Pendahuluan
Batubara merupakan bahan bakar utama yang digunakan dalam produksi semen di Tiongkok, serta salah satu indikator utama konsumsi bahan bakar mentah dalam produksi semen. Kualitas batu bara tidak hanya memengaruhi hasil dan kualitas produksi klinker semen, tetapi juga biayanya, karena batu bara berkualitas tinggi dengan nilai kalor yang lebih tinggi dapat memungkinkan suhu proses yang lebih tinggi atau mengurangi konsumsi batu bara pada suhu proses yang sama, sehingga menurunkan biaya bahan bakar. Metode pengujian yang canggih dan penguatan manajemen kualitas batu bara merupakan bagian penting untuk memastikan pengurangan konsumsi batu bara dan peningkatan kualitas produk semen.
Perilaku pembakaran batu bara dalam industri semen sangatlah kompleks. Metode evaluasi analitis industri tradisional [1] tidak lagi dapat diterapkan. Salah satu contohnya adalah metode kalorimeter AdiabatikAdiabatik menggambarkan suatu sistem atau mode pengukuran tanpa pertukaran panas dengan lingkungan sekitar. Mode ini dapat direalisasikan dengan menggunakan perangkat kalorimeter sesuai dengan metode kalorimetri laju akselerasi (ARC®). Tujuan utama dari perangkat tersebut adalah untuk mempelajari skenario dan reaksi pelarian termal. Deskripsi singkat dari mode adiabatik adalah "tidak ada panas yang masuk - tidak ada panas yang keluar".adiabatik, di mana batu bara ditempatkan dalam wadah AdiabatikAdiabatik menggambarkan suatu sistem atau mode pengukuran tanpa pertukaran panas dengan lingkungan sekitar. Mode ini dapat direalisasikan dengan menggunakan perangkat kalorimeter sesuai dengan metode kalorimetri laju akselerasi (ARC®). Tujuan utama dari perangkat tersebut adalah untuk mempelajari skenario dan reaksi pelarian termal. Deskripsi singkat dari mode adiabatik adalah "tidak ada panas yang masuk - tidak ada panas yang keluar".adiabatik, dan kandungan panasnya dihitung dengan mengukur perubahan suhu di dalam wadah. Meskipun metode ini menggunakan peralatan sederhana, hasil pengukurannya relatif tidak akurat.
Dalam penelitian ini, karakterisasi material batubara dilakukan menggunakan alat analisis termal simultan (STA) NETZSCH Jupiter® . Kurva termogravimetri (TGA) dan kalorimetri pemindaian diferensial (DSC) digunakan untuk menentukan parameter pembakaran utama, termasuk suhu awal dan akhir reaksi EksotermikTransisi sampel atau reaksi dikatakan eksotermik jika dihasilkan panas.eksotermik (Tonset, Tend), suhu awal kehilangan massa (Ti), laju kehilangan massa maksimum (Vmax), panas EksotermikTransisi sampel atau reaksi dikatakan eksotermik jika dihasilkan panas.eksotermik total (q), dan laju pembakaran rata-rata (v). Berdasarkan parameter-parameter ini, tiga indeks evaluasi,
- intensitas pembakaran (I),
- intensitas pelepasan panas rata-rata (Q), dan
- indeks karakteristik pembakaran (S)
dihitung. Indeks-indeks ini memberikan dasar kuantitatif untuk menilai kinerja pembakaran batu bara. Dalam industri semen, batu bara dengan perilaku pembakaran yang optimal ditandai dengan intensitas pembakaran (I) yang rendah, intensitas pelepasan panas rata-rata (Q) yang tinggi, serta indeks karakteristik pembakaran (S) yang tinggi, yang mencerminkan keseimbangan yang baik antara perilaku penyalaan, output panas, dan reaktivitas secara keseluruhan.
Metode Pengukuran
Untuk rangkaian eksperimen ini, dipilih dua sampel batubara — batubara A dan batubara B. Setiap sampel memiliki massa sekitar 10 mg. Program suhu yang diterapkan berkisar dari suhu kamar (RT) hingga 1000°C. Pemanasan dilakukan dengan laju konstan sebesar 10 K/menit dalam atmosfer udara. Tabel 1 menunjukkan semua parameter penting dari kurva TGA dan DSC beserta simbol, satuan, dan definisinya masing-masing.
