Bahan Bakar Padat 47
Bahan Bakar Padat
Modul : Bahan Bakar Padat
47
Bahan Bakar Padat
Bahan Bakar Padat
Kandungan abu dan airnya rendah (5-10%). Kalau kandungan abunya tinggi,
biasanya dipakai pada “steam power plant”. Batubara yang berwarna hitam tidak
Contoh:
bersifat higroskopis.
1. Kayu dan sisa tumbuhan: kadar abu rendah, kadar air relatif tinggi (tergantung pada
3.3. Anthracite: batubara yang terjadi pada umur geologi yang paling tua. Struktur
spesies dan umur pohon, iklim, kondisi penyimpanan).
kompak, berat jenis tinggi, berwarna hitam metalik, kandungan VCM rendah,
Kandungan air = W
kandungan abu dan air rendah, mudah ditepung. Kalau dibakar, hampir seluruhnya
Nilai kalor (rumus pendekatan): Q L = (4400 − 50 W )
habis terbakar tanpa timbul nyala. Nilai kalor atas ≥ 8300 kkal/kg.
kkal
kg
Semi -anthracite mempunyai sifat antara bituminous coal dan anthracite.
Termasuk sis a tanaman: batang tebu, kulit buah, sekam, jerami, dll.
3.4. Shale, adalah hasil penguraian tumbuh-tumbuhan dan binatang mikroorganisme
2. “Peat”, bahan yang terbentuk dari dekomposisi dan disintegrasi tanaman graminae
di dasar rawa atau danau membentuk bahan seperti lumpur yang disebut
(seperti tebu, bambu, alang-alang) oleh tekanan air di dalam rawa. Kandungan
“sapropel”. Sapropel yang bercampur dengan sedimen mineral membentuk massa
abunya tergantung pada lumpur rawa. Bahan bersifat higroskopis. Kandungan airnya
yang kompak yang disebut “combustible shale”.
tergantung pada kondisi pengeringan, transportasi dan penyimpanan. Nilai kalor
Kadar abunya tinggi, VCM tinggi, nilai kalor rendah. Nilai kalor antara 1350-2700
bawahnya 1700-3000 kkal/kg.
kkal/kg. Batubara digolongkan menurut kandungan C-nya, dengan istilah “rank”.
3. Batubara (= Bahan Bakar Fosil)
“Rank” menunjukkan derajat perubahan komposisi kimiawi selama transisi dari
Berdasarkan asal dan umur geologisnya, digolongkan sebagai berikut:
selulosa menjadi grafit. Kalau rank rendah, derajat perubahan kimiawinya kecil,
- lignite,
kandungan VCM -nya rendah.
- bituminous coal,
Rasio bahan bakar (= fuel ratio) =
- anthracite.
3.1. Lignite: terbentuk dari tumbuh-tumbuhan yang mengalami karbonisasi atau
% FC
% VCM
Rasio bahan bakar untuk anthracite = 10-60
perkayaan akan kandungan C di bawah lapisan tanah dalam jangka waktu yang
semi -anthracite = 6-10
lama.
semi-bituminous = 3-7
Berdasarkan umur geologisnya digolongkan atas:
bituminous
= 0.5-3
3.5. Nilai Kalor Batubara
- pitch lignite: lebih muda daripada lignite,
- lignite.
* Rumus pendekatan Mendeleyev; berlaku juga untuk semua bahan bakar padat.
Kadar N, O, VCM, S dan air tinggi. Lignite bersifat higroskopis, nilai kalor bawah
Q L = 81 C + 246 H + 26 (O − S V ) − 6 W
sekitar 1500-4500 kkal/kg.
Q L = NHV = LHV = nilai kalor bawah (kkal/kg).
3.2. Bituminous coal: terbentuk pada periode geologi “carboniferous” dari tumbuhtumbuhan yang mengala mi karbonisasi. Nilai kalor 7000-8000
kkal/kg.
C, H, O,
SV , W : kandungan karbon, hidrogen, oksigen, belerang, air (% berat).
* Persamaan Calderwood; berlaku khusus untuk bituminous coal.
48
Bahan Bakar Padat
VCM
C = 5. 88 + 0 .00512 (Q H − 40 .5S ) ± 0 .0053 80 − 100
FC
- abu, bahan mineral yang tak dapat terbakar,
1.55
- H net , hidrogen yang terbakar oleh oksidator, tidak termasuk dalam H yang ada
C, VCM, FC, S = % berat karbon, VCM, FC, belerang dalam batubara.
dalam air eksternal dan air senyawa,
Q H = nilai kalor atas (BTU/lb).
H net = H total − H yang ekivalen dengan O ,
Semua
100
perhitungan
persentase
berdasarkan
“udara
kering”.
- C (karbon),
Kalau:
- belerang (S), nitogen (N), dll.
VCM
> 80 , tanda negatif.
FC
Proximate analysis: pengujian (laboratoris) terhadap bahan bakar padat
* Rumus Dulong; berlaku untuk semua batubara.
berdasarkan atas sifat komponen yang mudah membentuk gas (volatile matter) dan
O
Q H = 14544 C + 62028 H − + 4050 S
8
yang tidak mudah membentuk gas (non-volatile matter).
Data proximate analysis:
Q H = nilai kalor atas (BTU/lb)
- air eksternal,
C, H, O, S = fraksi berat karbon, hidrogen, oksigen, belerang
- VCM
= volatile combustible matter,
- FC
= fixed carbon = non-volatile combustible matter,
- abu
= mineral.
O
H − = fraksi berat “net hydrogen” =
8
H net
Air eksternal + VCM + FC + abu = 100%.
1
H net = total berat hidrogen - berat oksigen
8
Bahan yang dapat terbakar (BDT) = combustible matter = VCM + FC.
Perhitungan/analisis didasarkan pada:
* Q L = Q H − 8. 94 × H × 1050
- udara kering, atau
Q L , Q H dalam BTU/lb
- bahan yang dibakar.
H = fraksi berat hidrogen, termasuk H net , H dalam air kelembaban, H dalam air
senyawa.
Bahan Bakar Padat (Tambahan)
Analisa bahan bakar padat (khususnya batubara):
Yang dibicarakan umumnya batubara, meskipun ada beberapa industri
- ultimate analysis (analisis tuntas),
menggunakan kayu seperti genting. Industri kelapa sawit menggunakan tempurung
- proximate analysis (analisis pendekatan).
kelapa. Bahan bakar padat umumnya terjadi karena proses alami selama berjuta-juta
Ultimate analysis: menentukan komposisi unsur-unsur yang ada dalam bahan
bakar, yaitu: C, H, O, N, S, P, abu, dll. Data pada analisis tuntas:
0
- kandungan air eksternal, yang menguap pada suhu ≥ 100 C,
- kandungan air senyawa = air yang terbentuk dari H dan O yang jumlahnya
ekivalen,
tahun yang lalu dan umumnya mengandung C, H, O, N, S, P dan yang pokok C, H, O,
S.
Proximate analysis: analisis pendekatan, perhitungannya didasarkan pada :
- udara kering (analisa orsat), atau
- bahan bakar yang dibakar (contoh: 100 kg, 1 mol).
49
Bahan Bakar Padat
Contoh Soal
- karbon;
Sisa pembakaran = refuse :
- kering,
- hidrogen yang terbakar = hidrogen net atau “available hydrogen”, yaitu H yang
- VCM,
tidak termasuk dalam air (“moisture:”) maupun air senyawa (“combined water”);
- FC,
- sulfur, biasanya dalam jumlah kecil;
- abu.
- nitrogen, juga dalam jumlah kecil, yaitu antara 1-3%.
Abu terpisah karena abu adalah bahan yang tidak dapat terbakar sehingga abu jika
Hidrogen net adalah jumlah seluruh hidrogen dalam bahan bakar dikurangi dengan
diketahui jumlahnya dapat digunakan/dijadikan sebagai basis.
hidrogen yang ekivalen dengan oksigen yang ada dalam bahan bakar.
VCM
Kalau
FC
Analisa Pendekatan (“Proximate Analysis”)
VCM
=
batubara FC
maka ada sebagian dalam batubara yang tidak
refuse
Analisa ini adalah pengujian laboratoris terhadap bahan bakar padat
terbakar.
VCM
VCM
Kalau
≠
maka sebagian batubara hampir habis terbakar.
FC batubara FC refuse
=
1 BTU/lb 0 F
=
yaitu:
- kandungan air,
Dalam perhitungan nilai kalor batubara:
1 kal/kg
didasarkan pada sifatnya yang dapat/mudah menguap atau membentuk gas (“volatile”),
1.8 BTU/lb
- kandungan bahan yang dapat terbakar dan mudah membentuk gas = “volatile
combustible matter” = VCM,
kal/gr0 C
→ satuan c p
Semua H2 O ikut gas buang artinya tidak ada air yang menetes di dapur (“combustion
- kandungan bahan yang dapat terbakar dan tidak mudah membentuk gas = “nonvolatile combustible matter” = karbon tetap = fixed carbon = FC,
- kandungan abu.
chamber”).
Jumlah air + VCM + FC + abu = 100%
Istilah-Istilah Penting pada Bahan Bakar Padat
Combustible = VCM + FC
= bagian yang berperan sebagai bahan bakar.
