UJICOBA PEMBAKARAN LIMBAH BATUBARA DENGAN PEMBAKAR SIKLON

Transkripsi

1 UJICOBA PEMBAKARAN LIMBAH BATUBARA DENGAN PEMBAKAR SIKLON Stefano Munir, Ikin Sodikin, Waluyo Sukamto, Fahmi Sulistiohadi, Tatang Koswara Engkos Kosasih, Tati Hernawati LATAR BELAKANG Provinsi Kalimantan Timur (Kaltim) merupakan salah satu provinsi penghasil batubara utama di Indonesia yaitu sekitar 57 % dari produksi batubara nasional setelah provinsi Kalimantan Selatan (Kalsel) sekitar 36 % dan provinsi Sumatera Selatan (Sumsel) sekitar 6 %. Pada dasarnya, kegiatan operasi penambangan batubara menghasilkan 3 (tiga) produk yaitu batubara yang dapat dijual (saleable coal), limbah batubara (sludge) dan air buangan akhir tambang (effluent). Produksi limbah batubara, terutama dari tipe slurry (SL)(residu proses pencucian batubara di unit pencucian = washing plant), tipe dirty coal (DC) dan coal fines (CF)(residu proses penambangan batubara) dianggap sebagai kehilangan di tambang, diasumsikan sekitar 20 % dari produksi batubara provinsi Kaltim per tahun, misalnya pada tahun 2007 tercatat sekitar 110 juta ton, maka banyaknya produksi limbah batubara juga mencapai jutaan ton per tahun. Karena itu, potensi sumber daya limbah batubara ini sebagai residu (by-product) industri pertambangan batubara yang terkumpul dan tertampung pada sistem penampungannya (sludge disposal system) semakin banyak secara kumulatif sesuai dengan umur operasi tambang dengan kondisi luas lahan tanah untuk itu yang semakin terbatas pula harus dikelola dengan benar dalam rangka memitigasi dampak potensi pencemaran lingkungan, terutama untuk mencegah timbulnya aliran larian partikelpartikel batubara halus (coal fines run off) yang terbawa ketika hujan atau adanya air buangan akhir (effluent) yang mengalir ke sistem aliran S. Mahakam. Selama ini, limbah batubara masih dianggap sebagai batubara yang tidak dapat dipasarkan, maka potensi sumber daya limbah batubara tersebut perlu dikarakterisasi kualitas maupun kinerja pembakarannya supaya diperoleh informasi dan data untuk dimanfaatkan sebagai sumber energi baik untuk bahan baku teknologi pembriketan batubara maupun untuk teknologi co-firing batubara dengan biomassa pada industri pengguna boiler (PLTU maupun industri) yang dapat memitigasi perubahan iklim sebagai akibat dari dampak emisi gas rumah kaca (GRK) CO 2 yang menimbulkan fenomena pemanasan global. 1

2 TUJUAN PENELITIAN Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengklarifikasi karakteristik limbah batubara dan karakteristik kinerja pembakarannya dengan pembakar siklon sehingga status potensi sumber daya limbah batubara dapat ditingkatkan dari batubara yang tidak dapat dipasarkan (non-marketable coal) menjadi batubara yang dapat dipasarkan (marketable coal) dalam rangka pengembangan sumber energi alternatif asalkan ada kebijaksanaan regional maupun nasional tentang izin pengelolaannya secara komersial. METODOLOGI Program ujicoba dirancang sedemikian rupa sehingga dapat meliputi semua parameter yang terlibat dalam sistem pembakaran limbah batubara dengan pembakaran siklon yaitu sebagai berikut : Karakterisasi sejak dari tahap pengambilan contoh limbah batubara di lapangan sampai tahap penyiapan bahan uji limbah batubara untuk dianalisa di laboratorium dan diujicoba pembakarannya di Sentra Teknologi Pemanfaatan Batubara. Penentuan karakteristik limbah batubara melalui analisa proksimat, analisa ultimat, nilai kalori, berat jenis dan analisa ayak hanya untuk tipe slurry. Penentuan karakteristik pembakaran limbah batubara melalui pengujian titik nyala (ignition point) dan titik pijar (glow point) Melaksanakan program ujicoba pembakaran limbah batubara dengan pembakar siklon dalam rangka penentuan kinerja pembakarannya. Evaluasi dan analisis data percobaan untuk penentuan kinerja pembakaran dari setiap contoh limbah yang diujicoba dengan pembakar siklon. HASIL DAN PEMBAHASAN Untuk keperluan selama penelitian, ada 4 (empat) contoh limbah batubara yang diambil dari beberapa tambang batubara yang dipilih dapat mewakili provinsi Kaltim yaitu PT. Multi Harapan Utama (MHU), PT. Tanito Harum (TH), PT. Bukit Baiduri Energi (BBE), dan PT. Fajar Bumi Sakti (FBS) yang lokasi keempat perusahaan tambang terletak di sepanjang S. Mahakam di Kabupaten Kutai Kartanegara. Dari keempat tambang batubara ini, karakteristik contoh limbah batubara tipe SL-FBS saja ditentukan 2

