Home > Documents > BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Batu Bara (coal · • Industri pemrosesan mineral dan metalurgi ......

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Batu Bara (coal · • Industri pemrosesan mineral dan metalurgi ......

Date post: 09-Apr-2018
Category:
Author: tranthuan
View: 216 times
Download: 4 times
Share this document with a friend
Embed Size (px)
of 28 /28
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Batu Bara (coal) Kata coal itu sendiri berasal dari bahasa arya, namun kata coal dapat didekati juga dari berbagai bahasa seperti Jerman kohle, Swedia kol, Hindi koyla yang berarti karbon. Batu bara berbentuk solid, merupakan campuran mudah terbakar yang terdiri dari senyawa-senyawa organik, hidrokarbon dengan komposisi antara 30wt% sampai 98wt% karbon, sejumlah air, serta sedikit sulfur, nitrogen, dan alkali metal seperti sodium, pottasium dan sebagainya. Gambar 2.1 Batu Bara [ 31] . Batu bara adalah bahan bakar fosil yang terbentuk di ekosistem rawa dimana tumbuhan yang terendam dalam air dan lumpur dari proses oksidasi dan biodegradasi. Batu bara yang telah siap untuk menjadi bahan bakar biasanya berwarna hitam atau hitam kecoklatan. Batu bara merupakan jenis batuan sedimen yang keras. Sebagai contoh, batu bara antrasit yang terbentuk karena metamorfosis batuan sedimen tadi akibat pengaruh temperatur dan tekanan pada waktu yang lama. Batu bara biasanya mengandung karbon sebagai unsur utamanya. Namun terdapat juga unsur lain seperti sulfur, air dan sebagainya. Batu bara sempat tenggelam pamornya akibat isu pemanasan global. Namun demikian makin menipisnya cadangan minyak dan gas dunia membuat batu bara kembali dilirik. 6
Transcript
  • BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

    BAB II

    TINJAUAN PUSTAKA

    2.1 Batu Bara (coal)

    Kata coal itu sendiri berasal dari bahasa arya, namun kata coal dapat

    didekati juga dari berbagai bahasa seperti Jerman kohle, Swedia kol, Hindi koyla

    yang berarti karbon.

    Batu bara berbentuk solid, merupakan campuran mudah terbakar yang

    terdiri dari senyawa-senyawa organik, hidrokarbon dengan komposisi antara

    30wt% sampai 98wt% karbon, sejumlah air, serta sedikit sulfur, nitrogen, dan

    alkali metal seperti sodium, pottasium dan sebagainya.

    Gambar 2.1 Batu Bara[ 31].

    Batu bara adalah bahan bakar fosil yang terbentuk di ekosistem rawa

    dimana tumbuhan yang terendam dalam air dan lumpur dari proses oksidasi dan

    biodegradasi. Batu bara yang telah siap untuk menjadi bahan bakar biasanya

    berwarna hitam atau hitam kecoklatan. Batu bara merupakan jenis batuan sedimen

    yang keras. Sebagai contoh, batu bara antrasit yang terbentuk karena

    metamorfosis batuan sedimen tadi akibat pengaruh temperatur dan tekanan pada

    waktu yang lama. Batu bara biasanya mengandung karbon sebagai unsur

    utamanya. Namun terdapat juga unsur lain seperti sulfur, air dan sebagainya.

    Batu bara sempat tenggelam pamornya akibat isu pemanasan global.

    Namun demikian makin menipisnya cadangan minyak dan gas dunia membuat

    batu bara kembali dilirik.

    6

    http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Coal_anthracite.jpg

  • BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

    2.1.1 Jenis-jenis Batu Bara[31]

    Proses geologi (tekanan dan panas) yang relatif lama dapat merubah

    endapan tumbuhan menjadi :

    Lignit (35-75% air, berwarna coklat dan sangat lunak)

    Sering disebut sebagai batu bara coklat. Lignit merupakan batu bara yang

    memiliki kualitas paling rendah dan bahkan hanya digunakan sebagai

    bahan bakar untuk pembangkit listrik tenaga uap.

    Batu bara Sub-bituminous (kadar karbon rendah, kadar air tinggi)

    Kualitas batu bara ini lebih baik daripada lignit. Penggunaannya juga

    masih terbatas pada pembangkit listrik tenaga uap.

    Batu bara bitominous (68 - 86%C, 8-10%air)

    Batu bara yang padat biasanya berwarna hitam kadang coklat tua. Batu

    bara ini masih banyak digunakan pada pembangkit listrik tenaga uap,

    namun dengan komposisi yan tepat batu bara jenis ini dapat dipakai pada

    aplikasi panas dan tenaga pada industri dan industri pembuatan coke

    Antrasit (86% - 98%C, air kurang dari 8%)

    Merupakan jenis batu bara yang paling baik. Memiliki sifat lebih keras,

    mengkilap dan biasanya dipakai untuk pemanas di perumahan dan

    pemanas-pemanas komersil.

    2.1.2 Batu Bara Sebagai Bahan Bakar

    Batu bara biasanya digunakan sebagai bahan bakar padat untuk

    memproduksi tenaga listrik dan panas melalui proses pembakaran.

    Penggunaan batu bara di dunia sekitar 5,3 milyar ton dan 75 persen dari itu

    digunakan pada pembangkit listrik.

    Ketika batu bara digunakan pada pembangkit listrik, batu bara

    biasanya dihancurkan dan kemudian dibakar dalam ruang bakar yang ada pada

    boiler. Panas yang dihasilkan pada ruang bakar tersebut digunakan untuk

    mengubah air menjadi uap dimana uap tersebut nantinya akan digunakan

    untuk menggerakan turbin sehingga dapat memutar generator listrik. Efisiensi

    termodinamika proses pengubahan energi tersebut terus ditingkatkan. Turbin

    7

  • BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

    uap standar pada umumnya memiliki nilai efisiensi sebesar 35%. Artinya 65%

    energi yang dimiliki batu bara terbuang dari sistem dan hanya 35% energi dari

    batu bara tersebut yang diubah menjadi energi listrik.

