analisa suhu nyala adiabatik dari berbagai jenis ... - jurnalsmartek

ekSIPIL MESIN ARSITEKTUR ELEKTROANALISA SUHU NYALA ADIABATIK DARI BERBAGAI JENIS BATU BARADaud Patabang *AbstractThe aim of this investigation is to find out adiabatic flame temperatures of coal that consists ofanthracite, bituminous, sub bituminous and lignite. Besides, correlations between adiabatic flametemperatures and content of constituent in coal are also performed. Content of carbon,hydrogen, oxygen and nitrogen are factors that affect the flame temperatures. The results arethe adiabatic flame temperatures of anthracite is 1913 0 C, bituminous 1892 0 C, subitumionous1988 0 C and lignite 2026 0 C. The higher of Adiabatic flame temperature, the higher of hydrogencontent and volatile matters simultaneously. Vice versa, nitrogen and Ash decrease.Key words: : Adiabatic flame temperatures, CoalAbstrakTujuan pengkajian ini untuk mendapatkan besaran suhu nyala adiabatik untuk setiap jenisbatubara dunia yang dibagi atas 4 kelas yaitu batubara antracite, batubara bituminous,batubara subituminous dan batubara lignite. Disamping besaran suhu nyala adiabatik juga dikajihubungannnya dengan kandungan konstituen dari setiap batubara tersebut di atas.Metode pengkajian dilakukan dengan menghitung suhu nyala adiabatik berdasarkankandungan konstituen yaitu kandungan carbon, hidrogen, oksigen dan nitrogen.Hasil yang dicapai adalah suhu nyala adiabatik masing-masing batubara yaitu batubaraantracite 1913 0 C, batubara bituminous 1892 0 C, batubara subitumionous 1988 0 C dan batubaralignite 2026 0 C.Kecendrungan kenaikan suhu nyala adiabatik berkorelasi dengan kenaikan hidrogen,danVolatile Matters, akan tetapi berkorelasi negatif dengan kenaikan nitrogen dan kandungan Ash.Kata kunci: Suhu nyala adiabatik, batubara1. PendahuluanSuhu nyala adiabatik adalahsuhu maksimum nyala bahanbakaryang terjadi apabila tidak adakebocoran panas ke sekelilingnya. Suhunyala adibatik diperlukan untukmngetahui berapa besar panas yangyang terjadi ketika bahanbakar tersebutdibakar. Hal ini merupakan salahsatuparameter karakteristik termal daribahanbakar, seperti halnya batubarayang dipakai sebagai bahan bakaruntuk memanaskan air di dalam keteluap untuk menghasil uap yang memilikisuhu dan tekanan tinggi yang dipakaimemutar generator untukmembangkitkan energi listrik.Jenis batubara dunia yang akanditinjau adalah batubara antracite,batubara bituminous, batubarasubbituminous dan batubara lignite.2. Tinjauan Pustaka2.1 Suhu nyala adiabatikSuhu nyala adiabatik adalahsuhu dimana pada pembakaran bahanbakar tidak ada perpindahan panas ke• Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Tadulako, Palu

