ANALISIS PROSES PEMBAKARAN BAHAN BAKAR GAS ALAM(NATURAL GAS)

Gas alam (Natural gas) tersusun oleh komponen utama gas metana (CH₄). Selain gas metana terkadang pada gas alam juga ditemui gas etana, propana, butana, karbonmonoksida, nitrogen, helium, dan hidrogen sulfida dalam jumlah kecil. Bahan bakar gas alam memiliki beberapa kelebihan jika dibanding jenis bahan bakar padat dan cair, yaitu :

1. Tersedia dalam jumlah yang sangat besar di dalam perut bumi.
   
2. Transportasi gas alam lebih mudah karena bisa melalui pipa-pipa gas bawah tanah.
   
3. Menghasilkan pembakaran yang bersih, tidak menghasilkan hasil pembakaran yang membahayakan bagi lingkungan, tidak menghasilkan abu.
   
4. Dapat digunakan pada ruang bakar yang sederhana.
   
5. Harga bahan bakar gas lebih murah dibanding bahan bakar cair.
   

Pada contoh analisis proses pembakaran bahan bakar gas ini akan digunakan gas alam lapangan Ohio Amerika Serikat yang memiliki komposisi sebagai berikut (% volume) :

Hidrogen H₂ = 1,82

Metana CH₄ = 93,33

Etilena C₂H₄ = 0,25

Karbonmonoksida CO    = 0,45

Karbondioksida CO₂ = 0,22

Nitrogen N₂ = 3,40

Oksigen O₂ = 0,35

Hidrogen sulfida H₂S        = 0,18

Sifat-sifat penting yang akan kita hitung pada analisis ini adalah nilai kalor bahan bakar, jumlah kebutuhan udara untuk pembakaran, jumlah gas asap hasil pembakaran, komposisi gas asap, dan temperatur nyala api.

Analisis proses pembakaran

Berdasarkan komposisi gas alam dapat diketahui bahwa di dalam gas alam tersebut mengandung beberapa komponen yang mudah terbakar yaitu CH₄, C₂H₄, H₂, CO, dan H₂S_.

Reaksi pembakaran pada gas metana adalah

CH₄ + 2O₂ CO₂ +     2H₂O + 37.705,49 kJ/m³

Dengan prosentase 93,33% volume gas metana, maka kalor yang dihasilkan dari pembakaran 1 m³ gas metana adalah

37.705,49 x 0,9333 = 35.190,53 kJ

Reaksi pembakaran pada gas etilena adalah

C₂H₄ + 3O₂ 2CO₂ + 2H₂O + 59.948,74 kJ/m³

Dengan prosentase 0,25% volume gas etilena, maka kalor yang dihasilkan dari pembakaran 1 m³ gas etilena adalah

59.948,74 x 0,0025 = 149,87 kJ

Reaksi pembakaran pada gas hidrogen adalah

H₂ + 0,5 O₂ H₂O + 12.079,17 kJ/m³

Dengan prosentase 1,82% volume gas hidrogen, maka kalor yang dihasilkan dari pembakaran 1 m³ gas hidrogen adalah

12.079,17 x 0,0182 = 219,84 kJ

Reaksi pembakaran pada gas karbonmonoksida adalah

CO     + 0,5 O₂ CO₂ + 11.945,04 kJ/m³

Dengan prosentase 0,45% volume gas karbonmonoksida, maka kalor yang dihasilkan dari pembakaran 1 m³ gas karbonmonoksida adalah

11.945,04 x 0,0045 = 53,75 kJ

Reaksi pembakaran pada gas H₂S adalah

H₂S     + 1,5 O₂ SO₂ + H₂O + 23.957,14 kJ/m³

Dengan prosentase 0,18% volume gas H₂S, maka kalor yang dihasilkan dari pembakaran 1 m³ gas H₂S adalah

