PROSES PEMBAKARANA. PENDAHULUANGambaran singkat tentang
keistimewaan utama bahan bakar, energi dari Matahari diubah menjadi
energi kimia dengan fotosintesa. Namun, sebagaimana kita ketahui,
bila kita membakar tanaman atau kayu kering, menghasilkan energi
dalam bentuk panas dan cahaya, kita melepaskan energi matahari yang
sesungguhnya tersimpan dalam tanaman atau kayu melalui fotosintesa.
Kita tahu bahwa hampir kebanyakan di dunia pada saat ini kayu bukan
merupakan sumber utama bahan bakar. Kita umumnya menggunakan gas
alam atau minyak bakar di rumah kita, dan kita menggunakan terutama
minyak bakar dan batubara untuk memanaskan air menghasilkan steam
untuk menggerakan turbin untuk sistim pembangkitan tenaga yang
sangat besar. Bahan bakar tersebut batubara, minyak bakar, dan gas
alam sering disebut sebagai bahan bakar fosil. Berbagai jenis bahan
bakar (seperti bahan bakar cair, padat, dan gas) yang tersedia
tergantung pada berbagai faktor seperti biaya, ketersediaan,
penyimpanan, handling, polusi dan peletakan boiler, tungku dan
peralatan pembakaran lainnya.Pengetahuan mengenai sifat bahan bakar
membantu dalam memilih bahan bakar yang benar untuk keperluan yang
benar dan untuk penggunaan bahan bakar yang efisien. Uji
laboratorium biasanya digunakan untuk mengkaji sifat dan kualitas
bahan bakar.
B.PEMBAHASAN1. PembakaranProses pembakaran dapat diartikan
sebagai reaksi antara bahan bakar (baik berbentuk padat, cair,
ataupun gas) dengan oksigen, diikuti cahaya dan timbul kalor.
Oksigen yang dipakai biasanya dari udara. Dari pengertian tersebut
dapat di simpulkan bahwa proses pembakaran harus memenuhi tiga
syarat utama, yaitu :1.Bahan bakar2.Oksidiser ( segala sesuatu yang
mengandung oksigen ).3. Sumber kalor (heat source ).Meskipun
beberapa unsur yang dihasilkan dari pembakaran bersifat buruk
apabila berlebih ( CO,CO2, SO2 dan SO3 ) akan tetapi proses
pembakaran pada umumnya berdampak positif apabila terjadi secara
sempurna. Yang dimaksud dengan pembakaran sempurna (complete
combustion) adalah pembakaran yang terjadi dengan reaksi yang
terkontrol atau sesuai dengan batas wajar. Misalkan pembakaran
dimana semua unsur C, H dan S yang terkandung dalam bahan bakar
bereaksi membentuk CO2, H2O dan SO2 secara sempurna dengan jumlah
yang masih wajar.Pembakaran sempurna dapat dicapai dengan:
Pencampuran antara bahan bakar dan oksidator tepat/baik, dengan
rasio udara bahan bakar tepat. Pencampuran yang baik terjadi kalau
berlangsung secara turbulen dan campurannya stoikiometris (kalau
jumlah oksigen dalam campuran tepat untuk bereaksi dengan C, H dan
S membentuk CO2, H2O dan SO2). Sebaliknya pembakaran tidak sempurna
/ parsial / incomplete combustion terjadi jika proses pembakaran
bahan bakar menghasilkan intermediate combustion product seperti
CO, H2, aldehid, disamping CO2 dan H2O. Kalau oksidatornya adalah
udara, gas hasil pembakaranjuga mengandung N2. Pembakaran parsial
dapat terjadi antara lain karena:- pasokan oksidatornya terbatas
atau kurang dari jumlah yang diperlukan, - nyala ditiup/diembus, -
nyala didinginkan dengan dikenai benda/permukaan dingin. 2.
Definisi bahan bakar dalam proses pembakaranBahan Bakar (Sumber
Daya Energi) adalah bahan atau material berupa bahan padat, cair
maupun gas yang dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi panas
melalui proses pembakaran.Sifat bahan bakar adalah apabila dibakar
dapat meneruskan proses pembakaran dengan sendirinya, disertai
pengeluaran kalor. Klasifikasi Bahan BakarBerdasarkan proses
terbentuknya, dibagi:- Bahan bakar alamiah,- Bahan bakar
non-alamiah / buatan.Berdasarkan bentuknya bahan bakar dibedakan
menjadi 3 yaitu :1. Bahan bakar cair ( Liquid Fuel )2. Bahan bakar
gas ( Gaseous Fuel ) 3. Bahan bakar padat ( Solid Fuel )Bahan bakar
fosil diklasifikasikan secara umum berdasarkan fasenya diatas,
yakni: padat, cair, dan gas. Tiap-tiap bahan bakar, terbakar dengan
cara yang unik, dan begitu pula dengan kebutuhan penanganannya yang
juga khusus.2.1 . Bahan Bakar CairBahan bakar cair tersusun
dari:Senyawa-senyawa hidrokarbon cair, sedikit mengandung S, O dan
N sebagai asosiasi dengan karbon dan hidrogen dari senyawa
hidrokarbon tersebut, serta abu.Bahan bakar fosil berfase cair
didapatkan dari minyak bumi mentah. Minyak bumi yang masih mentah
akan mengalami proses lebih lanjut untuk memisahkannya menjadi
berbagai jenis minyak. Dari minyak mentah yang diolah akan
didapatkan LPG, bensin, solar, kerosin, avtur, dan beberapa jenis
lainnya. Tiap-tiap jenis minyak memiliki komposisi kimia,
temperatur ignition, viskositas, dan flash point yang berbeda-beda.
