Pengaruh variasi ukuran partikel terhadap profil suhu pada pembakaran batu bara sub bituminous dengan menggunakan pulverized burner
Amrul 1 , Herry Wardono 1 , Nikolaus Derry Chandra 1
1 Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Lampung Jl. Prof. Dr. Sumantri Brojonegoro No. 1 Bandar Lampung 35145 Email korespondensi: amrul@eng.unila.ac.id

## Abstrak
Salah satu teknologi pembakaran konvensional yang masih banyak digunakan dalam proses produksi listrik di Indonesia adalah pulverized combustion. Batu bara kualitas medium merupakan jenis batu bara yang sering digunakan dalam proses produksi listrik di Indonesia. Ketersediaan batu bara yang terbatas dapat diatasi dengan melakukan  pembakaran  bersama  antara  batu  bara  dengan  biomassa.  Penggunaan  bahan  bakar  biomassa diharapkan dapat mengatasi ketergantungan penggunaan bahan bakar fosil. Namun karakteristik pembakaran batu bara serbuk perlu diketahui sebelum melakukan pembakaran bersama antara batu bara dengan biomassa. Kajian ini bertujuan untuk mengetahui bagaimana pengaruh variasi ukuran batu bara serbuk terhadap profil suhu pembakaran yang dihasilkan. Kajian dilakukan menggunakan mesin coal combustion skala lab type pulverized burner dengan suhu uji yaitu 750°C, 850°C dan 950°C untuk melihat pengaruh partikel batu bara serbuk yang tanpa diayak dan yang diayak menggunakan  ayakan berukuran mesh 100 dan mesh 200 terhadap profil suhu pembakaran.  Pengurangan  ukuran  serbuk  batu  bara  membuat  kenaikan  suhu  semakin  tinggi.  Kenaikan  suhu tertinggi  terjadi pada  serbuk batu  bara ukuran mesh 200 dan suhu pembakaran  750°C yaitu sebesar 65,4°C. Waktu pembakaran tersingkat terjadi pada pembakaran serbuk batu bara mesh 200 dan suhu pembakaran 950°C, yaitu selama 120 detik.
Kata kunci : pembakaran serbuk batu bara, ukuran partikel bahan bakar, batu bara serbuk, suhu pembakaran.

## Abstract
One of the conventional combustion technologies that is still widely used in the electricity production process in Indonesia is pulverized combustion. Medium quality coal is a type of coal that is often used in the electricity production process in Indonesia. The limited availability of coal can be overcome by co-burning coal and biomass. The use of biomass fuels is expected to overcome dependence on the use of fossil fuels. However, the characteristics of  pulverized  coal  combustion  need  to  be  known  before  co-combusting  coal  and  biomass.  This  study  aims  to determine the effect of variations in the size of pulverized coal on the resulting combustion temperature profile. The study was conducted using a lab-scale coal combustion engine type pulverizer burner with test temperatures of 750°C, 850°C and 950°C to see a comparison of the combustion temperature profile of unsifted coal powder and sieved using a mesh size of 100 and mesh 200. The test results show that reducing the size of coal powder can increase  the  combustion  temperature  in  a  short  time.  The  highest  increase  in  combustion  temperature  was achieved by coal powder which  was sifted  using a  mesh  200 sieve at a  test temperature of 750°C, which  was 65.4°C. The shortest combustion time was achieved by coal powder which was sifted using a mesh 200 sieve at a test temperature of 950 o C, for 120 seconds..
Keywords: pulverized coal combustion, fuel particle size, coal powder, combustion temperature.

## 1. Pendahuluan
Produksi batu bara di Indonesia tumbuh secara pesat, yang  mana  tahun  2018  produksinya  mencapai  557 juta  ton.  Pada  tahun  yang  sama,  produksi  listrik  di Indonesia  yang  jumlahnya  mencapai  283,8  TWh, 56,4%  sumber  energi  pembakaran  berasal  dari  batu bara  [1].  Cadangan  batu  bara  Indonesia  kualitasnya bervariasi,  baik  dilihat  dari  kandungan  sulfur,  nilai kalor, kandungan abu, dan parameter lainnya. Sekitar 60%  batu  bara  di  Indonesia  memiliki  nilai  kalor sedang  atau  tergolong medium  rank ,  yakni  antara 5100-6100  kkal/kg  (adb).  Sedangkan  sisanya  ada yang kualtitas rendah dengan nilai kalor kurang dari
5100 kkal/kg (adb) dan sebagian lagi kualitas tinggi dengan nilai kalor lebih dari 6100 kkal/kg (adb).
