1. Pendahuluan

Batubara merupakan salah satu sumber energi yang banyak terdapat di bumi Indonesia. Pemakaian batubara sebagai sumber energi alternatif semakin meningkat dengan adanya kebijaksanaan pemerintah untuk mejakukan diversifikasi energi nasional

Salah satu masalah yang membuat keterbatasan penggunaan batubara adalah transportasi batubara dari penambangan ke pengguna. Teknik transportasi batubara yang dikenal dan digunakan dewasa ini adalah, melalui jalan kereta api, menggunakan truk, dengan konveyor, melalui sungai, dengan pemipaan, dan melalui transmisi listrik setelah dikonversi di mulut tambang dalam bentuk energi listrik.

Dari Tabel 1 dapat dilihat bahwa transportasi secara umum melalui sistem pipa merupakan yang termurah dibandingkan jenis angkutan darat lainnya, apalagi untuk jarak jauh, kontinu dan kapasitas angkut besar. Keuntungan lain dari sistem perpipaan adalah dampak negatif pada lingkungan jauh lebih kecil di bandingkan dengan modus angkutan lain.

Tabel 1 Perbandingan Sistem Tranportasi^[3].

Dari peluang tersebut amat wajar bila cukup banyak pakar 4-7 melakukan pengkajian secara mendalam kemungkinan untuk menerapkaa sistem transportasi dengan pemipaan untuk batubara dengan melarutkannya terlebih dahulu dengan bahan bakar minyak (Coal Oil Mixture atau COM) atau dengan air (Coal Water Mixture atau CWM).

Dalam kajian terdahulu [4], telah ditelaah hasil penelitian pendahuluan tentang komposisi, sifat reologi, stabilitas dan karakteristik aliran campuran batubara air (CBA atau CWM) untuk berbagai konsetrasi khusus untuk batubara PT. Bukit Asam, Tanjung Enim, Sumatera Selatan. Penelitian tersebut dilakukan baik secara teoritik maupun eksperimental.

Dalam makalah ini akan diketengankan hasil kaji teoritik karakteristik pembakaran dari CBA dengan komposisi batubara dan kisaran konsentrasi yang sama dengan kajian terdahulu meliputi,

- nilai kalor dan kalor pembakaran

- suhu nyala

- komposisi gas pembakaran

Untuk tujuan prediksi ini, sebuah paket program komputer telah disusun. Meskipun kesahihan hasil prediksi masih perlu diteliti melalui pengujian eksperimental, akan tetapi informasi yang telah diperoleh dapat dipakai sebagai gambaran yang baik tentang kemungkinan pengumpanan langsung CBA sebagai bahan bakar.

2. Teori Dasar Proses Pembakaran

2. 1. Proses Pembakaran Ideal

Untuk berbagai tujuan seperti penentuan nilai kalor suatu bahan bakar atau penaksiran suhu nyala maksimum (adiabatik), anggapan bahwa proses pembakaran berlangsung secara ideal (reaksi stoichiometrik, tak berdisosiasi, tekanan/volume konstan) akan banyak membantu. Terutama untuk tujuan penyederhanaan dalam perhitungan.

Untuk banyak penerapan, umumnya proses pembakaran berlangsung lebih mendekati tekanan konstan, untuk proses demikian neraca energi dapat digambarkan secara skhematik seperti ditunjukkan dalam Gb. 1.

Gb. 1. Kalorimeter gas tekanan konstan.

Untuk kondisi tersebut neraca persamaan neraca energi dapat ditulis sebagai,

\[Q = H_{p} - H_{r} \tag{1}\] di mana Q dan H masing-masing adalah laju kalor dan entalpi. Indeks p dan r masing-masing mewakili produk pembakaran dan reaktan, yang bila komposi tingkat keadaan masing-masing dik laju kalor pembakaran dapat dite Karena umumnya data sifat termod dari unsur-unsur yang terlibat suatu reaksi kimia dinyatakan

bentuk besaran molal yang berl pada tingkat keadaan acuan (Po = 1 ata, To = 25 C), Pers. (1) dapat ditulis dalam be sis laju mol bahan-bakar dan wak sama sebagai,

\[Q_{p} = \sum_{i} x_{i} \{\hat{h}_{pi}(T) + \hat{h}_{opi}\} - \sum_{j} y_{j} \{i\}\] \[\text{[rumus tidak dapat ditampilkan dengan baik — lihat PDF asli]}\] di mana x y j masing-masing fraksi laju mol dari unsur dalam dan reaktan terhadap laju mol bakar. Sedangkan h adalah entalp jenis, sehingga, satuan kalor karan, Q , dapat dinyatakan kJ/(kgmol b.b) atau Btu/(lbmol h menyatakan entalpi pembentukan jenis.

