Analisis Batubara PDF

Preview

Summary

TUGAS TEKNIK TAMBANG BATUBARA Judul : Analisis Proximate, Analisis Ultimate dan Analisis Miscellaneous Pada Batubara. Disusun oleh : NAMA : TIFFANI A SIMORANGKIR NIM : 12 306 096 JURUSAN : TEKNIK PERTAMBANGAN TEKNIK PERTAMBANGAN FAKULTAS TEKNOLOGI MINERAL INNSTITUT TEKNOLOGI MEDAN TA 2013/2014 Param...

Description

TUGAS TEKNIK TAMBANG BATUBARA

Judul : Analisis Proximate, Analisis Miscellaneous Pada Batubara.

Ultimate

dan

Disusun oleh : NAMA

: TIFFANI A SIMORANGKIR

NIM

: 12 306 096

JURUSAN : TEKNIK PERTAMBANGAN

TEKNIK PERTAMBANGAN FAKULTAS TEKNOLOGI MINERAL INNSTITUT TEKNOLOGI MEDAN TA 2013/2014

Analisis

Parameter-parameter dalam analisa batubara

Kegiatan ini meliputi :

 Analisis – analisi dasar, yaitu analisis proximat (Moisture, Ash, Volatile Matter dan Fixed Carbon)

 Analisis ultimate (karbon, hydrogen, nitrogen, sulfur dan oksigen) dan penentuan unsur-unsur tertentu dalam batubara.

 Penentuan-penentuan khusus (calorific value, hardgrove grindability index, abrasion index, ash fushion temperature, ash analysis, klor,dsb).

1. Analisis Proksimat Batubara (Coal Proximate Analysis) Analisis proksimat batubara bertujuan untuk menentukan kadar Moisture (air dalam batubara) kadar moisture ini mengcakup pula nilai free moisture serta total moisture, ash (debu), volatile matters (zat terbang), dan fixed carbon (karbon tertambat). Moisture ialah kandungan air yang terdapat dalam batubara sedangkan abu (ash) merupakan kandungan residu non-combustible yang umumnya terdiri dari senyawa-senyawa silika oksida (SiO2), kalsium oksida (CaO), karbonat, dan mineralmineral lainnya,Volatile matters adalah kandungan batubara yang terbebaskan pada temperatur tinggi tanpa keberadaan oksigen (misalnya CxHy, H2, SOx, dan

2

sebagainya). Fixed carbon ialah kadar karbon tetap yang terdapat dalam batubara setelah volatile matters dipisahkan dari batubara. Kadar fixed carbon ini berbeda dengan kadar karbon (C) hasil analisis ultimat karena sebagian karbon berikatan membentuk senyawa hidrokarbon volatile. Proximate : Moisture, Ash, Volatile Matter, dan Fixed

 Carbon.

 Total MoistureTotal Sulfur  Calori Value

Analisa proximate ini berguna untuk menentukan rank batubara, rasio pembakaran (fuel ratio) dan dapat digunakan untuk mengkonversi basis analisa untuk parameter uji. Masing- masing parameter dalam proximate memiliki prosedur tersendiri dalam pengujiannya. Moisture in the analysis sampel mengacu pada Standar ASTM D3173 Standard Test Method for Moisture in the analysis sampel for coal and coke. Atau dalam standar ISO 11722 mengenai Solid mineral fuels Hard coal, Determination of moisture in the general analysis test sample by drying in nitrogen.

a) Kandungan Air (Moisture in Analysis) Moisture in the analysis merupakan nilai moisture batubara pada saat setelah batubara tersebut di air drying (diangin-anginkan) pada suhu 30-40 0C. dan sampel yang digunakan adalah sampel yang lolos ayakan 250 micrometer. Sampel batubara dipanaskan pada suhu 105 0C dibawah aliran gas nitrogen atau dapat pula dengan air compressed (udara tekan). Dengan pemanasan ini, air yang ada dalam batubara akan menguap seluruhnya. Karena kita tahu bahwa titik didih air berada pada 100 0C. Massa yang hilang akibat pemanasan ini dihitung sebagai persen massa terhadap massa awal yang digunakan, sehingga diperoleh nilai % moisture in the analysis sampel.