Pembakaran  batu  bara  untuk  pembangkit  listrik umumnya menggunakan metode pembakaran serbuk ( pulverized  combustion ).  Hal  ini  dilakukan  untuk merapatkan kontak permukaan yang lebih luas antara batu bara dengan oksigen, sehingga pembakaran lebih sempurna.  Batu  bara  serbuk  membuat  pembakaran terjadi di seluruh permukaan partikelnya. Dengan cara ini kita dapat mempersingkat waktu pembakaran dan uap  yang  dihasilkan  akan  jauh  lebih  banyak  dalam waktu yang singkat [2].
Peningkatan kinerja pembakaran dapat dicapai ketika serbuk batu bara serbuk lebih halus. Laju pembakaran meningkat  dan  waktu burnout dipersingkat.  Dengan kenaikan  laju  pemanasan,  partikel  batu  bara  dapat lebih cepat dipanaskan dalam waktu yang singkat dan suhu pembakaran yang dihasilkan menjadi meningkat [3].
Sistem  pembakaran  serbuk  ( pulverized  combustion ) memungkinkan  pencampuran  beberapa  jenis  bahan bakar, misalnya batu bara dengan biomassa, melalui co-firing atau co-combustion . Co-firing batu bara dan biomassa  dapat  menjadi  solusi  dalam  mengurangi penggunaan  batu  bara  sekaligus  menurunkan  emisi gas  rumah  kaca.  Namun  sebelum co-firing ini dilaksanakan,  perlu  diketahui  sifat-sifat  pembakaran batu  bara  dan  biomassa,  khususnya  pada  sistem pembakaran serbuk.
Pada kajian ini akan dilakukan pengujian pembakaran batu  bara  yang  telah  dihaluskan  menjadi  serbuk dengan  berbagai  ukuran  partikel  menggunakan pulverized  burner .  Batu  bara  yang  digunakan merupakan  batu  bara sub-bituminous dengan  nilai kalori yang biasa digunakan untuk Pembangkit Listrik Tenaga  Uap  (PLTU),  yaitu  sekitar  5.600  kkal/kg (HHV,  adb).  Suhu  pembakaran  yg  lebih  tinggi diharapkan  dapat  menghasilkan  laju  produksi  uap yang  lebih  besar,  sehingga  daya  keluaran  turbin maksimal.

## 2. Metode
Bahan  bakar  yang  digunakan  adalah  batu  bara sub bituminous B yang telah dihaluskan dengan crusher . Batu  bara  yang  telah  digiling  halus,  disiapkan sebanyak 3 kg untuk tiap sampel, selanjutnya diayak dengan ukuran mesh 100 dan 200. Batu bara serbuk yang tidak diayak mempunyai ukuran rata-rata 0,253 mm, sedangkan yang diayak dengan ukuran mesh 100 dan mesh 200 berukuran rata-rata 0,127 mm dan 0,037 mm.
Pengaruh  ukuran  serbuk  batu  bara  terhadap  profil suhu  diuji  melalui  serangkaian  eksperimen  melalui pembakaran serbuk, menggunakan pulverizer burner . Gambar skematik alat uji yang digunakan ditunjukkan oleh Gambar 1.
Gambar 1 . Skema alat uji sistem pembakaran pulverized burner.
Pemanasan  awal burner dilakukan  menggunakan LPG  sampai  suhu  950°C  dan  ditahan  hingga  suhu stabil  selama  beberapa  menit  dengan  cara  tetap
menjaga  suplai  gas  bahan  bakar  ke  dalam burner . Laju  bahan  bakar  diatur  sebesar  73,23  kg/jam  atau flow 3 untuk seluruh pengujian. Selanjutnya data hasil perekaman suhu dicatat setiap interval waktu 10 detik menggunakan temperature  recorder BTM-4208SD sampai bahan bakar serbuk batu bara terbakar habis. Prosedur yang sama dilakukan dengan menggunakan suhu  850°C  dan  750°C  pada seluruh  sampel  serbuk batu bara.