23.957,14 x 0,0018 = 43,12 kJ

Nilai Kalor total yang dihasilkan dari 1 m³ gas alam adalah

Q^h = 35.190,53 + 149,87 + 219,84 + 53,75 + 43,12 = 35.657,11 kJ/m³

Dari reaksi pembakaran metana memperlihatkan bahwa 1 m³ metana membutuhkan 2 m³ oksigen, sehingga 0,9333 m³metana akan membutuhkan :

2 x 0,9333 = 1,87 m³ O₂

Dari reaksi pembakaran etilena memperlihatkan bahwa 1 m³ etilena membutuhkan 3 m³ oksigen, sehingga 0,0025 m³ etilena akan membutuhkan :

3 x 0,0025 = 0,0075 m³ O₂

Dari reaksi pembakaran hidrogen memperlihatkan bahwa 1 m³ hidrogen membutuhkan 0,5 m³ oksigen, sehingga 0,0182 m³ hidrogen akan membutuhkan :

0,5 x 0,0182 = 0,0091 m³ O₂

Dari reaksi pembakaran karbonmonoksida memperlihatkan bahwa 1 m³ karbonmonoksida membutuhkan 0,5 m³ oksigen, sehingga 0,0045 m³ karbonmonoksida akan membutuhkan :

0,5 x 0,0045 = 0,00225 m³ O₂

Dari reaksi pembakaran H₂S memperlihatkan bahwa 1 m³ H₂S membutuhkan 1,5 m³ oksigen, sehingga 0,0018 m³ H₂S akan membutuhkan :

1,5 x 0,0018 = 0,0027 m³ O₂

Karena di dalam gas alam sudah terdapat kandungan oksigen sebanyak 0,35% volume sehingga kebutuhan total oksigen adalah

1,87 + 0,0075 + 0,0091 + 0,00225 + 0,0027 – 0,0035 = 1,88 m³

Karena udara dimana oksigen berasal mengandung nitrogen dengan perbandingan volume N₂ : O₂ = 3,762 : 1, maka terdapat nitrogen dengan jumlah teoritis:

1,88 x 3,762 = 7,09 m³

Jumlah udara teoritis yang diperlukan untuk pembakaran adalah

1,88 + 7,09 = 8,97 m³/m³ gas.

Pada reaksi pembakaran, 1 m³ metana menghasilkan 1 m³ CO₂ dan 2 m³ H₂O sehingga 0,9333 m³ metana akan menghasilkan :

0,9333 m³ CO₂

2 x 0,9333 = 1,8666 m³ H₂O

Pada reaksi pembakaran, 1 m³ etilena menghasilkan 2 m³ CO₂ dan 2 m³ H₂O sehingga 0,0025 m³ etilena akan menghasilkan :

2 x 0,0025 = 0,0050 m³ CO₂

2 x 0,0025 = 0,0050 m³ H₂O

Pada reaksi pembakaran, 1 m³ hidrogen menghasilkan 1 m³ H₂O sehingga 0,0182 m³ hidrogen akan menghasilkan :

0,0182 m³ H₂O

Pada reaksi pembakaran, 1 m³ karbonmonoksida menghasilkan 1 m³ CO₂ sehingga 0,0045 m³ karbonmonoksida akan menghasilkan :

0,0045 m³ CO₂

Pada reaksi pembakaran, 1 m³ H₂S menghasilkan 1 m³ SO₂ dan 1 m³ H₂O sehingga 0,0018 m³ H₂S akan menghasilkan :

0,0018 m³ SO₂

0,0018 m³ H₂O

Gas hasil pembakaran total adalah

0,9333 + 0,0050 +0,0045 = 0,9428 m³ CO₂

1,8666 + 0,0050 + 0,0182 + 0,0018 = 1,8916 m³ H₂O

0,0018 m³ SO₂

Karena di dalam gas alam sudah mengandung 0,0022 m³ CO₂ dan 0,034 m³ N₂, maka hasil pembakaran akan terdiri dari :

