rancangan on line analizer batubara pad a belt

Prosiding Pertemuan IImiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN - SA TAN, 14 November 2013

RANCANGAN ON LINE ANALIZER BATUBARAPAD A BELT CONVEYOR DENGAN TEKNIK NUKLIR

Rony Djokorayono, Indarzah Masbatin Putra, dan Usep Setia Gunawan

PRPN - SATAN, Kawasan Puspiptek, Gedung 71, Tangerang Selatan, 15310

ABSTRAK

RANCANGAN ON LINE ANALIZER BA TUBARA PAOA BEL T CONVEYOROENGAN TEKNIK NUKLIR. Telah dirancang sistem on line analizer batubara pada beltconveyor menggunakan teknik aktivasi radiasi neutron dari unsur 252Cf. Sistem inidigunakan untuk mengukur konsentrasi radiasi gamma yang keluar dari unsur-unsuryang terkandung didalam batubara setelah diaktivasi oleh radiasi neutron, unsure-unsuryang terdapat didalam batubara diantaranya CI,S, Fe,AI,Ca, Ti,K,N, Na, C, B dan ikatansenyawa Si02,AI203, Ti02,Fe203, CaO, K20 serta hasil pengukuran ini digunakan untukmenentukan kadar abu batubara. Sistem ini tersusun dari sumber neutron 252Cf,detektorNal(TI), elektronik data logger dan komputer data logger.

Kata kunci: on line analizer batubara

ABSTRACT

THE DESIGN OF AN ONLINE COAL ANALIZER ON A BELT CONVEYOR USING

NUCLEAR TECHNIQUE. On line analyzer system for coal moving on the belt conveyorhas been designed by using neutron activation technique from the neutron source 252Cfelement. The system can be use to measure gamma emmited by elements inside coalmaterial like CI,S,Fe,AI,Ca, Ti,K,N,Na,C,B and compound Si02, A1203,Ti02, Fe203, CaO,K20, including coal fly ash. This system consist of neutron source 252Cf,Nal(TI) detector,electronic data logger and computer data logger.

Keywords: coal on line analyzer

1. PENDAHULUAN

Sistem analizer batubara pad a belt conveyor di unit Coal Handling PLTU Paiton

biasanya dilakukan dengan metoda cuplikan, yang hasil analisanya beberapa hari

kemudian, padahal hasil analisa ini dibutuhkan secara cepat untuk pengendalian proses

serta digunakan untuk menentukan kadar kalor batubara, dimana hasil analisa unsur

unsur dan kadar kalor batubara sangat menentukan nilai biaya pembelian batubara.

Situasi lapangan pengambilan sam pel juga akan menentukan keakuratan hasil

analisa, mengingat situasi lapangan pada unit coal handling PLTU batubara biasanya

berdebu, berlumpur, dan bersifat korosif karena memiliki kandungan sulfur yang tinggi

- 392 -

Prosiding Pertemuan IImiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN - BA TAN, 14 November 2013

sehingga operator menghadapi kendala dalam mengambil cuplikan sam pel. Untuk

menanggulangi kecepatan dan ketidaktelitian analisa unsur-unsur batubara diperlukan on

line analyzer. Sistem on line analizer yang sesuai dengan kondisi lapangan di unit coal

handling PLTU Paiton adalah dengan metoda teknik nuklir, yaitu dengan metoda aktifasi

neutron, keunggulan sistem on line analizer dengan metoda aktifasi neutron, yaitu dapat

menganalisa unsur tanpa kontak dengan unsur unsur yang dianalisa. Sensor analizer

cukup didekatkan pad a batubara yang mengalir pada belt conveyor.

Tujuan perekayasaan sistem on line analizer batubara pad a belt conveyor

menggunakan metoda aktivasi neutron adalah untuk mempercepat proses analisa dari

beberapa hari menjadi 20 menit sekali. Hasil analisa dapat dilaporkan dengan mudah

karena operador tidak perlu datang ke lapangan untuk mengambil sam pel. Ruang lingkup

kegiatannya meliputi merancang bang un dan perekayasaan sistem deteksi, sistem data

akusisi dan sistem pelaporan. Desain dikembangkan dengan meniru perangkat on line

analizer yang ada di PLTU Suralaya.