Flash point adalah temperatur terendah dari suatu material untuk
dapat menguap dan selanjutnya terbakar di udara.Minyak bumi secara
prinsip tersusun atas parafin, isoparafin, aromatik, naftan, dan
hidrokarbon-hidrokarbon lainnya. Minyak bumi juga dapat mengandung
polutan seperti vanadium dan nikel. Meskipun juga terdapat sedikit
residu dan ash (abu) yang jumlahnya tidak lebih dari 0,5%, namun
keduanya dapat mengganggu dengan membentuk kerak dan mengurangi
efisiensi perpindahan panas, Di sinilah diperlukan adanya zat
aditiv yang berfungsi untuk mengurangi gangguan adanya pembentukan
kerak.Hasil pengolahan minyak bumi merupakan bahan bakar dan dapat
kita golongkan kedalam beberapa kelompok; gas-gas hidrokarbon
ringan, bensin (gasoline), kerosin, bahan bakar pesawat jet dan
minyak diesel, minyak bakar dan produk-produk lainnya, perhatikan
bagan 10.21Bagan 10.21. Hasil pengolahan minyak bumiProses
pembakaran minyak bergantung pada proses pencampurannya dengan
udara. Ada pula jenis minyak bumi yang harus mengalami proses
atomizing terlebih dahulu sebelum melalui proses pembakaran. Udara
atau uap air dibutuhkan untuk proses atomizing tersebut, sehingga
didapatkan droplet yang sekecil-kecilnya dan didapatkan campuran
antara bahan bakar dengan udara yang sempurna.Bahan bakar cair
seperti minyaktungku/furnaceoildan LSHS(low sulphur heavy
stock)terutama digunakandalam penggunaan industri. Berbagai sifat
bahan bakar cair diberikandibawah ini :a.
DensitasDensitasdidefinisikan sebagai perbandingan massabahan bakar
terhadap volumbahan bakarpada suhu acuan15C.Densitasdiukur dengan
suatu alat yang disebuthydrometer.Pengetahuan mengenaidensitasini
berguna untuk penghitungankuantitatif dan pengkajiankualitas
penyalaan. Satuandensitasadalahkg/.
b. Specific gravity
Didefinisikan sebagai perbandingan berat dari sejumlah
volumminyakbakar terhadap beratair untuk volumyang sama pada
suhutertentu.Densitasbahan bakar, relatif terhadap
air,disebutspecific gravity.Specific gravityair ditentukan sama
dengan1.Karenaspecificgravityadalah perbandingan, maka tidak
memiliki satuan..Specific gravityuntuk berbagai bahan bakar minyak
diberikandalam tabel dibawah:
Tabel 1.Specific gravityberbagai bahan bakar minyak(diambil dari
Thermax India Ltd.)Bahan bakarminyakL.D.O(Minyak Diesel
Ringan)MinyakTungku/FurnaceOilL.S.H.S(Low Sulphur Heavy Stock)
Specific Gravity0,85-0,870,89-0,950,88-0,98
c. ViskositasViskositassuatu fluida merupakan
ukuranresistansibahan terhadap aliran.Viskositastergantungpada suhu
dan berkurang dengan naiknya suhu. Tiap jenis minyakbakarmemiliki
hubungan suhuviskositastersendiri.Viskositasmempengaruhi derajat
pemanasan awal yang diperlukan untukhandling, penyimpanan dan
atomisasi yang memuaskan. Jika minyak terlalu kental,makaakan
menyulitkan dalam pemompaan, sulit untuk menyalakanburner, dan
sulit dialirkan.d. Titik Nyala
Titik nyala suatu bahan bakar adalah suhu terendah dimana bahan
bakar dapat dipanaskansehingga uap mengeluarkan nyala sebentar
biladilewatkan suatunyalaapi.Titik nyala
untukminyaktungku/furnaceoiladalah C
e. Titik TuangTitik tuang suatu bahan bakar adalah suhu terendah
dimana bahan bakar akan tertuang ataumengalir bila didinginkan
dibawah kondisi yang sudah ditentukan. Ini merupakan indikasiyang
sangat kasaruntuk suhuterendah dimana bahan bakar minyak siap untuk
dipompakan.
f. Panas JenisPanas jenis adalah jumlah kKal yang diperlukan
untuk menaikan suhu 1 kg minyak sebesarCSatuan panas jenis adalah
kkal/ .Besarnya bervariasimulai dari 0,22hingga 0,28tergantung
padaspecific gravityminyak.Panas jenis menentukan berapa banyak
steam atau energi listrik yang digunakan untuk memanaskan minyak ke
suhu yang dikehendaki. Minyakringanmemiliki panas jenis yang
rendah, sedangkan minyak yang lebih berat memiliki panasjenis yang
lebihtinggi.
g. Nilai KalorNilai kalor merupakan ukuran panas atau energi
yang dihasilkan., dan diukur sebagai nilaikalor kotor/gross
calorific valueatau nilai kalor netto/nett calorific
value.Tabel2.Nilai kalor kotor(GCV)untuk beberapa bahan bakar
minyak(diambil dariThermax India Ltd.)
Bahan bakar minyakNilai Kalor kotor(GCV)(kkal/kg)Minyak
Tanah-11.100Minyak
Diesel-10.800L.D.O-10.700MinyakTungku/Furnace-10.500LSHS-10.600
h. SulfurJumlah sulfur dalam bahan bakar minyak sangat
tergantung pada sumber minyak mentah danpada proses penyulingannya.