    Kemudian dikembangkan Turbin Supercritical dimana temperatur dan

    tekanan sangat tinggi. Dengan penggunaan Turbin Supecritical ini efisiensi

    termodinamika meningkat menjadi 46%. Namun demikian karena tekanan dan

    temperatur kerja yang relatif tinggi memerlukan penanganan yang lebih

    terutama mengenai kualitas uap dari boiler. Karena temperatur dan tekanan

    yang cukup tinggi tersebut maka sudu turbin dan komponen lainnya sangat

    rentan terhadap mulur (creep) dan korosi. Untuk meminimalisir korosi, maka

    dipakai superheated steam dimana kadar airnya sangat sedikit.

    2.1.3 Pembakaran Batu Bara

    Pembakaran batu bara hampir sama seperti proses pembakaran bahan

    bakar fosil lainnya dimana akan menghasilkan gas karbon dioksida (CO2) dan

    nitrogen okside (NOx) serta sejumlah sulfur diokside (SO2) tergantung jenis

    dan asal batu bara tersebut. Sulfur diokside yang dihasilkan dari hasil

    pembakaran tersebut sangat berbahaya karena memegang peranan penting

    terhadap hujan asam yaitu saat sulfur diokside tersebut bereaksi dengan

    oksigen membentuk SO3 yang kemudian akan bereaksi dengan air sehingga

    menghasilkan asam sulfat.

    Tabel 2.1 Komposisi Utama Unsur Penyusun Utama Batu Bara[6]. Komposisi (%berat) NCV Tad Batu bara

    C H O S N Abu H2O MJ/kg C

    Afrika Selatan

    65,93 3,63 7,25 0,61 1,58 13,6 7,4 25,4 2126

    Indonesia 58,7 4,43 8,82 1 1,05 5 21 22,69 2008

    Rusia 70,09 3,70 7,37 0,3 1,23 9,81 7,5 27,2 2160

    Keterangan :

    NCV = Normal Combustion Value

    Tad = Temperatur pembakaran adiabatik

    8

  • BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

    Selain komposisi penyusun diatas terdapat kandungan lain dalam batu

    bara seperti logam alkali, dan logam berat. Adapun reaksi pembakaran batu

    bara secara umum dapat dituliskan sebagai berikut :

    Coal + O2 CO2 + NOx + SO2 + V2O5 + spesi sisa seperti fly ash, slag

    deposite (Na2SO4), bottom ash, dan logam berat Arsenik,

    Pb, Merkuri dsb[27].

    2.2 Boiler dan Prinsip Kerjanya

    Boiler merupakan suatu vessel/bejana tertutup untuk memanaskan air atau

    fluida lainnya dalam tekanan hingga menjadi uap. Uap fluida tersebut kemudian

    disirkulasikan keluar dari boiler dan digunakan untuk berbagai keperluan.

    Konstruksi boiler biasanya terbatas dari bahan tembaga, baja, stainless steel dan

    besi cor.

    Sumber panas yang digunakan untuk memanaskan fluida pada boiler

    berasal dari pembakaran beberapa bahan bakar seperti kayu, batu bara, minyak

    bakar atau gas alam. Terdapat juga boiler jenis lain dimana panas yang didapatkan

    berasal dari resistansi elemen pemanas. Reaksi fisi nuklir juga dapat digunakan

    untuk menghasilkan panas untuk memanaskan fluida sehingga menjadi uap.

    Boiler dapat dikategorikan menjadi :

    Boiler pipa api

    Boiler tipe ini, sumber panas terletak di dalam pipa dan air yang

    dipanaskan berada diluar pipa.

    Boiler pipa air

    Boiler tipe ini, sumber panas berada di luar pipa sedangkan air yag

    dipanaskan berada di dalam pipa.

    Primitif boiler

    Boiler yang tidak efektif karena tidak ada pipa-pipa di dalamnya dan

    api pemanas hanya terletak pada salah satu sisi kontainer air.

    Pada prinsipnya mengapa dibuat pipa-pipa pada boiler-boiler saat ini

    adalah bertujuan untuk seefektif mungkin untuk menyalurkan panas dari sumber

    panas ke air.

    9

  • BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

    2.2.1 Boiler Pipa Api[30]

    Boiler pipa api merupakan salah satu tipe boiler dimana udara panas

    dari api memanaskan satu atau lebih pipa yang berisi air pada boiler yang

    bersangkutan. Boiler jenis ini merupakan satu diantara dua tipe utama boiler

    yang ada. Sedangkan jenis boiler yang lain adalah Boiler pipa air. Boiler pipa

    api dapat berupa boiler vertikal maupon horizontal. Boiler jenis ini juga sering

    disebut dengan smoke tube boiler atau shell boiler.

    2.2.1.a Jenis-jenis boiler pipa api Cornish Boiler, boiler dengan container flue pembakaran tunggal

    Gambar 2.2 Skema Cornish Boiler[29].

    Lancashire Boiler, Boiler dengan container flue pembakaran ganda

    Gambar 2.3 Skema Lancashire Boiler[29].

    10

  • BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

    Locomotive Boiler, boiler yang memiliki pipa-pipa api dalam jumlah

    yang banyak.

    Gambar 2.4 Skema Locomotive Boiler[30].

    2.2.2 Boiler Pipa Air[30]

    Boiler jenis ini merupakan boiler yang mensirkulasikan air dalam pipa

    yang dipanaskan dari luar dengan nyala api. Boiler pipa air biasanya

    beroperasi pada tekanan tinggi tidak seperti boiler pipa api yang biasanya

    beroperasi pada tekanan yang relatif rendah. Bahan bakar boiler jenis ini

    dibakar di dalam suatu tungku, sehingga menghasilkan panas gas panas

    dimana akan memanaskan air yang berada di dalam pipa.

    Air yang telah dipanaskan kemudian masuk ke dalam steam drum.

