modul utilitas bab i
TRANSCRIPT
BAB I
BAHAN BAKAR
Tujuan Instruksional Khusus
1. Mahasiswa mampu menjelaskan pengertian bahan bakar padat (batubara),
pembentukan gambut, lapisan batubara, dan teori pembentukan lapisan batubara
2. Mahasiswa mampu menuliskan dan menjelaskan jenis-jenis analisis batubara
3. Mahasiswa mampu membedakan analisis proksimat dan analisis ultimat batubara
4. Mahasiswa mampu mengklasifikasikan jenis-jenis bahan bakar cair dan gas
1.1. Pendahuluan
Ketiga kelas bahan bakar yaitu bahan bakar padat, bahan bakar cair dan bahan
bakar gas termasuk kelompok bahan bakar fossil. Semua bahan bakar fossil dihasikan
dari perfossilan senyawa karbohidrat. Senyawa ini dengan rumus Cx(H2O)y, yang
dihasilkan dari tanaman-tanaman hidup melalui proses foto sintetis ketika ia merubah
langsung energi surya menjadi energi kimia.
Kebanyakan bahan bakar fossil diproduksi pada abad Carboniferous dalam era
paleozoic bumi, kira-kira 325 juta tahun lalu. Setelah tanaman mati karbohidrat diubah
menjadi senyawa hidrokarbon dengan rumus kimia CxH7 karena pengaruh tekanan dan
panas dan dalam kondisi ketiadaan oksigen (anaerob). oleh karena itu semua bahan
bakar fossil terdiri dari senyawa hidrokarbon. Beberapa contoh bahan bakar padat
adalah kayu, arang, tempurung,gambut dan batubara.
1.2. Bahan Bakar Padat
1.2.1. Batubara
Merupakan bahan bakar fossil terbanyak berasal dari tumbuh tumbuhan yang
memfossil. Ditaksir bahwa paling tidak diperlukan 20 kaki tumbuh-tumbuhan yang
dipadatkan untuk memperoleh lapisan batubara setebal 1 kaki. Proses pembentukan
batubara dari tumbuh tumbuhan melalui dua tahap yaitu :
Tahap penggambutan dari tumbuhan disebut proses peatification
Tahap pembentukan batubara dari gambut disebut proses coalification
a. Pembentukan Gambut (Penggambutan)
Tumbuhan yang tumbang atau mati dipermukaan tanah pada umumnya akan
mengalami proses pembusukan dan penghancuran sempurna sehingga setelah
beberapa tahun kemudian tidak terlihat lagi bentuk asalnya. Pembusukan dan
penghancuran tersebut pada dasarnya merupakan proses oksidasi yang disebaban
oleh adanya oksigen dan aktivitas bakteri atau jasad renik lainnya.
Jika tumbuhan tumbang disuatu rawa yang dicirikan dengan kandungan oksigen
yang sangat rendah, sehingga tidak memungkinkan bakteri, aerob hidup, maka sisa
tumbuhan tersebut tidak mengalami proses pembusukan penghancuran sempurna,
sehinggga tiak akan terjadi proses oksidasi sempurna.
Pada kondisi tersebut hanya bakteri-bakteri anaerob saja yang berfungsi
melakukan prosess dekomposisi yang kemudian membentuk gambut. daerah yang
ideal untuk pembentukan gambut misalnya delta sungai, danau dangkal. Meskipun
oksigen tidak tersedia dalam jumlah yang cukup, komponen utama pembentukan kayu
juga akan teroksidasi menjadi H2O CH4, CO dan CO2. Gambutnya berwarna coklat
sampai hitam. Merupakan padatan yang bersifat porous dan masih memperlihatkan
struktur tumbuhan asalnya. Proses pembentukan gambut disebut juga proses biokimia.
gambut umumnya masih mengandung lengas yang tinggi (bisa lebih dari 50%)
b. Pembentukan Batubara (Pembatubaraan)
Proses pembentukan gambut akan terhen ti misalnya karena penurunan cepat
dasar cekungan. jika lapisan gambut yang telah terbentuk kemudian ditutupi oleh
lapisan sedimen, maka tidak ada lagi bakteri anaerob atau oksigen yang dapat
mengoksidasi, maka lapisan gambut akan mengalami tekanan oleh lapisan sedimen
Pengaruh tekanan terhadap lapisan gambut akan meningkat dengan bertambah
banyaknya lapisan sedimen. Tekanan yang bertambah besar mengakibatkan
peningkatan suhu. Disamping suhu juga akan meningkat dengan bertambah
kedalaman. selain karena adanya lapisan sedimen kenaikan suhu dan tekanan juga
disebabkan oleh aktivitas magma proses pembentukan gunung serta aktivitas tektonik
lainya.
