Bahan Bakar Padat. Modul : Bahan Bakar Padat

Bahan Bakar Padat

Contoh:

1. Kayu dan sisa tumbuhan: kadar abu rendah, kadar air relatif tinggi (tergantung pada spesies dan umur pohon, iklim, kondisi penyimpanan).

Kandungan air = W

Nilai kalor (rumus pendekatan):

kg kkal ) W 50 4400 ( Q_L = −

Termasuk sis a tanaman: batang tebu, kulit buah, sekam, jerami, dll.

2. “Peat”, bahan yang terbentuk dari dekomposisi dan disintegrasi tanaman graminae (seperti tebu, bambu, alang-alang) oleh tekanan air di dalam rawa. Kandungan abunya tergantung pada lumpur rawa. Bahan bersifat higroskopis. Kandungan airnya tergantung pada kondisi pengeringan, transportasi dan penyimpanan. Nilai kalor bawahnya 1700-3000 kkal/kg.

3. Batubara (= Bahan Bakar Fosil)

Berdasarkan asal dan umur geologisnya, digolongkan sebagai berikut: - lignite,

- bituminous coal, - anthracite.

3.1. Lignite: terbentuk dari tumbuh-tumbuhan yang mengalami karbonisasi atau perkayaan akan kandungan C di bawah lapisan tanah dalam jangka waktu yang lama.

Berdasarkan umur geologisnya digolongkan atas: - pitch lignite: lebih muda daripada lignite, - lignite.

Kadar N, O, VCM, S dan air tinggi. Lignite bersifat higroskopis, nilai kalor bawah sekitar 1500-4500 kkal/kg.

3.2. Bituminous coal : terbentuk pada periode geologi “carboniferous” dari tumbuh-tumbuhan yang mengala mi karbonisasi. Nilai kalor 7000-8000 kkal/kg.

Kandungan abu dan airnya rendah (5-10%). Kalau kandungan abunya tinggi, biasanya dipakai pada “steam power plant”. Batubara yang berwarna hitam tidak bersifat higroskopis.

3.3. Anthracite: batubara yang terjadi pada umur geologi yang paling tua. Struktur kompak, berat jenis tinggi, berwarna hitam metalik, kandungan VCM rendah, kandungan abu dan air rendah, mudah ditepung. Kalau dibakar, hampir seluruhnya habis terbakar tanpa timbul nyala. Nilai kalor atas ≥ 8300 kkal/kg.

Semi -anthracite mempunyai sifat antara bituminous coal dan anthracite.

3.4. Shale, adalah hasil penguraian tumbuh-tumbuhan dan binatang mikroorganisme di dasar rawa atau danau membentuk bahan seperti lumpur yang disebut “sapropel”. Sapropel yang bercampur dengan sedimen mineral membentuk massa yang kompak yang disebut “combustible shale”.

Kadar abunya tinggi, VCM tinggi, nilai kalor rendah. Nilai kalor antara 1350-2700 kkal/kg. Batubara digolongkan menurut kandungan C-nya, dengan istilah “rank”. “Rank” menunjukkan derajat perubahan komposisi kimiawi selama transisi dari selulosa menjadi grafit. Kalau rank rendah, derajat perubahan kimiawinya kecil, kandungan VCM -nya rendah.

Rasio bahan bakar (= fuel ratio) =

VCM %

FC %

Rasio bahan bakar untuk anthracite = 10-60 semi -anthracite = 6-10 semi-bituminous = 3 -7

bituminous = 0.5-3 3.5. Nilai Kalor Batubara

* Rumus pendekatan Mendeleyev; berlaku juga untuk semua bahan bakar padat. W 6 ) S O ( 26 H 246 C 81 Q_L= + + − _V − = = =NHV LHV

Q_L nilai kalor bawah (kkal/kg).

C, H, O,

S

_V, W : kandungan karbon, hidrogen, oksigen, belerang, air (% berat). * Persamaan Calderwood; berlaku khusus untuk bituminous coal.

(

H

)

1.55 FC VCM 100 80 0053 . 0 S 5 . 40 Q 00512 . 0 88 . 5 C     − ± − + =

C, VCM, FC, S = % berat karbon, VCM, FC, belerang dalam batubara. =

H

Q nilai kalor atas (BTU/lb).

Semua perhitungan persentase berdasarkan “udara kering”. Kalau: 80

FC VCM

100 > , tanda negatif.