    Saturated steam kemudian akan tertarik ke bagian atas drum. Pada beberapa

    penggunaan, uap yang berada pada steam drum ini akan dialirkan ke

    superheater sehingga steam tersebut menjadi superheat. Superheated steam ini

    biasanya digunakan pada turbin uap. Penggunaan superheated steam pada

    turbin bertujuan untuk menghindari kerusakan pada sudu turbin karena korosi.

    Dengan menggunakan superheated steam hingga 390oC atau lebih air dalam

    uap tersebut benar-benar diminimalisir atau bahkan dihilangkan.

    11

  • BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

    Gambar 2.5 Skema Water Tube Boiler[30].

    Air yang masih relatif dingin yang berada di steam drum akan masuk

    kembali ke feedwater drum melalui pipa downcomer, dimana hal tersebut akan

    membantu suplai air yang akan dipanaskan kembali. Pada beberapa jenis boiler

    pipa air, biasanya air yang akan dipanaskan di water tube di-preheat terlebih

    dahulu. Hal ini digunakan untuk meningkatkan aspek ekonomis boiler.

    Jenis-jenis Boiler pipa air

    (a) (c)

    (b)

    Gambar 2.6 Skema Boiler Pipa Air (a) Tipe O, (b) Tipe D, (c) Tipe A[26].

    12

  • BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

    Babcock & Wilcox boiler

    Gambar 2.7 Skema Boiler Babcock & Wilcox[25].

    Boiler Pipa Air yang Lain

    (a) (c) (b)

    Gambar 2.8 Boiler Pipa Air (a) Thornycroft, (b) Stirling, (c) Yarrow[28].

    2.3 Oksidasi dan Korosi pada Temperatur Tinggi[15]

    Korosi temperatur tinggi memegang peranan penting dalam pemilihan

    material pada dunia industri terutama industri yang berkaitan dengan temperatur

    tinggi seperti aplikasi turbin gas. Modus-modus korosi temperatur tinggi yang bisa

    terjadi antara lain :

    Oksidasi

    Karburasi dan metal dusting

    Nitridasi

    Korosi halogen

    13

  • BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

    Sulfidasi

    Ash/salt deposit corrosion

    Molten salt corrosion

    Molten metal corrosion

    Sedangkan industri yang selalu bersinggungan dengan masalah korosi temperatur

    tinggi diantaranya :

    Industri pesawat terbang dan turbin gas

    Industri heat treatment (perlakuan panas)

    Industri pemrosesan mineral dan metalurgi

    Industri kimia

    Industri pemurnian dan pemrosesan minyak

    Industri manufaktur keramik, elektrolit, dan gelas

    Industri otomotif

    Industri pulp dan kertas

    Incenerator

    Pembangkit listrik

    Industri batubara

    Industri nuklir

    Oksidasi merupakan reaksi utama yang ada pada korosi temperatur tinggi.

    Pada kebanyakan industri, oksidasi sering memegang peranan penting dalam

    korosi temperatur tinggi. Meskipun demikian, pada sebagian paduan reaksi

    oksidasi sering dimanfaatkan untuk membentuk lapisan oksida protektif untuk

    menahan serangan korosi sperti sulfidasi, karburisasi, dan korosi deposit

    abu/garam.

    Oksidasi logam atau paduannya terjadi ketika material tersebut dipanaskan

    pada temperatur yang cukup tinggi pada atmosfer seperti udara atau oksigen.

    Reaksi oksidasi direpresentasikan sebagai interaksi antara logam dengan oksigen

    membentuk senyawa oksida logam. Terdapat beberapa faktor yang mempengaruhi

    sifat oksidasi suatu metal dan mekanisme reaksi yang terlibat dimana bisa sangat

    komplek. Reaksi oksidasi dimulai dengan diabsorbsinya molekul oksigen dari

    14

  • BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

    atmosfer, pengintian oksida, kemudian pembentukan lapisan oksida tipis, yang

    diikuti dengan pertumbuhan lapisan oksida tersebut.

    Untuk menekan korosi temperatur tinggi lingkungan biasanya dijaga,

    seperti aktivitas oksigen baik dalam atmosfer oksidasi maupun atmosfer reduksi.

    atmosfer oksidasi merupakan lingkungan yang banyak mengandung molekul

    oksigen (O2), seperti pada udara atau atmosfer pembakaran dengan kelebihan

    oksige bebas. Aktivitas oksigen pada kasus ini sangat tinggi dan dikontrol oleh

    konsentrasi molekular oksigen yang bersangkutan. Atmosfer reduksi secara umum

    dihasilkan dari pembakaran kondisi under stochiometric atau substochiometric

    dengan tidak ada kelebihan oksigen. Aktivitas oksigen pada kasus ini sangat

    rendah dan dikontrol oleh CO/CO2 atau H2/H2O. Atmosfer reduksi secara umum

    lebih korosif untuk beberapa modus korosi seperti sulfidasi, karburisasi, nitridasi,

    dan korosi deposit abu/garam.

    Ketika suatu lingkungan memiliki aktivitas sulfur yang tinggi (sulfur

    potensial tinggi), korosi akan didominasi oleh reaksi sulfidasi. Reaksi juga akan

    dipengaruhi oleh aktivitas oksigen. Aktivitas oksigen yang rendah akan

    menyebabkan sulfidasi lebih mudah terjadi. Sedangkan aktivitas oksigen yang

    tinggi akan mengurangi tingkat kemudahan terjadinya sulfidasi ini. Dalam hal ini

    reaksi yang mendominasi bukan sulfidasi lagi melainkan oksidasi. Dengan

    demikian, bisa dikatakan bahwa sulfidasi dikontrol oleh aktivitas oksigen dan

    sulfur.

    Karburasi memiliki kesamaan dengan sulfidasi. Dalam hal ini, reaksi

    dikontrol oleh aktivitas karbon dan oksigen. Aktivitas oksigen yang lebih rendah

    akan memudahkan reaksi karburisasi dan sebaliknya jika aktivitas oksigen tinggi.

    Sedangkan pada nitridasi hampir sama juga namun nitridasi akan lebih parah

    apabila lingkungannya reduktif.