3 sedangkan kinerja pembakarannya dengan pembakar siklon tidak ditentukan tetapi dapat dibandingkan dengan limbah batubara SL-TH karena lokasi FBS diseberang S. Mahakam dari lokasi TH. Karakteristik contoh limbah batubara ini ditentukan oleh analisa proksimat {air lembab bawaan (Inherent Moisture = IM), abu (Ash = A), zat-terbang (Volatile Matter = VM), dan karbon tertambat (Fixed Carbon =FC)} dalam kaitannya dengan fuel ratio = FC/VM dan volatile ratio = {VM/(VM + FC)} dan analisa ultimat (C,H,O,N,S) serta pengujian nilai kalori, berat jenis, dan analisa ayak hanya untuk SL. Kadar pengotor (IM dan A) dari setiap tipe limbah batubara mempengaruhi nilai kalori dan umumnya menurunkan nilai kalori dengan menurunnya fuel ratio dan naiknya volatile ratio. Semua contoh limbah batubara, terutama SL, sebagai bahan karbonan (carbonaceous materials) dengan kadar C yang cukup tinggi dari 22 sampai 51 % dan kadar pengotornya (seperti % M dan % A) juga tinggi, katakan di atas 10 %, dengan kadar VM di atas 15 % dan fuel ratio di atas 1, kecuali contoh SL-MHU dengan fuel ratio di bawah 1 atau 0,51 dapat memberikan nilai kalori rata-rata yang terletak dalam kisaran sampai kcal/kg sebagai rujukan batubara kualitas rendah (low grade coal). Sedangkan karakteristik pembakaran limbah batubara ditentukan oleh parameter suhu titik nyala analisa thermogravimetry (TGA) dan suhu titik pijar dengan silica tube furnace. Kinerja pembakarannya ditentukan melalui pengukuran suhu maksimum yang dicapai oleh hasil pembakaran siklon dengan kriteria penilaian bahwa semakin rendah suhu titik nyala dan suhu titik pijar semakin mudah dibakar dengan siklon sehingga semakin tinggi suhu maksimum yang dicapai yang berarti semakin tinggi pula kinerja pembakarannya. Umumnya semua contoh limbah batubara dengan kadar VM rata-rata di atas 15 % daf mempunyai suhu titik nyala dan suhu titik pijar yang rendah yaitu rata-rata di bawah suhu 450 o C sehingga mudah dibakar dengan siklon, terkecuali contoh SL-MHU yang sedikit rendah suhu maksimumnya sehingga agak sulit dibakar karena tingginya kadar pengotor (57 % A) dan berat jenis 2,33 dengan fuel ratio di bawah 1. Disamping itu, ukuran partikel semua contoh limbah batubara tipe SL telah cocok untuk umpan pembakar siklon sehingga dapat dibakar langsung dengan siklon asalkan dalam keadaan kering udara. Karakteristik limbah batubara tergantung pada tipe batubara sumbernya, metode penambangan, dan proses pencucian dengan peralatan yang digunakan oleh ketiga 3

