Modul [PDF]

Citation preview

BAB 1 PENDAHULUAN Bagian ini memberikan gambaran 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. Ditinjau dari sudut teknis dan ekonomis, bahan bakar diartikan sebagai bahan yang apabila dibakar dapat meneruskan proses pembakaran tersebut dengan sendirinya, disertai dengan pengeluaran kalor. Bahan bakar dibakar dengan tujuan untuk memperoleh kalor tersebut,



untuk



digunakan



baik secara



langsung



maupun



tak langsung. Sebagai



contoh penggunan kalor dari proses pembakaran secara langsung adalah: 



Untuk memasak di dapur-dapur rumah tangga



1







Untuk instalasi pemanas Sedangkan contoh penggunaan kalor secara tidak langsung adalah: 



Kalor diubah menjadi energi mekanik, misalnya pada motor bakar







Kalor diubah menjadi energi listrik, misalnya pada pembangkit listrik tenaga diesel, tenaga gas dan tenaga uap



Beberapa macam bahan bakar yang dikenal adalah: 



Bahan bakar fosil, seperti: batubara, minyak bumi, dan gas bumi.







Bahan bakar nuklir, seperti: uranium dan plutonium. Pada bahan bakar nuklir, kalor diperoleh dari hasil reaksi rantai penguraian atom-atom melalui peristiwa radioaktif.







Bahan bakar lain, seperti: sisa tumbuh-tumbuhan, minyak nabati, minyak hewani.



Bahan bakar konvensional, ditinjau dari keadaannmya dan wujudnya dapat padat, cair atau gas, sedang ditinjau dari cara terjadinya dapat alamiah dan non -alamiah atau buatan atau “manuvactured”. Termasuk bahan bakar padat alamiah ialah: antrasit, batubara bitumen, lignit, kayu api, sisa tumbuhan. Termasuk bahan bakar padat non- alamiah antara lain: kokas, semi-kokas, arang, briket, bris, serta bahan bakar nuklir. Bahan bakar cair non-alamiah antara lain: bensin atau gasolin, kerosin atau minyak tanah, minyak solar, minyak residu, dan juga bahan bakar padat yang diproses menjadi bahan bakar cair seperti minyak resin dan bahan bakar sintetis. Bahan bakar gas alamiah misalnya: gas alam dan gas petroleum, sedang bahan bakar gas non -alamiah misalnya gas rengkah (atau cracking gas) dan “produce gas”. Bahan Bakar Fosil Bahan bakar fosil yang umum ada tiga jenis : yaitu batubara, minyak dan gas alam. Bahan bakar fosil dihasilkan dari pemfosilan senyawa karbohidrat. Senyawa karbohidrat dengan rumus kimia Cx(H2O)y, dihasilkan oleh tanaman-tanaman hidup melalui proses fotosintesis 2



ketika ia merubah secara langsung energi surya menjadi energi kimia. Setelah tanaman mati, karbohidrat dirubah menjadi senyawa hidrokarbon dengan rumus kimia CxHy oleh tekanan dan panas dan proses yang lama. Senyawa hidrokarbon terdiri dari karbon dan hidrogen. Atom hidrogen hanya mempunyai satu elektron sedangkan karbon mempunyai 4 elektron terluar sehingga 1 atom karbon bias mengikat 4 atom hidrogen. Ada 3 kelompok utama senyawa hidrokarbon yaitu: • hidrokarbon alifatik • hidrokarbon alisiklik dan • hidrokarbon aromatik. Hidrokarbon alifatik adalah senyawa rantai dan kebanyakan senyawa bahan bakar fosil termasuk kedalam kelompok ini. Dua kelompok yang lain adalah jenis hidrokarbon cincin. Hidrokarbon alifatik dibagi atas 3 sub kelompok yaitu: hidrokarbon alkana, alkena dan alkuna. Hidrokarbon alkana mempunyai rumus kimia umum CnH2n+2. Senyawa yang khas yang termasuk kelompok ini adalah : Metana, CH4 Pentana, C5H12 Nonana, C9H20 Etana, C2H6 Heksana, C6H14 Dekana, C10H22 Propana, C3H8 Heptana, C7H16 Butana, C4H10 Oktana, C8H18 Heksadekana, C16H34 Kebanyakan gas alam terdiri dari gabungan metana dan etana, propana dan butana membentuk gas minyak tanah yang dicairkan, dan oktana adalah senyawa umum gasoline. Bila awalan “n” yang berarti normal, terdapat didepan nama hidrokarbon, berarti bahwa semua atom karbon terhubung dalam sebuah rantai panjang. Awalan iso didepan nama hidrokarbon berarti bahwa nama hidrokarbon tersebut terdapat cabang-cabang atom karbon.



3



Kedua molekul diatas mempunyai rumus kimia dasar yang sama yaitu C8H18 , tetapi mempunyai sifat-sifat fisik dan kimia yang sangat berbeda. Sub kelompok alkena dan alkuna adalah senyawa hidrokarbon tak jenuh yaitu hidrokarbon yang mempunyai paling tidak dua atom karbon yang berbagi ikatan rangkap. Rumus umum alkena adalah CnH2n dan disebut rangkaian olefin. Hidrokarbon alkuna mempunyai rumus CnH2(n-1) yang juga disebut rangkaian asetilen.



Dua kelompok hidrokarbon lainnya yaitu senyawa alisiklik dan aromatik disebut hidrokarbon cincin karena molekulnya tersusun seperti cincin. Hidrokarbon alisiklik mempunyai rumus umum CnH2n dan namanya biasanya berawalan siklo seperti siklobutana.



Hidrokarbon aromatik mempunyai rumus umum CnH2n-12. Contoh senyawanya bisa dilihat pada gambar berikut.



4



5



BAB 2 JENIS-JENIS BAHAN BAKAR Bab ini menerangkan tentang jenis bahan bakar: padat, cair, dan gas.



2.1 Bahan Bakar Cair Minyak (petroleum) berasal dari kata-kata: Petro = rock (batu) dan leaum = oil (minyak) Minyak dan gas sebagian besar terdiri dari campuran molekul carbon dan hydrogen yang disebut dengan hydrocarbons. Minyak dan gas terbentuk dari siklus alami yang dimulai dari sedimentasi sisa-sisa tumbuhan dan binatang yang terperangkap selama jutaan tahun. Pada umumnya terjadi jauh dibawah dasar lautan. Material-material organik tersebut berubah menjadi minyak dan gas akibat efek combinasi temperatur dan tekanan di dalam kerak bumi. Kumpulan dari minyak dan gas tersebut membentuk resewrvoir-reservoir minyak dan gas. BBM terdiri dari berbagai jenis hydrocarbons yang berasal dari minyak bumi, dan sering pula terdiri dari campuran-campuran lain. Sifat mudah menguap di dalam mesin menentukan jenis hydrocarbons dan campuran yang digunakan pada BBM. Sifat mudah menguap tersebut disebut dengan volatility. Karena minyak bumi mentah mempunyai kadar volatility yang lebih rendah dan tinggi dari BBM, maka BBM harus dipisahkan dari minyak bumi mentah melalui proses destilasi, namun karena dengan proses tersebut jumlah BBM yang diperoleh sangat sedikit maka minyakk bumi mentah harus melalui proses penyulingan yang lebih komplek. Penyulingan minyak bumi mentah tersebut akan mengubah kadar volatility hydrocarbons yang lebih rendah atau lebih tinggi dari BBM menjadi sama dengan BBM.BBM yang dihasilkan merupakan campuran dari hydrocarbon-hydrocarbon dengan kadar volatility yg sama.



Komposisi dan sifat dari BBM ditentukan dari jenis dan kandungan minyak bumi mentah



6



asalnya, metode penyulingan yang digunakan dan tergantung dari sifat zat-zat campuran yang ditambahkan untuk meningkatkan mutu BBM. Minyak bumi terdiri dari bermacam-macam jenis



hidrokarbon,



namun



hanya



beberapa



jenis



yang



dominan



antara



lain:



a. Jenis Paraflin (CnH2n+2) mempunyai sifat sangat stabil, reaksi dengan gas chloor, banyak terdapat hampir pada semua jenis minyak bumi. Paraffin wax (lilin) adalah rangkaian yang lurus dan bercabang



b. Jenis Olefin atau jenis Ethylene (CnH2n) terdiri dari senyawa tidak jenuh, mudah bereaksi dengan gas chloor, asam chlorida dan asam sulfat. Olefin yang titik didihnya rendah tidak terdapat dalam minyak bumi tetapi biasanya terdapat pada minyak hasil perengkahan (cracking). c. Jenis Naphthene (CnH2n) meskipun mempunyai tipe sama dengan Olefin, namun memiliki sifat yang berbeda. Naphthene memiliki senyawa cincin (cyclic compounds) yang jenuh, sedangkan Olefin senyawa lurus yang antara karbonnya ada senyawa tak jenuh.



d. Jenis Aromatik (CnH2n-6) biasa disebut jenis benzene, jenis ini mudah bereaksi dengan senyawa organik lain. Minyak bumi jarang yang mengandung senyawa benzene atau toluene, tetapi minyak bumi dari Sumatra dan Kalimantan mengandung senyawa aromatik.



e. Jenis Diolefin (CnH2n-2) sifatnya hampir sama dengan olefin tetapi lebill aktif, bahkan dapat membentuk polimer dengan senyawa tidak jenuh lainnya menjadi molekul yang besar semacam karet (gum). Jenis diolefin tidak ada dalam minyak bumi, hanya ada pada hidrokarbon rengkahan.



7



Beberapa hasil pengolahan minyak bumi diantaranya adalah :



a. Elpiji (liquid pressure gas) adalah bahan bakar gas yang dipakai dirumah tangga, restoran dan kantor. Merupakan bahan bakar yang bersih dan praktis, sejenis bahan bakar gas yang juga digunakan untuk kendaraan disebut BBG dan ada juga yang digunakan sebagai bahan baku berbagai produk disebut LNG (liquid natural gas).



b. Gasoline adalah BBM yang banyak dibutuhkan, hampir 45% total produk minyak bumi diupayakan menjadi BBM ini. Produk ini kebanyakkan berasal dari proses sekunder karena disaratkan angka oktannya harus tinggi. BBM ini di Indonesia disebut Premium, Super dan atau benzole. Penggunaannya untuk kendaraan penumpang, motor dan pesawat terbang yang tidak bermesin jet.