Penetapan Parameter Indeks Evaluasi
Dengan menggunakan parameter dasar kurva analisis termal, tiga parameter indeks evaluasi berikut dapat didefinisikan [2] (lihat Tabel 1 untuk singkatan).
a) Intensitas Pembakaran (I)
Intensitas pembakaran batu bara menunjukkan seberapa besar pelepasan panas seketika dalam proses EksotermikTransisi sampel atau reaksi dikatakan eksotermik jika dihasilkan panas.eksotermik. Intensitas ini didefinisikan sebagai:
b) Intensitas Pelepasan Panas Rata-rata (Q)
Intensitas EksotermikTransisi sampel atau reaksi dikatakan eksotermik jika dihasilkan panas.eksotermik rata-rata batubara menunjukkan jumlah panas yang dilepaskan per satuan massa batubara per satuan suhu selama periode dari awal hingga akhir aktivitas EksotermikTransisi sampel atau reaksi dikatakan eksotermik jika dihasilkan panas.eksotermik batubara. Hal ini didefinisikan sebagai:
c) Indeks Karakteristik Pembakaran (S)
Karakteristik pembakaran batu bara merupakan indeks komprehensif dari batu bara, yang mencakup kemudahan terbakar batu bara, titik nyala batu bara, intensitas pembakaran batu bara, dan waktu pembakaran batu bara. Dari perspektif-perspektif ini, dikombinasikan dengan literatur terkait [3-4], dapat disimpulkan bahwa
Tabel 1: Parameter penting pada kurva TGA dan DSC beserta simbol, satuan, dan definisinya.
| Parameter | Satuan | Definisi | |
|---|---|---|---|
Termogravimetri (TGA) | |||
| Suhu awal terjadinya kehilangan massa | Ti | °C | Suhu di mana batu bara mulai kehilangan berat (suhu pengapian). |
| Waktu pembakaran habis | t98% | min | Waktu yang diperlukan untuk membakar 98% bahan bakar. |
| Suhu habis terbakar | T98% | °C | Suhu yang sesuai dengan pembakaran 98% bahan bakar. |
| Laju pembakaran rata-rata | V | %/menit | Persentase kehilangan berat total dibagi dengan waktu pembakaran habis. |
Termogravimetri Diferensial (DTG) | |||
| Laju kehilangan massa maksimum | Vmax | %/menit | Laju kehilangan massa maksimum. |
Aliran Panas (DSC) | |||
| Suhu awal puncak EksotermikTransisi sampel atau reaksi dikatakan eksotermik jika dihasilkan panas.eksotermik | Tonset | °C | Suhu batubara pada awal terjadinya efek EksotermikTransisi sampel atau reaksi dikatakan eksotermik jika dihasilkan panas.eksotermik |
| Suhu akhir puncak EksotermikTransisi sampel atau reaksi dikatakan eksotermik jika dihasilkan panas.eksotermik | Tend | °C | Suhu pada akhir efek EksotermikTransisi sampel atau reaksi dikatakan eksotermik jika dihasilkan panas.eksotermik |
| Luas puncak EksotermikTransisi sampel atau reaksi dikatakan eksotermik jika dihasilkan panas.eksotermik | q | J/g | Kapasitas eksotermik batubara |
| Tinggi puncak eksoterm | H | Tinggi puncak eksoterm relatif terhadap garis dasar DSC | |
| Lebar setengah puncak eksoterm (lebar) | W | min | Waktu yang sesuai dengan lebar puncak pada setengah ketinggian puncak eksotermik. |
Hasil dan Pembahasan
Kurva STA batubara A dan batubara B ditunjukkan masing-masing pada Gambar 1 dan 2. Seperti yang dapat dilihat, kedua sampel menunjukkan dua tahap kehilangan massa. Tahap pertama hingga 150°C disebabkan oleh pelepasan kelembaban. Kehilangan massa yang sesuai untuk batu bara A dan batu bara B masing-masing sebesar 1,8% dan 1,6%, yang menunjukkan kadar kelembaban yang sebanding. Tahap kehilangan massa kedua, yang jauh lebih besar, berkaitan dengan dekomposisi termal dan pembakaran sampel batu bara.
