Penyediaan EnergiTK 4312Priyono Kusumo

Pertemuan ke 2

TK 4312

1

Bahan Bakar PadatKarakteristik umum: nisbah C/H tinggi nilai kalor relatif tinggi penyalaan paling sukar (sering memerlukan bb cair utk penyalaan awal) & pembakaran paling kotor kadar abu tinggi penyimpanan & transportasi mudah & aman sering memerlukan pengecilan ukuran partikel sebelum pembakaran Parameter-parameter penciri umum bb padat: analisis proksimat analisis ultimat (rinci) kadar kelembaban densitas curah ukuran partikel HGI / Hardgrove grindability index TK 4312 2

Jenis-jenis bahan bakar padat yang umum: kayu, limbah pertanian, batubara

1. Kayu: Sumber: Hutan, Limbah penggerajian kayu, kulit kayu. tersusun dari: - selulosa - Lignin - Air - Abu - Ada yang mengandung resin (damar, resin, getah) Kayu kering diudara : 10-15 % air bahan volatile 60 75% Nilai kalor : 4500 5000 kkal/kg yang mengandung resin & malam (wax) b 9450 kkal/kg Mudah dinyalakan, nyala api b panjang, berasap abu relatif sedikit. Serbuk gergaji sering dibuat briket. TK 4312 3

2. Limbah Pertanian Ampas tebu (Bagasse), bahan bakar ketel dipabrik gula (dapat dibuat kertas). Tempurung dan sabut kelapa /sawit digunakan sebagai bahan bakar ketel dipabrik minyak kelapa sawit (CPO). 3. Arang Dibuat dengan cara distilasi kering (destructive) kayu (pemanasan tanpa udara p karbonisasi. Nilai kalor 7500 7800 kkal/kg. abu 2.5 % Kayu Bisa dipakai sebagai a. bahan bakar langsung b. gasifikasi, menghasilkan: - gas (bahan bakar) - CO2, N2 - CO - H2 TK 4312 - CH4, C2H6 4 bahan bakar volatile 12-17%

c. karbonisasi/pirolisa/destructive distilation menghasilkan produk cair: aseton metanol asam asetat piroligneus asetat Karbonisasi Temperatur rendah b 350o C Temperatur tinggi b 1000o C Variasi produk ditentukan oleh: Jenis kayu Variasi kondisi Kayu Pinus kering terdiri dari: Bahan volatile b 72.9 % Karbon b 24.2 % Abu b 2.9 %

TK 4312

5

Analisa rinci kayu pinus kering :

Zat Hidrogen Karbon Sulfur Nitrogen Oksigen Abu H2O Nilai karbon (HHV) (Btu/lb) (kkal/kg)

Pinus (%) 5.6 53.4 0.1 0.1 37.9 2.9 9000 4990

Bagasse (%) 2.8 23.4 0.1 20 1.7 52 4000 2220

TK 4312

6

4. Peat (Tanah Gambut) Tanah coklat-hitam terbentuk karena pelapukan tumbuh tumbuhan. kandungan air tinggi sekali yaitu 80-90%. kalau sudah dikeringkan dapat dibakar. merupakan asal usul batubara. Peat kering : - C - 57% - H - 6% - O - 35% Nilai kalor : 5400 kkal/kg

5. Batu bara Dipilah menurut tingkat tuanya ('rank') berikut ini tingkatan ketuaan batu bara, dari yang muda hingga yang paling tua: - Lignite - Subituminus - Bituminus - Semibituminus - Antracite TK 4312 7

- batubara coklat, tingkat terendah - masih mengandung sisa kayu - kadar air tinggi p kurang ekonomis Subituminus - tingkat lebih tinggi, hitam Bituminus & Semibituminus - banyak digunakan di industri - untuk buat kokas, gas batu bara, bahan bakar ketel - mudah dinyalakan dan terbakar dalam bentuk serbuk - kelompok terbanyak Antrasit - batu bara paling tua, paling keras rapuh - sukar dinyalakan - hitam mengkilat

Lignit :

TK 4312

8

Perbandingan tingkatan batubaraBatu bara Lignit Subituminus Bituminus Semibituminus Antrasit % air 20-30 15-25 4 1-1.5 1-1.5 %C < 75 75-84 84-91 91-93 86-98 % volatile 49-60 36-42 20-34 10-15 2-10 HHV kkal/kg 7000 7500 8500 8500 8000-8500

