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

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.

Pengertian Boiler Pipa-Api

Masih ingatkah Anda apa pengertian boiler? Boiler adalah sebuah wadah atau bejana yang berfungsi untuk memanaskan air. Pada prinsipnya, sebuah panci pun juga boiler, hanya saja bukan boiler semacam ini yang akan kita bahas. Dahulu kala, para rekayasa mekanik menciptakan boiler hanya dengan jalan memperbesar ukuran 'panci'. Lalu secara bertahap mereka mendesain boiler dengan lebih kompleks lagi. Salah satunya adalah dengan menggunakan prinsip bahwa semakin luas permukaan kontak antara sumber panas dengan air yang dipanaskan, maka akan semakin banyak uap yang bisa dihasilkan oleh boiler dengan ukuran yang sama. Lalu muncullah ide untuk membuat saluran-saluran pipa di dalam 'panci' raksasa tersebut, sehingga pipa-pipa tersebut 'mengalirkan' api -- atau setidaknya gas panas hasil pembakaran -- melewati sejumlah air yang ditampung oleh 'panci' raksasa. Inilah cikal bakal dari boiler pipa-api. Maka pengertian boiler pipa-api adalah salah satu tipe boiler yang mengalirkan panas hasil proses pembakaran ke dalam satu atau lebih pipa-pipa, yang berada di dalam wadah tertutup berisi air.

Pengertian Boiler Pipa-api
Boiler Haystack: 'Panci Raksasa' cikal bakal boiler pipa-api
Pengertian Boiler Pipa-Api
Boiler Pipa-Api Vertical: Pengembangan dari Boiler Haystack

Boiler pipa-api menjadi tipe boiler yang paling sederhana. Boiler ini memungkinkan untuk diaplikasikan pada kebutuhan uap air rendah hingga menengah. Hal tersebut dimungkinkan karena desainnya yang tidak lebih rumit dari boiler pipa-air. Ukuran boiler pipa-api juga relatif lebih kecil, dan memungkinkan untuk dipindah tempatkan dengan sangat mudah. Kelebihan tersebut yang kemudian membuat boiler ini sangat populer ketika dikembangkan bersamaan dengan mesin uap. Di abad ke-19 hingga awal abad ke-20, boiler pipa-api dikembangkan secara besar-besaran untuk memenuhi kebutuhan transportasi di masa itu. Kereta uap, kapal laut, hingga model awal mobil, menjadi moda transportasi berdapur pacu boiler pipa-api yang paling canggih di masa itu.

Pengertian Boiler Pipa-Api

Sesuai dengan namanya, boiler pipa-api mengalirkan gas panas hasil pembakaran ke saluran pipa-pipa yang diselubungi oleh air. Berbagai desain saluran pipa berbeda dibuat untuk memaksimalkan penyerapan panas dari gas buang hasil pembakaran tersebut. Level air di dalam tanki boiler, wajib terjaga ketinggiannya untuk menghindari overheat. Di sisi lain, boiler ini juga dilengkapi dengan safety relief valve yang berfungsi untuk melepas tekanan berlebih sehingga terhindar dari ledakan.

Banyak tipe boiler pipa-api juga sudah dilengkapi dengan sistem pemanas uap lanjut untuk menghasilkan uap superheated. Namun demikian, boiler pipa-api memiliki keterbatasan produksi uap air yang hanya maksimal 2500 kg/jam dengan tekanan maksimal 10 bar saja.