## 3. Hasil dan Pembahasan
Hasil pengujian pembakaran serbuk batu bara dengan ukuran partikel yang berbeda-beda ditunjukkan dalam bentuk  profil  suhu  pembakaran.  Gambar  2 menunjukkan profil suhu yang dihasilkan pada suhu awal  pembakaran  750°C  dengan  variasi  ukuran partikel ditentukan melalui kriteria tanpa diayak (TD), diayak dengan mesh 100 (M100), dan diayak dengan mesh 200  (M200).  Profil  suhu  pembakaran  yang dihasilkan  dari  ketiga  ukuran  serbuk  tersebut cenderung sama, yaitu suhu yang meningkat dari awal sampai menuju titik puncak dan selanjutnya menurun sampai semuanya habis terbakar.
Gambar 2 . Profil suhu pembakaran pada suhu awal 750°C.
Suhu  pembakaran  tertinggi  yang  dihasilkan berbanding terbalik dengan ukuran serbuk. Batu bara ukuran mesh 200 menghasilkan suhu tertinggi sebesar 815,4°C. Sementara untuk batu bara ukuran mesh 100 dan  yang  tidak  diayak,  suhu  tertinggi  yang  dicapai lebih rendah, yaitu sebesar 807,4°C dan 771,5°C. Hal ini dikarenakan perbedaan ukuran batu bara, di mana batu  bara  yang  telah  diayak  memiliki  ukuran  yang lebih  kecil,  sehingga  lebih  mudah  terbakar  dan menghasilkan kenaikan suhu yang tinggi.
Perbedaan  lain  yang  terlihat  dari  profil  suhu pembakaran  dari  ketiga  variasi  ukuran  partikel  batu bara  tersebut  adalah  waktu  yang  dibutuhkan  untuk mencapai  suhu  pembakaran  tertinggi.  Waktu  yang dibutuhkan untuk mencapai suhu tertinggi pada batu bara yang tidak diayak dan ukuran mesh 100 adalah sekitar  180  detik.  Sementara  suhu  tertinggi  yang dicapai  oleh  serbuk  batu  bara  diayak  menggunakan ayakan mesh 200 adalah sekitar 150 detik, di mana ini merupakan  waktu  tersingkat  untuk  mencapai  suhu tertinggi.
Gambar 3 menunjukkan profil suhu pembakaran yang dihasilkan  pada  suhu  pembakaran  850°C.  Ketiga variasi ukuran serbuk batu bara menghasilkan profil pembakaran  yang  sedikit  berbeda.  Serbuk batu  bara yang  tidak  diayak  menghasilkan  kenaikan  suhu pembakaran yang paling rendah dibandingkan serbuk batu bara mesh 100 dan 200. Suhu tertinggi dihasilkan oleh batu bara mesh 200, yaitu sebesar 897°C.
Gambar 3 . Profil suhu pembakaran pada suhu awal 850°C.
Waktu  yang  dibutuhkan  untuk  mencapai  suhu tertinggi  dari  ketiga  variasi  ukuran  ini  juga  sedikit berbeda. Suhu tertinggi yang dicapai oleh serbuk batu bara tanpa proses pengayakan sebesar 856,3°C pada detik ke 150. Suhu tertinggi yang dicapai oleh serbuk batu  bara  diayak  menggunakan  ayakan mesh 100 sebesar 878,7°C pada detik ke 120, yang di mana ini merupakan  waktu  tersingkat  untuk  mencapai  suhu tertinggi. Suhu tertinggi yang dicapai oleh serbuk batu bara diayak menggunakan ayakan mesh 200 sebesar 897°C pada detik ke 150.