2. TEORI

Prinsip kerja sistem on line analizer batubara pad a belt conveyor berdasarkan

aktivasi radiasi neutron dapat dijelaskan sebagai berikut. Sampel batubara yang mengalir

pada belt conveyor di aktivasi oleh neutron dari sumber radiasi 252Cf dengan aktivitas

minimal 15 mikrogram sesuai referensi [1]. Hasil aktivasi neutron, menghasilkan radiasi

gamma dengan berbagai energi yang berasal dari masing masing unsur yang terkandung

di dalam batubara. Unsur unsur tersebut di antaranya CI,S,Fe,AI,Ca,Ti,K,N,Na,C,S.

Konsentrasi radiasi gamma yang muncul dari unsur unsur tersebut dideteksi oleh detektor

Nal(TI) & photomultiplier tube (PMT). Pulsa pulsa listrik yang keluar dari PMT, diperkuat

oleh preamplifier, dimana tinggi pulsanya bergantung dari jenis unsur. Untuk menentukan

konsentrasi radiasi gamma yang muncul dari unsur tertentu digunakan filter energi yang

biasa disebut single channel analyzer atau multi channel analizer, dimana bukaan dan

tinggi window filter untuk masing masing unsur berbeda satu dengan yang lainnya. Siok

diagram rancangan on line analizer batubara pada belt conveyor dapat dilihat pada

Gambar 1.

- 393 -

Prosiding Pertemuan IImiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN-BATAN, 14 November 2013

Polyethilene

1 Sampel material(batubara)

SCACPUTRAN

MCA KOMPUTER

252Cfpemancar neutron r

DSP

DCS DICONTROLROOM

Detektor Gamma NaI

(TI)

BEBERAPA~_._.__._.~ LOKAL

KONTROLLER

PROCESSORATAU

CONVERTER TO4-20mA UNTUKBEBERAPAUNSUR

Gambar 1. Siok Sistem On Line Analizer

Rancangan on line analizer batubara pada belt conveyor, tersusun dari sebuah

pemancar neutron cepat jenis 252Cf dengan aktivitas minimal 15 mikrogram, sesuai

dengan referensi [1], dan seperangkat polyethilene yang berfungsi mengubah neutron

cepat menjadi neutron thermal atau neutron lambat. Pancaran neutron thermal diarahkan

menuju target batubara yang terdapat pada belt conveyor. Hasil pancaran radiasi neutron

termal akan mengaktivasi unsur-unsur yang terkandung didalam batubara, hasil aktivasi

terhadap unsur-unsur di dalam batubara akan menghasilkan radiasi gamma. Tinggi pulsa

pulsa listrik dari radiasi gamma yang keluar dari masing masing unsur akan tergantung

dari ikatan energi dari masing masing unsur yang terkandung didalam batubara.

Sedangkan intensitas radiasi gamma yang diterima akan tergantung dari aktivitas

pemancar neutron 252Cf,serta kecepatan belt conveyor, dim ana wilayah aktivitas neutron

252Cfyang digunakan di industri berkisar antara 15 mikrogram sampai 2,5 miligram. Setiap

1 mikrogram akan menghasilkan 170 juta neutron per menit (strong neutron emitter and

eficient source neutron).

- 394 -


Radiasi gamma yang keluar dari sam pel batubara akan dideteksi oleh detektor

Nal(tl) & photomultiplier, kemudian setelah pulsa pulsa listriknya dikuatkan oleh amplifier

maka dihubungkan ke beberapa modul single channel analizer (SCA) dengan setting

bukaan filter untuk masing masing unsur. Sebagai referensi untuk membandingkan energi

unsur-unsur digunakan sebuah multichannel analizer (MCA) Canbera yang dilengkapi

dengan digital signal processing yang tampilannya berupa spektrum dengan intensitas

dari berbagai energi gamma yang keluar dari unsur unsur yang terkandung didalam

batubara. Keluaran masing-masing SCA dari setiap unsur akan dikonversi menjadi arus

listrik dengan standard industri 4-20 mA, untuk ditransmisikan melalui kabel signal ke

kontrol panel yang berjarak sekitar 1200 meter ke komputer data logger setelah melalui

modul data aqusition system (DAQ). Oleh komputer data logger signal-signal informasi

yang berasal dari intensitas radiasi gamma dari masing masing unsur yang terkandung

didalam batubara akan dimasukan ke sistem beberapa lokal kontroler, yang digunakan

untuk pengendalian proses.

