Kiln Pada Industri Semen

KILN PADA INDUSTRI SEMEN

A. JENIS-JENIS KILN

1. SUSPENSION PREHEATER KILN

Suspension Preheater merupakan suatu susunan empat buah cyclon

dan satu buah calsiner yang tersusun menjadi satu string. Suspension

Preheater yang digunakan terdiri dari dua bagian yaitu : in-line calsiner (ILC)

dan separate line calsiner (SLC). Jadi preheater yang digunakan adalah

suspension preheater dengan dua string.

Sampai pertengahan th 1980, jenis ini merupakan sistem dengan

konsumsi bahan bakar terendah. Preheater jenis ini dibuat dalam beberapa

konfigurasi dengan kapasitas sampai 4500 ton/hari yang kebanyakan

dikombinasikan dalam bentuk single atau twin cyclone stage. Gas keluaran

kiln masih dapat digunakan untuk mengeringkan raw material dengan

kandungan air sampai 8% jika mill beroperasi bersamaan dengan kiln sehingga

suhu gas sisa yang relatif tinggi tidak dianggap sebagai kehilangan panas.

Gambar 1 Suspension Preheater pada Pabrik Semen

Sistem preheater dipasang di dalam menara yang terbuat dari baja

atau beton dengan ketinggian sekitar 60-120 m (6 tingkat) di atas inlet kiln.

Preheater dengan 4-6 tingkat merupakan jenis yang paling sesuai untuk

menghadapi masalah sirkulasi dengan adanya konsentrasi yang berlebih

sehingga dapat menyebabkan masalah penyumbatan (clogging) pada sistem

preheater.

Alat ini merupakan alat yang digunakan untuk pemanasan awal bahan

baku sebelum masuk rotary kiln.

2. ROTARY KILN

Rotary kiln merupakan peralatan paling utama pada proses pembuatan

semen. Fungsi utamanya adalah sebagai tempat terjadinya kontak antara gas

panas dan material umpan kiln sehingga terbentuk senyawa-senyawa

penyusun semen yaitu C3S, C2S, C3A dan C4AF. Kiln putar ini berbentuk

silinder yang terbuat dari baja yang dipasang secara horisontal dengan

kemiringan 4°, berdiameter 5,6 m; panjang 84 m dan kecepatan putar 2,8 rpm.

Kiln tanur mampu membakar umpan dengan kapasitas 7800 ton/jam hingga

menjadi terak klinker.

Pada dasarnya rotary kiln adalah sebuah silinder panjang berputar pada

porosnya satu kali setiap satu atau dua menit. sumbu ini cenderung sedikit

miring, ujung dengan pembakar yang lebih rendah. Rotasi menyebabkan

umpan secara bertahap bergerak dimana umpan masuk pada keadaan dingin

dan keluar pada kondisi panas.

Rotary kiln diperkenalkan pada tahun 1890 dan meluas di awal abad

ke-20, yang dapat produksi secara kontinyu dan produk yang lebih seragam

dalam jumlah besar. Alat ini dilengkapi dengan preheater sebagai pemanas

awal dan prekalsiner. Gerakan antara material dan gas panas hasil pembakaran

batubara berlangsung secara counter current. Karena panas yang ditimbulkan

batubara tinggi maka rotary kiln perlu dilapisi batu tahan api pada bagian

dalamnya untuk mencegah agar baja tidak meleleh.

Saat ini, semua industri penghasil klinker menggunakan rotary kiln

karena rotary kiln merupakan satu-satunya cara yang layak untuk mengatur

proses dengan suhu tinggi dan material dengan beragam sifat. Rotary kiln

harus memenuhi 3 jenis kebutuhan:

a. Pembakaran : Sebagai combustion chamber untuk bahan bakar pada zona

pembakaran

b. Proses : Sebagai reaktor untuk proses pembakaran klinker

c. Mekanikal : Stabilitas bentuk, fleksibilitas panas, dan kekuatan

Gambar 2 Rotary Kiln pada Pabrik Semen

B. JENIS PROSES

1. PROSES BASAH

Rotary kiln pada desain awal relatif sederhana dibandingkan dengan

perkembangan modern. Umpan masuk pada suhu lingkungan dalam bentuk

slurry. Kiln proses basah panjangnya bisa mencampai 200 m dengan

diameter mencapai 6 m. Alat dibuat panjang karena banyak air yang akan

diuapkan dan mengoptimalkan proses perpindahan panas. Slurry mengandung

sekitar 40% air. Hal ini membutuhkan banyak energi untuk menguapkan dan

berbagai perkembangan dari proses basah ini bertujuan untuk mengurangi

kadar air dari umpan. Proses basah telah bertahan selama lebih dari satu abad

karena bahan baku banyak yang cocok untuk pencampuran slurry.

