Pengaruh Kandungan Air pada Proses Pembriketan Binderless Batubara Peringkat Rendah Indonesia

Transkripsi

1 Pengaruh Kandungan Air pada Proses Pembriketan Binderless Batubara Peringkat Rendah Indonesia Toto Hardianto*, Adrian Irhamna, Pandji Prawisudha, Aryadi Suwono Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara, Institut Teknologi Bandung, Indonesia Jalan Ganesa, Bandung, Indonesia Laboratorium Termodinamika ITB telah mengembangkan Coal Upgrading Technology (CUT) untuk meningkatkan kualitas batubara peringkat rendah. Proses CUT tersebut menghasilkan batubara serbuk dengan nilai kalor yang tinggi. Untuk meningkatkan kemampuan penyimpanan dan transportasi dari produk CUT, diperlukan proses pembriketan. Proses pembriketan pada temperatur lingkungan tanpa tambahan zat pengikat (binderless) dipilih pada teknologi ini. Dalam rangkaian penelitian CUT ini sebelumnya, ditengarai bahwa kandungan air dalam batubara memiliki kontribusi terhadap kekuatan briket hasil pembriketan binderless. Briket dengan kandungan air awal 2%, memiliki kekuatan yang lebih baik dibandingkan dengan yang berkandungan awal %. Namun demikian, parameter kandungan air belum dilakukan secara rinci. Oleh karena itu, pada penelitian saat ini, kajian mendalam dilakukan untuk mengetahui pengaruh kandungan air terhadap kekuatan briket. Penelitian tentang pengaruh kandungan air pada proses pembriketan binderless ini dilakukan dengan memvariasikan kandungan air selama proses pembriketan dan menjaga tetap besaran parameter-parameter lainnya, yaitu temperatur dan tekanan pembriketan, serta ukuran partikel. Briket yang terbentuk kemudian diuji kekuatannya melalui uji drop test. Dari penelitian ini didapatkan bahwa untuk menghasilkan briket dengan nilai Drop Shutter Index (DSI) yang tinggi, kombinasi minimal antara kandungan air dan tekanan pembriketan terjadi pada, tekanan pembriketan bar dan kandungan air 2% atau, tekanan pembriketan 125 bar dan kandungan air %. Kata kunci: Coal Upgrading Technology, pembriketan binderless, kandungan air, drop test. Pendahuluan Di Indonesia, sekitar 8% batubara yang dieksploitasi dimanfaatkan sebagai bahan bakar utama dalam proses pembangkitan listrik. Data terbaru menunjukkan bahwa 78 juta ton batubara dibutuhkan setiap tahunnya untuk keperluan pembangkitan listrik [1]. Namun demikian, secara umum hanya batubara peringkat menengah dan tinggi yang dapat langsung digunakan dalam proses pembangkitan listrik di PLTU. Batubara peringkat rendah tidak cocok bila dibakar di tungku konvensional yang dipunyai mayoritas PLTU Indonesia. Selain nilai kalornya yang rendah, sifatnya yang basah dan mudah terbakar menjadi penyebab batubara peringkat rendah butuh peralatan khusus jika ingin digunakan pada tungku pembakaran konvensional [2]. Oleh karena itu, walaupun berjumlah banyak (sekitar -% dari populasi total batubara Indonesia [3]), pemasaran batubara peringkat rendah tidak sebagus peringkat menengah maupun tinggi.

