Teknik Pembakaran dan Bahan Bakar

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   ka lor.   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
  • 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 te naga 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”.

Pembakaran

Pembakaran adalah reaksi kimia yang cepat antara oksigen dan bahan  yang dapat terb akar, disertai timbulnya cahaya dan menghasilkan kalor.

Pembakaran spontan adalah pembakaran dimana bahan mengalami oksidasi  perlahan- lahan  sehingga  kalor  yang  dihasilkan  tidak  dilepaskan,  akan  tetapi  dipakai  untuk menaikkan suhu bahan secara pelan-pelan s ampai mencapai suhu nyala.

Pembakaran  sempurna  adalah  pembakaran  dimana  semua  konstituen  yang   dapat terbakar di dalam bahan bakar membentuk gas CO2, air (= H2O) dan gas SO2, sehingga tak ada lagi bahan yang dapat terbakar tersisa.

Komposisi Bahan Bakar

Bahan bakar fosil dan bahan bakar organik lainnya umumnya tersusun  dari unsur-unsur  C  (karbon),  H  (hidrogen),  O  (oksig en),  N  (nitrogen),  S  (belerang),  P (fosfor) dan unsur-unsur lainnya dalam jumlah kecil, namun  unsur-unsur kimia yang penting adalah C, H dan S, yaitu unsur-unsur yang jika  terbakar menghasilkan  kalor, dan disebut sebagai “bahan yang dapat terbakar” atau “combustible matter”, disingkat dengan BDT.

Unsur-unsur  lain  yang  terkandung  dalam  bahan  bakar  namun  tidak  dapat terbakar adalah O, N, bahan mineral atau abu dan air. Komponen-komponen ini disebut sebagai “bahan yang tidak dapat terbakar” atau   “non -combustible matter”,  disingkat dengan non-BDT.

Secara singkat komposisi bahan bakar padat dinyatakan menurut:

1. Analisis pendekatan  (proximate analysis), yaitu kandungannya  akan BDT,  air, abu.

BDT terdiri dari:

  • bahan yang bila terbakar membentuk gas atau uap, yait u gas CO2, CO, SO2, uap air. Bahan ini disingkat dengan BTG.
  • bahan  yang  jika  terbakar  tidak  membentuk  gas,  dan  pembakaran  lebih  lanjut terhadap bahan ini menghasilkan kokas. Bahan ini disebut “karbon  tetap” atau “fixed carbon” disingkat KT.

Setelah proses pembakaran:

  • BTG:   terbakar   menghasilkan   gas -gas  CO2,   CO,   SO2,   dan  uap  air   yang keluar sebagai gas asap atau gas buang.
  • non-BDT: unsur O dan N membentuk gas -gas oksigen (O2) dan nitrogen  (N2), dan keluar sebagai gas asap. Komponen abu tetap tinggal di ruang pembakaran, ditampung oleh  penampung  (“ash  pit”),  dan keluar  sebagai  sisa  pembakaran (“refuse”) disingakt SB.
  • KT:   terbakar   membentuk   kokas.   Kokas   mempunyai    kandungan    karbon mendekati 100%.

b. Analisis   tuntas   (ultimate  analysis),   yaitu  komposisi   bahan  sampai   unsur- unsurnya, seperti kandungan C, H, O, N, S, abu dan air. Air yang  terkandung dalam bahan bakar mencakup:

  • air yang menempel secara mekanis.
  • air senyawa, yaitu air yang dapat terbentuk jika unsur O dan H dalam bahan bakar mempunyai perbandingan stoikiometeris.

Bahan  bakar  cair terdiri  dari seyawa  hidrokarbon  atau campuran  beberapa macam senyawa hidrokarbon.  Pada minyak bumi, kandungan  hidrokarbon terdiri dari C5     sampai  C16,  meliputi  seri  parafin,  napftena,  olefin  dan  aromatik.  Hidrokarbon-hidrokarbon  tersebut  kadang-kadang  merupakan  senyawa  ikatan  dengan   belerang, oksigen dan nitrogen, yang jumlahnya beragam.

Bahan-bahan  gas  terdiri  dari  campuran  senyawa -senyawa  C  dan  H  yang mudah terbakar  (CH4,   C2H6,  C2H4,  C2H2, CO,  H2    dan lain -lain), serta  gas -gas yang tidak  terbakar  (N2,  CO2,  SO2).  Senyawa  C  dan  H  tersebut  tidak  selalu  senyawa hidrokarbon (CO, H2). Contoh bahan bakar gas adalah gas  alam  yang  merupakan  campuran  gas -gas parafin  hidrokarbon  jenuh  seperti metana, etana, gas nitrogen, gas karbon dioksida, dan lain -lain.