Peningkatan tekanan dan suhu pada lapisan gambut akan mengkonversi gambut
menjadi batubara dimana terjadi proses pengurangan kandungan lengas, pelepasan
gas-gas (CO2,H2O, CO, CH4), peningkatan kepadatan dan kekerasan serta
peningkatan nilai kalor.
Gambar 1.1 Ilustrasi Hutan Pembentukan Batubara
Tekanan, suhu dan waktu merupakan faktor yang menentukan kualitas batubara
Tahap pembentukan batubara ini sering disebut proses termodinamika.
1.2.2 . Teori Pembentukan Batubara
Terdapat dua teori akumulasi gambut baik mengenai ketebalan maupun
penyebarannya, yang kemudian memungkinkan terjadi lapisan batubara yang
ditemukan dan ditambang saat ini.
1. Teori In Situ
Bahwa lapisan gambut terbentuk dari tumbuhan yang tumbang di tempat
tumbuh, batubara yang terbentuk disebut batubara anchtone.
2. Teori Drift
Menyatakan bahwa lapisan gambut yang terbentuk berasal dari bagian tumbuh
tumbuhan yang terbawa oleh aliran air dan terendapkan di daerah hilir (delta), batubara
yang terbentuk disebut batubara allochtone
1.2.4. Analisis Batubara
Ada dua basis analisis batubara yaitu analisis proksimat dan anaisis ultimat.
Kedua sistem analisis ini memberikan fraksi massa atau gravimetrik komponen-
komponen didalam batubara dan kedua analisis tersebut dapat dilaporkan dengan
berbagai cara yang berbeda
Pada setiap lapisan batubara, terdapat dua komponen yang menunjukan variasi
penting dari keseluruhan lapisan tersebut. Komponen tersebut adalah kebasahan dan
abu. Fraksi abu bervarasi, karena abu pada dasarnya adalah bahan anorganik yang
mengendap bersama bahan organik pada waktu proses pemadatan. Kadar kebasahan
batubara sangat bervariasi, tergantung pada keterbukaan ke air tanah sebelum
penambangan dan ke udara bebas sewaktu pengangkutan penyimpanan sebelum
dibakar.
Analisis proksimat dan ultimat biasanya dilaporkan dengan basis bebas abu dan
bebas kebasahan (kering). Untuk kegunaan penghitungan pembakaran dan
pengangkutan batubara, analisis ini harus dikonversikan kedalam basis ketika dibakar
atau diterima yang mengikut sertakan kedua fraksi abu dan kebasahan dalam batubara
tersebut.
a. Analisis Proksimat
Anaisis proksimat merupakan analisis batubara yang paling sederhana dan
menghasilkan fraksi massa karbon tetap (FC), bahan mudah menguap (VM),
kebasahan (M) dan abu (A) dalam batubara, Analisis ini dilakukan dengan menimbang,
memanaskan dan membakar sampel batubara. Sampel batubara dihaluskan, ditimbang
dengan hati-hati kemudian dipanaskan hingga suhu 110 oC (230 oF) selama 20 menit.
Sampel ini kemudian ditimbang kembali dan kehilangan massa dibagi dengan
massa semula akan memberikan fraksi massa kebasahan (M) sampel.
Sampel kemudian dipanaskan ke suhu 954 oC (1750 o F) dalam sebuah tabung
tertutup selama 7menit sesudah itu kembali ditimbang. massa yang hilang dibagi
dengan massa semula menghasilkan fraksi massa bahan yang dapat menguap (VM)
didalam sampel.
Sampel kemudian dipanaskan ke suhu 732 oC (1350oF) dalam suatu cawan
peleburan hingga terbakar sempurna. Sisanya kemudian ditimbang dan berat terakhir
dibagi dengan berat semula menghasilkan fraksi abu (A).
Fraksi Massa karbon tetap diperoleh dengan cara 1 – fraksi massa kebasahan – fraksi
massa bahan mudah menguap - fraksi massa abu. Dalam bentuk persamaan
matematis sebagai berikut: 1 - M - VM - A.
b. Analisis Ultimat
Analisis ultimat batubara adalah suatu analisis laboratorium yang memuat fraksi
massa karbon (C), hidrogen (H2), Oksigen (O2), sulfur(S) dan nitrogen (N2) dalam
batubara sekaligus dengan nilai pembakaran tinggi (HHV)nya.
