proses klinkerisasi versi printout

Proses Klinkerisasi

Tinjauan Aspek Material dan Proses di Kiln System

Course/06.05/Lusy Widowati

2Proses Pembentukan Klinker

1. Pendahuluan

2. Reaksi Klinkerisasi

3. Mekanisme Reaksi

4. Kinetika Reaksi

5. Thermodinamika Pembentukan Klinker

6. Aspek Proses

3Klinker adalah batuan buatan yang dihasilkan dari proses pemanasan raw meal di dalam kiln pada suhu sekitar 1400oC. Selama proses pemanasan di dalam Selama proses pemanasan di dalam kiln, akan terjadi reaksi fisika dan kimia secara kiln, akan terjadi reaksi fisika dan kimia secara bersamaan dan interaksi antar molekul membentuk bersamaan dan interaksi antar molekul membentuk senyawa klinkersenyawa klinker

Overview

Klinker

4Mengapa belajar proses burning di kiln system ?

Kondisi operasi kiln normal Pengaruh komposisi kimia, fineness dan mineralogi raw

mix Pengaruh bahan lainnya Pengaruh kondisi operasi di kiln system

Kondisi operasi kiln abnormalMengetahui penyebab unburned klinker

Untuk memahami pengaruh kondisi operasi terhadapkualitas klinker yang dihasilkan

5Transformasi Kimia Pembentukan Klinker

Mineral Alam MineralSynthetic Hydraulic

(T), (P)

Time (t)

Raw Material Klinker

6Transformasi Raw Mix menjadi Klinker

1

Disintegrasi struktur awal

Pecah & giling

Dekomposisi panas

Perubahan struktur

2

Pembentukan struktur baru

Produk Intermediate

Pertumbuhan mineral klinker

Kristalisasi fasa liquid

7Proses Klinkerisasi

Sistem reaksi yang kompleks Membutuhkan energi tinggi Laju reaksi rendah Mineral klinker tidak stabil pada temperatur ambien Kualitas klinker ditentukan oleh : Komposisi kimia klinker Mikrostruktur klinker

8 Klasifikasi reaksiClassification according to the state of matter: solid - solid quartz and free CaO belite solid - liquid liquid phase crystallisation

aluminate + ferrite solid - gas CaCO3 CaO + CO2

Mekanisme reaksi

9Mekanisme reaksi

Klasifikasi reaksi kimia di dalam kiln

perubahan struktur high quartz low quartz dekomposisi CaCO3 CaO + CO2

kombinasi 2CaO + SiO2 C2S

10

Kontrol Proses Pembakaran

Aspek Material

Burnability raw meal Coating Granulasi klinker dsb

Jumlah dan sifat fasa liquid

Aspek Proses

Temperatur burning Atmosfir kiln Type bahan bakar Karakteristik flame

dsb

11

Reaksi Klinkerisasi

Untuk memberi gambaran proses klinkerisasi, hal-halyang perlu dipertimbangkan :

Komposisi kimia dan mineralogi raw mix Sekuen reaksi Aspek proses yang berpengaruh

12

L.o.I. 35.5 33.8 37.3SiO2 14.4 12.8 16.0Al2O3 3.2 2.4 4.6Fe2O3 1.8 1.0 3.8CaO 42.4 39.0 44.2SO3 0.37 0.08 1.1Na2O 0.17 0.04 0.58

LS 94.0 85.4 103.4SR 2.9 1.8 3.9AR 1.9 0.7 3.2

Komposisi kimia raw mix

Parameter x x min. x max.

13

Fluktuasi 1% CaO di dalam raw mix akan menyebabkan variasi C3S di dalam klinker sekitar 10 14 %

Komposisi kimia raw mix

14

Komposisi Kimia Raw Mix vs T klinkerisasi

15

alite + belite+

melt (1450C)

reactants + products+

intermediate products(450 - 1300C)

Raw mixture(20C)

cooledclinker

Sekuen reaksi klinkerisasi

16

Sekuen Reaksi Klinkerisasi

Heating (C)

20 - 100 Evaporation of H2O100 - 300 Loss of physically adsorbed water400 - 900 Removal of structural H2O (H2O and OH groups)

from clay minerals >500 Structural changes in silicate minerals

600 - 900 Dissociation of carbonates>800 Formation of belite, intermediate products, aluminate

and ferrite>1250 Formation of liquid phase (aluminate and ferrite melt)~1450 Completion of reaction and growth of alite

and beliteCooling (C)

1300 - 1240 Crystallization of liquid phase into mainly aluminateand ferrite

17

Thermodinamika Pembentukan Klinker

Selama proses pembentukan klinker, panas diserap (endothermic) dan dihasilkan (exothermic).

