37 BAB III PROSES PEMBAKARAN Dalam pengoperasian boiler, prestasi yang diharapkan adalah efesiensi boiler tersebut yang dinyatakan dengan perbandingan antara kalor yang diterima air / uap air terhadap kalor yang dilepaskan dari hasil pembakaran bahan bakar. Tidak seluruh kalor bahan bakar dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan uap. Ada sebagian kalor dari bahan bakar yang di buang tidak termanfaatkan, dan ini merupakan kerugian dari proses pengoperasian ketel uap. Pembakaran sempurna bila semua unsur – unsur bahan bakar terbakar dan semua panas dilepaskan dan hal ini terjadi secara otomatis. Ada dua hal yang mendorong mengapa pembakaran harus sesempurna mungkin, yaitu: -
Bahan bakar itu mahal, sehingga pembakaran harus seefisien mungkin, pembakaran yang tidak efisien berarti pemborosan.
-
Pembakaran yang tidak sempurna akan berdampak terhadap pencemaran lingkungan
Faktor yang mempengaruhi pembakaran tidak sempurna disamping proses pada alat adalah mutu dari bahan bakar itu sendiri. Kerugian yang dihasilkan dari sisi bahan bakar ternyata bukan hanya terletak dari nilai hasil pembakaran tetapi juga berpengaruh pada mutu uap air yang dihasilkan, yang berujung pada biaya operasi yang tinggi. 3.1. Bahan Bakar Bahan bakar adalah suatu bahan yang mudah terbakar di atmofir dan energi yang dihasilkan dari pembakaran tersebut dapat digunakan. Bahan bakar mempunyai kualifikasi sebagai berikut: -
Mudah didapat dan kaya bahan – bahan yang berasal dari alam
-
Mudah disimpan dan dipindah – pindahkan
-
Mudah digunakan dan aman, dan tidak menimbulkan efek samping
38
3.1.1. Analisa dan Karakter Bahan Bakar Analisa dan kerakter bahan bakar ada dua yaitu analisa pendekatan dengan mengukur komponen – komponen dari bahan bakar dan pendekatan unsur yaitu melalui analisa unsur yang terdapat pada bahan bakar tersebut. 3.1.1.1. Analisa Pendekatan (proximate analysis) Analisa pendekatan dilakukan dengan cara mengukur komponen – komponen yang terkandung di dalam bahan bakar tersebut, seperti air,abu dan zat – zat yang mudah menguap, serta jumlah kandungan karbon tetap. Batu bara kualitas rendah dan kayu banyak mengandung air, abu dan zat – zat yang mudah menguap. Adapun pengaruh komponen bahan bakar terhadap : A. kadungan air terlalu banyak 1. Pengapian jelek. 2. Energi yang didapat rendah dan terjadi kehilangan panas. B. Kandungan abu terlalu banyak 1. Nilai bakar (heating value) rendah 2. Efesiensi pembakaran jelek 3. Penanganannya sukar C. Zat – zat yang mudah menguap terlalu banyak 1. Nyala api panjang, halini kurang baik karena oksigen tidak dapat bercampur sempurna,sehingga dapat mengakibatkan terbentuknya COX. 2. Mudah terbentuknya asap hitam. D. Kandungan karbon tetap terlalu banyak 1. Nilai pembakaran (heating valiu) tinggi 2. Nyala api pendek
39
3.1.1.2. Analisa Unsur (elemental analysis) Analisa unsur dilakukan terhadap lima unsur yang merupakan komponen – komponen utama yang terkandung didalam bahan bakar, yaitu karbon (C), hidrogen (H2), oksigen (O2), nitrogen (N2) dan belerang atau sulfur (S). Analisa unsur didasarkan pada batu bara kering (dry base) dan menyatakan persentase massa. Dalam hal ini C + H2 + O2 + N2 + S + abu = 100 %. Adapun komponen – komponen utama yang terkandung dalam bahan bakar A. Komponen Karbon (C) 1. Minyak berat 2. Batu bara