3

Pada dasarnya semua parameter itu ditentukan pada sample setelah air drying sehingga basisnya adalah air dried basis (adb) atau as determined basis (adb). Untuk mengkonversi basis adb ke basis lainnya, maka digunakan nilai Moisture in the analysis sample dengan rumus table konversi. Table konversi ini dapat mengacu ada standar ASTM D3180 Standard Practice for Calculating Coal and Coke Analyses from AsDetermined to Different Bases. Atau dalam standar ISO 1170 Coal and coke calculation of analysis to different bases. Kadar air dalam batubara akan menurunkan panas per-kg batubara, dalam batubara kandungannya antara 0,5% -10% dari beratnya. Analisa kadar air dilakukan dengan menempatkan sampel batubara yang telah dihaluskan sampai ukuran 200 mikron dalam krus terbuka, lalu dipanaskan dalam oven pada suhu 108±20C dan di beri penutup. Didinginkan pada suhu kamar dan ditimbang. Kehilangan berat adalah kadar airnya. Moisture in Analysis adalah moisture yang dianggap terdapat dalam ronggarongga kapiler dan pori-pori batubara yang relative kecil, yang mana pada kedalaman aslinya secara teori bahwa kondisi tersebut adalah kondisi yang tingkat kelembaban yang 100% serta pada suhu 30oC, karena sulitnya mengemulsi kondisi batubara pada kedalaman aslinya, maka badan standarisasi menetapkan kondisi batubara pada kedalaman aslinya, maka badan standarisasi menetapkan kondisi pendekatan untuk dipergunakan pada metode standar pengujian di laboratorium. Standar Internasional (ISO), British (BS), Australia (AS) dan Amerika (ASTM) menetapkan bahwa kondisi pendekatan yang dipergunakan tersebut adalah kondisi dengan tingkat kelembaban antar 96% sampai 97% dengan suhu 30 0C. Banyaknya kandungan moisture in Analysis dikenal pula istilah lain dari moisture in Analysis dalam suatu batubara dapat dipergunakan sebagai tolak ukur tinggi rendahnya tingkat rank batubara tersebut.

4

Selain istilah moisture in Analysis dikenal pula istilah lain dari moisture in Analysis yaitu Bed Moisture yang banyak dipakai, sedangkan Moisture Holding Capacity (MHC) adalah istilah yang digunakan oleh International Standard Organization (ISO), British Standard (BS) dan sedangkan American Society For Testing and Materials (ASTM) mempergunakan istilah Equilibrium Moisture. MHC dan Equilibrium Moisture adalah istilah yang dipergunakan untuk nama pengujian.

b) Zat Terbang (Volatile Matter) Volatile Matter (VM) adalah banyaknya zat yang hilang bila sampel batubara dipanaskan pada suhu dan waktu yang telah ditentukan (setelah dikoreksi dengan kadar moisture). Suhunya adalah 9000C, dan waktunya 7 menit tepat. Moisture berpengaruh pada hasil penentuan VM sehingga sampel yang dikeringkan dengan oven akan memberikan hasil yang berbeda dengan sampel yang dikeringkan di udara. Faktorfaktor yang mempengaruhi hasil penentuan VM ialah suhu, waktu, kecepatan, pemanasan, penyebaran butir (size distibition) dan ukuran partikelnya. Bahan

yang

mudah

menguap

dari

batubara

adalah

Methana,

Hidrokarbon, Hidrogen, CO2, CO, dan NO. Kadar VM akan berbanding lurus dengan nyala api dan membantu dalam memudahkan penyalaan batubara. Kadarnya terentang antara 20-35% dari berat batubara. Sampel batubara ditimbang dan ditempatkan pada krus tertutup lalu dipanaskan dlam tanur pada suhu 9000C 15. Sampel didinginkan dan ditimbang. Kehilangan berat adalah kadar VM.

