PERANCANGAN AWAL PABRIK · Daftar Gambar ... Bab III Deskripsi Pabrik Teknologi Peningkatan Kualitas Batubara Skala Komersial Kapasitas 150 Ton/Jam ...

PERANCANGAN AWAL PABRIK

TEKNOLOGI PENINGKATAN KUALITAS BATUBARA

SKALA KOMERSIAL KAPASITAS 150 TON/JAM:

UNIT PENGERING

TUGAS SARJANA

Karya ilmiah sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik dari Institut Teknologi Bandung

Oleh

Arif Hadiyanto

13101100

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK MESIN DAN DIRGANTARA

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

2008

Lembar Pengesahan

Tugas Sarjana

Perancangan Awal Pabrik

Teknologi Peningkatan Kualitas Batubara

Skala Komersial Kapasitas 150 Ton/Jam:

Unit Pengering

Oleh

Arif Hadiyanto

NIM 13101100

Program Studi Teknik Mesin

Institut Teknologi Bandung

Disetujui pada bulan September 2008

Pembimbing Utama

Dr. Ir. Toto Hardianto NIP. 131 572 239

Pembimbing Pendamping

Prof. Dr. Ir. Aryadi Suwono NIP. 130 370 252

Pembimbing Pendamping

Dr. Ir. Nathanael P. Tandian NIP. 131 414 795

Tugas Sarjana

Judul Perancangan Awal Pabrik Teknologi Peningkatan

Kualitas Batubara Skala Komersial Kapasitas 150 Ton/Jam: Unit Pengering

Arif Hadiyanto

Program Studi Teknik Mesin 13101100 Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara

Institut Teknologi Bandung

Abstrak Teknologi Peningkatan Kualitas Batubara (Coal Upgrading Technology /

CUT) merupakan salah satu metoda upgrading batubara peringkat rendah. Proses CUT berupa pengeringan dalam unggun terfluidisasi bertingkat dengan media pemanas berupa uap superpanas yang dilanjutkan dengan pelapisan tar. Metoda ini direncanakan akan dikembangkan menjadi pabrik CUT skala komersial (CUT Commercial Plant / CCP) yang memiliki kapasitas pengolahan batubara mentah 150 ton/jam.

CCP terdiri dari 5 subsistem pabrik, yaitu pengolahan awal, pengering, pembriketan & penyimpanan, pembangkit daya, dan pengolahan air. Proses pengeringan dan pemanasan batubara CUT dilakukan dalam subsistem pengering. Tingginya kapasitas pengolahan batubara CCP menyebabkan subsistem ini dibagi menjadi 3 jalur proses paralel dengan kapasitas pengolahan batubara tiap jalur proses adalah 50 ton/jam. Tiap jalur proses ini selanjutnya disebut unit pengering.

Dalam tulisan ini, perancangan awal unit pengering CCP dilakukan dengan menggunakan simulasi perancangan dalam spreadsheet Microsoft Excel untuk mendapatkan kondisi operasi proses pengeringan dan pemanasan batubara paling optimum dalam tiap tingkat unggun terfluidisasi. Kondisi awal batubara sebelum masuk proses pengeringan adalah berkadar air 30% (terhadap massa kering) dan bertemperatur 30°C. Setelah melewati unit pengering, kadar air batubara berkurang menjadi 5% (terhadap massa kering) dan bertemperatur 210°C. Proses pengeringan dan pemanasan batubara tersebut dilakukan dalam 2 tingkat bubbling fluidized bed. Tingkat pengeringan pertama dilakukan dalam tekanan 1,7 bar sedang tingkat pengeringan kedua dilakukan dalam tekanan 3,8 bar.