Dari kurva STA, parameter dasar karakteristik termal kedua jenis batubara tersebut dapat diperoleh, yang tercantum dalam Tabel 1.
Sebagaimana terlihat pada Tabel 1, suhu pengapian kedua jenis batubara tersebut dalam urutan menurun adalah sebagai berikut: batubara B > batubara A. Suhu pengapian mencerminkan tingkat kesulitan pengapian batubara. Semakin rendah suhu pengapian, semakin mudah batubara tersebut terbakar. Kapasitas eksotermik kedua jenis batubara tersebut dalam urutan menurun adalah sebagai berikut: batubara B > batubara A; semakin tinggi kapasitas eksotermiknya, semakin baik kualitas batubara tersebut. Waktu pembakaran kedua sampel batubara dalam urutan menurun adalah sebagai berikut: batubara A > batubara B. Secara umum, semakin lama waktu pembakaran, semakin buruk kinerja pembakarannya.
Tiga parameter indeks evaluasi kedua jenis batubara tercantum dalam Tabel 2. Untuk industri semen, semakin besar indeks karakteristik pembakaran (S), semakin baik kinerja pembakaran batubara dan semakin baik kualitas batubara tersebut. Namun, kinerja pembakaran batubara secara komprehensif tidak dapat ditentukan hanya berdasarkan indeks tunggal ini. Kita juga harus mempertimbangkan besarnya intensitas pembakaran (I) dan intensitas pelepasan panas rata-rata (Q). Hanya batu bara dengan intensitas pembakaran (I) yang rendah, intensitas pelepasan panas rata-rata (Q) yang tinggi, dan indeks karakteristik pembakaran (S) yang tinggi, yang memiliki kinerja komprehensif yang unggul.
Sebagaimana terlihat pada Tabel 3, batu bara B memiliki intensitas pembakaran dan intensitas pelepasan panas rata-rata yang lebih tinggi daripada batu bara A. Namun, indeks karakteristik pembakarannya (5,35 × 10⁻⁹) lebih rendah daripada batu bara A (5,46 × 10⁻⁹). Secara umum, batu bara A memiliki kinerja pembakaran komprehensif yang lebih unggul.
Tabel 2: Hasil pengukuran TGA dan DSC pada batu bara A dan B.
| Parameter | Satuan | Batubara A | Batubara B |
|---|---|---|---|
| °C | 412 | 416 | |
| Ti | m/W/mg | 12,24 | 13,16 |
| H | v | 27,80 | 25,80 |
| W | J/g | 20.509 | 20.520 |
| q | °C | 247 | 248 |
| Tonset | °C | 706 | 689 |
| t98% | min | 26,8 | 24,8 |
| T98% | °C | 692 | 676 |
Ti: Waktu penyalaan; H: Tinggi puncak eksotermik; W: Lebar setengah puncak eksotermik; q: Luas puncak eksotermik;Tonset: Suhu awal puncak eksotermik;Tend: Suhu akhir puncak eksotermik;t98%: Waktu habis terbakar;T98%: Waktu habis terbakar; v: laju pembakaran rata-rata;Vmax: Laju kehilangan massa maksimum
Tabel 3: Tiga parameter indeks evaluasi batu bara A dan B.
| Parameter | Satuan | Batubara A | Batubara B |
|---|---|---|---|
| Intensitas pembakaran, I | mW/mg·min | 0,440 | 0,525 |
| Intensitas pelepasan panas rata-rata, Q | J/g·°C | 44,721 | 46,594 |
| Indeks karakteristik pembakaran, S | 5,46 × 10⁻⁹ | 5,35 × 10⁻⁹ |
Kesimpulan
Karakteristik pembakaran sampel batubara dapat diteliti menggunakan Analisis Termogravimetri NETZSCH STA Jupiter®. Parameter dasar sampel batubara selama proses pemanasan dapat diperoleh dari kurva TGA, DTG, dan DSC, seperti suhu pengapian, pelepasan panas, dan waktu pembakaran habis.