Gambar 4 menunjukkan profil yang dihasilkan pada suhu  pembakaran  950°C.  Ketiga  variasi  ukuran serbuk batu bara sama-sama menghasilkan kenaikan suhu  pembakaran  yang  cukup  tinggi  dengan  jarak suhu pembakaran yang hampir sama antara batu bara yang tidak diayak, diayak mesh 100, dan diayak mesh 200. Hal ini dikarenakan suhu uji pembakaran yang diaplikasikan  cukup  tinggi  yaitu  950°C,  membuat serbuk  batu  bara  semakin  cepat  terbakar  dan  suhu meningkat dengan cepat.
Serbuk batu bara yang tidak diayak dan yang diayak menggunakan  ayakan mesh 100  cenderung menghasilkan  profil  suhu  pembakaran  yang  hampir sama.  Sedangkan  serbuk  batu  bara  yang  diayak menggunakan ayakan mesh 200 menghasilkan profil suhu  pembakaran  yang  lebih  tinggi  dan  meningkat, dengan  suhu  tertinggi  yang  dapat  dicapai  sebesar 996,9°C.
Gambar 4 . Profil suhu pembakaran pada suhu awal 950°C.
Perbedaan  profil  suhu  pembakaran  ketiga  variasi ukuran  partikel  batu  bara  dapat  dilihat  pada  waktu yang  dibutuhkan  untuk  mencapai  suhu  pembakaran tertingginya. Suhu tertinggi yang dicapai oleh serbuk batu  bara  tanpa  proses  pengayakan  sebesar  985,7°C pada detik ke 150. Suhu tertinggi yang dicapai oleh serbuk batu  bara diayak menggunakan ayakan mesh 100 sebesar 991,3°C pada detik ke 150. Suhu tertinggi yang  dicapai  oleh  serbuk  batu  bara  diayak menggunakan ayakan mesh 200 sebesar 996,9°C pada detik ke 120, di mana ini merupakan waktu tersingkat untuk mencapai suhu tertingginya.
Gambar  profil  suhu  pembakaran  dari  ketiga  variasi ukuran partikel menunjukkan lama pembakaran yang berbeda-beda.  Waktu  pembakaran  terus  berkurang seiring dengan  berkurangnya ukuran  partikel  serbuk batu bara. Hal ini dikarenakan semakin kecil ukuran serbuk batu bara dengan suhu pembakaran yang tinggi membuat serbuk batu bara lebih cepat habis terbakar secara  sempurna.  Waktu  pembakaran  serbuk  batu bara  yang  tidak  diayak,  yang  diayak mesh 100  dan diayak mesh 200 masing-masing adalah berlangsung selama 150 detik, 150 detik dan 120 detik.
Kenaikan  suhu  berbanding  lurus  dengan  semakin kecilnya  ukuran  bahan  bakar.  Hasil  tersebut  sesuai dengan  teori  bahwa  semakin  kecil  ukuran  partikel serbuk  batu  bara,  maka  suhu  pembakaran  yang dihasilkan  akan  semakin  tinggi.  Hal  ini  diakibatkan karena  pembakaran  bahan  bakar  padat  memerlukan kontak  antara  udara  dengan  bahan  bakar.  Dengan memperkecil ukuran bahan bakar padat, maka kontak antara  area  permukaan  bahan  bakar  dan  udara semakin  merata  pada  bahan  bakar  dengan  ukuran yang lebih kecil [2].
Selain  itu  beberapa  hal  yang  mempengaruhi mekanisme pembakaran serbuk adalah pembentukan zat  volatil  dan  oksidasi  volatil.  Semakin  banyak volatil  yang  dihasilkan,  maka  kualitas  pembakaran akan meningkat [4]. Oleh karena itu, proses pelepasan volatil dalam proses pembakaran merupakan hal yang sangat  penting.  Dengan  mengecilkan  ukuran  serbuk batu bara maka akan volatil yang terkandung di dalam serbuk  batu  bara  akan  semakin  cepat  dilepaskan
selama  proses  pembakaran  yang  membuat  suhu pembakaran meningkat cepat [5].