Kandungan air di dalam bahan bakar cair dan bahan bakar gas terbats pada harga nisbi menurut  kelarutanair   di  dalam   cairan   dan  dalam   gas  tersebut.   Kandungan   air, kandungan abu dan kandungan belerang dalam bahan baka r sangat menentukan mutu bahan bakar tersebut, karena bahan-bahan tersebut mempengaruhi besarnya nilai kalor dan sekaligus menentukan spesifikasinya.

Spesifikasi Bahan Bakar

Spesifikasi bahan bakar yang terpenting adalah:

a. Nilai Kalor atau “Heating Value” atau “Calorific Value” atau Kalor Pembakaran.

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 atas atau “gross heating value” atau “higher heating value” adalah kalor yang dihasilkan oleh pembakaran sempurna satu satuan berat bahan  bakar padat atau cair, atau satu satuan volume bahan bakar gas, pada tekanan tetap, suhu 250C, apabila semua air yang mula -mula berwujud cair setelah pembakaran mengembun menjadi cair kembali.

Nilai kalor bawah atau “net heating value” atau “lower heating value” adalah kalor yang besarnya sama dengan nilai kalor atas dikurangi kalor yang  diperlukan oleh air yang terkandung dalam bahan bakar dan air yang  terbentuk dari pembakaran bahan  bakar  untuk  menguap  pada  25 derajat Celcius  dan  tekanan  tetap.  Air  dalam  sistem, setelah pembakaran berwujud uap air pada 25 derajat Celcius.

b. Kandungan Air di dalam Bahan Bakar

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  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.

c. Kandungan Abu

Abu yang terkandung  dalam  bahan  bakar  padat  adalah  mineral  yang tak  dapat terbakar (non-BDT)  yang  tertinggal  setelah  proses  pembakaran  dan  perubahan-perubahan atau reaksi-reaksi yang menyertainya selesai. Abu berperan menurunkan mutu bahan bakar karena  menurunkan nilai  kalor. Di dalam  dapur atau dalam generator gas, abu dapat meleleh pada suhu tinggi, menghasilkan massa yang disebut “slag”. Sifat kandungan abu dapat ditandai oleh perubahan-perubahan yang terjadi bila suhunya naik. Kalau suhu diberi lambang t, maka:

  • t1  = suhu pada saat abu mulai deformasi
  • t2  = suhu pada saat abu mulai lunak
  • t3  = suhu pada saat abu mulai mencair

Kalau abu meleleh pada suhu t3 < 13000C, maka abu bertitik leleh rendah. Kalau abu meleleh pada suhu 13000C < t 3  < 14250 C; abu bertitik leleh sedang. Kalau abu meleleh pada suhu t3  > 14250 C; abu bertitik leleh tinggi.

Slag dapat menutup aliran udara yang masuk di antara batang-batang rooster (kisi- kisi)  dalam  ruang  pembakaran,  menutupi  timbunan  bahan  bakar  dan  merusak dapur, serta abu yang terbawa oleh gas asap mengikis bidang pemanasan ketel.

d. Kandungan Belerang

Apabila bahan bakar yang mengandung belerang dibakar, belerang akan terbakar membentuk gas belerang dioksida (SO2) dan belerang trioksida (SO3).  Gas -gas ini bersifat sangat korosif terhadap logam dan meracuni udara sekeliling.

e. Kandungan BTG dan Daya Pembentukan Kokas

Jika  bahan  bakar  padat  dibakar  tanpa  udara  berlebihan,  pertama -tama  yang menguap adalah air, baru kemudian gas -gas yang terbentuk dari terbakarnya BTG. Sisa akhir pembakaran adalah KT atau kokas serta abu. Makin tua umur geologis bahan bakar padat, makin rendah kandungan BTG-nya.

f. Berat Jenis (Spesific Gravity)

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.

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.

g. Viskositas

Viskositas adalah kebalikan fluiditas atau daya alir. Makin tinggi viskositas makin sukar mengalir. Mengingat  kecepatan mengalir juga tergantung pada berat jenis, maka pengukuran viskositas demikian dinyatakan sebagai “viskositas kinematik”. Viskositas absolut = viskositas kinematik   berat jenis cairan.