Contoh analisa batubara Bukit Asam Proximate Air 23.6% Abu 7.8% Bahan volatil 30.3% Karbon tetap 38.3% HHV 21900 kJ/kg, 5240 kkal/kg 9

TK 4312

Analisa rinci batu bara Bukit Asam Parameter % berat 1. kandungan air 23.6 2. Abu 7.8 3. C 54.2 4. H 3.9 5.S 0.4 6. N 0.9 7. O 9.2

Contoh komposisi abu batubara (dalam %-berat) SiO2 59.4 (rata-rata) Fe2O3 4.6 Al2O3 24.7 CaO 3.1 MgO 1.7 Na2O 2.5 K2O 0.5 TK 4312 10

Fly Ash - Abu terbang - Abu dipisahkan dari gas hasil pembakaran Masalh pembuangan di PLTU dengan bahan bakar batu bara Suryalaya- Merak Paiton Jawa timur Muara Enim Sumsel

Kokas Arang yang diperoleh dari karbonisasi batu bara (Bituminous) Kandungan air 7.3% Bahan volatil 2.3% Karbon tetap 79.4% Abu 11.0% Keempat kandungan ini disebut proximate

TK 4312

11

H2 C S N2 O2 H2O Abu HHV HHV

0.3% 80% 0.6% 0.3% 0.5% 7.3% 11.0% Ketujuh kandungan tersebut disebut ultimate Btu/lb kkal/kg 11.670 58.80

Kokas dari batubara lignit berupa serbuk, perlu dibuat briket Komposisi dan sifat sifat kokas bergantung pada jenis batubara dan temperatur karbonisasi (Temperatur rendah 500-700oC sedang temperatur tinggi 900 -1200oC). Umumnya digunakan dalam industri metalurgi (Tanur peleburan biji logam) Perlu sifat sifat khusus 12

TK 4312

Contoh analisis Tipe-tipe batubara Komponen Antrasit Bituminus Proximate Fixed C 83.8 70.0 Volatil Matrial 5.7 20.5 Moisture 2.5 3.3 Ash 8.0 6.2 Ultimate C H O2 N2 H2O HHV(kkal/kg)

Subituminus 45.9 30.5 19.6 4.0

Lignit 30.8 28.2 34.8 6.2

83.9 2.9 0.7 1.3` 2.5 8600

80.7 4.5 1.8 1.1 3.3 8200

58.8 3.3 0.3 1.3 19.6 7500

42.4 2.8 0.7 0.7 34.8 6500

TK 4312

13

Bahan bakar dan Pembakaran: Bahan bakar non konvensional

TK 4312

14

Bahan bakar non konvensional

TK 4312

15

Neraca Massa dan Energi PembakaranReaksi Pembakaran Reaksi dengan oksigen (O2) 1) O2 murni 2) Udara : 21% O2, 79% N2 ratio mol N2/O2 = 3.76 Unsur2 utama yang bereaksi dg oksigen & memberikan kontribusi panas pembakaran yg berarti pada kondisi praktis adalah: karbon (C) hidrogen (H) sulfur (S)TK 4312 16

Bahan bakar CxHySz (Rumus jelas) 1) CxHySz 1 mol 1 m3 + (x + y/4 +z) O2 x CO2 + y/2 H2O + z SO2 (x + y/4 +z) mol x mol y/2 mol z mol (x + y/4 +z) m3 x m3 y/2 m3 z m3

2)

CxHySz 1 mol

+ + x CO2 + x mol

(x + y/4 +z)(O2 + 3.76N2)

(x + y/4 +z)(O2 + 3.76N2mol udara) y/2 H2O y/2 mol + z SO2 z mol

TK 4312

17

Kebutuhan udara : m4 = (4.76x + 1.19y + 4.76z) mol udara/mol bahan bakar Pembakaran sempurna, teoritis (produk CO2, tidak ada CO) Pembakaran tidak sempurna: Produk mengandung CO (dan sisa CxHySz) - racun - pemborosan (panas tidak maksimal)

TK 4312

18

Bahan bakar sering dinyatakan dengan komposisi dalam % massa C = % massa karbon H = % massa hidrogen S = % massa belerang O = % massa oksigen

Biasanya persentase dinyatakan dalam basis bebas air atau bebas air & abu ("dry, mmf basis") Oksigen dan hidrogen bersama selalu berikatan 2H + O p H2O 2g 16g 1g Oksigen | 1/8 Hidrogen