Spesifikasi bahan bakar minyak ini antara lain :



1. Pertamak Plus



Adalah bahan bakar motor bensin tanpa timbal yang diproduksi dari High Octane Mogas Component (HOMC) yang berkualitas tinggi ditambah dengan bahan aditif generasi terbaru sesuai dengan kebutuhan yang direkomendasikan pabrikan kendaraan bermotor. Bahan bakar ini diformulasikan khusus untuk memenuhi tuntutan akan bahan bakar minyak yang dapat melayani mesin yang bekerja pada kompresi tinggi tetapi ramah lingkungan dan lebih aman terhadap kesehatan manusia.



8



Pertamak plus mempunyai angka oktan minimal 95 dimana angka oktan ini lebih tinggi dari premix dan premium. Pertamax plus dipasarkan tanpa diberi pewarna (bening) direkomendasikan untuk kendaraan keluaran tahun 1992 keatas atau kendaraan yang menggunakan katalistik converter.



2. Pertamax



Adalah bensin tanpa timbal dengan kandungan aditif generasi mutakhir yang dapat membersihkan Intake Valve Port Fuel Injektor dan ruang bakar dari carbon. Mempunyai angka oktan 92 dan dapat digunakan pada kendaraan dengan kompresi yang tinggi.



3. Premium Tanpa Timbal (Super TT)



Adalah bahan bakar motor bensin yang tidak mengandung timbale dan komponen HOMC. Bahan bakar ini dapat digunakan pada kendaraan yang menggunakan Catalitic Conventer.



4. Premium



Adalah bahan bakar jenis ditilat dengan warna kekuningan yang jernih dan mengandung timbale sebagai octane booster (TEL). Warna kuning pada premium ini diakibatkan oleh penambahan. Umumnya premium digunakan untuk bahan bakar motor bensin seperti mobil, sepeda motor dan motor temple. Bahan bakar ini sering juga disebut sebagai gasoline atau



9



petrol dan tidak boleh digunakan pada kendaraan yang dilengkapi catalytic conventer. Bila bahan bakar yang mengandung timbal digunakan pada kendaraan yang dilengkapi dengan catalytic conventer, akan menyebabkan pori-pori katalis tertutup oleh bahan timbal ini dan menyebabkan hilangnya kemampuan katalitic conventer sebagai katalis konversi emisi pencemaran menjadi emisi yang bersahabat dengan lingkungan.



c. Kerosene adalah fraksi lebih berat dari pada gasoline, dan mudah menguap. Kebutuhan BBM ini lebih rendah dari pada gasoline. Sebelumnya kerosene ini digunakan untuk lampu penerangan sehingga sering disebut minyak lampu. Saat ini digunakan untuk kebutuhan rumah tangga dan kegiatan pertanian. Pemakaian kerosene dinegara-negara berkembang sangat tinggi. Saat ini dugunakan juga untuk BBM pesawat terbang yang menggunakan mesin jet disebut DPK (double purpose kerosine).



d. Minyak diesel (Solar), pemakaian BBM ini terus-menerus meningkat, karena makin pesatnya laju ekonomi. Penggunaan BBM ini untuk transportasi darat, laut dan mesin- mesin pembangkit tenaga listrik. Kendaraan penumpang, saat ini juga banyak yang menggunakan solar, karena harga BBM ini relatif lebih murah. Solar atau minyak diesel adalah bahan bakar yang digunakan untuk motor diesel dimana proses pembakaran terjadi bukan oleh penyalaan busi tetapi terjadi karena tekanan kompresi yang tinggi di dalam silinder motor. Kwalitas solar dinyatakan dengan angka cetane ( Cetane Number). Cetane Number(CN) adalah persentase volume normal cetane dalam campurannya dengan methylnapthalen yang menghasilkan karakteristik pembakaran yang sama dengan solar yang bersangkutan.



10



Detonasi Diesel adalah ledakan diesel yang terjadi akibat kelambatan penyalaan dan jumlah bahan bakar yang disemprotkan terlalu banyak. Kelambatan penyalaan pada motor diesel juga tergantung dari jenis bahan bakarnya (CN) dan perbandingan kompresinya. Bahan bakar diesel pada umumnya dibedakan berdasarkan aplikasinya yaitu: 1. Bahan bakar diesel otomotif sering disebut juga HSD (high speed diesel) atau minyak solar yaitu bahan bakar motor untuk putaran cepat. 2. Bahan bakar industri dan kapal atau minyak diesel yaitu bahan bakar motor untuk putaran menengah atau disebut LDF (light diesel fuel ). 3. Bahan bakar diesel yang digunakan pada motor dengan putaran lambat atau disebut juga MDF (medium diesel fuel). Suatu hal yang perlu diperhatikan dalam pemilihan bahan bakar solar adalah kandungan prosentase sulfurnya harus rendah kurang dari 1 %, apabila lebih besar dari itu sulfur dapat cepat merusak bagian-bagian ruang bakar, kelep, kepala piston, ring, nozzle dan komponen lainnya. Solar yang ada dipasaran Indonesia kandungan sulfurnya cukup rendah berkisar 0,3 % dandiproduksi oleh Pertamina yang bahan minyak mentahnya dari pengeboran minyak dalam negeri.. Solar yang beredar dipasaran mempunyai nilai cetane berkisar antara 30 s/d 60, dan diklasifikasikan seperti dalam Tabel 1. Tabel `. Jenis solar dan rata-rata angka Cetane.



Sifat Bahan Bakar Solar



11



Beberapa sifat utama yang harus dipenuhi oleh minyak solar agar motor diesel dapat berfungsi dengan baik antara lain adalah : (1). Sifat pembakaran Sifat pembakaran bahan bakar diesel dinyatakan dengan angka cetana, yaitu menunjukkan kemampuan bahan bakar untuk menyala dengan sendirinya (auto ignition) dalam ruang bakar sebagai pengaruh tekanan dan suhu di ruang bakar.Sebagai alternatif lain untuk penentuan angka setane dipakai indeks setane atau indeks diesel yang didapat dengan cara perhitungan empiris. Indonesia menetapkan indeks cetane minimum 48 sebagai alternatif terhadap angka cetana 45 minimum. (2). Sifat viskositas (kekentalan) Sifat-sifat aliran dan viskositas bahan bakar berkaitan dengan mekanisme pemompaan dan atomisasi bahan bakar di dalam ruang bakar. Bahan bakar



harus mudah dipompakan



walaupun pada suhu udara dingin. Untuk itu dalam spesifikasi bahan bakar HSD di negara -negara ASEAN ditetapkan batasan minimum dan maksimum dari viskositas. Viscosity atau viskositas minyak adalah suatu ukuran dari tahanan didalam minyak itu sendiri untuk mengalir. Pada umumnya viskositas dinyatakan dengan satuan waktu (detik), yang diperlukan oleh sejumlah minyak untuk mengalir melalui lubang laluan tertentu dan pada suhu tertentu pula. Bila viskositas diukur dengan cara tertentu, mak alat pengukur viskositas (viskosimeter) yang dipakai harus disebutkan. Jenis viskosimeter yang banyak digunakan adalah Engler (Jerman), Redwood (Inggris), Saybolt universal (Amerika ) dan lain-lain. (3). Sifat volatilitas (penguapan) Volatility dari minyak diesel harus cukup selama dalam rentang suhu operasioanal untuk menghasilkan suatu campuran dan pembakaran yang baik, sehingga dapat mengurangi asap atau bau pada gas buang. Sifat penguapan bahan bakar merupakan sifat penting dalam



12



pembentukan campuran bahan bakar dan udara dalam ruang bakar. Proporsi bahan bakar dan udara harus berada dalam batas-batas yang dapat menimbulkan penyalaan dan suhunya harus berada diatas suhu penyalaan yang rendah. Bila bahan bakar terlalu mudah menguap maka campuran bahan bakar dan udara tidak sempurna, ruang bakar dipenuhi fasa uap sehingga cairan bahan bakar akan berkurang, selain itu suhu campuran udara bahan bakar akan rendah. Sebaliknya bila bahan bakar banyak mengandung bagian yang tidak menguap, karena campuran akan memerlukan waktu penyalaan yang terlalu



lama sehingga pembakaran



menjadi tidak sempurna menyebabkan timbulnya endapan kerak didinding ruang bakar dan di kepala silinder. Sifat penguapan berhubungan dengan keamanan dalam penyimpanan bahan bakar yaitu titik nyala (flash point), yang dalam spesifikasi Indonesia ditetapkan minimum 1500F(660C). (4). Sifat kebersihan dan korosifitas Sifat-sifat kebersihan bahan bakar berhubungan dengan residu karbon, kandungan air, sedimmen dan kandungan air yang dapat mengakibatkan pengotoran di ruang bakar. Sifat-sifat korosifitas disebabkan oleh adanya uapair yang akan membentuk sulfat atau asam sulfat. Kedua asam ini bersifat korosif terhadap bagian ruang bakar, kepala silinder, katupkatup dan saluran gas buang. Batasan kandungan belerang dalam bahan bakar solar di Indonesia adalah 0,3% (cukup aman). Sifat-sifat bahan bakar solar yang diproduksi harus sesuai dengan batas minimum dan maksimum dari spesifikasi yang telah ditentukan, karena sifat bahan bakar minyak solar sangat berpengaruh dalam penggunaannya pada



motor, antara lain dapat menyebabkan



kerusakan komponen mesin dan dapat menurunkan engine performance dan disamping itu dapat mempengaruhi pencemaran terhadap lingkungan.