c) Kandungan Mineralnya (Ash Content) Kandungan abu akan terbawa bersama gas pembakaran melalui ruang bakar dan daerah konversi dalam bentuk abu terbang (fly ash) yang jumlahnya mencapai 80 persen dan abu dasar sebanyak 20 persen. Semakin tinggi kadar abu, secara umum akan mempengaruhi tingkat pengotoran (fouling), keausan, dan korosi peralatan yang dilalui. Batubara sebenarnya tidak mengandung abu,tetapi mengandung zat organic yang berupa mineral. Abu merupakan kotoran yang tidak akan terbakar, parameter ini berguna untuk penentuan efesiensin pembakaran. Buka tutup krus yang dipakai dalam analisa kadar

5

VM, kemudian krus dipanaskan di atas nyala Bunsen, hingga seluruh karbon terbakar (uap hitamnya habis). Didinginkan lalu ditimbang untuk mendapatkan kadar abu. Abu merupakan residu anorganik hasil pembakaran batubara , terdiri dari oksida-oksida logam seperti Fe2O3,MgO, Na2O, K2O, dan sebagainya.Dan juga mengandung logam oksida-oksida non logam seperti SiO2,P2O5, dan lain-lain. Pembakaran batubara pada metode British Standar (BS), dan Australian Standar (AS) dilakukan pada suhu 8150C dan dilakukan selama tiga jam dan dianggap konstan. Pada metode ISO, pembakaran batubara dilakukan dengan dua tahap. Tahap pertama, pembakaran dilakukan mulai suhu ruangan sampai pada suhu 500 0C selama 1 jam, ditahan selama 30 menit (untuk brown coal dan lignite harus ditahan selama 1 jam)kemudian dilanjutkan sampai 8150C ± 100C. Pada metode ASTM, umumnya dilakukan pada suhu 7500C selama 4 jam, namun pada batubara tertentu lama pembakaran bias berkurang maupun bertambah tergantung dari jenis batubara yang dianalisa. Nilai kandungan abu suatu batubara selalu lebih kecil dari pada kandungan mineral-mineralnya. Hal ini terjadi karena selama pembakaran terjadi perubahan kimiawi pada batubara tersebut, seperti menguapnya air Kristal karbon dioksida dan oksida sulfur.

d) Fixed Carbon Fixed Carbon adalah karbon dalam keadaan bebas yang tidak terikat dengan elemen lain. Kandungan fixed carbon dapat memberikan gambaran kasar atas nilai kalor batubara. Pada prakteknya penentuan kadar FC adalah dengan rumus : 100 %-(% M+%VM+%A) Fixed carbon tidak dapat dihitung melalui pengujian secara laboratorium, melainkan hasilnya didapatkan dari hasil perhitungan jenis analisa proximate lainnya adalah pengurangan dari kadar abu, kadar air dan kadar zat terbang. Berikut adalah beberapa istilah dalam perhitungan energy dalam pertambangan: 1. BCURA Formula singkatan dari British Coal Utilization Researh Association formula yaitu rumus untuk menghitung bahan mineral dalam batubara (MM/Mineral Matter (%)= 1,1A (Ash) + 0,053S (sulphur) + 0,74 CO2 – 0,36

6

2. BOE = Barrel of Oil Equivalen. 1 BOE setara dengan 0,2004 Ton batubara 3. BTU=British Thermal Unit yaitu jumlah panas yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 pon air sebanyak 10Fahrenheit untuk berat jenis maksimum (= 1) pada suhu 39,10 F. 1 BTU equivalen dengan 1054,35 Joule atau equivalen dengan 0,25199 kcal. Contoh Perhitungan Proximate Analisis :

