KETEL UAP

Dr. Awaludin MartinUniversitas Riau2011

Stoke ProcessPembakaran adalah oksidasi yang berlangsung pada temperatur tertentu, dengan kecepatan reaksi yg tinggi & menghasilkan panas.

A. Pembakaran Bahan Bakar GasB. Pembakaran Bahan Bakar CairC. Pembakaran Bahan Bakar Padat

A. Pembakaran Bahan Bakar GasPembakaran bahan bakar berupa gas, hampir seluruhnya terdiri dari C & H

Pembakar Bunsen:Pembakaran dimulai dg menguraikan gas2 sehingga menghasilkan komponen2 gas air yaitu CO & H2, dengan kondisi O2 mencukupi.

Gas yg keluar dari pembakar bunsen akan menarik sejumlah udara primer tertentu yg cukup utk penguraian gas menjadi gas air, yg berlangsung di dalam kerucut bunga api yg paling dalam.

Jika arus udara primer berkurang atau pencampuran gas2 tdk sempurna maka penguraian menjadi gas air (water gas/CO & H2) akan terganggu.

Jika pembakaran tidak berlangsung sempurna, maka karbon yg tidak terurai akan berwujud partikel2 karbon yg menimbulkan jelaga (soot) yg melayang2 di dalam api.

Sebelum pembakaran sebenarnya berlangsung, maka terlebih dahulu bahan bakar cair tsb diuapkan & diuraikan menjadi gas. Bahan bakar cair umumnya terdiri dari karbon & hidrogen saja.

Kandungan H nya cukup tinggi, maka penguraiannya juga dengan temperatur tinggi, dg C & H masih dalam keadaan terikat.

Jika pembakaran bahan bakar cair dapat dicapai dg baik, maka akan terbentuk bunga api yg hampir sempurna.

B. Pembakaran Bahan Bakar Cair

Sebagian besar terdiri dari karbon, hidrogen & oksigen.

Proses pembakaran sbb:Bahan bakar padat tsb akan membentuk gas2 (ontgassing/nge-gas) pd proses destilasi kering, gas2 tsb akan terurai menjadi CO & H2 (water gas), shg akan mulai terbakar.

Arang/kokas yg sisa (terdiri dr C) akan menguap/menyublim terlebih dahulu, kmd terbakar mjd CO dan terbakar lg mjd CO2 bila jumlah oksigen yg tersedia mencukupi.

C. Pembakaran Bahan Bakar Padat

Udara pembakar utk nge-gas dr C disbt ‘udara primair’, udara pembakar yg digunakan utk membakar CO mjd CO2 disebut ‘udara sekunder’.

Jadi, terdapat 2 periode pd pembakaran bahan bakar padat, yaitu:

- Ontgassing, bahan bakar padat mjd gas dg bermacam2 susunan

- Membakar lbh lanjut mjd CO & mjd CO2.

Jumlah Udara PembakarJika susunan bahan bakar diketahui, maka dpt dihitung jumlah udara pembakar utk pembakaran yg sempurna.

Karbon C terbakar sempurna menjadi CO2

C + O2 CO2

12 kg C + 32 kg O2 = 44 kg CO2

1 kg C + kg O2 = kg CO2

1 kg C + 2,67 kg O2 = 3,67 kg CO2

1232

1244

1 kg udara mengandung 0,231 kg O2

Diket: batubara mengandung 7,5% air; 5,8% abu; 68,6% C; 4,5% H; 13,2% (O+N); 0,4% S, nilai pembakaran terendah 26.596 kJ/kg

Ditanya: jumlah udara teoritis dinyatakan dlm kg & nm3 yg dibutuhkan utk membakar dg sempurna 1 kg batu bara tsb.

Jawab: per 1 kg batubara mengandung 0,686 kg C; 0,045 kg H & 0,004 S.