< 0,05 % 16 s/d 24 %
B. Komponen Hidrogen (H2) 1.
Minyak berat
2. Batu bara
11 s/d 13 %
2 s/d 4 %
C. Komponen Oksigen (O2) 1. Minyaka berat 2. Batu bara
0,36 s/d 0,7 %
10 s/d 20 %
Pada bahan bakar batu bara, bila terlalu lama ditimbun gas oksigen akan keluar dari batu bara tersebut. Hal ini penting diketahui untuk memperkirakan kualitas batu bara. D. Komponen Nitrogen (N2) 1. Minyak berat 2. Batu bara
0,03 s/d 0,3 %
0,8 s/d 1,9 %
Nitrogen berubah menjadi Nox setelah pembakaran. gas ini menyebabkan polusi
40 E . Komponen Sulfur (S) 1. Minyak berat 2. Batu bara
0,1 s/d 3,0 %
0,1 s/d 3,5 %
F. Komponen Abu 1. Minyak berat 2. Batu bara
< 0,05
16 s/d 24 %
3.1.1.3. Nilai Efesiensi Pembakaran A. Temperatur api (lighting temperature) Temperatur api terendah adalah temperatur ketika bahan bakar mendapat panas dan terbakar sendiri tanpa bentuan nyala api (lighting point) ditentukan oleh keseimbangan yang terjadi
antara
nilai
pembakaran
yang
dihasilkan
pembakaran bahan bakar dengan nilai pembakaran dikeluarkan ke atmofir. Bahan Bakar
Temperatur °C
Minyak berat ( heavy oil )
250 s/d 380
Gasolin
300 s/d 350
Kayu ( wood )
250 s/d 300
Batu bara ( coal )
250 s/d 450
Kokas (coke )
400 s/d 600
Gas batu bara ( coal gas )
650 s/d 750
Liquid natural gas ( LNG )
700 s/d 800
Karbon
± 800
Hidrogen
580 s/d 650
Gas CO
580 s/d 600
Sulfur atau belerang Tabel 3.1 Temperatur api
630
oleh yang
41 B. Titik nyala (flash point) Ketika bahan bakar dipanaskan, sebagian bahan bakar akan menguap dan bila suatu nyala apei didekatkan, bahan bakar tersebut akan menyala/ terbakar. Temperatur termperatur terendah pada peristiwa penyalaan bahan bakar tersebut dengan titik nyala (flash point)
Bahan bakar
Titik nyala °C
Minyak mentah (crude oil)
< 0° C
Gasoline
< 0° C
Kerosine
40 s/d 70° C
Minyak berat (heavy oil)
120° C
Tabel 3.2 Titik nyala bahan bakar C. Nilai pembakaran (heating value) Nilai pembakaran adalah banyaknya panas yang dikeluarkan ketika bahan bakar terbakar sempurna, tiap satu satuan massa (kal/kg atau joule/kg) bahan bakar yang terbakar. Satuan nilai pembakaran adalah kalori, satuan jumlah bahan bakar padat, bahan bakar cairadalah kg serta satuan gas adalah m³. Ada dua jenis nilai pembakaran pada suatu bahan bakar yaitu : 1. Nilai pembakaran atas (high heating value/Hh) yang disebut juga dengan nilai pembakaran
total.
pembakaran
ini
Pada juga
nilai termasik
pembakaran condensate uap air. 2. Nilai pembakaran bawah (low heating value/ Hl) yang juga disebut dengan nilai pembakaran bersih (net heating value).
42 Pada
nilai
pembakaran
ini
tidak
termasuk pembakaran condensate air.
3.1.2
Klasifikasi Bahan Bakar A. Bahan bakar cair (liquid fuel) Bahan bakar cair yang umum digunakan untuk ketel uap adalah minyak berat, minyak diesel (solar), kerosin. Bahan bakar cair ini berasal dari minyak bumi atau minyak mentah (crude oil), dimanasebagian dari minyak mentah ini distilasikan menjadi gasolin kerosin dan minyak diesel.sedangkan minyak berat adalah komponen – komponen residu atau merupakan campuran antara minyak diesel dan residu. Keunggulan bahan bakar minyak jika dibandingkan dengan bahan bakar padat adalah: 1. kualitas stabil dan nilai pembakaran tinggi 2. transportasi dan penyimpanan mudah 3. kualitas tidak berubah walaupun disempan lama 4. kandungan abu sedikit
Spesifik gravity (15/4°
Minyak
Minyak
Minyak
Minyak
kerosin
Berat C
Berat B
Berat A
diesel
> 0,93
> 0,89
< 0,86
0,82 – 0,85
0,78 – 0.8
C) Komposisi
C
83,03
84,5
84,58
85,6
85,7
kimia
H
10,48
11,34
11,83
13,2
14,0
O
0,48
0,36
0,7
-
-
N
0,29
0,18
0,003
-
-
S
2,85
2,1
0,85
< 0,2
< 0,01
Kkal/kg
2760
10.000
10.160
10.280
10.245
Kal/l
9126
9.050
8.484
8.450
8.245
Nilai pembakaran
43 bawah Titik nyala ° C Kandungan udara teori
70
60
60
50
40
10,3
10,6
10,7
11,2
11,4