    Pada korosi halogen, aktivitas oksigen memberi efek yang berbeda.

    Sebagai contoh korosi temperatur tinggi pada lingkungan yang mengandung ion

    chlorine dimana secara umum akan mendorong terbentuknya senyawa metal

    klorida yang mudah menguap. Lingkungan oksidasi menyebabkan beberapa

    paduan yang memiliki kadar Mo dan W akan memiliki laju korosi yang tinggi.

    15

  • BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

    Hal tersebut kemungkinan disebabkan oleh terbentuknya oxychloride yang sangat

    volatile. Secara umum reaksinya diatur oleh aktivitas halogen dan oksigen.

    Lingkungan industri biasanya mengandung beberapa kontaminan yang

    sangat korosif yang berbentuk deposit abu/garam pada permukaan logam pada

    saat di-ekspose pada temperatur tinggi. Deposit abu/garam ini dapat menyebabkan

    terjadinya korosi temperatur tinggi. Korosi temperatur tinggi pada komponen

    turbin uap merupakan contoh yang bagus. Sulfur dari bahan bakar dan NaCl dari

    udara sekitar dapat bereaksi selama pembakaran dan membentuk Na2SO4. Uap

    Na2SO4 akan terdeposit pada permukaan logam sehingga akan meningkatkan laju

    korosi. Pada pembangkit listrik hasil pembakaran bahan bakar fosil, deposit garam

    sangat biasa ditemukan karena sulfur dan vanadium pada bahan bakar fosil

    (biasanya pada low grade fuel) serta alkali metal, chlorine, dan sulfur pada batu

    bara. Peningkatan laju korosi akibat ash/salt deposit pada kasus ini sering disebut

    fuel ash corrosion. Baik korosi temperatur tinggi dan fuel ash corrosion secara

    umum disebabkan karena liquid salt deposit yang akan menghancurkan lapisan

    pelindung yang ada pada permukaan logam. Bahkan kasus yang ditemukan pada

    waste incinerator ash/salt deposite yang dihasilkan sangat kompleks dimana

    kandungan sulfur, sodium, potassium, chlorine, zinc, lead, phosphorus dan elemen

    lain yang sangat bervariasi.

    Pada permukaan logam juga dapat terdeposit senyawa dengan melting

    point yang rendah pada saat di-ekspose pada temperatur tinggi. Senyawa yang

    sangat banyak ditemukan pada beberapa kasus adalah V2O5, MoO3, dan senyawa

    Ni-P. Senyawa-senyawa tersebut pada saat dalam bentuk liquid akan

    menghancurkan lapisan oksida pelindung yang ada pada permukaan logam

    sehingga akan mempercepat laju korosi. Ketika V2O5 atau MoO3 terlibat dalam

    korosi temperatur tinggi, fenomena tersebut sering dikenal dengan nama

    cathastrophic oxidation. Apabila lingkungan mengandung phosphorous, dan

    paduan nikel yang tinggi maka akan terbentuk senyawa Ni-P eutektik yang

    memiliki temperatur leleh yang rendah. Senyawa Ni-P ini akan menghancurkan

    lapisan oksida pelindung yang ada pada permukaan metal.

    16

  • BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

    Modus korosi temperatur tingggi yang tak kalah penting adalah Korosi

    Garam Cair dan Korosi Logam Cair. Aktivitas oksigen masih memegang peranan

    yang sangat penting pada dua modus korosi tersebut.

    Sedangkan gambaran penyebab beberapa modus korosi temperatur tinggi

    diatas digambarkan pada Gambar 2.9

    Gambar 2.9 Bagan Korosi Temperatur Tinggi[15].

    17

  • BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

    2.3.1 Prinsip Korosi Temperatur Tinggi

    Syarat terjadinya korosi temperatur tinggi sama seperti korosi yang

    terjadi pada temperatur kamar. Adanya beda potensial akibat adanya anoda dan

    katoda, konduktor sebagai media transport elektron, serta elektrolit sebagi

    tempat bereaksinya ion-ion yang berperan dalam korosi yang bersangkutan.

    Hal utama yang membedakan Korosi Temperatur Tinggi dengan korosi pada

    temperature kamar adalah tidak adanya fluida yang dapat bertindak sebagai

    elektrolit. Pada korosi temperatur tinggi lapisan oksida atau scale memegang

    peranan yang penting karena bertindak baik sebagai konduktor maupun

    elektrolit. Adapun skema perbandingan korosi pada temperatur tinggi dengan

    korosi pada temperatur kamar adalah sebagai berikut :

    Gambar 2.10 Skema Perbandingan Korosi pada Temperatur Tinggi dengan Korosi Basah pada Temperatur Kamar[5].

    Adapun mekanisme aliran ion maupun elektron melalui oksida maupun

    scale tersebut sangat ditentukan oleh jenis oksida yang dihasilkan oleh metal

    yang bersangkutan. Terdapat tiga jenis oksida pada metal yaitu oksida tipe n

    dengan interstitial cation, tipe n dengan anion vacancy, dan tipe p dengan

    kation vacancy. Mekanisme perpindahannya dapat dilihat pada Gambar 2.11

    18

  • BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

    Gambar 2.11 Skema Proses Korosi Temperatur Tinggi yang Terjadi pada Jenis-Jenis Oksida Logam[13].

