Perhitungan Excess Air Proses Pembakaran

Jumlah udara yang dibutuhkan untuk membakar sempurna sejumlah bahan bakar, dapat dihitung secara teoritis menggunakan prinsip-prinsip dasar stoikiometri (simak artikel berikut). Dengan kata lain, jika setiap molekul bahan bakar tepat melakukan kontak reaksi kimia dengan oksigen dalam udara, maka keseluruhan bahan bakar pasti terbakar, dan tidak akan ada sejumlah tertentu udara berlebih (excess) yang terbuang begitu saja. Namun kenyataan yang terjadi tidaklah demikian. Molekul-molekul bahan bakar tidak mampu 100% bertemu langsung dengan oksigen yang ia butuhkan untuk terbakar. Dibutuhkan sejumlah udara berlebih untuk memastikan semua molekul bahan bakar dapat terbakar dengan sempurna. Inilah yang kita kenal dengan istilah excess air (baca artikel berikut).

Berapa jumlah excess air yang tepat bagi sebuah proses pembakaran?

Menentukan jumlah excess air reaksi pembakaran pada boiler tergantung dari beberapa faktor utama seperti jenis bahan bakar, desain boiler, desain burner, dan beban boiler. Umumnya, boiler dengan bahan bakar batubara menggunakan excess air sebanyak 15% hingga 30%. Untuk boiler dengan bahan bakar gas ataupun minyak bumi, membutuhkan jumlah excess air yang lebih sedikit. Boiler berbahan bakar gas membutuhkan excess air sebanyak 5% hingga 10%, sedangkan boiler berbahan bakar minyak bumi membutuhkan excess air sebanyak 3% hingga 15%. Kondisi ini menunjukkan bahwa bahan bakar fasa gas dan cair lebih mudah tercampur dan bereaksi dengan oksigen, dibandingkan dengan bahan bakar fasa padat.

Seberapa besar beban boiler memberikan dampak besar pula bagi kebutuhan excess air. Ukuran desain diagonal ruang bakar boiler harus mampu menanggung debit aliran gas ketika boiler dalam beban penuh. Kondisi berkebalikan terjadi ketika beban boiler lebih rendah, dimana debit aliran gas menurun sehingga pencampuran bahan bakar dengan udara menjadi lebih sulit. Oleh karena itulah ketika beban boiler di bawah beban penuh, jumlah excess air yang dibutuhkan menjadi lebih banyak untuk menjamin terjadi proses pembakaran sempurna. Pada boiler batubara misalnya, pada beban 50% dibutuhkan excess air dua kali lebih banyak daripada ketika beban 100%.

image

Sekalipun excess air penting untuk memastikan terjadinya pembakaran sempurna, sejumlah excess air berdampak buruk bagi efisiensi boiler. Semakin tinggi jumlah excess air akan semakin banyak pula energi panas hasil pembakaran yang terbuang percuma mengikuti gas buang. Oleh karena itulah, dilihat dari sisi efisiensi, jumlah excess air harus dijaga serendah mungkin.

Untuk menjaga excess air tetap dinilai optimumnya, boiler modern sudah dilengkapi sensor jumlah oksigen dan karbon monoksida di sisi gas buang boiler. Kedua parameter ini dapat menjadi dasar untuk menjaga jumlah excess air agar tetap di level optimum sepanjang waktu operasional boiler.

Perhitungan Excess air

Mari kita gunakan contoh data batubara pada artikel sebelumnya sebagai berikut:

Dimana persamaan reaksi pembakaran stoikiometrinya adalah sebagai berikut:

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

Selanjutnya jika ditentukan boiler menggunakan excess air sejumlah 15%, maka reaksi kimia pembakaran menjadi seperti berikut:

CH0,74O0,061N0,018S0,026 + 1,393(O2 + 3,762N2) → CO2 + 0,37H2O + 0,026SO2 + 5,24N2 + 0,212O2

Dari persamaan kimia di atas maka kita dapat hitung berapa persentase excess oksigen di gas buang boiler:

O2 excess = \dfrac {0,212}{1+0,37+0,26+5,24+0,212}\times 100\%

O2 excess = 3,096%

Sedangkan air-fuel ratio terkoreksi menjadi:

AFR = \dfrac {1,393\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 = 12,926

Free ebook: Combustion Air Requirements for Power Burner Appliances

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.