Satuan  viskositas  antara  lain: poise,  gram/cm  detik,  atau dengan  skala   Saybolt Universal diukur dalam detik.

Catatan: Agar minyak dapat dipompa harus mempunyai viskositas 10000 detik SU (Saybolt Universal), dan agar dapat dikabutkan dengan tekanan udara 1 psi harus mempunyai viskositas 100 detik SU.

Pengaruh viskositas  pada  pengabutan sangat menentukan dalam mencapai pembakaran sempurna dan bersih. Jika pengabutan berlangsung dengan viskositas lebih dari 100  detik  SU  dan  tekanan  udara  kurang 1 psi,  maka  butiran-butiran kabut  minyak terlalu  besar  hingga  susah  bercampur  dengan  udara  sekunder.  Akibatnya  aka n terbentuk gumpalan  karbon  yang  mengganggu  burner  dan  dapur.  Bagi  minyak- minyak  berat,  pemanasan  pendahuluan  harus   dilakukan   sebelum  pengabutan. Pemanasan  pendahuluan  ini  gunanya  untuk  menurunkan  viskositas  sampai  di bawah 100 detik SU.

h. Flash Point

“Flash point” adalah suhu dimana bahan bakar terbakar  dengan sendirinya  oleh udara sekelilingnya disertai kilatan cahaya. Untuk  menentukan  kapan  minyak  terbakar  sendiri,  Pensky-Martens  memakai sistem “closed cup”, sedang Cleveland memakai “open cup”. Uji dengan open cup menunjukkan angka 20 -30 0F lebih tinggi daripada dengan closed cup.

i. Titik Bakar atau “Ignition Point”

Titik bakar adalah suhu dimana bahan bakar cair yang dipanaskan pada  keadaan baku dapat terbakar selama waktu sekurang-kurangnya 5 detik.

j. Bau

Bau tak enak yang khas biasanya ditimbulkan oleh senyawa belerang dalam bahan bakar cair. Senyawa itu adalah belerang hidrokarbon atau merkaptan yang bersifat korosif.

k. Titik Anilin

Titik anilin adalah suhu dimana sejumlah volume yang sama dari bahan bakar cair dan  anilin  tepat  bercampur.  Atau,  suhu  terendah  dimana  terjadi  awan  yang disebabkan karena  batas pemisahan  fase cair dari campurannya  yang homogen sejumlah volume anilin yang sama dengan volume sampel menjadi hilang.

l. Faktor Karakterisasi dan Titik Didih

Faktor  karakterisasi  ini  memberi  petunjuk  tentang  watak  dan  sifat-sifat  termal fraksi minyak bumi. Di samping itu, juga menyatakan perbedaan sifat  parafinitas hidrokarbon secara kuantitatif atau indeks parafinitas minyak bumi mentah. Faktor karakterisasi UOP ( Universal Oil Products Company) dinyatakan dalam K.

K = (TB)1/3 : Sg,  di mana TB  adalah titik didih rata-rata pada 1 atmosfer dalam derajat Rankine.

Bahan Bakar Padat

Bahan bakar padat yang biasa dipakai dalam industri dan transport asi adalah batubara.  Batubara  termasuk  bahan  bakar  fosil  karena  terbentuk  dari  sisa  tumbuh- tumbuhan   yang   mengalami   proses   geologis   dalam   jangka   waktu   jutaan   tahun. Berdasarkan perbedaan  umur  geologis,  berturut-turut dari  yang paling tua, batubara dibagi sebagai:

  • antrasit
  • semi-bitumen
  • bitumen
  • sub-bitumen
  • lignit

Makin muda umur batubara, makin besar kandungan unsur hidrogennya, makin rendah nisbah  KT  terhadap  BTG.  Karena  berasal  dari  tumbuh-tumbuhan   maka  batubara tersusun   terutama   oleh   bahan   organik.   Untuk   menyatakan   komposisi   batubara, digunakan analisis pendekatan dan analisis tuntas. Nilai kalor berkisar antara 9 000 -10000 kkal/kg, yang dipengaruhi oleh kadar C, H dan S.

Beberapa  rumus  pendekatan  yang  diperoleh  secara  empiris,   menyatakan hubungan antara nilai  kalor,  kadar  C, kadar  H dan kadar  S, ataupun  kadar  KT dan BTG.

