BAB 4

BAHAN BAKAR DAN TEKNIK PEMBAKARAN

Company Name

LOGO

UNESApendahuluanSumber energi sekarang, sudah untuk keperluan politik dan ekonomi guna mencapai tujuan-tujuan politik yang akan dicapai.

Negara-negara yang sumber energinya terbatas harus berusaha untuk melakukan konversi energi dan mengembangkan sumber-sumber energi baru.

Penggalian sumber - sumber energi baru seharusnya tidak hanya bertumpu pada faktor ekonomi biaya rendah saja, melainkan harus memperhatikan tiga E, yaitu Energi, Ekonomi, dan Ekologi.

UNESA

LOGO

UNESA

Hubungan Massa-EnergiAlbert Einstein menyatakan bahwa dalam setiap proses konversi energi, maka jumlah massa dan energi tetap kekal E = mc2E = energi yang dilepaskanm = massa yang dikonversi menjadi energi (kilogram)c = kecepatan cahaya (3 x 108 m/detik)

Persamaan tersebut sebenarnya menunjukkan proses yang reversibel.

Sedangkan menurut hukum termodinamika pertama menyatakan bahwa, energi haruslah lestari dalam setiap proses. Postulat yang berhubungan dengan hukum termodinamika pertama tersebut adalah bahwa massa tak dapat diciptakan dan dimusnahkan.

UNESA

LOGO

UNESAEnergi, massa, dan dayaDaya adalah suatu perubahan dan energi sama dengan integral daya pada interval waktu tertentu.

Satuan massa adalah kilogram (kg). Satuan massa yang lain yang digunakan dalam buku ini adalah pond mass (lbm), atomic mass unit (amu), short tons (tons), metrik toms (tonnos), grams (g).

UNESA

LOGO

UNESA

Energi, massa, dan daya

Satuan daya menurut SI adalah watt (W). Kadang-kadang digunakan pula satuan horse-power (hp). Daya dapat juga dinyatakan sebagai laju energi yaitu joule per detik (J/s), British thermal unit tiap jam (Btu/h), dan lain-lain.

Satuan massa adalah kilogram (kg). Satuan massa yang lain yang digunakan dalam buku ini adalah pond mass (lbm), atomic mass unit (amu), short tons (tons), metrik toms (tonnos), grams (g).

UNESA

LOGO

UNESACadangan-Cadangan EnergiCadangan energi yang terdapat di bumi dapat dibagi atas empat kategori besar, termasuk sumber-sumber yang terbaharui (renewable) atau tak terhabiskan (non depletable), bahan bakar fosil, isotop-isotop yang dapat memfisi dan dibiakkan, serta isotop-isotop yang dapat memfusi.

Beberapa diantaranya, khususnya shale oil dan uranium, sangatlah tergantung pada harga pasaran bahan bakar mentah karena biaya energi meningkat, penambangan biji mutu rendah akan lebih menguntungkan.

UNESA

LOGO

UNESAPemanfaatan EnergiPemanfaatan energi telah berkembang dan meningkat sesuai dengan perkembangan manusia itu sendiri. Penggunaan energi tersebut dimulai dari penggunaan otot manusia kemudian energi angin, tenaga air, dan energi panas.

Penggunaan energi di Amerika Serikat selama kurang lebih 120 tahun yang lalu, tampak bahwa pada tahun 1850 lebih 90% energi bahan bakar berasal dari pembakaran kayu dan hasil perkayuan. Pada tahun 1910 pemakaian kayu turun hingga tinggal 10%, karena 80% bahan bakar dipasok dengan menggunakan batubara. Pada tahun 1970-an penggunaan batubara hanya 20 % saja, sedangkan 75% lagi dipenuhi oleh minyak dan gas alam. Pada tahun 2030 para ahli di bidang energi meramalkan bahwa sumber utama energi adalah bahan bakar fosil, reaktor fisi, energi surya, reaktor fusi dan lainnya.

UNESA

LOGO

UNESAKonsumsi dan Pembangkitan Tenaga ListrikPada tahun 1970 total pembangkitan energi listrik di Amerika Serikat adalah 1,62 1012 kWe dan kapasitas total terpasang 356800 MWe. Sumber utama pembangkitan listrik tersebut adalah 6,3% dari minyak, 22% dari gas alam, 52,5% dari batu bara muda (lignite), 18,2% dari tenaga air, dan 1% dari tenaga nuklir.