2 Dalam rangka peningkatan kualitas batubara peringkat rendah agar dapat digunakan pada tungku konvensional, Laboratorium Termodinamika - Pusat Rekayasa Industri - ITB secara kontinu mengembangkan teknologi peningkatan kualitas batubara berperingkat rendah melalui Coal Upgrading Technology (CUT) [4,5]. Dalam proses CUT tersebut, batubara peringkat rendah dijadikan serbuk dan dikeringkan menggunakan uap super-panas, sehingga kandungan airnya menurun drastis, nilai kalornya menjadi tinggi dan tingkat reabsorptivitas airnya rendah [4]. Serbuk hasil proses CUT ini dapat dibakar langsung dalam tungku pembangkit. Dalam banyak hal dan keperluan, batubara hasil CUT tidak langsung digunakan mengingat bahwa proses CUT idealnya dilakukan di mulut tambang yang membutuhkan langkah penyimpanan (storage) dan transportasi ke pihak pemakai sebelum akhirnya dibakar. Dalam rangka menjaga kualitas produk CUT selama proses penyimpanan dan transportasi tersebut, diperlukan proses kompaksi dan aglomerasi yang disebut juga dengan proses pembriketan. Pada umumnya, ada dua alternatif cara pembriketan, yaitu pembriketan dengan menggunakan tambahan zat pengikat (binder) dan pembriketan tanpa tambahan zat pengikat (binderless) yang biasa disebut sebagai binderless briquetting [6]. Prinsip dari metode binderless briquetting ini adalah memanfaatkan potensi perekat yang berasal dari komponen material utama itu sendiri. Dalam hal batubara, metode pembriketan dengan menggunakan tambahan zat pengikat cenderung ditinggalkan karena harganya yang mahal dan adanya potensi perubahan sifat atau kualitas batubara akibat adanya material tambahan tersebut. Penelitian tentang pembriketan binderless temperatur rendah pada batubara muda Indonesia yang dilakukan oleh team ini sebelumnya [7], menunjukkan bahwa briket batubara dengan kandungan air 2% memiliki kekuatan DSI yang lebih baik dibandingkan dengan yang berkandungan air %. Hal tersebut menunjukkan bahwa kandungan air memiliki peranan penting dalam proses pembriketan binderless batubara peringkat rendah ini. Namun demikian, dalam penelitian tersebut, masih terdapat parameter-parameter lain yang terlibat selain kandungan-airnya. Oleh karena itu, untuk mengetahui kontribusi lebih jauh dari kandungan air pada proses pembriketan binderless, maka penelitian kali ini difokuskan pada investigasi efek kandungan air dalam proses pembriketan binderless dengan cara membuat parameter lainnya tetap konstan. Metode penelitian Pada hakekatnya, prosedur tahapan penelitian kali ini mirip dengan yang dilakukan pada referensi [7], yaitu dengan memilih batubara peringkat rendah yang akan digunakan, proses pembriketan dengan piston hidrolik, serta pengujian kekuatan briket dengan uji drop test. Hanya saja, penelitian ini difokuskan pada investigasi pengaruh kandungan air pada pembriketan binderless peringkat rendah. Penelitian kali ini dilakukan pada batubara A yang telah diuji dengan standar yang sama dengan referensi [7], yang memiliki analisis proksimat seperti ditunjukkan melalui Tabel 1. Tabel 1: Analisis proksimat batubara A Karbon Zat Tetap Volatil (%, adb) (%, adb) Kandung an Air (%, ar) Abu (%, adb) Batubara A dipilih karena memiliki kandungan air yang lebih banyak dibandingkan dengan batubara X dan batubara Y yang digunakan pada [7] agar

3 Drop Shatter Index (%) Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) dapat memberikan variasi kandungan air yang lebih banyak. Batubara yang digunakan hanya satu macam untuk menjaga agar komponen proksimat lain seperti Karbon Tetap, Zat Volatil dan Abu pada kondisi yang tetap. Setelah diinvestigasi komposisi proksimatnya, batubara A kemudian digerus menggunakan blender lalu diayak. Hasil ayakan tersebut dibagi dalam 5 ukuran partikel yang berbeda seperti pada [7]. Namun demikian, pada penelitian ini, hanya akan dipilih satu jenis ukuran partikel saja. Hal ini dilakukan agar pengaruh distribusi ukuran partikel yang juga merupakan salah satu parameter pembriketan batubara dapat diminimalisir. Batubara A dengan ukuran partikel μm dipilih karena memiliki jumlah terbanyak dibandingkan ukuran partikel lainnya. Serbuk batubara A tersebut kemudian dikeringkan untuk mencapai variasi kandungan