Energi yang diperlukan proses pengeringan batubara didapatkan dari uap yang disuplai oleh boiler dalam subsistem pembangkit daya. Adanya hubungan antara rangkaian ketiga unit pengering (subsistem pengering) dan subsistem pembangkit daya CCP menyebabkan perlu dilakukan suatu simulasi proses menggunakan program Cycle Tempo. Hasil simulasi tersebut antara lain kondisi operasi peralatan utama dalam subsistem pengering dan subsistem pembangkit daya serta beberapa parameter rancangan awal CCP, yaitu konsumsi uap proses pengeringan dan kebutuhan batubara CCP. Konsumsi uap proses pengeringan dalam unit pengering CCP adalah 0,982 kg uap/kg kandungan air batubara yang menguap, sedangkan kebutuhan batubara sebagai bahan bakar untuk operasional CCP adalah 12,44 ton/jam. Kebutuhan batubara tersebut juga dapat dinyatakan sebagai kebutuhan energi proses upgrading batubara CCP yaitu 8,13 MJ/kg kandungan air batubara.

Final Project

Title Preliminary Design of 150 ton/hour Coal Upgrading

Technology Commercial Plant: Drying Unit Arif

Hadiyanto

Major Mechanical Engineering 13101100

Faculty of Mechanical and Aerospace Engineering Institute of Technology Bandung

Abstract Coal Upgrading Technology (CUT) is a method among various low rank

coal upgrading methods. The CUT process utilizes multistage fluidized bed superheated steam drying followed by tar coating. The next step of CUT development program is the construction of CUT Commercial Plant (CCP) with raw coal processing capacity of 150 ton/hour.

CCP comprises of 5 plant subsystems, i.e. preparation, drying, briquetting & storage, power generation, and water treatment subsystem. The CUT drying process is carried out in the drying subsystem. This subsystem is divided into 3 parallel processing lines with 50 ton/hour coal processing capacity in each processing line as the consequence for the high plant coal processing capacity. Each of this processing line is then called drying unit.

In this final project, CCP drying unit preliminary design was performed using design simulation in Microsoft Excel spreadsheets in order to obtain the most optimum condition for coal drying and heating processes in each fluidized bed stage. Before entering the drying process, the coal temperature is 30°C with 30% moisture content (based on dry mass). After being processed in the drying unit, the coal moisture content is reduced to 5% (based on dry mass) with temperature of 210°C. These drying and heating processes are carried out in 2 bubbling fluidized bed stages. The first stage pressure is held at 1.7 bar while the second stage is at 3.8 bar.

The energy for the drying process is attained from superheated steam supplied by the power generation subsystem. The relationship between the three drying units (drying subsystem) and the power generation subsystem had lead to the requirement of process simulation using Cycle Tempo program. The simulation results are the main equipment operating condition in drying subsystem and power generation subsystem and also some CCP preliminary design parameters, i.e. the drying process steam consumption and the CCP coal consumption. The drying process steam consumption is 0.982 kg/ evaporated coal moisture, while the CCP coal consumption for the overall plant operation is 12.44 ton/hour. This requirement can be expressed as the energy requirements of the CCP coal upgrading process of 8.13 MJ/kg evaporated coal moisture.

5

KATA PENGANTAR

Segala puji bagi Allah SWT atas rahmat dan hidayah-Nya sehingga

penulis dapat menyelesaikan tugas sarjana ini. Penulis juga mengucapkan terima

kasih yang sebesar-besarnya kepada pihak-pihak yang telah memberikan

sumbangan besar dalam penyelesaian tugas sarjana ini, antara lain:

1. Bapak Toto, Bapak Aryadi, dan Bapak Nathanael sebagai pembimbing

yang telah memberikan ilmu dan nasehat-nasehatnya.

2. Bapak Ari, Bapak Willy, Bapak Fauzi, serta Bapak-Bapak Dosen lain di

lab. Termodinamika yang selalu bersedia menjawab berbagai pertanyaan

penulis.

3. Ibu Tuti, Bapak Adong, Bapak Aman, dan teman-teman asisten lab. Termo

yang selalu memberikan dorongan dan bantuan agar tugas ini cepat selesai.

4. Mas Panji, Yoda, Bimo, Agus, Bapak Margo, Riza yang telah bersedia

berdiskusi dan membagi ilmu pada penulis tentang berbagai hal.

