MODEL NERACA MASSA SISTEM KILN DI PABRIK SEMEN

Berikut ini akan saya jelaskan mengenai model neraca massa sistem KILN di Pabrik Semen.

1. Pendahuluan

Evaluasi distribusi energi termal dari suatu instalasi harus diawali dengan memetakan aliran massa. Tanpa mengevaluasi secara cermat aliran massa, penyimpangan yang terjadi akan sangat besar. Konsep energi akan selalu terkait dengan massa, dan untuk kajian energi termal, energi dibentuk oleh dua besaran utama, yaitu massa dan temperatur.Dalam tulisan ini akan dibahas satu contoh model neraca massa untuk suatu pabrik semen dengan konfigurasi suspension preheater tertentu, sedangkan untuk konfigurasi lain akan diberikan dalam lampiran. Proses evaluasi aliran massa diturunkan dengan memakai kaidah hukum kekekalan massa (massa yang masuk sistem sama dengan massa yang keluar sistem), dimulai dengan membalans massa sistem secara keseluruhan yang terintegrasi (global) dan dilanjutkan dengan balans massa tiap-tiap sistem yang berdiri sendiri (lokal).

2.  Neraca Massa Global

2.1.  Model Neraca Massa Global

 
Neraca massa global yang dikaji dalam studi ini adalah neraca massa masuk dan keluar sistem yang terdiri dari suspension preheater, kiln, dan cooler. Model neraca massa global sistem kiln (suspension preheater, kiln, dan cooler) ditunjukkan oleh gambar sebagai berikut:

Dari model neraca massa yang digambarkan pada gambar 1 dapat dilihat parameter-parameter yang menjadi massa input dan massa output. Aliran massa masuk ke dalam sistem meliputi:

1. Kiln feed (fresh raw mix) adalah bahan baku yang diumpankan ke dalam preheater dalam satuan massa ton per hari. Kiln feed yang diumpankan ini selanjutnya akan terbagi ke dalam dua string. Pembagiannya didasarkan pada besarnya temperatur siklon-siklon pada kedua string tersebut

2. Bahan bakar yang diumpankan ke dalam sistem global terdiri dari coal, IDO (oil), dan gas. Bahan bakar tersebut diinjeksikan ke dalam dua ruang bakar, yaitu ke main burner (di kiln) dan ke Calciner burner atau PC duct burner (di PC duct). Massa coal dan IDO yang masuk ke main burner masing-masing disimbulkan dengan Mbbkiln dan Moilk, sedangkan yang masuk ke PC duct burner masing-masing disimbulkan dengan Mbbduct dan Moild. Untuk gas pada studi ini harganya diasumsikan nol.

3. Massa udara yang masuk ke dalam sistem terdiri dari massa udara pendingin cooler dan massa udara primer. Massa udara pendingin cooler sebagai fungsi dari kiln feed dan bahan bakar, dihasilkan oleh beberapa fan pada grate cooler dan besarnya ditulis dengan Mudcooler. Massa udara primer berasal dari udara primer yang dinjeksikan ke dalam main burner bersama-sama dengan bahan bakar (Mudprikiln) dan udara primer yang masuk bersama-sama bahan bakar yang masuk Calciner burner atau PC duct burner (Mudpriduct).

Aliran massa yang keluar keluar dari sistem cukup banyak, antara lain :

-  masssa klinker keluar cooler

massa klinker ini besarnya adalah 1 (kg/kgcl), karena klinker ini dijadikan sebagai basis untuk massa yang lain.

-  massa gas keluar dari top cyclone

gas yang keluar dari top cyclone merupakan gas hasil pembakaran bahan bakar total, termasuk CO₂ hasil pembakaran bahan bakar.

-  massa CO₂ keluar top cyclone

CO₂ yang keluar dari top cyclone adalah CO₂ yang dihasilkan oleh kalsinasi kiln feed total di kiln dan di preheater saja, jadi dipisahkan dari CO₂ hasil pembakaran bahan bakar.

-  massa uap air keluar top cyclone

Uap air yang keluar dari top cyclone (H₂O) berasal dari penguapan(evaporasi) uap air yang terkandung dalam  kiln feed dan bahan bakar, tetapi tidak termasuk uap air hasil pembakaran bahan bakar.