* Rumus Dulong; berlaku untuk semua batubara. S 4050 8 O H 62028 C 14544 Q_H +      − + = H

Q = nilai kalor atas (BTU/lb)

C, H, O, S = fraksi berat karbon, hidrogen, oksigen, belerang       − 8 O

H = fraksi berat “net hydrogen” =

H

_net

= net

H total berat hidrogen - 8 1 berat oksigen *Q_L=Q_H −8.94×H×1050 H L,Q Q dalam BTU/lb

H = fraksi berat hidrogen, termasuk H_net, H dalam air kelembaban, H dalam air senyawa.

Analisa bahan bakar padat (khususnya batubara): - ultimate analysis (analisis tuntas),

- proximate analysis (analisis pendekatan).

Ultimate analysis: menentukan komposisi unsur-unsur yang ada dalam bahan bakar, yaitu: C, H, O, N, S, P, abu, dll. Data pada analisis tuntas:

- kandungan air eksternal, yang menguap pada suhu ≥ 1000

C,

- kandungan air senyawa = air yang terbentuk dari H dan O yang jumlahnya ekivalen,

- abu, bahan mineral yang tak dapat terbakar,

- H_net, hidrogen yang terbakar oleh oksidator, tidak termasuk dalam H yang ada dalam air eksternal dan air senyawa,

O dengan ekivalen yang H H H_net= _total− , - C (karbon), - belerang (S), nitogen (N), dll.

Proximate analysis: pengujian (laboratoris) terhadap bahan bakar padat berdasarkan atas sifat komponen yang mudah membentuk gas (volatile matter) dan yang tidak mudah membentuk gas (non-volatile matter).

Data proximate analysis: - air eksternal,

- VCM = volatile combustible matter,

- FC = fixed carbon = non-volatile combustible matter, - abu = mineral.

Air eksternal + VCM + FC + abu = 100%.

Bahan yang dapat terbakar (BDT) = combustible matter = VCM + FC. Perhitungan/analisis didasarkan pada:

- udara kering, atau - bahan yang dibakar.

Bahan Bakar Padat (Tambahan)

Yang dibicarakan umumnya batubara, meskipun ada beberapa industri menggunakan kayu seperti genting. Industri kelapa sawit menggunakan tempurung kelapa. Bahan bakar padat umumnya terjadi karena proses alami selama berjuta-juta tahun yang lalu dan umumnya mengandung C, H, O, N, S, P dan yang pokok C, H, O, S.

Proximate analysis: analisis pendekatan, perhitungannya didasarkan pada : - udara kering (analisa orsat), atau

Contoh Soal

Sisa pembakaran = refuse : - kering, - VCM, - FC, - abu.

Abu terpisah karena abu adalah bahan yang tidak dapat terbakar sehingga abu jika diketahui jumlahnya dapat digunakan/dijadikan sebagai basis.

Kalau refuse batubara FC VCM FC VCM       =      

maka ada sebagian dalam batubara yang tidak

terbakar. Kalau refuse batubara FC VCM FC VCM       ≠      

maka sebagian batubara hampir habis terbakar.

Dalam perhitungan nilai kalor batubara:

1 kal/kg = 1.8 BTU/lb

1 BTU/lb0F =

kal/gr0C



→

satuan

c

_p

Semua H2O ikut gas buang artinya tidak ada air yang menetes di dapur (“combustion

chamber”).

Istilah-Istilah Penting pada Bahan Bakar Padat

Analisa Tuntas (“Ultimate Analysis”)

Analisa ini menentukan susunan unsur-unsur yang ada di dalam bahan bakar, yaitu: C, H, O, N, S, P, dll., serta abu. Analisa ini digunakan untuk menentukan atau mengetahui struktur senyawa atau kemurnian senyawa.

Data analisa tuntas meliputi:

- kandungan air: merupakan pengurangan berat cuplikan/sampel pada pemanasan dengan suhu 1050C;

- kandungan air senyawa : ekivalen dengan kandungan oksigen;

- karbon;

- hidrogen yang terbakar = hidrogen net atau “available hydrogen”, yaitu H yang tidak termasuk dalam air (“moisture:”) maupun air senyawa (“combined water”); - sulfur, biasanya dalam jumlah kecil;

- nitrogen, juga dalam jumlah kecil, yaitu antara 1-3%.

Hidrogen net adalah jumlah seluruh hidrogen dalam bahan bakar dikurangi dengan hidrogen yang ekivalen dengan oksigen yang ada dalam bahan bakar.

Analisa Pendekatan (“Proximate Analysis”)

Analisa ini adalah pengujian laboratoris terhadap bahan bakar padat didasarkan pada sifatnya yang dapat/mudah menguap atau membentuk gas (“volatile”), yaitu:

- kandungan air,

- kandungan bahan yang dapat terbakar dan mudah membentuk gas = “volatile combustible matter” = VCM,

- kandungan bahan yang dapat terbakar dan tidak mudah membentuk gas = “non-volatile combustible matter” = karbon tetap = fixed carbon = FC,

- kandungan abu.

Jumlah air + VCM + FC + abu = 100% Combustible = VCM + FC

= bagian yang berperan sebagai bahan bakar.

* Penentuan berat VCM: pembakaran cuplikan kering di dalam krus tertutup pada suhu 9500C selama 7 menit.

Pengurangan berat cuplikan = berat air senyawa + hidrogen + karbon yang mudah membetuk gas = berat kandungan VCM.

Hidrogen dan karbon yang mudah membentuk gas adalah hidrokarbon yang terkandung dalam batubara.

Keseluruhan bahan yang tertinggal setelah pembakaran di atas adalah campuran FC dan abu.

* Abu: residu yang tertinggal setelah pembakaran sempurna dalam udara terbuka pada suhu 7250C = konstituen mineral dalam bahan bakar secara kimia.

* Refuse: sisa pembakaran yang dikeluarkan dari dapur atau ruang pembakaran, yaitu bahan yang tidak ikut terbakar (“unburnt combustible matter”). Jumlah refuse beragam menurut beragamnya jumlah bahan yang tidak ikut terbakar. Banyaknya bahan yang tidak ikut terbakar tergantung pada sistem pembakaran dan metoda pembakaran.

Contoh Soal

Batubara masuk dapur : 100 lb/jam;

mengandung: C = 70%, VCM = 37%, FC = 55%, abu = 6%, H2O = 2%.

(1) Berat sisa pembakaran tiap 100 lb batubara dibakar? Abu dalam batubara = 6 lb.

Semua abu dalam batubara, setelah pembakaran akan tertinggal dalam sisa pembakaran (atau refuse).

Abu dalam refuse = 40% = 6 lb. Refuse = 6lb 15lb.

40

100_{× =}

(2) Berapa karbon dalam refuse tiap 100 lb batubara dibakar?

673 . 0 55 37 FC VCM batubara = =       667 . 0 36 24 FC VCM refuse = =       Jadi: refuse batubara VCM FC C FC VCM C       + =       +

Karbon dalam refuse = 15lb 6.85lb. ) 55 . 0 37 . 0 ( 6 . 0 7 . 0 = × + ×

(3) Berapa jumlah lbmol gas buang (kering) tiap 100 lb batubara? Karbon dalam gas buang = 70 – 6.85 = 63.15 lb

= lbmol 5.2625lbmol 12 15 . 63 = Gas buang = y lbmol

C dalam gas buang = 0.1180y + 0.0142y = 0.1322y 0.1322y = 5.2625 lbmol

y = 39.807lbmol

(4) Jumlah lbmol udara digunakan tiap 100 lb batubara ? N2 dalam gas buang berasal dari udara.

N2 = 80.58% = 0.8085 × 39.807 lbmol = 32.0765 lbmol

Asumsi : batubara tidak mengandung N.

Udara digunakan untuk membakar batubara = 32.0765lbmol 40.60lbmol 79

100

=

× .

(5) Nilai kalor batubara? Rumus Calderwood:

(

H

)

1.55 FC VCM 100 80 0053 . 0 S 5 . 40 Q 00512 . 0 88 . 5 C _            − ± − + = C, S, VCM, FC dalam % berat. H Q dalam BTU/lb. dapur batubara Udara 250C, 1 atm kelembaban = 80% gas buang N2 = 80.58% CO2 = 11.80% CO = 1.42% O2 = 6.00% SO2 = 0.20%

Sisa pembakaran = refuse - kering

- VCM = 24% - FC = 36% - Abu = 40%

}

jadi

batubara FC refuse VCM FC VCM       =      

SO2 dalam gas buang = 0.20%=0.2×10−2×39.807lbmol

S dalam gas buang = SO2 dalam gas buang

= 79.6×10−3lbmol

= 79.6×10−3×32lb=2.5472lb

Berat (VCM + FC) dalam refuse = 15lb 9lb 100

36

24+ _{× =}

Berat (VCM + FC) yang terbakar membentuk gas buang = (37 + 55) – 9 = 83 lb. Karena refuse batubara FC VCM FC VCM       =      