Contoh perangkat on line analizer untuk mendeteksi bulk material batubara pada

belt conveyor digunakan sebagai pertimbangan untuk pembuatan prototip on line analizer

dapat dilihat pad a Gambar 2.

HeM PU!Jo)f

Safely Cov~raM {).~!v\r~W Cnufe

Gambar 2. Perangkat on line analizer deteksi bulk material batubara

- 395 -


Deskripsi sistem deteksi on line analizer batubara pad a gambar 2 dapat dijelaskan

sebagai berikut, sam pel batubara dimasukkan melalui hopper dan dialirkan menggunakan

belt conveyor ke arah Source Access Hatch. Kemudian material batubara ditembaki oleh

pemancar neutron thermal yang berasal dari sumber 252Cf, dengan aktivitas minimal 19

mikrogram, sehingga sebagian unsur yang terdapat di dalam material batubara

teraktivasi. Karena teraktivasi sebagian material batubara akan memancarkan partikel

gamma dengan energi yang terkait pada masing masing ikatan unsur yang terkandung

didalam material atau senyawa batubara. Pancaran gamma yang muncul dari material

batubara dianalisa oleh multichanel analyzer yang dilengkapi digital signal processing,

dan single channel analizer, sehingga spektrum masing masing unsur dapat direkam

pad a memori komputer, dimana jumlah data pada slot memori spektrumnya menunjukan

konsentrasi unsur yang terdapat didalam material batubara terse but.

3. METODA RANCANGAN

Rancangan perangkat prototip on line analizer batubara pad a belt conveyor

menggunakan aktivasi neutron dilakukan dengan tahapan sebagai berikut:

• Penetapan persyaratan desain perangkat, pada tahap ini ditetapkan persyaratan

desain yang harus dipenuhi oleh perangkat on line analizer yang akan dibuat.

• Penetapan persyaratan teknis perangkat, pad a tahap ini ditetapkan persyaratan teknis

yang harus dipenuhi oleh perangkat on line analizer yang menggunakan aktivasi

neutron 252Ct.

• Perancangan desain perangkat, pada tahap ini dilakukan perancangan perangkat

dengan memperhatikan persyaratan desain dan teknis dari perangkat on line analizer

yang menggunakan aktivasi neutron 252Ct yang terdiri dari:

- Subsistem deteksi meliputi pemancar neutron 252Ct, preamplifier, pengolah signal

analog, single channel analizer, processor penghitung pulsa dan transmitter signal

analog,

- Subsistem data aqusition system (DAQ) dan komunikasi data serial,

- Subsistem software tampilan komputer operator consule dan pelaporan.

- 396 -


4. HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil kegiatan yang dilakukan berupa persyaratan desain, persyaratan teknis,

spesifikasi teknis, desain subsistem deteksi, desain subsistem data akusisi, dan desain

software tampilan perangkat prototipe on line analizer yang menggunakan aktivasi

neutron 252Cf.

Persyaratan Desain atau Kriteria pelanggan

Persyaratan desain perangkat on line analizer yang dibuat harus dapat digunakan

untuk mengukur konsentrasi unsur-unsur di dalam batubara yang berada di atas belt

conveyor yang bergerak dengan kecepatan sekitar 4 meter per detik. Adapun jenis

unsur unsur yang terkandung di dalam batubara yang biasa dianalisa oleh PLTU batu

bara secara on line, meliputi unsur unsur CI,S,Fe,AI,Ca,Ti,K,N,Na,C,B serta perhitungan

kadar abunya dilakukan dengan mengukur dan mengkalkulasi konsentrasi Si02 .Ab03,

Ti02, Fe203, CaO, K20, serta laporan kualitasnya dapat dilakukan setiap 10 menit dan

ditampilkan pad a layar monitor komputer operator consule. Desain perangkat prototip on

line analizer batubara pada belt conveyor menggunaka standard acuan manual analizer

perangkat Coal Quality Manager (CQM) Thermo Elektron Corporation, yang terdapat di

PLTU batubara Suralaya.