Berdasarkan parameter termal yang diperoleh, indeks komprehensif tambahan — yaitu intensitas pembakaran, intensitas pelepasan panas rata-rata, dan indeks karakteristik pembakaran — dapat dihitung. Indikator evaluasi ini memberikan gambaran terpadu mengenai perilaku pembakaran batubara dan memungkinkan perbandingan yang lebih andal antara berbagai sampel batubara, sehingga mendukung pemilihan batubara yang paling sesuai untuk aplikasi tertentu.
Pendahuluan
Batubara merupakan bahan bakar utama dalam produksi semen di Tiongkok dan merupakan salah satu indikator terpenting dalam konsumsi bahan bakar mentah pada produksi semen. Kualitas batu bara tidak hanya memengaruhi hasil dan kualitas produksi klinker semen, tetapi juga biayanya, karena batu bara berkualitas tinggi dengan nilai kalor yang lebih tinggi memungkinkan suhu proses yang lebih tinggi atau, pada suhu proses yang konstan, mengurangi kebutuhan batu bara, sehingga menghemat biaya bahan bakar. Metode pengujian modern dan peningkatan kualitas batu bara merupakan faktor penting untuk memastikan pengurangan konsumsi batu bara dan peningkatan kualitas produk semen.
Perilaku pembakaran batu bara di industri semen sangatlah kompleks. Metode evaluasi analitis industri konvensional [1] tidak lagi dapat diterapkan. Salah satu contohnya adalah kalorimetri AdiabatikAdiabatik menggambarkan suatu sistem atau mode pengukuran tanpa pertukaran panas dengan lingkungan sekitar. Mode ini dapat direalisasikan dengan menggunakan perangkat kalorimeter sesuai dengan metode kalorimetri laju akselerasi (ARC®). Tujuan utama dari perangkat tersebut adalah untuk mempelajari skenario dan reaksi pelarian termal. Deskripsi singkat dari mode adiabatik adalah "tidak ada panas yang masuk - tidak ada panas yang keluar".adiabatik, di mana batu bara ditempatkan dalam wadah AdiabatikAdiabatik menggambarkan suatu sistem atau mode pengukuran tanpa pertukaran panas dengan lingkungan sekitar. Mode ini dapat direalisasikan dengan menggunakan perangkat kalorimeter sesuai dengan metode kalorimetri laju akselerasi (ARC®). Tujuan utama dari perangkat tersebut adalah untuk mempelajari skenario dan reaksi pelarian termal. Deskripsi singkat dari mode adiabatik adalah "tidak ada panas yang masuk - tidak ada panas yang keluar".adiabatik dan kandungan panas batu bara dihitung dengan mengukur perubahan suhu di dalam wadah. Meskipun metode ini hanya memerlukan peralatan sederhana, hasil pengukurannya relatif tidak akurat.
Dalam penelitian ini, karakterisasi material dua jenis batubara dilakukan melalui analisis termal simultan menggunakan instrumen STA NETZSCH Jupiter®. Berdasarkan hasil termogravimetri (TG) dan kalorimetri diferensial (DSC), parameter pembakaran penting ditentukan, termasuk suhu awal dan akhir (Tonset,Tend) eksoterm, suhu kehilangan massa awal (Ti), laju kehilangan massa maksimum (Vmax), panas eksotermik total (q), dan laju pembakaran rata-rata (v).
Berdasarkan parameter-parameter ini, indeks evaluasi
- intensitas pembakaran (I),
- intensitas pelepasan panas rata-rata (Q), dan
- indeks karakteristik pembakaran (S)
telah dihitung. Indeks-indeks ini memberikan dasar kuantitatif untuk mengevaluasi kinerja pembakaran batubara. Persyaratan penggunaan batubara dalam industri semen adalah perilaku pembakaran yang optimal melalui intensitas pembakaran yang rendah, intensitas pelepasan panas rata-rata yang tinggi, dan indeks karakteristik pembakaran yang tinggi. Hal ini mencerminkan keseimbangan yang baik antara perilaku penyalaan, pelepasan panas, dan reaktivitas secara keseluruhan.