Temp. (C) Type of Reaction Heat Change

20 - 100 Evaporation of free H2 O Endothermic100 - 300 Loss of physically adsorbed H2O Endothermic400 - 900 Removal of structural H2O Endothermic

(H2O, OH groups from clay minerals)600 - 900 Dissociation of CO2 from carbonate Endothermic

> 800 Formation of intermediate products, belite, aluminate and ferrite Exothermic

> 1250 Formation of liquid phase Endothermic(aluminate and ferrite melt)Formation of alite Exothermic

1300 - 1240 Crystallization of liquid phase into mainly (cooling cycle) aluminate and ferrite Exothermic

18

Endothermic processes kJ/kg clinkerdehydration of clays 170decarbonization of calcite 1990heat of melting 105heating of raw materials 0 - 1450 C 2050Total endothermic 4315Exothermic processes kJ/kg clinkercrystallization of dehydrated clay -40heat of formation of clinker minerals -420crystallization of melt -105cooling of clinker -1400cooling of CO2 (ex calcite) -500cooling of H2O (ex clays) -85Total exothermic -2550Net theoretical heat of clinker formation + 1765

Thermodinamika Pembentukan Klinker

19

Preheater Precalciner Kiln

32001900550

PREHEATING

SINTERINGCALCINING

COOLING

Zona di Kiln System

20

Ca CO

OO Ca C

O

O

O +>800C

CaCO3 CaO + CO2

Reaksi Kalsinasi

21

O SiO

CaO

CaO

Ca O

O

Ca

+

Ca O

Ca O

O SiO

2CaO + SiO2 2CaOSiO2 = C2S

Free Lime

(Belite)

Reaksi Pembentukan Belite (C2S)

22

Laju Reaksi tergantung dari :

z Kontak permukaan antar reaktanz Diffusi ion CaO

Pembentukan Belite (C2S)

700 - 1200C2 CaCO3 + SiO2 > C2S + CO2Calcite Quartz Belite Carbon Dioxide

z Reaksi solid/solid

23

Pembentukan Alite (C3S)

>1250CC2S + CaO C3S

liquid fluxCaO

liquid flux

C3S C3SC2S

24

Pembentukan Alite (C3S)

Reaksi Kombinasi

pada T > 1250 C , pada temperatur ini fasa liquid ikutterbentuk. Merupakan reaksi liquid - solid

Pembentukan alite dan stabilitasnya tergantung padakeberadaan fasa liquid.Laju reaksi tergantung pada : Jarak antar species Jumlah dan viskositas fasa liquid

C2S + CaO C3S>1250 C

liquid phase

25

Fasa Liquid

Lelehan yang terbentuk selama prosespembentukan klinker Tempat reaksi CaO dengan C2S membentuk C3S Sebagai pembentuk coating

Batasan nilai fasa cair 23 - 28 %, idealnya 25 - 27 %

26

< 23 % :

Klinker dusty (terlalu halus) Gejala sirkulasi alkali meningkat Pembentukan dust ring di zona transisi

Fasa Liquid

> 28 % :

Klinker cenderung keras Serangan terhadap bata basic di burning zone

27

Fasa Liquid

Komposisi kimia raw mix menentukan :

jumlah fasa liquid yang terbentuk pada temperatur ttt Sifat-sifat fisik fasa liquid pada sebarang temperatur,

terutama viscositasnya

28

Fasa Liquid

29

Meskipun pembentukan fasa liquid pertama kalinya terjadi pada titiktemperatur (eutectic point) yang hampir sama, namun padatemperatur yang lebih tinggi jumlah dan sifat fasa liquid sangattergantung pada komposisi kimia raw mix.

Pada proses klinkerisasi, sistem C - S - A - F membentuk fasaliquid pada temperatur 1338 C, dengan komposisi :

CaO - 55 %SiO2 - 6 % Alumina ratioAl2O3 - 22 % (AR) = 1.38Fe2O3 - 16 %

Fasa Liquid

30

Memperkirakan Jumlah Fasa Liquid

1338 oC = 6.1 Fe2O3 + MgO + Na2O + K2O jika AR 1.388.2 Al2O3 5.22 Fe2O3 + MgO + Na2O + K2O jika AR 1.38

1450 oC = 3.0 Al2O3 + 2.25 Fe2O3 + MgO + Na2O + K2O utk MgO 2 %

Jumlah fasa liquid pada temperatur 1400 C umumnya : 20 s/d 30 %dry: up to 23 %normal: 23 27 %wet: more than 27 %

1400 oC = 2.95 Al2O3 + 2.2 Fe2O3 + MgO + Na2O + K2O for MgO 2 %

Perhitungan menurut LEA & PARKER

31

Viscositas Fasa Liquid

Viscositas fasa liquid berkurang dengan adanya flux agen sebagai berikut :

Na2O < CaO < MgO < Fe2O3 < MnO

32

Ayakan (sieves) yang dirujuk untuk tes granulasi: 1, 5, 8, 16 mm

Kriteria dusty clinker: > 25 % lolos ayakan 1 mm Standar granulasi klinker :

max.

30.9

53.5

64.1

92.4

min.

