BAB II LANDASAN TEORI

BAB II
LANDASAN TEORI
2.1
Pengertian Boiler
Boiler adalah bejana tertutup dimana panas pembakaran
dialirkan ke air sampai terbentuk air panas atau steam. Air panas atau
steam pada tekanan tertentu kemudian digunakan untuk mengalirkan
panas ke suatu proses. Air adalah media yang berguna dan murah
untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Jika air dididihkan sampai
menjadi steam, volumnya akan meningkat sekitar 1.600 kali,
menghasilkan tenaga yang menyerupai bubuk mesiu yang mudah
meledak, sehingga boiler merupakan peralatan yang harus dikelola dan
dijaga dengan sangat baik
Steam merupakan bagian penting dan tidak terpisahkan dari
teknologi modern. Tanpa steam, maka industry makanan kita, tekstil,
manufaktur, bahan kimia, bahan kedokteran, daya, pemanasan
dantransportasi tidak aka nada atau muncul seperti saat ini. Steam
memberikan suatu cara pemindahan sejumlah energi yang terkendali
dari suatu pusat, ruang boiler yang otomatis, dimana energi dapat
6
7
dihasilkan dengan efisien dan ekonomis, sampai ketitik penggunaan.
Steam yang bergerak mengelilingi pabrik dianggap sama dengan
transportasi dan penyediaan energi. Untuk beberapa alas an, steam
merupakan komoditas yang digunakan untuk membawa energi panas.
Penggunaannya terkenal diseluruh industri untuk pekerjaan yang luas
dari produksi daya mekanis sampai penggunaan proses dan pemanasan
ruangan.
Dengan meningkatnya suhu dan air mendekati titik didihnya,
beberapa molekul mendapat energi kinetic yang cukup untuk
mencapai kecepatan yang membuatnya sewaktu-waktu lepas dari
cairan keruang diatas permukaan, sebelum jatuh kembali kecairan.
Pemanasan lebih lanjut akan mengakibatkan Eksitasi lebih besar dan
sejumlah molekul dengan energi cukup untuk meninggalkan cairan
jadi meningkat. Dengan mempertimbangkan struktur molekul cairan
dan uap, masuk akal bahwa densitas steam lebih kecil dari air, sebab
molekul steam terpisah jauh dengan yang lainnya. Ruang yang sacara
tiba-tiba terjadi diatas permukaan menjadi terisi dengan steam dengan
molekul yang kurang padat.
Jika jumlah molekul yang meninggalkan permukaan cairan
lebih besar dari yang masuk kembali, maka air menguap dengan
bebasnya. Pada titik ini air sudah mencapai titik didihnya atau suhu
jenuhnya, yang dijenuhkan oleh energi panas. Jika tekanannya tetap,
penambahan lebih banyak panas tidak akan mengakibatkan kenaikan
8
suhu lebih lanjut namun menyebabkan air membentuk steam jenuh.
Suhu air mendidih dengan steam jenuh dalam system yang saqma
adalah sam
sama,
a, akan tetapi energi panas persatuan massanya lebih besar
pada steam. Pada atmosfir suhu jenuhnya adalah 100 oC. Tetapi, jika
tekanannya bertambah, maka aka nada penambahan lebih banyak
panas yang peningkatan suhu tanpa peru
perubahan
bahan fase. Oleh karena itu,
kenaikan
naikan tekanan secara efektif akan meningkatkan entalpi air dan
suhu jenuh. Hubungan antara suhu jenuh dan tekanan dikenal dengan
kurva steam jenuh.
400
300
200
Steam saturation curve
100
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Gambar 1 : Kurva steam Jenuh
Air dan steam berada secara bersamaan pada berbagai tekanan
pada kurva ini, keduanya akan berada pada suhu jenuh. Steam dengan
9
kondisi diatas kuva jenuh dikenal dengan superheated steam/steam
lewat jenuh :
● Suhu diatas suhu jenuh disebut derajat steam jenuh
je
● Air dibawah kurva disebut air sub
sub-jenuh.