Rumus Dulong:

Nilai kalor atas, NKA = 14490 C + 61000 Ha   + 5550 S, di mana C, S, Ha  = fraksi berat karbon, belerang dan hidrogen bebas; dan NKA dalam Btu/lb.

Catatan:

1 Btu   = 252 kalori

1 lb    = 453.6 gram.

Rumus Calderwood:

C = 5.88 x 0.00512 x NKA x 40.5S x 0.0053 x 80 x 100(BTG : KT)1.55

C, S, BTG, KT = % berat C, S, BTG, KT dalam batubara

Kalau 100 BTG/KT > 80, tanda pada suku terakhir negatif.

Bahan Bakar Cair

Bahan  bakar  cair  yang  biasa  dipakai  dalam  industri,  transportasi  maupun rumah tangga  adalah  fraksi  minyak  bumi.  Minyak  bumi  adalah  campuran  berbagai hidrokarbon yang termasuk dalam kelompok senyawa:  parafin, naphtena, olefin, dan aromatik.   Kelompok   senyawa   ini   berbeda   dari    yang   lain   dalam   kandungan hidro gennya.

Minyak  mentah,  jika  disuling  akan  menghasilkan  beberapa  macam  fraksi, seperti: bensin atau premium, kerosen atau minyak tanah, minyak solar, minyak bakar, dan  lain -lain.  Setiap  minyak  petroleum  mentah  mengandung   keempat  kelompok senyawa tersebut, tetapi  perbandingannya  berbeda.  Perbedaan  minyak  mentah  yang utama ialah:

  • Minyak aspaltik, yang terdiri sebagian besar naphtena dan aromatik
  • Minyak prafin, sebagian besar berupa parafin (lilin)

a. Bensin atau Gasolin atau Premium

Gasolin  dibuat  menurut  kebutuhan  mesin,  seperti  avgas  (aviation  gasoline), premium  dan  gasolin  biasa,  terdiri  dari  C4    sampai  C12. Sifat yang  terpenting  pada gasolin adalah “angka oktana”. Angka oktana adalah angka yang menyatakan besarnya kadar isooktana  dalam  campurannya  dengan normal  heptana.  Isooktana  mempunyai angka  oktana 100,  sedang  normal  heptana  mempunyai  angka  oktana 0.  Makin tinggi angka oktana gasolin semakin baik unjuk kerjanya.

b. Kerosen

Termasuk kerosen adalah:

  • Bahan bakar turbin gas pada pesawat terbang.
  • Minyak bakar, biasa dipakai untuk dapur rumah tangga, bahan bakar kapal laut, dan penerangan lampu kereta api di masa lalu.

Mutu kerosen tergantung pada sifatnya dalam uji lampu (lamp test) dan uji bakar, seperti timbulnya asap dan kabut putih. Asap disebabkan oleh hidrokarbon aromatik sedang kabut putih oleh disulfida.

c. Bahan Bakar Diesel

Bahan bakar diesel atau minyak diesel dipakai untuk mengoperasikan mesin diesel  atau  “compression  ignition  engine”.  Mutunya  ditentukan  oleh  angka  cetana. Makin tinggi angka cetana, makin tinggi unjuk kerja yang diberikan oleh bahan bakar diesel. Angka cetana adalah besarnya kadar volume cetana dalam campurannya dengan metilnaphtalen.  Cetan   murni   mempunyai   angka   cetana   =   100,   sedang   aromatik mempunyai angka cetana 0. Unjuk kerja adalah persentase rata-rata daya yang dapat diperoleh dari  mesin  dengan  bahan  bakar  tertentu  dibandingkan  dengan  daya  yang diperoleh dari bahan bakar yang mempunyai angka cetana 100.

d. Minyak Residu

Minyak residu biasa digunakan pada ketel uap, baik yang stasioner  maupun yang bergerak. Dalam hal instalasinya, pemakaian minyak residu dalam ketel uap akan lebih  murah  dibanding  batubara.  Disamping  itu,  pemakaian   minyak  residu  tidak menimbulkan masalah abu. Akan tetapi pada ke tel uap tekanan tinggi dan suhu tinggi dapat menimbulkan korosi dan kerusakan pada “superheater tube”. Pemakaian minyak residu kecuali dalam ketel uap antara lain:

  • Tanur dalam industri baja, tanur tinggi dalam industri semen dan industri  lain yang  mempunyai  kaitan  dengan  semen,  serta  berbagai  dapur  dalam  industri petroleum dan industri kimia.
  • Mesin diesel, kecuali pada mesin diesel kecepatan tinggi seperti pada truk  dan lokomotif, pada mesin diesel kapal serta mesin diesel berkecepatan rendah untuk pembangkit tenaga listrik.
  • Turbin gas.

