RANCANGAN ON LINE ANALIZER BATUBARA PAD A BELT CONVEYOR DENGAN TEKNIK NUKLIR

Transkripsi

1 PRPN - SA TAN, 14 November 2013 RANCANGAN ON LINE ANALIZER BATUBARA PAD A BELT CONVEYOR DENGAN TEKNIK NUKLIR Rony Djokorayono, Indarzah Masbatin Putra, dan Usep Setia Gunawan PRPN - SATAN, Kawasan Puspiptek, Gedung 71, Tangerang Selatan, ABSTRAK RANCANGAN ON LINE ANALIZER BA TUBARA PAOA BEL T CONVEYOR OENGAN TEKNIK NUKLIR. Telah dirancang sistem on line analizer batubara pada belt conveyor menggunakan teknik aktivasi radiasi neutron dari unsur 252Cf. Sistem ini digunakan untuk mengukur konsentrasi radiasi gamma yang keluar dari unsur-unsur yang terkandung didalam batubara setelah diaktivasi oleh radiasi neutron, unsure-unsur yang terdapat didalam batubara diantaranya CI,S, Fe, AI, Ca, Ti,K,N, Na, C, B dan ikatan senyawa Si02,AI203, Ti02, Fe203, CaO, K20 serta hasil pengukuran ini digunakan untuk menentukan kadar abu batubara. Sistem ini tersusun dari sumber neutron 252Cf,detektor Nal(TI), elektronik data logger dan komputer data logger. Kata kunci: on line analizer batubara ABSTRACT THE DESIGN OF AN ONLINE COAL ANALIZER ON A BELT CONVEYOR USING NUCLEAR TECHNIQUE. On line analyzer system for coal moving on the belt conveyor has been designed by using neutron activation technique from the neutron source 252Cf element. The system can be use to measure gamma emmited by elements inside coal material like CI,S,Fe,AI,Ca, Ti,K,N,Na,C,B and compound Si02, A1203,Ti02, Fe203, CaO, K20, including coal fly ash. This system consist of neutron source 252Cf,Nal(TI) detector, electronic data logger and computer data logger. Keywords: coal on line analyzer 1. PENDAHULUAN Sistem analizer batubara pad a belt conveyor di unit Coal Handling PLTU Paiton biasanya dilakukan dengan metoda cuplikan, yang hasil analisanya beberapa hari kemudian, padahal hasil analisa ini dibutuhkan secara cepat untuk pengendalian proses serta digunakan untuk menentukan kadar kalor batubara, dimana hasil analisa unsurunsur dan kadar kalor batubara sangat menentukan nilai biaya pembelian batubara. Situasi lapangan pengambilan sam pel juga akan menentukan keakuratan hasil analisa, mengingat situasi lapangan pada unit coal handling PLTU batubara biasanya berdebu, berlumpur, dan bersifat korosif karena memiliki kandungan sulfur yang tinggi