Jumlah oksigen yg dibutuhkan:

O2 = (0,686 x 2,67 + 0,045 x 8 + 0,004 x 1) kg = 2,194 kg O2

Secara umum: 1 kg bahan bakar yg mengandung C kg karbon H H kg hidrogen; 0 kg oksigen; N kg nitrogen; S kg belerang dan W kg air; kebutuhan udara teroritisnya:

bbkg/udaranmSOH8C67,2x8,29100U

bbkg/udarakgSOH8C67,2x1,23100U

3ov

og

Jumlah Gas Asap yg Terbentuk

Berat gas asap yg terbentuk dr hsl pembakaran 1 kg bahan bakar adalah sama dg jumlah berat udara yg dibutuhkan + berat bahan bakar yg berubah mjd gas asap kecuali abunya.

Jumlah berat gas asap teoritis (Gog) yg terbentuk=Gog = Uog + (1 – A) kg gas asap/kg bahan bkr

A = kandungan abu dlm bhn bakar (kg abu/ kg bhn bkr)

Jumlah berat gas asap yg sebenarnya (Gg) terbentuk=Gg = m. Uog + (1 – A) kg gas asap/kg bhn bkr

m= angka kelebihan udara

Pembakaran hidrogen yg disponsible:4 kg Hdisp. + O2 = 2 H2O

4 kg Hdisp. + 1 kg molekul O2 = 2 kg molekul H2O4 kg Hdisp. + 22,4 nm2 O2 = 44,8 nm3 H2O

4 kg Hdisp. Sesudah pembakaran akan menyebabkan penambahan volume gas asap sebanyak = 44,8 nm3 – 22,4 nm3 = 22,4 nm3.Jadi: 1 kg Hdisp. Akan menyebabkan bertambahnya volume gas asap sebanyak 5,6 nm3.Pembakaran hidrogen terikat:

2 Hterikat + Oterikat = H2O2 kg Hterikat + Oterikat = 1 kg molekul H2O = 22,4 nm3 H2O

2 kg H terikat dg O terikat yg ada di dlm bb tanpa diperlukan udara dr luar, sdh dpt menghasilkan 22,4 nm3 gas asap. 1 kg H terikat dlm bb, akan menghasilkan 11,2 nm3 gas asap

Air yg terkandung di dlm bb:

18 kg air yg terkandung di dlm bb akan menghasilkan 1 kg molekul H2O atau 22,4 nm3 gas asap.

1 kg air yg terkandung di dlm bb akan menghasilkan 1,24 nm3 gas asap.

Nitrogen yg terkandung di dlm bb:

28 kg nitrogen (N) yg terkandung di dlm bb akan menghasilkan 1 kg molekul gas asap atau 22,4 nm3 gas asap.

1 kg nitrogen menghasilkan 0,8 nm3 gas asap

1 kg C tdk menambah volume gas asap1 kg S tdk menambah volume gas asap1 kg H disponsible menambah 5,6 nm3 volume gas asap1 kg H terikat menambah 11,2 nm3 volume gas asap1 kg air akan menambah 1,24 nm3 volume gas asap1 kg N akan menambah 0,8 nm3 volume gas asap

Diket: BB 1 kg terdiri dr: 7,5% air; 5,8% abu; 68,6% C; 4,5% H; 1% N; 12,2% O; 0,4% S; dg Qlow = 26.596 kJ/kg

Ditanya:a.Jumlah gas asap yg terbentuk, dinyatakan dlm berat?b.Volume gas asap yg terbentuk?

Jawab:a. Berat gas asap yg terbentuk:

1 kg bb yg berubah mjd gas asap = 1 kg – jumlah abu = 1 kg – 0,058 kg abu = 0,942 kgshg, berat gas asap yg terbentuk = 0,942 kg + 8,98 kg = 9,922 kg gas asap/kg bb

b. Jumlah volume gas asap yg terbentu:Kandungan H seluruhnya di dlm bb = 0,045 kg H/kg bbKandungan oksigen di dlm bb = 0,122 kg oksigen/kg bbJumlah H yg terikat = (0,122:8) kg H terikat/kg bb = 0,01525 kg H terikat/kg bbJumlah H disponsible = (0,045-0,01525) kg H disponsible/kg bb = 0,02975 kg H disponsible/ kg bbJumlah kandungan air di dlm bb = 0,075 kg air/kg bbJumlah nitrogen = 0,01 kg nitrogen/kg bb