Metode dan Parameter Pengukuran
Dua sampel batubara yang berbeda (batubara A dan B, massa sekitar 10 mg) dipanaskan dari suhu kamar hingga 1000 °C dengan laju pemanasan 10 K/menit di udara. Tabel 1 menunjukkan semua parameter penting dari kurva TG dan DSC, beserta simbol, satuan, dan definisinya.
Indeks pembakaran:
Nilai-nilai pengukuran individual tersebut kemudian digunakan untuk menentukan intensitas pembakaran, intensitas pelepasan panas rata-rata, dan indeks karakteristik pembakaran [2] (lihat Tabel 1 untuk singkatan).
a) Intensitas pembakaran (I)
Intensitas pembakaran batu bara menunjukkan intensitas pelepasan panas sesaat dalam proses eksotermik ini dan didefinisikan sebagai:
b) Intensitas pelepasan panas rata-rata (Q)
Intensitas eksotermik rata-rata batubara menunjukkan jumlah panas yang dilepaskan per satuan massa batubara dan per satuan suhu selama periode dari awal hingga akhir aktivitas eksotermik batubara, dan didefinisikan sebagai:
c) Indeks karakteristik pembakaran (S)
Karakteristik pembakaran batubara merupakan indikator komprehensif mengenai kualitasnya, termasuk kemudahan terbakar, titik nyala, intensitas pembakaran, dan durasi pembakaran. Berdasarkan aspek-aspek tersebut dan dengan mempertimbangkan literatur yang relevan
Tabel 1: Parameter penting dari kurva TG dan DSC beserta simbol, satuan, dan definisinya.
| Parameter | Simbol | Satuan | Definisi |
|---|---|---|---|
| Termogravimetri (TG) | |||
| Suhu awal terjadinya kehilangan massa | Ti | °C | Suhu di mana sampel mulai kehilangan massa (suhu penyalaan). |
| Waktu pembakaran | t98% | min | Waktu yang diperlukan untuk membakar 98% bahan bakar. |
| Suhu pembakaran | T98% | °C | Suhu pada saat 98% bahan bakar telah terbakar. |
| Laju pembakaran rata-rata | V | %/menit | Total kehilangan massa dibagi dengan waktu pembakaran. |
| Termogravimetri diferensial (DTG) | |||
| Laju kehilangan massa maksimum | Vmax | %/menit | Laju kehilangan massa maksimum. |
| Kalorimetri pemindaian diferensial (DSC) | |||
| Suhu awal puncak eksotermik | Tonset | °C | Suhu pada awal terjadinya efek eksotermik. |
| Suhu akhir puncak eksotermik | Tend | °C | Suhu pada akhir efek eksotermik. |
| Luas puncak eksotermik | q | J/g | Entalpi pembakaran sampel. |
| Tinggi puncak eksotermik | H | mW/mg | Tinggi puncak eksotermik relatif terhadap garis dasar DSC. |
| Lebar setengah puncak eksotermik | W | min | Waktu yang sesuai dengan lebar setengah puncak eksotermik. |
Hasil dan Pembahasan
Kurva TG dan DSC batu bara A dan batu bara B ditunjukkan pada Gambar 1 dan 2. Kedua sampel tersebut menunjukkan dua tahap kehilangan massa. Tahap pertama, hingga sekitar 150 °C, diduga disebabkan oleh pelepasan kelembapan. Sebagai perbandingan, batubara A dan B menunjukkan kadar kelembapan yang serupa pada tahap ini (masing-masing 1,8% dan 1,6%). Tahap kehilangan massa kedua, yang jauh lebih besar, berkaitan dengan dekomposisi termal dan pembakaran sampel batubara.
Kurva-kurva tersebut menunjukkan parameter dasar sifat termal dari kedua jenis batubara tersebut. Tabel 2 mencantumkan hasil untuk masing-masing sampel.