_,

maka terbakar refuse batubara VCM FC S FC VCM S FC VCM S       + =       + =       + 0307 . 0 83 5472 . 2 FC VCM S terbakar = =       + S dalam batubara = 0.0307 × (37+55) = 2.8234 lb_100lbb.b. Kadar S dalam batubara = 2.8234%

Persamaan Calderwood:

{

H

}

1.55 55 37 100 80 0053 . 0 ) 8234 . 2 )( 5 . 40 ( Q 00512 . 0 88 . 5 70       − ± − + = BTU/lb 41 . 12584 00512 . 0 2733 . 0 5855 . 0 88 . 5 70 Q_H = − + − =

(6) Kadar net hidrogen dalam batubara: net

H = kadar H yang tidak punya pasangan O (oksigen) dalam bahan bakar untuk membentuk H2O.

net

H membentuk H2O dengan O d ari udara.

Komposisi Gas Buang dan Unsur-Unsur dalam Gas Buang

Gas Buang y lbmol Lbmol C Lbmol O2 Lbmol N2

N2 0.8058 y - - 0.8058 y CO2 0.1180 y 0.1180 y 0.1180 y - CO 0.0142 y 0.0142 y 0.0071 y - O2 0.0600 y - 0.0600 y - SO2 0.0020 y - 0.0020 y - Jumlah 1.0000 y 0.1322 y 0.1871 y 0.8058

Asumsi: semua N2 dalam gas buang berasal dari udara.

O2 dari udara = 0.8058y 0.2142y

79

21_{× =}

O2 terhitung = 0.1871y

O2 tak terhitung = 0.2142y – 0.1871y = 0.0271y lbmol

Kalau batubara tidak mengandung oksigen, maka O2 tak terhitung bereaksi dengan

net

H membentuk H2O.

H2O terbentuk = 2 × 0.0271y

H_net = 2 × 2 × 0.0271y = 0.1084y lbmol y = 39.807 lbmol

H_net = 0.1084 × 39.807 lbmol = 4.315 lbmol = 4.315 lb tiap 100 lb batubara

= 4.315%

(7) Kadar uap air dalam gas buang, jika semua H2O ikut gas buang terdiri dari:

a. H2O terkandung dalam batubara?

b. H2O terbentuk dalam pembakaran antara H_net dengan O2 dari udara?

c. H2O terbentuk dalam pembakaran antara H dan O yang ada dalam

batubara?

Jadi , dari hasil perhitungan:

a. H2O terkandung dalam batubara = 2% = 2 lb.

b. = lbmol lb 18 lbmol 807 . 39 0271 . 0 2 y 0271 . 0 2× × = × × × = 38.836 lb. c. = 0

d. = H2O dari kelembaban udara.

2 C 25 maks, O H 0.4744lb/in p ₀ 2 =

(lihat di “steam table”).

4744 . 0 p p p 80 . 0 % 80 C 25 maks, O H₂ 0 = = = . lb/in 3795 . 0 4744 . 0 80 . 0 p= × = 2

p = tekanan uap air dalam udara.

Fraksi H2O dalam udara = 0.0265

0.3795 -696 . 14 3795 . 0 p bar p = = −

H2O dari udara =0.0265×40.60lbmol=1.0759 lbmol=19.366 lb

H2O dalam gas buang = (2 + 38.836 + 0 + 19.366) lb

= 60.20 lb dalam 39.807 lbmol = ? lb/cufts

= ? gr/l standar.

(8) Kalau 60% kalor hasil pembakaran hilang (diserap dinding dapur, di refuse, karena radiasi, dll.), berapa suhu gas buangnya setelah keadaan tunak?

Tiap 1 lb batubara dibakar, kalor untuk menaikkan suhu (yang dibawa oleh) gas buang = 40% = lb 100 BTU 503376.4 lb 100 lb BTU 41 . 12584 4 . 0 × × =

Dalam perhitungan untuk mendapatkan suhu nyala, suhu gas buang, dll. dari kalor yang dapat dimanfaatkan, biasanya diambil Q (bukan _L Q_H). Dalam perhitungan ini dipakai Q_H.

Untuk menghitung Q , digunakan rumus Dulong, hitung dulu _L Q_H, lalu hitung L Q . BTU/lb S, 4050 8 O H 62028 C 14544 Q_H +      − + = 1050 H 94 . 8 Q Q_L = _H− × × % 315 . 4 H 8 O H− = _net= S = 2.8234%, C = 70% BTU/lb 66 . 12971 ) 028234 . 0 ( 4050 ) 04315 . 0 ( 62028 ) 70 . 0 ( 14544 Q_H = + + = ) (H H H

H_tot= _net+ _{kelembaban air eksternal} H2O = 2% = 2.lb/100 lb batubara 0.4444 batubara lb 100 / lb 2 18 2 H  =      _× = % 7594 . 4 4444 . 0 315 . 4 H_total= + = BTU/lb 895 . 12524 1050 047594 . 0 94 . 8 66 . 12971 Q_L = − × × =

Kalor yang terkandung dalam gas buang = 0.4 × 12524.895

= 5009.958 BTU/lb batubara = 500995.8 BTU/100 lb batubara.