5. Teman-teman mesin 2001 atas bantuan, saran, dan persahabatannya

selama ini.

6. Sahabat-sahabat yang telah menemani dan berbagi suka duka dengan

penulis, termasuk teman-teman kamar penulis yang selalu setia menemani

hingga tulisan ini diketik.

7. Pihak-pihak lain yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu.

Akhir kata, penulis mengucapkan permintaan maaf apabila ada kesalahan

yang penulis lakukan, baik kesalahan yang disengaja maupun tidak sengaja. Saran

dan kritik yang membangun akan selalu penulis tunggu. Semoga tugas akhir ini

bermanfaat bagi siapa pun yang membacanya.

Bandung, 25 September 2008

Penulis

6

DAFTAR ISI

Lembar Pengesahan .................................................................................................2

Abstrak….. ...............................................................................................................3

Abstract….. ..............................................................................................................4

Kata Pengantar .........................................................................................................5

Daftar Isi .................................................................................................................6

Daftar Gambar..........................................................................................................9

Daftar Tabel ...........................................................................................................11

Daftar Simbol .........................................................................................................13

Bab I Pendahuluan ...............................................................................................15

1.1 Latar Belakang............................................................................................15

1.2 Tujuan .........................................................................................................16

1.3 Batasan Masalah .........................................................................................17

1.4 Sistematika Penulisan .................................................................................18

Bab II Teknologi Peningkatan Kualitas Batubara...............................................19

2.1. Peningkatan Kualitas Batubara...................................................................19

2.2. Proses Cut ...................................................................................................21

2.3 Cpp Kapasitas 7 Ton/Jam ...........................................................................23

2.3.1 Proses Pengolahan Batubara Dan Subsistem Cpp ............................. 23

2.3.2 Subsistem Pengolahan Awal .............................................................. 24

2.3.3. Subsistem Pengering .......................................................................... 25

2.3.4 Subsistem Pembriketan Dan Penyimpanan........................................ 27

2.3.5. Subsistem Penyedia Panas ................................................................. 28

2.3.6 Subsistem Pengolahan Air ................................................................. 29

2.4. Ccp Kapasitas 150 Ton/Jam .......................................................................29

Bab III Deskripsi Pabrik Teknologi Peningkatan Kualitas Batubara Skala

Komersial Kapasitas 150 Ton/Jam ..........................................................31

3.1 Proses Pengolahan Batubara Dan Subsistem Ccp ......................................31

3.2 Sub-Sistem Pengolahan Awal.....................................................................34

3.2.1 Proses Size Reduction Batubara ......................................................... 36

3.2.2 Sistem Pneumatic Conveying............................................................. 38

7

3.3 Subsistem Pengering...................................................................................42

3.3.1 Silo Sementara.................................................................................... 42

3.3.2 Fluidized Bed Superheated Steam Drying ......................................... 45

3.3.3 Sistem Transport Batubara Antar Bed ............................................... 46

3.4 Subsistem Pembriketan Dan Penyimpanan ................................................48

3.5 Subsistem Pembangkit Daya ......................................................................49

3.6 Subsistem Pengolahan Air ..........................................................................52

3.6.1 Proses Pengolahan Limbah ................................................................ 52

3.6.2 Proses Pengolahan Air Bersih ............................................................ 54

3.7 Beberapa Catanan Untuk Perancangan Awal Unit Pengering....................55

Bab IV Perancangan Unit Pengering Pabrik Teknologi Peningkatan Kualitas

Batubara Skala Komersial Kapasitas 150 Ton/Jam.................................56

