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

Sistem Kontrol Pembakaran Batubara pada Boiler

Pada sebuah boiler dengan bahan bakar batubara, sistem kontrol pembakaran yang ada menjadi satu hal yang sangat krusial. Untuk memaksimalkan efisiensi operational, proses pembakaran harus diatur secara akurat, sehingga bahan bakar yang digunakan harus pada jumlah yang tepat sesuai dengan kebutuhan uap air. Selain itu, proses pembakaran harus dilakukan dengan aman, sehingga tidak membahayakan para pekerja, pabrik, serta lingkungan sekitar.

Jumlah batubara dengan udara sehingga didapatkan proses pembakaran yang sempurna di dalam furnace boiler diatur sesuai dengan air-fuel ratio teoritis. Namun secara prakteknya, untuk mendapatkan pembakaran yang sempurna tersebut tidaklah mudah. Karena faktor kerugian dari proses pembakaran tidak mungkin dapat dihindari. Yang dapat dilakukan yaitu mengatur proses pembakaran dengan menekan serendah-rendahnya kerugian/losses yang mungkin terjadi.

Ada dua faktor kerugian yang muncul pada saat proses pembakaran batubara dilakukan. Jika jumlah udara (oksigen) kurang dari kebutuhan pembakaran, maka jumlah bahan bakar yang tidak terbakar akan semakin banyak sehingga terbuang sia-sia melalui cerobong (stack). Namun jika sebaliknya, jumlah oksigen semakin banyak yang ditandai dengan jumlah excess air juga semakin banyak, maka akan semakin banyak pula energi panas yang ikut terbuang keluar karena diserap oleh excess air tersebut. Kerugian yang kedua ini sering disebut dengan heat loss. Oleh karena adanya dua macam kerugian inilah maka dicari kerugian total yang paling rendah. Untuk lebih memahami kerugian-kerugian dari proses pembakaran batubara tersebut mari kita perhatikan grafik di bawah ini. Sesuai dengan grafik tersebut kerugian total yang paling rendah, didapatkan pada jumlah excess air "A".

20121111-015005 AM.jpg

Heat Losses dan Unburned Losses Pada Furnace

Berikut adalah contoh sistem-sistem kontrol proses pembakaran batubara pada boiler mulai dari yang paling sederhana hingga yang kompleks:

1. Sistem Kontrol Paralel

Cara yang paling sederhana dalam mengontrol proses pembakaran batubara adalah dengan mengatur jumlah batubara dan udara yang masuk ke boiler secara paralel. Jumlah batubara yang masuk ke dalam boiler diatur oleh sebuah control valve sedangkan jumlah udara diatur oleh damper, keduanya dihubungkan secara mekanikal sehingga setiap perubahan jumlah batubara yang masuk akan selalu diikuti oleh jumlah udara yang masuk ke boiler.

20121126-080458 AM.jpg

Sistem Kontrol Paralel Pembakaran Batubara

Sistem kontrol ini cocok digunakan pada boiler-boiler berukuran kecil. Dan akan semakin tidak cocok jika digunakan pada boiler yang berukuran semakin besar. Kelemahan mendasar dari sistem kontrol ini adalah adanya asumsi bahwa jumlah dari batubara dan udara yang masuk ke boiler adalah konstan sesuai dengan yang diharapkan, jika posisi control valve dan damper pada posisi tertentu. Sehingga jumlah excess air serta jumlah aktual batubara yang masuk ke boiler tidak diketahui secara tepat.

2. Flow Ratio Control

Pada sistem kontrol yang kedua ini, digunakan sensor pembacaan debit aliran udara dan bahan bakar sebagai input untuk mengontrol jumlah udara yang masuk ke boiler. Sistem kontrol ini juga menggunakan persamaan teoritis untuk memproses sinyal input dari debit aliran batubara sehingga didapatkan kontrol udara yang lebih mendekati teoritis.

20121126-082734 AM.jpg

Flow Ratio Control

Sistem kontrol ini disebut dengan sistem kontrol fuel-lead, karena sistem ini menjadikan debit batubara sebagai nilai acuan untuk mengatur besar aliran udara yang akan masuk ke boiler. Pada sistem ini perintah utama kebutuhan pembakaran batubara yang diatur oleh master demand, dikirimkan hanya kepada control valve batubara. Kebalikan dari sistem ini adalah sistem air-lead, dimana debit aliran udara menjadi nilai acuan sistem kontrol.

3. Sistem Kontrol Bersilangan

Sistem kontrol ini mirip dengan sistem kontrol paralel, hanya saja sudah dipergunakannya sensor pembacaan debit aliran batubara dan udara sebagai sinyal feed-forward. Masing-masing sistem kontrol bahan bakar dan udara mendapatkan sinyal perintah utama dari master demand, namun nilai kontrol-nya masih dipengaruhi juga oleh kondisi aktual debit aliran batubara dan udara. Hasil akhir dari sistem kontrol ini adalah diharapkan terjadi proses pembakaran yang lebih responsif untuk perubahan nilai beban boiler serta lebih akurat.

20121126-085504 AM.jpg

Sistem Kontrol Bersilangan

4. Penggunaan Sensor Excess Air

Satu parameter yang dapat digunakan untuk lebih mempresisikan sistem kontrol pembakaran batubara pada boiler adalah jumlah excess air pada gas buang hasil pembakaran. Pembacaan excess air pada gas buang menggunakan oxygen analyzer. Pembacaan excess air digunakan sebagai sinyal feed forward pada sistem kontrol pembakaran batubara.

20121126-110308 AM.jpg

Pembacaan Excess Air Sebagai Sinyal Input Sistem Kontrol

5. Penggunaan Sensor Gas Buang Lainnya

Sistem kontrol pembakaran batubara pada boiler yang terakhir adalah dengan melibatkan parameter-parameter lain selain excess air. Salah satu parameter penting tersebut adalah gas karbon monoksida. Kandungan karbon monoksida dalam gas buang menunjukkan jumlah gas yang tidak terbakar di ruang bakar. Sehingga sistem kontrol ini secara nyata berusaha untuk meminimalisir kerugian terbuangnya bahan bakar yang tidak dapat dibakar, serta kerugian (heat loss) akibat excess air yang terlalu besar.

20121126-111911 AM.jpg

Pembacaan Gas CO dan O2 Pada Sistem Kontrol Pembakaran Batubara

Macam-macam Batubara

Batubara adalah bahan bakar fosil yang terbentuk dari tumbuh-tumbuhan yang hidup dan telah mati sejak 100-400 juta tahun yang lalu. Energi dari batubara yang kita gunakan pada saat ini berasal dari tumbuh-tumbuhan yang telah menyerap energi dari sinar matahari pada jutaan tahun yang lalu. Seperti yang kita ketahui bersama bahwa tumbuhan menyerap energi dari sinar matahari, mengolahnya menjadi karbohidrat melalui proses fotosintesis.

    Reaksi fotosintesis
    N CO2 + 2n H2O + energi → 2(CH2O)n + 2n O2

Pada kondisi normal, tumbuhan yang mati akan terurai dan hancur di dalam tanah. Namun pada pembentukan batubara ratusan juta tahun silam hal ini tidak terjadi. Hal ini dikarenakan fenimena alam yang terjadi pada saat itu. Berdasarkan penelitian, hutan yang ada di ratusan juta tahun yang lalu tersebut tertimbun oleh banjir, lumpur, rawa, atau air asam. Sehingga menyebabkan energi karbohidrat yang terkandung di dalam tanaman tersebut terkunci dan tidak dapat terurai oleh alam. Selama jutaan tahun, lapisan tanah di atas tanaman-tanaman hutan tadi akan terus meningkat dan menciptakan tekanan yang sangat besar. Ditambah dengan panas yang berasal dari dalam bumi, secara perlahan tanaman-tanaman tadi akan membentuk batubara.

20120807-051432 PM.jpg

Proses Pembentukan Batubara

Proses pembentukan batubara sangat mempengaruhi kualitas dari batubara itu sendiri. Semakin padat batubara tersebut akibat tekanan alami yang dialaminya, akan semakin tinggi kualitasnya. Berdasarkan kualitas inilah batubara lebih lanjut diklasifikasikan menjadi beberapa jenis yaitu:

  • Lignite atau juga dikenal dengan sebutan batubara coklat, adalah jenis batubara yang paling rendah kualitasnya. Banyak ditambang di Yunani, Jerman, Polandia, Serbia, Rusia, Amerika Serikat, India, Australia, dan beberapa bagian negara-negara Eropa. Batubara jenis ini banyak digunakan sebagai bahan bakar pembangkit listrik tenaga uap. Namun karena jenis ini memiliki energi konten rendah dan kandungan moisture yang tinggi, maka sangat tidak efisien untuk ditransportasikan ke tempat yang jauh. Untuk itu pembangkit listrik yang menggunakan batubara jenis ini dibangun di lokasi yang cukup dekat dengan lokasi penambangannya.
  • Sub-bituminous adalah jenis batubara sedang di antara jenis lignite dan jenis bituminous. Secara fisik memiliki ciri-ciri berwarna coklat gelap cenderung hitam. Memiliki kandungan kelembaban yang lebih rendah dari jenis lignite dan cocok digunakan untuk bahan bakar pembangkit listrik tenaga uap.
  • Bituminous, adalah jenis batubara yang lebih tinggi tingkatan kualitasnya. Mayoritas berwarna hitam, namun kadang masih ada yang berwarna coklat tua. Dinamakan bituminous dikarenakan adanya kandungan bitumen/aspal. Batubara jenis ini memiliki kandungan karbon sebanyak 60-80%, dan sisanya berupa air, udara, hidrogen, dan sulfur.
  • Anthracite adalah jenis batubara yang paling baik kualitasnya. Jenis ini memiliki kandungan karbon sebesar 92,1% sampai dengan 98%, sehingga berwarna hitam mengkilap. Penggunaan batubara anthracite pada pembangkit listrik tenaga uap, masuk ke dalam jenis batubara High Grade dan Ultra High Grade. Namun persediaannya masih sangat terbatas, yaitu sebanyak 1% dari total penambangan batubara. Negara penghasil batubara ini antara lain adalah Cina, Rusia, Ukraina, Korea Utara, Vietnam, Inggris, Australia, dan Amerika Serikat.

20120807-092348 PM.jpg

Batubara Anthracite