air: (kering), 5%, %, 15%, 2%, 25%, dan %. Setelah mencapai kandungan air yang diinginkan, sebanyak 2 gram serbuk batubara A dimasukkan ke dalam silinder dies untuk dilakukan proses kompaksi oleh piston hidrolik, sebagaimana secara skematik ditunjukkan melalui Gambar 1. Proses kompaksi dilakukan pada tekanan 25 bar, 5 bar, 75 bar, bar, 125 bar, dan 25 bar. Pada penelitian ini, proses pembriketan dilakukan pada temperatur kamar untuk menjaga agar tar yang terdapat dalam batubara A tidak aktif. Setelah terbentuk, briket kemudian diuji kekuatannya melalui uji drop test. Hasil Pengujian dan Analisis Berbagai macam briket batubara A dengan variasi kandungan air dan tekanan pembriketan telah dilakukan. Analisis pertama dilakukan pada briket batubara A tanpa kandungan air (%) seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2. Keterangan: 1. Alat ukur tekanan 2. Sistem piston hidrolik 3. Silinder penekan 4. Silinder dies 5. Briket 6. Pemanas elektrik (tidak difungsikan) 7. Termokopel 8. Termokontroler Gambar 1: Skema peralatan briket % Gambar 2: DSI briket batubara A kering (kandungan air %) Gambar 2 menunjukkan kekuatan briket hasil kompaksi pada temperatur ruangan dan tanpa adanya air antar partikelnya. Pada keadaan ini, proses ikatan yang terjadi dalam briket adalah murni karena mekanisme kunci (mechanical interlocking) yang terjadi antar partikel batubara. Tidak adanya air antar partikel dan tidak terjadinya pelunakan tar (karena tanpa pemanasan) mengakibatkan hanya partikel-partikel batubara yang tersusun pada bentuk dan konfigurasi tertentu yang kemudian membentuk mekanisme kunci untuk saling mengikat antar partikel. 6 T 7 8

4 Drop Shatter Index (%) Drop Shatter Index (%) Drop Shatter Index (%) Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Mekanisme kunci ini sangat bergantung pada besarnya tekanan yang diberikan selama proses kompaksi. Dari Gambar 2 terlihat bahwa secara umum, semakin besar tekanan pembriketan, akan menghasilkan briket yang lebih kuat. Peningkatan kekuatan secara signifikan terjadi antara tekanan pembriketan bar dan 125 bar. Namun demikian, kekuatan maksimum yang mampu dicapai oleh briket dengan kandungan air kering ini tidak lebih dari 85% DSI. Hal ini menunjukkan bahwa sangat sulit melakukan pembriketan hanya dengan mengandalkan mekanisme kunci antar partikel saja. Kekuatan briket batubara A (dalam DSI) dengan kandungan air % selanjutnya dibandingkan dengan kekuatan briket batubara dengan variasi kandungan air tertentu yaitu %, 2%, dan %, seperti yang ditampilkan melalui Gambar 3, Gambar 4, dan Gambar 5 berturut-turut % % Gambar 3: Kekuatan briket (dalam DSI) pada kandungan air % dan % (kering) Dari ketiga gambar di atas, secara umum dapat dilihat bahwa adanya kandungan air dalam briket dapat menghasilkan tambahan kekuatan pada briket. Hal ini ditandai dengan bergesernya grafik DSI ke atas untuk grafik DSI briket batubara dengan kandungan air dari grafik DSI briket batubara tanpa adanya kandungan air. Pada briket batubara dengan kandungan air ini, tidak hanya mekanisme kunci saja yang terjadi, melainkan juga air yang terdapat di dalam briket batubara tersebut mampu mengisi celah antar partikel batubara dan berperan sebagai jembatan (bridging) yang menghubungkan antar partikel. Bukan hanya menghubungkan, jembatan ini juga mampu mengikat partikel batubara melalui pemanfaatan sifat tegangan permukaan yang dimiliki air dalam rongga-rongga kapiler yang tersebar di dalam briket Gambar 4: Kekuatan briket (dalam DSI) pada kandungan air 2% dan % (kering) % % % % Gambar 5: Kekuatan briket (dalam DSI) pada kandungan air % dan % (kering)

