Perhitungan Stoikiometri Proses Pembakaran Batubara

Secara umum batubara tersusun atas beberapa unsur kimia penting. Mereka adalah karbon (C), hidrogen (H), sulfur (S), oksigen (O), dan beberapa unsur yang lain. Unsur-unsur tersebut saling berikatan secara kimiawi membentuk senyawa hidrokarbon baru. Ikatan kimia hidrokarbon tersebut menyimpan energi yang jika ikatan tersebut terputus melalui proses pembakaran, energi yang tersimpan tersebut akan terlepas ke lingkungan sekitar. Jika kita tuliskan ke dalam sebuah reaksi kimia, maka pembakaran batubara akan nampak seperti persamaan di bawah ini:

Batubara + O2 → Produk + Energi Panas

Pembakaran unsur karbon menjadi yang utama menghasilkan energi panas. Pembakaran karbon juga memungkinkan terbentuknya karbon monoksida jika pembakaran tidak sempurna. Kandungan hidrogen dan sulfur di dalam batubara juga menyumbang sebagian kecil energi panas ketika proses pembakaran berlangsung.

Untuk memudahkan pemahaman kita, mari kita perhatikan contoh perhitungan berikut.

Semisal kita ambil contoh sebuah hasil analisis kandungan batubara menyebutkan bahwa batubara tersebut memiliki komposisi seperti berikut ini:

  • Karbon : 73%
  • Hidrogen : 4,5%
  • Oksigen : 5,9%
  • Nitrogen : 1,5%
  • Sulfur : 5%
  • Air : 2,1%
  • Abu : 8%

Dari data di atas, kita dapat tentukan nilai mol/100 gram masing-masing komponen batubara, sekaligus kita tentukan mol/mol karbon untuk dapat menentukan struktur kimia molekul batubara.

Sehingga rumus kimia molekul batubara adalah:

CH0,74O0,061N0,018S0,026

Dengan sedikit pembulatan ke atas maka udara tersusun atas 79% nitrogen dan 21% oksigen. Sehingga untuk satu mol oksigen, terdapat 3,762 nitrogen. Dengan data tersebut mari kita buat reaksi stoikiometri pembakaran sempurna dari batubara terkait.

CH0,74O0,061N0,018S0,026 + 1,211(O2 + 3,762N2) → CO2 + 0,37H2O + 0,026SO2 + 4,565N2

Dari persamaan reaksi kimia pembakaran sempurna di atas, maka kita dapat menentukan rasio perbandingan udara/bahan bakar (air/fuel ratio), sehingga kita tahu berapa jumlah udara yang dibutuhkan untuk membakar 1 kg batubara.

AFR = \dfrac {1,211\left( 32+3,762\times 28\right)}{12+1\times 0,74+16\times 0,061+14\times 0,018+32\times 0,026}

AFR = 11,237

Perhitungan Berat Molekuler Udara

Berat molekuler (massa molar) suatu zat adalah massa satu mol zat tersebut, yang dapat dihitung berdasarkan massa molar atom-atom penyusun zat. Udara kering tersusun atas dua unsur kimia penting yakni 78% nitrogen dan 21% oksigen, serta sekitar 1% merupakan campuran dari karbon dioksida, neon, helium, methana, kripton, hidrogen, dan xenon.

Sebelum lebih lanjut menghitung massa molar udara kering, kita harus memahami pengertian dari mol. Mol adalah sebuah satuan pengukuran untuk jumlah zat, yang menyatakan jumlah partikel representatif yang setara dengan jumlah atom dalam 12 gram atom karbon-12 (12C). Jumlah partikel tersebut dinyatakan dalam Bilangan Avogadro yang setara dengan 6,022140857×1023 partikel/mol. Satu hal yang perlu dicatat adalah bahwa satu mol nitrogen, memiliki ukuran jumlah atom penyusun yang sama dengan satu mol oksigen, satu mol karbon dioksida, dan satu mol zat-zat lainnya yang ada di dunia.