Bahan Bakar Gas

Termasuk dalam bahan bakar gas antara lain:

a. Asetilena

Gas asetilena  digunakan  dalam  pengelasan  dan  pemotongan  logam,  yang memerlukan suhu  nyala  yang  tinggi,  dapat  juga  dipakai  untuk  lampu  karbida. Gas asetilena dapat membentuk asetilida yang eksplosif jika dicampur dengan tembaga (Cu), terlebih-lebih dengan udara.

b. Blast Furnace Gas

Gas ini merupakan hasil samping peleburan bijih besi dengan kokas dan udara panas di dalam “blast furnace”.

c. Gas Air Biru ( Blue Water Gas)

Dibuat dari reaksi antara kukus (steam) dengan karbon padat yang  dipanasi pada suhu tinggi, merupakan campuran antara gas H2 dan gas CO.

d. Gas Batubara

Gas batubara  disebut  juga gas kota,  dibuat  dari dis tilasi destruktif batubara dalam retort tertutup dengan pemanasan tinggi.

e. Gas Alam

Gas alam tersusun dari parafin hidrokarbon, khususnya gas metana bercampur dengan  nitrogen,  N2,  dan  karbon  dioksida,  CO2,  diperoleh  dari   tambang  dengan pengeboran tanah melalui batuan kapur atau batuan pasir.  Kandungan  metananya  di atas 90%.

f. Gas Petroleum

Gas petroleum diperoleh dari fraksionasi minyak bumi mentah, dan dapat juga dari gas alam, mengandung propana dan butana sebagai komponen terbesar.

Proses Pembakaran

Dalam pembakaran proses yang terjadi adalah oksidasi dengan reaksi sebagai berikut:

  • Karbon + oksigen      =  Karbon dioksida + panas
  • Hidrogen + oksigen  =  Uap air + panas
  • Sulfur + oksigen         =  Sulfur dioksida + panas

Pembakaran di atas dikatakan sempurna bila campuran bahan bakar dan oksigen   (dari udara) mempunyai perbandingan yang tepat, hingga tidak diperoleh sisa. Bila  oksigen  terlalu  banyak,  dikatakan  campuran  “lean”  (kurus).  Pembakaran  ini menghasilkan api oksidasi. Sebaliknya, bila bahan bakarnya terlalu banyak (atau tidak cukup oksigen),  dikatakan campuran  “rich”  (kaya).  Pembakaran   ini  menghasilkan   api  reduksi.   Api  reduksi ditandai   oleh lidah api panjang, kadang-kadang sampai terlihat  berasap. Keadaan ini juga disebut pembakaran tidak sempurna.

Seperti diketahui, oksigen untuk pembakaran diperoleh dari udara yang terdiri dari 20% O2   dan 80% N2. Sebagai contoh, bila diperlukan 1 lb O2, berarti memerlukan 4.32 lb udara atau setiap cu ft O2  perlu 4.78 cuft udara. Gas N2   yang mengisi 80% dari udara, tidak ikut dalam reaksi pembakaran, malahan menghisap panas dari hasil reaksi pembakaran.  Untuk  menentukan   jumlah  O2     yang  tepat  pada  setiap  pembakaran, merupakan   hal   yang   tidak   mudah.   Pada   umumnya   dipakai    kelebihan   udara. Keuntungannya tidak terjadi pemborosan bahan bakar. Kerugiannya mengurangi panas hasil pembakaran.  Untuk  ini dijaga  ada kelebihan  udara,  tetapi  tidak terlalu  banyak (antara 5-15%).

Dalam   pembakaran,    ada   pengertian    udara   primer   yaitu   udara    yang dicampurkan dengan bahan bakar di dalam burner (sebelum pembakaran)  dan udara sekunder  yaitu  udara  yang  dimasukkan  dalam  ruang  pembakaran  setelah   burner, melalui ruang sekitar ujung burner atau melalui tempat lain pada dinding dapur.