Proximate Analysis

unit

(ar)

(ad)

(db)

(daf)

Moisture

(wt. %)

3.3

3.3

2.7

Ash

(wt. %)

22.1

22.2

22.8

Volatile Matter

(wt. %)

27.3

27.5

28.3

36.6

Fixed Carbon

(wt. %)

47.3

47.6

48.9

63.4

Gross Calorific Value

(MJ/kg) 24.73

24.88

25.57

33.13

7

2. Analisis Ultimat Batubara (Coal Ultimate Analysis) Analisis ultimat dilakukan untuk menentukan kadar karbon (C), hidrogen (H), oksigen (O), nitrogen, (N), dan sulfur (S) dalam batubara. Seiring dengan perkembangan teknologi, analisis ultimat batubara sekarang sudah dapat dilakukan dengan cepat dan mudah. Kandungan Oksigen mungkin merupakan indikator yang paling signifikan dari sifat kimia batubara, yaitu untuk keperluan penerapannya di pembakaran, pencairan, dan pengkokasan, serta untuk menentukan peringkat. Kandungan oksigen secara tradisi dihitung sebagai oxygen by different (O diff) yaitu porsi sisa batubara setelah dikurangi C, H, N dan S. Kandungan oksigen diperoleh secara tidak langsung sehingga mengakumulasi semua kesalahan yang terjadi dalam analisis unsur, dan dalam penentuan basis mineral-matter atau basis bebas mineral matter.

Struktur Unsur Batubara

Analisa ultimat ini sepenuhnya dilakukan oleh alat yang sudah terhubung dengan komputer. Prosedur analisis ultimat ini cukup ringkas; cukup dengan memasukkan sampel batubara ke dalam alat dan hasil analisis akan muncul kemudian pada layar komputer. Salah satu metode standar yang digunakan untuk coal ultimate analysis adalah ASTM D3176-09 Standard Practice for Ultimate Analysis of Coal and Coke. Selain itu ada juga ASTM D5373 – 13 Standard Test Methods for Determination of Carbon,

8

Hydrogen and Nitrogen in Analysis Samples of Coal and Carbon in Analysis Samples of Coal and Coke. Penggunaan analisis ini sebagai berikut 

Nilai karbon dan hidrogen dapat digunakan untuk menentukan jumlah oksigen (udara) yang diperlukan dalam proses



pembakaran dan untuk perhitungan

efisiensi proses pembakaran. Penentuan karbon dan hidrogen dapat digunakan dalam perhitungan material balance, reaktivitas dan hasil produk yang relevan dengan proses konversi batubara



seperti gasifikasi dan pencairan. Nilai karbon dan nitrogen dapat digunakan dalam perhitungan material balance yang digunakan untuk tujuan perhitungan emisi.

a) Nilai Sulphur pada Batubara Di dalam batubara, sulfur bisa berupa bagian dari material carbonaceous atau bisa berupa bagian mineral seperti sulfat dan sulfida. Gas sulfur dioksida yang terbentuk selama pembakaran merupakan polutan yang serius. Kebanyakan negara memiliki peraturan mengenai emisi gas tersebut ke atmosfir. Satu persen adalah limit kandungan sulfur dalam batubara yang banyak dipakai oleh negara-negara pengguna batubara. Kandungan yang tinggi dalam coking coal tidak diinginkan karena akan berakumulasi di dalam cairan logam panas sehingga memerlukan proses desulfurisasi. Sulfur dalam batubara terdapat dalam tiga bentuk, yaitu pyritic sulphur, sulphate sulphur dan organic sulphur. Analisis forms of sulphur dilakukan untuk mengetahui komposisi penyusun sulfur. Organic sulphur terdapat pada seluruh material carbonaceous dalam batubara dan jumlahnya tidak dapat dikurangi dengan teknik pencucian Sulfur dalam bentuk pyritic dan sulphate merupakan bagian dari mineral-matter yang terdapat dalam batubara yang jumlahnya kemungkinan masih dapat dikurangi dengan teknik pencucian. Persen pyritic dan sulphate sulphur didapat melalui analisis di laboratorium, sedangkan organic sulphur didapat dengan cara mengurangi % total sulphur dengan pyritic dan sulphate sulphur (S(o) = TS-S(p)-S(s)). Terdapatnya sulphate sulphur dalam suatu batubara sering dipergunakan sebagai penunjuk bahwa batubara tersebut telah teroksidasi, sedangkan pyritic sulphur dianggap

