KHAIRIL
BUKU AJAR
TEKNIK PEMBAKARAN (BAHAN BAKAR PADAT)
SYIAH KUALA UNIVERSITY PRESS 2013 i
Khairil
BUKU AJAR
TEKNIK PEMBAKARAN (BAHAN BAKAR PADAT)
Diterbitkan oleh : SYIAH KUALA UNIVERSITY PRESS Darussalam, Banda Aceh 23111 Telp. (0651) 7552440
ISBN. 978-979-8278-99-0
Hak cipta dilindungi oleh Undang-undang Dilarang mereproduksi sebahagian atau seluruh isi buku ini dalam bentuk dan tujuan apapun tanpa izin tertulis dari penerbit. Dilarang memperjual belikan buku ini dalam keadaan rusak dan mengedarkannya dalam bentuk jilid atau sampul lain.
Editor : Khairil Setting Layout : Mauliddin &Muhammad Irfan
ii
Buku ini Ditulis sebagai salah satu bentuk ibadah kepada Allah S.W.T Dalam rangka meneruskan perjuangan Rasulullah S.A.W Untuk mencerdaskan kehidupan bangsa. Saya hadiahkan kepada isteri tercinta Dewi Mutia Dan Anak-anak yang ku sayangi Rizki Novridawati, Rachmat Fajri, Rais Maulana, Rafiq Al Muttaqin dan Rayyan Akhbar.
iii
PENGANTAR PENERBIT Buku Teknik Pembakaran bahan bakar padat yang ditulis oleh Prof. Dr. Ir. Khairil, MT, merupakan sebuah buku yang unik dan menarik untuk dibaca terutama bagi mahasiswa yang mendalami ilmu Teknik Pembakaran. Buku ini disusun berdasarkan hasil penelitian oleh penulis sendiri dan hasil dari peneliti sebelumnya yang dikemas dalam bahasa dan gambar - gambar yang mudah dipahami dan dimengerti oleh pembaca. Menurut Prof. Khairil, masih banyak mahasiswa merasa kesulitan untuk memahami dan mengerti tentang prilaku pembakaran, baik sebelum pembakaran terjadi, selama pembakaran dan setelah pembakaran.Prilaku tersebut dipandang perlu dicermati terutama oleh mahasiswa yang sedang mendalami mata kuliah Teknik Pembakaran pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik UNSYIAH. Barangkali hal ini juga demikian terasa oleh para mahasiswa di Universitas lainnya. Buku ini kami nilai sangat praktis untuk dipelajari dan dipahami, karena dalam uraianya dilengkapi dengan contoh-contoh soal dan soal-soal latihan. Sehingga para pembaca diharapkan dapat memahami dan dapat mengaplikasinya sendiri pada kasus-kasus yang sederhana pada rekayasa pembakaran.
Penerbit
iv
KATA SAMBUTAN Penulisan buku ajar di Universitas Syiah Kuala telah dimulai sejak awal perguruan tinggididirikan. Dari data yang ada pada laporan program bantuan buku ajar, sudah ada kecenderungan peningkatan penerbitan buku ajar yang ditulis oleh para staf pengajar Universitas Syiah Kualadalam periode akhir-akhir ini. Universitas Syiah Kuala terus mendukung dan mendorong para staf pengajaruntuk menulis buku ajar, sehingga dapat digunakan oleh para mahasiswa dan pengembangan ilmu pengetahuan dalam bidang teknik pembakaran. Untuk mensukseskan program penulisan buku ajar tersebut, maka Universitas Syiah Kuala telah meluncurkan program bantuan baik berupa dana insentif penulisan buku ajar maupun buku panduan lainnya. Tidak dapat dipungkiri bahwa dalam penyusanan buku ajar ini telah banyak tenaga dan pikiran yang dicurahkan oleh penulis untuk menghasilkan sebuah buku ajar yang baik dan mudah dimengerti oleh para mahasiswa baik yang ada di lingkungan Universitas Syiah Kuala maupun di Perguruan Tinggi lainnya. Kami mengucapkan terima kasih kepada Prof. Dr. Ir. Khairil, MT yang telah banyak meluangkan waktu dan tenaga dalam menyusun buku ajar ini. Semaga hasil karya ini dapat berguna untuk mencerdaskan kehidupan bangsa yang tercinta.