Kandungan normal sulfur untuk residu bahan bakar
minyak(minyakfurnace) berada pada2-4 %.Kandungan
sulfuruntukberbagaibahan bakar minyakditunjukkanpadaTabel 3.
Tabel3.Persentase sulfur untukberbagaibahan bakar minyak(diambil
dariThermaxIndia Ltd.)
Bahan bakar minyakPersen sulfurMinyak Tanah0,050,2Minyak
Diesel0,050,25L.D.O0,51,8MinyakFurnace2,04,0LSHS< 0,5
i. Kadar AbuKadar abu erat kaitannya dengan bahan inorganik atau
garam dalam bahan bakar minyak.Kadar abupada distilat bahan
bakardiabaikan. Residu bahan bakar memiliki kadar abu yangtinggi.
Garam-garam tersebut mungkin dalam bentuk senyawasodium,
vanadium,kalsium,magnesium,silikon,besi, alumunium, nikel,
dll.Umumnya, kadar abu berada padakisaran 0,030,07 %.
j.Residu KarbonResidu karbon memberikan kecenderunganpengendapan
residu padat karbonpadapermukaan panas, sepertiburneratauinjeksi
nosel,bila kandungan yang mudah menguapnyamenguap. Residu minyak
mengandung residu karbon 1 persen atau lebih.k. Kadar AirKadar air
minyaktungku/furnacepada saat pemasokan umumnyasangat rendah
sebabprodukdisulingdalam kondisi panas. Batasmaksimum1% ditentukan
sebagai standar.
2.2 BahanBakar GasBahan bakar gas merupakanbahan bakaryang
sangat memuaskan sebabhanya memerlukansedikithandlingdan
sistimburnernyasangat sederhana danhampirbebas perawatan.
Gasdikirimkan melalui jaringanpipadistribusi sehingga cocok untuk
wilayah yang berpopulasitinggi atau padat industri. Walau
begitu,banyakpemakai perorangan yang besar memilikipenyimpan gas,
bahkanbeberapa diantara mereka memproduksi gasnya sendiri.
a. Jenis-jenis bahan bakar gasBerikut adalah daftar jenis-jenis
bahanbakar gas:*Bahan bakar yang secara alami didapatkan dari
alam:Gas alamMetandari penambangan batubara*Bahan bakar gas yang
terbuat dari bahan bakar padatGasyang terbentukdari batubaraGas
yangterbentukdari limbah danbiomasaDari proses industri lainnya
(gasblast furnace)*Gas yang terbuat dariminyak
bumiGasPetroleumcair(LPG)Gas hasil penyulinganGas dari gasifikasi
minyak*Gas-gas dari proses fermentasi
Bahan bakar bentuk gas yang biasa digunakan adalah
gaspetroleumcair(LPG),gasalam, gashasil produksi, gasblast furnace,
gasdari pembuatan kokas,dll.Nilai panas bahan bakargas dinyatakan
dalam Kilokalori per normal meter kubik (kKal/) ditentukanpada
suhunormal(C) dan tekanan normal(760 mm Hg).
b. Sifat-sifat bahan bakar gasKarenahampir semua peralatan
pembakaran gas tidak dapat menggunakan kadungan panasdari uap
air,maka perhatian terhadapnilaikalor kotor(GCV)menjadikurang.
Bahan bakarharus dibandingkan berdasarkan nilai kalor
netto(NCV).Hal inibenarterutama untuk gasalam,dimanakadungan
hidrogenakanmeningkattinggikarenaadanyareaksipembentukanair selama
pembakaran.
c. LPGLPGterdiri daricampuran utama propandan Butandengan
sedikit persentasehidrokarbontidak jenuh (propilen dan butilene)dan
beberapa fraksi yang lebih ringan dan yanglebih berat.Senyawa yang
terdapat dalam LPG adalahpropan(Propilen(normaldaniso-butan()
danButilen() LPGmerupakan campuran dari hidrokarbon tersebut yang
berbentuk gas pada tekananatmosfir, namun dapat diembunkan menjadi
bentuk cair pada suhu normal, dengan tekananyangcukup besar.
Walaupundigunakan sebagai gas, namun untuk kenyamanan dan
kemudahannya,disimpandanditransportdalam bentuk cair dengan
tekanantertentu.LPG cair, jikamenguapmembentuk gas dengan
volumsekitar 250 kali.
UapLPGlebihberatdari udara: butanberatnya sekitardua kali berat
udara dan propansekitar satu setengah kali berat udara.Sehingga,
uapdapatmengalirdidekat permukaantanahdanturunhingga ke tingkat
yang paling rendah dari lingkungandandapatterbakar pada
jaraktertentu dari sumber kebocoran.Pada udarayang tenang, uap akan
tersebar secara perlahan.Lolosnyagas cairwalaupun dalam jumlah
sedikit, dapat meningkatkan campuranperbandingan volumuap/
udarasehingg adapatmenyebabkanbahaya
2.3. Bahan Bakar PadatPembakaran bahan bakar padat dibutuhkan
proses yang lebih kompleks. Bahan bakar terlebih dahulu dihancurkan
untuk mendapatkan area permukaan yang lebih luas, dan harus
mendapatkan pemanasan awal untuk bisa menguap sehingga lebih mudah
untuk terbakar. Sebagai tambahan, dibutuhkan ruang furnace yang
lebih besar untuk memastikan proses pembakaran menyeluruh pada
keseluruhan bahan bakar.
