Tabel 7. Nilai Kalor dan Analisis Prediksi Bahan Bakar Padat
fuel type
PARAMETER BAHAN BAKAR
PARAMETER BAHAN BAKAR
3.1 coal (come from hard coal processing) finished mendapatkan variasi jenis mineral dalam batu bara tersebut.
Salah satu bahan yang umum terdapat dalam lignit di adalah metal oksida. Bukan hanya besi saja yang bisa muncul, melainkan juga mangan, magnesium hingga nikel.
PARAMETER BAHAN BAKAR
42
Metal oksida seperti mangan oksida maupun natrium oksida bersifat korosif. Jadi apabila kita menghasilkan abu dari pembangkit, membuangnya tidaklah mudah. Fly ash merupakan bagian dari abu yang terbang bersama gas buang panas (hot flue gas). Bagian abu lain yang jatuh dinamakan dengan bottom ash.
Kuantitas bottom ash ini cukup banyak. Untuk pembangkit listrik berdaya besar dengan dua puluh gerbong batu bara yang dibakar, maka gerbong ke dua puluh merupakan gerbong yang berisikan abu saja.
Oleh karena itu, dalam tiap 2-3 jam, kita memiliki kereta yang penuh dengan abu korosif. Solusi yang bisa dilakukan adalah mencoba mengumpulkan abu tersebut, kemudian membuatnya dalam bentuk trotoar bagi pejalan kaki, beton bangunan dan seterusnya.
Silikon oksida pada dasarnya adalah pasir yang digunakan dalam konstruksi bangunan. Jadi cara termudah untuk menyingkirkan abu ini adalah dengan menaruhnya pada material bangunan.
Cara ini harus dilakukan sedemikian rupa agar terhindar dari problem terhanyut (wash out). Sebagai contoh, apabila timbal atau logam berat lainnya terhanyut, ini akan menimbulkan masalah lain, seperti tercemarnya sumber air minum di sekitarnya.
Abu juga bisa terbentuk dalam bentuk serbuk. Abu ini akan berwarna merah menyala saat panas. Kita harus mendinginkannya terlebih dahulu.
Namun, apabila pendinginan dilakukan dengan bantuan air, akan ada dua kemungkinan yang harus diantisipasi:
PARAMETER BAHAN BAKAR
43 1. Air akan menguap
2. Saat terjadi kontak dengan air, abunya bisa larut dalam air.
Pemisahan hidrogen dan oksigen dalam hal ini, bisa memicu ledakan.
Hingga 50% abu dapat terbang jauh, dan tergantung dari ikatan kimia di dalam abu, dia bisa melunak-mencair di permukaan benda. Bayangkan abu bertebaran ke dinding. Dinding pada pembangkit terdiri dari pipa-pipa logam dengan air di dalam pipa tersebut.
Saat panas hilang dan temperatur dinding menurun, abu ini menjadi padatan yang lengket di permukaan pipa. Ketika abu ini menjadi padat, dia menjadi seperti batu keramik. Lapisan batu ini akan mencegah panas masuk ke dalam air di dalam pipa. Transfer panas pun terhambat. Untuk membersihkannya, pembangkit harus dimatikan dan didinginkan dari 1000˚C menjadi 80-100˚C saja, kemudian dibersihkan secara manual. Hal ini sulit dilakukan mengingat pembersihan ini dilakukan pada ketinggian sekitar 60 m dari permukaan tanah.
Kasus terburuk, padatan abu ini menjadi gumpalan besar dan berjatuhan karena gaya gravitasi. Abu yang jatuh ini terkadang bisa seukuran mobil. Bisa dibayangkan energi potensial yang dilepaskan saat abu ini jatuh dari ketinggian 60 m.
Oleh karena itu, kita berusaha untuk mendapatkan campuran batu bara terbaik agar abu tidak lengket di permukaan dalam pembangkit.
Abu ini diivestigasi sebelumnya untuk proses pelunakan. Batu bara dibakar dan sisanya, yaitu abu, ditekan menjadi bentuk kubus, diamati di bawah mikroskop kemudian dipanaskan secara
PARAMETER BAHAN BAKAR
44
bertahap. Waktu saat sisi-sisi mikroskopik batu baranya mulai memudar, atau melunak, kita bisa menyimpulkan bahwa pada temperatur tersebut, abu akan lengket dan menetap di permukaan benda. Semakin tinggi temperatur pelunakan abu, semakin baik kriteria ini bagi pembangkit.
