Sistem Bypass Kiln - Preheater Pada Proses Produksi Semen

Laporan Studi Kasus mengenai sistem bypass pada proses produksi semen.

Sistem Bypass Pada Kiln-Preheater

Abstraksi

Semen memainkan peranan penting sebagai material konstruksi sepanjang sejarah peradaban manusia, sehingga antara semen dan pembangunan merupakan dua hal penting yang tidak dapat dipisahkan. Perkembangan penduduk yang sangat tinggi di era globalisasi ini turut meningkatkan kegiatan pembangunan, sehingga ini juga secara langsung atau tidak, meningkatkan kebutuhan manusia akan semen.

Untuk memenuhi kebutuhan yang semakin tinggi akan semen, maka para produsen berlomba untuk meningkatkan produksi mereka, salah satu teknologi yang telah berhasil dikembangkan untuk meningkatkan efisiensi pembakaran adalah suspension preheater. Namun terdapat kendala yang ditemukan dalam preheater, diantaranya adalah kecenderungan terjadinya blocking atau mampat yang terjadi karena konsentrasi tinggi dari senyawa yang bersirkulasi, dalam hal ini senyawa yang mengandung klorin, sulfur atau alkali. Untuk itu diperlukanlah suatu teknologi yang dapat menghilangkan atau mengurangi senyawa-senyawa tersebut secara efektif.

Sistem bypass pada kiln-preheater adalah teknologi yang diperkenalkan dapat memberikan solusi atas permasalahan tersebut. Dengan instalasi sistem ini, berarti gas buang dari inlet kiln diekstraksi keluar dahulu sebelum masuk kembali kedalam sistem, sehingga hal ini diharapkan dapat mengurangi konsentrasi senyawa-senyawa yang bersirkulasi di dalam preheater.

1.      Pendahuluan

1.1    Latar belakang

Dalam 20 tahun terakhir ini, produsen semen telah berhasil mengembangkan sebuah teknologi yang dapat mengefesiensikan pembakaran pada kiln, yakni suspension preheater. Preheater sekarang dapat digunakan untuk proses pemanasan awal dan kalsinasi awal dalam proses pembentukan klinker. Pengembangannya, yaitu precalciner adalah suspension preheater yang dilengkapi dengan “calciner” atau pembakaran di riser duct.

Dengan pengembangan teknologi ini, kapasitas produksi klinker dapat ditingkatkan dan terbukti bisa meningkatkan derajat kalsinasi yang tinggi. Dengan adanya kenaikan derajat kalsinasi yang tinggi di preheater maka proses decarbonisasi didalam kiln tinggal sedikit dan pemakaian bahan bakar di main burner bisa dikurangi sehingga bata tahan api didalam kiln dapat lebih awet. Selain itu, diameter kiln bisa lebih kecil dan lebih pendek dengan thermal load lebih rendah. Semua hal ini membuat operasi kiln lebih stabil dan mudah dikontrol.

Setelah ditemukannya new suspension preheater atau precalciner yang terbukti sangat efektif dan efisien untuk proses produksi semen, maka hampir semua pembuat pabrik semen berlomba untuk mengembangkannya. Dalam pengembangan suspension preheater sistem ini, masing-masing pembuat pabrik semen mempunyai design yang berbeda-beda, tetapi mempunyai tujuan yang sama yaitu menaikkan derajat kalsinasi dan meningkatkan kapasitas produksi serta menurunkan konsumsi energi, terutama energi panas yang digunakan.

Sistem preheater sekarang sebagian besar menggunakan system perpindahan panas co-current dimana umumnya menggunakan ducting yang panjang dan menggunakan cyclone bertingkat. Aliran material dimasukkan pada inlet duct cyclone paling atas kemudian secara bersamaan bertemu gas panas dari bawah. Dengan sistem ini waktu kontak material dan gas panas lebih lama dan lebih efisien dibandingkan dengan perpindahan panas counter-current (berlawanan arah).

Bila ditinjau dari kadar air umpan bakunya, saat ini kebanyakan pabrik-pabrik semen menggunakan proses kering dalam proses pembentukan klinkernya, dimana tepung baku (raw meal) yang diumpankan berkadar air < 1%. Untuk menghilangkan kadar air, maka raw meal disuspensikan kedalam sistem prapemanas yang dilakukan diluar kiln. Didalam burning zone kiln terjadi penguapan karena pembakaran dengan suhu mencapai 1000 derajat Celcius sehingga menghasilkan senyawa-senyawa yang dapat menguap, beberapa diantaranya adalah senyawa alkali, sulfur, dan klorin yang dapat menimbulkan masalah mampat di sistem preheater (clogging problem) yang terjadi karena adanya masalah sirkulasi. Oleh karena itu, perlu dilakukan tindakan untuk mengatasi masalah tersebut, salah satunya adalah dengan instalasi sistem bypass.

2.      Pembahasan

2.1   Landasan Teori

Apabila ditinjau berdasarkan suplai udara untuk proses pembakaran di precalciner, maka precalciner bisa dibedakan menjadi dua macam, diantaranya :

-          AT (Air Through) : Udara pembakaran untuk precalciner hanya didapat dari dalam kiln.

-          AS (Air Separate) : Udara pembakaran untuk precalciner didapat dari cooler melalui teriary air duct yang disebut secondary air.

Sistem AT tidak banyak lagi dikembangkan karena proses pembakaran dipreheater tidak optimal. Sementara sistem AS yang lebih banyak dikembangkan oleh semua pabrik semen, karena terbukti bisa meningkatkan derajat kalsinasi dan rendah konsumsi panasnya.

Prinsip Dasar Precalciner Air Separate System

Dengan proses tersebut maka gas buang dari kiln tersebut masih dapat dimanfaatkan untuk proses pengeringan bahan mentah dan kalsinasi awal pada preheater ataupun untuk proses pengeringan bahan bakar ( batubara /coal) karena suhunya masih tinggi. Precalciner AS terbukti bisa meningkatkan kapasitas produksi bila dibandingkan dengan preheater biasa. Dengan menggunakan system ini kapasitas produksi yang bisa dicapai 7500 ton/hari hingga lebih dari 10.000 ton/hari.

Selain bisa meningkatkan kapasitas produksi, konsumsi panas yang digunakan sangat rendah (< 700 kcal/kg clinker) dan temperature top SP rata-rata rendah (< 360^oC). Sehingga dapat disimpulkan bahwa teknologi precalciner merupakan teknologi pembakaran yang paling baik yang ada saat ini.

2.2  Tinjauan Kasus

Preheater kiln berkontribusi dalam mengefisiensikan energi yang dibutuhkan dalam pembuatan klinker, tetapi sistem preheater ini juga menimbulkan kendala, salah satunya yaitu terjadi sirkulasi kandungan senyawa-senyawa volatile yang dapat membuat masalah mampat di sistem preheater itu sendiri (clogging problem).

     

      Hal ini terjadi karena senyawa-senyawa tersebut, sulfur dan klorin, yang dapat berasal dari raw meal ataupun bahan bakar alternatif, menguap di zona burning kiln dan terbawa dalam bentuk gas kembali ke preheater, karena suhu rendah maka gas-gas tersebut kembali ke bentuk padat, bercampur dengan raw mix lalu kembali masuk ke burning zone kiln, menguap kembali dan bersirkulasi seperti itu terus sehingga akan meningkatkan konsentrasi senyawa-senyawa tersebut didalam sistem pembakaran.

 

            Aliran gas panas kiln – preheater

Pengendapan gas-gas tersebut biasanya terjadi di preheater, karena suhu di preheater (sekitar 700^oC) lebih rendah dari burning kiln zone yang rata-rata 900 – 1000^oC sehingga gas-gas tersebut kembali kedalam bentuk yang tidak terlalu padat atau sticky dan bercampur kembali dengan rawmix.  Ini menyebabkan raw mix yang berada di preheater menjadi lebih lengket dan berpotensi menimbulkan blocking pada saluran/duct yang dilewatinya, terutama yang berada di bottom cyclone atau cyclone yang paling bawah.

Untuk itu, setelah gas-gas tersebut keluar dari inlet kiln secepatnya dilakukan tindakan bypass, yaitu mengekstraksi gas keluar sebelum masuk ke preheater dan melakukan quenching atau pendingingan tiba-tiba untuk gas tersebut, dari suhu yang tadinya sekitar 1000^oC menjadi kurang dari 450^oC, karena bila tidak dengan menggunakan proses quenching dan suhu gas yang membawa senyawa-senyawa tersebut hanya turun sampai 700^oC maka senyawa-senyawa ini akan membentuk kondisi sticky yang hal ini dapat menyebabkan clogging problem. Itulah kenapa perlu secepatnya dilakukan quenching sampai kurang dari 450^oC sehingga senyawa-senyawa tersebut membentuk kondisi non-sticky yang lebih mudah untuk ditangani dan tidak menimbulkan blocking.  

 Kandungan terbesar sulfur dan klorin berasal dari bahan mentah atau raw materials. Dalam banyak kasus, limestone atau batu kapur adalah penyumbang terbanyak klorin, alkali dan sulfur yang masuk dalam pembakaran kiln. tentu saja ini dikarenakan karena batu kapur adalah bahan utama dalam membuat semen. Bahan bakar pun ikut juga menyumbangkan klorin dan sulfur, sebagaimana yang bisa dilihat dari tabel dibawah ini:

Overview of some chlorine and sulphur concentrations
Raw material/fuel	Sulphur content (mass %)	Chlorine content (mass %)
Limestone	0.03-0.6	0.005-0.02
Clay	0.1-3	0.005-0.04
Coal	0.5-2.1	0.01-0.02
Petcoke	2.5-8	0.01-0.04
RDF	0.1-1.7	0.01-0.8

         Source: VDZ-Zementchemietagung 2011, Presentation of Cordes – VDZ data, Locher

2.1.1 Analisa water quenching bypass system

Instalasi system bypass telah dibuktikan dapat membatasi sirkulasi senyawa-senyawa volatile, terutama klorin. Sistem bypass ini selain mengurangi tingkat konsentrasi senyawa-senyawa volatile juga dapat memisahkan dust dan gas panas sehingga dust tersebut bisa digunakan kembali sebagai umpan di preheater.

 

Seperti yang bisa dilihat dari gambar diatas, lokasi yang paling efisien dalam penempatan bypass adalah pada kiln inlet chamber atau bagian terbawah pada riser duct, hal ini dikarenakan konsentrasi klorin, sulfur dan alkali dalam gas didaerah tersebut adalah yang paling tinggi.

Ada beberapa metode dalam proses bypass ini, salah satu metode dalam sistem bypass ini adalah dengan menggunakan water quenching. Ada beberapa pertimbangan menggunakan air (water) dibandingkan dengan udara sebagai pendinginnya. Dengan water quenching, hasil quenching akan menghasilkan gas temperatur rendah yang diinginkan dengan tingkat humidity yang lebih tinggi. Hal ini akan memberikan banyak keuntungan pada proses bypass, karena ini akan meningkatkan efisiensi dari electrostatic filter dalam menangkap debu dalam system bypass ini.

Banyak sistem bypass saat ini dilakukan dengan menggunakan udara untuk proses quenching didalam quenching chamber-nya. Masalah dari metode ini mungkin adalah banyaknya udara yang dibutuhkan dalam proses quenching bypass-nya Hal ini diperkirakan akan meningkatkan volume dari gas hasil bypass sehingga akan menurunkan tingkat efisiensi dust filter tersebut. Dengan kata lain, dibutuhkan dust filter yang lebih besar.

Analisa perbandingan menggunakan proses water quenching dengan air quenching : 

1)      Seperti yang dijelaskan sebelumnya, volume dari water quenched bypass lebih rendah daripada volume air quenched gases yang itu berarti lebih tingginya efisiensi dari dust filter. Dapat dijelaskan sebagai berikut:

1.a)  Satu gram air, dipanaskan dalam suhu lingkungan, katakanlah dari 30^oC menjadi 450 ^oC adalah dengan menyerap sekitar 950 kal, dari perhitungan:

·         70 kal (air dari suhu 30 ^oC menjadi 100 ^oC)

·         540 kal (air dari suhu 100 ^oC menjadi uap air di suhu latent evaporasi 100 ^oC)

·         350 kal (dari uap air bersuhu 100 ^oC menjadi uap air bersuhu 450 ^oC)

1.b)  Satu gram udara, dari suhu, katakanlah 30 ^oC menjadi 450 ^oC hanya menyerap sekitar 126 kal, dari perhitungan:

·         (450 ^oC - 30 ^oC) * 0.3 kal/gram udara/ ^oC.

Dari 1.a dan 1.b jelas bahwa satu gram air mempunyai cooling effect yang sama dengan 7.5 gram udara dalam menyerap jumlah panas yang sama, bila dipanaskan dari 30 ^oC sampai 450 ^oC. Sehingga dapat dikatakan, water quenching menghasilkan lebih sedikit volume quenched gas bila dibandingkan dengan proses quenching menggunakan udara dalam bypass.

2)      Meningkatkan tingkat humidity dari quenched gas. Hal ini akan menghasilkan :

2.a) Meningkatkan efisiensi dari electrostatic dust precipitator karena meningkatnya humidity dari gas.

2.b) Menurunkan jumlah kebutuhan air dalam cooling tower, karena dengan menggunakan water chamber, selain menurunkan temperatur tetapi juga mendapatkan tingkat humidity yang sesuai untuk electrostatic dust filter agar dapat beroperasi secara efisien.

Hal ini dapat berpengaruh pada berkurangnya kemungkinan problem pada cooling tower yang mungkin dapat menyebabkan kiln berhenti beroperasi. Bahkan dengan water quenching bypass ini diharapkan dapat menggantikan cooling tower dalam menurunkan temperatur yang sesuai untuk dust filter. Sehingga ini dapat menghemat biaya operasi dan maintenance dari cooling tower.

3)      Konsumsi daya listrik dapat dihemat karena menurunkan air quenching fan speed.

Bahkan gas fan speed pada system bypass dapat dikurangi karena volume total dari gas di bypass lebih sedikit bila dibanding dengan total volume gas yang menggunakan air quenched. Pengurangan dari volume total dari gas ini berarti dapat menurunkan kerja fan dan secara berkelanjutan dapat mengurangi konsumsi listrik dari fan.

Dengan ini dapat dikatakan, penggunaan sistem water quenching dapat meningkatkan efisiensi dari dust filter, serta dapat menghemat biaya dari cooling tower dan konsumsi listrik bila dibandingkan menggunakan sistem air quenching.      

3.      Penutup

3.1   Kesimpulan

Akumulasi dari klorin, sulfur dan alkali yang tinggi dapat menimbulkan masalah mampat (clogging problem) pada preheater, terutama pada bottom cyclone-nya. hal ini dapat diatasi dengan penginstalasian sistem bypass, sehinnga dapat mengurangi kosentrasi senyawa-senyawa yang bersirkulasi.

Sistem bypass, dalam hal ini menggunakan water quenching, dapat diaplikasikan pada industri pembuatan semen yang menggunakan preheater atau proses kering (dry production process) yang diinstalasikan bilamana sistem kiln membutuhkan bypass pada sirkulasi gas panasnya untuk menghilangkan  senyawa-senyawa yang tidak diinginkan seperti klorin, sulfur atau alkali.

3.2   Pendapat saya

Menurut saya, masalah ini timbul karena kandungan senyawa-senyawa klorin, sulfur dan alkali pada bahan mentah ataupun bahan bakar yang cukup tinggi, disamping memang sistem preheater sangat sensitif terhadap masalah sirkulasi senyawa-senyawa tersebut. Untuk meminimalisir hal ini perlu diadakan kontrol dalam pemakaian bahan mentah dan bahan bakar, sehingga kandungan senyawa-senyawa tersebut dapat ditekan seminimal mungkin.

Namun bila penggantian bahan mentah atau bahan bakar tidak memungkinkan atau untuk alasan ekonomis, maka dengan diinstalasinya sistem bypass ini memungkinkan plant untuk meningkatkan avalaibilty-nya, atau dengan kata lain dapat lebih fleksibel dalam memakai bahan mentah atau  bahan bakar alternatif. 

Seperti yang dijelaskan diatas, instalasi sistem bypass ini mungkin dipicu oleh situasi ketersediaan bahan mentah lokal ataupun juga usaha dari produsen semen itu sendiri untuk meningkatkan penggunaan bahan mentah atau bahan bakar alternatif. Dengan pengalaman industri semen dalam mencari solusi-solusi baru dalam pengoptimalan proses dan energi, maka hal itu secara tidak langsung juga menjawab pertanyaan-pertanyaan lain yang penting, seperti misalnya mengenai efisiensi atau pengolahan gas dan debu, sehingga hal-hal tersebut dapat diatasi secara memuaskan, seperti halnya dalam penggunaan system bypass ini.  Sekian.