Semen yang tebentuk berupa terak (kilnker) dengan temperatur kiln

mencapai 1450oC dan selanjutnya didinginkan secara tepat dengan suatu alat

pendingin dan disimpan pada storage kilnker, lalu ditambah dengan gypsum

(3-5 %) dan digiling secara kering. Kebutuhan panas pada proses basah 1200-

1300 kcal/kg kilnker.

Keuntungan proses basah :

a. Campuran / umpan kiln lebih homogen sehingga mutu semen lebih baik

b. Efisiensi penggilingan relatif lebih baik

c. Jumlah debu yang dihasilkan lebih sedikit

Kerugian proses basah :

a. Kebutuhan air dan bahan bakar relatif besar

b. Kiln yang digunakan relatif lebih panjang sehingga dibutuhkan banyak

tempat

c. Membutuhkan panas yang tinggi untuk pembakaran

d. Boros bahan bakar

e. Kapasitas kiln dengan proses ini sangat rendah

Gambar 3 Prinsip Dasar dari Kiln Proses Basah

2. PROSES SEMI/ANTARA

Pada proses semi basah, kadar air pada raw material antara 17-21 %

yang berupa slurry. Sebelum diumpankan ke kiln, harus disaring dahulu

supaya terbentuk filter cake. Pada proses semi kering, kadar air pada raw

material antara 1-12 % dan raw material ini berupa butiran yang lembab.

Keuntungan proses antara:

a. Panas yang digunakan pada waktu pembakaran tidak terlalu besar

dibandingkan proses basah

b. Ukuran klinker yang keluar kiln seragam

Kerugian proses antara:

Peralatan yang digunkan lebih banyak

3. PROSES KERING

Dalam proses kering, bahan baku dicampur masuk kiln melalui

preheater. Di sini, gas panas dari kiln, digunakan untuk memanaskan umpan.

Akibatnya, umpan sudah panas sebelum masuk kiln.

Proses kering jauh lebih efisien termal dari proses basah karena umpan

dalam bentuk kering dan sehingga hanya ada sedikit air yang harus diuapkan.

Kemudian proses transfer panas jauh lebih efisien.

Kiln pada proses kering dilengkapi suspension preheater. Alat ini

adalah menara dengan serangkaian siklon yang bergerak cepat dengan gas

panas yang menjaga umpan melayang di udara. Sepanjang waktu, umpan akan

lebih panas dan gas akan lebih dingin sampai umpan berada pada suhu hampir

sama dengan gas.

Proses kering terdiri dari kiln dan suspension preheater. Bahan baku,

batu kapur dan tanah halus, akan dicampur untuk menghasilkan umpan.

Umpan dimasukkan pada bagian atas menara preheater dan melewati

serangkaian siklon di menara. Gas panas dari kiln dan udara panas dari

pendingin klinker dihembuskan melalui siklon. Transfer panas berlangsung

efisien dari gas panas ke umpan.

Proses pemanasan efisien karena partikel umpan memiliki luas

permukaan yang sangat tinggi dan karena perbedaan besar dalam suhu antara

gas panas dan umpan dingin. Biasanya, 30% -40% dari umpan telah melalui

dekarbonisasi sebelum masuk kiln.

Perkembangan dari proses ini adalah precalciner kiln. Kebanyakan

pabrik semen baru menggunakan jenis ini. Prinsipnya sama dengan sistem

preheater proses kering tetapi dengan tambahan utama burner lain, atau

precalciner. Dengan panas tambahan, sekitar 85% -95% dari umpan telah

terdekarbonisasi sebelum memasuki kiln.

Keuntungan proses kering:

a. Kiln yang digunakan relatif pendek dan diameter lebih kecil sehingga

hemat tempat

b. Pemakaian bahan bakar lebih hemat

c. Pemakaian panas lebih efisien

d. Kapasitas kiln dengan proses ini sangat rendah

Kerugian proses kering :

a. Relatif lebih banyak menimbulkan debu

b. Campuran tepung baku kurang homogen dibandingkan dengan proses

basah

Gambar 4 Prinsip Dasar dari Kiln Proses Kering

Umpan memasuki kiln sekitar 900oC, kiln dapat berukuran lebih

pendek dan diameter lebih kecil untuk output yang sama. Hal ini mengurangi

modal awal dari pabrik semen baru. Sebuah kiln proses kering berukuran

panjang 70 m dan lebar 6 m namun menghasilkan kuantitas klinker yang

sama dengan kiln proses basah dari diameter yang sama tetapi panjangnya

200 m. Untuk output yang sama, sebuah kiln proses kering tanpa precalciner

ukurannya akan lebih pendek dari kiln proses basah tapi lebih panjang dari

kiln proses kering dengan sebuah precalciner.