2.3.a .Teknik untuk mengetahui karakter termal dari sebuah bahan
bakarpadatData termal seperti proximate dan ultimate analysis telah
biasa digunakan dalam mengevaluasi batubara, biomas, dan bahan
bakar lainnya. Dalam beberapa dekade terakhir, teknik analisis
termal (TA = thermal analysis) seperti thermogravimetry analysis
(TGA), differential thermal analysis, dan thermal mechanical
analysis telah menjadi perhatian lebih dalam mengevaluasi karakter
termal dari komponen bahan bakar tersebut.Data yang diperoleh dari
berbagai teknik di atas dapat menjadi informasi yang berguna dalam
penentuan mekanisme reaksi, parameter kinetik, kestabilan termal,
perubahan fase, panas reaksi, dan berbagai aspek lainnya terkait
sistem reaksi gas-padat dan gas-cair.TGA merekam perubahan berat
dari sebuah sampel sebagai fungsi waktu atau temperatur. Jika kita
mendifferensialkan kurva TGA, maka akan diperoleh DTG atau
Differential Thermogravimetry Analysis. DTG membantu menyediakan
informasi tentang parameter kinetik. Dari kurva DTG kita bisa
mengetahui laju perubahan berat dari sebuah sampel sebagai fungsi
waktu atau temperatur.Teknik lain yang digunakan dalam analisis
termal dari sampel organik yaitu proximate analysis, dimana dari
teknik analisis ini kita mengetahui jumlah moisture content, total
volatile matter, ash content, dan sebuah estimasi dari fixed carbon
content.Ultimate analysis digunakan untuk mengetahui jumlah
komponen penyusun dari sampel organik, seperti batubara dan
biomassa. Misalnya sebuah sampel batubara ingin diketahui berapa
persen kandungan karbon, hidrogen, nitrogen, dan sulfurnya.Contoh
Bahan Bakar Padat:1. Kayu dan sisa tumbuhan: kadar abu rendah,
kadar air relatif tinggi (tergantung pada spesies dan umur pohon,
iklim, kondisi penyimpanan).Kandungan air = W Nilai kalor (rumus
pendekatan): QL = (4400 - 50W) Termasuk sisa tanaman: batang tebu,
kulit buah, sekam, jerami, dll.2. Peat, bahan yang terbentuk dari
dekomposisi dan disintegrasi tanaman graminae(seperti tebu, bambu,
alang-alang) oleh tekanan air di dalam rawa. Kandunganabunya
tergantung pada lumpur rawa. Bahan bersifat higroskopis. Kandungan
airnyatergantung pada kondisi pengeringan, transportasi dan
penyimpanan. Nilai kalorbawahnya 1700-3000 kkal/kg.
3. Batubara ( Bahan Bakar Fosil)Batubara diklasifikasikan
menjadi tiga jenis utama yakniantracit,
bituminous,danlignit,meskipun tidak jelas pembatasan
diantaranya.Pengelompokannya lebih lanjut adalah semi-antracit,
semi-bituminous,dansub-bituminous.Antracitmerupakan batubara
tertuajikadilihat dari sudut pandang geologi, yang
merupakanbatubara keras,tersusun dari komponenutama karbon dengan
sedikit kandungan bahan yang mudah menguap danhampirtidakberkadar
air.Lignitmerupakan batubaratermudadilihat dari pandangan geologi.
Batubara inimerupakan batubara lunak yang tersusun terutama dari
bahan yang mudah menguapdankandungan air dengan kadarfixed
carbonyang rendah.Fixed carbonmerupakan karbondalam keadaan bebas,
tidak bergabungdengan elemen lain. Bahan yang mudah
menguapmerupakan bahan batubara yang mudah terbakar yang menguap
apabila batubara dipanaskan.Batubara yang umumdigunakan, contohnya
padaindustri di India adalah
batubarabituminousdansub-bituminous.Pengelompokanbatubara India
berdasarkan nilai kalornyaadalah sebagai berikut:Kelas Kisaran
Nilai Kalor(dalam kKal/kg)ALebih
dari6200B56006200C49405600D42004940E33604200F24003360G 13002400
AnalisisbatubaraTerdapat dua metode untuk menganalisisbatubara :
analisisultimatedan
analisisproximate.Analisisultimatemenganalisisseluruh elemen
komponen batubara, padat atau gas
dananalisisproximatemeganalisishanyafixed carbon,bahan yang mudah
menguap, kadar airdan persen abu.Analisisultimateharus
dilakukanoleh laboratorium dengan peralatan yanglengkapoleh ahli
kimia yang trampil, sedangkananalisisproximatedapatdilakukan dengan
peralatan yang sederhana.(Catatan:proximatetidak ada hubungannya
dengan kataapproximate).1.Analisis ProximateAnalisis proximate
merupakan analisis yang digunakan untuk memperkirakan kinerja vahan
bakar pada saat pemanasan dan pembakaran antara lain kadar air, zat
terbang (volatile matter), kadar kalori dan abu. 2.Analisis
UltimateAnalisis ultimate dijalankan dengan analisis kimia untuk
menentukan kadar karbon (C), hidrogen (H2), oksigen (O2), nitrogen
(N2), dan belerang (S).Analisis proximateAnalisis proximate
menunjukan persen berat dari fixed carbon, bahan mudah menguap,
abu, dan kadar air dalam batubara. Jumlah fixed carbon dan bahan
yang mudah menguap secara langsung turut andil terhadap nilai panas
batubara. Fixed carbon bertindak sebagai pembangkit utama panas
selama pembakaran. Kandungan bahan yang mudah menguap yang tinggi
menunjukan mudahnya penyalaan bahan bakar. Kadar abu merupakan hal
penting dalam perancangan grate tungku, volum pembakaran, peralatan
kendali polusi dan sistim handling abu pada tungku. Analisis
proximate untuk berbagai jenis batubara diberikan dalam Tabel
6.Tabel 6. Analisis proximate untuk berbagai batubara
(persen)ParameterBatubaraIndiaBatubaraIndonesiaBatubara
AfrikaSelatan
Kadar air5,98
9,438,5
Abu38,6313,9917
Bahan mudah menguap(volatile matter)20,7029,7923,28
Fixed Carbon34,6946,7951,22
Parameter-parameter tersebut digambarkan dibawah ini.Fixed
carbon: Fixed carbon merupakan bahan bakar padat yang tertinggal
dalam tungku setelah bahan yang mudah menguap didistilasi.