Banda Aceh, Desember 2013 Rektor Universitas Syiah Kuala
Prof. Dr. Ir. Samsul Rizal, M. Eng.
v
PENGHORMATAN DAN UCAPAN TERIMA KASIH
Penghormatan penulis dan Terima kasih tanpa batas kepada yang mulia ayahanda M. Daud Abdullah (Alm) dan Ibunda Ruhamah atas ketulusan usaha dan perjuangan serta do’a tiada henti yang dipanjatkan untuk tercapainya cita-cita penulis.Penulis juga menyampaikan terima kasih khusus kepada dosen pembimbing program sarjana S1 (Teknik Mesin Unsyiah) yaitu Ir. Machrouzar Manan dan Ir. Iskandar. Dosen Pembimbing program magister Teknik Mesin ITB yaitu Prof. Dr. Ir. Ariyadi Suwono serta dosen pembimbing program doktor di TUT Japan, yaitu Prof. Dr. Eng Kazutomo Ohtake, Prof. Dr. Eng Ichiro Naruse, Prof. Iddi Mkilaha (Tanzania University) yang telah banyak membantu penulis dalam menyelesaikan studinya. Terima kasih juga penulis sampaikan kepada Prof. Dr. Ir. Samsul Rizal, M. Eng sebagai Rektor Universitas Syiah Kuala dan seluruh sivitas akademika yangturut terlibat dan membantu penulis dalam proses penyusunan penulisan Buku Ajar ini. Penulis juga turut berdoa kepada pembimbing yang sudah mendahului meninggalkan dunia ini, semoga amal baik beliau-beliau dapat diterima di sisi Allah S.W.T dan bagi yang masih hidup semoga Allah S.W.T selalu melindunginya. Amin ya rabbal alamin. Akhirul kalam, puji dan syukur penulissampaikan ke hadirat Allah S.W.T, atas nikmat hidayah, dan semua nikmat lainnya yang tidak ternilai akibatpenyusunan buku ajar yang penulisterima, ini hanya dapat terjadi karena anugerah-Nya semata. Semoga penulis diberi kekuatan dalam mengembankan amanah ini dan dimasukkan dalam hamba-Nya yang pandai bersyukur.
PENULIS
vi
KATA PENGANTAR Puji Syukur kita ucapkan kehadirat Allah S.W.T yang telah memberikan berkah dan ilmu kepada kita semua, sehingga penulis telah menyelesaikan penyusunan bukuajar untuk mahasiswa. Selawat dan Salam kita panjatkan kepada Nabi Besar Muhammad S.A.W. dengan berkat perjuangan beliaulah kita telah menikmati iman dan islam serta telah merubah peradaban manusia dari alam kebodohan menjadi alam yang penuh ilmu pengetahuan. Mengingat kebutuhan yang sangat diperlukan oleh mahasiswa yang sedang mendalami mata kuliah Teknik Pembakaran pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik UNSYIAH khususnya dan para pembaca di Universitas lainnya maka penulis terdorong keinginan untuk menyusun buku ajar yang berjudul “ Teknik Pembakaran Bahan Bakar Padat”. Penulisan buku ajar ini disusun atas 11 bab, supaya mahasiswa mudah memahaminya dan mengerti tentang langkah-langkah yang diperlukan baik sebelum pembakaran terjadi, selama proses pembakaran dan setelah pembakaran terjadi. Harapannya mahasiswa dapat mengerti dan memahami tentang konsep-konsep pembakaran dan sekaligus bisa membantu dalam menyelesaikan kasus-kasus sederhana dalam berbagai aplikasi teknik pembakaran yang menggunakan bahan bakar padat. Adapun cakupan pembahasannya dalam buku ini sebagai berikut.Pendahuluan tentang konsep pembakaran, sifat-sifat bahan bakar padat dan perhitungan pembakaran secara ideal di bahas pada Bab 1, Bab 2 dan Bab 3. Pada Bab 4, Bab 5 dan Bab 6 akan di bahas masalah pelepasan panas dalam pembakaran atau sering disebut dengan nilai kalor, kesetimbangan kimia, konstanta kesetimbangan komposisi pembakaran dan pemahaman tentang temperatur nyala adiabatik. Pada Bab 7 akan dibahas efisiensi sistem pembakaran pada sistem boiler, sedangkan Bab 8 mambahas prilaku pembakaran bahan bakar padat. Kajian aplikasi tentang teknologi pembakaran bahan bakar padat, makanisme abu terbang, tumpukan abu pada penukar kalor, emisi dari hasil pembakaran serta teknik penurunan emisi akan dibahas pada Bab 9, Bab 10 dan Bab 11. Dalam penyusunan buku ajar ini penulis sudah berusaha mengumpulkan beberapa informasi penting dari hasil penelitian penulis sendiri dan beberapa informasi tambahan dari sumber peneliti lainnya, tentu dalam penyusunannya masih banyak terdapat kekurangan. Oleh karena itu vii
dengan segala keterbukaan penulis dengan senang hati menerima masukan, kritikan dan saran untuk perbaikan buku ajar ini. Akhirnya penulis juga tidak lupa mengucapkan banyak terima kasih kepada pihak-pihak yang membantu dalam penyusunan buku ajar ini Semoga Allah S.W.T dapat membalas segala jasa dan bantuan yang telah diberikan dalam persiapan penulisan buku ajar ini.
