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 -
Prosiding Pertemuan IImiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN - BA TAN, 14 November 2013
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 -
Prosiding Pertemuan IImiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN - BA TAN, 14 November 2013
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 -
Prosiding Pertemuan IImiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN - SA TAN, 14 November 2013
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 -
Prosiding Pertemuan IImiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN - SA TAN, 14 November 2013
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 -
Prosiding Pertemuan IImiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN - BA TAN, 14 November 2013
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
dapat dilihat pad a Gambar 4.
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 -
Prosiding Pertemuan IImiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN - BA TAN, 14 November 2013
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
dapat dilihat pad a Gambar 5.
- 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 -
Prosiding Pertemuan IImiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN - BA TAN, 14 November 2013
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 -