Persyaratan Fungsi

Persyaratan fungsi perangkat prototip on line analizer menggunakan aktivasi

neutron yang dirancang adalah sebagai berikut :

• Dapat digunakan untuk mengukur konsentrasi unsur-unsur di dalam batubara yang

berada pada belt conveyor yang bergerak dengan kecepatan sekitar 4 meter per

detik.

• Dapat digunakan untuk menentukan konsentrasi unsur-unsur CI, S, Fe, AI, Ca, Ti, K, N,

Na, C, B di dalam batubara secara on line, dengan kecepatan proses maksimal 10

menit.

• Dapat digunakan untuk menentukan kadar abu batubara yaitu dengan mengukur

dan mengkalkulasi konsentrasi Si02, A1203, Ti02, Fe203, CaO, K20 serta laporan

kualitasnya dapat dilakukan setiap 10 menit dan ditampilkan pada layar monitor

komputer operator consule.

- 397 -


Persyaratan Teknis

Menurut manual Coal Quality Manager (CQM) Thermo Elektron Corporation,

karakteristik pemancar neutron yang digunakan pada perangkat on line analyzer batubara

pada belt conveyor adalah sebagai berikut:

• energi radiasi neutron harus besar minimal 2 Mev

• partikel neutron yang keluar dari pemancar neutron minimal harus 2760 juta per menit

Dari karakteristik pemancar neutron tersebut diatas, pemancar neutron jenis 252Cf

sebagian dapat memenuhi karakteristik tersebut. Hal ini dapat dilihat dari pemancar

neutron 252Cfyang mempunyai karakteristik sebagai berikut :

• energi radiasi rata-rata 2,3 Mev

• waktu paruh 2,64 tahun

• jumlah partikel neutron yang dipancarkan untuk setiap 1 mikrogram menghasilkan

170 juta partikel neutron per menit

• aktivitas sumber pemancar neutron minimal 16 mikrogram

Sedangkan sistem deteksi menggunakan detektor Nal(TI) karena pertimbangan

lokasi perangkat on line analyzer batubara pada belt conveyor yang berdebu, korosif,

serta kadang-kadang terguyur air Sehingga tidak memungkinkan menggunakan detektor

germanium yang lebih sensitif, karena perlu persyaratan khusus standar laboratorium.

Spesifikasi Teknis

Spesifikasi teknis dari perangkat prototip on line analyzer batubara pada beltconveyor menggunakan aktivasi neutron ditunjukan dalam Tabel 1.

Tabel1. Spesifikasi teknis on line analizer

No.1.2.3.

4.

5.

6.

7.8.

9.

SpesifikasiSource neutron dengan aktivitasDetektor

Data akusisi (DSP) kalibrator standarReal data akusisi & transmitter

Signal

Elektonik data logger & komputerdata logger

Tampilan komputer operator console

Jenis

Cf, 16 ugram - 2 mgramNal(TI) (minimal dia 5 cmOsprey MCA Canbera 256-4096 KanalSCA, processor transmitter 4-20 mAuntuk masing masing unsur CI, S,Fe,AI,Ca, Ti, K, N, Na, C, B, Si16 kanal analog input range 0-1 OV atau4-20 mA Isolated, Komunikasi RS232,USB, operating sistem DOS, windowXP, display square LCD 17"Tabular digital dan trend untukpengukuran unsur dan Kadar KalorKadar kalorMinimal 10 menitCI, S,Fe, AI,Ca, Ti, K, N, Na, C, B, Si

- 398 -

Ly

Prosiding Pertemuan IImiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN- BATAN, 14 November 2013

Subsistem Oeteksi Elektronik

Siok elektronik subsistem deteksi On Line Analizer menggunakan aktivasi neutron

dapat dilihat pada Gambar 3.