Dengan pendekatan reaksi pe an ideal, semua unsur baik dalam maupun produk pembakaran menjadi tu, sehingga perhitungan menjadi sederhana.

Dalam kondisi sebenarnya, sisi gas buang selain tergantur jenis bahan bakar juga merupakan suhu pembakaran. Hal ini sebagai kemungkinan berlangsungnya proses siasi dari unsur produk, yang dal dekatan ideal reaksinya dianggap chiometrik. Oleh karena itu, pendekatan ideal hanya dapat dialazimnya hanya untuk perhitungar kalor (HHV maupun LHV).

2. 2. Pendekatan Proses Pembakara

2.2.1. Proses disosiasi

Meskipun analisis yang akan rapkan berlaku untuk reaksi secar namun untuk tujuan penyederhanaan hasan akan diketengahkan khusus reaksi pembakaran CBA,

Persamaan reaksi pembakaran dengan oksidan udara dari 1 mol batubara yang dicampur dengan air sehingga menghasil-kan CBA dengan konsentrasi batubara basis massa z dapat ditulis sebagai,

\[\begin{array}{l} (aC + bH_{2} + cS + dO_{2} + eN_{2} + fH_{2}O) + \zeta H_{2}O \\ g(O_{2}^{2} + 3.76N_{2}^{2}) & \longrightarrow & n_{1}CO_{2} + n_{2}CO + n_{9}O_{2} + \\ n_{1}O + n_{1}NO + n_{1}N_{2} + n_{1}H + n_{1}H_{2} + n_{2}OH \\ + n_{1}O + n_{1}O + n_{1}N_{2} + n_{1}N_{2} + \dots \end{array}\]

analisis akan didasarkan pada basis mol CBA, dengan demikian,

\[a + b + c + d + e + f + \zeta = 1\] (4)

koefisien reaksi ( ditentukan besarnya konsentrasi batubara melalui konversi jumlah mol untuk tiap mol batubara. Munculnya berbagai unsur dalam gas produk akibat berlangsungnya proses disosiasi (penguraian) dari unsur yang lazim ditampilkan dalam reaksi ideal. Jumlah komponen yang mungkin muncul dalam produk pembakaran sebenarnya dapat lebih banyak, tetapi hasil komputasi dengan menyertakan secara lengkap komponen tambahan yang mungkin muncul seperti C, NOx, SOx, dsb, ternyata untuk banyak tujuan dan kisaran kondisi yang lazim terjadi dalam proses konvensional jumlahnya dapat diabaikan.

Dalam analisis, hanya kesebelas unsur dalam gas pembakaran seperti ditunjukkan dalam Pers. (3) akan dilibat-kan dalam komputasi. Untuk menyelesaikan analisis termodinamika reaksi pembakaran yang berlangsung, diperlukan pengetahuan mengenai semua reaksi disosiasi yang mungkin berlangsung pada tingkat keadaan gas pembakaran, yaitu

\[\text{[rumus tidak dapat ditampilkan dengan baik — lihat PDF asli]}\]

2H2O ← → 2H2 + O2

Untuk mencari komposisi kesetimbangan akibat berlangsungnya banyak reaksi yang mungkin terjadi pada suatu kondisi tertentu tersebut, jelas memerlukan penggunaan komputer. Karena untuk setiap unsur dapat dituliskan sebuah persamaan kekekalan atom, maka jumlah persamaan kesetimbangan harus sama dengan banyaknya unsur yang ditinjau dikurangi banyaknya elemen dasar yang terkandung.