13



Indonesia melalui Pertamina memproduksi tiga macam grade minyak diesel



yang



diperdagangkan berdasarkan untuk motor putaran tinggi (HSD), motor putaran menengah (LDF) dan motor putaran lambat (MDF). Masing-masing dari grade tersebut memiliki sifatsifat tertentu dan ditetapkan dalam spesifikasi bahan bakar minyak Indonesia seperti dalam Tabel 5. (5). Kadar belerang Bahan bakar solar yang mengandung belerang berlebihan tidak baik digunakan sebagai bahan bakar diesel karena dapat menambah keausan ring piston dan cylinder liner, selain itu jika bahan bakar yang mengandung belerang terbakar dalam ruang bakar mesin dapat membentuk asam korosi. Asam ini akan mengikis permukaan logam dan menambah kerusakan mesin serta terbentuknya kotoran yang menempel pada bagian dalam ruang bakar, kelep dan kepala silinder mesin. Tabel 2. Perbandingan bahan bakar LDF, MDF dan HDF



e. Industrial diesel oil (IDO), BBM ini khusus untuk keperluan industri lebih berat dari pada solar (ADO), namun di Indonesia tidak dibedakan. Disamping itu digunakan untuk mencairkan BBM yang lebih berat (Residual fuel oil).



f. Residual fuel oil fraksi ini lebih berat dari pada IDO, dalam perdagangan disebut minyak bakar atau residu, atau minyak bakar hitam. BBM jenis ini digunakan untuk ketel uap dan



14



dapur di pabrik dengan desain khusus untuk burnernya. Harganya lebih murah dari pada IDO. g. Minyak pelumas merupakan sebagian kecil dari produk minyak bumi. Namun merupakan produk yang paling penting karena diperlukan untuk melumasi permukaan bagian mesin yang saling, bergesekan dan bergerak untuk mencegah keausan. Misalnya silinder motor bakar, turbin, gear-box dan sebagainya.



h. Gemuk (greases) merupakan pelumas yang berbentuk padat, digunakan untuk bantalan (bearing) yang beroperasi pada suhu tinggi, dan untuk bearing yang tidak boleh bocor. i. Lilin (wax) merupakan hasil samping dari kilang minyak pelumas. Penggunaan lilin untuk packing agar menjadi "water proof" atau "vapor proof" untuk kontainer. Kotak roti dan atau makanan yang dibekukan, juga digunakan untuk membuat cetakan (mold) bagian mesin dan juga untuk upacara-upacara tradisional.



j. Aspal, dihasilkan dari residu minyak bumi jenis tertentu, digunakan untuk jalan dan untuk campuran industi atap bangunan.



k. Kokas (petroleum coke disebut juga green coke) hasil samping produk proses perengkahan residu, berbentuk padat. Kokas digunakan juga untuk bahan bakar, dan juga untuk melelehkan metal pada industri pengecoran logam. Beberapa pabrik menggunakan untuk membuat elektroda batang las dan blasting logam, kompound (ampelas) dan bahan yang tahan suhu tinggi.



l. Carbon black adalah hasil samping produksi proses perengkahan, penggunaannya untuk



15



pabrik ban kendaraan, industri karet, industri tinta cetak, pabrik cat, pabrik piring dan sebagainya.



m. Produk Petrokimia (petrochemical) ini merupakan nama umum dari produk minyak bumi seperti ethylene, propylene, butylene, isobutylene, cyclohexane, dan phenol yang merupakan senyawa organik, sedangkan yang anorganik seperti amonia dan hidrogen peroksida.



n. Produk Petrokimia lanjutan (Secondary petroleum product) merupakan produk yang setiap tahun selalu bertambah, karena penemuan baru. Misainya berjenis-jenis detergen untuk bahan pencuci, bermacam-macam karet sintetik, dan bermacam-macam fibre-glass. nylon, dacron, orion, dynel dan acrilan. Produk ini termasuk beberapa produk plastik polyethylene, line, cat dengan bahan dasar plastik, politur, dan coating lantai dan sebagainya.



Bahan bakar cair seperti minyak tungku/ furnace oil dan LSHS (low sulphur heavy stock) terutama digunakan dalam penggunaan industri. Berbagai sifat bahan bakar cair diberikan dibawah ini.



2.1.1 Densitas Densitas didefinisikan sebagai perbandingan massa bahan bakar terhadap volum bahan bakar pada suhu acuan 15°C. Densitas diukur dengan suatu alat yang disebut hydrometer. Pengetahuan mengenai densitas ini berguna untuk penghitungan kuantitatif dan pengkajian kualitas penyalaan. Satuan densitas adalah kg/m3.



2.1.2 Specific gravity



16



Didefinisikan sebagai perbandingan berat dari sejumlah volum minyak bakar terhadap berat air untuk volum yang sama pada suhu tertentu. Densitas bahan bakar, relatif terhadap air, disebut specific gravity. Specific gravity air ditentukan sama dengan 1. Karena specific gravity adalah perbandingan, maka tidak memiliki satuan. Pengukuran specific gravity biasanya dilakukan dengan hydrometer. Specific gravity digunakan dalam penghitungan yang melibatkan berat dan volum. Specific gravity untuk berbagai bahan bakar minyak diberikan dalam tabel dibawah: Tabel 3. Specific gravity berbagai bahan bakar minyak (diambil dari Thermax India Ltd.)



Viskositas suatu fluida merupakan ukuran resistansi bahan terhadap aliran. Viskositas tergantung pada suhu dan berkurang dengan naiknya suhu. Viskositas diukur dengan Stokes / Centistokes. Kadang-kadang viskositas juga diukur dalam Engler, Saybolt atau Redwood. Tiap jenis minyak bakar memiliki hubungan suhu – viskositas tersendiri. Pengukuran viskositas dilakukan dengan suatu alat yang disebut Viskometer. Viskositas merupakan sifat yang sangat penting dalam penyimpanan dan penggunaan bahan bakar minyak. Viskositas mempengaruhi derajat pemanasan awal yang diperlukan untuk handling, penyimpanan dan atomisasi yang memuaskan. Jika minyak terlalu kental,maka akan menyulitkan dalam pemompaan, sulit untuk menyalakan burner, dan sulit dialirkan. Atomisasi yang jelek akam mengakibatkan terjadinya pembentukan endapan karbon pada ujung burner atau pada dinding-dinding. Oleh karena itu pemanasan awal penting untuk atomisasi yang tepat. Berat jenis dinyatakan dalam gram per ml, dalam derajat API, dalam lb (baca: “pound”) per galon, atau lb per cuft, dan derajat Baume. Berat jenis disingkat sp. gr. atau sg. 17



Definisi: perbandingan berat bahan bakar terhadap berat air, diukur pada 600F, yang pada suhu tersebut berat air = 62.4 lb/cuft. Sg bahan bakar cair berubah oleh suhu, karena adanya ekspansi, terlebih-lebih sg bahan bakar gas. Ada beberapa satuan sg seperti antara lain: 1.



Sg 60/60 0F = 141.5 / 0API 131 .5, dimana 0API diukur pada 60 0F



2.



Sg 60/60 0F = 140 / 0Be 130, dimana 0Be diukur pada 60 0F



3.



Sg 60/60 0F = (lb/cu ft) /62.4, dimana lb/cu ft diukur pada 60 0F



4.



Sg 60/60 0F = (lb/gal) / 8.34, dimana lb/gal diukur pada 60 0F



Banyak hubungan antara Sg dengan sifat-sifat penting bahan bakar minyak, yaitu: 



Untuk pembakaran pada volume tetap: Nilai Kalor Atas, Btu/lb = 22 320 – [3 780 x (Sg)2]







Untuk pembakaran pada tekanan tetap: Nilai Kalor Bawah, Btu/lb = 19 960 – [3 780 x (Sg)2] + (1 362 x Sg)







Persen hidrogen, % = 26 – (15 x Sg)







Kalor spesifik, Btu/lb 0F = kal/gr 0F = [0.388 x 0.00045 x t (0F)] : (Sg)1/2







Kalor laten penguapan, Btu/lb = [110 .9 x 0.09 x t (0F)] : Sg



Rumus



pada



butir



4 dan 5 sebenarnya



hanya



berlaku



untuk



bahan



bakar



hidrokarbon murni tanpa adanya ikutan, namun karena biasanya bahan ikutan jumlahnya kecil sekali, maka kedua rumus tersebut masih aman untuk digunakan.



2.1.4 Titik Nyala Titik nyala suatu bahan bakar adalah suhu terendah dimana bahan bakar dapat dipanaskan sehingga uap mengeluarkan nyala sebentar bila dilewatkan suatu nyala api. Titik nyala untuk minyak tungku/ furnace oil adalah 66 0C.



18



2.1.5 Titik Tuang Titik tuang suatu bahan bakar adalah suhu terendah dimana bahan bakar akan tertuang atau mengalir bila didinginkan dibawah kondisi yang sudah ditentukan. Ini merupakan indikasi yang sangat kasar untuk suhu terendah dimana bahan bakar minyak siap untuk dipompakan.



2.1.6 Panas Jenis Panas jenis adalah jumlah kKal yang diperlukan untuk menaikan suhu 1 kg minyak sebesar 1 o C Satuan panas jenis adalah kkal/kgOC. Besarnya bervariasi mulai dari 0,22 hingga 0,28 tergantung pada specific gravity minyak. Panas jenis menentukan berapa banyak steam atau energi listrik yang digunakan untuk memanaskan minyak ke suhu yang dikehendaki. Minyak ringan memiliki panas jenis yang rendah, sedangkan minyak yang lebih berat memiliki panas jenis yang lebih tinggi.



2.1.7 Nilai Kalor Nilai kalor adalah kalor yang dihasilkan oleh pembakaran sempurna 1 kilogram atau satu satuan berat bahan bakar padat atau cair atau 1 meter kubik atu 1 satuan volume bahan bakar gas, pada keadaan baku. Nilai kalor merupakan ukuran panas atau energi yang dihasilkan., dan diukur sebagai nilai kalor kotor/ gross calorific value atau nilai kalor netto/ nett calorific value. Perbedaannya ditentukan oleh panas laten kondensasi dari uap air yang dihasilkan selama proses pembakaran. Nilai kalor kotor/. gross calorific value (GCV) mengasumsikan seluruh uap yang dihasilkan selama proses pembakaran sepenuhnya terembunkan/terkondensasikan. Nilai



19



kalor netto (NCV) mengasumsikan air yang keluar dengan produk pengembunan tidak seluruhnya terembunkan. Bahan bakar harus dibandingkan berdasarkan nilai kalor netto. Nilai kalor batubara bervariasi tergantung pada kadar abu, kadar air dan jenis batu baranya sementara nilai kalor bahan bakar minyak lebih konsisten. GCV untuk beberapa jenis bahan bakar cair yang umum digunakan terlihat dibawah ini: Tabel 4. Nilai kalor kotor (GCV) untuk beberapa bahan bakar minyak (diambil dari Thermax India Ltd.)