Analisis Suhu Nyala Adiabatik dari Berbagai Jenis Batu Bara(Daud Patabang)sekeliling dan tidak ada kerja yangdilakukan.Pada sistem terbuka, untuksistem aliran steady state, dimanaperubahan energi kinetik dan energipotensial diabaikan maka persamaankesetimbangan digambarkan padaGambar 1.Persamaan kesetimbanganenergi untuk kondisi ini adalah:HR+ ΔQ= H + ΔW................(1)PDimana :HR: adalah entalpi reaktanHP; adalah entalpi produkΔ Q ; adalah panas netto yangmasuk ke sistem dari sekelilingΔ W SF; adalah kerja netto yangdilakukan oleh sistemOlehkarena reaktan dan produkumumnya tersusun dari beberapakonstituen, maka dapat ditulis :RPSF∑ ( mh)+ ΔQ= ∑(mh)+ ΔWDimana :m = nMSF............(2)∑ ( nMhf) + ΔQ= ∑(nMhf)RP+ ΔWSF..........(4)Dimana :m : adalah massa masing-masingkonstituenn : adalah jumlah bilangan molekulmasing-masing konstituenM ; adalah massa molekulermasing-masing konstituenh : adalah entalpi formasi darifmasing-masing konstituenPada kondisi adiabatik dapatdinyatakan sebagai : ΔQ = ΔWSF= 0 ,Sehingga∑ ( mMhf) = ∑(mMhf)RSelanjutnya suhu nyalaadiabatik dihitung dari persamaanreaksi pembakaran stoikiometrikberdasarkan kandungan dari konstituenbahan bakar.2.2 Perhitungan Suhu Nyala Adiabatikuntuk Batubara AntracitePerhitungan suhu nyala adibatikdidasarkan atas persentase massa darikandungan carbon, hidrogen, oksigendan nitrogen di dalam batubara.PSehingga persamaan di atas diubahmenjadi :ΔQReaktanProdukΔW SFGambar 1: Persamaan kesetimbangan untuk kondisi steady93

Jurnal SMARTek, Vol. 7, No. 2, Mei 2009: 92 - 98Dari hasil pengujian dengananalisis ultimasi diperoleh kandungankonstituen batubara antracite yaitu 83,9%C, 1,3 %N2, 2,9 %H2, dan 0,7 %O2temperatur reaktan 29 0C, makatemperatur nyala adiabatik dapatdihitung sebagai berikut:• Komposisi molal dari batubara antracite adalah :0,83912,0110,029 0,007C + H2+ O2+2,016 320,01328,016N2atau−3−40,06985C + 0,01438 H2+ 2,1875x10O2+ 4,64 x10N2Dinormalisasi dengan 1 mol batubara antracite sehingga diperoleh :− 3− 30 ,8226 C + 0 ,16935 H2+ 2 ,576 x 10 O2+ 5 , 4644 x 10 N2Reaksi pembakaran stoikiometrik :0,8226 C + 0,16935 H⎛ ⎜ 0,8226 +⎝0,8226 CO0,16935222+ 0,16935+ 2,576 x10− 2,576 x10−3⎞⎟⎠−3O⎛H2O+ ⎜ 0,8226 +⎝2+ 5,4644 x10⎛O2+ ⎜ 0,8226 +⎝0,169352−3N20,169352+− 2,576 x10− 2,576 x10−3−3+ 5,4644 x10⎞⎟ 3,76 N⎠−32⎞⎟ N⎠2→atau0,8226 C + 0,16953H→ 0,8226 CO22+ 2,576 x10+ 0,16932 H O +2−3O20,9102 N+ 5,4644 x102−3N2+ 0,909851O2+ 3,421N2Dengan menambahkan kelebihan udara 20%, maka reaksi pembakaran menjadi:0,8226 C + 0,16935H+ (1,20x3,421)N+ 5,4644x10−32) N22+ 2,576x10→ 0,8226 CO2−3O2+ 5,4644x10+ 0,16935 H O +2−3N2+ (1,20x0,909851)O(0,2 x0,909851)O2+ (1,20 x3,4212atau0,8226 C + 0,16935 H→ 0,8226 CO22+ 2,576 x102−3O+ 0,16935 H O + 0.18197 O2+ 5,4644 x102−3+ 4,110 N2N2+ 1,0918O2+ 4,1052 N2Karena kondisi yang ditinjau adalah adiabatik, maka ΔQ = 0 , dan ΔWSF= 0Sehingga∑ ( nMhf) = ∑ ( nMhf)RP94