DETEKTOR SINTILASI PREAMPSCA PILIH

MENDITEKSI RADIASI GAMMA SCINTILASIENERGY UNSUR

DARIUNSUR---+ CI,S,Fe,AI,Ca,Ti,K

CI,S,Fe,AI,Ca,Ti,K,N,Na,C,B,SiDETEKTOR,N,Na,C,B,si

HIGH

VOLTAGE

PROCESSOR DATA

VOL T AGE TOTRANSMITTER

CURRENT~(CPU 8952)

CONVERTER

~BBBB

LOKARS232 TO DISPLjRS422

T.FnKONVERTE -

OUTPUT ARUS (1 KANAL)

FSK (PLC)MODULASI

OUTPUT RS422 (1 KANAL)

OUTPUT FSK (PLC)

Gambar 3. Siok elektronik subistem deteksi On Line Analizer

- 399 -


Hasil pengukuran radiasi gamma yang keluar dari unsur-unsur yang terkandung di

dalam batubara diukur oleh detektor Nal(TI). Hasil pengukuran diolah oleh

mikroprocessor sistem deteksi dengan sampling pengukuran 100 mSec, difilter dengan

bukaan energi dari unsur-unsur CI,S,Fe,AI,Ca,Ti,K,N,Na,C,B,Si dicacah oleh pencacah 16

bit, ditampilkan pad a lokal display, dan kemudian dikonversi secara linier menjadi

tegangan dc dengan range 0-10V serta ditransmisikan ke DAQ komputer console

menggunakan standar signal 4-20 mA dan signal frekuensi modulasi (FSK). Data

pengukuran dari detektor yang diterima oleh DAQ kemudian dikomunikasikan ke sistem

komputer data logger di Control Room menggunakan standar komunikasi RS232 atau

RS422.

Subsistem Data Akusisi Elektronik

Siok elektronik subsistem data akusisi On Line Analizer menggunakan aktivasi neutron


SCA CLH /lP TRANSMITTER 4-20 MA

SCAS

H /lP TRANSMITTER 4-20 MA

•

•• •• •• •• •• •• •I- • • • • • • • • • •.

••

••••

• •• •••Ii~••--

ICPU

SCA SiH /lP TRANSMITTER 4-20MA

RS232

KOMUNIKASI

KE KOMPUTER OPERATORCONSOLE

Gambar 4. Siok elektronik subistem data akusisi On Line Analizer

- 400 -


Setiap unsur yang berasal dari senyawa batubara terutama unsur CI, S, Fe, AI, Ca,

Ti, K, N, Na, C, B, Si menghasilkan radiasi gamma, setelah dikonversi oleh kristal Nal(tl)

dan photomultiplier menghasilkan pulsa-pulsa listrik yang amplitudonya berbeda untuk

masing masing unsur. Amplituda pulsa-pulsa listrik yang dihasilkan merepresentasikan

energy radiasi gamma yang dipancarkan oleh masing masing unsur. Keluaran signal

listrik dari sistem deteksi (kristal Nal(tl)+PMT)+preamp akan dimasukan ke sistem SCA

dengan bukaan filter energi sesuai dengan unsur yang bersangkutan. Sebagai contoh

SCA unsur S (sulfur) dibuka pad a energy radiasi gamma unsur sulfur yang telah

teraktivasi dan dikalibrasi dengan MCA Canbera. Jumlah pulsa listrik dari masing-masing

radiasi gamma sebuah unsur akan dihitung oleh modul processor transmitter 4-20 mA

dan dikonversi menjadi signal arus listrik dengan range 4-20 mA. Sehingga setelah hasil

pengukuran radiasi gamma untuk masing masing unsur berbentuk arus listrik, kemudian

akan dikirim ke masukan sistem analog digital converter untuk dikonversi menjadi

besaran digital yang kemudian ditransmisikan ke komputer operator consule data logger

melalui sarana komunikasi RS232 atau USB.