{

0.8058cp,N2 0.1180cp,CO2 0.0142cp,CO 0.06cp,O2 0.002cp,SO2

}

958 . 5009 = + + + +

(

)

c

(

T 25 C

)

100 18 20 . 60 C 25 T 100 807 . 39 ₀ f O H , p 0 f − + _{× 2} × − × ×

Karena c_p merupakan fungsi T, maka mencari T dihitung dengan integrasi atau _f dengan “trial-error” untuk T. Suhu ruang bakar (combustion chamber) kira -kira = suhu gas buang yang menuju stack.

Berat refuse = 15 lb

(

VCM +FC

)

_refuse=(0.24+0.36)×15=9lb Berat

(

)

batubara lb 100 lb 92 ) 55 37 ( FC VCM + _batubara= + =

% kalor hilang (tak termanfaatkan) = 100% 10.86% 92

9

= ×

(10) Berapa kg “steam” suhu 2000C dapat dihasilkan dari dapur ini tiap jam? Tekanan steam = 1 atm, efisiensi boiler = 60%? Kerjakan di rumah!

(11) Berapa % kalor hilang seandainya sisa pembakaran pada pembakaran batubara tersebut mempunyai komposisi FC = 54%, VCM = 6%, abu = 40%, H2O = 0%?

Soal:

Boiler menghasilkan “saturated steam” (1100C, 1.1 atm) sebanyak 100 kg/menit. Kalor tak termanfaatkan dari proses pembakaran = 40%; dengan catatan bahwa air masuk boiler suhu 250C dan boiler sudah panas (steady state).

Batubara mempunyai komposisi: VCM = 38%, FC = 44%, abu = 8%, air = 10%, kadar C = 66%.

(1) Massa (kg) batubara diperlukan tiap jam. Penyelesaian:

- Dianggap tak ada penyerapan kalor dari proses pembakaran oleh peralatan boiler.

- Nilai kalor batubara dihitung dengan rumus pendekatan, seperti persamaan Calderwood.

- Komposisi dan kondisi gas asap serta refuse tak diperlukan untuk menghitung berat batubara yang diperlukan tiap jam.

Rugi kalor = 40%, terdiri dari:

- kalor yang terkandung dalam gas asap, - kalor yang terkandung dalam refuse, - radiasi kalor ke lingkungan.

- Suhu acuan = 250C, tekanan acuan = 1 atm.

Kalor untuk menghasilkan 100 kg steam/menit, suhu steam 1100C dan tekanan = 1.1 atm terdiri dari:

- Kalor untuk menaikkan suhu 100 kg air, 250C menjadi air 100 kg, suhu 1000C.

air: 100 kg, 250C → 100 kg, 1000C mc_p ÄT 105 1 75kal 7.5 106kal

a = × × = ×

- air: 100 kg, 1000C → steam: 100 kg, 1000C, 1 atm mÄH_v =105×540kal=54×106kal

- steam: 100 kg, 1000C, 1 atm → steam: 100 kg, 1100C, 1 atm Dapur Boiler bahan bakar udara 250C H=80% CO2 = 11.80% gas asap: CO = 1.42 9000C N2 = 80.58 O2 = 6.20

VCM = 5 % Refuse: FC = 64% 2000C abu = 30% air = 1 % efisiensi= 60% batubara Q kal/menit 100 kg/menit 250C 100 kg/menit steam (1100C, 1.1 atm) rugi kalor = 40% Q

mc_psÄT =105×0.496×10kal=0.496×106kal

- steam: 100 kg, 1100C, 1.0 atm → steam: 100 kg, 1100C, 1.1 atm 2 RT H Ä dT p ln d = ; _      ₋ = 2 1 1 2 T 1 T 1 R H Ä p p ln       ₋ = 383 1 373 1 987 . 1 H Ä 1 . 1 ln mol kal 749 . 1361 H Ä = gram kal 65 . 75 H H₂− ₁= m×ÄH=105×

(

540+75.65

)