2.1.8 Sulfur Jumlah sulfur dalam bahan bakar minyak sangat tergantung pada sumber minyak mentah dan pada proses penyulingannya. Kandungan normal sulfur untuk residu bahan bakar minyak (minyak furnace) berada pada 2 - 4 %. Kandungan sulfur untuk berbagai bahan bakar minyak ditunjukkan pada Tabel 5. Tabel 5. Persentase sulfur untuk berbagai bahan bakar minyak (diambil dari Thermax India Ltd.)



Kerugian utama dari adanya sulfur adalah resiko korosi oleh asam sulfat yang terbentuk selama dan sesudah pembakaran, dan pengembunan di cerobong asap, pemanas awal udara dan economizer.



20



2.1.9 Kadar Abu Kadar abu erat kaitannya dengan bahan inorganik atau garam dalam bahan bakar minyak. Kadar abu pada distilat bahan bakar diabaikan. Residu bahan bakar memiliki kadar abu yang tinggi. Garam-garam tersebut mungkin dalam bentuk senyawa sodium, vanadium, kalsium, magnesium, silikon, besi, alumunium, nikel, dll. Umumnya, kadar abu berada pada kisaran 0,03 – 0,07 %. Abu yang berlebihan dalam bahan bakar cair dapat menyebabkan pengendapan kotoran pada peralatan pembakaran. Abu memiliki pengaruh erosi pada ujung burner, menyebabkan kerusakan pada refraktori pada suhu tinggi dapat meningkatkan korosi suhu tinggi dan penyumbatan peralatan.



2.1.10 Residu Karbon Residu karbon memberikan kecenderungan pengendapan residu padat karbon pada permukaan panas, seperti burner atau injeksi nosel, bila kandungan yang mudah menguapnya menguap. Residu minyak mengandung residu karbon 1 persen atau lebih.



2.1.11 Kadar Air Air yang terkandung dalam bahan bakar padat terdiri dari: 



Kandungan air internal atau air kristal, yaitu air yang terikat secara kimiawi.







Kandungan air eksternal atau air mekanikal, yaitu air yang menempel pada permukaan bahan dan terikat secara fisis atau mekanis.



Air



dalam



bahan



bakar



cair



merupakan



air



eksternal,



berperan



sebagai



pengganggu. Air dalam bahan bakar gas merupakan uap air yang bercampur dengan



21



bahan bakar tersebut. Air yang terkandung dalam bahan bakar menyebabkan penurunan mutu bahan bakar karena: 



Menurunkan nilai kalor dan memerlukan sejumlah kalor untuk penguapan







Menurunkan titik nyala







Memperlambat proses pembakaran, dan menambah volume gas buang.



Keadaan tersebut mengakibatkan: 



Pengurangan efisiensi ketel uap ataupun efisiensi motor bakar.







Penambahan biaya perawatan ketel.







Menambah biaya transportasi, merusak saluran bahan bakar cair (“fuel line”) dan ruang bakar.



Kadar air minyak tungku/furnace pada saat pemasokan umumnya sangat rendah sebab produk disuling dalam kondisi panas. Batas maksimum 1% ditentukan sebagai standar. Air dapat berada dalam bentuk bebas atau emulsi dan dapat menyebabkan kerusakan dibagian dalam permukaan tungku selama pembakaran terutama jika mengandung garam terlarut. Air juga dapat menyebabkan percikan nyala api di ujung burner, yang dapat mematikan nyala api, menurunkan suhu nyala api atau memperlama penyalaan. Spesifikasi khusus bahan bakar minyak terlihat pada tabel dibawah. Tabel 6. Spesifikasi khusus bahan bakar minyak



22



Akan sangat berbahaya bila menyimpan minyak bakar dalam tong. Cara yang lebih baik adalah menyimpannya dalam tangki silinder, diatas maupun dibawah tanah. Minyak bakar yang dikirim umumnya masih mengandung debu, air dan bahan pencemar lainnya. Ukuran tangki penyimpan minyak bakar sangatlah penting. Perkiraan ukuran penyimpan yang direkomendasikan sedikitnya untuk 10 hari konsumsi normal. Tangki penyimpan bahan bakar untuk industri pada umumnya digunakan tangki mild steel tegak yang diletakkan diatas tanah. Untuk alasan keamanan dan lingkungan, perlu dibuat dinding disekitar tangki penyimpan untuk menahan aliran bahan bakar jika terjadi kebocoran. Pengendapan sejumlah padatan dan lumpur akan terjadi pada tangki dari waktu ke waktu, tangki harus dibersihkan secara berkala: setiap tahun untuk bahan bakar berat dan setiap dua tahun untuk bahan bakar ringan. Pada saat bahan bakar dialirkan dari kapal tanker ke tangki penyimpan, harus dijaga dari terjadinya kebocoran-kebocoran pada sambungan, flens dan pipa-pipa. Bahan bakar minyak harus bebas dari pencemar seperti debu, lumpur dan air sebelum diumpankan ke sistim pembakaran.



23



2.2 Bahan Bakar Padat (Batubara) 2.2.1 Klasifikasi Batubara Batubara diklasifikasikan menjadi tiga jenis utama yakni antracit, bituminous, dan lignit, meskipun tidak jelas pembatasan diantaranya. Pengelompokannya lebih lanjut adalah semiantracit, semi-bituminous, dan sub-bituminous. Antracit merupakan batubara tertua jika dilihat dari sudut pandang geologi, yang merupakan batubara keras, tersusun dari komponen utama karbon dengan sedikit kandungan bahan yang mudah menguap dan hampir tidak berkadar air. Lignit merupakan batubara termuda dilihat dari pandangan geologi. Batubara ini merupakan batubara lunak yang tersusun terutama dari bahan yang mudah menguap dan kandungan air dengan kadar fixed carbon yang rendah. Fixed carbon merupakan karbon dalam keadaan bebas, tidak bergabung dengan elemen lain. Bahan yang mudah menguap merupakan bahan batubara yang mudah terbakar yang menguap apabila batubara dipanaskan. Batubara yang umum digunakan, contohnya pada industri di India adalah batubara bituminous dan sub-bituminous. Pengelompokan batubara India berdasarkan nilai kalornya adalah sebagai berikut:



Batubara kelas D, E dan F biasanya tersedia bagi industri India. Komposisi kimiawi batubara berpengaruh kuat pada daya pembakarannya. Sifat-sifat batubara secara luas diklasifikasikan kedalam sifat fisik dan sifat kimia.



2.2.2 Sifat fisik dan kimia batubara



24



Sifat fisik batubara termasuk nilai panas, kadar air, bahan mudah menguap dan abu. Sifat kimia batubara tergantung dari kandungan berbagai bahan kimia seperti karbon, hidrogen, oksigen, dan sulfur. Nilai kalor batubara beraneka ragam dari tambang batubara yang satu ke yang lainnya. Nilai untuk berbagai macam batubara diberikan dalam Tabel dibawah.



Tabel 7. GCV untuk berbagai jenis batubara



*GCV lignit pada ‘as received basis’ adalah 2500 –3000



2.2.3 Analisis batubara Terdapat dua metode untuk menganalisis batubara: analisis ultimate dan analisis proximate. Analisis ultimate menganalisis seluruh elemen komponen batubara, padat atau gas dan analisis proximate meganalisis hanya fixed carbon, bahan yang mudah menguap, kadar air dan persen abu. Analisis ultimate harus dilakukan oleh laboratorium dengan peralatan yang lengkap oleh ahli kimia yang trampil, sedangkan analisis proximate dapat dilakukan dengan peralatan yang sederhana. (Catatan: proximate tidak ada hubungannya dengan kata “approximate”). Penentuan kadar air Penentuan kadar air dilakukan dengan menempatkan sampel bahan baku batubara yang dihaluskan sampai ukuran 200-mikron dalam krus terbuka, kemudian dipanaskan dalam oven pada suhu 108 +2 oC dan diberi penutup. Sampel kemudian didinginkan hingga suhu kamar dan ditimbang lagi. Kehilangan berat merupakan kadar airnya.



25



Pengukuran bahan yang mudah menguap (volatile matter) Sampel batubara halus yang masih baru ditimbang, ditempatkan pada krus tertutup, kemudian dipanaskan dalam tungku pada suhu 900 + 15 oC. Sampel kemudian didinginkan dan ditimbang. Sisanya berupa kokas (fixed carbon dan abu). Metodologi rinci untuk penentuan kadar karbon dan abu, merujuk pada IS 1350 bagian I: 1984, bagian III, IV. Pengukuran karbon dan abu Tutup krus dari dari uji bahan mudah menguap dibuka, kemudian krus dipanaskan dengan pembakar Bunsen hingga seluruh karbon terbakar. Abunya ditimbang, yang merupakan abu yang tidak mudah terbakar. Perbedaan berat dari penimbangan sebelumnya merupakan fixed carbon. Dalam praktek, Fixed Carbon atau FC dihitung dari pengurangan nilai 100 dengan kadar air, bahan mudah menguap dan abu. Analisis proximate Analisis 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 8. Tabel 8. Analisis proximate untuk berbagai batubara (persen)



26



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 abu Abu merupakan kotoran yang tidak akan terbakar. Kandungannya berkisar antara 5% hingga 40%. Abu:   



Mengurangi kapasitas handling dan pembakaran Meningkatkan biaya handling Mempengaruhi efisiensi pembakaran dan efisiensi boiler



27







Menyebabkan penggumpalan dan penyumbatan



Kadar Air: Kandungan air dalam batubara harus diangkut, di-handling dan disimpan bersama-sama batubara. Kadar air akan menurunkan kandungan panas per kg batubara, dan kandungannya berkisar 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 Sulfur Pada 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 dan economizers Membatasi suhu gas buang yang keluar



Analisis Ultimate Analsis ultimate menentukan berbagai macam kandungan kimia unsur- unsur seperti karbon, hidrogen, oksigen, sulfur, dll. Analisis ini berguna dalam penentuan jumlah udara yang diperlukan untuk pembakaran dan volume 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 9. Analisis ultimate batubara



