BAB III

LANDASAN TEORI

3.1. Kiln Sistem

Unit kiln merupakan suatu unit dimana terjadi proses pembakaran kiln feed

yang berupa campuran limestone, tanah liat, pasir silika, dan pasir besi menjadi

klinker. Proses kalsinasi dan klinkerisasi dapat terjadi di dalam kiln. Selama

proses pemanasan di dalam kiln, akan terjadi reaksi fisika dan kimia secara

bersamaan dan interaksi antara molekul membentuk senyawa klinker.

Terbentuknya klinker ialah bila raw material dengan proporsi tertentu dari

senyawa – senyawa kimia didalamnya dibakar pada suhu sekitar 14500C. Dalam

proses pembakaran ini diharapkan akan terjadi oksidasi oleh atmosfir terhadap

unsur – unsur kimia yang terkandung di dalam raw material tersebut sehingga

dapat dihasilkan klinker yang bewarna hijau abu – abu. Jika keadaan oksidasi

unsur – unsur tersebut tidak baik maka akan dihasilkan klinker yang berwarna

agak coklat kemerahan dan semen yang dihasilkan dari klinker semacam ini akan

memiliki kekuatan yang mudah dan cepat mengeras.

Urutan reaksi terbentuknya senyawa mineral klinker sebagai berikut :

Fe2O3 + Al2O3 + 4 CaO 4 CaO.Al2O3. Fe2O3 ( Felite ) ( C4AF)

Al2O3 + 3 CaO 3 CaO. Al2O3 ( Celite ) ( C3A )

2 CaO + SiO2 2 CaO. SiO2 ( Belite ) ( C2S )

3 CaO + 2 CaOSiO2 3CaO. SiO2 ( Alite ) ( C3S )

Terbentuknya bentuk kristal ataupun kristalin dari pada senyawa klinker

tersebut ialah pada saat terjadi pendinginan klinker. Pembentukan C2S ialah

terjadinya interaksi antara CaO dengan SiO2 yang dimulai pada suhu 11000C dan

reaksinya semakin cepat pada suhu 13700C. Pada suhu ini akan mulai pula terjadi

interaksi antara C2S dengan CaO dan membentuk C3S. Reaksi pembentukan C3S

ini cukup lambat walaupun pada suhu tinggi, tetapi dengan adanya besi dan

alumina akan dapat mempercepat reaksi pembentukan C3S. C3S yang terbentuk

pada suhu 13700C sangat kecil jumlahnya.

Kiln merupakan alat utama untuk memproduksi klinker. Sebuah silinder yang

berdiameter 4,5 meter dengan panjang 75 meter. Kiln terhubung langsung dengan

preheater. Untuk mengurangi kebocoran udara yang masuk ke dalam kiln di

posisi back end maka dipasang air seal yang dilengkapi scooping device dimana

fungsinya untuk mengangkat material yang tidak mengalir didalam kiln.

Shell kiln sendiri bertumpuh dengan 3 tyre yang dihubungkan dengan patch

shoe sebagai penjepitnya. 3 tyre duduk diatas 6 supporting roller sebagai

penumpuh seluruh beban yang beratnya ratusan ton. Didalam kiln dipasang batu

tahan api utk pengaman dari paparan suhu yang tinggi saat operasi sekaligus

mengamankan kiln shell agar tidak deformasi.

Apabila berdasarkan kapasitasnya, Kiln System dikelompokkan ke dalam 3

( tiga ) golongan yaitu :

1) Kiln ukuran kecil, dengan kapasitas kurang dari 3.000 ton / hari.

2) Kiln ukuran menengah, dengan kapasitas antara 3.000 – 5.000 ton / hari.

3) Kiln ukuran besar, dengan kapasitas lebih besar dari 5.000--7500 ton / hari.

Maka Kiln System PT. Semen Baturaja ( Persero ) yang berukuran diameter

dalam 4.500 mm dan panjangnya 75 meter merupakan Kiln yang berukuran

relatif kecil untuk klasifikasi kapasitas kiln tersebut. Namun demikian sejak

operasi komersial pertama pada tahun 1981 sampai pada saat ini telah dilakukan

beberapa modifikasi / renovasi dalam upaya untuk mengoptimalisasikan

kapasitasnya yaitu: Realisasi kemajuan kapasitas produksi Terak tahunan yang

dapat dicapai bila dibandingkan terhadap kapasitas design awalnya.

Untuk tujuan konsruksi pemasangan Batu Tahan Api di dalam Kiln

(Refractory Lining), maka mulai dari arah Kiln Discharge (Outlet) sampai dengan

ke Kiln Inlet (Feed End) dibagi menjadi beberapa bagian (Zona) yaitu :

1) Calcining zone atau daerah kalsinasi dimana pada bagian ini terjadi proses

kalsinasi yang mana didaerah ini terjadi proses kalsinasi dari sebagian

material yang belum terkalsinasi di preheater dan calsiner dimana pada zona

ini materi yang belum terkalsinasi sekitar 10%. Materi yang 10% inilah yang

akan dikalsinasi

2) Transition zone atau daerah peleburan atau daerah pembentukan coating yaitu

antar Meter 4 – 32, dimana disini material akan membentuk fase liquid.