5 Besar kemungkinan, adanya mekanisme jembatan antara air dan batubara inilah yang menyebabkan bertambahnya kekuatan briket. Namun demikian, efek yang diberikan air di dalam briket ini berbeda-beda pada kondisi tekanan yang berbeda. Dari Gambar 3, Gambar 4, dan Gambar 5 di atas, secara umum dapat dilihat bahwa adanya kandungan air dalam briket dapat menghasilkan tambahan kekuatan pada briket. Hal ini ditandai dengan bergesernya grafik DSI ke atas untuk grafik DSI briket batubara dengan kandungan air dari grafik DSI briket batubara tanpa adanya kandungan air. Pada briket batubara dengan kandungan air ini, tidak hanya mekanisme kunci saja yang terjadi, melainkan juga air yang terdapat di dalam briket batubara tersebut mampu mengisi celah antar partikel batubara dan berperan sebagai jembatan (bridging) yang menghubungkan antar partikel. Bukan hanya menghubungkan, jembatan ini juga mampu mengikat partikel batubara melalui pemanfaatan sifat tegangan permukaan yang dimiliki air dalam rongga-rongga kapiler yang tersebar di dalam briket. Besar kemungkinan, adanya mekanisme jembatan antara air dan batubara inilah yang menyebabkan bertambahnya kekuatan briket. Namun demikian, efek yang diberikan air di dalam briket ini berbeda-beda pada kondisi tekanan yang berbeda. Gambar 4 dan Gambar 5, di mana briket batubara secara berturut-turut memiliki kandungan air 2% dan %, menunjukkan kemiripan karakteristik grafik perbandingan DSI. Adanya kandungan air ini menyebabkan kenaikan grafik DSI untuk briket batubara A dengan kandungan air 2% dan %. Peningkatan DSI sudah terjadi mulai dari tekanan pembriketan rendah (25 bar), yaitu sebesar -% DSI. Pada tekanan yang lebih tinggi (5 bar), peningkatan DSI terjadi lebih besar, yaitu sekitar 5-6% DSI. Pada tekanan pembriketan bar, peningkatan nilai DSI terjadi secara signifikan hingga di atas 7%. Pada tekanan pembriketan bar tersebut, DSI briket batubara dengan kandungan air 2% dan % mampu mencapai nilai DSI lebih dari 85%. Pada kondisi ini, terlihat bahwa kontribusi kandungan air dalam proses pengikatan lebih dominan dibandingkan dengan mekanisme kunci. Fenomena ini diduga disebabkan mekanisme jembatan oleh air yang menghubungkan antar partikel batubara terjadi secara besar-besaran sehingga menyebabkan bertambahnya nilai DSI secara signifikan. Pada hakekatnya, pembentukan jembatan antar partikel oleh air ini sangat bergantung dari jarak antar partikel batubara, yang harus berukuran sangat kecil sehingga dapat dianggap sebagai kondisi kapiler untuk dapat membentuk jembatan oleh air. Dalam hal briket, jarak antar partikel ini disebut juga sebagai porositas briket. Kenaikan tekanan pembriketan dari 5 bar ke bar diduga menyebabkan berkurangnya porositas briket secara signifikan dan membuat semakin banyaknya rongga kapiler yang terbentuk di dalam briket. Rongga kapiler yang terbentuk ini kemudian terisi oleh air sehingga membentuk jembatan antar partikel batubara dan berakibat mampu menaikkan kekuatan briket secara signifikan. Pada tekanan pembriketan yang lebih tinggi lagi, yaitu 125 bar dan 25 bar, briket batubara A dengan kandungan air 2% dan % menunjukkan nilai DSI yang tinggi, di atas 9%. Pada kondisi ini, pengaruh mekanisme jembatan dan mekanisme kunci sebagai pengikat adalah sama kuatnya. Sementara itu, Gambar 3 menunjukkan perbandingan grafik DSI briket batubara A dengan kandungan air %. Pada grafik ini terlihat bahwa terjadi kenaikan nilai DSI dari briket tanpa kandungan air ke briket dengan kandungan air %. Namun demikian terdapat beberapa perbedaan

6 Drop Shatter Index (%) Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) yang cukup menarik dari grafik ini. Pada tekanan pembriketan 25 bar, tidak terjadi kenaikan DSI yang berarti bahkan nilai DSI hampir sama dengan briket batubara tanpa adanya kandungan air. Terbatasnya kandungan air yang tersebar dalam briket menyebabkan air hanya terdapat di rongga-rongga dalam partikel batubara. Ditambah lagi, rendahnya tekanan yang diberikan menyebabkan air yang tersimpan di rongga dalam partikel batubara tidak keluar ke permukaan untuk mengisi ruang antar partikel batubara. Ketika tekanan pembriketan dinaikkan menjadi 5 bar, air dalam rongga di dalam partikel pun tertekan hingga pada akhirnya keluar ke permukaan untuk mengisi rongga antar partikel. Oleh karena itu, kenaikan DSI briket batubara A dengan kandungan air % baru terjadi pada tekanan ini, sebesar 2% DSI. Pada tekanan pembriketan bar, terjadi peningkatan DSI sebesar %. Nilai ini lebih kecil dibandingkan dengan kenaikan DSI yang terjadi pada briket dengan kandungan air 2% dan % (Gambar 4 dan Gambar 5), yaitu sebesar 7% DSI. Terbatasnya jumlah kandungan air menjadi salah satu alasan yang kuat atas perbedaan ini. Meskipun pada tekanan ini tersedia banyak rongga