    2.3.2 Tinjauan Termodinamika[23]

    Hukum kedua termodinamika memperkirakan apakah suatu reaksi

    dapat berjalan. Karena kebanyakan reaksi terjadi pada kondisi temperatur dan

    19

  • BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

    tekanan yang konstan, hukum kedua termodinamika dapat dituliskan dalam

    energi bebas Gibbs (G)

    STHG = .(2.1)

    Dimana H adalah perubahan entalpi dan S merupakan perubahan entropi

    sistem. Dimana apabila :

    G < 0 reaksi berjalan secara spontan

    G = 0 reaksi berada pada kesetimbangan

    G > 0 secara termodinamika reaksi tidak mungkin terjadi

    Untuk reaksi kimia seperti :

    aA + bB = cC + dD............ (2.2)

    G dirumuskan sebagai berikut :

    G = Go + RT ln [( ac C x adD ) / ( aaA x abB) ]...........................(2.3)

    Dimana Gomerupakan perubahan energi bebas ketika semua spesi berada

    pada keadaan standar; aA, aB, aC and aD adalah aktivitas dari elemen A, B, C dan D. Reaksi oksidasi antara logam (M) dengan gas oksigen (O2) dapat

    dituliskan sebagai berikut :

    M(s) + O2(g) = MO2(s).............................................................................................................(2.4) Secara termodinamika, oksida akan terbentuk pada permukaan logam

    ketika oksigen potensial tinggi. Energi bebas standar reaksi oksidasi pada

    persamaan (2.4) adalah :

    Go = -RT ln [ aMO2 / aM .PO2 ] ........................................................(2.5)

    Dimana aMO2 dan aM merupakan aktifitas oksida dan logam, PO2 adalah

    tekanan parsial gas oksigen. Diasumsikan unit aktivitas untuk solid adalah

    konstan. Persamaan (3.5) menjadi :

    Go = RT ln ( pO2 )...........................................................................(2.6)

    Atau

    PO2 = exp (GoRT )........................................................................(2.7)

    Persamaan (2.7) menunjukan hubungan kesetimbangan antara tekanan

    parsial oksigen dalam kesetimbangan dengan energi bebas standar

    pembentukan dari oksida. Standar plot energi bebas standar untuk

    20

  • BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

    pembentukan oksida sebagai fungsi temperatur terdapat di dalam diagram

    Ellingham/Richardson seperti yang ditunjukan pada Gambar 2.12

    Diagram tersebut menunjukan :

    1. Energi bebas untuk kebanyakan logam menunjukan hubungan linear

    terhadap temperatur dengan gradient positif. Hal ini menyebabkan hampir

    semua reaksi oksidasi diikuti dengan penurunan entropi.

    2. Perubahan gradien garis pada suatu titik mengindikasikan perubahan fasa

    pada logam. Hal tersebut bisa melting, boiling, atau perubahan struktur.

    3. Sebagian besar oksida yang stabil memiliki nilai negatif Go yang besar.

    Hal ini direpresentasikan dengan letak yang lebih rendah dalam diagram

    tersebut.

    4. Penentuan nilai oksigen potensial.

    Salah satu aplikasi paling penting dari diagram Ellingham adalah

    penentuan tekanan disosiasi kesetimbangan oksida pada berbagai

    temperatur. Perubahan energi bebas reaksi dalam hal tekanan parsial gas

    dituliskan sebagai berikut :

    ) G = Go + RT ln ( PO2 ) ............................................................(2.8)

    Dimana secara numerikal sama dengan pengurangan energi bebas 1 mol

    oksigen ketika tekanan parsialnya turun dari 1 atm ke PO2 pada temperatur

    T. Tekanan Parsial oksigen dapat dibaca dengan menarik garis lurus dari

    titik O pada bagian kiri pada sumbu energi bebas oksida ke temperatur

    yang diinginkan.

    d8

    21

  • BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

    Gambar 2.12 Energi Bebas Standar Pembentukan Beberapa Oksida sebagai Fungsi Temperatur[23].

    II.3.2 Pembentukan Lapisan Pelindung (Protective Scale)

    Pengembangan ketahanan oksidasi dalam paduan logam berdasar pada

    penambahan elemen, seperti chromium, alumunium atau silicon dimana

    elemen pemadu tersebut akan menghasilkan oksida lapisan pelindung di

    permukaan logam tersebut. Gambar 2.13 menunjukan efek penambahan unsur

    chromium dalam Fe-Cr alloy dalam hal kecepatan oksidasi, dan struktur

    oksida yang terbentuk berdasar oksidasi isotermal pada temperatur 1000oC.

    22

  • BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

    Oleh karena itu, mekanisme perubahan oksida protective layer menjadi non-

    protective layer atau sebaliknya sangatlah penting.

    Gambar 2.13 Skema yang Menunjukan Efek Penambahan Chromium pada Paduan Fe- Cr Terhadap Kecepatan Oksidasi dan Struktur Lapisan Oksida yang Terbentuk Berdasarkan Oksidasi Isothermal pada 1000oC[23].

    Pembentukan protective scale dari selektif oksidasi solute B menunjukan

    bahwa oksida B lebih stabil daripada oksida dibawahnya yang merupakan oksida

    dari base metal A dan penambahan konsentrasi yang cukup tinggi akan

    membentuk fluk yang cukup pada permukaan yang akan mendorong lapisan

    oksida tersebut pada permukaan base metal. Dua kemungkinan pada kasus dimana

    paduan logam mempunyai permeabilitas oksigen yang signifikan, oksida B akan

    lebih stabil daripada A dan tekanan parsial oksigen masih terlalu rendah untuk

    mengoksidasi A, seperti digambarkan pada Gambar 2.14.

    23

  • BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

    Gambar 2.14. Pengaruh Kandungan Solute pada Transisi dari Oksidasi Internal Menjadi Oksidasi Eksternal Ketika Tekanan Parsial Oksigen Terlalu Rendah Untuk Mengoksidasi Elemen A. (a) Diagram Skema Penampang Melintang dan Profil Konsentrasi B Ketika NB Kurang dari Nilai Kritis Menunjukan Terjadinya Internal Oksidasi. (b) Skema Diagram untuk Nilai N

    B

    B Lebih Besar dari Nilai Kritis Menunjukan Pembentukan BO yang Kontiniu . [23]

    Paduan logam dengan konsentrasi solute yang rendah memungkinkan

    terjadinya difusi oksigen masuk ke dalam base metal sehingga menghasilkan

    internal oksidasi (Gambar 2.14(a)). Sementara untuk konsentrasi solute yang

    tinggi yang terjadi adalh difusi solute keluar dari base metal dan membentuk

    lapisan oksida B di permukaan (Gambar 2.14(b)). Konsentrasi kritis dari solute

    sehingga terjadi transisi dari internal oksidasi menjadi eksternal oksidasi

    diformulasikan oleh Wagner sbb :

