). Nilai unburned carbon yang tinggi tidak bagus untuk efisiensi proses pembakaran dan juga untuk lingkungan seperti bisa menyebabkan polusi groundwater, polusi udara, permasalahan pernafasan.

Coal ash terbagi menjadi 3 bagian yaitu: slag (kerak), fly ash & bottom ash. Komponen utama fly ash adalah unburned carbon & spherical ash (glass cenosphere, magnetic particle & Si-Al ash) [Xing et al, 2019]

Unburned Carbon tidak bisa sepenuhnya dihilangkan dan hanya bisa diminimalisir, seperti pada jurnal Gurusingam et al (2017) dilaporkan bahwa pada fly ash kandungan UBC bisa diminimalisir sampai kandungannya menjadi 2-5% dari total %wt fly ash. Xing et al (2019) menuliskan kandungan carbon pada fly ash (UBC) antara 2-12% dengan detail untuk fly ash grade I nilai UBC <5%, berikut kutipannya:

Gurusingam et al (2017) melakukan simulasi pembakaran pada soFtware Computational Fluid Dynamic (CFD) dengan variabel %excess O₂ disimpulkan bahwa dengan penambahan 5.2% excess O₂ bisa menurunkan 32% ppm unburned carbon. Mengapa %excess O₂ berpengaruh terhadap UBC???, bisa dibaca detail artikel Feriyanto (2020).

Proses terbentuknya unburned carbon menurut Xing et al (2019) sebagai berikut:

Kandungan pada fly ash sebagai berikut: [Jdrusik and Wierczok, 2011]; [Grochowiak et al, 2004]

Penambahan kandungan unburned carbon di fly ash boiler dalam uji secara analis setara dengan Loss-on Ignition (LOI) yaitu bahan bakar yang lolos dari pembakaran (tidak terbakar) [David and Kopac, 2017]. Menurut Bjurstrom et al (2014), LOI adalah metode untuk menentukan apakah pembakaran menyisakan residu yang tidak bisa terserap oleh waterwall boiler system (water).

Berikut langkah-langkah uji LOI atau hilang pijar: [Feriyanto, 2016]

Peneliti seperti Bjurstrom et al (2014) memaparkan bahwa temperatur untuk uji LOI bisa berbeda-beda tergantung bahan bakar seperti:

• Biomass (550 ^oC), alasan biomass dibuat temperatur rendah adalah agar potassium (K) dan chlorine (Cl) tidak dihitung sebagai oxidisable carbon
• Coal (750 ^oC)
• Coal (950 ^oC)

Metode yang hampir sama juga terdapat pada jurnal penelitian Yang et al (2020) sebagai berikut:

Xing et al (2019) menuliskan penyebab umum dari unburned carbon sebagai berikut:

Unburned carbon terbanyak ada pada fly ash dibandingkan bottom ash. Faktor yang mempengaruhi level UBC di fly ash adalah [1] desain sistem pembakaran, [2] kondisi operasi. Desain pembakaran meliputi: [i] tipe pembakaran, [ii] jumlah burner, [iii] kebutuhan udara/oksigen pembakaran (teknologi pembakaran), [iv] pembakaran sisa, [v] tekanan & temperatur pembakaran, [vi] ketersediaan oksigen, dan [vii] furnace heat loading. Selain itu juga ada pengaruh dari karakteristik batubara seperti coal rank, komposisi coal (volatile matter, moisture content), size batubara, coal car properties, coal mineral matter, coal blending [Xing et al, 2019].

Nilai Loss On Ignition (LOI)/hilang pijar tergantung pada ash batubara dan jika dirunut maka tergantung pada tipe batubara seperti: [i] lignite ash (LOI 0-5%), [ii] sub-bituminous ash (LOI 0-3%), dan [iii] bituminous ash (LOI 0-15%) [Xing et al, 2019].

Berdasarkan tabel tersebut terdapat perbedaan untuk kadar LOI berdasarkan tipe boiler yaitu pulverizer fuel (PF), nilai LOI sebesar 0.7-15 dan circulating fluidized bed (CFB), nilai LOI sebesar 2-12.