kapiler di dalam briket, namun terbatasnya kandungan air menyebabkan terbatasnya pula mekanisme jembatan yang terbentuk antar partikel. Pada tekanan pembriketan yang lebih tinggi, 125 dan 25 bar, DSI briket batubara dengan kandungan air % mampu mencapai 9%. Hal ini diduga disebabkan oleh adanya kontribusi mekanisme kunci yang lebih dominan. Setelah dianalisis berdasarkan variasi tekanan pembriketannya, analisis kekuatan briket berdasarkan variasi kandungan air pun dilakukan. Data hasil pengujian yang ditunjukkan oleh Gambar 3, Gambar 4, dan Gambar 5 disajikan kembali dalam bentuk grafik kekuatan briket terhadap kandungan air pada tekanan pembriketan yang berbeda beda sebagaimana ditunjukkan melalui Gambar Kandungan air (%) 25 bar 125 bar bar 5 bar 25 bar Gambar 6: Kekuatan briket terhadap kandungan air pada variasi tekanan pembriketan Gambar 6 menunjukkan bahwa dalam berbagai harga tekanan pembriketan, kandungan air yang semakin tinggi akan berkontribusi meningkatkan kekuatan briket. Pada tekanan pembriketan dan 5 bar, peningkatan DSI terjadi secara signifikan terhadap kandungan air % (kering) hingga kandungan air 2%. Namun demikian, efek signifikan kandungan air terhadap kenaikan DSI hanya sampai dengan kandungan air 2% saja. Pada briket dengan kandungan air %, kenaikan DSI tidak lagi signifikan untuk semua kondisi tekanan pembriketan. Pada kondisi ini, kandungan air di dalam briket sudah mencapai kondisi saturasinya, sehingga untuk briket yang diproduksi dengan tekanan dan kandungan air tinggi, 2% atau %, briket tersebut justru akan melepaskan sebagian air nya. Dari Gambar 6 tersebut juga dapat dilihat bahwa untuk mendapatkan nilai DSI yang tinggi, proses pembriketan memerlukan kombinasi minimum antara kandungan air dan tekanan pembriketan. Hal ini juga menegaskan dugaan sebelumnya yang menyatakan bahwa kandungan air memerlukan rongga kapiler untuk

7 membentuk jembatan antar partikelnya, sedangkan jumlah rongga kapiler antar partikel batubara tersebut merupakan fungsi dari tekanan pembriketan. Kesimpulan 1. Dalam hal pembriketan batubara peringkat rendah yang dilakukan pada temperature lingkungan dengan mengandalkan pemanfaatan kandungan airnya, terdapat dua parameter penting yang berkontribusi, yaitu: a. Jumlah kandungan air b. Besarnya tekanan pembriketan 2. Berdasarkan analisis hasil percobaan yang dirangkum dan ditunjukkan melalui Gambar 6, maka untuk menghasilkan briket dengan nilai DSI yang tinggi diperlukan kombinasi harga minimal antara kandungan air dan tekanan pembriketan, yaitu: a. tekanan pembriketan minimal bar memerlukan kandungan air minimal 2% atau, b. Tekanan pembriketan minimal 125 bar memerlukan kandungan air minimal %. Referensi [1] Kementrian Energi dan Sumber Daya Mineral. Keputusan Menteri Energi dan Sumber Daya Mineral Nomor 291 K//MEM/213 tentang Penetapan Kebutuhan dan Persentase Minimal Penjualan Batubara untuk Kepentingan Dalam Negeri Tahun 214, Indonesia, 213. [2] Central Research Institute of Electric Power Industry. Improvement of Pulverized Coal Combustion Technology for Power Generation. Yokosuka Research Laboratory. Kanagawa, Japan, 22. [3] Kementrian Energi dan Sumber Daya Mineral (ESDM), Peta Sebaran Lokasi Batubara Indonesia, Pusat Sumber Daya Geologi, 29. [4] T. Hardianto, A. Jauhary, P. Prawisudha, A. Suwono, Development of Seven Ton per Hour Coal Upgrading Pilot Plant Based on CUT Process, Preprints of International Conference on Fluid and Thermal Energy Conversion 26, Jakarta, Indonesia, December 14, 26 [5] T. Hardianto, A. Suwono, W. Ardiansyah, N.P. Tandian, W. Lawrence. Analisis Tentang Temperatur Pengeringan Untuk Mendapatkan Hasil Terbaik Dalam Proses Coal Upgrading Technology (CUT), Proceeding pada Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XI (SNTTM XI) & Thermofluid IV, Yogyakarta, Oktober 212. [6] Komarek, R.K., Binderless Briquetting of Peat, Lignite, Subbitunimous and Bitunimous Coal in Roll Press, Komarek Co. Technical Paper. [7] A.R. Irhamna, P. Prawisudha, T. Hardianto, A. Suwono, Proses Pembriketan Binderless Temperatur Rendah pada Batubara Muda Indonesia, Proceeding pada Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIII (SNTTM XIII), Depok, Oktober 214.