Perbandingan Udara -Bahan Bakar

Untuk memperoleh reaksi pembakaran yang baik diperlukan:

1. Perbandingan tertentu antara bahan bakar dengan udara.

Table 1      Proper Combining Proportions for Perfect Combustion

 Fuel

 State  Symbol

cu ft O2 per cu ft fuel

cu ft air per cu ft fuel

lb O2 per lb fuel lb air per lb fuel

cu ft O2 per lb fuel

cu ft air per lb fuel

Carbon

Hydrogen Carbon monoxide Sulfur Methane Ethane Propane Butane Octane

Solid

Gas

Gas Solid Gas Gas Vapor Vapor Liquid

C

H2

CO S CH4

C2H6

C3H8

C4H10

C8H18

0.5

0.5

2

3.5

5

6.5

2.39

2.39

9.56

16.72

23.9

31.1

2.667

8

0.572

1

4

3.735

3.635

3.585

3.51

11.52

34.5

2.47

4.32

17.28

16.12

15.68

15.48

15.15

31.65

94.8

6.79

11.87

47.4

44.3

43.1

42.6

41.6

151.3

453

32.5

56.7

226.5

212

206.5

203.5

199

2. Pencampuran yang baik antara bahan bakar dengan udara.

Campuran yang baik adalah yang homogen dan tiap partikel bahan bakar harus    kontak langsung dengan partikel udara.

Pada umumnya bahan bakar telah berubah menjadi uap (combustible vapor) sebelum terbakar.   Untuk   mempercepat   terjadinya   “combustible   vapor”   diperlukan   proses pengabutan.

Butiran-butiran kabut tersebut luas permukaannya menjadi sangat besar, hingga mempercepat penguapan. Untuk  bahan bakar padat, tentunya tidak dapat dilakukan pengabutan. Untuk mendekati bentuk kabut tersebu t diperlukan pemecahan/penghalusan butirannya dalam “pulverizer” dan sprayer.

3. Permulaan dan kelangsungan penyalaan campuran.

Pada awal pembakaran, diperlukan nyala api atau loncatan api  listrik setelah  sebagian  kecil  bahan  bakar  mulai  terbakar,  maka  sebagian panas  pembakaran  digunakan  untuk  menaikkan  suhu  bahan  bakar sampai  suatu  saat  suhu  bahan  bakar  cukup  tinggi  untuk   terbakar sendiri. Bila kondisi ini sudah dicapai, bantuan nyala api  sudah tidak diperlukan lagi.

Susunan Gas Asap

Apabila  pembakaran  berlangsung  sempurna,  maka  susunan gas asap hanya terdiri  dari:  CO2,  H2O,  SO2,  N2 dari  udara dan O2 kelebihan.  Pembakaran  tidak sempurna,  maka  disamping  gas -gas tersebut  di atas, terjadi  pula gas CO serta sisa bahan bakar yang tidak terbakar. Besarnya kadar gas CO2 dalam gas asap merupakan indikator sempurna atau tidak sempurnanya pembakaran.

Neraca Bahan dan Neraca Kalor

Berat massa bahan yang masuk ruang pembakaran = berat massa bahan yang keluar.

Aliran masuk ruang bakar:
  • bahan bakar (a)
  • udara uap air (b)
Aliran keluar ruang bakar:
  • gas hasil pembakaran (c)
  • sisa udara dan air (d)
  • sisa pembakaran (e), yang terdiri dari sisa bahan bakar, abu dan air

Neraca: a + b = c + d + e

Catatan:

  • Bahan bakar (a) merupakan berat bahan bakar kering ditambah air (kelembaban)
  • Udara uap air (b) merupakan berat udara ditambah uap air yang terkandung dalam udara.
  • Air dalam d dan e adalah air yang terkandung dalam bahan bakar ditambah air dari kelembaban udara ditambah air yang terbentuk dari reaksi pembakaran.

Operasi Pembakaran

Kalor  pembakaran  yang  diperoleh  dari  reaksi  bahan  bakar dengan  udara dipergunakan untuk:

1. Menaikkan suhu bahan bakar yang dibakar dalam dapur.

2. Menaikkan suhu campuran bahan bakar dan udara.

3. Sebagian besar yang lain terbuang sebagai:

  • radiasi ke sekeliling
  • terbawa keluar cerobong dalam gas asap
  • konduksi dan konveksi ke peralatan dapur

Temperatur dapur akan maksimum bila kehilangan-kehilangan di atas minimum.

Pada pengoperasian burner memperhatikan kecepatan nyala:

Pada  nyala  yang  stabil,  kecepatan  nyala  sama  dengan  kecepatan  campuran bahan bakar dan udara yang keluar dari burner.