Kandungan utamanya adalah karbon tetapi juga mengandung hidrogen,
oksigen, sulfur dan nitrogen yang tidak terbawa gas. Fixed carbon
memberikan perkiraan kasar terhadap nilai panas batubara.
Bahan yang mudah menguap (volatile matter): Bahan yang mudah
menguap dalam batubara adalah metan, hidrokarbon, hydrogen, karbon
monoksida, dan gas-gas yang tidak mudah terbakar, seperti karbon
dioksida dan nitrogen. Bahan yang mudah menguap merupakan indeks
dari kandunagnbahan bakar bentuk gas didalam batubara. Kandunag
bahan yang mudah menguap berkisar antara 20 hingga 35%. Bahan yang
mudah menguap:-Berbanding lurus dengan peningkatan panjang nyala
api, dan membantu dalam memudahkan penyalaan batubara-Mengatur
batas minimum pada tinggi dan volum tungku-Mempengaruhi kebutuhan
udara sekunder dan aspek-aspek distribusi-Mempengaruhi kebutuhan
minyak bakar sekunder.
Kadar abuAbu merupakan kotoran yang tidak akan terbakar.
Kandungannya berkisar antara 5% hingga40%. Abu: Mengurangi
kapasitas handling dan pembakaran Meningkatkan biaya handling
Mempengaruhi efisiensi pembakaran dan efisiensi boiler Menyebabkan
penggumpalan dan penyumbatan
Kadar Air:Kandungan air dalam batubara harus diangkut,
di-handling dan disimpan bersama-samabatubara. Kadar air akan
menurunkan kandungan panas per kg batubara, dan
kandungannyaberkisar antara 0,5 hingga 10%. Kadar air:-
Meningkatkan kehilangan panas, karena penguapan dan pemanasan
berlebih dari uap-Membantu pengikatan partikel halus pada tingkatan
tertentu-Membantu radiasi transfer panas
Kadar SulfurPada umumnya berkisar pada 0,5 hingga 0,8%. Sulfur:-
Mempengaruhi kecenderungan teradinya penggumpalan dan
penyumbatan-Mengakibatkan korosi pada cerobong dan peralatan lain
seperti pemanas udara daneconomizers- Membatasi suhu gas buang yang
keluar
Analisis UltimateAnalsis ultimate menentukan berbagai macam
kandungan kimia unsur- unsur seperti karbon, hidrogen, oksigen,
sulfur, dll. Analisis ini berguna dalam penentuan jumlah udara yang
diperlukan untuk pemakaran dan volum serta komposisi gas
pembakaran. Informasi ini diperlukan untuk perhitungan suhu nyala
dan perancangan saluran gas buang dll. Analisis ultimate untuk
berbagai jenis batubara diberikan dalam tabel dibawah.Tabel 7.
Analisis ultimate batubaraParameterBatubara India, %Batubara
Indonesia, %
Kadar Air5,989,43
Bahan Mineral (1,1 x Abu)38,6313,99
Karbon41,1158,96
Hidrogen2,764,16
Nitrogen1,221,02
Sulfur0,410,56
Oksigen9,8911,88
Tabel 8. Hubungan antara analisis ultimate dengan analisis
proximate
%C=0,97C+ 0,7(VM - 0,1A) - M(0,6-0,01M)
%H=0,036C + 0,086 (VM -0,1xA) - 0,0035(1-0,02M)
%=2,10 -0,020 VM
Dimana
C=% fixed carbon
A=% abu
VM=% bahan mudah menguap (volatile matter)
M=% kadar air
Catatan: persamaan diatas berlaku untuk batubara dengan kadar
air lebih besar dari 15%
3. Unsur Berbahaya dari Proses Pembakaran yang Tidak
SempurnaOksida Nitrogen (NO dan NO2)Gas nitrogen monoksida (NO)
memiliki sifat tidak berwarna, yang pada konsentrasi tinggi juga
dapat menimbulkan keracunan. Di samping itu, gas oksida nitrogen
juga dapat menjadi penyebab hujan asam. Keberadaan gas nitrogen
monoksida (NO) di udara disebabkan karena gas nitrogen ikut
terbakar bersama dengan oksigen (O2), yang terjadi pada suhu
tinggi.Oksida Belerang (SO2 dan SO3)Gas belerang dioksida (SO2)
mempunyai sifat tidak berwarna, tetapi berbau sangat menyengat dan
dapat menyesakkan napas meskipun dalam kadar rendah. Gas ini
dihasilkan dari oksidasi atau pembakaran belerang yang terlarut
dalam bahan bakar miyak bumi serta dari pembakaran belerang yang
terkandung dalam bijih logam yang diproses pada industri
pertambangan.Karbon Dioksida (CO2)Sebagaimana gas CO, maka gas
karbon dioksida juga mempunyai sifat tidak berwarna, tidak berasa,
