i KHAIRIL
BUKU AJAR
TEKNIK PEMBAKARAN
(BAHAN BAKAR PADAT)
SYIAH KUALA UNIVERSITY PRESS 2013
ii 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 :
iii
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,
iv
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.
v
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
vi
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.
vii
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
viii
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
ix DAFTAR ISI
Hal
PENGANTAR PENERBIT iv
SAMBUTAN REKTOR v
PENGHORMATAN DAN UCAPAN TERIMA KASIH vi KATA PENGANTAR vii
DAFTAR ISI ix
BAB 1 PENDAHULUAN 1
1.1. Proses Pembakaran Bahan Bakar Hidrokarbon 5
1.2. Reaksi Pembakaran Sempurna 6
1.3. Perhitungan Reaksi Pembakaran 7
Soal-soal Latihan 12
Daftar Istilah 13
Daftar Kepustakaan 14
BAB 2 SIFAT–SIFAT BAHAN BAKAR PADAT 15
2.1. Batubara 15 2.1.1. Karakteristik batubara 17 2.1.2. Analisa proksimasi 19 2.1.3. Analisa ultimasi 22 2.2. Biomassa 23 2.3. Biobriket 26 2.4. Nilai Kalor 27 Soal-soal Latihan 30 Daftar Istilah 31 Daftar Kepustakaan 32
BAB 3 PERHITUNGAN STOIKIOMETRIK 34
3.1. Keperluan Udara Pembakaran 35
3.2. Produk Pembakaran Bahan Bakar Padat 39
3.3. Kegunaan Praktis dari Komposisi Gas Asap 44
3.4. Pembakaran Sub Stoikiometrik 46
Soal-soal Latihan 50
Daftar Istilah 51
x
BAB 4 PELEPASAN PANAS DALAM PEMBAKARAN 53
4.1. Pembakaran Tekanan Konstan 54
4.2. Entalpi Reaktan 56
4.3. Entalpi Produk Pembakaran 57
4.4. Pembakaran dengan Volume konstan 59 4.5. Hubungan antara H25 dan U25 60 4.6. Nilai-nilai Kalor 61 Soal-soal Latihan 65
Daftar Istilah 66 Daftar Kepustakaan 67 BAB 5 KESETIMBANGAN KOMPOSISI PEMBAKARAN 68
5.1. Kesetimbangan Kimia 70
5.2. Perhitungan Kesetimbangan Komposisi 76 5.3. Kesetimbangan Komposisi bahan bakar hidrokarbon 78 Daftar Kepustakaan 84 BAB 6 TEMPERATUR NYALA API 85 6.1. Temperatur Nyala Api Adiabatik 87 6.2. Panas Spesifik Gas 89
6.3. Perhitungan Algoritma 92
6.4. Perhitungan Temperatur Nyala Adiabatik 96
6.5. Efek Disosiasi Terhadap Temperatur Nyala Adibatik 99
Soal-soal Latihan 105
Daftar Kepustakaan 106
BAB7 EFISIENSI SISTEM PEMBAKARAN 107
7.1. Kesetimbangan Energi 107
7.2. Penentuan Langsung Efisiensi 113
7.3. Pengukuran Akhir dari Efisiensi 116
7.4. Efisiensi dan Temperatur Gas Asap 122
7.5. Titik Embun Gas Asap 123
7.6. Efisiensi Boiler Kondensasi 127
Soal-soal Latihan 132
xi
BAB 8 PRILAKU PEMBAKARAN BAHAN BAKAR PADAT 135
8.1. Prilaku pembakaran zat-zat mudah terbang 137
8.2. Prilaku Pembakaran Karbon Tetap 139
8.3. Prilaku Pembakaran Bahan Bakar Padat Campuran 139
Daftar Kepustakaan 144
BAB 9 TEKNOLOGI PEMBAKARAN BATUBARA 145
9.1. Teknologi Pembakaran Konvensional 146
9.2. Prinsip Pembakaran Batubara Bersih 148
9.3. Pembangkit Tenaga dengan Teknologi Batubara Bersih 149
Daftar Kepustakaan 156
BAB 10 MEKANISME ABU TERBANG DAN PENUMPUKAN 158
10.1. Kecenderungan Penumpukan Abu 160
10.2. Mekanisme Abu Terbang 162
10.3. Mekanisme Penumpukan abu 168
10.3.1. Temperatur abu terbang 169
10.3.2. Komposisi kimia abu terbang 173
Daftar Kepustakaan 177
BAB 11 EMISI DARI SISTEM PEMBAKARAN 178
11.1. Efek Rumah Kaca 179
11.2. Emisi Karbon Dioksida 180
11.3. Emisi Karbon Monoksida 183
11.4. Oksida Nitrogen 184
11.4.1. Nitrogen di Udara 185
11.4.2. Bahan bakar – Ikatan Nitrogen 187
11.5. Teknologi Penurunan Emisi NOX 189
11.5.1. Disain Burner Rendah NOx 190
11.5.2. Teknologi Injeksi Bahan Bakar Susulan 191
11.6. Oksida Sulfur 194
11.7. Desulfurisasi Gas Asap 199