Penggunaan energi nuklir hingga tahun 1975 meningkat menjadi 8% dan lebih separuh pembangkit yang baru dipasang menggunakan energi nuklir. Di tahun mendatang energi nuklir sebagai pembangkit listrik akan semakin meningkat.

UNESA

LOGO

UNESA

Terjadinya BatubaraAda 2 teori yang menerangkan terjadinya batubara yaitu :

Teori In-situ : Batubara terbentuk dari tumbuhan atau pohon yang berasal dari hutan dimana batubara tersebut terbentuk. Batubara yang terbentuk sesuai dengan teori tersebut biasanya terjadi di hutan basah dan berawa, sehingga pohon-pohon di hutan tersebut pada saat mati dan roboh, langsung tenggelam ke dalam rawa tersebut, dan sisa tumbuhan tersebut tidak mengalami pembusukan secara sempurna, dan akhirnya menjadi fosil tumbuhan yang membentuk sedimen organik.

UNESA

LOGO

UNESATerjadinya Batubara2. Teori Drift : Batubara terbentuk dari tumbuhan atau pohon yang berasal dari hutan yang bukan di tempat dimana batubara tersebut terbentuk.Batubara yang terbentuk sesuai dengan teori drift biasanya terjadi di delta-delta, mempunyai ciri-ciri lapisan batubara tipis, tidak menerus (splitting), banyak lapisannya (multiple seam), banyak pengotor (kandungan abu cenderung tinggi).Proses pembentukan batubara terdiri dari dua tahap yaitu tahap biokimia (penggambutan) dan tahap geokimia (pembatubaraan).

UNESA

LOGO

UNESALanjutanSiklus terjadinya pembentukan batubara

UNESA

LOGO

UNESA

Kelas dan Jenis BatubaraBerdasarkan tingkat proses pembentukannya yang dikontrol oleh panas, tekanan dan waktu umumnya batubara dibagi menjadi 5 kelas yaitu:Antrasit adalah kelas batubara tertinggi, dengan warna hitam berkilauan (luster) melatik, mengandung antara 86%-98% unsur carbon C dengan kadar air kurang dari 8%.

2. Bituminus mengandung 68%-86% unsur carbon C dengan kadar aur 8-10% dari beratnya, batubara yang paling banyak ditambang di Australia.

UNESA

LOGO

UNESAKelas dan Jenis Batubara Sub-bituminus mengandung sedik carbon dan banyak air, dan oleh karenanya menjadi sumber panas yang kurang baik dibandingkan dengan bituminus.

Lignit atau batubara coklat adalah batubara yang sangat lunak yang mengandung air 35-75% dari beratnya.

Gambut, berpori yang memiliki kadar air diatas 75% serta nilai kalori yang paling rendah.

UNESA

LOGO

Analisis Batubarajenis analisis batubara yaitu : proksimat dan ultimateAnalisis proksimat batubara bertujuan untuk menentukan kadar Moisture (air dalam batubara) kadar moisture ini mengcakup pula nilai free moisture serta total moisture, ash (debu), volatile matters (zat terbang), dan fixed carbon (karbon tertambat) ). Moisture ialah kandungan air yang terdapat dalam batubara sedangkan abu (ash) merupakan kandungan residu non-combustible yang umumnya terdiri dari senyawa-senyawa silika oksida (SiO2), kalsium oksida (CaO), karbonat, dan mineral-mineral lainnya Analisis ultimat dilakukan untuk menentukan kadar karbon (C), hidrogen (H), oksigen (O), nitrogen, (N), dan sulfur (S) dalam batubara. Seiring dengan perkembangan teknologi, analisis ultimat batubara sekarang sudah dapat dilakukan dengan cepat dan mudah.UNESA

UNESA

LOGO

UNESABatubara SejenisGambar Boiler Boiler adalah bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan ke air sampai terbentuk air panas atau steam. Air panas atau steam pada tekanan tertentu kemudian digunakan untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Air adalah media yang berguna dan murah untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Jika air dididihkan sampai menjadi steam, volumnya akan meningkat sekitar 1.600 kali, menghasilkan tenaga yang menyerupai bubuk mesiu yang mudah meledak, sehingga boiler merupakan peralatan yang harus dikelola dan dijaga dengan sangat baik.