TK 4312

19

Bila ada oksigen, hidrogen yang dapat bereaksi dengan oksigen dari luar bahan bakar berkurang dengan O/8 Kebutuhan massa udara 1 mol C = 12 gC | 4.76 mol udara = 4.67 x 28.9 g udara 1gC| 11.47 g udara

Dengan cara yang sama: 1gS 1gH| |

4.3 g 34.4 g udara

Kebutuhan udara teoritik, dihitung dari komposisi bahan bakar: G udara = ?11.47 C + 34.4 (H-O/8) + 4.3 SA x 1/100 (g udara/ g bahan baku)TK 4312 20

Agar pembakaran sempurna: Oksigen cukup banyak untuk bahan bakar yang ada. Oksigen dan bahan bakar campur dengan baik. Campuran oksigen-bahan bakar pada temperatur u temperatur nyalanya (flash ignition temperature). Ruang pembakaran cukup besar sehingga cukup waktu kontak untuk reaksi.

Flash point : temperatur terendah dimana uap jenuh bahan bakar menyala (tersulut) oleh adanya api (open flame) Autoignition temperature: temperatur dimana bahan bakar akan menyala spontan tanpa tersulut api. Harga temperatur diatas berkaitan dengan harga tekanan uap bahan bakar (yang menyala adalah uap/gas)TK 4312 21

Panas Pembakaran:Panas reaksi standard pada pembakaran bahan bakar p Panas pembakaran standard Ditentukan dengan: pengukuran langsung dg bomb calorimeter (metode ASTM D2015) diperkirakan dari perhitungan berdasarkan komposisi bahan bakar

TK 4312

22

Nilai kalor (heating value/calorific value) tiap unsur: Panas Pembakaran Unsur kJ/kmol 393,513 286,000 291,000 kJ/kg 32,792 143,000 9093 kcal/kmol 94,052 68,400 69,600

Carbon (C) Hidrogen(H) Sulfur (S)

TK 4312

23

Dua basis pernyataan nilai kalor:1. Higher (Gross) heating value (HHV) panas yang dihasilkan pada pembakaran jumlah tertentu bahan bakar dimana produk H2O berupa cairan (dikondensasikan). CH4 gas + O2 gasp

CO2 + 2 H2O + 890346 kJ/kmol gas cair

2) Lower (Net) heating value (LHV) panas yang dihasilkan pada pembakaran jumlah tertentu bahan bakar dimana produk H2O yang dihasilkan berupa uap (gas) CH4 gasTK 4312

+

O2 gas

p

CO2 + 2 H2O + 808158 kJ/kmol gas gas24

Hubungan antara HHV & LHV:LHV = HHV - mwPw Selisih HHV dengan LHV = panas laten penguapan air pada tekanan parsial uap air dalam produk pembakaran. P = 1 atm = 101325 Pa PH2O = 2/3 x 101325 = 67550 Pa Pada tekanan ini Pw $ 2283 kJ/kg = 41095 kJ/kmol LHV = 890346 (2)(41095) = 808158 kJ/kmolSebagai pendekatan, selisih tersebut dapat diambil harga : 589 kalori/g air, 1040 Btu/lb air, atau 2450 kJ/kg air W = fraksi massa H2O dalam bahan bakar H = fraksi massa Hidrogen dalam bahan bakar

LHV = HHV 2450 (W + 9H) kJ/kgTK 4312 25

Bila diketahui % unsur unsur C, H dan S dalam bahan bakar, perkirakan panas pembakaran:

97000 68400 O 69600 Nilai kalor ! C S H 1200 200 9 3200 O kCal N .K ! 80.83 C 342 H 21.75 S 8 k bahan bakar Estimasi HHV dg Persamaan Dulong:

Vdry ,mmf ! 33.950

144200

kJ 9400 S kg b. bakar 8

C,H,O,S dalam fraksi massa, basis kering & bebas abu (dry, mineralmatter free)TK 4312 26

Jika diinginkan nilai kalor dalam basis basah & mencakup abu (as-burned basis), gunakan:

HH

asburned

! HH

dry,

M o AS f 1 100

dimana: M0 = %-berat air (kelembaban) bahan bakar AS = %-berat abu bahan bakar

TK 4312

27

Pengukuran dengan kalorimeter: sampel sebanyak 1-2 gram

dibakar dalam atmosfer oksigen murni dg tekanan awal 25

MPa nilai kalor yang terukur secara praktis adalah HHV karena air

hasil pembakaran dibiarkan mengembun

TK 4312

28

Contoh perhitungan1. Gas LPG (55% mol C3H6 dan 45% mol C4H10) dibakar sempurna dengan udara (21% O2 dan 79% mol N2). Laju alir gas LPG 10 mol/menit. a. Jika pembakaran dilaksanakan secara stokhiometrik, tentukan laju alir dan komposisi gas hasil pembakaran. b. Jika pembakaran dilaksanakan dengan ekses udara 20%, tentukan laju alir udara yang diperlukan.

