Teori Proses Pembakaran Bahan Bakar di Calciner - Kiln Industri Semen

Berikut ini akan saya jelaskan mengenai teori proses pembakaran bahan bakar di Calciner-Kiln Industri Semen.

Jika suatu bahan bakar berdasarkan ultimate analysis mengandung komposisi berat masing-masing A% Carbon, B% Hydrogen, C% Nitrogen, D% Sulfur, E% Oxigen, maka bahan bakar tersebut dapat dituliskan rumus kimianya berdasarkan perbandingan molar dari setiap elemennya sebagai C_xH_yN_zS_pO_q dimana x = A/12, y = B/1, z = C/14, p = D/32, q = E/16.  Dari elemen-elemen yang terkandung dalam bahan bakar tersebut, hanya C, H dan S yang apabila terbakar akan menghasilkan panas. Uraian reaksi pembakaran ketiga elemen tersebut adalah sebagai berikut:

 

C          +          O₂        ------>       CO₂     +     8133 kkal/kg

C          +          0,5 O₂  ------>       CO       +     3450 kkal/kg

CO       +          0,5 O₂  ------>       CO₂     +     5683 kkal/kg

H₂        +          0,5 O₂  ------>       H₂O     +     3450 kkal/kg

S          +          O₂        ------>       SO₂      +     2248 kkal/kg

SO₂     +          0,5 O₂  ------>       SO₃      +      2200 kkal/kg

Oksigen yang dibutuhkan dalam proses pembakaran diambil dari udara, baik udara primer (yang ikut bersama-sama dengan mengalirnya bahan bakar ke ruang bakar) dan udara sekunder (diambil dari udara pendinginan klinker di cooler). Kebutuhan oksigen minimal agar seluruh bahan bakar dapat bereaksi secara sempurna dapat dievaluasi berdasarkan reaksi di atas. Karena dari bahan bakar sendiri telah memiliki oksigen, dalam perhitungan biasanya diasumsikan bahwa oksigen yang terkandung dalam bahan bakar ini selalu bereaksi denganunsur lain yang membutuhkannya, baru kekurangannya diambil dari udara primer dan sekunder. Karena udara di atmosfer mengandung 23% Oksigen dalam berat dan sekitar 77% Nitrogen (perbandingan massa) maka dapat dihitung perbandingan mol-nya sebagai berikut:

            Untuk 100 kg udara terdiri dari 23,3 kg O₂ dan 76,7 kg N₂. Apabila berat molekul oksigen adalah 32kg/kmol dan untuk nitrogen adalah 28 kg/kmol, maka dalam 100 kg udara tersebut terdapat 23,3/32 kmol O₂ = 0,7281 kmol O₂ dan 76,7/28 kmol N₂ = 2,7393 kmol N₂. Jadi perbandingan molar antara oksigen dan nitrogen dalam 100 kg udara adalah = 0,7281 : 2,7393 atau 1 : 3,762. Oleh sebab itu untuk selanjutnya setiap kmol udara ditulis sebagai berikut  (1 O₂ + 3,762 N₂).

Perhitungan kebutuhan udara minimal untuk proses pembakaran bahan bakar secara sempurna yang diambil dari udara primer dan sekunder dapat dihitung dari reaksi kimia berikut:

C_xH_yN_zS_pO_q + (a) (O₂ + 3,762 N₂)  Þ   xCO₂ + y/2 H₂O + p SO₂ + (3,762 a + z/2) N₂    (1)

dimana a = (x + y/4 + p – q/2) adalah mol udara yang dibutuhkan dan komposisi gas hasil pembakarannya terdiri dari CO₂, H₂O, SO₂ dan N₂.

Contoh perhitungan kebutuhan udara minimal untuk pembakaran adalah sebagai berikut:

Misalkan suatu batubara berdasarkan ultimate analysis mengandung unsur-unsur sebagai berikut:

            Karbon            C         = 61,4%          

            Hidrogen         H         = 5,24%

            Belerang          S          = 2,46%

            Nitrogen          N         = 1,73%

            Oksigen           O         = 19,09%

            Abu/ash                       = 9,74%

            Moisture                      = 9,0 %

            Volatile matter             = 32,49%

Untuk setiap 100 kg batubara akan mengandung  :

            x          = 61,4/12         = 5,1167

            y          =                         5,24

            p          = 2,46/32         = 0,076875

            z          = 1,73/28         = 0,06178

            q          =  19,06/16      = 1,19125

Jadi rumus kimia umum dari batu bara tersebut adalah C_5,1167 H_5,24 S_0,07685 N_0,06178 O_1,19125. Sedangkan kebutuhan udara minimal untuk pembakaran sempurna batubara tersebut setiap 100 kg nya adalah sebesar a = (x + y/4 + p – q/2) kmol = (5,1167 + 5,24/4 + 0,076875 –1,19125/2) kmol = 5,90795 kmol atau 0,0590795 kmol udara/kg batubara atau sama dengan [(0,0590795)x(32 + 3,762x28)] kg udara/kg batubara = 8,114 kg udara/kg batubara.