Analisis Suhu Nyala Adiabatik dari Berbagai Jenis Batu Bara(Daud Patabang)Seluruh reaktan pada kasuskhusus dibuat menjadi substanselemental (tidak berlaku apabila bahanbakar mengandung molekul kompleksseperti hidrocarbon), sehingga padasuhu 25 o C diperoleh :∑( nMhf) = 0RDan pada temperatur ini produkmenjadi∑( nMhf) = 0PSelanjutnya suhu nyala adibatikdiperoleh dengan menggunakan tableentalpi pembentukan hf pada suhu dantekanan yang berbeda : (Tabel 4-8,p.163 Powerplant Technolgy by.M.M.El-Wakil, Pub.McGraw-Hill Book Company).Dari tabel tersebut denganmenggunakan data pada suhu antara2100 K dan 2200 K dan dengan trial anderror pada suhu tersebut diperolehseperti pada Tabel 1.Dengan cara perhitungan yangsama untuk batubara antracite, makanilai suhu nyala adiabatik untukbatubara bituminous, batubarasubituminous dan batubara lignitediperoleh seperti pada tabel 2.3. Hasil dan Pembahasan3.1 Hasil analisisHasil perhitungan suhu nyalaadiabatik batubara adalah sepertitertera pada Tabel 2.Tabel 1. Produk∑( nMh f) = 0Ppada suhu T= 2100 K dan pada T= 2200 KPada suhu T = 2100 K diperoleh :∑P( nMhf) = 0,8226(44,011)( −2893,6)+ 0,16935(18,016)( −3916)+ 0,18197(32)(846.8)+ 4,110(28,016)(917,5) = − 6126.75 Btu / lb.mol batubara antracitePada T = 2200 K∑P( nMhf) = 0,8226(44,011)(-2834,2) + 0,16935(18,016)( −3791,8)+ 0,18197(32)(929.3)+ 4,110(28,016)(973.1) = 3285,1 Btu / lb.mol batubara antraciteDengan interpolasi untuk∑( nMhf) = 0Diperoleh suhu nyala adiabatik,0T adiabatik= 2195 K = 1892 CPTabel 2. Hasil perhitungan suhu nyala adiatik untuk berbagai jenis batubaraPROXIMATE ANALYSISJenis Batubara(% massa) Antracite Bituminous Subbituminous LigniteFixed Carbon (FC) 83.3 70 45.9 30.8Volatile Matters (VM) 5.7 20.5 30.5 28.295

Jurnal SMARTek, Vol. 7, No. 2, Mei 2009: 92 - 98Tabel 2. Hasil perhitungan suhu nyala adiatik untuk berbagai jenis batubara (lanjutan)PROXIMATE ANALYSISJenis Batubara(% massa) Antracite Bituminous Subbituminous LigniteMoisture (M) 2.5 3.3 19.6 34.8Ash (A) 8 6.2 4 6.2ULTIMATE ANALYSISCarbon, C 89.3 80.7 58.8 42.4Hidrogen (H2) 2.9 4.5 3.8 2.8Sulfur (S) 0.7 1.8 0.3 0.7Oksigen (O2) 0.7 2.4 12.2 12.4Nitrogen (N2) 1.3 1.1 1.3 0.7Air (H20) 2.5 3.3 19.6 34.8Nilai Kalor HHV( Btu/lb)13,710 14,310 10,130 7,210Suhu nayala adiabatikTadb( 0 C)1892 1913 1988 2026Kandungan Hidrogen H2(%) massa54.543.532.521850 1900 1950 2000 2050Suhu nyala adiabatik Tadb (C)Gambar 2. Grafik Hubungan antara kandungan hidrogen H2 (%) massa dalambatu bara dengan suhu nyala adiabatic Tadb ( 0 C)Kandungan nitrogen N2(%)massa1.41.31.21.110.90.80.70.60.51850 1900 1950 2000 2050Suhu nyala adiabatik Tadb (C)Gambar 3. Grafik Hubungan antara kandungan nitrogen N2 (%) massadalam batubara dengan suhu nyala adiabatik Tadb ( 0 C)96