Jika steam dapat mengalir dari boiler pada kecepatan yang sama
dengan yang dihasilkannya, peningkatan panas lebih lanjut akan
meningkatkan laju produksinya. Jika steam yang sama tertahan tidak
meninggalkan bo
boiler,
iler, dan jumlah panas yang masuk dijaga tetap,
energi yang masuk keboiler akan lebih besar disbanding energi yang
keluar. Energi yang berlebih ini akan menaikkan tekanan, yang pada
gilirannya akan menyebabkan suhu jenuh meningkat, karena suhu
s
steam jenuh berhubungan dengan tekanannya.
2.1.1 Diagram Fase Steam
Data yang diberikan dalam table steam dapat juga dinyatakan
dalam bentuk grafik. Gambar 2 memberi gambaran hubungan antara
entalpi dan suhu dalam berbagai tekanan, dan di kenal dengan diagram
fase.
Gambar 2 : Diagram Fase Entalpi Suhu
10
Ketika air dipanaskan dari suhu 0 oC sampai suhu jenuhnya,
kondisinya mengikuti garis air jenuh sampai menerima sluruk entalpi
cairannya, hf, ( A – B ). Jika panas ditambahkan lebih lanjut, maka
akan merubah fase kesteam jenuh dan berlanjut meningkatkan entalpi
sambil tetap pada suhu jenuhnya, hfg, (B – C). jika campuran steam/air
meningkat kekeringannya, kondisinya bergerak dari faris cair jenuh ke
garis uap jenuh, oleh kerena itu pada titik setengah antara kedua
keadaan tersebut, fraksi kekeringan (x) nya sebesar 0,5. Hal yang
sama, pada garis uap jenuh steamnya 100% kering. Begitu menerima
seluruh entalpi penguapannya maka akan mencapai garis uap jenuh.
Jika pemanas dilanjutkan peda titik ini, suhu steam akan naik
mencapai lewat jenuh (C- D). Garis-garis cairan jenuh dan uap jenuh
menutup wilayah diamana terdapat campuran steam/air-steam basah.
Dalam daerah sebelah kiri garis cair jenuh, hanya terdapat air, dan
pada sebelah kanan garis uap jenuh hanya terdapat steam lewat jenuh.
Titik dimana garis cairan jenuh dan uap jenuh bertemu dikenal dengan
titik kritis. Jika tekanan naik menuju titik kritis maka entalpi
penguapannya berkurang, sampai menjadi nol pada titik kritisnya. Hal
ini menunjukkan bahwa air berubah langsung menjadi steam pada titik
kritisnya. Diatas titik kritis hanya gas yang mungkin ada. Keadaan gas
merupakan keadaan yang paling terdifusi dimana molekulnya hamper
memilki gerakan yang tidak terbatasi, dan volumenya meningkat tanpa
batas ketika tekanannya berkurang. Titik kritis merupakan suhu
11
tertinggi diamana bahan berada dalam bentuk cairan. Pemberian
tekanan pada suhu konstan dibawah titik kritis tidak akan
mengakibatkan perubahan fase. Walau begitu, pemberian tekanan
dibawah titik kritis, akan mengakibatkan pencairan uap begitu
melintas dari daerah lewat jenuh/superheated kedaerah steam basah.
Titik kritis terjadi pada suhu 374,15oC dan tekanan steam 221,2 bar.
Diatas tekanan ini steam disebut super kritis dan tidak ada titik didih
yang yang diterapkan.
System boiler terdiri dari : sistem air umpan, system steam, dan
sistem bahan bakar. Sistem bahan bakar adalah semua peralatan yang
digunakan untuk menyediakan bahan bakar guna menghasilkan panas
yang dibutuhkan, peralatan yang digunakan pada system bahan bakar
tergantung dari jenis bahan bakar yang digunakan pada sistem.
Limbah panas adalah panas yang dihasilkan oleh proses
pembakaran bahan bakar atau reaksi kimia, yang kemudian “dibuang”
ke lingkungan dan tidak diguna ulang untuk tujuan ekonomis dan
bermanfaat.