4.1. Peralatan Yang Dirancang ..........................................................................56

4.2. Metodologi Perancangan ............................................................................56

4.2.1 Kebutuhan Rancangan........................................................................ 59

4.2.2 Pemilihan Rancangan......................................................................... 59

4.2.3 Perancangan Silo Sementara .............................................................. 61

4.2.4 Perancangan Bed Pengering............................................................... 64

4.2.5 Simulasi Perancangan ........................................................................ 72

4.2.6 Perancangan Siklon............................................................................ 73

4.2.7 Perancangan Distributor..................................................................... 76

4.3 Hasil Perancangan.......................................................................................79

4.3.1 Rotary Valve Dan Flap Gate .............................................................. 79

4.3.2 Silo Sementara.................................................................................... 80

4.3.3 Bed Pengering .................................................................................... 80

4.3.4 Preheater Bed Pengering .................................................................... 83

4.3.5 Peralatan Dalam Subsistem Pembangkit Daya .................................. 83

4.3.6 Blower ................................................................................................ 85

4.3.7 Siklon ................................................................................................. 87

4.3.7 Kebutuhan Unit Pengering................................................................. 87

Bab V Analisis Hasil Perancangan ......................................................................89

5.1. Proses Fluidisasi .........................................................................................89

8

5.2. Proses Pengeringan Dan Pemanasan Batubara...........................................91

5.3 Transfer Padatan Antar Bed........................................................................95

5.4 Kebutuhan Uap Proses................................................................................96

Bab VI Kesimpulan dan Saran...........................................................................100

6.1. Kesimpulan ...............................................................................................100

6.2 Saran .........................................................................................................100

Referensi .............................................................................................................102

Lampiran A ..........................................................................................................106

Lampiran B...........................................................................................................108

B.1 Jaw Crusher..............................................................................................109

B.2 High Pressure Suspension Mill/ Trapezium Mill......................................110

B.3 Flap Gate ..................................................................................................112

B.4 Impulse - Condensing Turbine..................................................................113

B.5 Blower.......................................................................................................115

B.6 Rotary Valve .............................................................................................119

Lampiran C...........................................................................................................121

C.1 Lembar Perhitungan Silo Sementara ........................................................122

C.2 Lembar Perhitungan Bed 1 .......................................................................123

C.3 Lembar Perhitungan Bed 2 .......................................................................130

Lampiran D ..........................................................................................................136

D.1 Skema Hasil Simulasi Tiap Unit Pengering .............................................137

D.2 Ringkasan Input Simulasi Tiap Unit Pengering .......................................138

D.3 Skema Simulasi Ketiga Unit Pengering Dan Subsistem Pembangkit

Daya .........................................................................................................141

D.4 Ringkasan Input Simulasi Ketiga Unit Pengering Dan Subsistem

Pembangkit Daya .....................................................................................142

D.5 Ringkasan Output Simulasi Ketiga Unit Pengering Dan Subsistem

Pembangkit Daya .....................................................................................143

Biodata……….....................................................................................................144

9

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Klasifikasi batubara berdasar peringkat [3] [40] ............................ 19

Gambar 2.2. Ilustrasi berbagai jenis kandungan air padatan [5] ......................... 20

Gambar 2.3. Berbagai metoda upgrading batubara [6]....................................... 21

Gambar 2.4. Proses upgrading batubara CUT [7] ............................................... 22

Gambar 2.5. Diagram pengelompokan subsistem CPP....................................... 24

Gambar 2.6. Subsistem Pengolahan Awal CPP [11] .......................................... 24

Gambar 2.7. Susunan tiga bed CPP [11]............................................................. 25

Gambar 2.8. (a) Skema satu tingkat proses pengeringan, dan (b) Skema bed

pengering CPP................................................................................ 26

Gambar 2.9. Mesin briket tipe roll press yang digunakan CPP [11] .................. 28

Gambar 2.10. Skema subsistem penyedia panas CPP [11] ................................... 28

Gambar 2.11. Skema subsistem pengolahan air CPP............................................ 30

Gambar 2.12. Subsistem pengolahan air CPP [11] ............................................... 30

Gambar 3.1. Diagram blok CCP ......................................................................... 32

Gambar 3.2. Contoh layout CCP.........................................................................34

Gambar 3.3. Bird view unit pengolahan awal CCP............................................. 35

Gambar 3.4. Skema unit pengolahan awal .......................................................... 36

Gambar 3.5. Proses size-reduction dalam unit pengolahan awal CCP ............... 37