4 perusahaan tambang batubara yang dipilih tanpa FBS, seperti terlihat pada Tabel 1 dan 2 dimana Tabel 1 khusus menunjukkan perbandingan antar SL dari MHU, TH, BBE, dan FBS. Tabel. 1. Ringkasan Karakteristik Limbah Batubara Tipe SL dari MHU, TH, BBE dan FBS Parameter Analisa proksimat : Air lembab (IM), % Abu (A), % Zat terbang (VM), % Karbon tertambat (FC), % Fuel Ratio (FC/VM) Volatile Ratio {VM/(VM + FC)}, % Analisa ultimat : C H O N S H/C ratio O/C ratio Pengujian : Berat jenis (TSG) Nilai kalori, kkal/kg Titik Nyala TGA, o C Titik Pijar Silica Tube Furnace, o C Catatan : tdd = tidak dapat ditentukan SL MHU TH BBE FBS 3,46 56,70 26,44 13,40 0,51 66,36 22,02 1,68 11,37 0,27 7,96 0,076 0,516 2, tdd 470 7,93 31,13 30,14 30,80 1,02 49,46 47,44 3,84 16,05 0,92 0,62 0,081 0,338 1, ,96 17,30 34,56 36,18 1,05 48,85 51,20 4,25 23,55 0,88 2,82 0,083 0,460 1, ,06 8,26 37,54 46,14 1,23 44,86 66,96 4,72 17,27 1,18 1,61 0,070 0,258 1, Tabel 2 menunjukkan bahwa karakteristik SL dari masing-masing perusahaan pertambangan batubara (MHU, TH, BBE, dan FBS) tergantung pada proses pencucian dengan peralatan yang digunakan seperti drum washer, jig, dan hydrocyclone + screen (0,25mm 0,5 mm), kadar pengotor yang dikandungnya dan distribusi ukuran partikel SL yaitu menurunnya ukuran partikel menyebabkan menurunnya nilai kalori sampai ke nilai kalori yang terendah sekitar kkal/kg pada fraksi ukuran terkecil 75 µm. SL MHU dengan cyclone classifier + screen 0,25mm mempunyai nilai kalori yang terendah sekitar dari kkal/kg sampai kkal/kg melalui SL TH dengan drum washer dan cyclone classifier + screen 0,5mm dari kkal/kg sampai kkal/kg sampai dengan SL BBE dengan cyclone classifier + screen 0,5 mm dari kkal/kg sampai 5.800kkal/kg. 4

5 Tabel 2 Hasil Analisis Ayak, Proksimat dan Nilai Kalor Limbah Batubara Tipe SL dari MHU, TH dan BBE Perusahaan Ukuran fraksi % massa tertahan MHU TH BBE + 2 mm - 2 mm + 1 mm - 1 mm + 0,5 mm - 0,5 mm + 75 µm - 75 µm + 2 mm - 2 mm + 1 mm - 1 mm + 0,5 mm - 0,5 mm + 75 µm - 75 µm + 2 mm - 2 mm + 1 mm - 1 mm + 0,5 mm - 0,5 mm + 75 µm - 75 µm 19,19 9,14 24,36 45,51 1,80 47,93 7,15 4,68 30,57 9,67 1,90 5,20 16,18 66,51 10,21 % kumulatif massa tertahan 19,19 28,33 52,69 98,20 100,00 47,93 55,08 59,76 90,33 100,00 1,90 7,10 23,28 89,79 100,00 Analisa proksimat IM A VM FC 3,78 4,78 3,76 2,43 4,33 7,24 6,70 7,30 9,33 6,77 13,52 12,95 12,78 11,34 6,58 54,47 44,49 52,40 60,59 60,53 38,70 36,66 30,32 8,72 42,32 6,93 5,54 6,17 14,61 49,59 26,60 30,48 28,72 24,22 24,15 28,01 30,50 33,82 37,56 27,40 40,66 39,81 39,60 35,55 24,95 15,15 20,25 15,12 12,76 10,99 26,05 26,14 28,56 44,39 23,51 38,89 41,70 41,45 38,50 18,88 Fuel ratio 0,57 0,66 0,53 0,53 0,45 0,93 0,86 0,84 1,18 0,86 0,96 1,05 1,05 1,08 0,76 Volatile ratio 63,71 60,08 65,51 65,53 68,72 51,81 53,85 54,22 45,83 53,82 51,11 48,84 48,86 48,01 56,92 Nilai kalori, kkal/kg

6 Hubungan Ukuran Fraksi dengan Parameter % Abu dan Nilai Kalori Contoh Tipe SL Data hasil analisa ayak, parameter analisis proksimat dan nilai kalor dari contoh tipe SL dari ketiga tambang batubara yang berbeda yaitu MHU, TH dan BBE dapat dilihat pada Tabel 2 Hubungan antara distribusi ukuran fraksi dengan % abu dari data yang diplot pada Gambar 1. menunjukkan bahwa semakin halus ukuran fraksi SL semakin tinggi % abunya % ABU mm - 2mm +1mm -1mm +0.5mm - 0.5mm +75µm - 75µm UKURAN FRAKSI MHU TH BBE Gambar 1. Grafik Hubungan Ukuran Fraksi dan % Abu Sedangkan data hubungan antara distribusi ukuran fraksi dengan nilai kalori dapat dilihat pada Gambar 2, dimana memperlihatkan bahwa semakin halus ukuran fraksi semakin rendah nilai kalorinya. NILAI KALORI (kal/gram) mm - 2mm +1mm -1mm +0.5mm - 0.5mm +75µm - 75µm UKURAN FRAKSI MHU TH BBE Gambar 2. Grafik Hubungan Ukuran Fraksi dan Nilai Kalori 6