3. Burning zone atau daerah pembakaran, yaitu antara Meter 35 – 43. Pada zona

ini akan terbentuk klingker atau terjadi proses klingkerisasi

4. Cooling zone atau daerah pendinginan, dimana pada proses ini akan mulai

terbentuk Kristal klingker atau mulai terbentuk komponen utama semen

Fungsi Kiln:

1) Sebagai reaktor kimia yaitu reaksi pembakaran dan pembentukan klinker.

2) Sebagai heat genertor yaitu tempat pembakaran /pembagkit panas.

3) Sebagai heat exchanger dimana tempat terjadi perpindahan panas

konveksi,konduksi dan radiasi.

4) Sebagai alat transport material dan gas.

3.1.1. Jenis - Jenis Kiln

a) 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 tahun 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 2.1. 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.

b) 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 3S,

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:

1) Pembakaran  :  Sebagai combustion chamber untuk bahan bakar pada zona

pembakaran

2) Proses : Sebagai reaktor untuk proses pembakaran klinker.

3) Mekanikal  :  Stabilitas bentuk, fleksibilitas panas, dan kekuatan 

Gambar 4.2.  Rotary Kiln pada PT. Semen Baturaja

3.1.2. Jenis Proses pada Sistem Kiln

a) Proses basah

Rotary kiln pada desain awalnya 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

1450o C 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 :

1) Campuran / umpan kiln lebih homogen sehingga mutu semen lebih baik 

2) Efisiensi penggilingan relatif lebih baik

3) Jumlah debu yang dihasilkan lebih sedikit

Kerugian proses basah :

1) Kebutuhan air dan bahan bakar relatif besar

2) Kiln yang digunakan relatif lebih panjang sehingga dibutuhkan

banyak tempat.

3) Membutuhkan panas yang tinggi untuk pembakaran

4) Boros bahan bakar.

5) Kapasitas kiln dengan proses ini sangat rendah  

Gambar 4.3.   Prinsip Dasar dari Kiln Proses Basah

b) Proses Semi atau 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 sebagai berikut :

1) Panas yang digunakan pada waktu pembakaran tidak terlalu besar

dibandingkan proses basah.

2) Ukuran klinker yang keluar kiln seragam

Kerugian proses antara adalah peralatan yang digunakan lebih banyak.

c) 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 diuap.

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. Dalam perhitungan neraca

massa dan neraca panas ini kita akan menghitung aliran material yang masuk dan

keluar juga aliran energi yang masuk dan keluar sistem., sehingga didapatlah

energi yang terpakai dalam operasi kiln ini.

3.2. Preheater Kiln System

Preheater adalah Suatu Bangunan konstruksi baja yang bertingkat 4

sebanyak 2 unit. String A sering disebut Kiln string, sedangkan string B sering

disebut dengan Slc string.

Pada tiap - tiap tingkat diletakkan cyclone, sedangkan penomorannya cyclone

yang berada lantai paling atas / top disebut dengan cyclone 1 dengan 2 cylone

kembar , Lantai 5 adalah cylone 2,selanjutnya dilantai 4 adalah cyclone 2,

dilantai 3 adalah Cyclone 4. Demikian pula cyclone di string B. Cyclone sendiri

berfungsi utk memisahkan aliran gas dan material.

Pada string B preheater dilengkapi dengan kalsiner SLC dimana fungsi

kalsiner ini adalah untuk meningkatkan kalsinasi dari umpan yang dialirkan ke

dalam kalsiner. Karena preheater terdiri dari 2 string maka dapat juga disebut

preheater double string. Disebut kiln string karena konstruksi ducting preheter

yang terhubung diantara cyclone I A sampai cyclone 4A menyatu dengan kiln.

Demikian juga dengan SlC string karena konstruksi ducting preheter yang

terhubung diantara cyclone IB sampai cyclone 4B menyatu dengan kalsiner dan

ducting grate cooler.

3.3. Kalsiner

Kalsiner merupakan selinder yg berdiameter 6.54 m dengan tinggi 19 m di

top calsiner dipasang ducting yang dihubungkan dengan cylone 4 B, sedangkan di

bottom ducting dihubungkan dengan grate cooler sebagai sumber gas panas

tertier. Kalsiner dilengkapi dengan start burner yang berfungsi sebagai sarana

untuk heating up.

Dan bahan bakar kombinasi diawal feeding kiln, menggunakan bahan bakar

solar serta dikendalikan .di lokal, dan jumlah bahan bakar diatur dari valve lokal.