9

sebagai salah satu penyebab timbulnya spontaneous combustion. Spontaneous combusition adalah proses terjadinya kebakaran stockpile batubara secara spontan. Sebelum dilakukan proses pencucian batubara sebaiknya dilakukan analisis forms of sulphur terlebih dahulu, untuk mengetahui %organic sulphur-nya. Apabila organic sulphur-nya > 1.00%, kita harus menyadari bahwa sebaik apapun proses pencucian batubara tersebut, produknya tetap akan mengandung total sulphur > 1.00% sehingga kita dapat menentukan apakah proses pencucian batubara efektif untuk dilakukan atau tidak.

b) Karbon / Carbonate Carbondioxide Penetapan carbonate carbondioxide dilakukan untuk mendapatkan angka yang dapat dipergunakan sebagai pengoreksi hasil penetapan karbon, sehingga karbon yang dilaporkan hanyalah karbon organik (organic carbon). Penetapan carbonate carbondioxide tidak perlu dilakukan pada contoh batubara derajat rendah (brown coal dan lignite), karena batubara derajat rendah atau lower rank coal bersifat asam sehingga carbonate carbon-nya akan kosong.

c) Klorin / Chlorine Chlorine adalah salah satu elemen batubara yang dapat menimbulkan korosi (pengkaratan) dan masalah fouling/slagging (pengkerakkan) pada ketel uap. Kadar chlorine lebih kecil dari 0.2% dianggap rendah, sedangkan kadar chlorine lebih besar dari 0.5% dianggap tinggi. Adanya elemen chlorine selalu bersama-sama dengan adanya elemen natrium.

d) Fosfor / Phosporus Adanya phosphorus (posfor) di dalam coking coal sangat tidak diinginkan karena dalam peleburan baja, phosphorus akan berakumulasi dan tinggal dalam baja yang dihasilkan. Baja yang mengandung phosphorus tinggi akan cepat rapuh. Phosphorus juga dapat menimbulkan masalah pada pembakaran batubara di ketel karena phosphorus dapat membentuk deposit posfat yang keras di dalam ketel.

10

3. Analysis lainnya “Miscellaneous Analysis”. Disamping Kedua jenis analisis pada batubara diatas, masih banyak lagi jenis analisis lainnya yang dapat dipergunakan terutama berkaitan dengan penggunaan batubara. Analisis lain-lain ini disebut “Miscellaneous Analysis”. Dalam melakukan analisis tersebut harus memahami teknik Parameter Pengujian Batubara.

Parameter Pengujian Batubara. Didalam analisis lain-lain terdapat beberapa Parameter yang akan dianalisis atau diuji untuk menentukan kualitas dan determinasi. Antara lain : 1. Nilai Kalor Batubara (Calorific Value) 2. Ketergerusan / Kemampuan Gerus (Hardgrove Grindability Index) 3. Titik Leleh Abu ( Ash Fusion Temperature ) 4. Crucible Swelling Number and Roga Index 5. Analisis Abu ( Ash Analysis ) 6. Abrasion Index 7. Trace Element 8. Gray King Coke 9. Audibert Arnu Dilatometry 10. Caking and Coking Analysis Properties. Berikut adalah Penjabaran untuk Parameter-parameter pengujian Batubara Tersebut:

1. Nilai kalor (Calorific Value) Nilai kalor kotor (gross CV) ditentukan dengan membakar sejumlah batubara pada kondisi terkontrol (biasanya dalam kalorimeter) dimana air yang terbentuk berada dalam bentuk likuid pada akhir proses. Nilai kalor bersih (net CV) adalah nilai kalor kotor yang dikoreksi dengan panas laten penguapan air yaitu dengan mengurangkan 572 kal/g (1030 btu/lb) air untuk setiap satuan berat batubara dari nilai kalor kotor. Net CV penting untuk pasar komersial karena memberikan estimasi yang lebih akurat dari CV batubara pada kondisi actual. Harga ini dapat dihitung dari gross CV atau sebaliknya bila diketahui kandungan air serta hydrogen dalam batubara. Calorivic value adalah jumlah panas yang dihasilkan oleh pembakaran contoh batubara di laboratorium. Pembakaran dilakukan pada kondisi

11

standar, yaitu pada volume tetap dan dalam ruangan yang berisi gas oksigen dengan tekanan 25 atm. Selama proses pembakaran yang sebenarnya pada ketel, nilai calorivic value ini tidak pernah tercapai karena beberapa komponen batubara, terutama air, menguap dan menghilang bersama-sama dengan panas penguapannya. Maksimum kalori yang dapat dicapai selama proses ini adalah nilai net calorivic value. Calorivic value dikenal juga dengan specific energy dan satuannya adalah kcal/kg atau cal/g, MJ/kg,Btu/lb.

Perhitungan nilai kalor batubara :

DULONG

Btu/lb = 14.544 C + 62.028 (H – O/8) +405 S

C, H, O dan S : fraksi berat karbon, hydrogen, oksigen dan sulfur dalam batubara

2. Hardgrove Grindability Index Hardgrove grindbility index (HGI) adalah indeks yang menggambarkan tingkat kemudahgerusan batubara oleh alat penggerus (pulverizer) di lapangan, yang proses pembakaran batubaranya menggunakan partikel batubara halus (75 micron) yang biasa disebut dengan pulverized fuel (pf). Harga HGI diperoleh dengan menggunakan rumus :

HGI = 13.6 + 6.93 W

12

W adalah berat dalam gram dari batubara lembut berukuran 200 mesh. Semakin tinggi nilai HGI suatu batubara semakin mudah batubara tersebut digerus. Semakin tinggi rank batubara, semakin tinggi juga nilai HGI-nya, kecuali anthracite. HGI tidak bersifat aditif, artinya apabila kita mempunyai dua jenis batubara yang nilai HGI-nya berbeda, kemudian dicampurkan dengan komposisi tertentu, nilai batubara tidak bisa dihitung berdasarkan komposisi pencampuran tersebut. Nilai HGI campuran cenderung ke arah nilai yang lebih kecil.

3. Ash Fusion Temperature Ash fusion temperature (AFT) adalah analisis yang dapat menggambarkan sifat pelelehan abu batubara yang diukur dengan mengamati perubahan bentuk contoh abu yang telah dicetak berupa kerucut, selama pemanasan bertahap. Analisis biasanya dilakukan dengan dua kondisi pemanasan, yaitu kondisi oksidasi dan kondisi agak reduksi. Pada kondisi reduksi, pemanasan dilakukan dalam tabung pembakaran yang dialiri oleh campuran 50% gas hidrogen dan 50% gas karbondioksida, sedangkan pada kondisi oksidasi pemanasan dilakukan dalam tabung pembakaran yang dialiri oleh 100% gas karbondioksida. Pengamatan sifat pelelehan ini umumnya dilakukan pada suhu 900 oC sampai dengan 1600oC. Pengamatan dicatat dan dilaporkan pada saat contoh abu meleleh dan berubah menyerupai profil standar yang telah t...