Analisis Suhu Nyala Adiabatik dari Berbagai Jenis Batu Bara(Daud Patabang)Kandungan VolatileMatters,VM (%) massa35302520151051850 1900 1950 2000 2050Suhu nyala adiabatik Tadb(C)Gambar 4. Grafik Hubungan antara kandungan Volatile Matters,VM (%) massadalam batubara dengan suhu nyala adiabatic Tadb ( 0 C)9KandunganAsh,A(%)massa8765431850 1900 1950 2000 2050Suhu nyala adiabatik, Tadb(C)Gambar 5. Grafik Hubungan antara kandungan Ash,A (%) massadalam batubara dengan suhu nyala adiabatic Tadb( 0 C)3.2 PembahasanDari Gambar 2, grafik hubunganantara kandungan hidrogen dalambatubara terlihat bahwa hidrogenmambuat kecendrungan kenaikan suhunyala adiabatik.Pada Gambar 3mengindikasikan kenaikan nitrogendalam batubara mengakibatkankecendrungan penurunan suhu nyalaadiabatik batubara. Kenaikan volatilematters,VM mangakibatkan kenaikansuhu nyala adibatik (Gambar 4).Kenaikan Ash dalam batubaramengakibatkan turunnya suhu nyalaadiabatik (Gambar 5).Fenomena naiknya suhu nyalaadiabatik dengan rendahnya nilai kalorbatubara, rendahnya Fixed Carbonmenunjukkan bahwa suhu nyalaadibatik tidak berkorelasi secaralangsung terhadap kualitas atautingkatan batubara, dimana padakenyataan bahwa kenaikan FixedCarbon mengakibatkan kenaikan nilaikalor batubara, oleh karena itu perluada pengkajian tentang laju evolusimassa batubara terhadap durasi waktupembakarannya.97

Jurnal SMARTek, Vol. 7, No. 2, Mei 2009: 92 - 984. Kesimpulan dan Saran4.1 Kesimpulan1) Dari hasil perhitungan Suhu nyalaadiabatik berdasarkan klandungankonstituen dalam tiap-tiap batubarayaitu batubara antracite 1892 0 C,batubara bituminous 1913 0C,batubara subituminous 1988 0 C danbatubara lignite 2026 0 C.2) Dari data hasil perhitungan suhunyala adiabatik dan disandingkandengan konstituen yang terkandungdalam batubara diperoleh trenddata sebagai berikut : hidrogenmambuat kecendrungan kenaikansuhu nyala adiabatik, Kenaikannitrogen dalam batubaramengakibatkan kecendrunganpenurunan suhu nyala adiabatikbatubara, Kenaikan volatilematters,VM mangakibatkankenaikan suhu nyala adibatik danKenaikan Ash dalam batubaramengakibatkan turunnya suhu nyalaadiabatik.Burleson Donald R, 1980. ElementaryStatistics, Winthrop Publisher,Inc.Cambridge, MassachussettsEl-Wakil,M.M, 1982, PowerplantTechnology, 2 nd printing,McGraw-Hill Book CompanyKementrian Negara Riset dan Teknologi,@ 2004 ristek.go.id. htm, online,diakses 25 Agustus 2006Pratoto,A., 2003, CombustionCharacteristics of Oil Palm’sEmpty Fruit Bunches,Proceedings of the InternationalConference on Fluid andThermal Energy Conversion, Bali,Indonesia, December 7-11,2003.Patabang Daud, 2007, Studi KarakteristikPembakaran Briket Arang KulitKemiri, Tesis S2 ProgramPascasarjana UniversitasHasanuddin, Makassar.4.2 SaranUntuk dapat menjawab secaratuntas tentang karakteristik batubarasehubungan dengan suhu nyalaadiabatik, maka diperlukan penelitiantentang laju evolusi massa terhadapdurasi pembakaran untuk mengetahuiapakah suhu nyala adibatik berkorelasiterhadap mutu dari berbagai jenisbatubara.5. Daftar PustakaAbdullah,K., A.K Irwanto, N.Siregar,E.Agustina, A.H.Tambunan,M.Yamin, E.Hartulistiyoso danY.Purwanto, 1991.Energi danListrik Pertanian. IPB-BogorBabcock & Wilcox, 1992., Steam ingeneration and use,Ed.40 th ,printed in the UnitedStates of America98