  • Bila kecepatan nyala lebih besar akan terjadi “flash back”.
  • Bila kecepatan nyala lebih kecil akan terjadi “blow off”.

Beberapa faktor yang mempengaruhi kecepatan nyala:

  • tekanan campuran bahan bakar dan udara
  • suhu pembakaran
  • perbandingan udara primer dan bahan bakar
  • efek pendinginan dari lingkungan

Kecepatan nyala ini tidak dapat diperhitungkan lebih dahulu, kecuali pada keadaan yang sangat tertentu saja.

Untuk  memperoleh  efisiensi  yang  tinggi  dalam  pengoperasian  dapur,  perlu alat-alat kontrol sebagai berikut:

  • Kontrol Suhu. Bahan bakar yang masuk ke dalam dapur banyaknya dikontrol oleh temperatur dalam  dapur,  antara  lain  pirometer  radiasi  dan  temperatur  atap  dapur.  Bila dibaca terlalu tinggi, maka jumlah bahan bakar harus dikurangi dan seterusnya.
  • Kontrol Pembakaran. Pengaturan   bahan   bakar/udara  digunakan flowmeter yang disambungkan dengan mekanisme servo pada katup kontrol otomatis.
  • Kontrol Aliran. Menjaga kesetimbangan  aliran pemasukan udara/bahan bakar dan  pengeluaran gas asap.

Petunjuk kepada Operator

Di bawah ini beberapa petunjuk yang akan membantu para Operator  dalam menangani beberapa jenis oven.

a. Oven dengan bahan bakar batubara.

  1. Kedalaman api 15 inchi dari pintu. Pemasukan batubara 1.5-2 sekop  penuh tiap sq ft luas pembakaran. Bila kebanyakan menghasilkan asap dan boros bahan bakar.
  2. Kisi-kisi pembakaran harus selalu tertutup oleh bahan bakar, dijaga ketinggian nyala api, garukan digunakan bila perlu.
  3. Bara api yang tertutup abu harus dicegah dengan membersihkan api secara hati-hati. Setelah pembersihan nyala api akan bersih kembali.
  4. Jarak   batangan   penyangga   api  harus   teratur   dan  bila   bengkok   harus   segera diluruskan.
  5. Pemasukan udara dijaga agar nyala api baik.
  6. Kebocoran oven harus dicegah agar tidak ada udara luar masuk.

b. Oven dengan bahan bakar gas.

  1. Burner harus selalu bersih dan dipelihara secara rutin. Semua bagian pengatur harus mudah   digerakkan.    Pengontrol    udara    pada   injektor    seringkali    macet    oleh kotoran/korosi atau rusak.
  2. Penutup oven harus bebas, bekerja baik dan rapat, agar udara luar tidak masuk.
  3. Pengendalian  udara yang tepat harus selalu dijaga agar nyala api baik. Untuk  lebih tepat dilakukan analisa gas asap. Akan lebih membantu para Operator bila dilengkapi alat pencatat CO2.
  4. Pada blast furnace yang umumn ya bekerja dengan nyala api non luminous, nyala api yang  panjang   dan  lemah,   menunjukkan   terlalu  banyak   gas.  Aliran  gas   harus dikecilkan, hingga nyala api lebih pendek dan berwarna  kekuning-kuningan. Atau menambah suplai udara hingga terdengar nyala api terkuat. Nyala api kekuning-kuningan dan cerah adalah yang paling baik. Makin cerah makin baik.
  5. Sekali  burner  disetel  dengan  menghasilkan  nyala  yang  baik,  jangan  diubah-ubah lagi.
  6. Klep pada cerobong  harus disetel  untuk memperoleh  kesetimbangan aliran  dalam dapur. Cara pengetesan: Hembuskan asap/dekatkan  nyala api kecil pada lubang di dinding oven. Bila  asap tidak  terisap  masuk  atau  lidah  api  nyala  tidak  menuju  ke  lubang,   maka  letak “damper” betul.
  7. Bila oven tidak dipakai, saluran gas, udara dan damper harus ditutup.

c. Oven dengan bahan bakar minyak.

  1. Viskositas minyak harus benar.
  2. Minyak harus bebas air, karena dapat menunda pembakaran  dan membentuk  asap tebal.
  3. Burner  harus  dilengkapi  dengan  katup  berskala  yang  menunjukkan  besar-kecilnya aliran minyak.
  4. Burner harus dibuka dan dibersihkan secara teratur, sebaiknya tiap penggantian shift.
  5. Bila oven dimatikan, burner harus dipindahkan untuk melindungi dari panas radiasi.
  6. Celah lubang burner harus dicek secara periodik.