Analisis batubara untuk batubara amerika yang khas ditunjukan pada lampiran C
(sumber buku prinsip-prinsip konversi energi), bersamaan dengan nilai pembakaran
tingginya. Semua analisis ini dilaporkan dengan basis kebasahan , bebas abu dan
sekaligus mengenai kadar kebasahan dan abu begitu di timbang. Jika kadar abu dan
kebasahan dapat dihitung, fraksi massa yang lain dan nilai pembakaran tinggi (HHV)
batubara dapat ditentukan dengan persamaan berikut:
Fraksi massa bahan bakar = (fraksi massa bebas abu, kering) (1 – M – A)
Nilai pembakaran tinggi begitu terbakar = (HHV bebas abu, kering) ( 1 – M - A)
Ada dua macam nilai pembakaran yaitu nilai pembakaran tinggi (HHV) dan nilai
pembakaran rendah (LHV) atau netto. Perbedaan HHV dan LHV dihitung dengan
pendekatan berdasarkan rumus berikut yang dapat terpakai untuk sembarang bahan
bakar alam basis massa:
HHV - LHV = 2400 (M + 9 H2) kj/kg
M dan H2 dalah kebasahan dan fraksi massa hidrogen bahan bakar .Bila nilai
eksperimen dari nilai pembakaran tinggi tidak tersedia, maka nilai pembakaran
tingginya dapat ditaksir dengan menggunakan analisis ultimat dan memakai rumus
Dulong:
HHV = 33.950 C+ 144.200 ( H2 - O2 ) + 9400 S kj/kg
1.3. Bahan Bakar Cair
1.3.1. Formasi dan Klasifikasi
Sementara batubara dianggap berasal dari tumbuhan yang memfossil maka
minyak bumi dianggap berasal dari kehidupan laut yang membusuk sebagian. Minyak
bumi atau minyak mentah biasanya ditemukan didalam kubah karang berpori besar.
Minyak mentah biasanya dirangking kedalam tiga katagori, tergantung pada jenis residu
yang tertinggal setelah fraksi yang ringan didistilasi dari minyak mentah itu. Dengan
sistem ini, minyak bumi diklasifikasikan sebagai minyak mentah basis parafin, basis
aspal dan basis campuran.
Meskipun minyak mentah adalah komposisi dari berbagai senyawa organik,
analisis ultimat semua minyak mentah ini adalah agak konstan. Fraksi massa karbon
berkisar antara 84 - 87 persen, fraksi massa hidrogen berkisar antara 11 - 16 persen,
jumlah oksigen dan nitrogen berkisr antara 0 - 7 persen, dan fraksi massa sulfur
berkisar 0 - 4 persen.
Ada enam jenis komersal bahan bakar minyak ,meskipun bahan bakar minyak
no 3 sudah tidak tersedia lagi secara komersial. Bahan bakar minyak no 1 adalah yang
paling ringan, paling tidak viscos dan dibuat untuk dapur pembakaran yang bekerja
dengan sistem penguapan. Bahan bakar minyak no 2 adalah minyak pemanas
domestik yang serba guna. Bahan bakar minyak no 4 adalah minyak pemanas jenis
komersial yang relatif ringan dan merupakan minyak paling berat yang dapat
dipompakan tanpa pemanasan pada suhu sedang Bahan bakar minyak no 5 adalah
bahan bakar minyak jenis komersial yang berat dan viscos, dan bahan bakar minyak no
6 atau minyak bunker-C adalah bahan bakar minyak yang paling berat dan paling
viscos. Kedua jenis terakhir ini no 5 dan 6 perlu dipanaskan terlebih dahulu sebelum
dipompakan. Sifat rata-rata bahan bakar minyak ini diberikan pada lampiran C (sumber
buku prinsip-prinsip konversi Energi)
1.3.2 Sifat-Sifat Minyak Bumi
Sifat-sifat yang penting dari minyak bumi serta turunannya adalah nilai
pembakaran, berat atau bobot jenis, titik nyala dan titik lumer. Nilai pembakaran
biasanya berupa nilai pembakaran tinggi, dinyatakan dalam satuan kj/lt atau Btu/gallon.
Nilai pembakaran dalam basis satuan massa dari turunan minyak bumi naik apabila
bobot jenisnya turun atau bila oAPI (API singkatan dari The American Petrolium
Institute) dan oBe (o Baume) nya naik.