7 Dari kedua gambar tersebut dapat dikatakan bahwa jika menginginkan peningkatan nilai kalori dari contoh tipe SL untuk ketiganya dapat diperoleh dengan mengurangi ukuran fraksi halus(slime) dengan cara pengolahan. Dengan kata lain bahwa semakin halus fraksi ukuran SL semakin rendah nilai kalori sampai sekitar kkal/kg pada baik fraksi ukuran 0,5 mm + 75 µm maupun pada fraksi ukuran terhalus 75 µm. Fraksi-fraksi ukuran partikel yang sangat halus ini biasanya dianggap sebagai slime, maka teknik pengolahan untuk pemisahannya dari fraksi-fraksi yang kasar dapat dilakukan dengan proses desliming melalui cara decantatation dalam rangka peningkatan nilai kalori semua contoh tipe limbah batubara SL. Karakteristik Pembakaran Limbah Batubara Untuk mempermudah dalam mengevaluasi hubungan antara parameter karakteristik ketiga tipe limbah batubara dari ketiga perusahaan tambang (MHU, TH dan BBE) dengan parameter nilai kalori dan karakteristik pembakarannya, maka dapat dilihat seperti pada Tabel 3. Parameter Air-lembab, % adb Abu, % adb Zat-terbang, % adb FC/VM = fuel ratio Karbon (C), % Hidrogen (H), % Oksigen (O), % Nilai Kalori, kcal/kg Titik nyala, o C Titik pijar, o C Suhu mak siklon, o C : - 4 mesh - 32 mesh Tabel 3 Hubungan Parameter Karakteristik dan Pembakaran SL DC CF MHU TH BBE MHU TH BBE MHU TH BBE 3,46 56,70 26,44 0,51 22,02 1,68 11, tdd ,93 31,13 30,14 1,02 47,44 3,84 16, ,96 17,30 34,56 1,05 51,20 4,25 23, ,88 16,35 36,66 1,07 57,73 4,32 17, , ,60 1,00 37,39 3,41 16, ,92 22,48 30,26 1,00 44,08 4,43 28, Catatan : tdd = tidak dapat ditentukan; ctt = contoh tidak tersedia 11,01 4,95 38,89 1,16 65,72 5,05 22, ,43 16,71 34,53 1,14 58,28 4,54 18, ctt ctt 16,91 4,78 40,03 0,96 58,80 5,36 30, Tabel 3. menunjukkan bahwa ada hubungan antara karakteristik limbah batubara yang ditentukan oleh parameter-parameter analisa proksimat ( % M, %A, % VM) dan ultimat (% C, % H, % O) dengan nilai kalori dan karakteristik pembakarannya 7

8 yang ditentukan oleh parameter suhu titik nyala dan suhu titik pijar. Sedangkan kinerja pembakaran limbah batubara ditentukan oleh suhu maksimum yang dicapai dari hasil ujicoba pembakarannya dengan pembakar siklon. Parameter karateristik limbah batubara yang mempengaruhi karakteristik pembakarannya adalah dari parameter analisa proksimat : tingginya kadar M yang meninggikan kadar VM dan kadar A serta meningkatnya fuel ratio akan menurunkan nilai kalori dan sebaliknya dari parameter analisa ultimat : meningkatnya % C, % H dan % O akan menaikkan nilai kalori. Sebagai akibatnya suhu titik nyala dan titik pijar limbah batubara akan meningkat apabila % M dan % A juga meningkat. Sebaliknya dengan parameter analisa ultimat seperti % C, % H, % O. Kriteria penilaian kinerja pembakaran limbah batubara dengan pembakar siklon adalah bahwa semakin tinggi suhu titik nyala dan titik pijar semakin sulit untuk menyala atau dibakar sehingga semakin rendah kinerja pembakarannya karena rendahnya suhu maksimum yang dicapai pembakar siklon. Karena % M limbah batubara dapt menyebabkan kenaikan kadar zat terbang (VM)-nya, maka apabila % VM di atas rujukan 15 % VM daf, maka semua contoh limbah batubara tersebut termasuk dalam kategori low volatile coals yang merupakan sifat bawaan alami yang menimbulkan kesulitan dalam pembakarannya. Tetapi karena semua contoh limbah batubara dari Kaltim menunjukkan kadar VM di atas 15 % daf, maka ini berarti bahwa semakin mudah limbah batubara tersebut dibakar dengan suatu tipe tungku pembakarannya seperti yang digunakan dalam program penelitian ini yaitu pembakar siklon (cyclone burner). Sedangkan ditinjau dari kinerja pembakaran limbah batubara yang langsung dapat dibakar dengan siklon, khususnya tipe SL memperlihatkan urutan kemudahan keterbakarannya adalah mulai dari BBE, TH dan MHU dimana kandungan % abu dari masing-masing contoh adalah 17,30%, 31,13% dan 56,70%. Distribusi ukuran partikel semua contoh tipe SL telah memenuhi spesifikasi umpan untuk pembakar siklon walaupun semakin halus fraksi ukuran partikelnya semakin tinggi kadar abu yang akan menurunkan nilai kalori. Sedangkan suhu maksimum siklon dipengaruhi oleh kadar abu dan ukuran partikel umpan yaitu semakin rendah kadar abu limbah batubara dan semakin halus ukuran partikel umpan siklon semakin tinggi suhu maksimum yang dicapai. 8