Banda Aceh, Desember 2013
Prof. Dr. Ir. Khairil, MT
viii
DAFTAR ISI PENGANTAR PENERBIT SAMBUTAN REKTOR PENGHORMATAN DAN UCAPAN TERIMA KASIH KATA PENGANTAR DAFTAR ISI
Hal iv v vi vii ix
BAB 1
PENDAHULUAN 1.1. Proses Pembakaran Bahan Bakar Hidrokarbon 1.2. Reaksi Pembakaran Sempurna 1.3. Perhitungan Reaksi Pembakaran Soal-soal Latihan Daftar Istilah Daftar Kepustakaan
1 5 6 7 12 13 14
BAB 2
SIFAT–SIFAT BAHAN BAKAR PADAT 2.1. Batubara 2.1.1. Karakteristik batubara 2.1.2. Analisa proksimasi 2.1.3. Analisa ultimasi 2.2. Biomassa 2.3. Biobriket 2.4. Nilai Kalor Soal-soal Latihan Daftar Istilah Daftar Kepustakaan
15 15 17 19 22 23 26 27 30 31 32
BAB 3
PERHITUNGAN STOIKIOMETRIK 3.1. Keperluan Udara Pembakaran 3.2. Produk Pembakaran Bahan Bakar Padat 3.3. Kegunaan Praktis dari Komposisi Gas Asap 3.4. Pembakaran Sub Stoikiometrik Soal-soal Latihan Daftar Istilah Daftar Kepustakaan
34 35 39 44 46 50 51 52
ix
BAB 4
PELEPASAN PANAS DALAM PEMBAKARAN 4.1. Pembakaran Tekanan Konstan 4.2. Entalpi Reaktan 4.3. Entalpi Produk Pembakaran 4.4. Pembakaran dengan Volume konstan 4.5. Hubungan antara H25 dan U25 4.6. Nilai-nilai Kalor Soal-soal Latihan Daftar Istilah Daftar Kepustakaan
53 54 56 57 59 60 61 65 66 67
BAB 5
KESETIMBANGAN KOMPOSISI PEMBAKARAN 5.1. Kesetimbangan Kimia 5.2. Perhitungan Kesetimbangan Komposisi 5.3. Kesetimbangan Komposisi bahan bakar hidrokarbon Daftar Kepustakaan
68 70 76 78 84
BAB 6
TEMPERATUR NYALA API 6.1. Temperatur Nyala Api Adiabatik 6.2. Panas Spesifik Gas 6.3. Perhitungan Algoritma 6.4. Perhitungan Temperatur Nyala Adiabatik 6.5. Efek Disosiasi Terhadap Temperatur Nyala Adibatik Soal-soal Latihan Daftar Kepustakaan
85 87 89 92 96 99 105 106
BAB7
EFISIENSI SISTEM PEMBAKARAN 7.1. Kesetimbangan Energi 7.2. Penentuan Langsung Efisiensi 7.3. Pengukuran Akhir dari Efisiensi 7.4. Efisiensi dan Temperatur Gas Asap 7.5. Titik Embun Gas Asap 7.6. Efisiensi Boiler Kondensasi Soal-soal Latihan Daftar Kepustakaan
107 107 113 116 122 123 127 132 134
x
BAB 8
PRILAKU PEMBAKARAN BAHAN BAKAR PADAT 8.1. Prilaku pembakaran zat-zat mudah terbang 8.2. Prilaku Pembakaran Karbon Tetap 8.3. Prilaku Pembakaran Bahan Bakar Padat Campuran Daftar Kepustakaan
135 137 139 139 144
BAB 9
TEKNOLOGI PEMBAKARAN BATUBARA 9.1. Teknologi Pembakaran Konvensional 9.2. Prinsip Pembakaran Batubara Bersih 9.3. Pembangkit Tenaga dengan Teknologi Batubara Bersih Daftar Kepustakaan
145 146 148 149 156
BAB 10 MEKANISME ABU TERBANG DAN PENUMPUKAN 10.1. Kecenderungan Penumpukan Abu 10.2. Mekanisme Abu Terbang 10.3. Mekanisme Penumpukan abu 10.3.1. Temperatur abu terbang 10.3.2. Komposisi kimia abu terbang Daftar Kepustakaan
158 160 162 168 169 173 177
BAB 11
178 179 180 183 184 185 187 189 190 191 194 199 202
EMISI DARI SISTEM PEMBAKARAN 11.1. Efek Rumah Kaca 11.2. Emisi Karbon Dioksida 11.3. Emisi Karbon Monoksida 11.4. Oksida Nitrogen 11.4.1. Nitrogen di Udara 11.4.2. Bahan bakar – Ikatan Nitrogen 11.5. Teknologi Penurunan Emisi NOX 11.5.1. Disain Burner Rendah NOx 11.5.2. Teknologi Injeksi Bahan Bakar Susulan 11.6. Oksida Sulfur 11.7. Desulfurisasi Gas Asap Daftar Kepustakaan
xi