=61.565×106kal

Total kalor diperlukan =

(

)

menit kal 565 . 61 496 . 0 54 5 . 7 106 + + + = menit kal 10 56 . 123 × 6 Persamaan Calderwood: 55 . 1 FC VCM 100 80 0053 . 0 ) S 5 . 40 Q ( 00512 . 0 88 . 5 C     − ± − + = 55 . 1 44 3800 80 0053 . 0 ) 0 5 . 40 Q ( 00512 . 0 88 . 5 66= + − × ± _ − _ gram kal 31 . 6513 lb BTU 96 . 11723 00512 . 0 02667 . 60 Q= = = Efisiensi dapur = 60% Kalor efektif batubara =

gram kal 99 . 3907 6 . 0 31 . 6513 × =

Kebutuhan bahan bakar tiap menit =

gram 6 . 0 18970 gram kal 31 . 6513 6 . 0 kal ) 565 . 61 496 . 0 54 5 . 7 ( 106 = × + + +

Kebutuhan bahan bakar tiap jam = 18.970kg 1897kg 6

. 0

60 _{× =}

(2) Kalor terbuang karena combustible yang tersisa dalam refuse (dalam %). ; 1579 . 1 38 44 VCM FC batubara = =       8 . 12 5 64 VCM FC refuse = =      

(

)

(

)

11.05 9 1579 . 1 8 . 12 VCM FC VCM FC batubara refuse _{= = >}

Jadi combustible dalam refuse ≈ kokas ≈ C.

gr kal 33 . 8083 gr kal 12 97000 gmol kal 97000 H_karbon= = =

Basis: 100 kg batubara dibakar.

Berat refuse 8kg 26.6667 kg 30

100_{× =}

=

Berat combustible dalam refuse =0.69×26.6667kg=18.4kg

Berat FC dalam refuse = 0.64 × 26.6667 kg = 17.07 kg

Kalor terbuang dapat dihitung atas dasar combustible dalam refuse, dapat pula atas dasar FC dalam refuse. Kita ambil atas dasar FC dala m refuse:

Kalor terbuang 100% 17.07% 100 07 . 17 _{× =} =

(3) Kalor terbuang karena suhu refuse yang dikeluarkan dari “ash pit” = 2000C (masih panas).

Catatan: c_{p ,steam} pada 1000C, 1 atm = 2.080 kJ/kg0K (Perry, hal. 235) steam

, p

= 0.496 kal/gr0K 1 joule = 0.239 kal

Kalau c_{p ,refuse} antara T =250C – 2000C rata-rata = 0.3 kal/gr0K Kalor hilang di refuse bersuhu 2000C =

kkal 26558 K 175 K kg kkal 0.3 kg 6667 . 26 100 1897 ₀ 0 × = × × =

(4) Total kalor terbuang di refuse. Nilai kalor batubara = 6531.13 kal/gr

Kalor yang masuk dapur tiap jam dari batubara = 1397 × 6531.13 kkal = 1239×104kkal

Kalor yang terbuang karena combustible tersisa di refuse tiap jam

kkal 10 49 . 211 kkal 10 1239 1707 . 0 × × 4 = × 4 =

Total kalor terbuang di refuse

kkal 2141458 kkal ) 2114900 26558 ( + = =

(5) Kalor terbuang di gas asap dan radiasi tiap jam

kkal 2815542 kkal 10 55142 . 281 10 1458 . 214 10 1239 4 . 0 × × 4− × 4 = × 4 = =

(6) Kalor terbuang di gas buang

∫

= 2 1 T T i , p ic dT m

Contoh Soal (dari Lewis & Radasch, Industrial Stoichiometry)

Gas asap dari dapur boiler mempunyai komposisi: CO2 = 10.8%, O2 = 9%, CO = 0.2%,

N2 = 80.0%. Gas masuk stack pada suhu 7600F dan pada tekanan dorong = 0.5 in H2O.

Batubara yang dibakar = 1200 lb/jam. Analisis pendekatan (proximate analysis) batubara: uap air = 1.44%, VCM = 34.61%, FC = 57.77%, abu = 6.18%. Nilai kalor = 14350 BTU/lb.

“Ultimate analysis” menunjukkan kadar: C = 78.76%, S = 0.78%, dan N = 1.3%. Refuse mengandung: VCM = 4%, FC = 21%.

Udara di lingkungan rang boiler suhunya 740F, kelembaban = 65%, barometer = 29.7 in.

Hitung! 1. Kalor terbuang karena adanya “combustible” yang tak terbakar, (%). 2. Kalor terbuang karena adanya CO dalam gas asap, (%).

3. Kalor dari batubara untuk menguapkan seluruh H2O yang terbentuk pada

prosespembakaran, dalam %.