2 PRPN - BA TAN, 14 November 2013 sehingga operator menghadapi kendala dalam mengambil cuplikan sam pel. Untuk menanggulangi kecepatan dan ketidaktelitian analisa unsur-unsur batubara diperlukan on line analyzer. Sistem on line analizer yang sesuai dengan kondisi lapangan di unit coal handling PLTU Paiton adalah dengan metoda teknik nuklir, yaitu dengan metoda aktifasi neutron, keunggulan sistem on line analizer dengan metoda aktifasi neutron, yaitu dapat menganalisa unsur tanpa kontak dengan unsur unsur yang dianalisa. Sensor analizer cukup didekatkan pad a batubara yang mengalir pada belt conveyor. Tujuan perekayasaan sistem on line analizer batubara pad a belt conveyor menggunakan metoda aktivasi neutron adalah untuk mempercepat proses analisa dari beberapa hari menjadi 20 menit sekali. Hasil analisa dapat dilaporkan dengan mudah karena operador tidak perlu datang ke lapangan untuk mengambil sam pel. Ruang lingkup kegiatannya meliputi merancang bang un dan perekayasaan sistem deteksi, sistem data akusisi dan sistem pelaporan. Desain dikembangkan dengan meniru perangkat on line analizer yang ada di PLTU Suralaya. 2. TEORI Prinsip kerja sistem on line analizer batubara pad a belt conveyor berdasarkan aktivasi radiasi neutron dapat dijelaskan sebagai berikut. Sampel batubara yang mengalir pada belt conveyor di aktivasi oleh neutron dari sumber radiasi 252Cf dengan aktivitas minimal 15 mikrogram sesuai referensi [1]. Hasil aktivasi neutron, menghasilkan radiasi gamma dengan berbagai energi yang berasal dari masing masing unsur yang terkandung di dalam batubara. Unsur unsur tersebut di antaranya CI,S,Fe,AI,Ca,Ti,K,N,Na,C,S. Konsentrasi radiasi gamma yang muncul dari unsur unsur tersebut dideteksi oleh detektor Nal(TI) & photomultiplier tube (PMT). Pulsa pulsa listrik yang keluar dari PMT, diperkuat oleh preamplifier, dimana tinggi pulsanya bergantung dari jenis unsur. Untuk menentukan konsentrasi radiasi gamma yang muncul dari unsur tertentu digunakan filter energi yang biasa disebut single channel analyzer atau multi channel analizer, dimana bukaan dan tinggi window filter untuk masing masing unsur berbeda satu dengan yang lainnya. Siok diagram rancangan on line analizer batubara pad a belt conveyor dapat dilihat pada Gambar

3 PRPN-BATAN, 14 November 2013 Polyethilene 1 Sampel material (batubara) SCA CPU TRAN MCA KOMPUTER pemancar neutron 252Cf DCS DI CONTROL ROOM r Detektor Gamma NaI DSP (TI) BEBERAPA ~_._.._.~ LOKAL KONTROLLER PROCESSOR ATAU CONVERTER TO 4-20mA UNTUK BEBERAPA UNSUR Gambar 1. Siok Sistem On Line Analizer Rancangan on line analizer batubara pada belt conveyor, tersusun dari sebuah pemancar neutron cepat jenis 252Cf dengan aktivitas minimal 15 mikrogram, sesuai dengan referensi [1], dan seperangkat polyethilene yang berfungsi mengubah neutron cepat menjadi neutron thermal atau neutron lambat. Pancaran neutron thermal diarahkan menuju target batubara yang terdapat pada belt conveyor. Hasil pancaran radiasi neutron termal akan mengaktivasi unsur-unsur yang terkandung didalam batubara, hasil aktivasi terhadap unsur-unsur di dalam batubara akan menghasilkan radiasi gamma. Tinggi pulsapulsa listrik dari radiasi gamma yang keluar dari masing masing unsur akan tergantung dari ikatan energi dari masing masing unsur yang terkandung didalam batubara. Sedangkan intensitas radiasi gamma yang diterima akan tergantung dari aktivitas pemancar neutron 252Cf,serta kecepatan belt conveyor, dim ana wilayah aktivitas neutron 252Cfyang digunakan di industri berkisar antara 15 mikrogram sampai 2,5 miligram. Setiap 1 mikrogram akan menghasilkan 170 juta neutron per menit (strong neutron emitter and eficient source neutron)