Komputer Konsul (Consule) Operator

Komputer konsul operator terletak di ruang terpisah berjarak sekitar 500 meter dari

subsistem deteksi, hal tersebut agar operator tidak terpapar radiasi neutron dan

perangkat komputer terhindar dari lingkungan berdebu serta korosif. Oari konsul ini

operator dapat memonitor kualitas batubara yang diukur serta dapat melaporkan hasil

pengukuran ke tingkat menajemen untuk ditindaklanjuti. Tampilan pada komputer konsul


- 401 -

Prosiding Pertemuan IImiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN-BATAN, 14 November 2013

Gambar 5. Tampilan komputer konsul on line analyzer batubara pad abelt conveyor dengan aktivasi neutron

- 402 -

Prosiding Pertemuan IImiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN- BATAN, 14 November 2013

5. KESIMPULAN

Telah dilakukan desain perangkat on line analizer batubara pada belt conveyor

menggunakan teknik aktivasi radiasi neutron dari unsur 252Cf,dengan hasil berupa desain

dasar. Desain dasar ini memenuhi persyaratan desain, persyaratan teknis dan

persyaratan fungsi yang mengacu ke standar Coal Quality Manager (CQM) Thermo

Electron Corporation yang telah digunakan oleh PLTU batubara di Suralaya Merak

Banten. Diharapkan dengan desain ini dapat dikuasai teknologi yang digunakan pada

perangkat on line analizer batubara yang terdapat di PLTU Suralaya. Desain ini dapat

dikembangkan menjadi desain rinci, konstruksi dan pengujian lapangan perangkat on line

analizer batubara pad a belt conveyor.

6. UCAPAN TERIMAKASIH

Terimakasih kami ucapkan kepada managemen PRPN Batan yang telah memberi

ijin untuk peninjauan lapangan dan managemen PLTU Suralaya terutama bapak Trisno

yang telah memberi kesempatan untuk peninjauan unit coal handling guna mendapatkan

informasi teknis serta managemen PT.Gammatech selaku mitra dari PT. Indonesia Power

yang telah memfasilitasi dengan pihah teknis unit coal handling.

7. DAFT AR PUST AKA

1. IAEA (International Atomic Energy Agency), Radioisotope Instruments in Industry

and Geophysic, Viena, Austria 1965.

2. B.D. Sowery, On-line Nuclear Techniques in the Coal industry, Division of Mineral and

Process Engineering, Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization,

NSW 2234, Australia, 27 February 1991.

3. "Berthold Radiation Measuring Instruments for Industry", Gmbh & Co.KG, 0-7547 Bad

Wildbad.

4. Coal Quality Manager (CQM), Analyzer Manual, Thermo Electron Corporate, 10010

Mesa Rim Rd San Diego, CA 92121 United States, 2007.

- 403 -


TANYA JAWAB

Pertanyaan:

1. Dipersyaratan teknis umur paruh minimum 6 tahun, tapi mengapa sumber yang

digunakan hanya memiliki waktu paruh 2,6 tahun? Berarti persyaratan teknis menjadi

tidak terpenuhi. (Ari Satmoko)

2. Apakah resolusi NalTI cukup untuk membedakan unsur-unsur yang diamati?

(Kristedjo K.)

3. Adakah detektor lain yang lebih bagus dari NalTI tetapi tidak membutuhkan

pendingin? (Kristedjo K.)

4. Bagaimana tentang kontaminasi radiasi hasil Aktivasi neutron terhadap batubara?

Apakah paparan sinar gamma pada batubara langsung hilang? (Sigit)

Jawaban :

1. Dari persyaratan teknis yang perlu diubah bukan waktu paruh tetapi intensitasnya.

2. Memang kurang dapat membedakan spektrum unsur-unsur perlu diganti dengan

CZT.

3. Ada yaitu CZT.

4. Kontaminasi ada tetapi langsung masuk coal bunker dan coal feeder.

- 404 -

rancangan on line analizer batubara pad a belt

Documents