4. Kalor terbuang sebagai kalor sensibel gas asap, dalam %. 5. % udara berlebihan dipakai untuk pembakaran.

6. Volume udara (kondisi standar) diperlukan tiap menit. 7. Volume gas asap masuk cerobong

Penyelesaian

- Komposisi gas asap ditentukan dari bahan bakar yang terbakar.

- Hubungan antara bahan bakar yang dibakar dengan yang terbakar dapat diketahui dari analisis bahan bakar dan analisis refuse.

- Dari analisis gas buang dapat diketahui hubungan antara hidrogen net (H_net) dengan karbon C. Basis: 100 lb batubara. Batubara: VCM = 34.61 FC =57.77 Combustible = 92.38 Carbon = 78.76 853 . 0 38 . 92 76 . 78 combustile C _{= =} 375 . 0 38 . 92 61 . 34 combustble VCM _{= =} Jika refuse = 100 lb

VCM = 4 lb lb 21 FC = combustible = 25 lb abu = 75 lb

Combustible yang tidak membentuk kokas 10.7lb 375 . 0 4 ₌ = Kokas (≈ karbon) = 25 – 10.7 = 14.3 lb

Karbon dalam combustible yang tak membentuk kokas = 10.73 × 0.853 = 9.1 lb Total C = (14.31 + 9.1) lb = 23.4 lb

Jika gas asap kering = 100 lbmol

Gas Mol Mol C Mol O2

CO2 10.8 10.8 10.8 CO 0.2 0.2 0.1 O2 9.0 - 9.0 N2 80.0 - - 100.0 11.0 19.9 = O2 terhitung O2 dari udara 80.0 21.51 79 21_{× =} =

O2 tak terhitung = 21.25 – 19.9 = 1.35 mol

O2 ini membentuk H2O dengan H_net yang ada dalam batubara.

H2O terbentuk = 2 × 2 × 1.35 = 5.4 lb

net

H yang terbakar = 2.02 × 2 × 1.35 = 5.45 lb atau (2 × 1.35) lbmol = 2.7 lbmol C yang terbakar = 11.0 × 12 = 132 lb ⇒ = 132 45 . 5 terbakar yang C terbakar yang H_net

dicari untuk mengetahui air yang ada di dalam gas buang, karena dalam gas buang masih tersedia air.

Basis: 100 lb batubara lb C (total) = 78.76 C dalam refuse 23.4 75 18 . 6 _× = = 1.93

C dalam gas asap = 78.76 – 1.93 = 76.83

= 6.40 mol C sebagai batubara tak membentuk kokas dalam refuse 9.1

75 18 .

6 _×

= = 0.75

C yang sebanding dengan H_net dalam gas asap = 78.76 – 0.75 = 78.01

net

H yang membentuk H2O dalam gas asap 76.83

132 45 . 5 _× = = 3.17 = 1.57 mol net H dalam refuse 0.75 01 . 78 17 . 3 × = = 0.0305

Total H_net dalam batubara = 3.17 + 0.0305 = 3.2005

Analisis Batubara (dalam 100 lb batubara)

C 78.76 ¢ net H 3.20 S 0.78 ¢ N 1.30 ¢ abu 6.18 ¢ H2O eksternal 1.44 ¢ = 0.08 mol total = 91.66 Combined H2O = 8.34 (100 – 91.66) = 100

Combined H2O dalam gas asap 78.01 8.26lb 0.46mol

76 . 78 34 . 8 _{× = =} =

- H2O terbentuk dari H_net = 1.57 mol

- H2O eksternal = 0.08 mol

- combined H2O = 0.46 mol +

= 2.11 mol

(1) % kalor hilang karena combustible yang tak terbakar:

Kalor hilang karena combustible tak terbakar tiap lb batubara terdiri dari: - kalor hilang karena batubara tak terbakar,

- kalor hilang sebagai kokas.