9 Pada prinsipnya, semua contoh limbah batubara yang diteliti, terutama dari tipe SL menunjukkan sifat keterbakaran yang mudah dan dapat digunakan sebagai bahan bakar langsung apabila dalam kondisi kering udara, terutama yang mempunyai nilai kalori rata-erata dalam kisaran sampai kcal/kg sebagai rujukan standar sebagai batubara kualitas rendah (low grade coal) dengan fuel ratio di atas 1, kecuali contoh SL dari MHU dengan kadar abu sekitar 57 % dengan fuel ratio di bawah 1 atau 0,51 tidak dapat menghasilkan suhu maksimum yang tinggi diatas 450 o C. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Kinerja pembakaran limbah batubara umumnya dinilai dengan suhu maksimum yang diperoleh selama progran ujicoba pembakaran limbah batubara dengan pembakar siklon. Kinerja pembakaran sangat tergantung pada parameter karakteritik suatu tipe limbah batubara yang bersangkutan, terutama dari parameter analisa proksimat seperti kadar air-lembab (M), abu (A), zat-terbang (VM) dan parameter analisa ultimat seperti kadar karbon (% C), % H dan % O dan ukuran partikel umpan. Kriteria penilaian kinerja pembakaran limbah batubara yang dipakai adalah semakin rendah kadar abu, air-lembab yang meningkatkan kadar zat-terbang dengan meningkatnya kadar C, H, dan O dengan ukuran umpan yang semakin halus, maka semakin rendah suhu titik nyala dan titik pijar tinggi yang semakin tinggi suhu maksimum pembakaran siklon semakin baik kinerja pembakarannya. Karena semua contoh limbah batubara dari Kaltim menunjukkan kadar VM di atas 15 % daf, maka limbah batubara Kaltim tidak termasuk ke dalam kategori low volatile coals sehingga mudah dibakar dengan pembakar siklon. Semua contoh limbah batubara yang diteliti memenuhi persyaratan sebagai sumber energi yang dapat dikembangkan untuk bahan bakar langsung maupun bahan baku industri energi untuk pembuatan briket batubara dan pengembangan sistem co-firing of coal with biomass dalam industri pengguna boiler (PLTU dan Industri). 9

10 Pada prinsipnya, semua contoh limbah batubara yang diteliti, terutama dari tipe SL menunjukkan sifat keterbakaran yang mudah dan dapat digunakan sebagai bahan bakar langsung apabila dalam kondisi kering udara, terutama yang mempunyai nilai kalori dalam kisaran sampai kcal/kg sebagai rujukan standar sebagai batubara kualitas rendah (low grade coal) dengan ratarata fuel ratio di atas 1. Sedangkan ditinjau dari kinerja pembakaran limbah batubara yang langsung dapat dibakar dengan siklon, khususnya tipe limbah batubara SL memperlihatkan urutan kemudahan keterbakarannya adalah mulai dari BBE, TH dan MHU dimana kandungan % abu dari masing-masing contoh adalah 17,30%, 31,13% dan 56,70%. Saran Hasil penelitian ini perlu dilanjutkan dalam rangka kegiatan pemantauan karakteristik kualitas limbah batubara secara rutin dan melakukan kegiatan survey lapangan untuk penentuan potensi limbah batubara yang terdapat langsung di sumber sistem penampungan limbah batubara di berbagai lokasi tambang batubara, terutama yang terletak di sepanjang S. Mahakam di provinsi Kaltim. Perlu kerjasama antara pemda provinsi Kaltim sebagai pengawas pengelolaan potensi limbah batubara dengan pemda-pemda di luar provinsi Kaltim, terutama di P. Jawa sebagai pengguna limbah batubara dalam rangka menjamin pasokan bahan bakar dan bahan baku alternatif untuk industri briket batubara maupun pengembangan sistem co-firing of coal and biomass untuk industri-industri pengguna boiler (PLTU maupun Industri). 10