Pelunakan terjadi sebelum pencairan. Permukaan menjadi cair dan abu dikatakan menjadi lunak. Akan tetapi apabila kita mempunyai abu yang melunak pada temperatur lebih rendah, beberapa pilihan ini bisa digunakan:
1. Mencampurkan berbagai jenis batu bara agar campuran abu kita memiliki titik pencairan yang lebih tinggi
2. Membakar batu bara di beberapa jenis pembangkit yang berbeda-beda sehingga diharapkan semua abu akan mencair dan kemudian mengeluarkannya dalam bentuk abu cair-terak (molten ash-slag). Pembersih jelaga (soot blower) juga merupakan salah satu pilihan. Udara atau uap bertekanan ditiup pada permukaan benda untuk menghilangkan abunya sebelum ia bertransformasi menjadi lapisan batu keramik.
Akan tetapi apabila kita mempunyai boiler, kita harus meniupnya dengan arah yang berlawanan. Pipa didesain sedemikian rupa untuk tujuan ini, kemudian udara atau uap bertekanan digunakan untuk menghilangkan apapun yang menempel di permukaan pipa terbesut. Oleh karena itu, pipa haurs cukup panjang agar bisa mencapai sisi lainnya, setidaknya antara 20-25 m. ia juga harus cukup kuat sehingga tidak menjadi bengkok.
Semakin besar pembangkit, semakin rumit sistem kerjanya.
Kita bisa menghitung transfer panasnya dan apabila lapisan tersebut sudah cukup tebal hingga panasnya tidak bisa
PARAMETER BAHAN BAKAR
45
dihilangkan, kita bisa melakukan prosedur pembersihan jelaga, atau bisa juga melakukannya dalam jangka waktu berkala.
Gambar 18. Titik Didih dari Extra Light Fuel Oil
Pada bahan bakar minyak, titik didihnya ditunjukkan pada gambar di atas. Gambar tersebut menunjukkan persentase minyak yang menguap seiring dengan penambahan temperatur. Pada temperatur yang tinggi, seluruh minyak akan menguap.
Sebagaimana telah diketahui bersama, light fuel oil merupakan hasil distilasi fraksional. Diesel, nama lain light fuel oil, mulai mengalami penguapan pada temperatur 200˚C dan akan menguap seluruhnya pada temperatur 360˚C.
Tidak ada titik didih yang pasti karena minyak terdiri dari setidaknya 150 jenis senyawa kimia. Oleh karena itulah, terdapat beragam cara untuk mengubah minyak menjadi gas untuk membakarnya. Kita bisa berkesimpulan bahwa pada temperatur
PARAMETER BAHAN BAKAR
46
240-260˚C, kita memiliki proporsi yang bagus antara minyak dan gas sehingga pada range temperatur ini, ia bisa mudah dicampur dan dibakar.
Ini adalah salah satu alasan kenapa diesel sangat popular sebagai bahan bakar mula (starting). Diesel akan mulai terbakar pada temperatur yang rendah dan suhu 200˚C mudah untuk dicapai.
Penyalaan (igniting) berarti apabila api tersedia, dia akan menjaga nyala api tetap hidup. Penjelasannya, energi dibebaskan dari pembakaran untuk menjaga nyala api tetap hidup.
Sebagai perbandingan, temperatur penyalaan untuk bahan bakar lainnya berada pada posisi yang lebih tinggi. Hard coal akan mulai terbakar pada temperatur lebih dari 500˚C sedangkan metan akan terbakar pada temperatur 600˚C.
PARAMETER BAHAN BAKAR
47
Tabel 8. Prosedur Produksi pada Beberapa Bahan Bakar
Ada beberapa jenis bahan bakar gas seperti yang tercantum pada tabel di atas. Gas kokas telah dibahas pada bab sebelumnya, dihasilkan dari proses degassing batu bara.