Shg gas asap yg terbentuk = udara yg diperlukan + (0,01525 x 11,2 nm3 + 0,02975 x 5,6 nm3 + 0,075 x 1,24 nm3 + 0,01 x 0,8 nm3)

atau scr keseluruhannya akan menambah gas asap sebanyak = 0,44 nm3 per kg bb

Dg demikian, volume gas asap yg terbentuk = 6,96 nm3 + 0,44 nm3 = 7,4 nm3/kg bb

Scr umum, jumlah volume gas asap teoritis yg terbentuk = Gov =

bbkg/nmN8,0W24,18OHx6,5UG

atau

N8,0W24,18Ox2,118

OH6,5UG

3ovov

ovov

Dari ke-2 rumus tsb, maka Gv = m.Uov + Gov – UovRumus Rosin:Utk bb padat, dg Qlow dlm KJ/kg:Uov = 241 x 10-6 x Qlow + 0,5 [nm3 udara/kg bb]Gov = 213 x 10-6 x Qlow + 1,65 [nm3 gas/kg bb]

Utk bb cair:Uov = 210 x 10-6 x Qlow + 1,65 [nm3 udara/kg bb]Gov = 265 x 10-6 x Qlow [nm3 gas/kg bb]

Utk bb gas dg Qlow sampai 16.748 KJ/nm3:Uov = 260 x 10-6 x Qlow - 0,25 [nm3 udara/kg bb]Gov = 272 x 10-6 x Qlow + 0,25 [nm3 gas/kg bb]

Utk bb gas dg Qlow sampai 4.187 KJ/nm3:Uov = 209 x 10-6 x Qlow [nm3 udara/kg bb]Gov = 173 x 10-6 x Qlow + 1 [nm3 gas/kg bb]

Maka,Uov = 241 x 10-6 x 26596 + 0,5 = 6,91 nm3 udara/kg bbGov = 213 x 10-6 x 26596 + 1,65 = 7,31 nm3 gas/kg bb

Jumlah volume gas asap yg terbentuk, dg m = 1,4 diperoleh:

Gv = m.Uov + Gov – Uov = 1,4 x 6,96 + 7,4 – 6,96 = 10,18 nm3 gas asap/kg bb

Dr rumus Rosin, didpt:Gv = 1,4 x 6,91 + 7,31 – 6,91 = 10,074 nm2 gas/kg bb

Pengukuran Volume Gas Asap

Untuk mengukur volume gas asap yg terbentuk, cukup dg menentukan jumlah kandungan CO2 & SO2 di dlm gas asap.

C + O2 = CO2

12 kg C + 1 kg molekul O2 = 1 kg molekul CO2

12 kg C + 22,4 nm3 O2 = 22,4 nm3 CO2

1 kg C + (22,4:12) nm3 O2 = (22,4:12) nm3 CO2

1 kg C + 1,867 nm3 O2 = 1,867 nm3 CO2

S + O2 = SO2

32 kg S + 1 kg molekul O2 = 1 kg molekul SO2

1 kg S + (22,4:32) nm3 O2 = (22,4:12) nm3 SO2

1 kg S + 0,7 nm3 O2 = 0,7 nm3 SO2

Contoh:Diket: Batubara dg kandungan: Air = 7,5%; Abu = 5,8%;

C = 68,6%; H = 4,5%; (O+N) = 13,2%; S = 0,4%; dg Qlow = 26.596 KJ/kg; Qhigh = 26596 + 2

Ditanya: Berapa nm3 gas asap yg terbentuk per kg bb, jika semua C & S terbakar?