Analisa Tuntas (“Ultimate Analysis”)
Analisa ini menentukan susunan unsur-unsur yang ada di dalam bahan bakar,
* Penentuan berat VCM: pembakaran cuplikan kering di dalam krus tertutup pada suhu
9500 C selama 7 menit.
yaitu: C, H, O, N, S, P, dll., serta abu. Analisa ini digunakan untuk menentukan atau
Pengurangan berat cuplikan = berat air senyawa + hidrogen + karbon yang mudah
mengetahui struktur senyawa atau kemurnian senyawa.
membetuk gas = berat kandungan VCM.
Data analisa tuntas meliputi:
- kandungan air: merupakan pengurangan berat cuplikan/sampel pada pemanasan
0
dengan suhu 105 C;
- kandungan air senyawa : ekivalen dengan kandungan oksigen;
Hidrogen dan karbon yang mudah membentuk gas adalah hidrokarbon yang terkandung
dalam batubara.
Keseluruhan bahan yang tertinggal setelah pembakaran di atas adalah campuran FC
dan abu.
50
Bahan Bakar Padat
* Abu: residu yang tertinggal setelah pembakaran sempurna dalam udara terbuka pada
0
suhu 725 C = konstituen mineral dalam bahan bakar secara kimia.
* Refuse: sisa pembakaran yang dikeluarkan dari dapur atau ruang pembakaran, yaitu
bahan yang tidak ikut terbakar (“unburnt combustible matter”). Jumlah refuse beragam
menurut beragamnya jumlah bahan yang tidak ikut terbakar. Banyaknya bahan yang
37
VCM
=
= 0 .673
55
FC batubara
VCM
FC
24
=
= 0 .667
refuse 36
}
jadi
VCM
VCM
=
FC batubara FC refuse
tidak ikut terbakar tergantung pada sistem pembakaran dan metoda pembakaran.
C
C
Jadi:
=
VCM + FC batubara VCM + FC refuse
Contoh Soal
Karbon dalam refuse =
gas buang
N2 = 80.58%
CO2 = 11.80%
CO = 1.42%
O2 = 6.00%
SO2 = 0.20%
batubara
0 . 7 × 0. 6
× 15 lb = 6.85 lb.
(0 .37 + 0 .55 )
(3) Berapa jumlah lbmol gas buang (kering) tiap 100 lb batubara?
Karbon dalam gas buang = 70 – 6.85 = 63.15 lb
=
63 .15
lbmol = 5 .2625 lbmol
12
Gas buang = y lbmol
dapur
C dalam gas buang = 0.1180y + 0.0142y = 0.1322y
0.1322y = 5.2625 lbmol
Udara
250 C, 1 atm
kelembaban = 80%
Sisa pembakaran = refuse
kering
VCM = 24%
FC = 36%
Abu = 40%
y = 39 . 807 lbmol
(4) Jumlah lbmol udara digunakan tiap 100 lb batubara ?
N2 dalam gas buang berasal dari udara.
Batubara masuk dapur : 100 lb/jam;
N2 = 80.58% = 0.8085 × 39.807 lbmol = 32.0765 lbmol
mengandung: C = 70%, VCM = 37%, FC = 55%, abu = 6%, H2 O = 2%.
Asumsi : batubara tidak mengandung N.
(1) Berat sisa pembakaran tiap 100 lb batubara dibakar?
Abu dalam batubara = 6 lb.
Udara digunakan untuk membakar batubara =
Semua abu dalam batubara, setelah pembakaran akan tertinggal dalam sisa pembakaran
(5) Nilai kalor batubara?
(atau refuse).
Rumus Calderwood:
Abu dalam refuse = 40% = 6 lb.
Refuse =
100
× 6 lb = 15 lb.
40
(2) Berapa karbon dalam refuse tiap 100 lb batubara dibakar?
100
× 32 .0765 lbmol = 40.60 lbmol .
79
VCM
C = 5. 88 + 0 .00512 (Q H − 40 .5 S ) ± 0 .0053 80 − 100
FC
1.55
C, S, VCM, FC dalam % berat.
Q H dalam BTU/lb.
51
Bahan Bakar Padat
SO2 dalam gas buang = 0.20% = 0.2 ×10− 2 × 39. 807 lbmol
Komposisi Gas Buang dan Unsur-Unsur dalam Gas Buang
S dalam gas buang = SO2 dalam gas buang
Gas Buang
y lbmol
Lbmol C
Lbmol O2
Lbmol N2
N2
0.8058 y
-
-
0.8058 y
CO2
0.1180 y
0.1180 y
0.1180 y
-
CO
0.0142 y
0.0142 y
0.0071 y
-
O2
0.0600 y
-
0.0600 y
-
SO2
0.0020 y
-
0.0020 y
-
Jumlah
1.0000 y
0.1322 y
0.1871 y
0.8058
= 79.6 × 10− 3 lbmol
= 79.6 ×10− 3 × 32 lb = 2.5472lb
24 + 36
× 15 lb = 9 lb
100
Berat (VCM + FC) dalam refuse =
Berat (VCM + FC) yang terbakar membentuk gas buang = (37 + 55) – 9 = 83 lb.
VCM
Karena
FC
VCM
=
batubara FC
,
refuse
Asumsi: semua N2 dalam gas buang berasal dari udara.
S
S
S
maka
=
=
VCM
+
FC
VCM
+
FC
VCM
+
FC
batubara
refuse
terbakar
O2 tak terhitung = 0.2142y – 0.1871y = 0.0271y lbmol
Kalau batubara tidak mengandung oksigen, maka O2 tak terhitung bereaksi dengan
100 lb b. b.
H net membentuk H2 O.
Kadar S dalam batubara = 2.8234%
H2 O terbentuk = 2 × 0.0271y
Persamaan Calderwood:
1.55
37
70 = 5 .88 + 0. 00512 {Q H − ( 40 .5)( 2.8234 )} ± 0 .0053 80 − 100
55
70 − 5 .88 + 0. 5855 − 0 .2733
QH =
= 12584 . 41 BTU/lb
0. 00512
(6) Kadar net hidrogen dalam batubara:
H net = kadar H yang tidak punya pasangan O (oksigen) dalam bahan bakar untuk
membentuk H2 O.
H net membentuk H2 O dengan O dari udara.
21
× 0 .8058 y = 0 .2142 y
79
O2 terhitung = 0.1871y
S
2 .5472
=
= 0. 0307
83
VCM + FC terbakar
S dalam batubara = 0.0307 × (37+55) = 2.8234 lb
O2 dari udara =
H net = 2 × 2 × 0.0271y = 0.1084y lbmol
y = 39.807 lbmol
H net = 0.1084 × 39.807 lbmol = 4.315 lbmol
= 4.315 lb tiap 100 lb batubara
= 4 . 315 %
(7) Kadar uap air dalam gas buang, jika semua H2 O ikut gas buang terdiri dari:
a. H2 O terkandung dalam batubara?
b. H2 O terbentuk dalam pembakaran antara H net dengan O2 dari udara?
c. H2 O terbentuk dalam pembakaran antara H dan O yang ada dalam
batubara?
d. H2 O dari kelembaban udara?
52
Bahan Bakar Padat
Jadi , dari hasil perhitungan:
Untuk menghitung Q L , digunakan rumus Dulong, hitung dulu Q H , lalu hitung
a. H2 O terkandung dalam batubara = 2% = 2 lb.
QL .
lb
b. = 2 × 0 .0271 × y = 2 × 0 .0271 × 39 .807 lbmol × 18
= 38.836 lb.
lbmol
c. = 0
Q L = Q H − 8 .94 × H × 1050
d. = H2 O dari kelembaban udara.
p
H2 O maks,250 C
80 % = 0 .80 =
= 0 .4744 lb/in 2 (lihat di “steam table”).
p
p
=
H 2O maks, 250 C
H−
O
= H net = 4 .315 %
8
S = 2.8234%, C = 70%
p
0 .4744
Q H = 14544 ( 0. 70 ) + 62028 ( 0 .04315 ) + 4050 ( 0. 028234 ) = 12971 .66 BTU/lb
H tot = H net + H kelembaban(H air eksternal)
p = 0. 80 × 0 .4744 = 0 .3795 lb/in 2 .
H2 O = 2% = 2.lb/100 lb batubara
p = tekanan uap air dalam udara.
Fraksi H2 O dalam udara =
O
Q H = 14544 C + 62028 H − + 4050 S, BTU/lb
8
2
H = × 2 lb /100 lb batubara = 0.4444
18
p
0 .3795
=
= 0 .0265
bar − p 14 .696 - 0.3795
H2 O dari udara = 0 .0265 × 40 .60 lbmol = 1.0759 lbmol = 19.366 lb
H total = 4 .315 + 0. 4444 = 4 .7594 %
H2 O dalam gas buang = (2 + 38.836 + 0 + 19.366) lb
Q L = 12971 .66 − 8 .94 × 0. 047594 × 1050 = 12524 .895 BTU/lb
Kalor yang terkandung dalam gas buang = 0.4 × 12524.895
= 60.20 lb dalam 39.807 lbmol
= ? lb/cufts
= 5009.958 BTU/lb batubara
= ? gr/l standar.
= 500995.8 BTU/100 lb batubara.
(8) Kalau 60% kalor hasil pembakaran hilang (diserap dinding dapur, di refuse, karena
{
5009.958 = 0. 8058c p,N 2 + 0.1180cp,CO 2 + 0. 0142c p,CO + 0. 06cp ,O2 + 0.002c p,SO2
radiasi, dll.), berapa suhu gas buangnya setelah keadaan tunak?