Terdapat pendekatan perhitungan dari EPRI "Heat Rate Improvement" berikut kutipannya:

Beberapa penyebab tingginya unburned carbon (UBC) di PLTU adalah:

• Kurangnya excess air, hal ini berdampak pada pembakaran yang tidak sempurna pada hydrocarbon (batubara) sehingga masih meninggalkan carbon yang tidak habis terbakar
• Sistem mixing antara bahan bakar dan udara yang kurang optimal di furnace, hal ini bisa karena letak inlet udara bakar atau besarnya bukaan damper (PA/SA Fan) yang kurang pas sehingga harus dilakukan combustion tuning
• Untuk tipe boiler PF bisa karena setting size pulverizer yang tidak standar,  sehingga batubara yang berukuran terlalu besar tidak habis terbakar sampai waktu pembakarannya habis

Kutip Artikel ini Sebagai Referensi (Citation):

Feriyanto, Y.E. (2021). Unburned Carbon (UBC) Pembakaran Batubara dan Uji Loss On Ignition (LOI)/Hilang Pijar, Best Practice Expereince in Power Plant. www.caesarvery.com. Surabaya

Referensi:

[1] Feriyanto, Y.E. (2020). Prinsip Pembakaran Hydrocarbon untuk Mencapai Efisiensi Tinggi di PLTU, Best Practice Experience in Power Plant. www.caesarvery.com. Surabaya

[2] Feriyanto, Y.E. (2016). Uji dan Analisa LOI/Hilang Pijar pada Bed Sand CFB, Best Practice Experience in Power Plant. Surabaya

[3] Gurusingam, P., Ismail, F.B., Gumnasegaran, P., and Sundaram, T. (2017). Intelligent Monitoring System of Unburned Carbon of Fly Ash for Coal Fired Power Plant Boiler. MATEC Web of Conferences, Vol 131-02003

[4] Jdrusik, M and Wierczok, A. (2011). The Influence of UBC Particles on ESP Collection Effieciency. J. of Physics, Vo. 301, 012009

[5] David, E., and Kopac, J. (2017). Functional Carbon Structures Derived from UBC Contained in Fly Ash. Material Today:Proceeedings, Vol. 7, 817-827

[6] Yang, Z., Chang, G., Xia, Y., He, Q., Zeng, H, Xing, Y., and Gui, X. (2020). Utilization of Waste Cooking Oil for Highly Efficient Recovery of  Unburned Carbon from Coal Fly Ash. J. of. Cleaner Production

[7] Xing, Y., Guo, F., Xu, M., Gui, X., Li, H., Li, G., Xia, Y., and Han, H. (2019). Separation of Unburned Carbon from Coal Fly Ash: A Review. J. of Powder Technology, Vol. 353, pp. 372-384

[8] Bjurstrom, H., Lind, B., and Lagerkvist, A. (2014). Unburned Carbon in Combustion Residues from Solid Biofuels. J. of Fuel, Vol. 117, pp. 890-899

[9] Grochowiak, K.S., Golas, J., Jankowski, H., and Kozinski, S. (2004). Characterization of the Coal Fly Ash for the Purposes of Improvement of Industrial On-Line Measurement of Unburned Carbon Content. J. of Fuel, Vol. 83, pp. 1847-1853

[10] Basu, P. (2015). Circulating Fluidized Bed Boiler, Design, Operation and Maintenance. Canada

Ingin Konsultasi dengan Tim Website, Silakan Hubungi DISINI

Pada boiler tipe CFB, pasir memiliki peranan yang vital dalam pembakaran. Namun melangkah sejauh ini penulis di bidang enjiniring pembangkitan sering menemui dan mengkaji RCFA tentang pengaruh pasir terhadap agglomeration, abrasion, corrosion dan fluktuatif temperatur operasi boiler. Pada dasarnya pasir (bed sand) boiler CFB yang direkomendasikan adalah yang tahan terhadap temperatur tinggi pembakaran (operasi boiler CFB umumnya di rentang 850-900 ^oC), sehingga pasir harus memiliki melting point diatas itu. Penulis juga pernah melakukan uji beberapa karakteristik pasir menggunakan teknologi X-ray Diffraction (XRD) sebagai berikut:

Dari pengujian tersebut bisa diketahui bahwa komposisi dominan pasir adalah: silica (SiO₂) kemudian diikuti komposisi kecil seperti alumunium oxide (Al₂O₃), Fe₂O₃ dan CaO. Silica memiliki melting point yang cukup tinggi yaitu 1450 ^oC. sehingga ketika digunakan pada pembakaran di boiler CFB aman dari potensi agglomerasi. Parameter lain yang harus juga dilihat adalah size dan hardness pasir, dimana size disesuaikan dengan standar dari manual book umumnya yang pernah penulis temukan adalah 0-1 mm. Hardness inline dengan kadar silica dalam pasir, dimana jika terlalu tinggi maka pasir sangat keras dan bersifat abbrasive terhadap refractory dan tube boiler. Pada boiler CFB, size yang terlalu besar kurang bagus karena sulit untuk bubbling sehingga potensi high temperature pada bottom boiler bisa terjadi dan juga tidak bagus jika terlalu kecil karena akan mudah sekali terhembus udara dan menuju ke cyclone akibatnya akan high temperature pada upper boiler.

BACA JUGA: Macam-Macam Boiler PLTU

1. Defluidization & Sintering Induced Agglomeration, dipengaruhi karena terhambatnya proses fluidisasi di bed furnace bisa disebabkan karena water content pada fuel atau tekanan udara yang kurang. Hal ini mengakibatkan overheating pada spot bottom boiler sehingga tercapai melting point temperature bahkan diatas titik leleh fuel system misalnya saja potassium salt meleleh pada 754 ^oC [Basu, 2006]. Sintering adalah ikatan kimia sementara antara partikel yang disebabkan oleh difusi molekular pada interface partikel dan HANYA TERJADI ketika temperatur diatas temperatur penggumpalan mula bed partikel yang digunakan [Siegell, 1976].

2. Melt Induced Agglomeration, terjadi karena kandungan kimia pada fuel system mencapai melting point-nya sehingga terjadi penggumpalan pada bottom boiler. Basu (2006) pernah melakukan eksperimen sebagai berikut:

Produk dari reaksi silica + alkali berupa eutectic mixture of silicate memiliki melting point 874 ^oC, sehingga ketika boiler furnace dioperasikan pada max 900 ^oC memiliki potensi untuk agglomerasi ketika batubara memiliki kandungan alkali yang besar (K₂O dan Na₂O). Umumnya untuk umpan batubara kecil kemungkinan terjadi namun tidak untuk biomass.

Penulis pernah melakukan uji bottom ash menggunakan XRD sebagai berikut: [Feriyanto, 2020]

Analisa:

• Kandungan silica (SiO₂) adalah chemical utama pada pasir dan normal ada di bottom ash dengan %komposisi tersebut
• Al₂O₃ bisa berasal dari batubara + pasir, dengan tidak ada dampak penyebab agglomerasi pada pembakaran di furnace [Mettanant et al, 2009].

• NaAlSi₂O₆ adalah senyawa kompleks yang merupakan gabungan antara Na + Al + 2 SiO₂ + O₂ . Ketika semua unsur bereaksi yaitu silica (SiO₂) + alkali (Na/K) maka akan terbentuk eutectic mixture of silicate (NaSiO₂) dan berdasarkan uji XRD ini terjadi di sampel tersebut. Tipe agglomerasi yang terbentuk adalah "melt-induced" yang terjadi pada temperatur tinggi >874 ^oC [Mettanant et al, 2009].

Rekomendasi:

• Menambahkan serbuk batu kapur (CaCO₃) atau dolomit (CaO-MgO) pada proses pembakaran di furnace boiler. Ini berfungsi sebagai penghambat terbentuknya agglomerasi [Mettanant et al, 2009].

• Mengatur pola operasi dengan menjaga temperatur bed furnace <874 ^oC (berdasarkan hasil uji XRD bottom ash boiler). Hal ini karena alkali silicate (Na/K + SiO₂) memiliki titik leleh yang rendah yaitu NaSiO₂ pada 874 ^oC dan KSiO₂ pada 754 ^oC [Basu, 2006].
• Untuk kejadian ini dimungkinkan terjadi melt-induced agglomeration karena ditemukan senyawa eutectic mixture of silicate (NaSiO₂) pada bottom ash

Kutip Artikel ini Sebagai Referensi (Citation):

Feriyanto, Y.E. (2020). Karakteristik Pasir (Bed Sand Material) dan Agglomeration pada Boiler CFB, Best Practice Experience in Power Plant. www.caesarvery.com. Surabaya

Referensi:

[1] Feriyanto, Y.E. (2020). Uji Laboratoium Bottom Ash Using XRD, Best Practice Experience in Power Plant. Surabaya