C. PRINSIP KERJA

Keterangan Gambar :

1. Inlet Chamber 5. Speed Reducer

2. Girth Gear 6. Blower

3. Nose Ring 7. Aliran Gas

4. Main Gear 8. Aliran Material ke cooler

Gambar 5 Bagan Rotary Kiln

Umpan kiln dari preheater akan masuk melalui inlet chamber. Tenaga

gerak dari motor dan main gear menyebabkan kiln berputar. Perputaran pada kiln

diatur oleh girth gear yang berfungsi sebagai pengaman dan mengurangi beban

main gear. Karena pengaruh kemiringan dan gaya putar kiln, maka umpan kiln

akan bergerak perlahan disepanjang kiln.

Dari arah yang berlawan gas panas hasil pembakaran batu bara

dihembuskan oleh burner, sehingga terjadi kontak panas dan perpindahan panas

antara umpan kiln dengan gas panas. Kontak panas tersebut akan mengakibatkan

terjadinya reaksi kimia untuk membentuk komponen semen. Pembakaran akan

terus berlangsung sampai terbentuk klinker dan akan keluar menuju clinker

cooler. Selama proses pembakaran, material akan melewati 4 zona dalam kiln

dengan jangkauan suhu yang berbeda-beda sehingga dalam kiln akan terjadi reaksi

kimia pembentukan senyawa penyusun semen.

D. PEMBAGIAN SISTEM DALAM KILN

Sistem dalam kiln dapat dibagi menjadi beragam daerah berdasarkan

kondisi operasi yang digunakan:

1. ZONA PEMANASAN AWAL

Air bebas serta air hidrat yang terdapat pada tanah liat mengalami

penguapan. Deskripsi prosesnya adalah sebagai berikut:

a. Pada temperatur 100oC terjadi penguapan air

b. Pada temperatur 500oC terjadi pelepasan air hidrat clay, dengan reaksi:

Al2SiO7.xH2O → Al2O3 + 2SiO2 + xH2O

Selain itu batu kapur (CaCO3) akan terurai menjadi CaO dan CO2 (proses

kalsinasi). Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut:

CaCO3 + Heat ( 900oC ) → CaO + CO

2

Supaya reaksi dapat berlangsung dibutuhkan temperatur sekitar 900oC.

Temperatur keluar kalsiner dipertahankan pada 840-850oC. Pada titik

tersebut, derajat kalsinasi berkisar antara 90-95 %.

2. ZONA KALSINASI

Pada daerah tersebut terjadi proses kalsinasi lanjutan, yaitu reaksi

peruraian kalsium dan magnesium karbonat menjadi CaO, MgO dan CO2.

Proses kalsinasi yang terjadi di inlet kiln, mempunyai kecepatan yang

lebih lambat dibandingkan dengan kalsinasi yang terjadi di Preheater. Ini

karena pengaruh dari temperatur dan tekanan parsial dari CO2 dalam atmosfer

kiln. Temperatur dalam zona tersebut sekitar 800-900oC (disesuaikan

temperatur kalsinasi). Partikel CaCO3 yang masih terdapat pada permukaan isi

kiln akan mengalami kalsinasi, relatif lebih cepat, karena secara terus menerus

dibantu oleh gerakan tumbling yang terjadi selama kiln berputar.

Pada saat proses kalsinasi berlangsung akan terjadi proses

pembentukan mineral C2S.

Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut:

2 CaO + SiO2 → 2 CaOSiO2 atau C2S

Kristal C2S pada awalnya berbentuk lattice structur dan akan berubah

membentuk struktur alpha C2S pada temperatur konstan yaitu 830oC.

Pembentukan C2S merupakan proses eksotermis.

3. ZONA TRANSISI

Pada zona ini proporsi CaO akan semakin besar, sebaliknya proporsi

CaCO3 semakin kecil dan sempurna habis pada temperatur bahan sekitar

900oC. Pada temperatur tersebut proporsi C2S semakin meningkat sampai

temperatur bahan sekitar 1200oC, sedang oksida besi mulai mengikat

campuran oksida kalsium dan oksida alumina membentuk campuran

C2(A,F).Dengan meningkatnya temperatur, maka oksida kalsium (CaO)

bergabung dengan kalsium alumina dan C2(A,F) masing-masing membentuk

C3A dan C4AF. Pembentukan C3A dan C4AF terjadi pada temperatur ± 1000-

1200oC.

Reaksinya adalah sebagai berikut:

3 CaO + Al2O3 → 3 CaOAl2O3 atau C3A

4 CaO + Al2O3 + Fe2O3 → 4CaOAl2O3Fe2O3 atau C4AF

Sebagian kecil liquid akan terbentuk dalam zona transisi sebagai akibat

tingginya temperatur operasi.

4. ZONA PEMBAKARAN

Di daerah ini terjadi pelelehan pada temperatur tinggi ( ± 1200-

1350oC) dimana campuran kalsium alumina ferrit (C

4AF) mengalami

perubahan fase menjadi fase cair. Pada zona tersebut, temperatur operasi terus

meningkat sampai mencapai 1400oC dengan memperbesar fase cair sekitar 20-

30 %.