Suhu penyalaan sampel batubara A (412 °C) dan sampel batubara B (416 °C) menunjukkan nilai yang serupa, dengan suhu sampel batubara B sedikit lebih tinggi. Semakin tinggi suhu penyalaan, semakin sulit pula batu bara tersebut untuk dinyalakan. Enthalpi pembakaran batu bara B juga lebih tinggi daripada batu bara A. Semakin tinggi enthalpi pembakaran, semakin baik kualitas batu bara tersebut. Parameter penting lainnya dalam penggunaan batu bara adalah waktu pembakaran: semakin lama durasinya, semakin buruk kinerja pembakarannya. Perbandingan kedua sampel menunjukkan bahwa sampel batu bara A, dengan waktu hampir 28 menit, sedikit lebih lama daripada sampel batu bara B (sekitar 26 menit).
Tiga parameter evaluasi untuk kedua jenis batu bara tersebut tercantum dalam Tabel 3. Untuk industri semen, semakin tinggi indeks karakteristik pembakaran (S), semakin baik kinerja pembakaran batu bara dan semakin baik kualitasnya. Namun, kinerja pembakaran batu bara secara keseluruhan tidak dapat ditentukan hanya dari indeks ini saja. Intensitas pembakaran (I) dan intensitas pelepasan panas rata-rata (Q) juga harus dipertimbangkan. Oleh karena itu, batu bara yang digunakan harus memiliki intensitas pembakaran (I) yang rendah, intensitas pelepasan panas rata-rata (Q) yang tinggi, serta indeks karakteristik pembakaran (S) yang tinggi agar sesuai untuk digunakan dalam industri semen.
Berdasarkan pertimbangan ini dan dengan mengacu pada Tabel 3, dapat dilihat bahwa batu bara A memiliki kinerja pembakaran yang lebih baik daripada batu bara B karena intensitas pembakarannya yang lebih rendah dan indeks karakteristik pembakarannya yang lebih tinggi.
Tabel 2: Hasil pengukuran TG dan DSC pada sampel batubara A dan B.
| Parameter | Satuan | Batubara A | Batubara B |
|---|---|---|---|
| Ti | °C | 412 | 416 |
| H | mW/mg | 12,24 | 13,16 |
| W | menit | 27,80 | 25,80 |
| q | J/g | 20.509 | 20.520 |
| Tonset | °C | 247 | 248 |
| Tend | °C | 706 | 689 |
| t98% | min | 26,8 | 24,8 |
| T98% | °C | 692 | 676 |
| V | %/menit | 3,150 | 3,394 |
Ti: suhu pengapian; H: ketinggian puncak eksotermik; W: setengah lebar puncak eksotermik; q: entalpi pembakaran;Tonset: suhu awal puncak eksotermik;Tend: suhu akhir puncak eksotermik;t98%: waktu pembakaran;T98%: suhu pembakaran; V: laju pembakaran rata-rata;Vmax: laju kehilangan massa maksimum
Tabel 3: Parameter pembakaran yang dihitung dari sampel batubara A dan B.
| Parameter | Satuan | Batubara A | Batubara B |
|---|---|---|---|
| Intensitas pembakaran I | mW/mg·min | 0,440 | 0,525 |
| Intensitas pelepasan panas rata-rata Q | J/g·°C | 44,721 | 46,594 |
| Indeks karakteristik pembakaran S | 5,46 × 10⁻⁹ | 5,35 × 10⁻⁹ |
Ringkasan
Karakteristik pembakaran berbagai sampel batubara dapat diteliti menggunakan sistem analisis termal NETZSCH STA Jupiter®. Parameter-parameter fundamental sampel batubara selama proses pembakaran dapat ditentukan dari hasil pengukuran TG, DTG, dan DSC, misalnya suhu penyalaan, pelepasan panas, dan waktu pembakaran.
Berdasarkan nilai-nilai yang diukur tersebut, indeks-indeks komprehensif seperti intensitas pembakaran, intensitas pelepasan panas rata-rata, dan indeks karakteristik pembakaran juga dapat dihitung. Indeks-indeks evaluasi ini memberikan gambaran terpadu mengenai perilaku pembakaran batubara dan memungkinkan perbandingan yang lebih andal antara berbagai sampel batubara, sehingga mendukung pemilihan batubara yang paling sesuai untuk aplikasi tertentu.