TK 4312

29

Penyelesaian:Dasar perhitungan :10 mol/menit gas elpiji, C3H8 = 5,5 mol C4H10 = 4,5 mol Persamaan reaksi stokhiometrik: C 3H 8 5,5 mol C4H10 4,5 mol + + 5 O2 27,5 mol 6,5 O2 29,25 mol 3 CO2 + 4 H 2O 22 mol + 5H2O 22,5 mol 16,5 mol 4 CO2

18 mol

TK 4312

30

a) Laju alir gas hasil pembakaran = (16,5+18) mol CO2 + (22+22,5) mol H2O + 79/21 (27,5 +29,25) mol N2 = 34,5 mol CO2 + 44,5 mol H2O + 213,49 mol N2 = 292,49 mol/menit Komposisi : CO2 = 34,5/292,49 X 100% = 11,79% H2O = 44,5/292,49 X 100% = 15,21% N2 = 213,49/292,49 X 100% = 73,0% b) Excess 20%, oksigen yang diperlukan = 1,2 x (27,5 +29,25) mol O2 = 68,1 mol/menit O2 Laju alir udara : 100/21 X 68,1 mol/menit O2 = 224,28 mol/menit (9,3 kg/menit)

TK 4312

31

Contoh perhitungan2. Batu bara memiliki komposisi (dalam fraksi berat): 65% Carbon, 5% abu dan 30% VM. Pada suatu proses pembakaran batu bara ini ternyata menyisakan sisapadat dengan komposisi (dalam fraksi berat): 10% Carbon dan 90% abu. Jika sisa padat terukur 40 kg, berapakah jumlah batu bara yang telah dibakar ? Penyelesaian Batubara (fraksi berat): 65% C, 5% Abu, 30% VM padatan 40 kg Abu sebagai komponen kunci (jumlah tetap/tidak terbakar) Berat abu masuk = batubara x 5% Berat abu keluar = 90% x 40 kg Dengan demikian : batu bara yang telah dibakar adalah : 10% C, 90% abu dan sisa

90 % v 40 kg batubara ! ! 720 5%TK 4312

kg32

Tugas 1Soal 1 Sebuah rumah tangga menjerang air 5 kg/hari dengan menaikkan temperatur dari 30o menjadi 90o C (anggap tidak ada yang menguap). Data berikut menunjukkan perbedaan antara minyak tanah dan LPG Minyak tanah: LPG: NHV = 34000 kJ/kg NHV = 38000 kJ/kg Effisiensi kompor = 20% effisiensi kompor = 40% Harga (subsidi) = Rp. 2400/ltr harga (resmi) = Rp. 5500/kg Hitunglah kebutuhan masing-masing jenis bahan bakar dalam kg/hari dan berapa biaya yang dibutuhkan (dalam Rp/hari) ?. Soal 2 Pada suatu sistem pembakaran, banyak variabel operasi yang perlu diperhatikan agar effisiensi tetap terjaga. Berikan uraian mengenai hal-hal berikut ini: a) Apakah efek positif dan negatif ekses udara b) Apakah efek positif dan negatif tingginya temperatur pembakaran (atau dicerminkan dengan tingginya temperatur gas cerobong) TK 4312 33

Soal 3. Sekam padi memiliki komposisi elemental dasar kering (fraksi massa) C = 45%, H = 8%, O = 42% dan abu. Panas pembakaran dasar kering ini, NHV = 18000 kJ/kg. a) Jika kadar airnya 15% dasar basah, hitunglah komposisi elemental lengkap dasar basah (Ingat: elemen H dan O dari air juga harus dimasukkan sebagai H dan O dalam komposisi elemental). b) Hitunglah panas pembakaran dasar kering dalam besaran HHV (panas penguapan air 2200 kJ/kg). c) Tulislah satu contoh industri yang memanfaatkan biomassa sebagai sumber energi alternatif.

TK 4312

34