[2] Feriyanto, Y.E. (2020). Certificate of Analysis (CoA) Batubara Uji laboratorium, Best Practice Experience in Power Plant. Surabaya

[3] Mettanant, V., Basu, P., and Butler, J. (2009). Agglomeration of Biomass Fired Fluidized Bed Gasifier and Combustor. J. of Chem. Eng, Vol. 87

Ingin Konsultasi dengan Tim Website, Silakan Hubungi DISINI

• Hydrazine (N₂H₂), tidak pernah digunakan pada tipe boiler supercritical/ultra-supercritical [Dooley et al, 2010]
• Formic acid/Asam semut (CH₂O₂)
• Acetic acid/Asam cuka/Asam etanoat (CH₃COOH)
• Chloride high volatile (as hydrochloric acid-HCl), minor volatile (as ammonium chloride-(NH₄Cl) dan low volatile (as sodium chloride-NaCl)
• Sodium hydroxide (NaOH)
• Phosporic acid (H₃PO₄)
• Ammonia (NH₃)
• Amine (-NH₂)

• Trisodium phospate (Na₃PO₄)

• Reducing All-Volatile (AVT-R), adalah penggunaan reducing agent dengan nilai electrochemical potential negatif (sangat rendah). Contoh bahan kimia AVT-R adalah hydrazine dan ammonia untuk menaikkan pH, dimana Oxidation-Reduction Potential (ORP) bernilai dalam range -300 s/d -350 mV [electrode : Ag/AgCl/sat, KCl) dan range dijaga pada nilai tersebut dengan tujuan untuk melindungi mixed metallurgy tube boiler terutama copper (Cu) alloy agar tidak terjadi copper transport. Penggunaan AVT pada feedwater dijaga pada pH antara 8.8-9.8 dan terbagi menjadi 2 kategori yaitu: (i) low level AVT, pH antara 8.8-9.3 (khusus Cu alloy) dan high-level AVT, pH antara 9.2-9.8 [Dooley et al, 2010]

• Oxidizing All-Volatile (AVT-O), peniadaan reducing agent sehingga nilai electrochemical potential positif (sangat tinggi) dengan sistem oxygen scavenger hanya memanfaatkan mechanical deaerator tanpa chemical dan penggunaan chemical hanya ammonia untuk menaikkan pH sehingga ORP bernilai 0 mV atau bernilai positif. Rekomendasi yang umum diberikan sebaiknya tidak menggunakan AVT (O) pada material boiler dan condenser yang terdapat bahan copper (Cu).
• Oxygenated Treatment (OT), penggunaan oxidizing agent (ex: hydrogen peroxide, oxygen) dan ammonia untuk menaikkan pH, dimana ORP bernilai +100 s/d +150 mV. OT sebenarnya difokuskan untuk mengurangi single-phase FAC (Flow Accelerated Corrosion) dan meminimalisir perpindahan iron dari feedwater.

• All-ferrous material: AVT-O dan OT
• All-ferrous & mixed metallurgy: AVT-R

• Total Carryover (TC)

• Conductivity
• Silica
• Iron
• Copper (Cu) dan Nickel (Ni)
• pH

• Amine
• Hydrazine
• Total Solid
• Ammonia
• Sodium

Ultrasonic Testing (UT) adalah salah satu teknik uji Non-Destructive Testing (NDT) yang memanfaatkan gelombang suara jenis ultrasonik. Terdapat 3 jenis gelombang yang kita kenal yaitu infrasonic (frekuensi <20 Hz), audiosonic (frekuensi 20-20.000 Hz) dan ultrasonic (frekuensi >20.000 Hz). Berdasarkan referensi EPRI Guidelines, UT NDT memanfaatkan frekuensi antara 0.5 MHz-50 MHz. Di lingkup teknik, khususnya di peralatan pembangkit listrik, teknologi ini banyak dimanfaatkan untuk identifikasi thickness, cacat (flaw), dimensi, diskontinuitas, flow dan size Macam-macam uji yang memanfaatkan UT sebagai berikut:

• UT Portable Flowmeter
• UT Thickness Gauge
• UT Hardness Gauge
• UT Flaw Detector Phased Array

• Getaran adalah gerakan maju-mundur
• Getaran adalah energi yang bergerak
• Setiap benda yang bergetar akan kembali ke bentuk semula dan jika digambarkan sebagai berikut:

Beberapa istilah yang sering dipakai berdasarkan gambar tersebut:

• Menghilangkan udara dari kedua permukaan karena udara adalah penghantar gelombang yang buruk
• Menghaluskan ketidakteraturan permukaan (roughness) pada spesimen
• Membantu pergerakan transducer sepanjang permukaan spesimen pada teknik contact testing

Terdapat 2 Teknik UT Testing:

1. Pengujian Kontak (Contact Testing)
2. Pengujian Terendam (Immersion Testing)

Couplant harus mudah dibersihkan dan diaplikasikan setipis mungkin karena jika tebal akan menyebabkan terjadinya penyimpangan arah berkas gelombang suara. Seperti profil berikut:

Berdasarkan profil tersebut bisa terlihat ketika penggunaan couplant berlebihan/terlalu tebal maka akan membuat gelombang ultrasonic menyebar dan tidak fokus sehingga membuat bias pembacaan.

Terdapat hubungan antara kecepatan rambat (V), panjang gelombang (λ) dan frekuensi (f) ---> 

V = λ/f. Kecepatan rambat gelombang selalu tetap namun panjang gelombang dan frekuensi bisa diubah-ubah, misalnya menginginkan panjang gelombang (λ) pendek maka frekuensi harus diperbesar sehingga yang berperan dalam UT testing untuk parameter yang bisa disetting adalah frekuensi.

• Semakin TINGGI FREKUENSI transducer, semakin KECIL penyebaran berkas suaranya dan semakin BESAR SENSITIFITAS (kemampuan untuk mendeteksi diskontinuitas berukuran kecil) dan RESOLUSI (kemampuan memisahkan pantulan suara dari 2 buah diskontinuitas yang jaraknya berdekatan)
• Semakin RENDAH FREKUENSI, semakin DALAM PENETRASI ENERGI SUARA karena semakin sedikit hamburannya

Profil peak yang dihasilkan seperti ilustrasi berikut:

Pada UT phased array terdapat macam-macam tampilan data dan dikenal dengan istilah A-scan, B-scan, C-scan dan S-scan, berikut detailnya:

• A-Scan, Tampilan ini berbentuk peak-peak ketika terdapat cacat/diskontinuitas yang ter-scan oleh UT setelah dibandingkan dengan referensi non-cacat. Sumbu-X adalah jarak seiring waktu dan sumbu-Y adalah sinyal amplitudo

• B-Scan, Tampilan berupa batang yang menunjukkan ada perbedaan struktur permukaan yang dilewati UT dengan tampilan pandangan penampang melintang. Sumbu-X adalah lokasi dan sumbu-Y adalah waktu.

Terdapat 2 macam B-Scan yaitu single value dan cross sectional.

Ketika tampilan A-Scan dan B-Scan digabungkan akan tampil sebagai berikut:

BACA JUGA: Magnetic Particle Testing Teknik NDE

• C-Scan, Tampilan pandangan atas yang mirip dengan scan sinar-X. C-Scan memperlihatkan bentuk dan letak diskontinuitas namun tidak menunjukkan kedalaman

• S-Scan

Permasalahan yang umum di UT testing adalah "DEAD ZONE" area dimana diskontinuitas yang letaknya didekat permukaan uji (tepat dibawah probe/transducer) tertutupi oleh pulse awal. Indikasi pada alat UT testing seperti peak berikut:

Berikut contoh uji menggunakan UT phased array pada pipe:

• Preparation, Menyiapakan peralatan UT phased array

• Cleaning, Membersihkan area yang akan diuji agar pengotor yang menutupi permukaan hilang dan transducer/probe UT tidak terganggu pembacaannya

• Application, Scanning UT phased array mengelilingi area yang diuji

• Monitoring, Mengendalikan dengan software, melakukan analisa dan recording

Secara umum prinsip kerja UT phased array sebagai berikut:

Kutip Artikel ini sebagai Referensi (Citation):

Feriyanto, Y.E. (2021). Ultrasonic Testing (UT) Teknik NDT (Non-Destructive Testing), Best Practice Experience in Power Plant. www.caesarvery.com. Surabaya

Referensi:

[1] EPRI. Guidelines for the Non-Destructive Examination of Boiler

[2] Feriyanto, Y.E. Training & Sertifikasi UT NDT Level 2. Surabaya

Ingin Konsultasi dengan Tim Website, Silakan Hubungi DISINI