28



Tabel 10. Hubungan antara analisis ultimate dengan analisis proximate



Catatan: persamaan diatas berlaku untuk batubara dengan kadar air lebih besar dari 15% 2.2.4 Penyimpanan, handling dan persiapan batubara Ketidaktentuan dalam ketersediaan dan pengangkutan bahan bakar mengharuskan dilakukannya penyimpanan dan penanganan untuk kebutuhan berikutnya. Kesulitan yang ada pada penyimpanan batubara adalah diperlukannya bangunan gudang penyimpanan, adanya hambatan masalah tempat, penuruan kualitas dan potensi terjadinya kebakaran. Kerugian kerugian kecil lainnya adalah oksidasi, angin dan kehilangan karpet. Oksidasi 1% batubara memiliki efek yang sama dengan kandunagan abu 1% dalam batubara. Kehilangan karena angin mencapai 0,5 – 1,0 % dari kerugian total. Penyimpanan batubara yang baik akan meminimalkan kehilangan karpet dan kerugian terjadinya pembakaran mendadak. Pembentukan “karpet lunak”, dari batubara halus dan tanah, menyebabkan kehilangan karpet. Jika suhu naik secara perlahan dalam tumpukan batubara, maka dapat terjadi oksidasi yang akan menyebabkan pembakaran yang mendadak dari batubara yang disimpan. Kehilangan karpet dapat dikurangi dengan cara: 1. Mengeraskan permukaan tanah untuk penyimpanan batubara 2. Membuat tempat penyimpanan standar yang terbuat dari beton dan bata



29



Di Industri, batubara di-handling secara manual maupun dengan conveyor. Pada saat handling batubara harus diusahakan supaya sesedikit mungkin batubara yang hancur membentuk partikel kecil dan sesedikit mungkin partikel kecil yang tercecer. Persiapan batubara sebelum pengumpanan ke boiler merupakan tahap penting untuk mendapatkan pembakaran yang baik. Bongkahan batubara yang besar dan tidak beraturan dapat menyebabkan permasalahan sebagai berikut:    



Kondisi pembakaran yang buruk dan suhu tungku yang tidak mencukupi Udara berlebih yang terlalu banyak mengakibatkan kerugian cerobong yang tinggi Meningkatnya bahan yang tidak terbakar dalam abu Rendahnya efisiensi termal



Catatan: Gambaran rinci untuk persiapan batubara diberikan pada bagian “Peluang Efisiensi Energi”.



2.3 Bahan Bakar Gas Bahan bakar gas merupakan bahan bakar yang sangat memuaskan sebab hanya memerlukan sedikit handling dan sistim burner nya sangat sederhana dan hampir bebas perawatan. Gas dikirimkan melalui jaringan pipa distribusi sehingga cocok untuk wilayah yang berpopulasi tinggi atau padat industri. Walau begitu, banyak pemakai perorangan yang besar memiliki penyimpan gas, bahkan beberapa diantara mereka memproduksi gasnya sendiri.



2.3.1 Jenis-jenis bahan bakar gas Berikut adalah daftar jenis-jenis bahan bakar gas: Bahan bakar yang secara alami didapatkan dari alam: Gas alam Metan dari penambangan batubara



30



Bahan bakar gas yang terbuat dari bahan bakar padat Gas yang terbentuk dari batubara Gas yang terbentuk dari limbah dan biomasa Dari proses industri lainnya (gas blast furnace) Gas yang terbuat dari minyak bumi Gas Petroleum cair (LPG) Gas hasil penyulingan Gas dari gasifikasi minyak Gas-gas dari proses fermentasi Bahan bakar bentuk gas yang biasa digunakan adalah gas petroleum cair (LPG), gas alam, gas hasil produksi, gas blast furnace, gas dari pembuatan kokas, dll. Nilai panas bahan bakar gas dinyatakan dalam Kilokalori per normal meter kubik (kKal/Nm3) ditentukan pada suhu normal (20 0C) dan tekanan normal (760 mm Hg).



2.3.2 Sifat-sifat bahan bakar gas Karena hampir semua peralatan pembakaran gas tidak dapat menggunakan kadungan panas dari uap air, maka perhatian terhadap nilai kalor kotor (GCV) menjadi kurang. Bahan bakar harus dibandingkan berdasarkan nilai kalor netto (NCV). Hal ini benar terutama untuk gas alam, dimana kadungan hidrogen akan meningkat tinggi karena adanya reaksi pembentukan air selama pembakaran. Sifat-sifat fisik dan kimia berbagai bahan bakar gas diberikan dalam Tabel 9. Tabel 11. Sifat-sifat fisik dan kimia berbagai bahan bakar gas



31



2.3.3 LPG LPG terdiri dari campuran utama propan dan Butan dengan sedikit persentase hidrokarbon tidak jenuh (propilen dan butilene) dan beberapa fraksi C 2 yang lebih ringan dan C5 yang lebih berat. Senyawa yang terdapat dalam LPG adalah propan (C 3H8), Propilen (C3H6),normal dan iso-butan (C4H10) dan Butilen (C4H8). LPG merupakan campuran dari hidrokarbon tersebut yang berbentuk gas pada tekanan atmosfir, namun dapat diembunkan menjadi bentuk cair pada suhu normal, dengan tekanan yang cukup besar. Walaupun digunakan sebagai gas, namun untuk kenyamanan dan kemudahannya, disimpan dan ditransport dalam bentuk cair dengan tekanan tertentu. LPG cair, jika menguap membentuk gas dengan volum sekitar 250 kali. Uap LPG lebih berat dari udara: butan beratnya sekitar dua kali berat udara dan propan sekitar satu setengah kali berat udara. Sehingga, uap dapat mengalir didekat permukaan tanah dan turun hingga ke tingkat yang paling rendah dari lingkungan dan dapat terbakar pada jarak tertentu dari sumber kebocoran. Pada udara yang tenang, uap akan tersebar secara perlahan. Lolosnya gas cair walaupun dalam jumlah sedikit, dapat meningkatkan campuran perbandingan volum uap/udara sehingga dapat menyebabkan bahaya. Untuk membantu pendeteksian kebocoran ke atmosfir, LPG biasanya ditambah bahan yang berbau. Harus tersedia ventilasi yang memadai didekat permukaan tanah pada tempat penyimpanan LPG. Karena alasan diatas, sebaiknya tidak menyimpan silinder LPG di gudang bawah tanah atau lantai bawah tanah yang tidak memiliki ventilasi udara.



32



2.3.4 Gas alam Metan merupakan kandungan utama gas alam yang mencapai jumlah sekitar 95% dari volum total. Komponen lainnya adalah: Etan, Propan, Pentan, Nitrogen, Karbon Dioksida, dan gasgas lainnya dalam jumlah kecil. Sulfur dalam jumlah yang sangat sedikit juga ada. Karena metan merupakan komponen terbesar dari gas alam, biasanya sifat metan digunakan untuk membandingkan sifat-sifat gas alam terhadap bahan bakar lainnya. Gas alam merupakan bahan bakar dengan nilai kalor tinggi yang tidak memerlukan fasilitas penyimpanan. Gas ini bercampur dengan udara dan tidak menghasilkan asap atau jelaga. Gas ini tidak juga mengandung sulfur, lebih ringan dari udara dan menyebar ke udara dengan mudahnya jika terjadi kebocoran. Perbandingan kadar karbon dalam minyak bakar, batubara dan gas diberikan dalam tabel dibawah. Tabel 12. Perbandingan komposisi kimia berbagai bahan bakar



2.4. Contoh Soal 1. Hitunglah analisis ultimasi dan proksimasi dengan basis begitu diterima, taksiran nilai pembakaran rendah dari nilai pembakaran tinggi yang tercantum didaftar, nilai pembakaran tinggi yang dihitung dengan rumus Dulong, dan tentukan klasifikasi



33



ASTM (kelas dan kelompok) dari batubara Stark County, North Dakota, dengan A = 9 dan M = 39. Data-data Analisis batubara proksimasi bebas abu, kering : VM = 54,0 % FC = 46,0 % HHV = 28.922 kJ/kg = 12.435 Btu/lbm C = 72,4 % ; H2= 4,7 % ; O2= 18,6 % ; N2= 1,5 % ; S = 2,8 % Jawab: Ditentukan : batubara Stark County dengan M = 39 persen dan A = 8 persen.Untuk mengkonversi ke suatu basis batubara begitu diterima, faktor koreksi atau pelipatan (1 M - A) = (1,00 - 0,39 - 0,08) = 0,53. Analisis proksimasi begitu diterima menjadi : VM = 0,53 x 54,0 =



28,62%



FC = 0,53 x 46,0 =



24,38%



M =



39,00%



A =



8,00%



S = 0,53 x 2,8 = 1,48%



HHV = 0,53 x 28.922 = 15.329 kJ/kg = 0,53 x 12.435 = 6.591 Btu/lbm



100,00% Analisis begitu diterima menjadi C = 0,53 x 72,4



= 38,37%



H2= 0,53 x 4,7



= 2,49%



HHV = 15.329 kJ/kg



O2= 0,53 x 18,6 = 9,86% N2= 0,53 x 1,5



= 0,80%



S = 0,53 x 2,8



= 1,48%



M



= 39,00%



A



= 8,00%



= 6.591 Btu/lbm



100.00%



34



Nilai pembakaran rendah : LHV = HHV - 2400(M + 9H2) = 15.329 - 2400 (0,39 + 9 x 0,0249) = 13.855 kJ/kg = 5957 Btu/lbm Harga taksiran dari nilai pembakaran tinggi yang dicari berdasarkan rumus Dulong : HHV = 33.950C + 144.200 (H2- O2/8) + 9400S = 33.950 (0,3837) + 144.200 (0,0249 - 0,0986/8) + 9400 (0,0148) = 14.979 kJ/kg = 6440 Btu/lbm Klasifikasi batubara berdasarkan metode ASTM: FC, bebas-Mm, kering = 100 ( FC - 0,15S ) . 100 - M- 1,08A - 0,55S = 100 ( 24,38 - 0,15 x 1,48 ) . 100 - 39,0 - 1,08 x 8,0- 0,55 x 1,48 = 46,87% Oleh karena harga ini lebih kecil dari 69 persen, batubara tidak dapat dimasukkan ke dalam kelas karbon tetap yang bebas bahan mineral, kering. Btu, bebas-Mm, basah = 100 ( Btu - 50S ) . 100 - 1,08A - 0,55S = 100 ( 6591 - 50 x 1,48 ) . 100 - 1,08 x 8,0- 0,55 x 1,48 = 7197 Btu/lbm Oleh karena harga nilai pembakaran tinggi bebas bahan mineral adalah antara 6300 dan 8300 Btu/lbm, maka batubara ini digolongkan ke dalam kelas IV, kelompok 1 batubaralignite A.