Di dalam analisis, untuk jumlah unsur dalam Pers. (3), diperlukan enam enam reaksi kesetimbangan dan lima persamaan untuk kekekalan yakni C, H, O, N, S. Dengan kata lain diperlukan 11 persamaan untuk menyelesaikan 11 parameter yang tak diketahui.

2.2.2. Potensial Eletrokimia

Jumlah mol setiap unsur (n1, n2..) dapat ditentukan dari keseimbangan kimia dari persamaan reaksi kimia (5) pada tingkat keadaannya (suhu dan tekanan.

Untuk sebuah persamaan reaksi stoikiometrik sembarang,

Reaksi untuk setiap tahap dapat dinyatakan sebagai,

\[v_1C_1 + v_2C_2 \longrightarrow \alpha(v_3C_3 + v_4C_4) +\] \[(1-\alpha)(v_1C_1 + v_2C_2) \qquad (7)\]

dimana \(\alpha\) menyatakan derajat reaksi, sedangkan \(C_1,\ldots,C_4\) menyatakan unsurunsur pokok dan \(\upsilon_1,\ldots\upsilon_4\) adalah koefisienstoikiometrik. Derajat disosiasi menyatakan fraksi produk yang pada suatu kondisi akan terurai menjadi reaktan.

Pada tekanan dan suhu konstan, keseimbangan termodinamika suatu proses reaksi dapat dinyatakan dengan fungsi Gibbs minimum, atau 35 ( $ 13 ( ) ) 1 ( ) 1 ( )

- Aut = n 1 + n 2 n 2 - n 2 n 3 - n 4 n 2

\[dG_{p,T} = 0 (8)\]

Untuk sistem yang bereaksi,

\[dG_{T,P} = \Sigma \mu_i dn_i\] (9)

di mana \(\mu\) dan dn masing-masing adalah potensial elektrokimia dan perubahan jumlah mol dari unsur.

Karena 01,...04 adalah konstan, penerapan pada persamaan reaksi (7), akan memberikan,

\[dn_{1} = -v_{1} d\alpha\] \[dn_{2} = -v_{2} d\alpha\] \[dn_{3} = v_{3} d\alpha\] \[dn_{4} = v_{4} d\alpha\] (10)

Penerapan Pers. (8) dan (9) dengan Pers. (10) menjadi,

\[(\mu_1 v_1 + \mu_2 v_2 - \mu_3 v_3 - \mu_4 v_4) d\alpha = 0\] atau,

\[\mu_1 v_1 + \mu_2 v_2 = \mu_3 v_3 + \mu_4 v_4 \tag{11}\]

Bila persamaan tingkat keadaan masingmasing unsur didekati dengan gas sempurna dapat ditunjukkan bahwa,

\[\mu = \mu^{O} + R_{mol} T \ln p \qquad (12)\]

Substitusi ke Pers. (11) memberikan,

\[R_{mol}^{\dagger}\] (\(v_{3}^{\dagger}\)in \(p_{3}^{\dagger}\)+ \(v_{4}^{\dagger}\)in \(p_{4}^{-}\) \(v_{1}^{\dagger}\)in \(p_{1}^{-}\)
\(v_{2}^{\dagger}\)in \(p_{2}^{\dagger}\)) = - \(\Delta S_{T}\)

atau,

\[1n \frac{p_3^{\frac{13}{3}} p_4^{\frac{14}{4}}}{p_1^{\frac{11}{3}} p_2^{\frac{12}{2}}} = -\frac{\Delta G_T^{\circ}}{R_{mol}T} = 1n K_p \qquad (13)\] di mana

karena untuk gas sempurna perba tekanan parsial unsur terhadap total tidak lain adalah fraksi mo Pers. (13) dapat ditulis dalam be

\[K_{p} = \begin{pmatrix} \frac{x_{3}^{0.3} & x_{4}^{0.4}}{x_{1}^{0.1} & x_{4}^{0.2}} \\ x_{1}^{0.1} & x_{2}^{0.2} \end{pmatrix} p^{0.1+0.2-0.3-0}\]

Kp merupakan sifat termodinamika o untuk reaksi dan suhu tertentu diketahui besarnya. Sehingga perhitungan balik besaran α dapat tukan.

