Macam-Macam Analisa Bahan Bakar PLTU (Coal & Fuel Oil) Adopted from The Babcock & Wilcox Company

PLTU umumnya menggunakan bahan bakar yang bervariasi tergantung tipe boiler dan kebijakan pemerintah tentang energi primer. Beberapa jenis bahan bakar yang umum digunakan di PLTU yaitu batubara, fuel oil/residual oil dan biomassa (kayu, limbah pertanian dan cangkang kelapa/kelapa sawit).

Batubara dikelompokkan berdasarkan umur terbentuk dan kandungan carbon (C), berikut urutan pembentukan batubara:

Analisis batubara dikategorikan menjadi 2 jenis yaitu:

Proximate Analysis (ASTM D3172)

Pengujian batubara meliputi: volatile matter, fixed carbon dan ash content. Lebih gampangnya memahami adalah pengujian batubara secara umum yang tidak spesifik

Ultimate Analysis (ASTM D3176)

Pengujian batubara meliputi: carbon (C), hydrogen (H), nitrogen (N) dan sulfur (S). Lebih gampangnya adalah pengujian batubara secara spesifik sampai level unsur

Heating Value (ASTM D2015)

Maksimum energi teoritis bahan bakar yang tersedia untuk memproduksi steam. Gross calorific value ini berasal dari batubara yang diukur menggunakan adiabatic bomb calorimeter. Pengukuran kalori batubara mengacu pada prinsip stoikiometri seperti reaksi pembakaran hydorcarbon berikut:

C_xH_y + O₂ ---> CO₂+ H₂O

H₂O bisa dalam 2 fase yaitu liquid (cair) dan gas (uap) dan berdasarkan perbedaan tersebut terdapat 2 heating value yaitu:

1. Higher Heating Value (HHV) adalah energi yang dikeluarkan dari pembakaran unit bahan bakar dengan produknya adalah ash, gas (CO₂, SO₂, N₂dan liquid water). Lebih mudahnya adalah panas dari proses pembakaran pada volume konstan sehingga semua kandungan air ter-kondensasi dalam bentuk cair (H₂O cair). Ketika H₂O ter-kondensasi dari uap ke cair maka akan melepas kalor sehingga menambah kalori batubara. Mengapa nilai high heating value (HHV) lebih tinggi daripada LHV?? karena heating yang terhitung pada batubara adalah gabungan antara batubara sendiri dengan kalor laten pengembunan air (H₂O dari uap menjadi cair) ---> HHV = kalori batubara + kalor latent pengembunan H₂O.

2. Low Heating Value (LHV)-(ASTM D407) adalah panas dari proses pembakaran pada volume konstan sehingga semua kandungan air terbentuk menjadi uap (H₂O uap).

Basis pengukuran heating value batubara terbagi menjadi 4 yaitu:

As Received Basis (AR), sampel batubara yang diterima oleh laboratorium sebelum ada proses pengeringan sehingga nilai kalor adalah apa adanya di lapangan. Umumnya basis inilah yang digunakan untuk menghitung efisiensi boiler metode heat-loss
Air Dried Basis (ADB), sampel batubara yang sudah dilakukan pengringan sehingga tidak mengandung SURFACE moisture lagi
Dry Basis (DB), sampel batubara yang tidak mengandung SURFACE + INHERENT moisture (teoritis)
Dry Ash Free Basis (DAFB), sampel batubara yang murni terbebas dari moisture content & ash content, hanya terdapat volatile matter & fixed carbon.

Volatile Matter (ASTM D3175), materi yang mudah menguap yang menandakan batubara mudah terbakar
The Hardgrove Grindability Index (HGI)-(ASTM D409) adalah pengukuran secara empiris yang berhubungan dengan mudah tidaknya batubara untuk dihancurkan. Semakin tinggi menandakan batubara lunak mudah dihancurkan
Total Sulfur (ASTM D2492), jumlah kandungan sulfate sulfur, pyritic sulfur dan organic sulfur di batubara. Pyritic sulfur adalah indikator potensial dari coal yang bisa menyebabkan abrasif
Ash Fusion Temperature (AFT-ASTM D1857), temperatur dimana bentuk cone ter-deformasi ke specific shape karena pengaruh oxidazing-reducing. Temperatur ini selaras dengan karakteristik ash melting, dimana bisa digunakan untuk mengklasifikasikan slagging potential. Teknik yang digunakan adalah batubara dibakar dibawah temperatur oksidasi yaitu 799-899 ^oC sehingga menghasilkan abu dan abu kemudian ditekan pada sebuah cetakan untuk membentuk triagular pyramid (cone) kemudian dipanaskan pelan-pelan sehingga cone mengalami pelunakan sehingga berubah bentuk lebih spesifik seperti berikut:

Terdapat urutan ash melting yaitu: (1) original cone dengan ukuran tinggi 19 mm dan lebar dasar 6.35 mm; (2) IT (initial deformation) adalah cone mulai melunak; (3) ST (softening temperature) adalah cone telah ter-deformasi menjadi spherical (tinggi cone=lebar dasar cone), pada titik ini softening temperature=fusion temperature; (4) HT (hemispherical temperature) adalah cone melebur membentuk bulatan dimana tinggi cone = 1/2 lebar dasar cone); (5) FT (fluid temperature) adalah cone telah meleleh sepenuhnya (max tinggi 1.59 mm)

Ash Content (ASTM D3174, ASTM D3682), kandungan ash sisa pembakaran batubara yang meliputi: SiO₂, Al₂O₃, TiO₂, Fe₂O₃, CaO, MgO, Na₂O, K₂O
Moisture Content (ASTM D3173), kadar air pada batubara dan nilai ini didapatkan ketika batubara dialiri panas 104-110 ^oC (set suhu tersebut dimaksudkan agar air benar-benar teruapkan semua pada 100 ^oC. Terdapat 2 jenis moisture yaitu: (i) surface (moisture pada permukaan batubara); (ii) inherent (moisture pada rongga kapiler batubara)
Abrasiveness Index, tingkat abarasif dari batubara, dimana memiliki pengaruh terhadap life-time crusher. Tingkat abrasif ini selaras dengan tingkat kandungan quartz/silica. Teknik yang bisa dilakukan adalah dengan mencuci batubara ke larutan asam kemudian menggunakan mikroskop untuk dilakukan pengamatan setiap 1000 partikel terhitung.
Coke (Kokas), ketika batubara dipanaskan maka materi ringan akan mudah menguap sedangkan materi berat akan mengalami hydrocarbon crack yang membebaskan gas, tar dan residu carbon. Sisa carbon yang berisi ash dan sulfur dipanggil kokas (coke)
Fixed Carbon (ASTM D3172), material inti batubara yang didapatkan dari: Fixed Carbon = bobot batubara-(bobot moisture+volatile matter+ash). Komposisi umum carbon sebagai berikut: lignite (C₇₀H₅O₂₅), subbituminous (C₇₅H₅O₂₀), bituminous (C₈₀H₅O₁₅) dan anthracite (C₉₄H₃O₃)
Slagging & Fouling Factor, keduanya adalah endapan/deposit yang mengganggu proses transfer panas, dimana: (i) slagging/scaling adalah deposit yang bersifat sangat keras dan treatment minimalisir menggunakan chemical. Umumnya terdapat pada area yang langsung bersentuhan dengan radiasi api/panas sehingga ketika kena panas maka semakin lama deposit mengeras seperti kristal; (ii) fouling adalah deposit lunak yang terbentuk karena lapisan suspended solid/ash yang tipis terus-menerus dan umumnya terletak pada area yang tidak bersentuhan langsung dengan api/panas sehingga tidak sampai mengkristal. Treatment minimalisir bisa menggunakan scrapper dan water jet compressor. Berikut formula yang bisa digunakan untuk analisa kemungkinan proses terjadinya slagging & fouling:

Berikut contoh certificate of analysis (CoA) batubara:

Analisa fuel oil sebagai berikut:

Ultimate Analysis, sama dengan coal analysis
API Gravity, digunakan di industri perminyakan untk menentukan relatifitas densitas minyak. API gravity memiliki hubungan dengan specific gravity, sesuai rumus berikut:

Heating Value, sama dengan coal analysis
Viscosity, pengukuran ketahanan internal terhadap flow dan yang umum dipakai di perminyakan ada 4 satuan yaitu: [i] saybolt universal second (SUS), [ii] saybolt furol second (SFS), [iii} absolute viscosity (centipoise), [iv] kinematic viscosity (centistokes)
Pour Point, temperatur terendah dimana bahan bakar cair mengalir pada kondisi standar
Flash Point, temperatur dimana bahan bakar cair akan memproduksi uap yang mudah tersulut/terbakar sendirinya namun sesaat tidak terbakar terus-menerus
Water & Sediment, bahan bakar cair umumnya mengandung sedimen berupa calcium, sodium, magnesium dan iron. Sedangkan untuk heavy fuel, sedimen bisa berupa carbon.

Kutip Artikel ini sebagai Referensi (Citation):

Feriyanto, Y.E. (2020). Macam-Macam Analisa Bahan Bakar PLTU (Coal & Fuel Oil), Best Practice Experience in Power Plant. www.caesarvery.com. Surabaya

Referensi:

[1] The Babcock & Wilcox Company. Sources of Chemical Energy

[2] Wijayanto, Y. (2016). Heat Rate Improvement. Surabaya

[3] Feriyanto, Y. E. (2020). CoA Batubara Uji Laboratorium, Best Practice Experience in Power Plant. Surabaya

[4] Feriyanto, Y. E. (2015). Klasifikasi Batubara Berdasarkan Kalori Menurut Standar ASTM, Best Practice Experience in Power Plant. Surabaya