35



2.



Hitunglah nilai pembakaran tinggi (kilojoule per meter kubik dan kilojoule per kilogram) pada 10o C dan 3 atm untuk suatu campuran gas dengan komposisi sebagai berikut : 94,3% CH4, 4,2% C2H6dan 1,5% CO2. Diketahui fraksi mol dari komponen gas pada 20 oC dan 1 atm :



Jawab:



2.5 Soal latihan 1. Sebuah pembangkit daya berkapasitas 2400 MWemempunyai kebutuhan daya untuk suatu hari tertentu sebagai berikut: 00.00 - 05.00 : 850 MWe



09.00 - 12.00 : 2150 MWe



05.00 - 07.00 : 1250 MWe



12.00 - 13.00 : 2040 MWe



07.00 - 08.00 : 1840 MWe



13.00 - 16.00 : 2350 MWe



08.00 - 09.00 : 1960 MWe



16.00 - 17.00 : 2400 MWe



36



17.00 - 18.00 : 2250 MWe 18.00 - 20.00 : 1850 MWe 20.00 - 22.00 : 1500 MWe 22.00 - 24.00 : 1150 MWe Hitunglah keluaran energi total, dalam MWe*hari, kWe*jam, MeV, J dan Btue. Anggaplah (kandungan



pembangkit energi)



tersebut



29.310



membakar



kJ/kg



(12.600



batubara Btu/lbm)



dengan dengan



nilai



pembakaran



efisiensi



termis



keseluruhan adalah 37 persen, dan hitunglah massa total batubara, dalam ton, yang dikonsumsi selama hari operasi tersebut dan laju pemakaian batubara maksimum, dalam ton per jam,yang diperlukan agar pembangkit beroperasi secara sempurna. Hitung laju panas unit tersebut, dalam Btu per kilowatt jam (Btuth/kWe*jam), dan carilah faktor beban sistem selama massa operasi tersebut. Faktor beban didefinisikan sebagai perbandingan antara keluaran energi rata-rata dan maksimum. 2. Suatu sampel batubara 14 kg, begitu diterima, beratnya 13,4 kg setelah pengeringan udara. Ketika pengeringan dengan oven, sebuah sampel 24 g batubara dengan pengeringan udara itu menyusut beratnya menjadi 2,34 g. Hitunglah persentase kebasahan total dalam batubara pada saat begitu diterima. 3. Sebuah sampel 1,2 g batubara pengeringan udara dari soal 2 dibakar dalam sebuah bom kalorimeter oksigen. Kenaikan temperatur dari 2000 g air serta logam kalorimeter adalah 3,62 oC, diantaranya 0,20 oC adalah akibat kawat sekering (fuse wire)



dan



pembentukan asam. Setara air dari bagian logam kalorimeter tersebut adalah 450 g. Tentukanlah nilai pembakaran tinggi batubara begitu diterima, dalam kJ/kg dan dalam Btu/lbm.



37



4. Suatu bahan bakar minyak mempunyai gravitasi jenis API sebesar 32 derjat pada 20 o C. Hitunglah energi minyak tersebut dalam British thermal unit per gallon, serta nilai pembakaran tingginya dalam kilojoule per kilogram. Hitunglah besaran-besaran yang sama pada 60 0 C, jika ρT= ρ20[1 - 0,000733(T - 20)], dimana T dalam derajat Celsius. 5. Suatu tangki penyimpanan gas yang mempunyai volume 25.000 ft



3



berisi gas



dengantekanan 2 bar dan temperatur 10 0 C. Nilai pembakaran tinggi gas itu adalah 22.100 kJ/m3 pada 200 C dan 1 bar. Hitunglah jumlah “therms” dalam tangki penyimpanan gas tersebut. 6. Hitunglah nilai pembakaran tinggi gas alam Missouri dalam satuan kilojoule per kilogram dan dalam British thermal unit per kaki kubik, jika gas tersebut disuplai dengan tekanan 2,5 bar dan temperatur 15



0C



. Hitunglah volume gas dalam kaki kubik yang dibutuhkan



untuk menghasilkan 1.000 therm energi. Juga hitunglah fraksi massa dari setiap elemen dalam gas itu. Data-data gas Missouri : · Nilai pembakaran : 35,31 kJ/l · CH4: 84,1 % vol. · C2H6: 6,7 % vol. · N2: 8,4 % vol. · CO2: 0,8 % vol.



BAB 3 EVALUASI KINERJA BAHAN BAKAR



38



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.



3.1 Prinsip-prinsip Pembakaran 3.1.1 Proses pembakaran Pembakaran 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



39



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.



Setiap kilogram CO yang terbentuk berarti kehilangan panas 5654 kKal (8084 – 2430).



Terdapat bermacam-macam jenis pembakaran yang dapat dijelaskan pada poin-poin berikut ini : 1. Complete combustion Pada pembakaran sempurna, reaktan akanterbakar dengan oksigen, menghasilkan sejumlah produk yang terbatas. Ketika hidrokarbon yang terbakar dengan oksigen, maka hanya akan dihasilkan gas karbon dioksida dan uap air. Namun kadang kala akan dihasilkan senyawa nitrogen dioksida yang merupakan hasil teroksidasinya senyawa nitrogen di dalam udara. Pembakaran sempurna hampir tidak mungkin tercapai pada kehidupan nyata. 2. Incomplete combustion Pembakaran tidak sempurna umumnya terjadi ketika tidak tersedianya oksigen dalam jumlah yang cukup untuk membakar bahan bakar sehingga dihasilkannya karbon dioksida dan air. Pembakaran yang tidak sempurna menghasilkan zat-zat seperti karbon dioksida, karbon monoksida, uap air dan karbon. Pembakaran yang tidak sempurna sangat sering terjadi, walaupun tidak diinginkan, karena karbon monoksida merupakan zat yang sangat berbahaya bagi manusia. Kualitas pembakaran dapat ditingkatkan pembakaran yang lebih baik dan optimisasi proses.



40



dengan perancangan media



3. Smouldering combustion Smouldering merupakan bentuk pembakaran yang lambat, bertemperatur rendah, dan tidak berapi, yang dipertahankan oleh panas ketika oksigen menyerang permukaan dari bahan bakar pada fasa yang terkondensasi. Pembakaran ini dapat dikategorikan sebagai pembakaran yang tidak sempurna. Contoh pembakaran ini adalah inisiasi kebakaran yang dikarenakan rokok, dan sisa kebakaran hutan yang masih menghasilkan hawa panas. 4. Rapid combustion Rapid combustion merupakan pembakaran yang melibatkan energi dalam jumlah yang banyak dan menghasilkan pula energi cahaya dalam jumlah yang besar. Jika dihasilkan volume gas yang besar dalam pembakaranini dapat mengakibatkan peningkatan tekanan yang signifikan, sehingga terjadi ledakan. 5. Turbulent combustion Pembakaran yang menghasilkan api yang turbulen sangat banyak digunakan untuk aplikasi industri, misalnya mesin berbahan bakar bensin, turbin gas, dll, karena turbulensi membantu proses pencampuran antara bahan bakar dan pengoksida. 6. Slow combustion Pembakaran yang terjadi pada temperatur yang rendah. Contoh pembakaran ini adalah respirasi seluler. Pembakaran dapat terjadi dengan kecepatan yang sangat tinggi, seperti dalam mesin motor roket. Turbin gas, dan mesin pembakaran internal. Pembakaran juga dapat terjadi dengan kecepatan yang sangat rendah (seperti api pada lilin). Pada pembakaran dengan kecepatan rendah, terjadi siklus umpan balik terjadi di antara fasa gas bahan bakar dan bahan bakar. Pada fasa gas. Oksigen di dalam udara mendorong pembakaran bahan bakar fasa gas dan panas akan dilepaskan secara eksoterm. Sebagian dari panas



41



akan digunakan untuk



mempertahankan kelangsungan reaksi pembakaran, sedangkan sebagian lainnya dipindahkan kembali kepada fasa terkondensasi Pada reaksi pembakaran, selalu terjadi serangkaian proses yang berurutan, dimulai dari proses berlangsungnya pembakaran hingga proses reaksi pembakaran berakhir. Proses-proses tersebut selalu sama untuk pembakaran semua jenis bahan bakar. Rangkaian proses tersebut dapat dikategorikan menjadi lima buah proses yang berbeda-beda, yaitu pre-ignition, flaming combustion, smoldering combustion, glowing combustion, dan extinction. Pre-ignition(pra penyalaan) adalah fasa penyerapan panas dalam pembakaran, yang mana panas diberikan kepada bahan bakar yang menyebabkan proses penguapan air dan zat-zat lain, sehingga menghasilkangas-gas yang dapat mempertahankan keadaan api. Selama fasa pra-penyalaan, temperatur dari sistem bahan bakar dinaikkan dengan metode perpindahan panas secara konduksi, konveksi, radiasi. Panas untuk prapenyalaan (pre-ignition) adalah jumlahpanas yang diperlukan untuk menaikkan temperatur bahan bakar menjadi temperatur penyalaan (ignition temperature). Pada fasa ini, akan dihasilkan produk mayoritas berupa uap air yang dihasilkan dari kadar air yang tercampur secara molekuler dengan bahan bakar. Temperatur bahan bakar akan sulit meningkat apabila kadar air ini belum teruapkan. Pada fasa ini, akan terjadi degradasi senyawa organik, yang lebih sering dikenal dengan nama pirolisis. Pirolisis adalah degradasi termal dari bahan-bahan kimia, yang mana ikatan yang mendukung molekul molekul kompleks diputuskan, sehingga melepaskan molekul-molekul yang berukuran kecil dari material bahan bakar dalam bentuk gas. Flaming combustionadalah fasa pembakaran yang paling efisien, yang menghasilkan paling sedikit jumlah asap per unit bahan bakar yang dikonsumsi. Fasa ini merupakan fasa transisi dari proses pembakaran yangendotermik menjadi proses pembakaran yang eksotermik. Pada umumnya, fasa ini terjadi pada saat temperatur mencapai 300°C. Energi yang digunakan