Tiap 1 lb batubara dibakar, kalor untuk menaikkan suhu (yang dibawa oleh) gas
buang = 40% = 0 .4 × 12584 .41 BTU
lb
× 100 lb = 503376.4 BTU
100 lb
Dalam perhitungan untuk mendapatkan suhu nyala, suhu gas buang, dll. dari kalor
yang dapat dimanfaatkan, biasanya diambil Q L (bukan Q H ). Dalam perhitungan
ini dipakai Q H .
×
(
)
(
39 .807
60 .20
× Tf − 25 0 C +
cp, H O × Tf − 25 0 C
2
100
18 × 100
)
Karena cp merupakan fungsi T, maka mencari Tf dihitung dengan integrasi atau
dengan “trial-error” untuk T. Suhu ruang bakar (combustion chamber) kira -kira =
suhu gas buang yang menuju stack.
(9) Berapa % kalor hilang karena adanya “combustible” dalam refuse?
53
}
Bahan Bakar Padat
Berat refuse = 15 lb
(VCM
- Nilai kalor batubara dihitung dengan rumus pendekatan, seperti persamaan
+ FC )refuse = ( 0 .24 + 0 .36 ) × 15 = 9 lb
Berat (VCM + FC )batubara = (37 + 55 ) = 92 lb
% kalor hilang (tak termanfaatkan) =
Calderwood.
batubara
100 lb batubara
Q kal/menit
9
× 100 % = 10 .86 %
92
(10) Berapa kg “steam” suhu 2000 C dapat dihasilkan dari dapur ini tiap jam? Tekanan
steam = 1 atm, efisiensi boiler = 60%? Kerjakan di rumah!
(11) Berapa % kalor hilang seandainya sisa pembakaran pada pembakaran batubara
100 kg/menit
efisiensi=
60%
100 kg/menit steam
(1100 C, 1.1 atm)
250 C
tersebut mempunyai komposisi FC = 54%, VCM = 6%, abu = 40%, H2 O = 0%?
rugi kalor = 40% Q
- Komposisi dan kondisi gas asap serta refuse tak diperlukan untuk menghitung
Soal:
CO2 = 11.80%
gas asap: CO = 1.42
9000 C N2 = 80.58
O2 = 6.20
bahan bakar
Dapur
Boiler
berat batubara yang diperlukan tiap jam.
Rugi kalor = 40%, terdiri dari:
- kalor yang terkandung dalam gas asap,
- kalor yang terkandung dalam refuse,
- radiasi kalor ke lingkungan.
- Suhu acuan = 250 C, tekanan acuan = 1 atm.
VCM = 5 %
Refuse: FC = 64%
2000 C abu = 30%
air
=1%
udara
250 C
H=80%
Kalor untuk menghasilkan 100 kg steam/menit, suhu steam 1100 C dan tekanan =
1.1 atm terdiri dari:
- Kalor untuk menaikkan suhu 100 kg air, 250 C menjadi air 100 kg, suhu
0
Boiler menghasilkan “saturated steam” (110 C, 1.1 atm) sebanyak 100 kg/menit.
Kalor tak termanfaatkan dari proses pembakaran = 40%; dengan catatan bahwa air
masuk boiler suhu 250 C dan boiler sudah panas (steady state).
Batubara mempunyai komposisi: VCM = 38%, FC = 44%, abu = 8%, air = 10%, kadar
C = 66%.
(1) Massa (kg) batubara diperlukan tiap jam.
Penyelesaian:
- Dianggap tak ada penyerapan kalor dari proses pembakaran oleh peralatan
1000 C.
air: 100 kg, 250 C → 100 kg, 1000 C
mc pa ÄT = 10 5 × 1 × 75 kal = 7.5 × 10 6 kal
- air: 100 kg, 1000 C → steam: 100 kg, 1000 C, 1 atm
m ÄH v = 10 5 × 540 kal = 54 × 10 6 kal
- steam: 100 kg, 1000 C, 1 atm → steam: 100 kg, 1100 C, 1 atm
boiler.
54
Bahan Bakar Padat
10 6 ( 7. 5 + 54 + 0 .496 + 61 . 565 ) kal 18970
=
gram
0. 6
0 .6 × 6513 .31 kal
gram
mc ps ÄT = 10 5 × 0. 496 × 10 kal = 0.496 × 10 6 kal
- steam: 100 kg, 1100 C, 1.0 atm → steam: 100 kg, 1100 C, 1.1 atm
d ln p
ÄH
=
;
dT
RT 2
p
ÄH 1
1
−
ln 2 =
p1
R T1 T2
Kebutuhan bahan bakar tiap jam =
(2) Kalor terbuang karena combustible yang tersisa dalam refuse (dalam %).
ÄH 1
1
ln 1 .1 =
−
1 .987 373 383
ÄH = 1361 .749
FC
44
=
= 1 .1579 ;
VCM batubara 38
kal
mol
H 2 − H1 = 75 .65
FC
VCM
kal
gram
m × ÄH = 10 5 × (540 + 75 .65 ) = 61 .565 × 10 6 kal
Total kalor diperlukan = 10 6 (7 .5 + 54 + 0 .496 + 61 .565 ) kal
= 123 .56 × 10 6 kal
menit
(FC VCM )refuse 12.8
(FC VCM )batubara = 1.1579 = 11 .05 > 9
Jadi combustible dalam refuse ≈ kokas ≈ C.
menit
Berat refuse =
1.55
=
97000 kal
= 8083 .33 kal
gr
gr
12
3800
66 = 5 .88 + 0. 00512 ( Q − 40 . 5 × 0 ) ± 0 .0053 80 −
44
60 . 02667
= 11723 .96 BTU = 6513 .31 kal
lb
gram
0 .00512
100
× 8 kg = 26.6667 kg
30
Berat combustible dalam refuse = 0.69 × 26.6667 kg = 18.4kg
1.55
Berat FC dalam refuse = 0.64 × 26.6667 kg = 17.07 kg
Kalor terbuang dapat dihitung atas dasar combustible dalam refuse, dapat pula atas
dasar FC dalam refuse. Kita ambil atas dasar FC dala m refuse:
Kalor terbuang =
Efisiensi dapur = 60%
Kalor efektif batubara = 6513 .31 × 0.6 = 3907 .99
gmol
Basis: 100 kg batubara dibakar.
VCM
C = 5. 88 + 0 .00512 (Q − 40 .5 S ) ± 0. 0053 80 − 100
FC
Kebutuhan bahan bakar tiap menit =
64
=
= 12 .8
refuse 5
H karbon = 97000 kal
Persamaan Calderwood:
Q=
60
× 18 .970 kg = 1897 kg
0. 6
kal
gram
17 .07
× 100 % = 17 .07 %
100
(3) Kalor terbuang karena suhu refuse yang dikeluarkan dari “ash pit” = 2000 C (masih
panas).
Catatan: c p, steam pada 1000 C, 1 atm = 2.080 kJ/kg 0 K (Perry, hal. 235)
c p, steam pada 1000 C, 1 atm = 2.080 × 0.239 kal/gr0 K
55
Bahan Bakar Padat
= 0.496 kal/gr0 K
“Ultimate analysis” menunjukkan kadar: C = 78.76%, S = 0.78%, dan N = 1.3%.
1 joule = 0.239 kal
Refuse mengandung: VCM = 4%, FC = 21%.
Kalau c p, refuse antara T =25 C – 200 C rata-rata = 0.3 kal/gr K
Udara di lingkungan rang boiler suhunya 740 F, kelembaban = 65%, barometer = 29.7
Kalor hilang di refuse bersuhu 2000 C =
in.
0
=
1897
100
× 26 . 6667 kg × 0.3
0
kkal
kg 0K
0
× 175 0K = 26558 kkal
(4) Total kalor terbuang di refuse.
Nilai kalor batubara = 6531.13 kal/gr
Kalor yang masuk dapur tiap jam dari batubara
= 1397 × 6531.13 kkal = 1239× 104 kkal
Kalor yang terbuang karena combustible tersisa di refuse tiap jam
Hitung! 1. Kalor terbuang karena adanya “combustible” yang tak terbakar, (%).
2. Kalor terbuang karena adanya CO dalam gas asap, (%).
3. Kalor dari batubara untuk menguapkan seluruh H2 O yang terbentuk pada
prosespembakaran, dalam %.
4. Kalor terbuang sebagai kalor sensibel gas asap, dalam %.
5. % udara berlebihan dipakai untuk pembakaran.
6. Volume udara (kondisi standar) diperlukan tiap menit.
7. Volume gas asap masuk cerobong
= 0.1707 ×1239× 104 kkal = 211. 49 ×104 kkal
Total kalor terbuang di refuse
= ( 26558 + 2114900 ) kkal = 2141458 kkal
(5) Kalor terbuang di gas asap dan radiasi tiap jam
= 0 .4 × 1239 × 10 4 − 214 .1458 × 10 4 = 281 .55142 × 10 4 kkal = 2815542 kkal
(6) Kalor terbuang di gas buang
=
T2
∫ m i cp, i dT
T1
Contoh Soal (dari Lewis & Radasch, Industrial Stoichiometry)
Gas asap dari dapur boiler mempunyai komposisi: CO2 = 10.8%, O2 = 9%, CO = 0.2%,
N2 = 80.0%. Gas masuk stack pada suhu 7600 F dan pada tekanan dorong = 0.5 in H2 O.
Batubara yang dibakar = 1200 lb/jam. Analisis pendekatan (proximate analysis)
batubara: uap air = 1.44%, VCM = 34.61%, FC = 57.77%, abu = 6.18%. Nilai kalor =
14350 BTU/lb.
Penyelesaian
- Komposisi gas asap ditentukan dari bahan bakar yang terbakar.
- Hubungan antara bahan bakar yang dibakar dengan yang terbakar dapat diketahui
dari analisis bahan bakar dan analisis refuse.
- Dari analisis gas buang dapat diketahui hubungan antara hidrogen net ( H net ) dengan
karbon C.
Basis: 100 lb batubara.
Batubara: VCM
FC
= 34.61
= 57 . 77
Combustible = 92.38
Carbon
= 78.76
C
78 . 76
=
= 0. 853
combustile 92 . 38
VCM
34 .61
=
= 0. 375
combustble 92 . 38
Jika refuse = 100 lb
56
Bahan Bakar Padat
VCM =
FC
4 lb
lb
= 21 lb
C (total)
combustible = 25 lb
abu
C dalam refuse =
= 75 lb
Combustible yang tidak membentuk kokas =
4
= 10 .7 lb
0. 375
Kokas (≈ karbon) = 25 – 10.7 = 14.3 lb
= 78.76
= 1.93
6. 18
× 23 .4
75
C dalam gas asap = 78.76 – 1.93
= 76.83
= 6.40 mol
C sebagai batubara tak membentuk kokas dalam refuse =
Karbon dalam combustible yang tak membentuk kokas = 10.73 × 0.853 = 9.1 lb
C yang sebanding dengan H net dalam gas asap = 78.76 – 0.75
Total C = (14.31 + 9.1) lb = 23.4 lb
Jika gas asap kering = 100 lbmol
Gas
Mol
H net yang membentuk H2 O dalam gas asap =
Mol C
Mol O2
CO2
10.8
10.8
10.8
CO
0.2
0.2
0.1
O2
9.0
-
N2
80.0
-
-
11.0
19.9
100.0
H net dalam refuse =
5. 45
× 76 .83
132
= O2 terhitung
S
0.78 ¢
O2 tak terhitung = 21.25 – 19.9 = 1.35 mol
N
1.30 ¢
O2 ini membentuk H2 O dengan H net yang ada dalam batubara.
abu
6.18 ¢
H2 O terbentuk = 2 × 2 × 1.35 = 5.4 lb
H2 O eksternal
1.44 ¢
H net yang terbakar = 2.02 × 2 × 1.35 = 5.45 lb atau (2 × 1.35) lbmol = 2.7 lbmol
total
= 91.66
C yang terbakar = 11.0 × 12 = 132 lb
Combined H2 O
= 8.34 (100 – 91.66)
⇒ dicari untuk mengetahui air yang ada di dalam gas
buang, karena dalam gas buang masih tersedia air.
Basis: 100 lb batubara
= 3.17
= 1.57 mol
= 3.2005
78.76 ¢
3.20
H net yang terbakar 5. 45
=
C yang terbakar
132
= 78.01
Analisis Batubara (dalam 100 lb batubara)
H net
21
× 80 . 0 = 21 . 51
79
= 0.75
= 0.0305
3 .17
× 0. 75
78 .01
Total H net dalam batubara = 3.17 + 0.0305
9.0
C
O2 dari udara =
6. 18
× 9 .1
75
= 0.08 mol
= 100
Combined H2 O dalam gas asap =
8 .34
× 78 .01 = 8 .26 lb = 0.46 mol
78 .76
Total H2 O dalam gas buang yang berasal dari batubara:
57
Bahan Bakar Padat
- H2 O terbentuk dari H net
= 1.57 mol
- H2 O eksternal
= 0.08 mol
- combined H2 O
= 0.46 mol +
= 2.11 mol
(1) % kalor hilang karena combustible yang tak terbakar:
Kalor hilang karena combustible tak terbakar tiap lb batubara terdiri dari:
- kalor hilang karena batubara tak terbakar,
- kalor hilang sebagai kokas.
Kalor hilang karena batubara tak terbakar:
Tiap 1 lb batubara:
Mol gas buang =
100 lb batubara
100
× 6. 40 mol = 58 .182 mol
11
Mol CO dalam gas buang =
0. 2
× 58 . 182 mol = 0.1164 mol
100
Nilai kalor CO = 68300 kal/gmol
Kalor hilang karena adanya CO = 0 .1164 × 68300 × 1 .8 = 14310 . 2 BTU
Tiap 1 lb batubara, kalor hilang =
143 . 102
× 100 % = 1 %
14350
(3) Kalor terbuang untuk menguapkan air yang terbentuk:
Berat combustible dalam refuse yang tak membentuk kokas
10 .7
=
× 0 .0618 lb = 8.817 × 10 -3 lb
75
Berat combustible dalam batubara (= VCM + FC) = 0.9238 lb
Fraksi batubara yang tak termanfaatkan
=
C dalam gas asap 6 .40 mol
8 .817 × 10 −3
= 9 .544 × 10 − 3 × 100 % = 0. 95 %
0. 9238
Air
dalam
= 2. 11 lbmol
gas
buang
100 lb batubara
yang
= 2. 11 × 18 × 1052 BTU
Kalor terbuang (rugi kalor) = 2. 11 × 18 × 1052 =
berasal
dari
batubara
100 lb batubara
2 .11 × 18 × 1052
× 100 % = 2 .79 %
100 × 14350
(4) Kalor terbuang sebagai kalor sensibel gas asap:
- Hitung jumlah gas asap bas ah.
- Air dalam gas asap berasal dari air yang terbentuk dan air dari kelembaban udara,
dan air eksternal, serta combined water.
Kalor hilang sebagai kokas (=C)
Kokas dalam refuse =
Nilai kalor C =
14 .3
× 0 .0618 = 0 .01178 lb
75
97000 kal 1 .8 BTU/lb
BTU
×
= 14550
12 gram kal / gram
lb
Kalor yang hilang sebagai kokas = 0.01178 × 14550 BTU/lb = 171.446 BTU
= 171.446 BTU =
171 . 446
× 100 % = 1 .19 %
14350
Total kalor hilang = (0.95 + 1. 19)% = 2.14%
(2) Kalor hilang karena adanya CO dalam gas buang:
Air terbentuk + air eksternal + combined H2 O = 2.11 lbmol tiap 100 lb batubara
=
2 .11
100 lbmol
×
= 3.62 mol
100 lbmol gas asap kering
100 mol gas asap kering
100 58 .182
Udara untuk pembakaran: H = 65%, T = 740 F, bar = 29.7 in.
Dari tabel, p 0air, 74 0 F = 0.84 in Hg
H = 65 % =
0
p air
p air, 740 F
=
p air
0 .84 in
p air = 0 .65 × 0 .84 = 0 .54 in
p udara ker ing = 29.7 − 0.54 = 29.16 in
58
Bahan Bakar Padat
Basis: 100 lbmol gas asap kering
O2 dari udara =
Udara kering yang dipakai =
100
× 80 lbmol
79
Air dari udara dalam gas buang =
0 .54 100
×
× 80 lbmol = 1 .88 lbmol
29 . 16 79
100 lbmol gas
Pada (5), tiap 100 lbmol gas asap, udara diperlukan = 1142.86 lbmol.
20 lb batubara dibakar, gas asap dihasilkan =
Tiap 100 lbmol gas asap kering
Asap
M(Cp )
∆T (0 F)
Kalor Sensibel
BTU/lbmol
760-74
BTU
10.8
10.5
686
78000
80.2
7.1
686
392000
Lbmol
Basah
CO2
CO
N2
}
(6) Volume udara diperlukan tiap menit:
Pada (2), itap 100 lb batubara, gas asap = 58.182 mol
= 5.5 lbmol 100 lbmol gas asap
Komposisi gas asap basah?
Gas
8. 9
× 100 % = 72 .06 %
21 . 25 − 8. 9
Batubara dibakar = 1200 lb/jam = 20 lb/menit
Jumlah air dalam gas asap
= ( 3. 62 + 1 .88 ) lbmol
O2 berlebih =
21
× 80 mol = 21.25 mol
79
100
× 58 . 182 mol
20
= 11.6364 mol
Udara diperlukan =
11 . 6364
× 1142 . 86 lbmol = 132.99 lbmol/meni t.
100
(7) Volume gas asap masuk cerobong /menit
= 11.6364 lbmol
O2
9.0
7.4
686
46000
H2 O
5.5
8.4
686
32000
105.5
548000
11 . 6364 lbmol × 0.7302 atm.ft 3 / lbmol. °R × ( 760 + 460 )° R
0 .5
29 .7 +
13 .6
atm
29 .92
= 10259ft 3 / menit
Tiap 1 lb batubara:
Kalor hilang sebagai kalor sensibel gas asap =
=
0. 064 548000
×
×`100 % = 22 .2 %
11
143500
(5) % udara berlebih yang dipakai untuk pembakaran:
Tiap 100 lbmol gas asap:
CO = 0.2 mol, perlu O2 untuk membentuk CO2 sebanyak 0.1 mol; O2 diberikan = 9.0
mol.
O2 berlebih = (9.0 – 0.1) mol = 8.9 mol
Udara dipakai =
100
× 80 mol = 1142.86 lbmol
79
59
Modul : Bahan Bakar Padat
47
Bahan Bakar Padat
Bahan Bakar Padat
Kandungan abu dan airnya rendah (5-10%). Kalau kandungan abunya tinggi,
biasanya dipakai pada “steam power plant”. Batubara yang berwarna hitam tidak
Contoh:
bersifat higroskopis.
1. Kayu dan sisa tumbuhan: kadar abu rendah, kadar air relatif tinggi (tergantung pada
3.3. Anthracite: batubara yang terjadi pada umur geologi yang paling tua. Struktur
spesies dan umur pohon, iklim, kondisi penyimpanan).
kompak, berat jenis tinggi, berwarna hitam metalik, kandungan VCM rendah,
Kandungan air = W
kandungan abu dan air rendah, mudah ditepung. Kalau dibakar, hampir seluruhnya
Nilai kalor (rumus pendekatan): Q L = (4400 − 50 W )
habis terbakar tanpa timbul nyala. Nilai kalor atas ≥ 8300 kkal/kg.
kkal
kg
Semi -anthracite mempunyai sifat antara bituminous coal dan anthracite.
Termasuk sis a tanaman: batang tebu, kulit buah, sekam, jerami, dll.
3.4. Shale, adalah hasil penguraian tumbuh-tumbuhan dan binatang mikroorganisme
2. “Peat”, bahan yang terbentuk dari dekomposisi dan disintegrasi tanaman graminae
di dasar rawa atau danau membentuk bahan seperti lumpur yang disebut
(seperti tebu, bambu, alang-alang) oleh tekanan air di dalam rawa. Kandungan
“sapropel”. Sapropel yang bercampur dengan sedimen mineral membentuk massa
abunya tergantung pada lumpur rawa. Bahan bersifat higroskopis. Kandungan airnya
yang kompak yang disebut “combustible shale”.
tergantung pada kondisi pengeringan, transportasi dan penyimpanan. Nilai kalor
Kadar abunya tinggi, VCM tinggi, nilai kalor rendah. Nilai kalor antara 1350-2700
bawahnya 1700-3000 kkal/kg.
kkal/kg. Batubara digolongkan menurut kandungan C-nya, dengan istilah “rank”.
3. Batubara (= Bahan Bakar Fosil)
“Rank” menunjukkan derajat perubahan komposisi kimiawi selama transisi dari
Berdasarkan asal dan umur geologisnya, digolongkan sebagai berikut:
selulosa menjadi grafit. Kalau rank rendah, derajat perubahan kimiawinya kecil,
- lignite,
kandungan VCM -nya rendah.
- bituminous coal,
Rasio bahan bakar (= fuel ratio) =
- anthracite.
3.1. Lignite: terbentuk dari tumbuh-tumbuhan yang mengalami karbonisasi atau
% FC
% VCM
Rasio bahan bakar untuk anthracite = 10-60
perkayaan akan kandungan C di bawah lapisan tanah dalam jangka waktu yang
semi -anthracite = 6-10
lama.
semi-bituminous = 3-7
Berdasarkan umur geologisnya digolongkan atas:
bituminous
= 0.5-3
3.5. Nilai Kalor Batubara
- pitch lignite: lebih muda daripada lignite,
- lignite.
* Rumus pendekatan Mendeleyev; berlaku juga untuk semua bahan bakar padat.
Kadar N, O, VCM, S dan air tinggi. Lignite bersifat higroskopis, nilai kalor bawah
Q L = 81 C + 246 H + 26 (O − S V ) − 6 W
sekitar 1500-4500 kkal/kg.
Q L = NHV = LHV = nilai kalor bawah (kkal/kg).
3.2. Bituminous coal: terbentuk pada periode geologi “carboniferous” dari tumbuhtumbuhan yang mengala mi karbonisasi. Nilai kalor 7000-8000
kkal/kg.
C, H, O,
SV , W : kandungan karbon, hidrogen, oksigen, belerang, air (% berat).
* Persamaan Calderwood; berlaku khusus untuk bituminous coal.
48
Bahan Bakar Padat
VCM
C = 5. 88 + 0 .00512 (Q H − 40 .5S ) ± 0 .0053 80 − 100
FC
- abu, bahan mineral yang tak dapat terbakar,
1.55
- H net , hidrogen yang terbakar oleh oksidator, tidak termasuk dalam H yang ada
C, VCM, FC, S = % berat karbon, VCM, FC, belerang dalam batubara.
dalam air eksternal dan air senyawa,
Q H = nilai kalor atas (BTU/lb).
H net = H total − H yang ekivalen dengan O ,
Semua
100
perhitungan
persentase
berdasarkan
“udara
kering”.
- C (karbon),
Kalau:
- belerang (S), nitogen (N), dll.
VCM
> 80 , tanda negatif.
FC
Proximate analysis: pengujian (laboratoris) terhadap bahan bakar padat
* Rumus Dulong; berlaku untuk semua batubara.
berdasarkan atas sifat komponen yang mudah membentuk gas (volatile matter) dan
O
Q H = 14544 C + 62028 H − + 4050 S
8
yang tidak mudah membentuk gas (non-volatile matter).
Data proximate analysis:
Q H = nilai kalor atas (BTU/lb)
- air eksternal,
C, H, O, S = fraksi berat karbon, hidrogen, oksigen, belerang
- VCM
= volatile combustible matter,
- FC
= fixed carbon = non-volatile combustible matter,
- abu
= mineral.
O
H − = fraksi berat “net hydrogen” =
8
H net
Air eksternal + VCM + FC + abu = 100%.
1
H net = total berat hidrogen - berat oksigen
8
Bahan yang dapat terbakar (BDT) = combustible matter = VCM + FC.
Perhitungan/analisis didasarkan pada:
* Q L = Q H − 8. 94 × H × 1050
- udara kering, atau
Q L , Q H dalam BTU/lb
- bahan yang dibakar.
H = fraksi berat hidrogen, termasuk H net , H dalam air kelembaban, H dalam air
senyawa.
Bahan Bakar Padat (Tambahan)
Analisa bahan bakar padat (khususnya batubara):
Yang dibicarakan umumnya batubara, meskipun ada beberapa industri
- ultimate analysis (analisis tuntas),
menggunakan kayu seperti genting. Industri kelapa sawit menggunakan tempurung
- proximate analysis (analisis pendekatan).
kelapa. Bahan bakar padat umumnya terjadi karena proses alami selama berjuta-juta
Ultimate analysis: menentukan komposisi unsur-unsur yang ada dalam bahan
bakar, yaitu: C, H, O, N, S, P, abu, dll. Data pada analisis tuntas:
0
- kandungan air eksternal, yang menguap pada suhu ≥ 100 C,
- kandungan air senyawa = air yang terbentuk dari H dan O yang jumlahnya
ekivalen,
tahun yang lalu dan umumnya mengandung C, H, O, N, S, P dan yang pokok C, H, O,
S.
Proximate analysis: analisis pendekatan, perhitungannya didasarkan pada :
- udara kering (analisa orsat), atau
- bahan bakar yang dibakar (contoh: 100 kg, 1 mol).
49
Bahan Bakar Padat
Contoh Soal
- karbon;
Sisa pembakaran = refuse :
- kering,
- hidrogen yang terbakar = hidrogen net atau “available hydrogen”, yaitu H yang
- VCM,
tidak termasuk dalam air (“moisture:”) maupun air senyawa (“combined water”);
- FC,
- sulfur, biasanya dalam jumlah kecil;
- abu.
- nitrogen, juga dalam jumlah kecil, yaitu antara 1-3%.
Abu terpisah karena abu adalah bahan yang tidak dapat terbakar sehingga abu jika
Hidrogen net adalah jumlah seluruh hidrogen dalam bahan bakar dikurangi dengan
diketahui jumlahnya dapat digunakan/dijadikan sebagai basis.
hidrogen yang ekivalen dengan oksigen yang ada dalam bahan bakar.
VCM
Kalau
FC
Analisa Pendekatan (“Proximate Analysis”)
VCM
=
batubara FC
maka ada sebagian dalam batubara yang tidak
refuse
Analisa ini adalah pengujian laboratoris terhadap bahan bakar padat
terbakar.
VCM
VCM
Kalau
≠
maka sebagian batubara hampir habis terbakar.
FC batubara FC refuse
=
1 BTU/lb 0 F
=
yaitu:
- kandungan air,
Dalam perhitungan nilai kalor batubara:
1 kal/kg
didasarkan pada sifatnya yang dapat/mudah menguap atau membentuk gas (“volatile”),
1.8 BTU/lb
- kandungan bahan yang dapat terbakar dan mudah membentuk gas = “volatile
combustible matter” = VCM,
kal/gr0 C
→ satuan c p
Semua H2 O ikut gas buang artinya tidak ada air yang menetes di dapur (“combustion
- kandungan bahan yang dapat terbakar dan tidak mudah membentuk gas = “nonvolatile combustible matter” = karbon tetap = fixed carbon = FC,
- kandungan abu.
chamber”).
Jumlah air + VCM + FC + abu = 100%
Istilah-Istilah Penting pada Bahan Bakar Padat
Combustible = VCM + FC
= bagian yang berperan sebagai bahan bakar.
Analisa Tuntas (“Ultimate Analysis”)
Analisa ini menentukan susunan unsur-unsur yang ada di dalam bahan bakar,
* Penentuan berat VCM: pembakaran cuplikan kering di dalam krus tertutup pada suhu
9500 C selama 7 menit.
yaitu: C, H, O, N, S, P, dll., serta abu. Analisa ini digunakan untuk menentukan atau
Pengurangan berat cuplikan = berat air senyawa + hidrogen + karbon yang mudah
mengetahui struktur senyawa atau kemurnian senyawa.
membetuk gas = berat kandungan VCM.
Data analisa tuntas meliputi:
- kandungan air: merupakan pengurangan berat cuplikan/sampel pada pemanasan
0
dengan suhu 105 C;
- kandungan air senyawa : ekivalen dengan kandungan oksigen;
Hidrogen dan karbon yang mudah membentuk gas adalah hidrokarbon yang terkandung
dalam batubara.
Keseluruhan bahan yang tertinggal setelah pembakaran di atas adalah campuran FC
dan abu.
50
Bahan Bakar Padat
* Abu: residu yang tertinggal setelah pembakaran sempurna dalam udara terbuka pada
0
suhu 725 C = konstituen mineral dalam bahan bakar secara kimia.
* Refuse: sisa pembakaran yang dikeluarkan dari dapur atau ruang pembakaran, yaitu
bahan yang tidak ikut terbakar (“unburnt combustible matter”). Jumlah refuse beragam
menurut beragamnya jumlah bahan yang tidak ikut terbakar. Banyaknya bahan yang
37
VCM
=
= 0 .673
55
FC batubara
VCM
FC
24
=
= 0 .667
refuse 36
}
jadi
VCM
VCM
=
FC batubara FC refuse
tidak ikut terbakar tergantung pada sistem pembakaran dan metoda pembakaran.
C
C
Jadi:
=
VCM + FC batubara VCM + FC refuse
Contoh Soal
Karbon dalam refuse =
gas buang
N2 = 80.58%
CO2 = 11.80%
CO = 1.42%
O2 = 6.00%
SO2 = 0.20%
batubara
0 . 7 × 0. 6
× 15 lb = 6.85 lb.
(0 .37 + 0 .55 )
(3) Berapa jumlah lbmol gas buang (kering) tiap 100 lb batubara?
Karbon dalam gas buang = 70 – 6.85 = 63.15 lb
=
63 .15
lbmol = 5 .2625 lbmol
12
Gas buang = y lbmol
dapur
C dalam gas buang = 0.1180y + 0.0142y = 0.1322y
0.1322y = 5.2625 lbmol
Udara
250 C, 1 atm
kelembaban = 80%
Sisa pembakaran = refuse
kering
VCM = 24%
FC = 36%
Abu = 40%
y = 39 . 807 lbmol
(4) Jumlah lbmol udara digunakan tiap 100 lb batubara ?
N2 dalam gas buang berasal dari udara.
Batubara masuk dapur : 100 lb/jam;
N2 = 80.58% = 0.8085 × 39.807 lbmol = 32.0765 lbmol
mengandung: C = 70%, VCM = 37%, FC = 55%, abu = 6%, H2 O = 2%.
Asumsi : batubara tidak mengandung N.
(1) Berat sisa pembakaran tiap 100 lb batubara dibakar?
Abu dalam batubara = 6 lb.
Udara digunakan untuk membakar batubara =
Semua abu dalam batubara, setelah pembakaran akan tertinggal dalam sisa pembakaran
(5) Nilai kalor batubara?
(atau refuse).
Rumus Calderwood:
Abu dalam refuse = 40% = 6 lb.
Refuse =
100
× 6 lb = 15 lb.
40
(2) Berapa karbon dalam refuse tiap 100 lb batubara dibakar?
100
× 32 .0765 lbmol = 40.60 lbmol .
79
VCM
C = 5. 88 + 0 .00512 (Q H − 40 .5 S ) ± 0 .0053 80 − 100
FC
1.55
C, S, VCM, FC dalam % berat.
Q H dalam BTU/lb.
51
Bahan Bakar Padat
SO2 dalam gas buang = 0.20% = 0.2 ×10− 2 × 39. 807 lbmol
Komposisi Gas Buang dan Unsur-Unsur dalam Gas Buang
S dalam gas buang = SO2 dalam gas buang
Gas Buang
y lbmol
Lbmol C
Lbmol O2
Lbmol N2
N2
0.8058 y
-
-
0.8058 y
CO2
0.1180 y
0.1180 y
0.1180 y
-
CO
0.0142 y
0.0142 y
0.0071 y
-
O2
0.0600 y
-
0.0600 y
-
SO2
0.0020 y
-
0.0020 y
-
Jumlah
1.0000 y
0.1322 y
0.1871 y
0.8058
= 79.6 × 10− 3 lbmol
= 79.6 ×10− 3 × 32 lb = 2.5472lb
24 + 36
× 15 lb = 9 lb
100
Berat (VCM + FC) dalam refuse =
Berat (VCM + FC) yang terbakar membentuk gas buang = (37 + 55) – 9 = 83 lb.
VCM
Karena
FC
VCM
=
batubara FC
,
refuse
Asumsi: semua N2 dalam gas buang berasal dari udara.
S
S
S
maka
=
=
VCM
+
FC
VCM
+
FC
VCM
+
FC
batubara
refuse
terbakar
O2 tak terhitung = 0.2142y – 0.1871y = 0.0271y lbmol
Kalau batubara tidak mengandung oksigen, maka O2 tak terhitung bereaksi dengan
100 lb b. b.
H net membentuk H2 O.
Kadar S dalam batubara = 2.8234%
H2 O terbentuk = 2 × 0.0271y
Persamaan Calderwood:
1.55
37
70 = 5 .88 + 0. 00512 {Q H − ( 40 .5)( 2.8234 )} ± 0 .0053 80 − 100
55
70 − 5 .88 + 0. 5855 − 0 .2733
QH =
= 12584 . 41 BTU/lb
0. 00512
(6) Kadar net hidrogen dalam batubara:
H net = kadar H yang tidak punya pasangan O (oksigen) dalam bahan bakar untuk
membentuk H2 O.
H net membentuk H2 O dengan O dari udara.
21
× 0 .8058 y = 0 .2142 y
79
O2 terhitung = 0.1871y
S
2 .5472
=
= 0. 0307
83
VCM + FC terbakar
S dalam batubara = 0.0307 × (37+55) = 2.8234 lb
O2 dari udara =
H net = 2 × 2 × 0.0271y = 0.1084y lbmol
y = 39.807 lbmol
H net = 0.1084 × 39.807 lbmol = 4.315 lbmol
= 4.315 lb tiap 100 lb batubara
= 4 . 315 %
(7) Kadar uap air dalam gas buang, jika semua H2 O ikut gas buang terdiri dari:
a. H2 O terkandung dalam batubara?
b. H2 O terbentuk dalam pembakaran antara H net dengan O2 dari udara?
c. H2 O terbentuk dalam pembakaran antara H dan O yang ada dalam
batubara?
d. H2 O dari kelembaban udara?
52
Bahan Bakar Padat
Jadi , dari hasil perhitungan:
Untuk menghitung Q L , digunakan rumus Dulong, hitung dulu Q H , lalu hitung
a. H2 O terkandung dalam batubara = 2% = 2 lb.
QL .
lb
b. = 2 × 0 .0271 × y = 2 × 0 .0271 × 39 .807 lbmol × 18
= 38.836 lb.
lbmol
c. = 0
Q L = Q H − 8 .94 × H × 1050
d. = H2 O dari kelembaban udara.
p
H2 O maks,250 C
80 % = 0 .80 =
= 0 .4744 lb/in 2 (lihat di “steam table”).
p
p
=
H 2O maks, 250 C
H−
O
= H net = 4 .315 %
8
S = 2.8234%, C = 70%
p
0 .4744
Q H = 14544 ( 0. 70 ) + 62028 ( 0 .04315 ) + 4050 ( 0. 028234 ) = 12971 .66 BTU/lb
H tot = H net + H kelembaban(H air eksternal)
p = 0. 80 × 0 .4744 = 0 .3795 lb/in 2 .
H2 O = 2% = 2.lb/100 lb batubara
p = tekanan uap air dalam udara.
Fraksi H2 O dalam udara =
O
Q H = 14544 C + 62028 H − + 4050 S, BTU/lb
8
2
H = × 2 lb /100 lb batubara = 0.4444
18
p
0 .3795
=
= 0 .0265
bar − p 14 .696 - 0.3795
H2 O dari udara = 0 .0265 × 40 .60 lbmol = 1.0759 lbmol = 19.366 lb
H total = 4 .315 + 0. 4444 = 4 .7594 %
H2 O dalam gas buang = (2 + 38.836 + 0 + 19.366) lb
Q L = 12971 .66 − 8 .94 × 0. 047594 × 1050 = 12524 .895 BTU/lb
Kalor yang terkandung dalam gas buang = 0.4 × 12524.895
= 60.20 lb dalam 39.807 lbmol
= ? lb/cufts
= 5009.958 BTU/lb batubara
= ? gr/l standar.
= 500995.8 BTU/100 lb batubara.
(8) Kalau 60% kalor hasil pembakaran hilang (diserap dinding dapur, di refuse, karena
{
5009.958 = 0. 8058c p,N 2 + 0.1180cp,CO 2 + 0. 0142c p,CO + 0. 06cp ,O2 + 0.002c p,SO2
radiasi, dll.), berapa suhu gas buangnya setelah keadaan tunak?
Tiap 1 lb batubara dibakar, kalor untuk menaikkan suhu (yang dibawa oleh) gas
buang = 40% = 0 .4 × 12584 .41 BTU
lb
× 100 lb = 503376.4 BTU
100 lb
Dalam perhitungan untuk mendapatkan suhu nyala, suhu gas buang, dll. dari kalor
yang dapat dimanfaatkan, biasanya diambil Q L (bukan Q H ). Dalam perhitungan
ini dipakai Q H .
×
(
)
(
39 .807
60 .20
× Tf − 25 0 C +
cp, H O × Tf − 25 0 C
2
100
18 × 100
)
Karena cp merupakan fungsi T, maka mencari Tf dihitung dengan integrasi atau
dengan “trial-error” untuk T. Suhu ruang bakar (combustion chamber) kira -kira =
suhu gas buang yang menuju stack.
(9) Berapa % kalor hilang karena adanya “combustible” dalam refuse?
53
}
Bahan Bakar Padat
Berat refuse = 15 lb
(VCM
- Nilai kalor batubara dihitung dengan rumus pendekatan, seperti persamaan
+ FC )refuse = ( 0 .24 + 0 .36 ) × 15 = 9 lb
Berat (VCM + FC )batubara = (37 + 55 ) = 92 lb
% kalor hilang (tak termanfaatkan) =
Calderwood.
batubara
100 lb batubara
Q kal/menit
9
× 100 % = 10 .86 %
92
(10) Berapa kg “steam” suhu 2000 C dapat dihasilkan dari dapur ini tiap jam? Tekanan
steam = 1 atm, efisiensi boiler = 60%? Kerjakan di rumah!
(11) Berapa % kalor hilang seandainya sisa pembakaran pada pembakaran batubara
100 kg/menit
efisiensi=
60%
100 kg/menit steam
(1100 C, 1.1 atm)
250 C
tersebut mempunyai komposisi FC = 54%, VCM = 6%, abu = 40%, H2 O = 0%?
rugi kalor = 40% Q
- Komposisi dan kondisi gas asap serta refuse tak diperlukan untuk menghitung
Soal:
CO2 = 11.80%
gas asap: CO = 1.42
9000 C N2 = 80.58
O2 = 6.20
bahan bakar
Dapur
Boiler
berat batubara yang diperlukan tiap jam.
Rugi kalor = 40%, terdiri dari:
- kalor yang terkandung dalam gas asap,
- kalor yang terkandung dalam refuse,
- radiasi kalor ke lingkungan.
- Suhu acuan = 250 C, tekanan acuan = 1 atm.
VCM = 5 %
Refuse: FC = 64%
2000 C abu = 30%
air
=1%
udara
250 C
H=80%
Kalor untuk menghasilkan 100 kg steam/menit, suhu steam 1100 C dan tekanan =
1.1 atm terdiri dari:
- Kalor untuk menaikkan suhu 100 kg air, 250 C menjadi air 100 kg, suhu
0
Boiler menghasilkan “saturated steam” (110 C, 1.1 atm) sebanyak 100 kg/menit.
Kalor tak termanfaatkan dari proses pembakaran = 40%; dengan catatan bahwa air
masuk boiler suhu 250 C dan boiler sudah panas (steady state).
Batubara mempunyai komposisi: VCM = 38%, FC = 44%, abu = 8%, air = 10%, kadar
C = 66%.
(1) Massa (kg) batubara diperlukan tiap jam.
Penyelesaian:
- Dianggap tak ada penyerapan kalor dari proses pembakaran oleh peralatan
1000 C.
air: 100 kg, 250 C → 100 kg, 1000 C
mc pa ÄT = 10 5 × 1 × 75 kal = 7.5 × 10 6 kal
- air: 100 kg, 1000 C → steam: 100 kg, 1000 C, 1 atm
m ÄH v = 10 5 × 540 kal = 54 × 10 6 kal
- steam: 100 kg, 1000 C, 1 atm → steam: 100 kg, 1100 C, 1 atm
boiler.
54
Bahan Bakar Padat
10 6 ( 7. 5 + 54 + 0 .496 + 61 . 565 ) kal 18970
=
gram
0. 6
0 .6 × 6513 .31 kal
gram
mc ps ÄT = 10 5 × 0. 496 × 10 kal = 0.496 × 10 6 kal
- steam: 100 kg, 1100 C, 1.0 atm → steam: 100 kg, 1100 C, 1.1 atm
d ln p
ÄH
=
;
dT
RT 2
p
ÄH 1
1
−
ln 2 =
p1
R T1 T2
Kebutuhan bahan bakar tiap jam =
(2) Kalor terbuang karena combustible yang tersisa dalam refuse (dalam %).
ÄH 1
1
ln 1 .1 =
−
1 .987 373 383
ÄH = 1361 .749
FC
44
=
= 1 .1579 ;
VCM batubara 38
kal
mol
H 2 − H1 = 75 .65
FC
VCM
kal
gram
m × ÄH = 10 5 × (540 + 75 .65 ) = 61 .565 × 10 6 kal
Total kalor diperlukan = 10 6 (7 .5 + 54 + 0 .496 + 61 .565 ) kal
= 123 .56 × 10 6 kal
menit
(FC VCM )refuse 12.8
(FC VCM )batubara = 1.1579 = 11 .05 > 9
Jadi combustible dalam refuse ≈ kokas ≈ C.
menit
Berat refuse =
1.55
=
97000 kal
= 8083 .33 kal
gr
gr
12
3800
66 = 5 .88 + 0. 00512 ( Q − 40 . 5 × 0 ) ± 0 .0053 80 −
44
60 . 02667
= 11723 .96 BTU = 6513 .31 kal
lb
gram
0 .00512
100
× 8 kg = 26.6667 kg
30
Berat combustible dalam refuse = 0.69 × 26.6667 kg = 18.4kg
1.55
Berat FC dalam refuse = 0.64 × 26.6667 kg = 17.07 kg
Kalor terbuang dapat dihitung atas dasar combustible dalam refuse, dapat pula atas
dasar FC dalam refuse. Kita ambil atas dasar FC dala m refuse:
Kalor terbuang =
Efisiensi dapur = 60%
Kalor efektif batubara = 6513 .31 × 0.6 = 3907 .99
gmol
Basis: 100 kg batubara dibakar.
VCM
C = 5. 88 + 0 .00512 (Q − 40 .5 S ) ± 0. 0053 80 − 100
FC
Kebutuhan bahan bakar tiap menit =
64
=
= 12 .8
refuse 5
H karbon = 97000 kal
Persamaan Calderwood:
Q=
60
× 18 .970 kg = 1897 kg
0. 6
kal
gram
17 .07
× 100 % = 17 .07 %
100
(3) Kalor terbuang karena suhu refuse yang dikeluarkan dari “ash pit” = 2000 C (masih
panas).
Catatan: c p, steam pada 1000 C, 1 atm = 2.080 kJ/kg 0 K (Perry, hal. 235)
c p, steam pada 1000 C, 1 atm = 2.080 × 0.239 kal/gr0 K
55
Bahan Bakar Padat
= 0.496 kal/gr0 K
“Ultimate analysis” menunjukkan kadar: C = 78.76%, S = 0.78%, dan N = 1.3%.
1 joule = 0.239 kal
Refuse mengandung: VCM = 4%, FC = 21%.
Kalau c p, refuse antara T =25 C – 200 C rata-rata = 0.3 kal/gr K
Udara di lingkungan rang boiler suhunya 740 F, kelembaban = 65%, barometer = 29.7
Kalor hilang di refuse bersuhu 2000 C =
in.
0
=
1897
100
× 26 . 6667 kg × 0.3
0
kkal
kg 0K
0
× 175 0K = 26558 kkal
(4) Total kalor terbuang di refuse.
Nilai kalor batubara = 6531.13 kal/gr
Kalor yang masuk dapur tiap jam dari batubara
= 1397 × 6531.13 kkal = 1239× 104 kkal
Kalor yang terbuang karena combustible tersisa di refuse tiap jam
Hitung! 1. Kalor terbuang karena adanya “combustible” yang tak terbakar, (%).
2. Kalor terbuang karena adanya CO dalam gas asap, (%).
3. Kalor dari batubara untuk menguapkan seluruh H2 O yang terbentuk pada
prosespembakaran, dalam %.
4. Kalor terbuang sebagai kalor sensibel gas asap, dalam %.
5. % udara berlebihan dipakai untuk pembakaran.
6. Volume udara (kondisi standar) diperlukan tiap menit.
7. Volume gas asap masuk cerobong
= 0.1707 ×1239× 104 kkal = 211. 49 ×104 kkal
Total kalor terbuang di refuse
= ( 26558 + 2114900 ) kkal = 2141458 kkal
(5) Kalor terbuang di gas asap dan radiasi tiap jam
= 0 .4 × 1239 × 10 4 − 214 .1458 × 10 4 = 281 .55142 × 10 4 kkal = 2815542 kkal
(6) Kalor terbuang di gas buang
=
T2
∫ m i cp, i dT
T1
Contoh Soal (dari Lewis & Radasch, Industrial Stoichiometry)
Gas asap dari dapur boiler mempunyai komposisi: CO2 = 10.8%, O2 = 9%, CO = 0.2%,
N2 = 80.0%. Gas masuk stack pada suhu 7600 F dan pada tekanan dorong = 0.5 in H2 O.