Tabel 3.3 Komposisi kimia dan sifat sifat bahan bakar cair B. Bahan bakar gas Keuntunganya : 1. Pembakaran stabil dan mudah diatur 2. menghasilkan gas asap panas yang bersih karena kandungan abu dan sulfur sedikit, sehingga jarang sekali terjadi kerusakan pada bidang pemanasan dan permukaan dinding – dinding dapur. Kelemahannya : 1. Nilai pembakaran / volume kecil, sehingga biaya untuk penyimpanan dan penyaluran besar. 2. Ketika dinyalakan dan dipadamkan berbahaya 3. Jika pipa penyalur gas bocor akan menganggu kesehatan manusia. A. Gas minyak (oil gas) Gas
minyak
didapat
dari
dekomposisi/penguraian
minyak mentah. Nilai pembakaran berkisar 5.000 s/d 10.000 Kkal/NM³ B. Gas alam (natural gas) Komponen utamanya adalah hidrokarbon (HC) ada 2 jenis gas alam yaitu gas alam kering (dry gas) dan gas alam basah (wet gas) Gas alam kering hampir seluruhnya mengandung gas metana
(CH4),
sehingga
mudah
terbakar
nilai
bembakaran bekisar 8.000 s/d 9.000 Kkal/NM³. Gas alam
44 basah terdiri dari gas metanan (CH4), gas etana dan gas propana, nilai pembakaran 10.400 s/d 12.200 Kkal/NM³ C. Gas petrolium cair (liquid petroleum gas/LPG) LPG adalah gas yang dihasilkan kilang BBM dan gas (LNG Plant), komponen LPG sebagian besar terdiri dari Gas Butana (C4H10) dan Gas Propana (C3HB) lebih kurang 99% dan selebihnya adlah Gas Pentana (C5H12), LPG lebih berat dari udara dengan berat jenis (dibandingkan dengan udara),
2.01
tekanan uap gas LNG
dalam tangki / tabung antara 5.0 s/d 6.2 kg/cm².
3.2 Ruang Proses Pembakaran. Pada boiler Fire Tube pembakaran pada ruang bakar dan panas api akan melalui tube. Panas tube akan memberi perpindahan panas ke air yang akan meratakan panas.
Gambar 3. 1 pembakaran pada boiler Water Tube
45 Boiler Water Tube terdiri dari dua buah drum , bagian atas dan bagian bawah , dan dihubungkan oleh pipa pipa antara drum bagian atas ( yang selanjutnya disebut steam drum) dan bagian bawah ( yang selanjutnya disebut water drum). Area pemanasan ( heating surface ) terbagi menjadi dua yaitu ruang bakar ( furnace ) dan area piapa generator ( steam generating tube area) . Ruang bakar terdiri dari dinding sebelah kanan dan dinding sebelah kiri, dan pipa bagian belakang adalah dinding ruang bakar yang berpendingin yang terbuat dari pipa -pipa yang dilas satu dengan yang lainnya. Ruang bakar bagian belakang terdiri dari pipa- pipa lurus yang menghubungkan antara drum bagian atas dan drum bagian bawah. Seluruh pipa-pipa bagian bawah terhubung secara langsung
dengan
water drum dan bagian atas terhubung langsung dengan steam drum.. Permukaan pipa -pipa generator dikelilingi oleh pipa- pipa dinding yang saling berhimpitan dan di las sebagai dinding pembatas ruang bakar dan dinding pembatas boiler. Gas hasil pembakaran bahan bakar langsung ke pipa -pipa generator diarahkan oleh sekat- sekat dinding dan keluar melaui celah pipa-pipa. Gas pembakaran melewati antara pipa-pipa satu kali pass saja. Konstruksi ruang bakar pada boiler adalah bagian yang sangat penting karena di bagian ini yang menentukan kesempurnaan perpindahan panas antara panas yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar yang di transfer ke air boiler sehingga menghasilkan steam. Dalam ruang bakar ini bahan bakar melalui mekanisme pembakaran yaitu sebagai berikut; 1. Atomization. Yaitu bahan bakar yang masuk ke ruang bakar di kabutkan dengan menggunakan udara atau steam yang menjadikan bahan bakar menjadi partikel-partikel bahan bakar.
46 2. Evaporation. Setelah dikabutkan bahan bakar menjadi mudah menguap sehingga menjadi uap bahan bakar. 3. Pencampuran Bahan bakar mengalami pencampuran dengan udara yang disuplai me secara merata sebelum terbakar . 4. Pembakaran . Terjadinya reaksi pembakaran pada boiler yang menhasilkan panas yang digunakan pada boiler.
Gambar 3. 2 Konstruksi ruang bakar dari pandangan samping boiler Water Tube
47
Gambar 3. 3 Aliran gas panas pada boiler Water Tube.