Tipe gas yang lain bisa diproduksi dengan memanaskan batu bara kemudian menambahkan udara namun tidak cukup banyak sehingga ia tidak terbakar seluruhnya. Ia mengubahnya hanya menjadi gas CO. Gas ini bukan bahan bakar kualitas baik, tetapi kita mungkin membutuhkan gas ini untuk beberapa kasus dibandingkan dengan menggunakan bahan bakar padat.
Penggunaan yang lebih menarik adalah pada blast furnace untuk memanaskan bijih besi. Langkah pertama, oksidasi dilakukan
PARAMETER BAHAN BAKAR
48
untuk membebaskan energi guna pemanasan bijih besi. Oksigen di udara, juga oksigen pada bijih besi digunakan sebagian untuk menguraikan bijih besi itu sendiri. Karbon dan air menghasilkan karbon monoksida dan H2 yang disebut sebagai water gas. Water gas memiliki bagian yang bisa terbakar yaitu karbon monoksida dan hidrogen. Nilai kalornya bervariasi hingga 10 MJ/m3 atau seperempat dari nilai kalor pada gas alam.
Cracked gas merupakan gas yang spesial. Kita mulai dengan bahan bakar minyak dari kilang minyak, apabila padatan besar karbohidrat dipecah menjadi molekul yang lebih kecil, mereka akan berubah menjadi cairan, bukan padatan lagi. Apabila kita memecahnya lagi lebih jauh, ia akan menjadi gas. Proses ini dinamakan cracking. Cracking akan memberikan bahan bakar cair atau bahkan gas dari bahan bakar padat.
Kualitas bahan bakarnya tidak buruk, kecuali kita memberi banyak oksigen dalam prosesnya. Semakin sedikit kandungan oksigen yang digunakan dalam proses, semakin banyak karbohidrat yang tinggal dan dalam kasus ekstrim, kita bisa mendapatkan 100% karbohidrat yang berarti 100% bahan bakar.
PARAMETER BAHAN BAKAR
49
Gambar 19. Kurva Uap Bertekanan
Di bawah kurva tersebut, material berbentuk gas dan di atas itu, bahan bakar berbentuk cair. Apabila kita menginginkan untuk mentransportasikan bahan bakar, kita bisa melakukannya melalui jaringan pipa atau untuk jarak yang lebih jauh, kita bisa menaikkan tekanannya dan mendistribusikannya lewat kapal.
Parameter tekanan untuk temperatur tertentu harus dilihat pada tabel. Akan tetapi untuk gas seperti metan, akan lebih baik menggunakan pipa daripada menaikkan tekanannya jauh di atas 50 bar untuk membuatnya tetap cair di suhu ruang.
Tabel 9. Rasio Udara untuk Beberapa Jenis Sistem Firing
Furnace λ
Batu bara pada
manually fed stoker 1,5 to 2,0 Batu bara pada
mechanically fed stoker 1,3 to 1,6
PARAMETER BAHAN BAKAR
Otto motor with controlled
catalyzer 0,99 to 1,00
Diesel motor 1,1 to 1,15
Lambda=1 berarti bahwa udara tersedia cukup untuk membakar keseluruhan bahan bakar. Secara teori, ini berarti semua karbon berubah menjadi karbon dioksida, semua hidrogen berubah menjadi air, semua sulfur berubah menjadi sulfur dioksida, dan seterusnya. Adapun nitrogen pada kondisi ini tidak akan berubah menjadi NOx karena oksigen habis untuk membakar bahan bakar.
Lambda merupaka dasar perhitungan untuk nilai kalor. Kita berusaha menjaga agar lambda bisa sedekat mungkin dengan angka 1.
Apabila kita menggunakan lebih banyak udara, maka jumlah flue gas yang dipanaskan juga meningkat, sehingga temperatur flue gas pun berkurang.
Akan tetapi, hal ini didefinisikan dengan jumlah oksigen yang membakar habis bahan bakar. Untuk atom terakhir karbon akan kesulitan untuk bertemu dengan atom terakhir oksigen. Oleh karena itu, kita menambahkan jumlah oksigen untuk menaikkan kemungkinan bahan bakar bertemu dengan oksigen. Itu sebabnya pada tabel kita memiliki nilai lambda lebih dari 1. Hanya pada Otto
PARAMETER BAHAN BAKAR
51
Motor kita memiliki lambda<1, karena di motor ini, bahan bakar yang tidak terbakar bisa mengambil oksigen dari molekul NOx.