Gambar 3.6. Jaw crusher [13]............................................................................. 37

Gambar 3.7. MTM High Suspension Mill [15].................................................... 39

Gambar 3.8. Susunan jaw crusher dan trapezium mill [15]................................ 39

Gambar 3.9. Intermittent-shaker baghouse [17] ................................................. 41

Gambar 3.10. Liquid bridge antara 2 partikel [13] ............................................... 41

Gambar 3.11. Skema elevation view unit pengering............................................. 43

Gambar 3.12. Pola aliran dalam silo [13]..............................................................44

Gambar 3.13. Skema tiap tingkat fluidisasi CCP.................................................. 45

Gambar 3.14. Skema unit pengering CCP ............................................................ 47

Gambar 3.15. Flap gate [19]................................................................................. 48

Gambar 3.16. Skema proses pendinginan briket................................................... 49

10

Gambar 3.17. Skema subsistem pembangkit daya CCP ....................................... 50

Gambar 3.18. Skema unit pengolahan air ............................................................. 53

Gambar 4.1. Peralatan utama unit pengering CCP.............................................. 57

Gambar 4.2. Diagram alir perancangan............................................................... 58

Gambar 4.3. Geometri bed pengering ................................................................. 60

Gambar 4.4. Berbagai daerah fluidisasi [9]......................................................... 61

Gambar 4.5. Kapasitas efektif silo [13]...............................................................63

Gambar 4.6. Batas mass flow dan funnel flow untuk wedge-shaped hopper [13]64

Gambar 4.7. Diagram alir perhitungan bed pengering........................................ 65

Gambar 4.8. Berbagai jenis daerah fluidisasi [9] ................................................ 66

Gambar 4.9. Profil temperatur fluida internal heater dan bed............................. 71

Gambar 4.10. Skema simulasi Cycle Tempo bed 2 ............................................... 74

Gambar 4.11. Beberapa simbol dalam perangkat lunak Cycle Tempo.................. 74

Gambar 4.12. (a) Cyclone tipe reverse flow, (b) Multiple parallel cyclone [35].. 75

Gambar 4.13. Kurva performansi siklon Stairmand high-efficiency .................... 76

Gambar 4.14. Beberapa tipe distributor [9]........................................................... 77

Gambar 4.15. Penetrasi jet pada lubang distributor pada berbagai ....................... 78

Gambar 4.16. Konfigurasi pipa inlet plenum dari samping, (a) Horizontal-vertikal

(ke bawah); (b) Horizontal-vertikal (ke atas) [9] ........................... 79

Gambar 4.17. Geometri tiap silo sementara (satuan dalam mm) .......................... 81

Gambar 4.18. Susunan blower bed 1 (kiri) dan blower bed 2 (kanan) dalam unit

pengering CCP ............................................................................... 86

Gambar 4.19. Prediksi efisiensi tiap siklon bed pengering. .................................. 87

Gambar 5.1. Parameter kecepatan fluidisasi bed 1 untuk berbagai diameter

batubara rata-rata ............................................................................ 90

Gambar 5.2. Parameter kecepatan fluidisasi bed 2 untuk berbagai diameter

batubara rata-rata ............................................................................ 90

Gambar 5.3. Daerah fluidisasi bed 1 (kiri) dan bed 2 (kanan) untuk berbagai

diameter partikel batubara [9] ........................................................ 91

Gambar 5.4. Kurva penurunan tekanan dan kecepatan fluidisasi [9].................. 94

Gambar 5.5. Diagram Q–T penukar panas setelah pompa kondensor dalam

subsistem pembangkit daya............................................................ 96

11

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Kondisi operasi tiap tingkat proses fluidisasi dalam bed CPP [12]. .. 27

Tabel 3.1. Batas kualitas air maksimum boiler [22] ........................................... 55

Tabel 3.2. Peralatan pengolahan air bersih dalam unit pengolahan air............... 55

Tabel 4.1. Peralatan dalam unit pengering yang tidak dirancang ....................... 58