4 PRPN - BA TAN, 14 November 2013 Radiasi gamma yang keluar dari sam pel batubara akan dideteksi oleh detektor Nal(tl) & photomultiplier, kemudian setelah pulsa pulsa listriknya dikuatkan oleh amplifier maka dihubungkan ke beberapa modul single channel analizer (SCA) dengan setting bukaan filter untuk masing masing unsur. Sebagai referensi untuk membandingkan energi unsur-unsur digunakan sebuah multichannel analizer (MCA) Canbera yang dilengkapi dengan digital signal processing yang tampilannya berupa spektrum dengan intensitas dari berbagai energi gamma yang keluar dari unsur unsur yang terkandung didalam batubara. Keluaran masing-masing SCA dari setiap unsur akan dikonversi menjadi arus listrik dengan standard industri 4-20 ma, untuk ditransmisikan melalui kabel signal ke kontrol panel yang berjarak sekitar 1200 meter ke komputer data logger setelah melalui modul data aqusition system (DAQ). Oleh komputer data logger signal-signal informasi yang berasal dari intensitas radiasi gamma dari masing masing unsur yang terkandung didalam batubara akan dimasukan ke sistem beberapa lokal kontroler, yang digunakan untuk pengendalian proses. Contoh perangkat on line analizer untuk mendeteksi bulk material batubara pada belt conveyor digunakan sebagai pertimbangan untuk pembuatan prototip on line analizer dapat dilihat pad a Gambar 2. HeM PU!Jo)f Safely Cov~r am {).~!v\r~w Cnufe Gambar 2. Perangkat on line analizer deteksi bulk material batubara

5 PRPN - BA TAN, 14 November 2013 Deskripsi sistem deteksi on line analizer batubara pad a gambar 2 dapat dijelaskan sebagai berikut, sam pel batubara dimasukkan melalui hopper dan dialirkan menggunakan belt conveyor ke arah Source Access Hatch. Kemudian material batubara ditembaki oleh pemancar neutron thermal yang berasal dari sumber 252Cf, dengan aktivitas minimal 19 mikrogram, sehingga sebagian unsur yang terdapat di dalam material batubara teraktivasi. Karena teraktivasi sebagian material batubara akan memancarkan partikel gamma dengan energi yang terkait pada masing masing ikatan unsur yang terkandung didalam material atau senyawa batubara. Pancaran gamma yang muncul dari material batubara dianalisa oleh multichanel analyzer yang dilengkapi digital signal processing, dan single channel analizer, sehingga spektrum masing masing unsur dapat direkam pad a memori komputer, dimana jumlah data pad a slot memori spektrumnya menunjukan konsentrasi unsur yang terdapat didalam material batubara terse but. 3. METODA RANCANGAN Rancangan perangkat prototip on line analizer batubara pad a belt conveyor menggunakan aktivasi neutron dilakukan dengan tahapan sebagai berikut: Penetapan persyaratan desain perangkat, pada tahap ini ditetapkan persyaratan desain yang harus dipenuhi oleh perangkat on line analizer yang akan dibuat. Penetapan persyaratan teknis perangkat, pad a tahap ini ditetapkan persyaratan teknis yang harus dipenuhi oleh perangkat on line analizer yang menggunakan aktivasi neutron 252Ct. Perancangan desain perangkat, pada tahap ini dilakukan perancangan perangkat dengan memperhatikan persyaratan desain dan teknis dari perangkat on line analizer yang menggunakan aktivasi neutron 252Ct yang terdiri dari: - Subsistem deteksi meliputi pemancar neutron 252Ct, preamplifier, pengolah signal analog, single channel analizer, processor penghitung pulsa dan transmitter signal analog, - Subsistem data aqusition system (DAQ) dan komunikasi data serial, - Subsistem software tampilan komputer operator consule dan pelaporan

6 PRPN - SA TAN, 14 November HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil kegiatan yang dilakukan berupa persyaratan desain, persyaratan teknis, spesifikasi teknis, desain subsistem deteksi, desain subsistem data akusisi, dan desain software tampilan perangkat prototipe on line analizer yang menggunakan aktivasi neutron 252Cf. Persyaratan Desain atau Kriteria pelanggan Persyaratan desain perangkat on line analizer yang dibuat harus dapat digunakan untuk mengukur konsentrasi unsur-unsur di dalam batubara yang berada di atas belt conveyor yang bergerak dengan kecepatan sekitar 4 meter per detik. Adapun jenis unsur unsur yang terkandung di dalam batubara yang biasa dianalisa oleh PLTU batu bara secara on line, meliputi unsur unsur CI,S,Fe,AI,Ca,Ti,K,N,Na,C,B serta perhitungan kadar abunya dilakukan dengan mengukur dan mengkalkulasi konsentrasi Si02.Ab03, Ti02, Fe203, CaO, K20, serta laporan kualitasnya dapat dilakukan setiap 10 menit dan ditampilkan pad a layar monitor komputer operator consule. Desain perangkat prototip on line analizer batubara pada belt conveyor menggunaka standard acuan manual analizer perangkat Coal Quality Manager (CQM) Thermo Elektron Corporation, yang terdapat di PLTU batubara Suralaya. Persyaratan Fungsi Persyaratan fungsi perangkat prototip on line analizer menggunakan aktivasi neutron yang dirancang adalah sebagai berikut : Dapat digunakan untuk mengukur konsentrasi unsur-unsur di dalam batubara yang berada pada belt conveyor yang bergerak dengan kecepatan sekitar 4 meter per detik. Dapat digunakan untuk menentukan konsentrasi unsur-unsur CI, S, Fe, AI, Ca, Ti, K, N, Na, C, B di dalam batubara secara on line, dengan kecepatan proses maksimal 10 menit. Dapat digunakan untuk menentukan kadar abu batubara yaitu dengan mengukur dan mengkalkulasi konsentrasi Si02, A1203, Ti02, Fe203, CaO, K20 serta laporan kualitasnya dapat dilakukan setiap 10 menit dan ditampilkan pada layar monitor komputer operator consule

7 PRPN - SA TAN, 14 November 2013 Persyaratan Teknis Menurut manual Coal Quality Manager (CQM) Thermo Elektron Corporation, karakteristik pemancar neutron yang digunakan pada perangkat on line analyzer batubara pada belt conveyor adalah sebagai berikut: energi radiasi neutron harus besar minimal 2 Mev partikel neutron yang keluar dari pemancar neutron minimal harus 2760 juta per menit Dari karakteristik pemancar neutron tersebut diatas, pemancar neutron jenis 252Cf sebagian dapat memenuhi karakteristik tersebut. Hal ini dapat dilihat dari pemancar neutron 252Cfyang mempunyai karakteristik sebagai berikut : energi radiasi rata-rata 2,3 Mev waktu paruh 2,64 tahun jumlah partikel neutron yang dipancarkan untuk setiap 1 mikrogram menghasilkan 170 juta partikel neutron per menit aktivitas sumber pemancar neutron minimal 16 mikrogram Sedangkan sistem deteksi menggunakan detektor Nal(TI) karena pertimbangan lokasi perangkat on line analyzer batubara pada belt conveyor yang berdebu, korosif, serta kadang-kadang terguyur air Sehingga tidak memungkinkan menggunakan detektor germanium yang lebih sensitif, karena perlu persyaratan khusus standar laboratorium. Spesifikasi Teknis Spesifikasi teknis dari perangkat prototip on line analyzer batubara pada belt conveyor menggunakan aktivasi neutron ditunjukan dalam Tabel 1. No Tabel1. Spesifikasi teknis on line analizer Spesifikasi Jenis Source neutron dengan aktivitas Cf, 16 ugram - 2 mgram Detektor Nal(TI) (minimal dia 5 cm Data akusisi (DSP) kalibrator standar Osprey MCA Canbera Kanal Real data akusisi & transmitter SCA, processor transmitter 4-20 ma Signal untuk masing masing unsur CI, S,Fe, AI,Ca, Ti, K, N, Na, C, B, Si Elektonik data logger & komputer 16 kanal analog input range 0-1 OV atau data logger 4-20 ma Isolated, Komunikasi RS232, USB, operating sistem DOS, window XP, display square LCD 17" Tampilan komputer operator console Tabular digital dan trend untuk pengukuran unsur dan Kadar Kalor Kadar kalor Minimal 10 menit CI, S,Fe, AI,Ca, Ti, K, N, Na, C, B, Si