42



untuk mempertahankan api dan mempertahankan reaksi berantai dari pembakaran dikenal dengan panas pembakaran. Temperatur yang dicapai di dalam fas ini bervariasi, bergantung pada jenis bahan bakar. Smoldering combustion adalah fasa pembakaran yang paling tidak efisien, dimana pada fasa ini dihasilkan paling banyak jumlah asap per unit bahan bakar yang dikonsumsi. Pada fasa ini, terjadi kekurangan api, dan diasosiasikan dengan kondisi dimana kadar oksigen terbatas, baik dikarenakan deposit jelaga dari bahan bakar permukaan terhadap volume yang besar). Fasa



(terutama jelaga dengan rasio luas



pembakaran ini terjadi pada temperatur



rendah. Glowing combustionadalah fasa pembakaran, dimana hanya bara dari bahan bakar yang dapat diamati. Glowing cobustion menandakan proses oksidasi bahan padat hasil pembakaran yang terbentuk pada fasa sebelumnya Fasa pembakaran ini terjadi ketika tidak lagi tersedia energi yang cukup untuk menghasilkan asap pembakaran yang merupakan karakteristik dari fasa pembakaran sebelumnya, sehingga tidak dihasilkan lagi tar atau bahan volatil dari bahan bakar. Produk utama yang dihasilkan dari fasa pembakaran ini adalah gas-gas tak tampak, seperti gas karbon monoksida dan gas karbon dioksida. Extinctionmerupakan proses pemadaman api ketika reaki pembakaran tidak lagi berlangsung dan segitiga api telah terputus. Perihal mengenai segitiga api akan dijelaskan lebih rinci pada subbab api. Jika diasumsikan pembakaran terjadi pada kondisi yang sempurna, dimana tidak terdapat penambahan atau pengurangan panas,maka temperatur pembakaran adiabatis



dapat



ditentukan dengan didasarkan pada hukum pertama termodinamika. Pada kasus pembakaran bahan bakar fosil, temperatur pembakaran bergantung pada panas pembakaran, perbandingan stoikiometri udara dan bahan bakar, dan kapasitas panas spesifik dari bahan bakar dan udara.



43



Dalam industri, perbandingan stoikiometri udara dan bahan bakar lebih dikenal dengan istilah persen kelebihan udara(percent of excess air). Bahan bakar yang diinjeksikan kedalam tungku pembakaran membutuhkan sejumlah udara teoretik agar reaksi dapat berjalan dengan sempurna. Kebutuhan udara dapat dihitung secara stoikiometrik meskipun dalam kenyataannya sering terjadi reaksi



samping yang dapat



menyebabkan adanya panas yang hilang. Biasanya dalam



pembakaran udara dipasok lebiah banyak dari kebutuhan stokiometrik



sebagai usaha untuk meningkatkan keefisienan proses tetapikomposisi udara yang dipasok juga tidak boleh terlalu tinggi karena dapat menyebabkan pembakaran kurang sempurna bahkan tidak berjalan. Reaksi pembakaran merupakan reaksi kimia dimana berlaku hukum kekekalan massa dan energi Panas yang timbul selamaproses pembakaran akan terbagi menjadi panas yang lain seperti untuk air,gas buang dan sebagian panas yang hilang. Untuk Udara dan LPG,panasnya dapat meningkatkanpanas pembakaran tetapi dapat juga menurunkan (mengurangi) kalor pembakaran tergantung pada temperatur referensinya. Energi masuk = Energi keluar Qpembakaran = Qair+ Qgas Buang+ Qloss+ (Qudara + QLPG) Komponen-komponen tersebut dapat dijabarkan sebagai berikut : 1. Q air yang masuk



2. Q udara masuk



3. Q LPG yang masuk 44



4. Q pembakaran



dengan NHV = net heating value , panas pembakaran Sedangkan energi yang keluar adalah sebagai berikut : 1. Q exhaust ( gas cerobong ) 2. Q air keluar



3. panas yang lolos melewati dinding alat pembakaran Qloss = ( Qair,in + Qudara,in + QLPG,in + Qpembakaran ) - ( Qexhaust+ Qair,out ) Karena banyaknya reaksi yang terjadi seperti reaksi suksesif, kompetitif, overlapping dan berlawanan didalam tungku pembakaran, belum ada teori yang mampu menjelaskan secara detail dan memuaskan tentang reaksi berantai yang terjadi.Pada hidrokarbon secara cepat memisahkan diri menjadi radikal



suhu pembakaran,



hidrokarbon bebas.Radikal



hidrokarbon bebas ini labil terhadap serangan oksigen dan sangat reaktif. Meskipun demikian , saat ini yang banyak diterima secara umum adalah bahwa hanya melalui rangkaian radikal aktif inilah karbon dan hidrogen didalam bahan bakar terkonversi menjadi karbon dioksida dan air. Ada juga bukti yang meyakinkan bahwa atom-atom dan radikal-radikal O, H, OH dan H2O terlibat didalam oksidasi hidrokarbon.Aldehid, walaupun juga



hidrogen dan juga aktif didalam pembakaran dalam keadaan transisi, adalah penghubung yang



diperlukan didalam proses pembakaran. Jenis radikal teroksigenasi yang membentuk aldehid dan yang terbentuk dari mereka adalah masih menjadi bahan percobaan saat ini.



45



Pada keadaan yang normal , kenaikan suhu akan mempercepat penyulutan dan



laju



penyelesaian pembakaran. Tungku bertemperatur tinggi dapat dioperasikan dalam laju panas masuk yang lebih tinggi daripada tungku bertemperatur rendah dengan ukuran yang sama. Efek pemanasan awal berguna untuk menaikkan suhu pembakaran adiabatik.Pemanasan awal ini juga berfungsi meningkatkan suhu nyata tungku ketika kondisi operasi lainnya telah tertinggal tidak terpakai. Pada alat pembakaran terjadi peristiwa perpindahan panas, yang terjadi bila



terdapat



perbedaan temperatur antara dua benda atau dua titik.Peristiwa perpindahan panas dapat terjadi melalui tiga mekanisme, yaitu konduksi, konveksi dan radiasi. 3.1.2 Pembakaran Tiga T Tujuan 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.



46



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)



3.2 Perhitungan Stokiometri Kebutuhan Udara 3.2.1 Perhitungan stokiometri udara yang dibutuhkan untuk pembakaran minyak bakar Untuk 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:



47



Dari data analisis dengan jumlah sampel minyak bakar 100 kg, maka reaksi kimianya adalah sebagai berikut:



Unsur bahan bakar



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



4 kg hidrogen memerlukan 32 kg oksigen membentuk 36 kg air, oleh karena itu 1 kg hidrogen memerlukan 32/4 kg atau 8 kg oksigen.



48



32 kg sulfur memerlukan 32 kg oksigen membentuk 64 kg sulfur dioksida, oleh karena itu 1 kg sulfur memerlukan 32/32 kg atau 1 kg oksigen



Jadi, dari contoh diatas terlihat, untuk membakar setiap kg minyak bakar, diperlukan udara 14,12 kg. 3.2.2 Perhitungan kandungan CO2 teoritis dalam gas buang Sangat perlu untuk menghitung kandungan CO 2 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



49



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 = 7,16 Mol N2 dalam gas buang = (1087,58) / 28 = 38,84 Mol SO2 dalam gas buang = 1/64 = 0,016 % Volum CO2 teoritis = (Mol CO2 x 100) / Mol Total (Kering)= (7,16 x 100) / (7,16 + 38,84 + 0,016)= 15,5% 3.2.3 Perhitungan unsur-unsur gas buang dengan udara berlebih Setelah 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 kg Jumlah 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



50



N2 (77%) = 776,85 – 178,68 = 598,17 kg Jumlah kandungan akhir unsur gas buang dengan udara berlebih 55% untuk setiap 100 kg bahan bakar adalah seperti dibawah ini: CO2 = 314,97 kg H2O = 108,00 kg SO2 = 1 kg O2 = 178,68 kg N2 = 1685,75 kg (= 1087,58 dalam udara + 598,17 dalam udara berlebih) 3.2.4 Perhitungan % volum CO2 teoritis dalam gas buang kering Setelah 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 = 7,16 Mol SO2 dalam gas buang = 1/64 = 0,016 Mol O2 dalam gas buang = 178,68 / 32 = 5,58 Mol 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%



3.3 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



51



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 CO 2 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.



Gambar 2. Hubungan antara CO2 & Udara Berlebih (Biro Efisiensi Energi, 2004)



52



Gambar 3. Hubungan antara oksigen sisa dan udara berlebih (Biro Efisiensi Energi, 2004) Untuk pembakaran bahan bakar minyak yang optimum, CO 2 atau O2 dalam gas buang harus dicapai sebagai berikut: CO2 = 14.5–15 % O2 = 2–3 %



3.4 Sistim Draft Fungsi draft dalam sistim pembakaran adalah untuk membuang produk pembakaran, yaitu gas buang, ke atmosfir. Draft dapat diklasifikasikan menjadi dua jenis yaitu Natural draft dan Mechanical draft. 3.4.1 Natural draft Natural draft merupakan draft yang dihasilkan oleh cerobong. Hal ini diakibatkan oleh perbedaan berat antara kolom gas panas dibagian dalam cerobong dan kolom udara luar dengan berat dan luas permukaan yang sama. Karena lebih ringan dari udara luar, gas buang cerobong cenderung naik, dan udara luar yang lebih berat mengalir melalui terowongan abu