-  massa debu keluar top cyclone

Debu yang keluar dari top cyclone (return dust) berasal dari massa kiln feed yang tidak tersaring pada top cyclone. Besarnya tergantung pada harga efisiensi top cyclone.

-  massa udara buang keluar cooler

Massa udara buang yang keluar dari cooler (Mudcooler) ini besarnya tergantung dari jumlah massa udara pendingin yang masuk cooler dikurangi sebagian dari udara yang dipergunakan sebagai udara pembakaran bahan bakar.

2.2. Metode Perhitungan Neraca Massa Global

Parameter-parameter yang telah dipaparkan di atas tidak semuanya diketahui harganya, terutama parameter yang menjadi output. Oleh sebab itulah harus dilakukan perhitungan-perhitungan untuk menentukan parameter-parameter di atas. Dalam melakukan perhitungan neraca massa, diambil beberapa asumsi yang  antara lain :

Ø Kondisi aliran massa tunak

Ø Proses pembakaran sempurna dan tidak ada sisa bahan bakar yang tidak terbakar. 

Ø Sebagian kiln feed yang diumpankan ke dalam SP dan tidak tersaring oleh top cyclone akhirnya disaring hampir seluruhnya oleh electrostatic precipitator (EP) dan kembali diumpankan bersama-sama dengan fresh kiln feed.

Ø Tidak ada debu dari bahan bakar yang menjadi fly ash, sehingga seluruh debu yang terkandung dalam bahan bakar akan menjadi komponen klinker

Ø Seluruh air yang terkandung dalam bahan bakar maupun kiln feed akan menguap selama proses dan keluar melalui top cyclone bersama-sama dengan gas hasil pembakaran dan gas hasil proses kalsinasi CaCO₃ dan MgCO₃.

Ø Seluruh massa debu yang terbawa exit air terhitung sebagai massa klinker keluar dari cooler (tersaring di electrostatic precipitator) dan dimasukkan sebagai produk klinker)

2.2.1. Metode Penentuan Produksi Klinker

Kiln feed yang akan menjadi klinker bercampur dengan abu dari bahan bakar (Ashcl) dan keluar bersama-sama dari cooler sebagai produk klinker. Jadi abu ini tidak ikut terbang bersama gas pembakaran keluar preheater. Kadar abu ini [ton perjam] dapat dihitung dari persentase abu yang terkandung dalam bahan bakar coal dan IDO sbb : 

Ashcl = Ash/100 * (Vck + Vcd) + ash1 / 100 * (0.9 * (Vok + Vod)                

dimana :

     Ash = kadar abu dalam bahan bakar coal

     Ash1 = kadar abu dalam bahan bakar IDO

Vck = laju bahan bakar coal ke kiln [ton / jam]

Vcd = laju bahan bakar coal ke Calciner atau PC duct [ton / jam]

Vok = laju bahan bakar IDO ke kiln [kiloliter/jam]

Vod = laju bahan bakar IDO ke Calciner atau PC duct [kiloliter/jam]

Jika KF adalah massa kiln feed yang diumpankan ke dalam preheater [ton/jam], maka jumlah kiln feed yang akan tersaring pada siklon paling atas adalah :

KFtersaring = E_top * KF  [ton/jam]                                                                         (2)

dimana E_top adalah efisiensi separasi siklon teratas.

Kiln feed yang tersaring ini sebagian akan terkalsinasi menjadi CO₂ dan uap air yang terkandung di dalamnya akan menguap menjadi uap air. CO₂ yang diproduksi dari hasil reaksi kalsinasi kiln feed yang tersaring ini (co2rm) dapat dirumuskan sebagai berikut : co2rm = ((44 / 56) * KFtersaring * CaOR / 100 + (44 / 40.3)

             * KFtersaring * MgOR / 100)     [ton/jam]                                     (3)

dengan CaOR dam MgOR adalah berturut-turut prosentase kadar CaO dan MgO dalam rawmix. Sedangkan ap air yang dihasilkan dari penguapan kiln feed adalah sebesar:

           M_uaprm = (H2OR/100) x KF [ton/jam]                                                    (4)

dimana H2OR adalah prosentase air yang terkandung dalam kiln feed. CO₂ dan Uap air yang terbentuk dari rawmix beserta gas-gas lainnya selama mengalami pemanasan dan proses kalsinasi atau proses pembakaran di peralatanm proses ini sering disebut dengan lost of ignition (LOI). Dari hasil pengujian di laboratorium diperoleh harga Lost of Ignition (LOI) ini merupakan variabel yang cukup berpengaruh dalam menentukan jumlah kiln feed yang akan menjadi klinker. Apabila jumlah LOI dari kiln feed yang tersaring lebih besar dari CO₂ dan H₂O yang terkandung atau dihasilkan oleh kiln feed, maka jumlah kiln feed yang akan menjadi klinker (KFklinker) dirumuskan sebagai berikut :

KFklinker = KFtersaring x (1 – LOI100)   [ton/jam]                                    (5)

dimana LOI adalah prosentase dari rawmix yang akan menguap selama proses pemanasan dan pembakaran.Hal ini menunjukkan bahwa ada gas lain di luar CO₂ dan H₂O yang terbentuk dari kiln feed yang besarnya adalah :

M_gas = {(LOI - H2OR)/100} x KFtersaring - co2rm    [ton/jam]                           (6)

Sebaliknya, apabila jumlah LOI kurang dari CO₂ dan H₂O yang berarti tidak ada gas lain yang terbentuk dari kiln feed kecuali CO₂ dan H₂O , maka persamaan (5) menjadi :

             KFklinker = (KFtersaring x (1 - H2OR/100) - co2rm)  [ton/jam]                 (7)

Dengan diketahuinya variabel-variabel di atas, maka dapat ditentukan besarnya produksi klinker, yaitu :

prodcl = (KFklinker + Ashcl) * 24              [ton/hari]                                          (8)

Parameter-parameter lain yang sangat signifikan yang dapat diturunkan dari persamaan di atas antara lain :

a. Rawmix consumption including dust losses (R),

didefinisikan sebagai perbandingan antara kiln feed yang diumpankan ke preheater dengan kiln feed yang menjadi klinker yang telah bercampur dengan abu bahan bakar

R = KF / (KFklinker + Ashcl)                                                                          (9)

b. Return dust,

adalah material padatan kering yang tersaring oleh siklon teratas yang dihitung perkilogram klinker

retdust = KF * (1 - H2OR) * (1 - E5a) * 24 / prodcl    [kg/kg klinker]          (10)

c. Gas karbon dioksida dari rawmix (CO₂)

CO₂ hasil kalsinasi kiln feed yang dihitung perkilogram klinker dalam satuan Nm³ dituliskan sbb :

co2 = (co2rm / prodcl * 24) * 22.4 / 44  [Nm³/kg klinker]                     (11)

d. Rawmix for clinker only ratio (RMCLF),

didefinisikan sebagai perbandingan antara kiln feed yang tersaring oleh siklon teratas dengan kiln feed yang menjadi klinker yang telah bercampur dengan abu dari bahan bakar, yang bersarnya adalah :

RMCLF = KFtersaring / (KFklinker + Ashcl)                                                    (12)

e. Massa bahan bakar,

Massa bahan bakar coal dan oil yang diumpankan ke kiln dan Calciner atau PC duct masing-masing dirumuskan sebagai berikut :

           Mbbkiln = Vck * 24 / prodcl     [kg/kg klinker]                                                      (13)

           Mbbduct = Vcd * 24 / prodcl     [kg/kg klinker]                                                      (14)

           Moilk = 0,9 * Vok * 1000 * 24 / (prodcl * 1000)   [kg/kg klinker]                 (15)

           Moild = 0,9 * Vod * 1000 * 24 / (prodcl * 1000)   [kg/kg klinker]                 (16)

      Vck, Vcd, Vok, Vod berturut-turut adalah laju massa (bagi batu bara) atau laju volume (bagi IDO) yang diumpankan ke kiln dan Calciner atau PC duct. Sedangkan angka 0,9 merupakan harga pendekatan untuk ‘specific gravity’ dari bahan bakar IDO

f. Abu dari bahan bakar di kiln (Ashkiln) dan Calciner atau  PC duct (Ashduct) perkilogram klinker dapat dihitung sebagai berikut:

  Ashkiln = Ashcl * (Mbbkiln / (Mbbkiln + Mbbduct)) * 24 / prodcl   

[kg/kg klinker]                                                                     (17)