dan tidak merangsang. Gas CO2 merupakan hasil pembakaran sempurna
bahan bakar minyak bumi maupun batu bara. Dengan semakin banyaknya
jumlah kendaraan bermotor dan semakin banyaknya jumlah pabrik,
berarti meningkat pula jumlah atau kadar CO2 di udara.Karbon
Monoksida (CO)Gas karbon monoksida adalah gas yang tidak berwarna,
tidak berbau, tidak berasa, dan tidak merangsang. Hal ini
menyebabkan keberadaannya sulit dideteksi. Padahal gas ini sangat
berbahaya bagi kesehatan karena pada kadar rendah dapat menimbulkan
sesak napas dan pucat. Pada kadar yang lebih tinggi dapat
menyebabkan pingsan dan pada kadar lebih dapat menyebabkan
kematian.C. EVALUASI KINERJA BAHAN BAKAR
Bagian ini menjelaskan prinsip-prinsip pembakaran, bagaimana
kinerja bahan bakar dapat dievaluasi dengan menggunakan perhitungan
stokiometri kebutuhan air, konsep udara berlebih, dan sistim draft
gas buang.1. Prinsip-prinsip Pembakarana) Proses
pembakaranPembakaran merupakan oksidasi cepat bahan bakar disertai
dengan produksi panas, atau panas dan cahaya. Pembakaran sempurna
bahan bakar terjadi hanya jika ada pasokan oksigen yang cukup.
Oksigen (O2) merupakan salah satu elemen bumi paling umum yang
jumlahnya mencapai 20.9% dari udara. Bahan bakar padat atau cair
harus diubah ke bentuk gas sebelum dibakar. Biasanya diperlukan
panas untuk mengubah cairan atau padatan menjadi gas. Bahan bakar
gas akan terbakar pada keadaan normal jika terdapat udara yang
cukup. Hampir 79% udara (tanpa adanya oksigen) merupakan nitrogen,
dan sisanya merupakan elemen lainnya. Nitrogen dianggap sebagai
pengencer yang menurunkan suhu yang harus ada untuk mencapai
oksigen yang dibutuhkan untuk pembakaran.Nitrogen mengurangi
efisiensi pembakaran dengan cara menyerap panas dari pembakaran
bahan bakar dan mengencerkan gas buang. Nitrogen juga mengurangi
transfer panas pada permukaan alat penukar panas, juga meningkatkan
volum hasil samping pembakaran, yang juga harus dialirkan melalui
alat penukar panas sampai ke cerobong. Nitrogen ini juga dapat
bergabung dengan oksigen (terutama pada suhu nyala yang tinggi)
untuk menghasilkan oksida nitrogen (NOx), yang merupakan pencemar
beracun. Karbon, hidrogen dan sulfur dalam bahan bakar bercampur
dengan oksigen di udara membentuk karbon dioksida, uap air dan
sulfur dioksida, melepaskan panas masing-masing 8.084 kkal, 28.922
kkal dan 2.224 kkal. Pada kondisi tertentu, karbon juga dapat
bergabung dengan oksigen membentuk karbon monoksida, dengan
melepaskan sejumlah kecil panas (2.430 kkal/kg karbon). Karbon
terbakar yang membentuk CO2 akan menghasilkan lebih banyak panas
per satuan bahan bakar daripada bila menghasilkan CO atau asap.C +
O2 CO 2 + 8.084 kkal/kg Karbon2C + O2 2 CO + 2.430 kkal/kg Karbon2H
2 + O2 2H2O + 28.922 kkal/kg HidrogenS + O2 SO2 + 2.224 kkal/kg
Sulfur
Setiap kilogram CO yang terbentuk berarti kehilangan panas 5654
kKal (8084 2430).
b) Pembakaran Tiga TTujuan dari pembakaran yang baik adalah
melepaskan seluruh panas yang terdapat dalam bahan bakar. Hal ini
dilakukan dengan pengontrolan tiga T pembakaran yaitu (1)
Temperature/ suhu yang cukup tinggi untuk menyalakan dan menjaga
penyalaan bahan bakar, (2) Turbulence/ Turbulensi atau pencampuran
oksigen dan bahan bakar yang baik, dan (3) Time/ Waktu yang cukup
untuk pembakaran yang sempurna. Bahan bakar yang umum digunakan
seperti gas alam dan propan biasanya terdiri dari karbon dan
hidrogen. Uap air merupakan produk samping pembakaran hidrogen,
yang dapat mengambil panas dari gas buang, yang mungkin dapat
digunakan untuk transfer panas lebih lanjut.Gas alam mengandung
lebih banyak hidrogen dan lebih sedikit karbon per kg daripada
bahan bakar minyak, sehingga akan memproduksi lebih banyak uap air.