Pada kenyataannya, karena mekanisme pembakaran membutuhkan waktu dan kemungkinan bertemunya oksigen dengan bahan bakar juga merupakan hal yang pentingdalam proses pembakaran, maka kebutuhan udara dalam pembakaran riil biasanya dilebihkan untuk menjamin kesempurnaan reaksi pembakaran. Untuk itu diberikan kelebihan udara. Namun perlu diingat bahwa pembakaran di kiln membutuhkan temperatur yang cukup tinggi sehingga kelebihan udara dibatasi tidak terlalu besar agar dicapai temperatur hasil pembakaran yang cukup tinggi. Bila kelebihan udara dimisalkan sebesar b mol udara, maka reaksi pembakaran dapat ditulis sebagai:

C_xH_yN_zS_pO_q + (a+b) (O₂ + 3,762 N₂)   Þ    xCO₂ + y/2 H₂O + p SO₂ + (3,762 a + z/2) N₂

                                                                     + b O₂ + 3,762 b N₂                                                         (2)

dimana a (O₂ + 3,762 N₂) = mol udara untuk memenuhi reaksi stokiometri, b (O₂ + 3,762 N₂) = mol udara berlebih (excess air), x = A/12, y = B/1, z = C/14, p = D/32, q = E/16, dan a = (x + y/4 + p – q/2).

            Dalam hal ada kelebihan udara, komposisi gas hasil pembakaran berubah menjadi CO₂, H₂O, SO₂ , N₂, dan O₂. Dengan adanya oksigen dalam kandungan gas hasil pembakaran, apabila prosentase molar dari oksigen tersebut dapat diukur dengan gas analyzer yang dipasang di tempat-tempat tertentu, maka prosentase kelebihan udara dapat dievaluasi. Dengan mengetahui prosentase kelebihan udara ini kita dapat memperkirakan apakah pembakaran kita kelebihan atau kekurangan udara. Prosentase kelebihan udara tersebut dapat diperkirakan dengan cara berikut:

Jumlah mol gas hasil pembakaran dari persamaan reaksi di atas adalah :

x + y/2 + p + (3,762 a + z/2) + 4,762 b

Jika diasumsikan jumlah mol CO₂ yang diperoleh dari reaksi kalsinasi CaCO₃ adalah c mol, maka jumlah mol total gas adalah :

            x + y/2 + p + (3,762 a + z/2) + 4,762 b + c

Dengan demikian untuk suatu hasil analisis Orsat gas buang, pengukuran kadar oksigen dalam gas buang sebesar [ % O₂], mempunyai arti matematis sebagai :

[%O₂] = b / [x + y/2 + p + (3,762 a + z/2) + 4,762 b + c]                                                        (3)

sehingga mol udara berlebih b dapat dihitung sebagai berikut :                                                                                 

b = {x + + p + (3,76 a +) +  c}[ % O₂]/{100 – 4,76 [%O₂]}                                           (4)

Selanjutnya persentase excess air dapat dihitung sebagai berikut :

                        [% excess air] = b/a x 100 %                                                                                        (5)

Di dalam pabrik semen kerap kali konfigurasi pabrik berbeda antara satu dengan lainnya. Konfigurasi lama dengan hanya mengandalkan satu string suspension preheater tentu berbeda dengan konfigurasi baru dengan dua string suspension preheater dan calciner, karena proses pembakarannyapun berbeda. Dengan demikian kadang kita bertanya berapa kebutuhan udara pembakaran yang baik untuk calsiner dan berapa untuk kiln?  Untuk dapat menjawab pertanyaan tersebut diperlukan analisis berikut:

Dalam teori proses pembakaran bahan bakar di Calciner-Kiln, udara yang dibutuhkan untuk pembakaran diklasifikasikan menjadi dua macam, yaitu udara pembakaran teoritik dan udara pembakaran aktual. Udara pembakaran teoritik didefinisikan sebagai udara minimum yang dibutuhkan untuk pembakaran bahan bakar secara sempurna. Untuk menghitung kebutuhan udara teoritik di kiln (Lmink) dan di Calciner atau PC duct (Lmind), harus dihitung terlebih dulu besarnya oksigen minimum pembakaran di masing-masing tempat pembakaran tersebut. Berikut ini akan diberikan contoh perhitungan kelebihan udara pembakaran di masing-masing tempat terjadinya proses pembakaran dengan asumsi bahan bakarnya terdiri dari dua jenis yaitu batubara dan IDOatauHFO yang biasa kita jumpai di pabrik semen. Oksigen minimum untuk membakar satu kilogram bahan bakar yang terdiri dari coal dan IDO, Omincoal dan Ominido  dalam satuan (Nm³/kg bahan bakar) dirumuskan :

 

    Omincoal = ((22.4 / 12) * C + (22.4 / 4) * H + (22.4 / 32) * S

                       - (22.4 / 32) * O) / 100                                                                                       (6)

               Ominido = ((22.4 / 12) * C1 + (22.4 / 4) * H1 + (22.4 / 32) * S1

                                 - (22.4 / 32) * O1) / 100                                                                                       (7)                                                                                                          

Oksigen minimum yang diperlukan di kiln (Omink) dan Calciner atau PC duct (Omind) masing - masing adalah :

Omink = Omincoal * Mbbkiln + Ominido * Moilk                                                             (8)

Omind = Omincoal * Mbbduct + Ominido * Moild                                                            (9)

Dimana bila Mbbkiln dan Moilk merupakan laju batubara dan minyak yang dibakar di kiln untuk setiap kg klinker yang dihasilkan, maka satuan Omink dan Omind adalah  (Nm³/kg klinker).  Dengan demikian, udara minimum yang diperlukan di kiln dan PC duct adalah :

     Lmink = 4.762 * Omink   (Nm³/kg klinker)                                                                       (10)

     Lmind = 4.762 * Omind  (Nm³/kg klinker)                                                                        (11)

Udara pembakaran aktual didefinisikan sebagai jumlah udara hasil pengukuran pada masukan di main burner (Mudprikiln) dan di PC duct burner (Mudpriduct).

Demikianlah penjelasan detail mengenai teori proses pembakaran bahan bakar di calciner - Kiln Industri Semen, semoga bermanfaat bagi para pembaca yang berkunjung di blog saya.

Salam Sukses...........