Batubara yang dibakar = 1200 lb/jam. Analisis pendekatan (proximate analysis)
batubara: uap air = 1.44%, VCM = 34.61%, FC = 57.77%, abu = 6.18%. Nilai kalor =
14350 BTU/lb.
Penyelesaian
- Komposisi gas asap ditentukan dari bahan bakar yang terbakar.
- Hubungan antara bahan bakar yang dibakar dengan yang terbakar dapat diketahui
dari analisis bahan bakar dan analisis refuse.
- Dari analisis gas buang dapat diketahui hubungan antara hidrogen net ( H net ) dengan
karbon C.
Basis: 100 lb batubara.
Batubara: VCM
FC
= 34.61
= 57 . 77
Combustible = 92.38
Carbon
= 78.76
C
78 . 76
=
= 0. 853
combustile 92 . 38
VCM
34 .61
=
= 0. 375
combustble 92 . 38
Jika refuse = 100 lb
56
Bahan Bakar Padat
VCM =
FC
4 lb
lb
= 21 lb
C (total)
combustible = 25 lb
abu
C dalam refuse =
= 75 lb
Combustible yang tidak membentuk kokas =
4
= 10 .7 lb
0. 375
Kokas (≈ karbon) = 25 – 10.7 = 14.3 lb
= 78.76
= 1.93
6. 18
× 23 .4
75
C dalam gas asap = 78.76 – 1.93
= 76.83
= 6.40 mol
C sebagai batubara tak membentuk kokas dalam refuse =
Karbon dalam combustible yang tak membentuk kokas = 10.73 × 0.853 = 9.1 lb
C yang sebanding dengan H net dalam gas asap = 78.76 – 0.75
Total C = (14.31 + 9.1) lb = 23.4 lb
Jika gas asap kering = 100 lbmol
Gas
Mol
H net yang membentuk H2 O dalam gas asap =
Mol C
Mol O2
CO2
10.8
10.8
10.8
CO
0.2
0.2
0.1
O2
9.0
-
N2
80.0
-
-
11.0
19.9
100.0
H net dalam refuse =
5. 45
× 76 .83
132
= O2 terhitung
S
0.78 ¢
O2 tak terhitung = 21.25 – 19.9 = 1.35 mol
N
1.30 ¢
O2 ini membentuk H2 O dengan H net yang ada dalam batubara.
abu
6.18 ¢
H2 O terbentuk = 2 × 2 × 1.35 = 5.4 lb
H2 O eksternal
1.44 ¢
H net yang terbakar = 2.02 × 2 × 1.35 = 5.45 lb atau (2 × 1.35) lbmol = 2.7 lbmol
total
= 91.66
C yang terbakar = 11.0 × 12 = 132 lb
Combined H2 O
= 8.34 (100 – 91.66)
⇒ dicari untuk mengetahui air yang ada di dalam gas
buang, karena dalam gas buang masih tersedia air.
Basis: 100 lb batubara
= 3.17
= 1.57 mol
= 3.2005
78.76 ¢
3.20
H net yang terbakar 5. 45
=
C yang terbakar
132
= 78.01
Analisis Batubara (dalam 100 lb batubara)
H net
21
× 80 . 0 = 21 . 51
79
= 0.75
= 0.0305
3 .17
× 0. 75
78 .01
Total H net dalam batubara = 3.17 + 0.0305
9.0
C
O2 dari udara =
6. 18
× 9 .1
75
= 0.08 mol
= 100
Combined H2 O dalam gas asap =
8 .34
× 78 .01 = 8 .26 lb = 0.46 mol
78 .76
Total H2 O dalam gas buang yang berasal dari batubara:
57
Bahan Bakar Padat
- H2 O terbentuk dari H net
= 1.57 mol
- H2 O eksternal
= 0.08 mol
- combined H2 O
= 0.46 mol +
= 2.11 mol
(1) % kalor hilang karena combustible yang tak terbakar:
Kalor hilang karena combustible tak terbakar tiap lb batubara terdiri dari:
- kalor hilang karena batubara tak terbakar,
- kalor hilang sebagai kokas.
Kalor hilang karena batubara tak terbakar:
Tiap 1 lb batubara:
Mol gas buang =
100 lb batubara
100
× 6. 40 mol = 58 .182 mol
11
Mol CO dalam gas buang =
0. 2
× 58 . 182 mol = 0.1164 mol
100
Nilai kalor CO = 68300 kal/gmol
Kalor hilang karena adanya CO = 0 .1164 × 68300 × 1 .8 = 14310 . 2 BTU
Tiap 1 lb batubara, kalor hilang =
143 . 102
× 100 % = 1 %
14350
(3) Kalor terbuang untuk menguapkan air yang terbentuk:
Berat combustible dalam refuse yang tak membentuk kokas
10 .7
=
× 0 .0618 lb = 8.817 × 10 -3 lb
75
Berat combustible dalam batubara (= VCM + FC) = 0.9238 lb
Fraksi batubara yang tak termanfaatkan
=
C dalam gas asap 6 .40 mol
8 .817 × 10 −3
= 9 .544 × 10 − 3 × 100 % = 0. 95 %
0. 9238
Air
dalam
= 2. 11 lbmol
gas
buang
100 lb batubara
yang
= 2. 11 × 18 × 1052 BTU
Kalor terbuang (rugi kalor) = 2. 11 × 18 × 1052 =
berasal
dari
batubara
100 lb batubara
2 .11 × 18 × 1052
× 100 % = 2 .79 %
100 × 14350
(4) Kalor terbuang sebagai kalor sensibel gas asap:
- Hitung jumlah gas asap bas ah.
- Air dalam gas asap berasal dari air yang terbentuk dan air dari kelembaban udara,
dan air eksternal, serta combined water.
Kalor hilang sebagai kokas (=C)
Kokas dalam refuse =
Nilai kalor C =
14 .3
× 0 .0618 = 0 .01178 lb
75
97000 kal 1 .8 BTU/lb
BTU
×
= 14550
12 gram kal / gram
lb
Kalor yang hilang sebagai kokas = 0.01178 × 14550 BTU/lb = 171.446 BTU
= 171.446 BTU =
171 . 446
× 100 % = 1 .19 %
14350
Total kalor hilang = (0.95 + 1. 19)% = 2.14%
(2) Kalor hilang karena adanya CO dalam gas buang:
Air terbentuk + air eksternal + combined H2 O = 2.11 lbmol tiap 100 lb batubara
=
2 .11
100 lbmol
×
= 3.62 mol
100 lbmol gas asap kering
100 mol gas asap kering
100 58 .182
Udara untuk pembakaran: H = 65%, T = 740 F, bar = 29.7 in.
Dari tabel, p 0air, 74 0 F = 0.84 in Hg
H = 65 % =
0
p air
p air, 740 F
=
p air
0 .84 in
p air = 0 .65 × 0 .84 = 0 .54 in
p udara ker ing = 29.7 − 0.54 = 29.16 in
58
Bahan Bakar Padat
Basis: 100 lbmol gas asap kering
O2 dari udara =
Udara kering yang dipakai =
100
× 80 lbmol
79
Air dari udara dalam gas buang =
0 .54 100
×
× 80 lbmol = 1 .88 lbmol
29 . 16 79
100 lbmol gas
Pada (5), tiap 100 lbmol gas asap, udara diperlukan = 1142.86 lbmol.
20 lb batubara dibakar, gas asap dihasilkan =
Tiap 100 lbmol gas asap kering
Asap
M(Cp )
∆T (0 F)
Kalor Sensibel
BTU/lbmol
760-74
BTU
10.8
10.5
686
78000
80.2
7.1
686
392000
Lbmol
Basah
CO2
CO
N2
}
(6) Volume udara diperlukan tiap menit:
Pada (2), itap 100 lb batubara, gas asap = 58.182 mol
= 5.5 lbmol 100 lbmol gas asap
Komposisi gas asap basah?
Gas
8. 9
× 100 % = 72 .06 %
21 . 25 − 8. 9
Batubara dibakar = 1200 lb/jam = 20 lb/menit
Jumlah air dalam gas asap
= ( 3. 62 + 1 .88 ) lbmol
O2 berlebih =
21
× 80 mol = 21.25 mol
79
100
× 58 . 182 mol
20
= 11.6364 mol
Udara diperlukan =
11 . 6364
× 1142 . 86 lbmol = 132.99 lbmol/meni t.
100
(7) Volume gas asap masuk cerobong /menit
= 11.6364 lbmol
O2
9.0
7.4
686
46000
H2 O
5.5
8.4
686
32000
105.5
548000
11 . 6364 lbmol × 0.7302 atm.ft 3 / lbmol. °R × ( 760 + 460 )° R
0 .5
29 .7 +
13 .6
atm
29 .92
= 10259ft 3 / menit
Tiap 1 lb batubara:
Kalor hilang sebagai kalor sensibel gas asap =
=
0. 064 548000
×
×`100 % = 22 .2 %
11
143500
(5) % udara berlebih yang dipakai untuk pembakaran:
Tiap 100 lbmol gas asap:
CO = 0.2 mol, perlu O2 untuk membentuk CO2 sebanyak 0.1 mol; O2 diberikan = 9.0
mol.
O2 berlebih = (9.0 – 0.1) mol = 8.9 mol
Udara dipakai =
100
× 80 mol = 1142.86 lbmol
79
59