Sebagai akibatnya, akan lebih banyak panas yang terbawa pada
pembuangan saat membakar gas alam.Terlalu banyak, atau terlalu
sedikit nya bahan bakar pada jumlah udara pembakaran tertentu,
dapat mengakibatkan tidak terbakarnya bahan bakar dan terbentuknya
karbon monoksida. Jumlah O2 tertentu diperlukan untuk pembakaran
yang sempurna dengan tambahan sejumlah udara (udara berlebih)
diperlukan untuk menjamin pembakaran yang sempurna. Walau demikian,
terlalu banyak udara berlebih akan mengakibatkan kehilangan panas
dan efisiensi. Tidak seluruh bahan bakar diubah menjadi panas dan
diserap oleh peralatan pembangkit.Biasanya seluruh hidrogen dalam
bahan bakar terbakar. Saat ini, hampir seluruh bahan bakar untuk
boiler, karena dibatasi oleh standar polusi, sudah mengandung
sedikit atau tanpa sulfur. Sehingga tantangan utama dalam efisiensi
pembakaran adalah mengarah ke karbon yang tidak terbakar (dalam abu
atau gas yang tidak terbakar sempurna), yang masih menghasilkan CO
selain CO2.Gambar 1. Pembakaran yang sempurna, yang baik dan tidak
sempurna (Biro Efisiensi Energi, 2004)
2. Perhitungan Stokiometri Kebutuhan Udaraa) Perhitungan
stokiome tri udara yang dibutuhkan untuk pembakaran minyak
bakarUntuk pembakaran diperlukan udara. Jumlah udara yang
diperlukan dapat dihitung dengan menggunakan metode yang diberikan
dibawah ini. Langkah pertama adalah menentukan komposisi minyak
bakar. Spesifikasi minyak bakar dari analisis laboratorium
diberikan dibawah ini:
Unsur% Berat
Karbon 85,9
Hidrogen 12
Oksigen 0,7
Nitrogen 0,5
Sulfur 0,5
H2O 0,35
Abu0,05
GCV bahan bakar 10880 kkal/kg
Dari data analisis dengan jumlah sampel minyak bakar 100 kg,
maka reaksi kimianya adalah sebagai berikut:UnsurBerat Molekul (kg
/ kg mol)C12O2 32H2 2S 32N2 28CO2 44SO2 64H2O 18
C + O2 CO2H2 + 1/2O2 H2OS + O2 SO2Unsur bahan bakarC + O2 CO212
+ 32 44
12 kg karbon memerlukan 32 kg oksigen membentuk 44 kg karbon
dioksida, oleh karena itu 1 kg karbon memerlukan 32/12 kg atau 2,67
kg oksigen (85,9) C + (85,9 x 2,67) O2 315,25 CO2 2H2 + O2 2H2O 4 +
32 364 kg hidrogen memerlukan 32 kg oksigen membentuk 36 kg air,
oleh karena itu 1 kg hidrogen memerlukan 32/4 kg atau 8 kg
oksigen.(12) H2 + (12 x 8) O2 (12 x 9 ) H2OS + O2 SO232 + 32 64
32 kg sulfur memerlukan 32 kg oksigen membentuk 64 kg sulfur
dioksida, oleh karena itu 1kg sulfur memerlukan 32/32 kg atau 1 kg
oksigen(0,5) S + (0,5 x 1) O2 1,0 SO2
Oksigen total yang dibutuhkan = 325,57 kg(229,07+96+0,5)Oksigen
yang sudah ada dalam100 kg bahan bakar (ditentukan) = 0,7 kgOksigen
tambahan yang diperlukan = 325,57 0,7 = 324,87 kgJadi, jumlah udara
kering yang diperlukan = (324,87) / 0,23(udara mengandng 23% berat
oksigen) = 1412,45 kg udaraUdara teoritis yang diperlukan =
(1412,45) / 100 = 14,12 kg udara / kg bahan bakarJadi, dari contoh
diatas terlihat, untuk membakar setiap kg minyak bakar, diperlukan
udara 14,12 kg.
b) Perhitungan kandunganCO2 teoritis dalam gas buangSangat perlu
untuk menghitung kandungan CO2 dalam gas buang, karena dapat
digunakan untuk menghitung udara berlebih dalam gas buang. Sejumlah
tertentu udara berlebih diperlukan untuk pembakaran sempurna minyak
bakar, tetapi jika terlalu banyak udara berlebih dapat menyebabkan
kehilangan panas dan terlalu sedikit udara berlebih dapat
mengakibatkan pembakaran yang tidak sempurna. CO2 dalam gas buang
dapat dihitung sebagai berikut:Nitrogen dalam gas buang = 1412.45
324,87 = 1087,58 kg% volum CO2 teortis dalam gas buang dihitung
seperti dibawah ini:Mol CO2 dalam gas buang = (314,97) / 44=
7,16Mol N2 dalam gas buang = (1087,58) / 28 = 38,84Mol SO2 dalam
gas buang = 1/64 = 0,016
% Volum CO2 teoritis = (MolCO2 x 100) / Mol Total (Kering) =
(7,16 x 100) / (7,16 + 38,84 + 0,016) = 15,5%c) Perhitungan
unsure-unsur gas buang dengan udara berlebihSetelah diketahui
kebutuhan udara teoritis dan kandungan CO2 teoritis dalam gas
buang, langkah berikutnya adalah mengukur persen CO2 sebenarnya
dalam gas buang. Pada perhitungan dibawah diasumsikan bahwa % CO2
terukur dalam gas buang adalah sebesar 10%. % Udara berlebih = [(%
CO2 teoritis / CO2 sebenarnya) 1] x 100= [(15,5/10 1)] x 100=
55%Udara teoritis yang diperlukan untuk 100 kg bahan bakar yang
terbakar= 1412,45 kgJumlah total pasokan udara yang diperlukan
dengan udara berlebih 55% = 1412,45 x 1,55 = 2189,30 kg
Jumlah udara berlebih (udara berlebih nyata - teoritis)= 2189,30