Pada operasi normal kalsiner menggunakan bahan bakar coal yang bisa

menggunakan low kalori, jumlah bahan bakar mencapai 60% dengan asumsi

umpan yang di suply ke kalsiner presentasenya sama. Kalsinasi umpan yang

diharapkan mencapai 90%. Kalsinasi 96% kondisi sudah stiky akan berbahaya

sekali terhadap operasi dapat berakibat block pada cyclone 3B atau Dicyclone 4B.

Casing kalsiner terbuat dari mild stell dan dibagian dalam dilapisi batu pengaman

/ castable.

Pembagian kalsiner :

1) Kalsiner ILC- udara pembakaran di kalsiner bersumber dari Kiln.

2) Kalsiner SLC- udara pembakaran di kalsiner bersumber dari grate cooler.

Manfaat Kalsiner :

1) Memungkinkan menaikkan kapasitas tanpa mengubah kiln

2) Derajat kalsinasi sampai 92% sebelum tendensi (blockage)

3) Umur batu tahan api di kiln akan lebih paniang.

4) Pengoperasian kiln lebih stabil mengurangi burning zone load di kiln karena

60% bahan bakar ke kalsiner.

2.4. Bahan Bakar yang Digunakan Pada Sistem Kiln

Bahan bakar yang digunakan pada sistem kiln sebagai berikut :

1) Bahan bakar minyak

2) Batubara

Tujuan pembakaran bahan bakar adalah :

1) Mengubah panas latent yang dimiliki bahan bakar menjadi panas hasil

pembakaran yang langsung dapat digunakan untuk mengubah atau

mereaksikan material baku menjadi klinker

2) Menghasilkan temperatur gas hasil pembakaran yang tinggi agar proses

perubahan dari material baku menjadi klinker dapat berjalan dengan baik

3) Menghasilkan klinker dengan kualitas baik

Penentu proses pembakaran :

1) Temperatur udara sekunder yang cukup untuk memulai pembakaran bahan

bakar

2) Oksigen yang cukup

3) Waktu tinggal yang cukup untuk pembakaran sempurna

Untuk menghitung efisiensi panas, neraca panas di sekitar unit kiln (SP,

rotary kiln, cooler) harus disusun lebih dahulu. Dengan menyusun neraca massa

dapat diketahui aliran – aliran massa yang masuk dan keluar sistem kiln.

Neraca massa disekitar sistem kiln dapat dilihat pada bagan di bawah ini :

Umpan kiln Terak

Batu bara Gas buang

Udara primer Udara keluar cooler

Udara sekunder

Neraca panas disekitar sistem kiln dapat dilihat pada bagan di bawah ini :

Panas sensible umpan kiln panas sensible keluar SP

Panas sensible batu bara panas sensible klinker

Panas pembakaran batu bara panas reaksi

Panas sensible udara primer panas sensible udara

keluar cooler

Panas sensible udara sekunder panas hilang karena

konveksi pada kiln

Dari bagan di atas, dapat diketahui aliran-aliran yang masuk ke unit kiln dan

panas yang dihasilkan di dalam kiln sebagai berikut :

1) Panas sensible umpan kiln, meliputi panas yang dibawa umpan dan panas

sensible air terkandung dalam umpan

Unit

Kiln

Unit

Kiln

(panas reaksi )

2) Panas sensible batubara, meliputi panas sensible batubara dan panas air yang

terkandung didalamnya.

3) Panas pembakaran batubara, yaitu panas yang dihasilkan dari pembakaran

batubara di rotary kiln.

4) Panas sensible udara primer, yaitu yang dibawa udara yang dimasukkan

bersama bahan bakar.

5) Panas sensible udara pendingin, yaitu panas yang dibawa oleh udara yang

dimasukkan ke cooler.

Panas yang keluar pada unit kiln meliputi panas yang dibawa oleh material

yang keluar dari sistem kiln dan panas yang digunakan pada sistem tersebut.

Panas keluar dari kiln terdiri dari :

1) Panas reaksi merupakan panas yang dipakai pada reaksi pembentukan

klinker.

2) Panas sensible keluar SP, yaitu panas yang dibawa oleh gas setelah melewati

SP. Panas ini selanjutnya digunakan di unit raw mill dan coal mill.

3) Panas sensible klinker.

4) Panas sensible udara keluar cooler, yaitu panas yang dibawa gas panas yang

tertarik menuju EP.

5) Panas hilang karena konveksi pada kiln.

Dari neraca panas diatas efisiensi pada unit kiln dirumuskan sebagai

perbandingan besarnya panas yang digunakan untuk reaksi dan panas masuk

sistem. Semakin besar efisiensi panas, semakin baik perpindahan dan unjuk kerja

alat.

Efisiensi Panas =

Panas reaksiPanas masuk

x 100%