Tabel 4.2. Sifat batubara yang digunakan dalam perhitungan karakteristik

fludisasi .............................................................................................. 67

Tabel 4.3. Besaran dalam Persamaan 1.1............................................................ 68

Tabel 4.4. Jenis aliran dan persamaan kondensasi dalam pipa ........................... 71

Tabel 4.5. Dimensi standar siklon [35] ............................................................... 75

Tabel 4.6. Dimensi dan kondisi operasi siklon standar dalam Persamaan 4.21

[33] ..................................................................................................... 76

Tabel 4.7. Spesifikasi dan jumlah rotary valve dan flap gate ............................ 80

Tabel 4.8. Hasil rancangan silo sementara .......................................................... 80

Tabel 4.9. Kondisi operasi bed 1......................................................................... 82

Tabel 4.10. Kondisi operasi bed 2......................................................................... 82

Tabel 4.11. Beberapa parameter rancangan bed 1 dan bed 2 ................................ 82

Tabel 4.12. Kondisi operasi preheater bed 1 ......................................................... 83

Tabel 4.13. Kondisi operasi preheater bed 2 ......................................................... 83

Tabel 4.14. Kondisi operasi steam drum unit pengering....................................... 83

Tabel 4.15. Kondisi input-output tiap unit pengering ........................................... 84

Tabel 4.16. Kondisi operasi penukar panas setelah kondensor dalam subsistem

pembangkit daya CCP........................................................................ 85

Tabel 4.17. Kondisi operasi penukar panas setelah deaerator dalam subsistem

pembangkit daya ................................................................................ 85

Tabel 4.18. Tekanan yang harus disuplai blower.................................................. 86

Tabel 4.19. Spesifikasi blower yang digunakan CCP ........................................... 86

Tabel 4.20. Kebutuhan daya peralatan utama unit pengering ............................... 87

Tabel 5.1. Sumber kalor untuk proses pengeringan dan pengeringan batubara

dalam bed ........................................................................................... 92

12

Tabel 5.2. Kondisi perpindahan panas pipa internal heater bed 1....................... 92

Tabel 5.3. Kondisi perpindahan panas dalam bed 2............................................ 93

Tabel 5.4. Konsumsi energi peralatan pengering secara umum [4] .................... 99

13

DAFTAR SIMBOL

Simbol Satuan Keterangan

Ar - bilangan Archimedes = ( )

2

3

g

gsgp gd

µρρρ −

cp kJ/kg K kalor jenis padatan D m diameter bed d m diameter g m/s2 percepatan gravitasi = 9.81 h - enthalpi (kJ/kg), koefisien konveksi (W/m2 K)

hfg kJ/kg kalor laten k W/m K konduktivitas termal L m panjang P Pa tekanan Pr - bilangan Prandtl Q kW kalor R m2 K/W hambatan termal Re - bilangan Reynold T °C temperatur U W/m2 K koefisien perpindahan panas total Uo m/s kecepatan operasi

Uc m/s kecepatan operasi saat gelembung mencapai ukuran maksimal

Uk m/s kecepatan operasi saat mulai terjadi fluidisasi turbulen

Utr m/s kecepatan operasi saat mulai terjadi lean phase fluidization with pneumatic conveying

*gU - parameter Wallis

Ut m/s kecepatan terminal partikel v kecepatan

VE m3 volume efektif VW volume total VL loss volume X - kadar air batubara, dry basis α derajat sudut inklinasi dinding hopper ε fraksi kosong φ - kebulatan partikel

rφ - angle of repose partikel φr derajat hopper wall friction angle µ Pa. s viskositas ρ kg/m3 massa jenis

hΓ kg/ms beban pipa, laju aliran massa kondensat per panjang pipa Q m3/s debit

fsilo - faktor loss volume silo

14

Subskrip

Simbol Keterangan

an annular g gas h hole

hor horizontal ih internal heater in inlet, dalam l cair

mf minimum fluidisasi ms moisture out outlet, luar P tekanan

pipe pipa s,p padatan, partikel stra stratified w air std standar dsg desain