    ( )( )

    =

    OXB

    MOOB VD

    VDNgN

    ..2..'..* ..........................................................(2.9)

    Dimana NoDo merupakan permeabilitas oksigen pada A, Db difusifitas solute, g

    merupakan faktor yang menentukan fraksi volume dari oksida yang dibutuhkan

    untuk transisi, serta VM dan VOX merupakan volume molar dari paduan dan

    oksida. Komposisi solute yang dibutuhkan untuk membentuk lapisan oksida

    terlihat akan makin meningkat atau berbanding lurus dengan peningkatan

    solubility dan difusifitas dari oksigen dan berbanding terbalik dengan peningkatan

    difusifitas solute B dalam paduan. Namun, terdapat beberapa sistem yang menarik

    dimana oksida dari base metal dapat juga terbentuk pada lingkungan kamar dan

    berkembang hingga oksida B lebih stabil dan kontiniu sehingga menghentikan

    24

  • BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

    oksidasi lebih lanjut. Kondisi ini ditunjukan secara skematik pada Gambar 2.10

    Pengaruh perubahan oksidasi internal menjadi oksidasi B eksternal harus

    memenuhi NB > NB*. Stabilitas yang relatif lama dari protective layer

    membutuhkan flux solute pada interface scale cukup besar untuk mempertahankan

    oksida A menjadi stabil. Konsentrasi solute yang dibutuhkan untuk

    mempertahankan pembentukan external scale yaitu :

    ( )

    =

    B

    PB

    MB

    DK

    Z

    VN

    ..16

    (2.10)

    Dimana KP merupakan konstanta kecepatan parabolik untuk pertumbuhan

    protective scale dan ZB merupakan valensi B.

    Gambar 2.15. Pengaruh Konsentrasi Solute terhadap Transisi dari Internal Menjadi Eksternal Oksidasi ketika Kedua Oksida Elemen-Elemen tersebut Terbentuk. (A) Skema Diagram Penampang Melintang ketika NB Kurang dari Nilai Kritis Menunjukan Oksidasi Internal B Dibawah eksternal Scale AO. (B) Skema Diagram Penampang Melintang Ketika NB Melebihi B Nilai Kritis sehingga Menghasilkan Pembentukan Lapisan Scale Eksternal BO[23].

    III.3.3 Pengaruh Temperatur

    Difusi dari solute akan meningkat seiring dengan peningkatan

    temperatur, dimana hal ini akan menciptakan fluks yang lebih besar pada

    permukaan untuk meningkatkan dan mempertahankan protective scale. Namun

    fenomena ini tidak berlaku secara umum. Sebagai contoh paduan Ti-Al, dimana

    pembentukan Al2O3 scale terjadi pada saat bertemu dengan oksigen murni pada

    25

  • BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

    temperatur rendah. Gambar 2.16 menggambarkan ketahanan oksidasi pada

    beberapa Austenitic Stainless Steel sebagai fungsi dari temperatur. Secara umum

    dapat dikatakan bahwa metal loss makin meningkat seiring dengan kenaikan

    temperatur.

    Gambar 2.16 Ketahanan Oksidasi Beberapa Stainless Steel sebagai Fungsi dari Temperatur[23].

    II.3.4 Pengaruh komposisi atmosfer

    Komponen sekunder seperti nitrogen dapat mempengaruhi protective

    layer dan merubahnya menjadi non protective layer. Pada beberapa logam

    paduan terlihat adanya selective oksidasi akibat beberapa gas oksidan. CO2 juga

    memilki efek yang serupa pada sifat oksidasi selektif ini. CO2 juga hampir sama

    seperti pembentuk karbida yang terbentuk pada Fe, Cr. Secara umum, pre-

    sulfidation atau pre-carburation merupakan reaksi pembentuk lapisan protective

    chromia scale. Di lain hal, telah dipelajari bahwa sulfidisasi pada beberapa

    paduan Ni atau paduan yang mengandung karbida seperti stainless steel dan

    paduan Co hilangnya lapisan oksida tidak mempengaruhi ketahanan oksidasi.

    26

  • BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

    II.3.5 Pengaruh komposisi atmosfer

    Faktor penting yang mempengaruhi hal tersebut diatas adalah ukuran

    serta distribusi dari partikel fasa kedua serta kondisi dimana semuanya

    terbentuk. Butir kasar akan lebih terpengaruh oleh komposisi atmosfer daripada

    butir halus, partikel secara seragam terdispersi seringkali dapat terlarut cukup

    cepat untuk mensuplai pembentukan scale yang nantinya akan menjadi

    protective scale. Jika partikel terbentuk dalam kondisi aktivitas karbon,

    nitrogen, atau rendah akan terbentuk sebagian elemen pembentuk scale bebas

    dalam larutan. Elemen-elemen tersebut akan menurunkan ketahanan oksidasi.

    II.3.6 Pengaruh unsur paduan

    Ni dan Cr merupakan dua unsur paduan utama yang sering digunakan

    pada berbagai paduan logam. Si dan Al juga relatif efektif untuk meningkatkan

    ketahanan oksidasi, tetapi keduanya mempengaruhi sifat mekanik paduan logam

    tersebut. Selain itu, penambahan sedikit unsur pemadu pada paduan Fe-Cr-Ni

    akan menghasilkan sifat yang spesifik. Unsur Cr menurunkan kelarutan oksigen

    dalam paduan, sehingga mendorong terbentukanya Al2O3 scale meskipun

    jumlah unsur Al dalam paduan tersebut lebih sedikit. Penambahan Cr dan V

    pada paduan Ti-Al, serta penambahan Ti dan Cr pada paduan Ni-Al juga

    mendorong tebentuknya Al2O3 scale dengan kadar alumunium yang jauh lebih

    rendah daripada biasanya.