Kita menggunakan lebih banyak udara daripada yang dibutuhkan untuk memastikan reaksi kimia bisa terjadi. Namun kita membatasi jumlahnya agar tetap dekat dengan lambda=1.
Beberapa alasannya adalah:
1. Lebih banyak udara untuk jumlah panas yang sama berarti kita akan mencapai temperatur flue gas yang lebih rendah.
Akibat dari temperatur yang lebih rendah ini, transisi panas tidak akan sebaik transisi panas pada lambda mendekati 1.
Hal ini disebabkan karena transisi panas proporsional nilainya dengan perbedaan temperatur.
2. Uap yang diproduksi tidak akan menjadi lebih hangat. Uap akan terjadi pada temperatur yang lebih rendah. Pada turbin gas, kita tetap menjaga agar temperatur tetap tinggi karena efisiensi termal sebanding dengan kenaikan temperatur. Akan tetapi, pada proses di turbin gas, kita menggunakan udara yang berlebih sebagai upaya pendinginan. Jika tidak, hal ini akan merusak bilah turbin.
Penggunaan udara berlebih pada turbin gas merupakan satu-satunya pengecualian untuk beberapa contoh firing pada tabel di atas.
Pada bahan bakar padat, mencapai nilai lambda=1 akan lebih sulit mengingat pencampuran bahan padat dengan udara tidaklah mudah.
Pada bahan bakar minyak, pencampuran akan lebih mudah.
Minyak disemprotkan dan droplet minyak akan menguap menjadi gas dan bercampur dengan udara.
PARAMETER BAHAN BAKAR
52
Bahan bakar gas merupakan bahan termudah yang bisa dicampur dengan udara, oleh karena itu memiliki rasio lambda mendekati 1.
Bahan bakar padat berarti kita memiliki butiran batu bara yang butuh untuk dikeringkan. Volatile akan keluar kemudian bercampur dengan udara dan terbakar. Akan tetapi, untuk mengeluarkan volatile, kita membutuhkan temperatur yang tinggi dan waktu yang lama. Apabila tempat perapian mampu melakukan pembakaran dalam waktu yang lama, ia juga bisa menangani butiran bahan bakar yang berukuran besar.
Beberapa baris teratas pada tabel sebelumnya menunjukan sistem pembakaran yang bisa menangani batu bara berukuran besar.
Pada kasus pulverized coal, serbuk batu bara sangat halus dengan diameter di bawah millimeter sehingga kita berada dalam posisi mendekati bahan bakar cair ataupun gas. Oleh karena itu, nilai lambda pada pulverized coal mendekati 1, hampir satu level dengan minyak bumi.
Dengan ukuran butiran yang lebih besar, rasio udara harus lebih dari 100% sehingga reaksi kimia bisa mempertemukan bahan bakar dengan oksigen. Apabila ukuran butiran batu bara lebih besar, kita membutuhkan waktu pembakaran lebih lama karena panas harus bisa menembus lapisan terdalam batu bara.
Pada pulverized coal, kita bisa mencampurnya dalam level mikroskopik dan apabila hanya 95% batu bara yang terbakar, sisanya bisa diatur dalam turbulensi untuk meningkatkan probabilitas bertemunya oksigen dan bahan bakar.
Hal ini bisa dibandingkan dengan motor bakar. Mereka juga menggunakan lambda sedikit di atas 1 untuk membakar bahan bakar secara menyeluruh.
PARAMETER BAHAN BAKAR
53
Kelebihan bahan bakar digunakan pada motor Otto. Hal ini dilakukan untuk mengurangi pembentukan gas NOx. Hal yang sama juga dilakukan di pembangkit pada fase awal pembakaran.
Akan tetapi pada skala besar, efisiensi akan menurun dan emisi NOx di bawah ambang batas yang ditentukan apabila kita membakar bahan bakar secara keseluruhan.
Dari sisi ekonomis, tidak ada keuntungan untuk mencapai zero emission karena tujuan utama pembangkit adalah untuk menghasilkan uang.
54
55