Kalor hilang karena batubara tak terbakar: Tiap 1 lb batubara:

Berat combustible dalam refuse yang tak membentuk kokas lb 10 8.817 lb 0618 . 0 75 7 . 10 _{× = × -3} =

Berat combustible dalam batubara (= VCM + FC) = 0.9238 lb Fraksi batubara yang tak termanfaatkan

% 95 . 0 % 100 10 544 . 9 9238 . 0 10 817 . 8 × 3 _{= × 3× =} = − −

Kalor hilang sebagai kokas (=C)

Kokas dalam refuse 0.0618 0.01178 lb 75 3 . 14 _{× =} = Nilai kalor C lb BTU 14550 gram / kal BTU/lb 8 . 1 gram kal 12 97000 = × =

Kalor yang hilang sebagai kokas = 0.01178 × 14550 BTU/lb = 171.446 BTU BTU 171.446 = 100% 1.19% 14350 446 . 171 _{× =} =

Total kalor hilang =(0.95+1.19)%=2.14%

(2) Kalor hilang karena adanya CO dalam gas buang:

C dalam gas asap

batubara lb 100 mol 40 . 6

Mol gas buang 6.40mol 58.182mol 11

100

= ×

=

Mol CO dalam gas buang 58.182mol 0.1164 mol 100 2 . 0 = × = Nilai kalor CO =68300kal/gmol

Kalor hilang karena adanya CO =0.1164×68300×1.8=14310.2BTU Tiap 1 lb batubara, kalor hilang 100% 1%

14350 102 . 143 = × =

(3) Kalor terbuang untuk menguapkan air yang terbentuk:

Air dalam gas buang yang berasal dari batubara batubara lb 100 lbmol 11 . 2 = _{= 2.11×18×}1052BTU_{100lbbatubara}

Kalor terbuang (rugi kalor) =2.11×18×1052 100% 2.79% 14350 100 1052 18 11 . 2 _{× =} × × × = (4) Kalor terbuang sebagai kalor sensibel gas asap: - Hitung jumlah gas asap bas ah.

- Air dalam gas asap berasal dari air yang terbentuk dan air dari kelembaban udara, dan air eksternal, serta combined water.

Air terbentuk + air eksternal + combined H2O = 2.11 lbmol tiap 100 lb batubara

kering asap gas lbmol 100 lbmol 182 . 58 100 100 11 . 2 _×

= ₌3.62mol_{100molgasasapkering}

Udara untuk pembakaran: H = 65%, T = 740F, bar = 29.7 in. Dari tabel, p0air,740F = 0.84 in Hg

in 84 . 0 p p p % 65 H air F 74 , air 0 air 0 = = = in 54 . 0 84 . 0 65 . 0 p_air = × = in 16 . 29 54 . 0 7 . 29

CO

N

2

Basis: 100 lbmol gas asap kering

Udara kering yang dipakai 80lbmol 79

100 × =

Air dari udara dalam gas buang 80 lbmol 79 100 16 . 29 54 . 0       _× × = =1.88lbmol

Jumlah air dalam gas asap

gas lbmol 100 lbmol ) 88 . 1 62 . 3 ( +

= ₌5.5lbmol_{100lbmolgasasap}

Komposisi gas asap basah? Tiap 100 lbmol gas asap kering Gas Asap Basah Lbmol M(Cp) BTU/lbmol ∆T (0 F) 760-74 Kalor Sensibel BTU CO2 10.8 10.5 686 78000 80.2 7.1 686 392000 O2 9.0 7.4 686 46000 H2O 5.5 8.4 686 32000 105.5 548000 Tiap 1 lb batubara:

Kalor hilang sebagai kalor sensibel gas asap `100% 22.2% 143500 548000 11 064 . 0 _{× × =} =

(5) % udara berlebih yang dipakai untuk pembakaran: Tiap 100 lbmol gas asap:

CO = 0.2 mol, perlu O2 untuk membentuk CO2 sebanyak 0.1 mol; O2 diberikan = 9.0

mol.

O2 berlebih = (9.0 – 0.1) mol = 8.9 mol

Udara dipakai 80mol 1142.86 lbmol 79

100 _{× =}

=

O2 dari udara 80mol 21.25 mol

79 21_{× =} = O2 berlebih 100% 72.06% 9 . 8 25 . 21 9 . 8 _{× =} − =

(6) Volume udara diperlukan tiap menit: Batubara dibakar = 1200 lb/jam = 20 lb/menit Pada (2), itap 100 lb batubara, gas asap = 58.182 mol

Pada (5), tiap 100 lbmol gas asap, udara diperlukan = 1142.86 lbmol. 20 lb batubara dibakar, gas asap dihasilkan = 58.182mol

20 100_×

= 11.6364 mol Udara diperlukan 1142.86lbmol 132.99 lbmol/menit.

100 6364 .

11 _{× =}

=

(7) Volume gas asap masuk cerobong /menit = 11.6364 lbmol atm 92 . 29 6 . 13 5 . 0 7 . 29 R ) 460 760 ( R . lbmol / atm.ft 0.7302 lbmol 6364 . 11 3       ₊ ° + × ° × = menit / ft 10259 3 =

}