Ashduct = Ashcl * (Mbbduct / (Mbbkiln + Mbbduct)) * 24 / prodcl 

[kg/kg klinker]                                                                     (18)

2.2.2. Metode Penentuan Kebutuhan Udara

Udara yang dibutuhkan untuk pembakaran diklasifikasikan menjadi dua macam, yaitu udara pembakaran teoritik dan udara pembakaran aktual. Udara pembakaran teoritik didefinisikan sebagai udara minimum yang dibutuhkan untuk pembakaran bahan bakar. Untuk menghitung kebutuhan udara teoritik di kiln (Lmink) dan di Calciner atau PC duct (Lmind), harus dihitung terlebih dulu besarnya oksigen minimum pembakaran. Oksigen minimum untuk membakar satu kilogram bahan bakar yang terdiri dari coal dan IDO, Omincoal dan Ominido  dirumuskan :

    Omincoal = ((22.4 / 12) * C + (22.4 / 4) * H + (22.4 / 32) * S

                       - (22.4 / 32) * O) / 100                                      (19)

               Ominido = ((22.4 / 12) * C1 + (22.4 / 4) * H1 + (22.4 / 32) * S1

                                 - (22.4 / 32) * O1) / 100                                      (20)                                           

Oksigen minimum yang diperlukan di kiln dan Calciner atau PC duct masing masing adalah :

Omink = Omincoal * Mbbkiln + Ominido * Moilk                                (21)

Omind = Omincoal * Mbbduct + Ominido * Moild                                (22)

Dengan demikian, udara minimum yang diperlukan di kiln dan PC duct adalah :

     Lmink = 4.762 * Omink   (Nm³/kg klinker)                                        (23)

     Lmind = 4.762 * Omind  (Nm³/kg klinker)                                        (24)

Udara pembakaran aktual didefinisikan sebagai jumlah udara hasil pengukuran pada masukan di main burner (Mudprikiln) dan di PC duct burner (Mudpriduct).

2.2.3.    Metode Penentuan Kelebihan Udara Pembakaran (Excess Air)

Udara yang diperlukan untuk pembakaran pasti mengandung udara berlebih (Excess Air). Excess air merupakan parameter yang sangat penting dalam penentuan suplay bahan bakar dan kebutuhan udara pembakaran serta untuk perhitungan energi gas hasil pembakaran bahan bakar baik di kiln maupun di preheater. Kelebihan udara pembakaran di kiln dituliskan dengan Excesskiln,  kelebihan udara pembakaran di preheater dituliskan dengan Excessd, dan kelebihan udara pembakaran total di kiln dan preheater dituliskan dengan Excesstot.

3. Neraca Massa di Masing-Masing Peralatan Utama

Perhitungan neraca massa di masing-masing peralatan utama baru dapat dilakukan jika aliran massa pada sistem global sudah balans. Neraca massa di masing-masing peralatan utama proses yang dimaksud adalah neraca massa baik gas maupun padatan di setiap peralatan utama proses yang meliputi suspension preheater, kiln dan cooler. Untuk menghitung neraca massa tersebut dimulai dari cooler dilanjutkan dengan kiln, dan suspension preheater. Perhitungan dimulai dari cooler karena parameter-parameter utama-utama yang sangat menentukan parameter-parameter lainnya berada di sini, seperti laju produksi klinker, massa udara pendingin, massa udara buang, dan massa udara sekunder. 
 

3.1. Neraca Massa di Grate Cooler

Dalam membahas neraca massa di cooler ini, diambil beberapa asumsi antara lain:

- Selalu terjadi kelebihan udara pendingin klinker yang dibuang ke lingkungan. Besarnya kelebihan udara cooler ini adalah sejumlah udara pendingin yang dipergunakan untuk mendinginkan klinker ditambah dengan false air di cooler kemudian dikurangi dengan udara sekunder untuk proses pembakaran bahan bakar di kiln dan di Calciner atau PC duct

- Terdapat sebagian klinker yang kembali ke kiln karena terbawa oleh udara sekunder. Sedangkan debu klinker yang terbawa oleh udara pendingin lebih yang dibuang ke atmosfer diasumsikan seluruhnya tersaring oleh electrostatic precipitator sebagai produk klinker (termasuk dalam satu kg produk klinker).