UNESA

LOGO

UNESABatubara SejenisBoiler Pembakaran dengan Fluidized Bed (FBC) Pembakaran dengan fluidized bed (FBC) muncul sebagai alternatif yang memungkinkan dan memiliki kelebihan yang cukup berarti dibanding sistim pembakaran yang konvensional dan memberikan banyak keuntungan rancangan boiler yang kompak, fleksibel terhadap bahan bakar, efisiensi pembakaran yang tinggi dan berkurangnya emisi polutan yang merugikan seperti SOx dan NOx. Bahan bakar yang dapat dibakar dalam boiler ini adalah batubara,

UNESA

LOGO

UNESAMekanik StokerStoker mekanik diklasifikasikan menjadi 4 klompok yaiyu :spreader stoker

Spreader stokers memanfaatkan kombinasi pembakaran suspensi dan pembakaran grate. Batubara diumpankan secara kontinyu ke tungku diatas bed pembakaran batubara. Batubara yang halus dibakar dalam suspensi; partikel yang lebih besar akan jatuh ke grate, dimana batubara ini akan dibakar dalam bed batubara yang tipis dan pembakaran cepat. Metode pembakaran ini memberikan fleksibilitas yang baik terhadap fluktuasi beban, dikarenakan penyalaan hampir terjadi secara cepat bila laju pembakaran meningkat. Karena hal ini, spreader stoker lebih disukai dibanding jenis stoker lainnya dalam berbagai penerapan di industri.

UNESA

LOGO

UNESAMakanik Stoker2. undervet stokerStoker jenis ini banyak dipakai untuk industri skala kecil,konstruksinya sederhana. Bahan-bakar di dalam berupa batu baradimasukan ke perapian dengan dengan srew pengumpan. Prosespembakaran terjadi di dalam retort, batu bara akan dipanaskan untukmenguapkan air dan zat terbang kemudian arang terbakar. Sisapembakaran berupa abu akan digeser ke luar karena desakan batu barabaru yang belum terbakar. Udara tambahan digunakan untuk membantuproses pembakaran sehingga lebih efesien

UNESA

LOGO

UNESAMakanik Stoker3. traveling-grate stokerBatubara diumpankan ke ujung grate baja yang bergerak. Ketika grate bergerak sepanjang tungku, batubara terbakar sebelum jatuh pada ujung sebagai abu. Diperlukan tingkat keterampilan tertentu, terutama bila menyetel grate, damper udara dan baffles, untuk menjamin pembakaran yang bersih serta menghasilkan seminimal mungkin jumlah karbon yang tidak terbakar dalam abu.

UNESA

LOGO

UNESAMakanik Stoker4. vibrating-grate stokerVibrating grate stoker ini mirip dengan proses grate, kecuali bahwa alih-alih pada kontinu loop, grate bagian yang miring ke bawah dan secara berkala bergetar menyebabkan bahan bakar partikel bergetar dari depan ke belakang. Frekuensi getaran dikendalikan untuk memperoleh tekanan uap / output panas yang diinginkan.

UNESA

LOGO

UNESASystem Bubuk Batu baraSystem bubuk-batubara terdapat systim utama yaitu: sistem bin atau penyimpanan dan sistem langsung menembak.Sistem bin (menyimpan)

Sistem bin merupakan sistem batch dimana bubuk batubara siap jauh dari tungku dan campuran bubuk batubara primer air yang dihasilkan menuju ke pemisah siklon dan filter yang terpisah dan menguras kelembaban udara dengan suasana dan debit batu bara bubuk untuk penyimpanan sisa pemrosesan

UNESA

LOGO

UNESASystem Bubuk Batu baraSistem langsung menembakDibandingkan dengan sistem bin sistem penembakan memiliki kesederhanaan yang lebih besar dan keamanan yang lebih baik, serta kebutuhan ruang yang lebih rendah, modal biaya yang lebih rendah dan biaya perbaikan juga rendah, dan keuntungan pabrik yang lebih besar. Seperti halnya, secara kontinyu memproses batubara dari penyimpanan kemudian menerima bunker melalui feeder, semprot, dan primer-air kipas, ke pembakar tungku

UNESA

LOGO

UNESACYCLONE FURNACESCyclone FurnacesCyclone-furnaces pembakaran, yang dikembangkan pada tahun 1940-an, merupakan langkah paling eefektif dalam penembak batubara sejak diperkenalkannya penembakan bubuk-batubara ditahun 1920.