8 PRPN- BATAN, 14 November 2013 Subsistem Oeteksi Elektronik Siok elektronik subsistem deteksi On Line Analizer menggunakan aktivasi neutron dapat dilihat pad a Gambar 3. GE T TO GH VOLTAGE ENERGY UNSUR SCA PILIH DETEKTOR SINTILASI ---+,N,Na,C,B,si LOKA CI,S,Fe,AI,Ca,Ti,K PREAMP - BBBB (CPU ~ 8952) PROCESSOR DATA TRANSMITTER DETEKTOR SCINTILASI OUTPUT ~ ARUS (1 KANAL) DISPLj T.Fn L y FSK (PLC) MODULASI OUTPUT OUTPUT RS422 (1 KANAL) FSK (PLC) Gambar 3. Siok elektronik subistem deteksi On Line Analizer

9 PRPN - BA TAN, 14 November 2013 Hasil pengukuran radiasi gamma yang keluar dari unsur-unsur yang terkandung di dalam batubara diukur oleh detektor Nal(TI). Hasil pengukuran diolah oleh mikroprocessor sistem deteksi dengan sampling pengukuran 100 msec, difilter dengan bukaan energi dari unsur-unsur CI,S,Fe,AI,Ca,Ti,K,N,Na,C,B,Si dicacah oleh pencacah 16 bit, ditampilkan pad a lokal display, dan kemudian dikonversi secara linier menjadi tegangan dc dengan range 0-10V serta ditransmisikan ke DAQ komputer console menggunakan standar signal 4-20 ma dan signal frekuensi modulasi (FSK). Data pengukuran dari detektor yang diterima oleh DAQ kemudian dikomunikasikan ke sistem komputer data logger di Control Room menggunakan standar komunikasi RS232 atau RS422. Subsistem Data Akusisi Elektronik SCAS Siok elektronik subsistem data akusisi On Line Analizer menggunakan aktivasi neutron dapat dilihat pad a Gambar 4. i - I-. ~ CPU I H /lp TRANSMITTER 4-20MA SCA CL I RS232 KOMUNIKASI KE KOMPUTER OPERATOR CONSOLE Gambar 4. Siok elektronik subistem data akusisi On Line Analizer

10 PRPN - BA TAN, 14 November 2013 Setiap unsur yang berasal dari senyawa batubara terutama unsur CI, S, Fe, AI, Ca, Ti, K, N, Na, C, B, Si menghasilkan radiasi gamma, setelah dikonversi oleh kristal Nal(tl) dan photomultiplier menghasilkan pulsa-pulsa listrik yang amplitudonya berbeda untuk masing masing unsur. Amplituda pulsa-pulsa listrik yang dihasilkan merepresentasikan energy radiasi gamma yang dipancarkan oleh masing masing unsur. Keluaran signal listrik dari sistem deteksi (kristal Nal(tl)+PMT)+preamp akan dimasukan ke sistem SCA dengan bukaan filter energi sesuai dengan unsur yang bersangkutan. Sebagai contoh SCA unsur S (sulfur) dibuka pad a energy radiasi gamma unsur sulfur yang telah teraktivasi dan dikalibrasi dengan MCA Canbera. Jumlah pulsa listrik dari masing-masing radiasi gamma sebuah unsur akan dihitung oleh modul processor transmitter 4-20 ma dan dikonversi menjadi signal arus listrik dengan range 4-20 ma. Sehingga setelah hasil pengukuran radiasi gamma untuk masing masing unsur berbentuk arus listrik, kemudian akan dikirim ke masukan sistem analog digital converter untuk dikonversi menjadi besaran digital yang kemudian ditransmisikan ke komputer operator consule data logger melalui sarana komunikasi RS232 atau USB. Komputer Konsul (Consule) Operator Komputer konsul operator terletak di ruang terpisah berjarak sekitar 500 meter dari subsistem deteksi, hal tersebut agar operator tidak terpapar radiasi neutron dan perangkat komputer terhindar dari lingkungan berdebu serta korosif. Oari konsul ini operator dapat memonitor kualitas batubara yang diukur serta dapat melaporkan hasil pengukuran ke tingkat menajemen untuk ditindaklanjuti. Tampilan pada komputer konsul dapat dilihat pad a Gambar