0.4

15.1

24.9

59.1

x

10.2

32.8

46.7

74.5

1

5

8

16

Passing (%)Sieve opening (mm)

Granulasi Klinker

33

Efek dusty clinker: Operasi kiln (heat transfer dari flame) Operasi cooler operation (transport)

Faktor kimia yang memiliki kecenderungan menaikkandusty clinker: Fasa liquid sedikit : < 23 % (SR > 2.8) LS tinggi : LS > 98 Kandungan SO3 tinggi : SO3 > 1.3

(Tentative)

Granulasi Klinker

34

Efek clinker balls Temperatur klinker masih tinggi pada cooler outlet Operasi cooler

Faktor kimia yang memiliki kecenderungan menaikkanclinker balls Fasa liquid > (> 27 %), viscositas > (AR > 2.2)

(Tentative)

Granulasi Klinker

35

Apa yang dapat menghasilkan klinker yang baik ?

1. Komposisi kimia raw meal

2. Raw Meal Fineness

3. Kondisi pembakaran yang baik: temperature waktu atmosphere (oxidizing) cooling

Burnability

36

Kinetika Reaksi

raw mix(1 - )

clinker

kT

RTEa

T Aek=

kT = konstanta reaksi pada temperatur TT = temperatur reasi A = frequency factorR = konstanta gas Ea = energi aktivasi

Persamaan Arrhenius

Konsekuensi teoretis : Laju reaksi akan meningkat dengan kenaikan T (biaya!) Laju reaksi turun dengan kenaikan energi aktivasi

(tergantung pada mineralogi raw mix) Laju reaksi naik dengan kenaikan A (misal partikel lebihhalus)

37

Laju reaksi

Meningkat sesuai temperatur dan luas permukaankomponen raw mix (faktor frekuensiA)

Menurun sesuai kenaikan energi aktivasi Ea komponenraw mix

Kompensasi bagi mineral raw mix yang reaktivitasnyarendah dan lambat diperlukan temperatur burning lebihtinggi atau periode burning lebih lama.

Kinetika Reaksi

38

Umumnya metoda termudah untuk mengamati lajureaksi klinkerisasi di dalam kiln ialah denganmengukur jumlah free lime.

Perbedaan mineralogi dan ukuran partikel kristalindividu akan berpengaruh terhadap mekanismedan laju reaksi.

Kinetika Reaksi

39

Free Lime di dalam Klinker

Penyebab potensial FL (CaO bebas) di dalam klinker, : LSF tinggi (> 100)

- tidak mungkin semua CaO bereaksi

Under-burning- kiln tidak cukup panas

Dekomposisi alite Inheterogen kiln feed

Batasan free lime 0.75 - 1.5 % < 0.75 % hasil dari over-burning

- kebutuhan fuel >>- potential bahaya bagi refractory

> 1.5 % menyebabkan unsoundness pada semen

40

Temperatur Tertinggi (Maximum Temperature)

Pada temperatur tertinggi yang sesuai akan dihasilkanklinker dengan liter weight yang baik. Pembentukankristal C2S yang relatif kecil sehingga mempermudahinteraksinya dengan CaO bebas membentuk C3S dalam fasa liquid.

Temperatur pembakaran teoretis :

oC = 1300 + 4.51 C3S 3.74 C3A 12.64 C4AF

Aspek proses yang perlu diperhatikan

41

0 10 20 30 (menit)

1500

1400

1300

1200

1100

OC

Waktupembakaran

MaksimumTemperatur

Hubungan antara kenaikan temperatur dengan waktupembakaran klinker


42

Waktu pembakaran (burning time)

Waktu pembakaran yang panjang akan memperbanyakjumlah C3S dan C4AF. Namun demikian waktu pembakaranyang berlebihan akan memperbesar ukuran alite namunkemungkinan akan pecah internal.


43

Apabila jumlah oksigen di dalam kiln tidak mencukupikebutuhan pembakaran, terjadi perubahan komposisifasa silikat yaitu pemecahan C3S pada saatpendinginan klinker.


Atmosfer di dalam kiln

44

Kondisi pendinginan akan berpengaruh terhadap komposisi mineral klinker.

Klinker dengan komposisi kimia yang sama namun jika mengalami laju pendinginan yang berbeda akan mengalami perubahan kualitas yaitu perbedaan ukuran kristal pada fasa C3A dan C4AF juga bentuk kristal C3S dan C2S


Laju pendinginan

45

Jika pembentukan C3S sudahsempurna, tidak diperlukanlagi reaksi pada suhu tinggi

Proses akhir ini disebutcooling yg berfungsi tidakhanya menurunkantemperatur, tetapi untukmenumbuhkan kristal danmengubah fasa liquid menjadisolid kembali.Pada titik ini, C3A dan C4AF memadat.

Tujuan prosesberikutnya ialahmendapatkanpertumbuhankristal C3S danmengurangijumlah MgObebas

alitealite

belitebelite

aluminatealuminate

ferriteferrite


46

BaikJelekKetahanan thd Sulfat

BaikJelekSoundness

TinggiRendahAktivitas Hidraulis

TinggiRendahKuat tekan akhir

Sedikit rendahTinggiKuat tekan awal

Relatif KecilBesarUkuran partikel

Stabil, tidak aktifTidak stabil, aktifC3S, C2S

GlassyCrystallineC3A, C4AF

Kristal kecilKristal besarMgO

Rapid Cooling

18-20oC/min

Slow Cooling

4-5oC/min

Parameter


Laju pendinginan

proses klinkerisasi versi printout

Documents