Bobot jenis suatu cairan adalah kerapatan cairan tersebut dibagi dengan
kerapatan air pada suhu 60 oF (15,6 oC). Bobot jenis minyak bumi dan produk minyak
bumi biasanya dinyatakan dalam satuan oBe atau oAPI. Hubungan antara bobot jenis
dan satuan ini adalah sebagai berikut:
Bobot jenis (s) = 140 / (130 + oBe )
Bobot jenis (s) = 141,5 / (131,5 + oAPI )
Titik nyala suatu cairan bahan bakar adalah suhu minimum fluida pada waktu
uap yang keluar dari permukaan fluida langsung akan menyala. Pada suhu sedikit tinggi
disebut sebagai titik api (fire point), uap akan membantu pembakaran.
Titik lumer (pour point) suatu produk minyak bumi adalah suhu terendah dimana
suatu minyak atau produk minyak akan mengalir dibawah kondisi standar. Titik ini
ditentukan dengan mencari suhu maksimum dimana permukaan suatu sampel minyak
dalam suatu tabung percobaan standar tidak bergerak selama 5 detik ketika tabung
percobaan diputar ke posisi horizontal. Titik lumer adalah sama dengan suhu ini
ditambah 5 oF.
1.4 Bahan Bakar Gas
Hampir semua bahan bakar gas adalah bahan bakar fossil atau hasil samping
dari bahan bakar fossil. Bahan bakar ini dapat dibagi menjadi tiga kelompok besar yaitu
gas alam, gas pabrik dan gas hasil sampingan. Beberapa komposisi serta sifat-sifat lain
dari bahan bakar gas diberikan pada lampiran F ( sumber buku prinsip-prinsip konversi
energi)
Komposisi bahan bakar gas umumnya dinyatakan dalam bentuk fraksi molar
atau volum dari komponen gas. Untuk campuran gas ideal fraksi molar dan volum
sama. nilai pembakaran dari suatu bahan bakar gas umumya diyatakan dalam satuan
energi per satuan volum, seperti kj/m3 atau BTU/ft3, tetapi nilai ini berbanding langsung
dengan tekanan absolut berbanding terbalik dengan suhu absolut. Nilai pembakaran
juga dapat dinyatakan dalam bentuk energi persatuan massa kj/kg dan besaran ini
bebas terhadap tekanan dan suhu.
Nilai pembakaran volumetrik suatu campuran bahan bakar gas adalah sama
dengan jumlah perkalian volum atau fraksi mol komponen individual dengan nilai
pembakaran volumetrik komponen yang bersangkutan. Bila nilai pembakaran
volumetrik suatu komponen gas pada suhu referensi Tr, dan tekanan referensi Pr
diketahui, nilai pembakaran volumetrik campuran gas diperoleh dari persamaan
berikut :
(HHVv campuran)Pr,Tr = (HHVv,i)Pr,Tr(Vi)
Dimana HHVV,i dan V1 adalah nilai pembakaran tinggi volumetrik dari fraksi
volumetrik komponen gas ke i, Nilai pembakaran tinggi r sejumlah senyawa yang
mudah terbakar ditabulasikan dalam lampiran G (sumber Buku Prinsip-prinsip konversi
energi ). Persamaan berikut ini dapat dipakai untuk mengkonversikan nilai pembakaran
tinggi volumetrik pada tekanan dan suhu referensi tertentu ke tekanan dan suhu lain
(HHVv )P,T = (HHVv)Pr,Tr P TrPr T
Tekanan dan suhu pada persamaan diatas harus dalam nilai absolut.