    1. Pengaruh Penambahan Cr

    Oksidasi logam besi dapat dihambat dengan penambahan beberapa unsur

    pemadu tertentu yang dapat menghilangkan terbentukanya wustite (FeO). Hal

    ini juga terjadi saat Cr ditambahkan. Pengaruh yang diberikan terhadap sifat

    oksidasi logam murni ataupun logam ringan ketika unsur Cr ditambahkan

    ditunjukan pada Gambar 2.13. Penambahan sedikit Cr pada Paduan logam akan

    terbentuknya lapisan chromium-rich oxide, disamping besi oksida dan

    peningkatan konsentrasi Cr, Spinel iron Chromium (Fe3-xCrxO4) akan terbentuk

    dan FeO layer akan menjadi lebih tipis dibandingkan Fe3O4 karen Fe2+

    dihalangi oleh oksida spinel tadi. Pada penambahan Cr lebih lanjut, campuran

    27

  • BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

    spinel dari Fe(Fe,Cr)2O4 terbentuk sehingga menurunkan kecepatan oksidasi

    secara signifikan mengikuti persamaan hiperbolik. Karena ion Fe lebih mobile

    melewati lapisan ini daripada ion Cr3+, lapisan terluar tetap terdiri dari oksida

    Fe terutama setelah waktu oksidasi yang relatif lama.

    Ketika konsentrasi Cr melebihi konsentrasi kritis NB* (~12wt% atau

    lebih), merupakan inisial terbentukanya lapisan terluar berupa oksida Cr murni.

    Tetapi jika dipakai untuk waktu yang relatif lama, dibutuhkan unsur Cr yang

    lebih banyak yaitu sekitar 20, 25% pada temperatur 900 dan 1000oC.

    Gambar 2.17. Pengaruh Penambahan Cr dan atau Si terhadap Ketahanan Oksidasi pada Baja di Udara[23].

    2. Pengaruh Penambahan Ni

    Ni secara umum tidak digunakan atau dipadu dengan Fe untuk tujuan

    meningkatkan sifat Fe pada temperatur tinggi. Tujuan pemaduan Ni dengan Fe-

    Cr adalah untuk merubah Fe dari fasa ferritic menjadi austenitic yang memilki

    sel satuan FCC dan lebih stabil pada temperatur tinggi. Namun, penambahan Ni

    pada baja Fe-11% Cr, akan menghasilkan penurunan kecepatan oksidasi yang

    signifikan pada beberapa temperatur. Pada beberapa kasus penambahan 20 wt%

    Ni sangat efektif pada temperatur 870oC, 30 wt% pada 9800C dan 50 wt%

    1200oC. Pada penambahan Ni yang lebih tinggi, konsentrasi optimum untuk

    oksidasi pada udara maksimum berkurang.

    28

  • BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

    3. Pengaruh penambahan Alumunium

    Penambahan Al pada Fe bertujuan untuk laju oksidasi di udara. Sebagai

    contoh, penambahan sekitar 10 wt% pada Fe akan menurunkan corrosion loss

    pada Fe dari lebih dari 6 inch per tahun menjadi 2 inch per tahun. Namun, sifat

    mekanik seperti pada paduan biner turun. Pada kondisi ini selective alumina

    scale terbentuk pada lapisan terluar, melindungi base metal dari oksidasi lebih

    lanjut.

    4. Pengaruh Penambahan Silikon

    Penambahan Si secara umum menghambat laju oksidasi. Namun, ketika

    penambahannya 2 3 wt%, penggetasan pada paduan logam akan terjadi.

    Namun, ketika penambahan Si ini dikombinasikan dengan unsur pemadu lain

    akan menghasilkan hasil yang efektif. Seperti ditunjukkan pada Gambar 2.17,

    penambahan sekitar 1,5 wt% Si dengan paduan 5 wt% Cr dan 0,5 wt% akan

    menurunkan laju oksidasi dengan optimal.

    5. Pengaruh Penambahan Unsur Paduan Lain.

    Penambahan rare earth element dalam jumlah kecil bukan hanya akan

    menghambat laju oksidasi tetapi juga meningkatkan daya ikat scale dengan

    substratnya serta mengurangi pengelupasan scale. Mn secara umum merupakan

    unsur pemadu yang sering ditambahkan pada baja, walaupun tidak terlalu

    mempengaruhi laju oksidasi paduan tersebut secara langsung. Mo dan V dalam

    jumlah tertentu akan menurunkan melting point oksida MoO2 dan V2O5 yang

    akan menyebabkan oksidasi yang lebih hebat.

    Pengaruh penambahan lainnya seperti S, P, B dan lain lain juga dapat

    mengganggu tingkat daya ikat scale dengan substratnya. Namun demikian

    penambahan unsur-unsur tertentu seperti B akan meningkatkan kekuatan di

    batas butir.

    II.3.7 Rusaknya Lapisan Oksida Pelindung

    Pembentukan lapisan oksida pelindung pada paduan logam dengan

    selektif oksidasi membutuhkan pelepasan oksida elemen yang terbentuk. Proses

    pengelupasan merupakan akibat lapisan oksida pelindung yang menjadi tidak

    29

  • BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

    stabil. Hal tersebut sangat penting terutama pada kondisi temperature cycling,

    yang akan menyebabkan hilangnya oksida pelindung karena pengelupasan dan

    pembentukan campuran oksida atau deposit pada permukaan, dimana hal ini

    akan menyebabkan berubahnya lapisan protektif tadi menjadi lapisan non-

    protektif. Penyebabnya adalah stress yang dihasilkan dari perbedaan ekspansi

    termal antara scale dan paduan logam (thermal stress).

    II.4 Dasar Teori SEM/EDS

    SEM/EDS banyak digunakan untuk mengkarakterisasi material (logam,

    keramik dan polimer). SEM merupakan perkembangan dari mikroskop optik (max

    pembesaran 1.000) sehingga dapat mencapai perbesaran maksimum sampai

    150.000 x (tergantung pada kondisi spesimen dan SEM pada saat itu). SEM

    banyak digunakan untuk aplikasi sebagai berikut:

    1. Pemeriksaan struktur mikro spesimen metalografi dengan magnifikasi

    (perbesaran) yang jauh melebihi mikroskop optik biasa.