2.2
Jenis Boiler
Bagian ini menerangkan tentang dua jenis yang umum
digunakan pada industry di Indonesia diantaranya adalah dua jenis
yaitu : Fire tube boiler dan Water tube boiler.
12
2.2.1. Fire Tube Boiler
Pada fire tube boiler, gas panas melewati pipa-pipa dan air
umpan boiler ada didalam shell untuk dirubah menjadi steam. Fire
tube boilers biasanya digunakan untuk kapasitas steam yang relative
kecil dengantekanan steam rendah sampai sedang. Sebagai pedoman,
fire tube boilers kompetitif untuk kecepatan steam sampai 12.000
kg/jam dengan tekanan sampai 18 kg/cm2. Fire tube boilers dapat
menggunakan bahan bakar minyak bakar, gas atau bahan bakar padat
dalam operasinya. Untuk alasan ekomis, sebagian besar fire tube
boilers dikonstruksi sebagai “paket” boiler ( dirakit oleh pabrik ) untuk
semua bahan bakar.
Gambar 3 : fire tube boiler
13
2.2.2
Water Tube Boiler
Pada water tube boiler, air umpan boiler mengalir melalui
pipa-pipa masuk kedalam drum. Air yang tersirkulasi dipanaskan
oleh gas pembakar membentuk steam pada daerah uap dalam
drum. Boiler ini dipilih jika kebutuhan steam dan tekanan steam
sangat tinggi seperti pada kasus boiler untuk pembangkit tenaga.
Water tube boiler yang sangat modern dirancang dengan kapasitas
steam antara 4.500 – 12.000 kg/jam, dengan tekanan sangat tinggi.
Banyak water tube boilers yang dikonstruksi secara paket jika
digunakan bahan bakar minyak bakar dan gas. Untuk water tube
yang menggunakan bahan bakar padat, tidak umum dirancang
secara paket. Karakteristik water tube boilers sebagai berikut:
 Forced, induced dan balanced draft membantu untuk
meningkatkan efisiensi pembakaran
 Kurang toleran terhadap kualitas air yang dihasilkan dari plant
pengolahan air.
 Memungkinkan untuk tingkat efisiensi panas yang lebih tinggi.
14
Gambar 4 : Water Tube Boiler
2.2.3
Bagian-bagian Boiler
Secara umum bagian utama dari boiler terdiri dari :
a. Main equipment
-
Furnace (ruang bakar)
-
Main steam drum
-
Super heater
-
Reheater
-
Risers (pipa penguap)
-
Economizer
-
Burner
15
b. Auxiliary equipment
-
Force draft fan (PAF&SAF)
-
Induce draft fan
-
Valves, control, dan instrument
c. Balance of boiler
-
Deaerator
Deaerator adalah salah satu jenis alat pemanas yang digunakan
oleh banyak pembangkit listrik didunia. Deaerator berfungsi
untuk menghilangkan oksigen dan gas-gas lainnya yang
terkandung dalam feedwater ( air boiler ).
-
Feed water heater
Feed water heater merupakan salah satu jenis heat exchanger
yang biasa digunakan di industri proses
untukmenukarkan/mengalirkan panas dari suatu fluida ke
fluida lainnya.
-
Blowdown system
Blowdown System adalah suatu system yang terdiri dari
peralatan penampung semua drain air dan uap bekas yang ada
pada boiler equipment. Countinous Blowdown itu sendiri
bebentuk vessel yang mampu menahan air panas dan tekanan
yang kuat dari steam
16
2.2.4 Paket Boiler
Disebut boiler paket sebab sudah tersedia sebagai paket yang lengkap. Pada
saat dikirim ke pabrik, hanya memerlukan pipa steam, pipa air, suplai bahan
bakar dan sambungan listrik untuk dapat beroperasi. Paket boiler biasanya
merupakan tipe shell and tube dengan rancangan fire tube dengan transfer panas
baik radiasi maupun konveksi yang tinggi.