3. Penyusunan Program Komputer

Karena banyaknya unsur yang bat dalam reaksi pembakaran dan proses perhitungan yang sifatnya tif yaitu pada proses perhitungar nyala, maka untuk prediksi karakte pembakaran berbagai jenis batubar CBA telah disusun sebuah program puter berbasis PC. Dengan mema semua sifat termodinamika dipe dalam perhitungan ke dalam progratuk kisaran tingkat keadaan yang, putasi yang lazimnya bersifat dapat dilakukan dengan cepat.

Untuk mengurangi jumlah mem data sifat termodinamika dari unsur yang diperlukan dalam perhi yang lazimnya dinyatakan dalam lit dinyatakan dalam bentuk tabel, di hanakan dalam bentuk persamaan. E jenis basis mol setiap unsur mi dinyatakan dalam bentuk,

\[\hat{h}(T) = a + b + c + c + n(T)\]

harga a, b dan c disesuaikan dengan bagi setiap unsur. Untuk mempe ketelitian yang baik, dalam komp untuk setiap unsur dibuat beberapa samaan setiap kisaran suhu tertentu

pemikian pula untuk, harga tanta kesetimbangan, diterapkan kor berikut, i) = \[\exp\left[\alpha/T + (\beta + \gamma/T) \ln(T) + \delta\right]\] (16)

Beberapa besaran utama yang dapat cerminkan karakteristik pembakaran erti nilai kalor, kalor pembakaran, u nyala maksimum (adiabatik) dan jummol komposisi produk dapat dihitung gan program yang telah disusun.

Secara garis besar diagram alir uk penentuan besaran-besaran nilai or rendah, kalor pembakaran, suhu la maksimum ditunjukkan dalam Gb. 2.

Gb. 2. Diagram-alir komputasi.

Campuran Batubara-air (CBA)

Berbagai bentuk CBA telah diusuln dalam rangka menanggulangi masalah

transportasinya, akan tetapi secara garis besar dapat dikelompokkan dalam dua kategori, yaitu

• a. transportasi CBA dengan proses dehidrasi
• b. transportasi CBA untuk langsung pembakaran

Untuk kedua kategori tersebut berbagai teknik penyiapan CBA telah mulai dikembangkan yang mempunyai konsekwensi pada perancangan sistem pemipaannya. CBA yang disiapkan melalui pencampuran langsung air dan serbuk batubara, menuntut penyaluran dilakukan dengan kecepatan diatas harga kritisnya untuk menghindari pengendapan dalam sistem pemipaan. Teknik lain dalam penyiapan CBA adalah dengan memakai bahan aditif untuk pencegahan pengendapan. Pengembangan CBA butiran kasar dengan terlebih dahulu melakukan pengolahan terhadap batubara sedemikian rupa sehingga air pelarut tak menyerap ke dalam butiran batubara juga mulai mendapat perhatian [8,9].

Sebagaimana karakteristik alirannya, karena komposisi unsur dalam batubara sangat bersifat lokal maka karakteristik pembakaran CBA selain akan sangat dipengaruhi oleh konsentrasi juga akan tergantung dari asal penambangan dari batubara. Dalam Tabel 2 ditunjukkan komposisi unsur dalam batubara Bukit Asam serta perbandingannya dengan bebepa jenis batubara yang telah diketahui komposisinya. Dapat dilihat bahwa batubara Bukit Asam (contoh yang dipakai) lebih mendekati lignit meskipun sedikit lebih baik.

Tabel 2 Komposisi Unsur Dalam Batubara*

basis massa Bukas = Bukit Asam

4. Karakteristik Pembakaran CBA

Dalam Gb. 3 ditunjukkan hasil perhitungan yang diperoleh dari penerapan program komputer untuk variasi harga nilai kalor rendah CWM sebagai fungsi konsentrasi batubara. Dapat dilihat bahwa antara CWM dari batubara bituminus dan antrasit, harga nilai kalor rendah tidak jauh berbeda. Tidak demikian halnya dengan CWM dari contoh batubara Bukit Asam yang kwalitasnya kurang baik. Namun bila dibandingkan dengan batubara jenis lignit masih lebih baik.