Jumlah fase cair tersebut tergantung pada komposisi kimia pada raw

mix design-nya, dimana pada silika modulus tinggi akan menyebabkan fase

cairnya berkurang.

Viskositas dari fase cair ini bergantung pada alumina rasio, alkali,

SiO3, sedangkan MgO alkali akan menyebabkan kenaikan viskositas cairan.

Partikel padat dalam kiln terdiri dari C2S dan CaO bebas. Tidak ada

lagi SiO2 sisa yang terpisah dari oversize partikel (lebih besar dari 44 mikron)

karena telah habis digunakan untuk pembentukan C2S.

Bagian CaO yang tidak bereaksi dengan oksida-oksida alumina, besi

dan silika atau free lime dibatasi kadarnya sampai dibawah 1,5 %. Pada

temperatur tinggi ini sisa unsur CaO akan mengikat C2S untuk membuat

campuran kristal C3S. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut:

2CaO.SiO2 + CaO → 3CaO. SiO2 atau C3S

5. ZONA PENDINGINAN

Pendinginan dimulai segera setelah klinker melewati flame. Reaksi

kimia juga terjadi di sini yaitu di akhir kiln. Senyawa C2A yang tidak stabil

dan terdapat di dalam klinker akan berubah menjadi C3A. Selain itu, juga ada

yang bergabung dengan CaO bebas yang tidak membentuk C2S dan ada juga

yang bergabung dengan CaO dari mineral C3S yang cenderung melepaskan

CaO selama pendinginan dan kembali menjadi C2S. Sehingga sebanyak 28 %

mineral C3A terbentuk di dalam zona pendinginan kiln dan di dalam cooler.

Selain itu, di daerah ini campuran kalsium alumina ferrit yang berbentuk

cairan, mengalami perubahan fisis menjadi kristal.

Tujuan dari pendinginan adalah untuk mendinginkan klinker. Hal ini

penting untuk beberapa alasan:

a. Dari sudut pandang teknik, pendinginan diperlukan untuk mencegah

kerusakan pada penanganan peralatan klinker seperti conveyor.

b. Dari sudut pandang proses dan kimia, sangat bermanfaat untuk

meminimalkan suhu klinker karena memasuki klinker silo.

c. Dari sudut pandang lingkungan dan biaya, pendingin mengurangi

konsumsi energi dengan mengambil panas dari klinker, memungkinkan

untuk digunakan untuk memanaskan bahan baku.

d. Dari sudut pandang kinerja semen, pendinginan klinker secara cepat

meningkatkan reaktivitas silikat.

E. REAKSI PADA PROSES PEMBAKARAN TERAK

Suhu oC Reaksi

110 Penguapan kandungan air pada tepung baku

100-400 Penguapan kandungan air terikat

450-800 Dehidrasi tanah liat / kaolin

Al2O3.2SiO2.2H2O Al2O3.2SiO2 + 2H2O -231 cal/g

700-730 Dissosiasi Magnesium Karbonat

MgCO3 MgO + CO2 -275 cal/g

700-800 Pembentukan CaO.Al2O3

750-900 Dissosiasi Kalsium Karbonat

CaCO3 CaO + CO2 -420 cal/g

800-900 Pembentukan 2CaO.SiO2

900-950 Pembentukan 5CaO.3Al2O3

950-1200 Pembentukan 2CaO.SiO2 (C2S) dan 2CaO.Fe2O3

1200-1300 Pembentukan 3CaO.Al2O3 (C3A) dan 4CaO.Al2O3.Fe2O3 (C4AF)

1260-1450 Pembentukan 3CaO.SiO2 (C3S)

Pembentukan fase cair

1200-1350 Pendinginan ( kristalisasi aluminat dan ferit )

80-150 Pedinginan di dalam cooler

DAFTAR PUSTAKA

Laporan praktek kerja pabrik semen PT. Semen Gresik (persero),Tbk Pabrik

Tuban oleh Novi Anitra I0506034 Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik

Universitas Sebelas Maret Surakarta 2010

http://bakultkunri.files.wordpress.com/2008/01/semen-padang-report.pdf

http://callosacraft.blogspot.com/

http://evafaizah.blogspot.com/2009/04/industri-semen.html

http://www.understanding-cement.com/manufacturing.html

TUGAS UTILITAS 3

KILN PADA INDUSTRI SEMEN

Disusun Oleh :

1. Nur Halimah Murdiyati I0507049

2. Patria Agung R. I0507051

3. Patricia Sitompul I0507052

4. Purwanti I0507053

5. Yulian Amin Rais I0507061

6. M. Agung Indra I. I0507068

PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK

UNVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

2010