    2. Pemeriksaan permukaan patahan dan permukaan yang memiliki

    kedalaman tertentu yang tidak mungkin diperiksa dengan mikroskop optik.

    3. Evaluasi orientasi kristal dari permukaan spesimen metalografi seperti,

    butir individual, fasa presipitat, dan dendrit (struktur khas dari proses

    pengecoran logam).

    4. Analisis unsur pada objek dalam range mikron pada permukaan bulk

    spesimen. Misalnya, inklusi, fasa presipitat.

    5. Distribusi komposisi kimia pada permukan bulk spesimen sampai jarak

    mendekati 1 mikron.

    Persyaratan spesimen SEM untuk material konduktif diperlukan persiapan

    metalografi standar seperti sudah di-polish dan dietsa. Untuk non-konduktif harus

    di-coating terlebih dahulu dengan karbon dan emas supaya terbentuk lapisan tipis

    yang konduktif. Prinsip kerja SEM secara sederhana:

    1. Electron gun yang dilengkapi dengan filamen tungsten (6-12 V DC)

    berfungsi untuk menembakkan elektron

    30

  • BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

    2. Elektron yang ditembakkan karena terdapat beda potensial (1-30 kV) akan

    menumbuk benda kerja

    3. Ketika menumbuk spesimen akan terjadi interaksi antara primary electron

    dengan spesimen sehingga menghasilkan x-ray dan elektron (secondary

    electron, backscattered electron, dan juga auger electron).

    Gambar 2.18 Interaksi antara Elektron dengan Benda Kerja[3].

    4. Hasil interaksi yang keluar dari dalam material ditangkap oleh tiga

    detektor :

    a. Detektor SE (Secondary Electron) : menghasilkan image

    b. Detektor BSE (Back Scattered Electron) : menghasilkan image dan

    menampilkan perbedaan kontras berdasarkan perbedaan berat

    massa atom.

    c. Detektor X-ray : identifikasi unsur kimia (EDS) yang terdapat

    dalam material.

    31

  • BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

    EDS (Energy Dispersive Spectrometry) dapat digunakan untuk

    mengidentifikasi komposisi elemental (per unsur) dari material yang dapat terlihat

    oleh SEM (Scanning Electron Microscopy). EDS dapat digunakan untuk analisis

    semikuantitatif unsur-unsur dari material. Jadi secara umum EDS dapat digunakan

    untuk menganalisis kontaminan seperti inklusi, antarmuka, analisis partikel,

    pemetaan unsur (Elemental mapping), analisis deposit korosi, analisis

    ketidakmurnian (sampai ketelitian diatas 2% berat). EDS juga dapat digunakan

    untuk verifikasi material, analisa pelapisan, dan mengetahui secara semikuantitatif

    banyaknya inklusi pada suatu produk.

    EDS merupakan suatu sistim peralatan dan software tambahan yang

    dipasangkan pada suatu mikroskop elektron. Teknik ini memanfaatkan X-ray

    yang dihasilkan oleh spesimen selama spesimen dibombardir oleh primary

    electron, hal ini digunakan untuk mengkarakterisasi komposisi unsur pada volume

    tertentu.

    Saat spesimen dibombardir oleh elektron, maka mengakibatkan adanya

    elektron yang keluar dari atom penyusun permukaan material sehingga terjadi

    kekosongan. Karena terjadi kekosongan elektron pada kulit/orbital elektron tadi

    maka elektron dari kulit terluar akan mengisi kekosongan tersebut.

    Untuk menjaga kesetimbangan energi antara dua elektron (elektron yang

    keluar dari orbital atom dan elektron pengisi kekosongan dari kulit orbital yang

    lebih berada diluar) akan dihasilkan X-ray Fluorescense. Detektor dari EDS akan

    mengukur jumlah X-ray Fluorescence yang dihasilkan versus energinya. Energi

    dari X-ray Fluorescence merupakan karakteristik khusus suatu elemen atau unsur

    tertentu. Spektrum energi vs perhitungan relatif X-ray Fluorescence yang

    terdeteksi didapatkan dan dapat dievaluasi untuk menentukan secara kualitatif dan

    semikuantitatif elemen yang ada pada spesimen.

    32

  • BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

    Gambar 2.19 Eksitasi Elektron Pada Orbital dan K, L dan M[6].

    33

    BAB I final.pdfBAB II final.pdf2.1.1 Jenis-jenis Batu Bara[31] Proses geologi (tekanan dan panas) yang relatif lama dapat merubah endapan tumbuhan menjadi : Lignit (35-75% air, berwarna coklat dan sangat lunak) Sering disebut sebagai batu bara coklat. Lignit merupakan batu bara yang memiliki kualitas paling rendah dan bahkan hanya digunakan sebagai bahan bakar untuk pembangkit listrik tenaga uap. Batu bara Sub-bituminous (kadar karbon rendah, kadar air tinggi) Kualitas batu bara ini lebih baik daripada lignit. Penggunaannya juga masih terbatas pada pembangkit listrik tenaga uap. Batu bara bitominous (68 - 86%C, 8-10%air) Batu bara yang padat biasanya berwarna hitam kadang coklat tua. Batu bara ini masih banyak digunakan pada pembangkit listrik tenaga uap, namun dengan komposisi yan tepat batu bara jenis ini dapat dipakai pada aplikasi panas dan tenaga pada industri dan industri pembuatan coke Antrasit (86% - 98%C, air kurang dari 8%) Merupakan jenis batu bara yang paling baik. Memiliki sifat lebih keras, mengkilap dan biasanya dipakai untuk pemanas di perumahan dan pemanas-pemanas komersil. 2.1.2 Batu Bara Sebagai Bahan Bakar 2.1.3 Pembakaran Batu Bara 2.2.1.a Jenis-jenis boiler pipa api

    BAB III final.pdfBAB IV final.pdfBAB V final.pdf


Recommended