53



memasuki ruangan menggantikan tempat gas buang yang naik. Draft biasanya dikontrol oleh damper yang dioperasikan secara manual yang menghubungkan boiler dengan cerobong. Tidak digunakan fan atau blower pada sistim ini. Gas hasil pembakaran dibuang pada ketinggian tertentu sehingga tidak mengganggu masyarakat sekitar. 3.4.2 Mechanical draft Merupakan draft buatan yang dihasilkan oleh fan. Tiga jenis dasar draft yang digunakan adalah: Balanced draft: Fan (blower) forced-draft (F-D) mendorong udara menuju tungku dan sebuah fan induksi draft (I-D) membuang gas ke cerobong, sehingga menyediakan draft untuk membuang gas dari boiler. Tekanan dijaga antara 0,05 hingga 0,10 inci air dibawah tekanan atmosfir pada boiler dan sedikit positif untuk memanaskan ulang dan pada perlakuan panas tungku. Induced draft: Fan induksi draft menarik draft yang cukup untuk mengalir menuju tungku, sehingga hasil pembakaran dapat terbuang ke atmosfir. Tekana udara tungku dijaga pada tekanan sedikit negatif dibawah tekanan atmosfir sehingga udara pembakaran mengalir melalui sistim. Forced draft: Sistim forced draft menggunakan sebuah fan untuk mengalirkan udara ke tungku, memaksa hasil pembakaran mengalir melalui unit dan kemudian naik ke cerobong. 3.5 Peluang Efesiensi Energi Bagian ini membahas peluang efisiensi energi dalam pembakaran bahan bakar. 3.5.1 Pemanasan awal Minyak Bakar Viskositas minyak bakar dan LSHS (Low Sulphur Heavy Stock)



meningkat dengan



berkurangnya suhu, yang dapat menyulitkan pemompaan minyak. Pada suhu ambien yang



54



rendah (dibawah suhu 250 C), minyak bakartidak dapat dipompa dengan mudah. Untuk mengcegah terjadinya hal ini, dilakukan pemanasan awal minyak bakar dengan dua cara: -



Memanaskan seluruh tangki . Dalam pemanasan dalam jumlah besar (bulk heating) ini,



-



kumparan steam ditempatkan dibagian bawah tangki, yang keseluruhannya diisolasi; Minyak dapat juga dipanaskan pada saat di alirkan dengan menggunakan pemanas yang mengalir. Untuk mengurangi kebutuhan steam, tangki sebaiknya di isolasi.



Pemanasan dalam jumlah di perlukan jika laju aliran cukup tinggi, sehingga penggunakan pemanas yang mengalir tidak mencukupi , atau bila bahan bakar seperti LSHS digunakan. Jika digunakan pemanasan yang mengalir, hanya untuk minyakbakar, dilakukan pada saat minyak bakar keluar dari tangki sampai padasuhu pemompaan. Pemanas mengalir pada dasarnya merupakan sebuah penukar panas dengan steam atau listrik sebagai media pemanas nya. 3.5.2 Kontrol suhu minyak bakar Kontrol suhu termostatis minyak bakar di perlukan untuk mencegah terjadinya pemanasan berlebihan , terutama jika aliran minyak berkurang atau berhenti. Hal ini penting untuk pemanas listrik, karena minyak dapat ter karbonisasi jika aliran sangat berkurang tetapi pemanasnya tetap hidup. Termostat h arus di tempatkan pada daerah aliran minyak bakar sebelum pipa pengisapan. Suhu pemompaan minyak bakar tergantung pada jenis minyak bakar



yang akan dialirkan . Minyakbakar tidak boleh disimpan pada suhu diatas yang



diperlukan untuk pemompaan , karena akan



menyebabkan konsumsi energi yang lebih



tinggi.. 3.5.3 Persiapan Bahan Bakar Padat 1 Penggilingan Batubara Ukuran batubara yang benar merupakan salah satu kunci yang menjamin pembakaran yang efisien. Ukuran batubara yang tepat, sesuai dengan sistim pembakaran yang digunakan , dapat



55



membantu pembakaran, m engurangi kehilangan abu dan efisiensi pembakaran yang lebih baik. Ukuran batubara diperkecil dengan penggil ingan/crushing



dan penghancuran/



pulverizing. Penggilingan awal batubara ekonom i s digunakan untuk unit yang lebih kecil, terutama untuk unit stoker-fired. Pada sistim handlingbatubara,



penggilingan dilakukan



untuk batubara Peralatan Termal: Bahan Bakar dan Pembakaran Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Asia – www.energyefficiencyasia.org ©UNEP 19 dengan ukuran diatas 6 atau 4 mm. Peralatan yang umumdigunakan untuk penggilingan adalah rotary breaker, roll crusher dan hammer mill. Sebelum penggilingan, batubara sebaikny a diayak terlebih dahulu, sehingga hanya batubara yang kelebihan ukuran yang diumpankan ke konsumsi daya pada



alat penggiling.



penggiling, sehingga dapat



Hal - hal praktis



mengurangi



yang direkomendasikan pada



penggilingan batubara adalah: -



Penggunaan ayakan untuk memisahkan partikel kecil dan halus untuk menghindarkan terbentuknyapartikel yang sangat halus pada penggilingan.



-



Penggunaan pemisah magnetis untuk memisahkan potongan besi dalam batubara yang dapat merusak alat penggiling.



Tabel 13



memberi gambaran ukuran batubara yang



tepat untuk berbagai jenis sistim



pembakaran. Tabel 13. ukuran batubara yang tepat untuk berbagai jenis sistim pembakaran



56



2 Pengkondisian Batubara Batubara



yang halus



men jadi masalah dalam pembakaran karena efek segregasi/



pemisahannya. Terpisahnyapartikel halus dari batubara yang lebih besar dapat diperkecil dengan mengkondisikannya dengan air. Air membantu partikel halus



menempel pada



bongkahan yang lebih besar disebabkan tekanan permukaan air, sehingga men cegah partikel halus jatuh melalui kisi - kisi atau dibawa oleh



draft tungku .



Dalam melakukan



pengkondisian ini, harus dijaga supaya penambahan airnya meratadan lebih bai k dilakukan pada saat batubara di - alirkan atau dijatuhkan . Jika persentase partikel halus dalam batubara sangat tinggi, pembasahan batubara dapat menurunkan persentase karbon yang tidak terbakar dan udara berlebih yang diperlukan untuk pembakaran.



Tabel dibawah memperlihatkan



tingkat pembasahan, tergantung pada



persentase kehalusan batubara. Tabel 14. Tingkat pembasahan: kehalusan vs kadar air pada permukaan batubara



3 Pencampuran batubara



57



Dalam hal batubara mengandung partikel halus yang berlebihan, disarankan untuk mencampur bongkahan batubara dengan batubara yang kehalusannya berlebihan, sehingga dapatmembantu membatasi tingkat kehalusan pada batubara yang dibakar tidak lebih dari 25%. Pencampuran berbagai ku alitas batubara dapat juga membantu



pasokan



umpan



batubara yang seragam ke boiler. 4 Pengontrolan Pembakaran Pengontrolan pembakaran membantu burner dalam m engatur pasokan bahan bakar, pasokan udara, (rasio ba han bakar terhadap udara), dan m enghilang kan gas- gas pembakaran untuk mencapai efisiensi boiler yang optimum. Jumlah bahan bakar yang dipasok ke burner harus sebanding dengan tekanan dan jumlah steam



yang diperlukan. Pengontrolan pembakaran



juga diperlukan sebagai alat keamanan untuk menjamin bahwa boiler beroperasi dengan aman. Berbagai jenis pengontrol pembakaran yang digunakan adalah: -



Pengontrol Hidup/Mati(On/Off): Pengontrol yang paling sederhana, kontrol ON/OFF berarti bahwa burner bekerja pada kecepatan penuh atau OFF. Jenis pengontrol ini



-



terbatas untuk boiler kecil. Pengontrol tinggi/rendah/ mati(high/low/off): S istim TINGGI/RENDAH/MATI sedikit lebih rumit, dimana burner memiliki dua laju pembakaran. Burner dapat beroperasi pada laju pembakaran lebih lambat



atau dapat dialihkan ke pembakaran penuh sesuai



keperluan. Burner dapat juga kembali pada posisi pembakaran rendah pada saat beban berkurang. Pengontrol ini cocok utuk boiler berukuran sedang. Pengontrol modulasi: Pengontrol modulasi bekerja pada prinsip



untuk menyesuaikan



kebutuhan tekanan steamdengan cara mengubah laju pembakaran pada seluruh operasi boler. Motor- motor modulasi menggunakan hubungan mekanis konvensional atau katup listrik untuk mengatur udara primer, udara sekunder, dan bahan bakar yang dipasok ke burner.



58



Modulasi penuh berarti bahwa boiler sedang melakukan pembakaran, dan bahan bakar dan udara secara hati - hati disesuai kan sesuai kebutuhan pembakaran untuk memaksimalkan effesiensi termal .



DAFTAR PUSTAKA 2. Bangyo Sucahyo, 1999.Ilmu Logam, PT. Tiga Serangkai Pustaka Mandiri. Surakarta. Hari Amanto dan Daryanto, 1999, Ilmu Bahan, Bumi Aksara, Jakarta. 59



3. Yanmar Diesel. 1980. Buku Petunjuk Mesin Diesel Yanmar. PT. Yanmar Indonesia. Jakarta. 4. Suyanto, 2001.Bahan Bakar dan Minyak Lumas, Sekolah Tinggi Perikanan, Jakarta. 5. Tatang Sutarna, at al,1994 , Kimia Dikembangkan dan disesuaikan dengan Kurkulum Baru 1994, Yudistira, Jakarta. 6. Warsowiwoho dan Gandhi Harahap, 1984.Bahan Bakar, Pelumas, Pelumasan dan Servis, Pradnya Paramita, Jakarta. 7. Bureau of Energy Efficiency. Energy Efficiency in Thermal Utilities. Chapter 1. 2004 8. Department of Coal, Government of India. Coal and Cement Industry – Efficient utilization. 1985 9. Department of Coal, Government of India. Coal and Furnace Operation – Improved techniques. 1985 10. Department of Coal, Government of India. Coal and Industrial Furnaces – Efficient utilization. 1985 11. Department of Coal, Government of India. Coal and Pulp and Paper industry – Efficient utilization.1985 12. Department of Coal, Government of India. Coal and Textile Industry – Efficient utilization. 1985 13. Department of Coal, Government of India. Coal Combustion – Improved techniques for efficiency. 1985 14. Department of Coal, G overnment of India. Fluidised Bed Coal Fired Boilers.1985 15. Petroleum Conservation Research Association. www.pcra.org 16. Shaha, A.K. Combustion Engineering and Fuel Technology. Oxford & IBH Publishing Company Thermax IndiaLtd. Technical Memento



60