0,9428 + 0,0022 = 0,945 m³ CO₂

1,8916 m³ H₂O

0,0018 m³ SO₂

7,09 + 0,034 = 7,12 m³ N₂

Sehingga jumlah teoritis total gas hasil pembakaran V_cp = 9,96 m³

Prosentase gas hasil pembakaran adalah :

CO₂ = 9,49%

H₂O    = 18,99%

SO₂ = 0,02%

N₂ = 71,51%

Kita asumsikan temperatur api adalah 1800°C. Pada temperatur ini kalor spesifik untuk unsur-unsur penyusun gas hasil pembakaran adalah

CO₂ = 2,4226 kJ/m³
°C

H₂O    = 1,9055 kJ/m³
°C

N₂ = 1,4705 kJ/m³
°C

Karena prosentase SO₂ sangat kecil sehingga dapat diabaikan. Kontribusi kalor spesifik untuk masing-masing gas ditentukan sebagai berikut :

CO₂ = 2,4226 x 9,49%     = 0,2298 kJ/m³
°C

H₂O    = 1,9055 x 18,99%     = 0,3618 kJ/m³
°C

N₂ = 1,4705 x 71,51%     = 1,0515 kJ/m³
°C

Total C_cp = 1,6431 kJ/m³
°C

Temperatur api teoritis dapat dihitung sebagai berikut :

Q^h = V_cp x C_cp x t_c

35.657,11 x 10³ = 9,96 x 1,6431 x 10³
x t_c

t_c = 2178,827 °C

Analisis perhitungan temperatur nyala api di atas adalah perhitungan teoritis dengan mengasumsikan bahwa terjadi pembakaran sempurna. Dalam praktiknya pembakaran yang terjadi adalah pembakaran tidak sempurna sehingga perlu jumlah udara yang berlebih dibanding jumlah udara teoritis yang dikenal dengan istilah excess air. Pada pembakaran tidak sempurna terjadi rugi-rugi bahan bakar dan kalor serta terjadi penurunan temperatur nyala api. Untuk meminimalkan rugi-rugi tersebut maka harus menggunakan excess air. Besar excess air tergantung pada jenis bahan bakar dan jenis pengapian. Untuk jenis bahan bakar gas alam adalah 3 – 10%. Pada perhitungan ini diambil excess air sebesar 10% sehingga menjadi :

Untuk excess air 10% = 8,97 x 0,10 = 0,897 m³

Jumlah kebutuhan udara sesungguhnya untuk pembakaran adalah

8,97 + 0,897 = 9,87 m³/m³ gas.

Karena udara dimana oksigen berasal mengandung nitrogen dengan perbandingan volume N₂ : O₂ = 3,762 : 1, maka terdapat nitrogen dengan jumlah sebenarnya:

9,87 x = 7,09 m³ = 7,799 m³

Hasil pembakaran akan terdiri dari :

0,9428 + 0,0022 = 0,945 m³ CO₂

1,8916 m³ H₂O

0,0018 m³ SO₂

7,799 + 0,034 = 7,833 m³ N₂

Sehingga jumlah sebenarnya total gas hasil pembakaran V_cp = 10,671 m³

Prosentase gas hasil pembakaran adalah :

CO₂ = 8,86%

H₂O    = 17,73%

SO₂ = 0,02%

N₂ = 73,40%

Karena prosentase SO₂ sangat kecil sehingga dapat diabaikan. Kontribusi kalor spesifik untuk masing-masing gas ditentukan sebagai berikut :

CO₂ = 2,4226 x 8,86%     = 0,2145 kJ/m³
°C

H₂O    = 1,9055 x 17,73%     = 0,3378 kJ/m³
°C

N₂ = 1,4705 x 73,40%     = 1,0794 kJ/m³
°C

Total C_cp = 1,6317 kJ/m³
°C

Temperatur api sebenarnya dapat dihitung sebagai berikut :

Q^h = V_cp x C_cp x t_c

35.657,11 x 10³ = 10,671 x 1,6317 x 10³
x t_c

\t_c = 2047,81 °C