Ciri-ciri dari packaged boilers adalah:
● Kecilnya ruang pembakaran dan tingginya panas yang dilepas menghasilkan
penguapan yang lebih cepat.
● Banyaknya jumlah pipa yang berdiameter kecil membuatnya memiliki
perpindahan panas konvektif yang baik.
● Sistim forced atau induced draft menghasilkan efisiensi pembakaran yang baik.
● Sejumlah lintasan/pass menghasilkan perpindahan panas keseluruhan yang
lebih baik.
● Tingkat efisiensi thermisnya yang lebih tinggi dibandingkan dengan boiler
lainnya.
Boiler tersebut dikelompokkan berdasarkan jumlah pass nya – yaitu berapa kali
gas pembakaran melintasi boiler. Ruang pembakaran ditempatkan sebagai
lintasan pertama setelah itu kemudian satu, dua, atau tiga set pipa api. Boiler
yang paling umum dalam kelas ini adalah unit tiga pass/ lintasan dengan dua set
fire-tube/ pipa api dan gas buangnya keluar dari belakang boiler.
17
Gambar 5: Paket Boiler
2.2.5
Teori Perpindahan Panas Pada Boiler
1. Perpindahan panas secara pancaran (radiation)
Perpindahan panas secara radiasi adalah perpindahan panas
antara suatu benda ke benda yang lain dengan jalan melalui
gelombang-gelombnag
elektromagnetik
tanpa
tergantung
kepada ada atau tidak adanya media diantara benda yang
menerima pancaran panas tersebut.
Molekul-molekul
api
yang
merupakan
hasil
pembakaran bahan bakar dan udara akan menyebabkan
terjadinya gangguan keseimbangan elektromagnetis terhadap
media yang disebut aether (materi bayangan tanpa bobot yang
mengisi ruangan). Sebagian panas yang timbul dari hasil
pembakaran tersebut diteruskan ke aether yang kemudian
diteruskan kepada bidang yang akan dipanasi yaitu dinding
atau pipa ketel.
18
2. Perpindahan panas secara aliran (convection)
Perpindahan panas secara konveksi adalah perpindahan
panas yang dilakukan oleh molekul-molekul suatu fluida (cair
maupun
gas).
gerakannya
Molekul-molekul
melayang-layang
fluida
kesana
tersebut
kemari
dalam
membawa
sejumlah panas masing-masing q joule. Pada saat molekul
fluida tersebut menyentuh dinding atau pipa ketel maka
panasnya dibagikan sebagian kepada dinding atau pipa ketel,
sedangkan sebagian lagi dibawa molekul pergi.
Gerakan-gerakan
molekul
yang
melayang-layang
tersebut disebabkan karena perbedaan temperatur didalam
fluida itu sendiri. Dalam gerakannya, molekul-molekul api
tersebut tidak perlu melalui lintasan yang lurus untuk mencapai
dinding bidang yang dipanasi.
3. Perpindahan panas secara rambatan (conduction)
Perpindahan panas secara konduksi adalah perpindahan
panas dari suatu bagian benda padat kebagian lain dari benda
padat yang sama atau dari benda padat yang satu kebenda
padat yang lain karena terjadinya persinggungan fisik (kontak
19
fisik atau menempel) tanpa terjadinya perpindahan panas
molekul-molekul dari benda padat itu sendiri.
Didalam dinding ketel, panas akan dirambatkan oleh
molekul-molekul dinding ketel sebelah dalam yang berbatasan
dengan api, menuju ke molekul-molekul dinding ketel sebelah
luar yang berbatasan dengan air. Perambatan tersebut
menempuh jarak terpendek.
A. Mekanisme Sistem Penyuplaian Panas Pada Boiler
1. Mekanisme penyuplaian Udara
Mekanisme sistem penyuplaian udara ke boiler Selain dari
aliran Primary Air Fan (PAF) dan Secondary Air Fan (SAF), udara
pembakaran juga dibantu oleh Fluidizing Air Blower, jumlah flow
udara dalam proses pembakaran (100% BMCR) di ruang bakar
(furnance) membutuhkan ±522 t/h udara panas.