Aturan umum untuk penghematan bahan bakar:

  1. Dengan alat yang ada harus dibuat rencana agar beban oven selalu penuh.
  2. Nyala   api   harus   selalu   dijaga   berada   dalam   oven.   Agar   dicegah   terjadinya pembakaran di luar oven atau pada aliran gas asap.
  3. Pintu-pintu harus selalu dijaga dalam kondisi baik dan tertutup rapat/tidak bocor.
  4. Penggunaan bahan bakar harus disesuaikan dengan kondisi pembakaran.
  5. Jumlah bahan bakar harus selalu dicatat,  demikian  juga dengan berat bahan  yang dipanaskan.
  6. Kebocoran pada dinding oven adalah penyebab besarnya kehilangan panas. Dinding oven harus selalu disemir dengan bahan tertentu antara lain campuran tanah liat dan semen api untuk mencegah bocoran udara.
Pencemaran
Pada  proses  pembakaran  bahan  bakar  konvensional   (bukan  bahan   bakar nuklir), tak dapat dihindari kemungkinan terjad inya pencemaran, baik oleh komponen- komponen  dalam  gas  asap  yang  bersifat  racun  bagi  kesehatan  serta  mengganggu kenyamanan manusia, maupun oleh radiasi kalor.

Khusus pencemaran  oleh bahan-bahan hasil pembakaran,  meliputi 5  macam bahan pencemar utama yaitu:

1. Partikulat, yaitu padatan atau cairan yang sangat kecil, tersuspensi dalam gas asap. Partikulat ini terlepas ke atmosfer, dan efek yang ditimbulkan berupa:

  • terganggunya penglihatan  oleh kabut partikulat
  • menyebabkan bronkhitis, emphysema dan kanker

2. Bas belerang oksida, atau SOx, yaitu SO2  dan SO3.

  • Biasanya gas SO3   terbentuk dalam dapur karena oksidasi SO2   menjadi SO3. Akibat yang ditimbulkan oleh gas -gas ini ialah:
  • Apabila terjadi kontak dengan air akan terbentuk asam belerang (H2SO4) yang bersifat korosif terhadap logam dan merusak instalasi dapur.
  • Gas  SO2     dan  SO3     membentuk  kabut  di  atmosfer,  mengakibatkan  terjadinya hujan asam yang membahayakan kehidupan tumbuh-tumbuhan.
  • Menimbulkan iritasi pada saluran pernafasan.

3. Gas  nitrogen  oksida,  terbentuk  apabila pembakaran  dilakukan  dalam udara,  pada suhu yang cukup tinggi. Hal ini terjadi karena gas nitrogen N2    dan gas  oksigen O2 bereaksi membentuk NO dan NO2. Efek yang ditimbulkan oleh gas ini ialah:

  • dapat merusak kehidupan tanaman dan binatang
  • mengganggu   kesehatan   manusia   karena   menimbulkan   iritasi   pada   saluran pernafasan
  • bersifat korosif pada logam
  • menimbulkan hujan asam oleh terbentuknya asam nitrat di atmosfer
  • apabila bereaksi dengan uap atau gas dari senyawa organik dengan bantuan sinar matahari dapat menimbulkan kabut fotokimia

4. Gas  karbon  monoksida  yang  terbentuk  apabila  pembakaran  tidak  sempurna.  Efek yang ditimbulkan oleh gas CO bagi kesehatan manusia ialah apabila  gas  tersebut  terhisap  melalui  pernafasan,  gas  CO  bereaksi   dengan haemoglobin   dalam   darah,   sehingga   menghambat   transfer   oksigen   yang membahayakan kehidupan manusia.

5. Gas -gas senyawa organik.

Akibat yang ditimbulkan oleh adanya gas ini adalah di atmosfer dengan gas NOx  membentuk oksidan berupa kabut. Kabut oksidan ini menimbulkan iritasi pada mata, hidung dan tenggorokan.

About these ads

About Muhammad Yusuf Firdaus

A board certified professional engineer in chemical engineering.

Posted on April 21, 2012, in Chemical Engineering. Bookmark the permalink. Leave a comment.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

Follow

Get every new post delivered to your Inbox.

Join 87 other followers

%d bloggers like this: