BAB III

PEMBAKARAN

3.1. Teori Pembakaran

Pembakaran adalah reaksi kimia yang berlangsung cepat antara unsur-unsur

kimia penyusun bahan bakar dengan gas oksigen. Unsur- unsur yang dapat

memberikan energi pembakaran adalah :

a. Unsur Karbon ( C )

b. Unsur Hidrogen ( H )

c. Unsur Sulfur ( S )

Pada proses pembakaran dapat terjadi :

a. Pembakaran sempurna

Pembakaran sempurna terjadi apabila semua unsur C teroksidasi

semua menjadi CO2.

Syarat-syarat pembakaran sempurna :

- Disediakan O2 melebihi kebutuhan teoritis

- Diusahakan terjadi pencampuran bahan bakar dengan O2 sebaik

mungkin.

b. Pembakaran tidak sempurna

Pembakaran tidak sempurna terjadi apabila tidak semua unsur C dari

bahan bakar berubah menjadi CO2 tetapi sebagian berubah menjadi CO

yang besifat racun.

15

Sebab terjadinya pembakaran tidak sempurna :

a. Kekurangan Oksigen

b. Pencampuran kurang sempuna antara oksigen dengan bahan

bakar.

Oksigen (O2) yang diperlukan untuk pembakaran bahan bakar diperoleh dari

udara, dimana udara mengandung gas O2, N2, H2O maka udara dapat dibedakan

menjadi :

a. Udara kering

Bila udara dianggap terdiri dari O2 dan N2.

b. Udara basah

Bila udara selain mengandung O2, N2 juga mengandung uap air.

Kalor (panas) yang dihasilkan setiap pembakaran sempurna 1 kg bahan

bakar disebut harga kalor.

Harga kalor dibedakan menjadi :

a. Harga / nilai kalor tinggi (HHV)

Harga kalor pembakaran apabila air hasil pembakaran berbentuk cair.

b. Harga / nilai kalor rendah (LHV)

Harga kalor pembakaran apabila air hasil pembakaran berbentuk uap.

3.2. Bahan Bakar Ketel Uap

Ketel uap ini akan direncanakan dengan menggunakan bahan bakar minyak

bakar dengan alasan :

16

1. Polusi udara dapat ditekan karena bahan bakar minyak

tidak mengandung abu dan perpindahan panasnya bagus.

2. Konstruksi dapur sederhana sehingga investasi akan

lebih murah.

3. Ketel lebih tahan lama karena kandungan sulfurnya

lebih kecil dibandingkan dengan ketel uap yang menggunakan bahan

bakar padat.

4. Perawatan dan operasi murah.

Dengan komposisi bahan bakar : 3

- Karbon ( C ) : 85,8 %

- Hidrogen ( H ) : 11,7 %

- Sulfur ( S ) : 2,1 %

- LHV : 41500 kJ/kg

3.3. Keperluan Kalor Ketel Uap

Adapun data-data ketel uap yang direncanakan :

a. Kapasitas uap : 50 ton/jam

b. Suhu uap : 300oC

c. Tekanan uap : 22 kg/cm2

d. Suhu air masuk ekonomizer: 110 oC

Untuk tekanan 22 kg/cm2 diperoleh data-data sebagai berikut :4

a. Temperatur air mendidih : 217oC

3 Djoko setyardjo, MJ, Ketel uap, cet-3, Pradnya paramita, Jakarta, 1993, hal 404 Ibid,hal 14

17

b. Enthalpy air mendidih (Wd) : 929,2 kJ/kg

c. Enthalpy uap jenuh ( I”) : 2802,2 kJ/kg

d. Panas penguapan (r) : 1873,0 kJ/kg

e. Volume jenis uap (Vu) : 0,0914 m3/kg

f. Volume jenis air (Vw) : 1,185 dm3/kg

3.3.1. Keperluan Kalor Untuk Mengubah Air Umpan Menjadi Produk Uap

Jenuh

a. Proses pemanasan untuk menaikkan suhu air umpan hingga

mencapai air mendidih dari (110 –217)

Qe = G Cpa (Tk – Tm) 5

Dimana :

Qe : Kebutuhan kalor untuk pendidih (kJ/kg)

G : Produksi Uap (50 000 kg/jam)

Cpa : Panas jenis air

Cpa =

= = 4,282 kJ/kg oC

Tk : suhu air keluar ekonomizer (217oC)

Tm : Suhu air masuk ekonomizer (110 oC)

Jadi :

Qe = 50.000 kg/jam x 4,282 kJ/kg oC (217 – 110 oC)

= 22.908.700 kJ/jam

5 Ibid,hal 10

18

b. Proses pemanasan untuk penguapan air (Tk = 217 oC)

Qd = mu . Hfg 6

Dimana :

mu : Produksi uap (50.000 kg/jam)

Hfg : Panas penguapan (1.873 kJ/kg)

Jadi:

Qd = 50.000 kg/jam x 1.873 kJ/kg

= 93.650.000 kJ/jam

c. Keperluan kalor superheater

Qs = mu . (hg – hs) 7

Dimana :

mu : Produksi uap (50.000 kg/jam)

hs : Enthalpi uap jenuh (2802,2 kJ/kg)

hg : Enthalpi uap panas lanjut (3017,6 kJ/kg)

jadi :

Qs = 50000 kg/jam x (3017,6 – 2802,2) kJ/kg

= 10.770.000 kJ/jam

Maka kebutuhan kalor total yaitu :

Qm = Qe + Qd + Qs 8

= 22.908.700 + 93.650.000 + 10.770.000

= 127.328.700 kJ/kg6 Ibid, hal 97 Ibid, hal 138 Ibid, hal 11

19

3.4. Kebutuhan Bahan Bakar

Kebutuhan bahan bakar untuk pembakaran pada ketel uap dapat dicari

dengan persamaan sebagai berikut :

Kbb = 9

dimana :

Kbb : Kebutuhan bahan bakar ketel uap (kg/jam)

Qtot : Kebutuhan kalor total ketel uap (kJ/jam)

Qlow : Nilai pembakaran terendah atau LHV (kJ/kg)

ku : Efisiensi ketel uap (%), direncanakan 80 %

sehingga kebutuhan bahan bakar ketel uap adalah :

Kbb =

= 3835,2 kg bb/jam

3.5. Keperluan Udara Pembakaran

Untuk 1 kg bahan bakar yang digunakan memiliki kandungan :

Karbon (C) = 85,8 %

Hidrogen(H) = 11,7 %

Sulfur(S) = 2,1 %

3.5.1.Reaksi Pembakaran 1 kg Bahan Bakar

a. Reaksi unsur karbon (C)

9 Ir.MJ.Djoko setyarjo,1990,Pembahasan lebih lanjut tentang ketel uap, hal 55

20

C + O2 CO2

12 kg C + 32 kg O2 44 kg CO2

1 kg C + 2,67 kg O2 3,67 kg CO2

0,858 kg C + 2,291 kg O2 3,149 kg CO2

b. Reaksi unsur Hidrogen (H)

4H + O2 2 H2O

4 kg H + 32 kg O2 36 kg H2O

1 kg H + 8 kg O2 9 kg H2O

0,117 kg H + 0,936 kg O2 1,053 kg H2O

c. Reaksi unsur sulfur (S)

S + O2 SO2

32 kg S + 32 kg O2 64 kg SO2

1 kg S + 1 kg O2 2 kg SO2

0,021 kg S + 0,021 kg O2 0,042 kg SO2

3.5.2. Kebutuhan Udara Untuk Pembakaran 1 kg Bahan Bakar

a. Kebutuhan udara teoritis

Dari reaksi pembakaran, dapat diketahui oksigen untuk membakar adalah

O2 = (2,291 + 0,936 + 0,021)

O2 = 3,248 kg O2 / kg bb

21

Karena pada bahan bakar tidak terdapat unsur oksigen, maka kebutuhan

oksigen teoritis (O2), adalah :

O2t = (3,248 – 0) kg O2 / kg bb

O2t = 3,248 kg O2 / kg bb

Tinjauan terhadap 1kg udara kering

Gas Nitrogen (N2) = 77 %

Gas Oksigen (O2) = 23 %

Sehingga kebutuhan udara kering (U) yang dibutuhkan untuk pembakaran

bahan bakar adalah :

U =

= 14,12 kg O2 / kg bb

Pada perencanaan ketel uap ini, uap air diambil 5 % masa udara kering,

maka kebutuhan udara teoritis adalah sebagai berikut :

Ut = U + (0,05 . U) 10

Sehingga :

Ut = 14,12 + (0,05 x 14,12) kg ud / kg bb

= 14,826 kg ud / kg bb

b. Kebutuhan udara sesungguhnya

Dalam proses pembakaran bahan bakar, pemberian udara secara teoritis

pada kenyataannya belum dapat memberikan pembakaran yang sempurna,

10 B.M.Surbakty,1993,ketel uap,hal 74

22

maka dalam dapur ketel harus diberikan udara melebihi kebutuhan

teoritisnya, sehingga kebutuhan udara sesungguhnya :

Ua = Ut + ( Ut) 11

Dimana :

Ua = kebutuhan udara sesungguhnya (kg ud/kg bb)

Ut = kebutuhan udara teoritis (14,826 kg ud / kg bb)

= persen udara lebih minyak bakar (5 – 10 %)

Maka :

Ua = Ut + ( Ut)

= 14,826 + ( 0,1 x 14,826) kg ud/kg bb

= 16.309 kg ud/kg bb

Jadi kebutuhan udara sesungguhnya untuk membakar bahan bakar tiap jam

adalah :

Udara tiap jam = Ua x Kbb 12

= 16,309 kg ud/kg bb x 3835,2 kg bb/jam

= 62.548,2768 kg ud/jam

3.6. Kapasitas Gas Asap dari Pembakaran I Kg Bahan Bakar

a. Komposisi gas asap

- gas CO2 = hasil reaksi kimia

= 3,149 kg ud/kg bb

- gas H2O = hasil reaksi kimia + kelembaban udara11 Ibid, hal 4412 Ibid, hal 58

23

= 1,053 kg ud/kg bb + ( 5% x 14,12)

= 1,759 kg ud/kg bb

- gas SO2 = hasil reaksi

= 0,042 kg ud/kg bb

- gas O2 = kelebihan oksigen

= 3,248 kg ud/kg bb x 10 %

= 0,3248 kg ud/kg bb

- gas N2 = N2 dari udara

= 14,826 kg ud/kg bb x 77 %

= 11,416 kg ud/kg bb

Gas asap

Berat

(Kg ga/kg bb) BM Mol

Gas CO2 3, 149 44 0, 0715

Gas H2O 1, 759 18 0, 09772

Gas SO2 0, 042 64 0, 0007

Gas O2 0, 3248 32 0, 0101

Gas N2 11, 416 28 0, 4071

Jumlah (W) 16, 6908

b. Komposisi gas asap dalam persen %

Gas CO2 = x 100% = 18,866 %

Gas H2O = x 100% = 10,538 %

24

Gas O2 = x 100% = 1,946 %

Gas N2 = x 100% = 68,4 %

Gas SO2 = x 100% = 0,27 %

Total gas asap = 100%

Dari perhitungan dimuka dapat diketahui bahwa untuk pembakaran 1 kg

bahan bakar menghasilkan gas asap sejumlah (W) = 16,6908 kg ga/kg bb dan

konsumsi bahan bakar Kbb = 3835,2 kg bb/jam. Kapasitas dari pembakaran seluruh

bahan bakar (W) adalah :

Wga = W . Kbb 13

= (16,6908 x 3835,2) kg ga/jam

= 64.012,556 kg ga/jam

TABEL GAS ASAP

GasKomposisi

(%)

Kapasitas

(kg ga/jam)BM

Laju mol

(kmol/jam)

CO2 18,866 12.076,6088 44 274,468

H2O 10,538 6.745,6432 18 374,756

SO2 0,25 160,0314 64 2,5

O2 1,946 1.245,6843 32 38,926

N2 68,4 43.783,5883 28 1.563,74

13 Ir.M.J.Djoko setyarjo, Ketel uap,1993,hal 344

25

100,00 64.012,556 2.254,39

Pada suhu 0o C dan tekanan 1 atm, volume 1 mol gas asap adalah 22,4 L,

jadi debit gas asap ( Vga ) adalah :

Vga = 2254,39 kmol/jam x 0,0224 m3/mol

= 50.498,336 m3/jam

Maka massa jenis gas asap pada suhu 0oC dan tekanan 1 atm adalah sebesar:

ρga =

dimana :

Vga = debit gas asap (50.498,336 m3/jam)

Wga = kapasitas gas asap hasil pembakaran seluruh bahan bakar ketel

(64.012,556 kg ga/jam)

Ρga =

= 1,25 kg ga/m3

3.7. Kerugian Perpindahan Panas

Panas yang berguna dihasilkan dari pembakaran yang diserapkan pada air

disebut dengan panas berguna. Panas berguna ini merupakan panas yang

dihasilkan dari pembakaran bahan bakar yang tidak seluruhnya digunakan untuk

memanasi air ketel menjadi uap.

Akan tetapi ada sejumlah gas yang hilang disekitarnya atau panas yang

dihasilkan dari pembakaran bahan bakar masih mengalami kerugian-kerugian.

26

Dan ini merupakan kerugian-kerugian yang terjadi didalam ketel, yang biasa

dikenal dengan :

- Kerugian cerobong

- Kerugian kalor akibat gas yang tidak terbakar

- Kerugian bahan bakar yang tidak terbakar

- Kerugian kalor akibat pancaran dan kerugian lain.

Panas berguna adalah sejumlah panas yang diserahkan kepada air. Untuk

menghitung panas berguna dicari dengan menggunakan rumus sebagai berikut :

QB = k x Qlow

Dimana :

QB = Panas berguna (kJ/kg)

k = Efisiensi ketel uap = 80 %

Qlow = Nilai pembakaran terendah = 41500 kJ/kg

Sehingga :

QB = 0.8 x 41500 kJ/kg

= 33200 kJ/kg

3.7.1. Kerugian Cerobong

Kerugian cerobong adalah merupakan kerugian panas yang terbawa oleh

gas asap yang keluar lewat cerobong keudara luar. Dimana kerugian cerobong ini

dihitung menggunakan rumus :

27

QCb = k x % 14

Dimana :

QCb = Kerugian cerobong (kJ/kg)

K = Koefisien Siegert (0.64 – 0.69)

Tg = Temperatur/suhu asap yang masuk kecerobong = 230 oC

Tu = Temperatur udara luar = 30 oC

CO2 = Karbondioksida didalam gas asap = 18, 866 %

Sehingga :

QCb = 0,64 x ( )

= 6,785 %

atau dalam kilo joule per kilogram bahan bakar adalah :

QCb = 6,785 % x 41.500 kJ/kg

= 0,06785 x 41.500 kJ/kg

= 2815,775 kJ/kg

3.7.2. Kerugian Kalor Akibat Gas Yang Tidak Terbakar (Qg)

Kerugian ini diakibatkan oleh adanya sejumlah gas (CO) yang tidak

terbakar saat terjadi proses pembakaran. Untuk mengurangi atau mengatasi gas

tersebut udara yang masuk agar diusahakan supaya mencukupi keperluan

pembakaran bahan bakar diruang pembakaran.

14 Ir.Syamsir A Muin,1988,Pesawat-pesawat Konversi Energi I,Rajawali Jakarta,hal 208

28

Qg = 70 % x 15

Dimana :

Qg = Kerugian gas yang tidak terbakar dalam persen (%)

CO = Gas karbon monooksida dalam persen (%)

CO2 = Karbon dioksida dalam gas asap = 18,866 %

Adapun untuk kadar karbon CO diusahakan sangat kecil dan untuk kadar

CO2 sebesar mungkin, sehingga kerugian kalor gas yang tidak terbakar sangat

rendah, dimana kadar CO untuk pembakaran minyak bakar diperkirakan

CO = 2 %

Qg = 70 x

= 6,709 %

atau dalam kilo joule per kilogram bahan bakar adalah :

Qg = x Qlow

= 0,0609 x 41500 kJ/kg

= 2784,235 kJ/kg

3.7.3. Kerugian Bahan Bakar yang Tidak Terbakar (Qbb)

Kerugian ini disebabkan karena sebagian bahan bakar yang tidak terbakar

dengan sempurna, dimana kerugian ini diperkirakan antara 1 – 10 % 16. Dalam

15 Harjono soenarjono,1967,ketel uap,hal 3516 Ibid, hal 35

29

perancangan ini diperkirakan Qbb = 1,5 %, sehingga dalam kJ/kg bahan bakar

adalah :

Qbb = 1,5 % x Qlow

= 0,015 x 41500 kJ/kg

= 622,5 kJ/kg

3.7.4. Kerugian Kalor Akibat Pancaran (Qp)

Kerugian pancaran ini merupakan kerugian panas yang keluar melalui

dinding ekonomizer. Adapun pancaran ini tergantung pada bidang panasnya, bila

luas bidang pemanasnya kurang dari 250 m2, dimana nilai kerugian tidak lebih

dari 5 %. 17

Dimana harga Vo dapat dituliskan sebagai berikut :

Vo < 250 m2, kerugian 2 – 5 %

Vo > 250 m2, kerugian 0 – 2 %

Untuk perencanaan ini kerugian panas akibat pancaran dapat diambil

sebesar Qp = 2 %.

Maka:

Qp = 2 % x Qlow

= 0,02 x 41500 kJ/kg

= 830 kJ/kg

3.7.5. Kerugian lain-lain (QL)

17 Ibid hal 37

30

Kerugian lain-lain ini diakibatkan oleh suatu yang terjadi didalam ketel uap

atau pada sistem pembakaran yang sulit dianalisa serta adanya jumlah gas karbon

yang menempel (dalam bentuk kerak) pada bidang pemanas. Kerugian ini dapat

dihitung sebagai berikut :

QL = 100 % - 80 % - persentase kerugian panas

= 100 % - 80 % - QCb - Qg – Qbb - Qp

= 100 % - 80 % - 6,758 % - 6, 709 % - 1, 5 % - 2 %

= 3,006 %

atau dalam kilo joule per kilogram bahan bakar adalah :

QL = 3,006 x Qlow

= 3,006 % x 41500 kJ/kg

= 0,03006 x 41500 kJ/kg

= 1247,49 kJ/kg

sehingga kerugian kalor total yang terjadi didalam ketel uap dalam memproduksi

uap adalah :

Qf = QCb + Qg + Qbb + Qp + Qp

= 6,785 % + 6,709 % + 1,5 % + 2 % + 3,006 %

= 20 %

Atau dalam kJ/kg bahan bakar adalah :

Qf = QCb + Qg + Qbb + Qp + Qp

= 2815,775 + 2784,235 + 622,5 + 830 + 1247,49

= 8.300 kJ/kg

31

Untuk lebih jelas dapat dilihat pada tabel berikut ini :

Tabel 3.1

Neraca Panas

No Uraian %Neraca kalor

kJ/kg bb

1

2

3

4

5

6

Panas berguna

Kerugian cerobong

Kerugian gas yang tidak terbakar

Kerugian bb yang tidak terbakar

Kerugian pancaran

Kerugian lain-lain

80

6,785

6,709

1,5

2

3,006

33.200

2.815,775

2.784,235

622,5

830

1247,49

Jumlah 100 41500

Efisiensi ketel dapat dihitung sebesar

Ηk = ( 1 - ) x 100 % 18

= ( 1 - ) x 100 %

= 80 %

18 W.Club Jr.Ir.Darwis Sitompul,Prinsip-prinsip Konversi Energi,hal 211

32

3.8. Perhitungan Temperatur Gas Asap

Karena adanya kerugian bahan bakar yang tidak tidak terbakar secara

sempurna dan kerugian pancaran maka besarnya panas yang terkandung oleh gas

asap didalam ruang bakar adalah sebagai berikut :

Qf = Qlow – Qb - Qp 19

Dimana :

Qf = panas pada ruang bakar (kJ/kg)

Qlow = nilai pembakaran yang terendah = 41 500 kJ/kg

Qbb = kerugian bahan bakar yang tidak terbakar = 622,5 kJ/kg

Qp = kerugian kalor akibat pancaran = 830 kJ/kg

Sehingga :

Qf = 41500 - 622,5 – 830

= 40.047,5 kJ/kg

Untuk mencari temperature gas asap didalam ruang bakar, dapat dicari

dengan menggunakan rumus :

Qf = 20

Dimana :

Qf = panas pada ruang bakar = 40.047,5 kJ/kg

19 Harjono suenarjono,1967,ketel uap,hal 4620 Ibid hal 46

33

W = kapasitas gas asap = 16,6908 kJ/kg bb

Cpg = panas jenis gas asap rata-rata kJ/kg oC

Tg = temperature gas asap pada ruang bakar oC

η = Efisiensi dapur ketel = 90 %

Untuk mencari temperatur gas asap didalam dapur menggunakan suatu

metode percobaan berdasarkan table sebagai berikut 21

Tabel 3.2

Tabel hubungan Tga dengan CPga JP. Holman Lam,A5

Temperatur(oC) 1637 1642 1643 1644 1645

Panas Jenis Gas asap

(kJ/kg oC)1,3119 1,3133 1,31364 1,31654 1,31944

Percobaan I :

Tga = 1637 oC

Cpga = 1,3119 kJ/kg oC

Qf1 =

= 39.827,59 kJ/kg

Percobaan II :

Tga = 1642 oC

Cpga = 1,3133 kJ/kg oC

21 Harjono soenarjono,1967, ketel uap hal 46

34

Qf2 =

= 39.999,87 kJ/kg

Percobaan III :

Tga = 1643 oC

Cpga = 1,31364 kJ/kg oC

Qf3 =

= 40.026,588 kJ/kg

Percobaan IV :

Tga = 1644 oC

Cpga = 1,31654 kJ/kg oC

Qf4 =

= 40.139,366 kJ/kg

Percobaan V :

Tga = 1645 oC

Cpga = 1,31944 kJ/kg oC

Qf5 =

= 40.252,25 kJ/kg

35

Dari hasil perhitungan diatas yang telah dilakukan beberapa kali maka

yang mendekati nilai panas ruang bakar adalah percobaan III, dan didapatkan

hasilnya :

Temperatur gas asap Tga = 1643 oC

Panas jenis gas asap Cpga = 1,31364 kJ/kg oC

Panas pada ruang bakar Qga = 40.027,5 kJ/k.

36