11 PRPN-BATAN, 14 November 2013 Gambar 5. Tampilan komputer konsul on line analyzer batubara pad a belt conveyor dengan aktivasi neutron

12 PRPN- BATAN, 14 November KESIMPULAN Telah dilakukan desain perangkat on line analizer batubara pada belt conveyor menggunakan teknik aktivasi radiasi neutron dari unsur 252Cf,dengan hasil berupa desain dasar. Desain dasar ini memenuhi persyaratan desain, persyaratan teknis dan persyaratan fungsi yang mengacu ke standar Coal Quality Manager (CQM) Thermo Electron Corporation yang telah digunakan oleh PLTU batubara di Suralaya Merak Banten. Diharapkan dengan desain ini dapat dikuasai teknologi yang digunakan pada perangkat on line analizer batubara yang terdapat di PLTU Suralaya. Desain ini dapat dikembangkan menjadi desain rinci, konstruksi dan pengujian lapangan perangkat on line analizer batubara pad a belt conveyor. 6. UCAPAN TERIMAKASIH Terimakasih kami ucapkan kepada managemen PRPN Batan yang telah memberi ijin untuk peninjauan lapangan dan managemen PLTU Suralaya terutama bapak Trisno yang telah memberi kesempatan untuk peninjauan unit coal handling guna mendapatkan informasi teknis serta managemen PT.Gammatech selaku mitra dari PT. Indonesia Power yang telah memfasilitasi dengan pihah teknis unit coal handling. 7. DAFT AR PUST AKA 1. IAEA (International Atomic Energy Agency), Radioisotope Instruments in Industry and Geophysic, Viena, Austria B.D. Sowery, On-line Nuclear Techniques in the Coal industry, Division of Mineral and Process Engineering, Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization, NSW 2234, Australia, 27 February "Berthold Radiation Measuring Instruments for Industry", Gmbh & Co.KG, Bad Wildbad. 4. Coal Quality Manager (CQM), Analyzer Manual, Thermo Electron Corporate, Mesa Rim Rd San Diego, CA United States,

13 PRPN - BA TAN, 14 November 2013 TANYA JAWAB Pertanyaan: 1. Dipersyaratan teknis umur paruh minimum 6 tahun, tapi mengapa sumber yang digunakan hanya memiliki waktu paruh 2,6 tahun? Berarti persyaratan teknis menjadi tidak terpenuhi. (Ari Satmoko) 2. Apakah resolusi NalTI cukup untuk membedakan unsur-unsur yang diamati? (Kristedjo K.) 3. Adakah detektor lain yang lebih bagus dari NalTI tetapi tidak membutuhkan pendingin? (Kristedjo K.) 4. Bagaimana tentang kontaminasi radiasi hasil Aktivasi neutron terhadap batubara? Apakah paparan sinar gamma pad a batubara langsung hilang? (Sigit) Jawaban : 1. Dari persyaratan teknis yang perlu diubah bukan waktu paruh tetapi intensitasnya. 2. Memang kurang dapat membedakan spektrum unsur-unsur perlu diganti dengan CZT. 3. Ada yaitu CZT. 4. Kontaminasi ada tetapi langsung masuk coal bunker dan coal feeder