Sekarang mari kita hitung berapa massa molar udara kering melalui tabel di bawah ini:

Massa molar masing-masing komponen penyusun udara di atas dihitung sesuai dengan data standard dari tabel periodik unsur kimia. Nitrogen misalnya, dengan rumus kimia N2, memiliki massa molar atom 14,007 g/mol. Maka massa molar 2 atom nitrogen (yang menyusun N2) adalah 28,014 g/mol. Perhitungan yang sama juga dilakukan untuk unsur-unsur penyusun udara kering yang lain.

Selanjutnya massa molar masing-masing unsur penyusun udara tersebut dikalikan dengan nilai persentase kandungan unsur tersebut di dalam udara kering. Dari sini didapatkan nilai massa molar unsur per bagian. Setelah massa molar unsur per bagian tersebut dijumlahkan, maka kita dapatkan massa molar untuk udara yang bernilai 28,9647 gram/mol.

Pengertian Boiler Pipa-Air

Pengertian boiler pipa-air adalah boiler dengan pipa-pipa berisikan air tersirkulasi, yang dipanaskan oleh api di sisi luar pipa. Boiler pipa-air memiliki desain berkebalikan dengan boiler pipa-api. Boiler ini mensirkulasikan air melewati saluran-saluran pipa dengan sumber panas berasal dari ruang bakar (furnace). Pipa-pipa yang menjadi saluran sirkulasi air-uap air ini, berada di dalam selimut api ruang bakar hingga saluran gas panas hasil pembakaran. Pada boiler-boiler pipa-air modern dengan beban produksi besar, ada beberapa bagian pipa-pipa air yang didesain menjadi dinding dari ruang bakar boiler. Pipa-pipa tersebut biasa kita kenal dengan istilah wall-tube.

Pengertian Boiler Pipa-Air
Boiler Pipa-Air Sederhana

Sebuah tanki air yang biasa disebut dengan steam drum, menjadi salah satu karakteristik boiler pipa-air. Steam drum berfungsi sebagai tanki air yang dijaga levelnya untuk memastikan selalu ada air tersirkulasi ke pipa-pipa air. Selain itu steam drum juga berfungsi untuk memisahkan uap air basah dengan air. Uap air basah yang keluar dari steam drum biasanya akan dipanaskan lebih lanjut untuk menghasilkan uap panas lanjut (superheated steam).

Desain boiler pipa-air modern, dilengkapi dengan pipa-pipa air yang didesain menjadi dinding ruang bakar (wall-tube). Air dari steam drum turun melewati pipa bernama downcomer ke sebuah pipa header yang terhubung dengan semua ujung bawah pipa wall-tube. Ujung wall-tube yang lain yang berada di bagian atas ruang bakar terhubung langsung dengan steam drum. Di bagian wall-tube inilah terjadi perubahan fase dari air menjadi uap air. Sistem pipa-air ini menghasilkan sirkulasi air tertutup antara steam drum-downcomer-wall-tube- dan kembali ke steam drum. Dari steam drum hanya uap air basah saja yang akan keluar. Pada boiler superheater, uap air basah keluaran steam drum akan dipanaskan lebih lanjut menjadi superheated steam (uap panas lanjut/kering).

Pengertian Boiler Pipa-Air
Desain Boiler Pipa-Air Superheater Modern

Boiler pipa-air sekalipun memiliki desain yang sedikit lebih kompleks daripada boiler pipa-api, namun boiler pipa-air cenderung lebih mampu menghasilkan kualitas uap air yang lebih tinggi (lebih superheated), serta kapasitas yang jauh lebih besar. Oleh karena itulah boiler pipa-air lebih cocok diaplikasikan pada industri-industri besar yang lebih menuntut kuantitas, sekaligus kualitas uap air tinggi seperti pembangkit listrik tenaga uap.