Gb. 4 menunjukkan variasi kalor pembakaran, untuk berbagai suhu produk pembakaran (flue gas) untuk beberapa harga konsentrasi dari CWM dengan batubara Bukit Asam dan 125 % udara teoritik. Dapat dilihat bahwa besarnya kalor pembakaran menurun dengan semakin tingginya suhu dan berharga nol pada suhu nyalanya.

Suhu nyala menurun dengan semakin rendahnya konsentrasi batubara. Dalam praktek hanya suhu nyala yang lebih tinggi dari suhu sulut (ignition) saja yang mempunyai arti. Harga suhu sulut perlu ditentukan melalui pengujian dan informasi ini sangat penting untuk

Gb. 3. Nilai kalor rendah CBA.

Gb. 4. Variasi kalor pembakaran konsentrasi dan suhu. menentukan konsentrasi batubara tepat dalam CWM bila hendak di langsung sebagai bahan bakar.

Gb. 5 dan 6 memberikan q kandungan CO, dan NOX yang terbeni pembakaran CWM dengan contoh I yang sama dan perbandingan udara dap bahan bakar yang sama yaitu udara teoretik.

Gb. 5. Kadar CO dalam gas pembaka

6. Kadar NOX dalam gas pembakaran.

esimpulan

Untuk tujuan pembangkit tenaga rik, pemanfaatan batubara sebagai n bakar di mulut tambang dan menyaan listrik hasil pembangkitannya ke umen nampaknya merupakan cara yang aik untuk sebagian besar lokasi. tetapi tidak demikian halnya, bila bara diperlukan untuk proses terseperti dalam produksi semen.

Dari hasil pengkajian, pembakaran bara dalam bentuk CBA telah ditunan dimungkinkan. Dengan demikian, bara dapat diperlakukan sebagaimana ak bumi baik dalam transportasi un pembakaran dengan mengolahnya m bentuk CBA.

Karakteristik pembakaran CBA hasil iksi analisis termodinamika, masih u diteliti kesahihannya dan diperkapi dengan kaji eksperimen.

AR PUSTAKA

Ginanjar Kartasasmita, Energi di Tahun 2000, bahan Penyajian Ceramah HUT - ITB ke 30, 1989.

• Ambiyo Mangunwijaya, Kebijaksanaan Energi, Kursus Singkat Energi, PAU-ITB, Maret, 1990.
• Boustead, I., and G. F. Hancock, Handbook of Industrial Energy Analysis, Ellis Horwood, New York, 1979.
• Suwono, A and Purwasasmita, M., Preparation of Stable Coal Water Mixture, Interim Report, IUC-ES-ITB, 1989.
• Suwono, A., M. Purwasasmita and Sutrisno, Experimental Study on Rheological and Flow Characteristics of Coal Water Mixture, Mesin, vol. 6, 1, 1990.
• Hashimoto, N., Coal Water Slurry Foundamental Characte ristic and Pilot Plant Scale Preparation, World Congress of Chem. Engng, Tokyo, 1986.
• Wasp, J, Edward, Kenny P. John, and Gandhi L. Ramesh, Solid-Liquid Flow Slurry Pipeline Transportation, Gulf Publishing Company, Houston, 1979.
• Benson, R.S., Advanced Engineering Thermodynamics, Pergamon Press, Oxford, 1977.
• Kuo, K.K., Prnciples of Combustion, J. Wiley & Sons, New York, 1976.
• Reynolds, W.C. and Perkins, H.C., Engineering Thermodynamics, McGraw-Hill, New York, 1977.
• Perry, R.H. and Chilton, C.H., Chemical Engineers' Handbook, McGraw-Hill, New York, 1973.
• 12. Adiga, K.C., Pithapurwala, Y.K., Shah, D.O., and Moudgil, Coal Slurries in Mixed Liquid Fuels: Rheology and Ignition Characteristics, Fuel Proc. Tech., 15, 1, 1987.
• 13. Morgan, M.E., Roberts, P.A., Coal Combustion Characteri sation Studies at the International Flame Research Foun- dation, Fuel Proc. Tech., 15, 1, 1987.
• Kurimsky, E., Effect of H/C Ratio on Coal Ignition, Fuel Proc. Tech., 19, 2, 1988.