Kenaikan suhu tertinggi terjadi di pembakaran sebuk batu bara pada suhu pembakaran 750°C yang diayak dengan ayakan mesh 200 yaitu sebesar 65,4°C. Hal ini dikarenakan  batu  bara  yang  diayak  menggunakan ayakan mesh 200 menghasilkan ukuran yang terkecil, sehingga pelepasan volatil yang terjadi pada partikel serbuk  batu  bara  semakin  banyak  dan  terbakar, sehingga  membuat  suhu  pembakaran  meningkat drastis. Suhu yang tinggi akan membuat burnout yang baik,  di  mana  bahan  bakar  akan  terbakar  habis sempurna [6].
Ukuran  bahan  bakar  juga  mempengaruhi  lamanya waktu  pembakaran.  Pemanasan  bahan  bakar merupakan  salah  satu  tahap  dalam  mekanisme pembakaran bahan bakar padat. Ukuran bahan bakar yang  diperkecil  membuat  serbuk  batu  bara  menjadi lebih  cepat  dipanaskan  dalam  waktu  yang  singkat, sehingga  waktu  penyalaan  ( ignition  time )  juga semakin cepat, sehingga waktu pembakaran menjadi semakin  singkat  [3].  Hasil  pengujian  menunjukkan bahwa  waktu  pembakaran  menurun  seiring  dengan semakin kecilnya ukuran partikel serbuk batu bara.
Waktu pembakaran paling singkat terjadi pada suhu pembakaran  950°C  untuk  ukuran  serbuk mesh 200, selama 120 detik. Hal ini dikarenakan ukuran bahan bakar  serbuk  batu  bara  yang  diayak  menggunakan ayakan mesh 200  menjadi  semakin  kecil.  Selain  itu suhu  pembakaran  yang  tinggi  yaitu  950°C  juga membuat  bahan  bakar  terbakar  secara  cepat  dan sempurna.

## 4. Kesimpulan
Dengan berkurangnya ukuran serbuk batu bara dapat membuat  pelepasan  zat  volatil  menjadi  semakin banyak , sehingga  membuat  kenaikan  suhu  semakin tinggi.  Kenaikan  suhu  tertinggi  terjadi  pada pembakaran  serbuk  batu  bara  yang  diayak menggunakan  ayakan mesh 200  pada  suhu pembakaran  750°C  yaitu  sebesar  65,4°C  dengan waktu  pembakaran  selama  150  detik.  Pengurangan ukuran serbuk batu bara pada pembakaran serbuk batu bara juga dapat membuat waktu pembakaran menjadi lebih singkat, dikarenakan pembakaran terjadi merata pada seluruh permukaannya.

## Ucapan Terima Kasih
Penelitian ini dapat dilaksanakan dengan baik berkat bantuan dan dukungan dari berbagai pihak, untuk itu penelti  mengucapkan  terima  kasih  kepada  Lembaga Penelitian  dan  Pengabdian  kepada  Masyarakat (LPPM) dan Fakultas  Teknik , Universitas Lampung yang telah mendanai kegiatan penelitian ini.

## Daftar Pustaka
[1] Sekretariat  Jenderal  Dewan  Energi  Nasional. (2019). Outlook Energi Indonesia 2019. Jakarta: DEN.
[2] Samlawi,  Achmad  Kusairi.  (2017).  Teknik Pembakaran.  Banjarbaru:  Universitas  Lambung Mangkurat.
[3] Li, Q., Zhao, C., Chen, X., Wu, W., and Li, Y. (2009).  Comparison  of  Pulverized  Coal Combustion In Air and In O2/CO2 Mixtures by Thermo-Gravimetric  Analysis.  Journal  of Analytical and Applied Pyrolysis, 85(1-2), 521- 528.
[4] Barnes,  I.  (2012).  Understanding  Pulverised Coal, Biomass and Waste Combustion. London: IEA
[5] Gu,  M.,  Chen,  G.,  Zhang,  M.,  Huang,  D.  F., Chaubal,  P.,  and  Zhou,  C.  Q.  (2010).  Three- Dimensional Simulation of The Pulverized Coal Combustion  Inside  Blast  Furnace  Tuyere. Applied Mathematical Modelling, 34(11), 3536- 3546.
[6] Oakey,  John.  (2016).  Fuel  Flexible  Energy Generation:  Solid,  Liquid  and  Gaseous  Fuels. Cambridge: Woodhead Publishing.