UNESA

LOGO

PEMBAKARAN FLUIDIZED-BEDFluidized-bed adalah salah satu pembakaran yang mengandung partikel padat yang berada dalam kontak intim dengan cairan melewati dengan kecepatan cukup tinggi untuk menyebabkan partikel untuk memisahkan dan menjadi bebas didukung oleh cairan UNESA

UNESA

LOGO

UNESACYCLONE FURNACESKecepatan fluida minimum yang diperlukan untuk fluidisasi dapat dihitung dengan menyamakan gaya drag pada gerakan partikel pada cairan dengan berat partikel. Sehingga

Dimana,CD = coeffrcient, satu fungsi dari bentuk partikel dan angka reynoldsAC = seberangi area bersekat-sekat dari partikel = r2 untuk satu partikel berbentuk bola, ft2 atau m2

UNESA

LOGO

UNESABAHAN BAKAR CAIR Secara teknis, bahan bakar cair merupakan sumber energi yang sangat baik. Sehingga mudah untuk menangani, menyimpan, dan membakar dan memiliki nilai-nilai pemanasan yang relative konstan.Pada Tabel 4-4 kumpulan hidrokarbon ditemukan pada minyak yang kasar dan halus.

Jumlah atom karbon dalam molekul hidrokarbon diidentifikasi dengan

UNESA

LOGO

UNESABahan Bakar CairBatubara-minyak dan batubara-air campuran (COM dan CWM) mempunyai keuntungan utama dari COMs dan CWMs adalah kemampuan untuk mengurangi atau menggantikan minyak sebagai bahan bakar untuk bahan bakar minyak generator uap.terdiri dari dua jenis yaitu:COMs biasanya mengandung sekitar 50 persen batubara secara nilai pemanasan. Daya tarik COMs adalah bahwa teknologi untuk memproduksi dan membakar (tes pertama pada COMs dijalankan sejak tahun 1880), dan pemasok bahan bakar secara komersial, meskipun dalam jumlah terbatas.CWMs, disukai oleh beberapa COMs karena mempunyai kemampuan yang lebih besar dalam menggantikan minyak, adalah 70 hingga 80 persen batubara, air sisa, plus sepersekian persen dari stabilisator.

UNESA

LOGO

UNESAPANAS PEMBAKARANmemperlakukan hukum pertama termodinamika dari sudut pandang teknik mesin, mengabaikan hal energi seperti kimia, listrik, dan magnet. Ketika berhadapan dengan sistem pembakaran, kita tidak bisa lagi mengabaikan energi kimia dalam cairan.

Terdapat dua system yaitu system terbuka dan system tertutup.

UNESA

LOGO

UNESALanjutanSistem TerbukaPersamaan pertama hukum untuk sistem tunak steady-aliran (SSSF) Persamaan. (l-ld) akan ditulis untuk sistem kimia reaktif (Gambar 4-15), dengan perubahan energi kinetik dan potensial diabaikan, seperti

Dimana, HR dan Hp adalah entalpi reaktan dan produk. Q adalah panas yang ditambahkan ke sistem.Wsf adalah r usaha bersih dilakukan oleh sistem

UNESA

LOGO

UNESALanjutanKarena reaktan dan produk biasanya terdiri dari beberapa konstituen masing-masing, Persamaan. (4-14) ditulis dalam bentuk

dimana, m adalah massa dan h entalpi spesifik dari konstituen masing-masing. Untuk menentukan entalpi, pertimbangkan pembakaran lengkap etana oksigen

Karena persamaan kimia, seperti Persamaan. (4-16), yang seimbang dalam hal mol dan bukan massa, dan karena m = nM, Persamaan. (4-15) sekarang ditulis dalam bentuk

UNESA

LOGO

UNESALanjutan

UNESA

LOGO

LanjutanContoh 4-2 Carian panas yang dihasilkan dari pembakaran I Ibm. dan scf (standar kubik cubic food) etana dalam tungku di udara kekurangan 20 persen jika reaktan berada di 250C dan produk pada suhu1500 K. Asumsikan bahwa hidrogen, menjadi lebih reaktif daripada karbon, memenuhi proses sendiri dengan oksigen yang dibutuhkan dan membakaran sepenuhnya untuk H2O. 5 persen dari panas pembakaran yang hilang ke bagian luar tungku.