1412,45= 776,85 O2 (23%) = 776,85 x 0,23= 178,68 kg N2 (77%) =
776,85 178,68= 598,17 kgJumlah kandungan akhir unsur gas buang
dengan udara berlebih 55% untuk setiap 100 kg bahan bakar adalah
seperti dibawah ini:CO2 = 314,97 kgH2O = 108,00 kgSO2 = 1 kgO2=
178,68 kgN2= 1685,75 kg (= 1087,58 dalam udara + 598,17 dalam udara
berlebih)
d) Perhitungan % volum CO2 teoritis dalam gas buang
keringSetelah didapat hasil perhitungan jumlah unsur dalam satuan
berat, kemudian dapat dihitung jumlah unsur berdasarkan satuan
volum sebagai berikut:Mol CO2 dalam gas buang = 314,97 / 44 =
7,16Mol SO2 dalam gas buang = 1/64 = 0,016Mol O2 dalam gas buang =
178,68 / 32 = 5,58Mol N2 dalam gas buang = 1685,75 / 28 = 60,20%
volum CO2 teoritis= (Mol CO2 x 100) / mol total (kering)= (7,16 x
100) / (7,16 + 0,016 + 5,58 + 60,20)= 10%% volum O2 teoritis =
(5,58 x 100) / 72,956= 7,5%
3. Konsep Udara Berlebih
Untuk pembakaran yang optimum, jumlah udara pembakaran yang
sesungguhnya harus lebih besar daripada yang dibutuhkan secara
teoritis. Bagian dari gas buang mengandung udara murni, yaitu udara
berlebih yang ikut dipanaskan hingga mencapai suhu gas buang dan
meninggalkan boiler melalui cerobong. Analisis kimia gas- gas
merupakan metode objektif yang dapat membantu untuk mengontrol
udara dengan lebih baik. Dengan mengukur CO2 atau O2 dalam gas
buang (menggunakan peralatan pencatat kontinyu atau peralatan Orsat
atau beberapa peralatan portable yang murah) kandungan udara
berlebih dan kehilangan di cerobong dapat diperkirakan. Udara
berlebih yang dibutuhkan tergantung pada jenis bahan bakar dan
sistim pembakarannya. Cara yang lebih cepat untuk menghitung udara
berlebih adalah dengan menggunakan gambar 2 dan 3, setelah persen
CO2 atau O2 dalam gas buang diukur.
Gabar 2. Hubungan antara CO2 & Udara Berlebih (Biro
Efisiensi Energi, 2004)
Gambar 3. Hubungan antara oksigen sisa dan udara berlebih (Biro
Efisiensi Energi, 2004)Untuk pembakaran bahan bakar minyak yang
optimum, CO2 atau O2 dalam gas buang harus dicapai sebagai
berikut:CO2 = 14.515 %O2 = 23 %
D. KESIMPULANBahan bakar fosil diklasifikasikan secara umum
berdasarkan fasenya: padat, cair, dan gas. Tiap-tiap bahan bakar,
terbakar dengan cara yang unik, dan begitu pula dengan kebutuhan
penanganannya yang juga khusus. Dibutuhkan pula alat-alat yang
spesifik untuk mendapatkan campuran reaktan yang baik dan
mentransfer energi panas yang dihasilkan untuk mendapatkan proses
pembakaran yang efisien.Bahan bakar gas biasanya terbakar dengan
cara premix atau difusi. Pembakaran premix adalah api yang
terbentuk pada saat oksigen bercampur dengan bahan bakar sebelum
api tersebut terbentuk di bagian ujungnya. Fenomena ini ditandai
dengan nyala api yang berwarna biru. Sedangkan pembakaran difusi
adalah api terbentuk karena pembauran yang sempurna antara bahan
bakar dengan oksigen.Bahan bakar cair harus terlebih dahulu berubah
fase menjadi uap dan ter-atomizing sebelum bercampur dengan udara
dan terbakar. Sedangkan pada pembakaran bahan bakar padat
dibutuhkan proses yang lebih kompleks. Bahan bakar terlebih dahulu
dihancurkan untuk mendapatkan area permukaan yang lebih luas, dan
harus mendapatkan pemanasan awal untuk bisa menguap sehingga lebih
mudah untuk terbakar. Sebagai tambahan, dibutuhkan ruang furnace
yang lebih besar untuk memastikan proses pembakaran menyeluruh pada
keseluruhan bahan bakar.Terdapat dua metode untuk
menganalisisbatubara : analisisultimatedan
analisisproximate.1.Analisis ProximateAnalisis proximate merupakan
analisis yang digunakan untuk memperkirakan kinerja bahan bakar
pada saat pemanasan dan pembakaran antara lain kadar air, zat
terbang (volatile matter), kadar kalori dan abu. 2.Analisis
UltimateAnalisis ultimate dijalankan dengan analisis kimia untuk
menentukan kadar karbon (C), hidrogen (H2), oksigen (O2), nitrogen
(N2), dan belerang (S).E. DAFTAR PUSTAKA
Petroleum Conservation Research Association. www.pcra.org
Department of Coal, Government of India. Coal and Industrial
Furnaces Efficientutilization. 1985
Bureau of Energy Efficiency. Energy Efficiency in Thermal
Utilities. Chapter 1. 2004Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri
di Asia www.energyefficiencyasia.org
KULIAH KIMIA TEKNIKMAKALAHPEMBAKARAN
Disusun Oleh :Muh. Rafiq Annur(101.03.1107)
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRIINSTITUT SAINS
& TEKNOLOGI AKPRIND YOGYAKARTA