Nilai pembakaran volumetrik HHVv pada suatu tekanan P dan suhu T dapat
dikonversikan menjadi nilai pembakaran gravimetrik HHVM dengan mengalikan nilai
volumetrik tersebut dengan volume jenis v dari gas pada tekanan dan suhu yang sama:
(HHVm = (HHVv)P,T(V )P,T
Volume jenis suatu campuran gas dapat dihitung dari berat molekul gas tersebut
(MW) dan persamaan gas ideal, seperti berikut:
v = V RT = Ru T m P P(MW)
dimana Ru adalah konstanta gas universal
Contoh soal:
Hitunglah niai pembakaran tinggi (kj/m3 dan kj/kg) pad suhu 10 oC dan tekanan 3 atm
untuk suatu campurngas dengan komposisi sebagai berikut: 94,3% CH4, 4,2%C2H6
dan1,5% CO2
Penyelesaian:
Diketahui fraksi mol dari komponen gas pada suhu20 oC dan tekanan 1 atm
(lampiran G)
(HHVv)CH4 = 37.204 kj/m3
(HHVv)C2H6 = 65.782 kj/m3
(HHVv)CO2 = 0 kj/m3
Jadi Berat molekul campuran gsa = 0,943 (16) + 0,042(30) + 0,015(44)
= 19,01 kg/kgmol
pada suhu 20 oC dan1 atm
(HHVv)campuran = 0,943 (HHVv)CH4 + 0,042((HHVv)C2H6 + 0,015 (HHVv)CO4
= 0,943 (37.204) + 0,042(65.782) + 0,015 (0)
= 117.846 kj/m3
Volumjeniscampuran gas,v= RuT/P (MW)
dimana:
P =3 atm =1,013 bar/atm (3 atm) = 3,039 bar
T = 10 oC =283 o K
Ru = 0,083314 bar.m3/ (kgmol) oK
V = 0,083314 bar.m3/ (kgmol) oK (283 o K)/ 3,039 bar x (19,01
kg/kgmol)
= 0,4552 m3/ kg
maka :
HHVm = V (HHVv)campuran
= 0,4552 m3/ kg x 117.846 kj/m3
= 53.506 kj/kg
=23.008 BTU/lbm
1. 5. Bahan Bakar Gas Khas
Gas alam adalah suatu satunya bahan bakar fossil yang sebenarnya dan
biasanya terperangkap dalam lapisan batu kapur diatas resevoar minyak bumi.
Tekanan resevoar berkisar antara 350 -700 bar. Gas alam terutama terdiri dari matane
dengan sedikit fraksi gas-gas lain.Komposisi beberapa gas alam yang khas ditunjukan
pada lampiran F.
Di antara semua bahan bakar fossil, gas alam mempunyai nlai pembakaran
gravimetrik tertinggi yaitu 55.800 kj/kg atau 24.000 Btu/lbm. Nilai pembakaran
volumetrik gas alam adalah sekitar 37.000kj/m3 pada 1 atm dan 20 oC.
Ada beberapa jenis bahan bakar gas pabrik, diantaranya adalah liqufied
petrolium gas (LPG), gas air, gas air karburasi, gas alam penganti (SNG) atau sintetis
dan gas produser. Masih ada sejumlah bahan bakar gas lain yang diproduksi sebagai
produk sampingan dari beberapa proses. Gas-gas ini misalnya gas dapur kokas, gas
riol dan gas dapur tinggi. komposisi sifat beberapa gas ini ditunjukan pada lampiran F.
Gas air adalah suatu bahan bakar gas pabrik yang diproduksi dengan cara
mengalirkan uap dan udara bergantian melalui suatu lapisan kokas pijar. Uap bereaksi
dengan kokas panas itu untuk menghasilkan hidrogen dan karbon monoksida. Kadang-
kadang ditambahkan pula uap minyak ke atas gas tersebut untuk menaikan nilai
pembakaran yang dihasilkan. Gas yang dihasilkan ini disebut gas air karburasi.
Gas produser adalah bahan bakar gas yang terbentuk dengan cara membakar
lapisan batubara grade rendah didalam tanah atau in situ dengan udara yang cukup
agar terjadi pembakaran sempurna.
Gas dapur tinggi adalah suatu bahan bakar gas berkualitas rendah yang
merupakan hasil samping dari industri baja. Gas ini dihasilkan dengan cara membakar
batubara dengan udara yang tidak cukup. Gas buang yang diperoleh dipakai untuk
memberikan pengurangan atmosfir pada logam yang telah lumer untuk mencegah
terjadinya oksidasi dari cairan logam tersebut. Meskipun gas ini mempunyai nilai
pembakaran yang hanya sepersepuuh dari gas alam, namun proses dapur tinggi
menimbulkan gas seperti dalam jumlah yang besar sehingga secara ekonomis cukup
layak untuk pengganti bahan bakarnya. Komposisi gas dapur tinggi terutama nitrogen,
karbon monoksida dan karbon dioksida.
Gas riol telah dipakai sebagai bahan bakar pemanas pada beberapa kota di
amerika serikat bagian timur. Dimasa sekarang kebanyakan perhatian terhadap gas riol
ini melibatkan pula pemakaian sampah tumbuhan dan binatang khususnya sampah dari
areal perternakan sapi yang besar untuk pembangkitan gas tersebut. Komposisi gas riol
ini pada dasarnya adalah metana murni yang dihasilkan dari proses pembusukan.