Solusion Persamaan stoikiometri untuk etana di udara adalah(dimana ada 3.76 mol O2 diatmosfer N2/mol O2, sehingga 13.16 = 3.5 x 3.76). Dengan kekurangan udara 20 persen O2 dan N2 dengan 0.8 mol. H2 akan terbakar sempurna untuk H2O dan C akan membakar sebagian menjadi CO2 dan sebagian untuk CO:

LOGO

System Bubuk Batu baraDemikian, a = 0.6, b = 1.4, dan persamaan eombustion adalah

Karena tidak ada kerja yang dilakukan dalam tungku, Persamaan. (4-17) ditulis sebagai berikut :

LOGO

UNESALanjutan

UNESA

LOGO

UNESALanjutanSebuah kaki kubik standar diperoleh di 1 atm dan 600F. Sejak C2H6 adalah gas, yang densitas pada kondisi tersebut diperoleh dari pV = MRT

UNESA

LOGO

LanjutanSistem TertutupPembakaran persamaan untuk bahan bakar dalam sistem tertutup, seperti silinder atau bom dapat diperoleh dengan menulis persamaan hukum pertama untuk sistem tertutup. Jadi, dengan analogi dengan Persamaan. (4-14)

untuk wnf alur kerja, untuk gas

dimana, Ro adalah konstanta gas universal. Jadi pembakaran perhitungan untuk tertutup sistem dapat dilakukan dengan menggunakan entalpi pada Tabel 4-6 dan 4-7 dengan memodifikasi Persamaan. 4-18 untuk

LOGO

TEMPERATUR PEMANASANJika panas pembakaran atau sebagian darinya disimpan dalam gas, akan memiliki efek meningkatkan entalpi (energi internal dalam sistem tertutup) pada suhu. Dasar yang sama hukum pertama persamaan yang digunakan untuk menghitung kalor pembakaran dan pemanasan nilai bahan bakar dapat digunakan untuk menghitung suhu pembakaran.

Contoh 4-4 Suatu gas rendah Btu dari pembangkit batubara gasifikasi memiliki analisis volumetrik berikut: 22.9 persen CO, H2 10 persen, CO2 4,4 persen, N2 62.7 persen. Memasuki tungku di 1 atm dan suhu 800 K dan 100 sisa bakar di udara persen pada 250C dalam proses aliran pembakaran d mana ia kehilangan 10.72 Btu/ft3 pada kondisi inlet ke lingkungan. Cari suhu produk.

LOGO

LanjutanSolusi Mengingat bahwa analisis volume dan molal adalah sama untuk gas, persamaan stoikiometri pembakaran (udara untuk 100 persen) adalah

LOGO

System Bubuk Batu bara

LOGO

UNESALanjutan

UNESA

LOGO

UNESASuhu Pembakaran AdiabatikHal ini dapat dilihat dari Contoh 4-4 bahwa campuran ramping, misalnya, 12O persen udara pembakaran, akan menghasilkan temperatur pembakaran yang lebih rendah karena efek pengenceran udara berlebih. Campuran juga akan menghasilkan suhu yang lebih rendah karena pembakaran tidak sempurna.Sebuah bahan bakar,yang terbakar tanpa terjadi pertukaran panas dengan lingkungan dan tidak ada kerja yang dilakukan sehingga akan menghasilkan suhu pembakaran adiabatic atau adiabatik-api. Hal ini lebih besar jika bahan bakar dibakar dengan oksigen dari udara karena efek pengenceran dari nitrogen yang lebih besar untuk stoikiometri baik dari campuran menjadi sedikit atau banyak, seperti di atas, campuran sedikit memiliki efek dilusi, sedangkan hasil campuran banyak dalam pembakaran tidak sempurna.

UNESA

LOGO

UNESALanjutanSehingga dapat dirumuskan bahwa,

UNESA

LOGO

UNESALanjutanSehingga dapat disimpulkan yaitu:

harus diingat bahwa semua perhitungan pembakaran dapat dilakukan jika ada pertukaran panas dari lingkungan (seperti dalam Contoh 4-4), kerja yang dilakukan oleh sistem, atau perubahan eyen dalam energi kinetik atau potensial antara produk dan reaktan dengan memasukkan istilah yang tepat ke dalam (Persamaan 4-17).

UNESA

LOGO

Daftar Pustakahttp://ptba.co.id/id/library/detail/2http://www.coe.its.ac.id/index.php/servicelist/44-analisis-batubara

UNESA

UNESA