Jawab:Karbon & belerang dlm bb menghasilkan sebanyak:= 1,867 x 0,686 + 0,7 x 0,004 nm3 (CO2 + SO2)= 1,28 nm3 (CO2 + SO2)Jika ini mrp 11% dr gas asap kering, mk volume gas

asap kering= 1,28 : 0,11 nm3 = 11,7 nm3 gas asap keringHidrogen 0,045 kg menghasilkan = 0,045 x 9 kg uap air

= 0,045 kg uap air.

Shg per kg bb akan menghasilkan uap air keseluruhannya sebanyak = 0,405 kg + 0,075 kg = 0,48 kg uap air/kg bb

Berat 1 nm3 uap air = 18 : 22,4 = 0,804 kg, shg volume uap air yg terbentuk per kg bb = 0,48 nm3 : 0,804 = 0,6 nm3 uap air per kg bb.

Dg demikian, volume gas asap yg terbentuk keseluruhannya = 11,7 nm3 + 0,6 nm3 = 12,3 nm3 per kg bb

Dari Gv = m.Uov + Gov – Uov & dr cth sebelumnya, mk:12,3 = m x 6,96 + 7,4 – 6,96 m = 1,71

Temperatur Pembakaran

Bila dimisalkan udara pembakaran dipanasi terlebih dahulu di dlm pemanas udara sampai 125oC atau 398 K, mk panas jenisnya berdasarkan grafik sebesar 1,319 KJ/nm3.K

Jumlah udara yg dibutuhkan = m x Uov = 1,71 x 6,96 nm3/kg = 11,9 nm3/kg bb

Shg jumlah panas yg terbawa oleh udara pembakar yg masuk ke dlm tungku = 1,319 KJ/nm3.K x 11,9 nm3/kg bb x (Tud.panas-To) = 1,319 x 11,9 x (398 – 298) KJ/kg bb = 1.570 KJ/kg bb

Kenaikan temperatur di dlm tungku mjd= (18.059 + 1.570) KJ/kg bb : 18,138 KJ/kg.K= 1082 K

Sehingga temperatur di dlm tungku mjd:= 1082 K + 298 K = 1380 K atau 1107oC

Bila misalnya panas yg terbentuk di dlm tungku diberikan seluruhnya kpd gas asap, mk kenaikan temperaturnya

= 26.596 KJ/kg bb : 18,138 KJ/kg bb.K= 1466,3 K

Kenaikan temperatur itu disbt kenaikan temperatur tungku adiabatis.

Prosentase CO2 Maksimum

N008,0S0335,08/OHx212,0C0895,0S7,0C87,1CO% max2

2

max2max22 CO%

COmataumCOCO%

oUU

dibutuhkanygteoritisudaradibutuhkansebenarnyaygudaram

m = angka kelebihan udara = excess air coefficient

Peralatan PembakarPeralatan Pembakar utk BB Padata. Tungku Depan

Dibuat dari batu tahan api, shg dpt diperoleh dg mudah temperatur pembakarannya. Dinding2 nya bertindak sbg penyimpan panas. Biasanya tungku ini cocok bagi bb yg nilai pembakarannya rendah.Kekurangannya:-membutuhkan banyak ruang-banyak kerugian yg dipancarkanContohnya untuk membakar batubara coklat

b. Tungku DalamTungku ini dikelilingi oleh bidang yd dipanaskan dr ketel uap, shg pemberian panas scr pancaran kpd bidang yg dipanaskan adalah sebesar 25% -50% dr seluruh jumlah panas yg terbentuk di dlm tungku.Tungku ini tdk cocok utk bb yg nilai pembakarannya rendah atau yg menghasilkan jelaga.Keuntungannya: kerugian yg keluar sedikit & tdk membutuhkan ruang yg banyak.

Kerugiannya: ukuran tungku mjd terbatas sesuai dg ukuran ketel uap.

Tungku Bawah

Banyak digunakan pd ketel2 pipa air, dimana dindingnya dikelilingi oleh pipa2 air, dibiarkan terbuka & dipanasi oleh api shg panasnya secara pancaran akan lgsg diterima oleh bidang yg dipanaskan.Pipa2 air tsb berfungsi sbg penguap pancaran (radiant evaporator)