Aliran udara yang berputar (turbulen), tujuannya untuk melindungi
dinding cyclone pada bagian expansion bellow, agar batubara yang
belum habis terbakar dan pasir yang jatuh tidak mengenai atau
menempel pada bagian expansion bellow pada dinding cyclone maka
dibantu oleh Fluidizing Air Blower.
20
Batubara yang belum habis terbakar yang menempel pada bagian
expansion bellow akan dapat merusak dan menghambat sirkulasi pada
cyclone. Selain untuk melindungi expansion bellow pada dinding
cyclone udara yang berasal dari fluidizing air blower ini juga
digunakan untuk mendorong batubara yang belum habis terbakar
masuk kedalam furnace pada sealpot yang letaknya dibawah cyclone.
Sealpot digunakan sebagai penghambat laju aliran batubara yang
belum habis terbakar sebelum masuk ke furnace.
Dua sumber aliran udara utama yaitu udara primary dan udara
secondary dan dibantu oleh udara dari fluidizing air blower serta udara
dari limestone. Udara primary berasal dari udara luar yang masuk
kedalam kipas (fan) kemudian udara di hembuskan menuju tubular air
heater dimana pada tubular air heater terjadi pertukaran panas antara
udara primary dengan flue gas.
2. Pengaturan Penyuplaian Udara dan Air Heater

Pengaturan Tekanan Udara
Pengaturan Tekanan udara bebas dikeliling kita disebut dengan
tekanan Atmosfir, besar tekanan atmosfir adalah 1,013 bar atau
14,7 Psig dan alat pangkasnya dinamakan barometer. Titik nol
barometer diukur dalam ruang hampa udara (hampa mutlak/ non
absolute). Sedangkan alat ukur yang dipakai untuk mengukur
21
tekanan selain tekanan udara bebas disebut manometer. Tekanan
dapat dibedakan menjadi 3 macam yaitu :
1. Tekanan terukur
2. Tekanan Absolut
3. Tekanan Vakum
Pada pengukuran tekan yang sering di jumpai pada pembangkit
termal adalah dengan menggunakan metode, sebagai berikut :
1. Kolom Zat Cair
2. Perubahan Element Elastis

Pengaturan Temperatur udara
Pengaturan temperatur udara dapat dimonitor dari pengukuran
temperatur pada Boiler overview. Pada pembangkit termal ada dua
jenis alat pengukuran sering di jumpai yaitu Thermokopel dan
Resistance Temperatur Detector (RTD). Thermokopel terdiri dari
dua logam berlainan jenis yang digabungkan dari sumber panas
pada ujung yang lain akan menimbulkan tegangan listrik berupa
mili volt dan pada Resistance Temperatur Detector (RTD) objek
dan pembacaan instrumentasinya berada ditempat yang berbeda
atau dapat dikatakan pembacaan jarak jauh dengan menggunakan
22
kawat penghubung yang mempunyai tahanan meskipun kecil
(0.008 – 0,012/meter).

Pengaturan Aliran Udara
Pengaturan aliran udara pada CFB Boiler diatur dengan
mempertimbangkan laju aliran pada suplai udara yang masuk dan
keluar menginggat kondisi tekanan udara didalam ruang bakar
yang berbeda. PAF, SAF dan HPA menciptakan kondisi ruang
bakar bertekanan plus sedangkan IDF menciptakan kondisi ruang
bakar vakum atau minus. Hal ini sesuai dengan filoshopi desain
CFB Boiler itu sendiri dimana bahan bakar (coal) terbakar pada
bed level (level pasir yang melayang di permukaan furnance) lalu
coal yang tidak terbakar masuk ke compact separator untuk
dibakar lagi di bed (proses ini terjadi berulang).
Untuk pengaturan suplai aliran udara CFB Boiler tergantung
pada bukaan damper menggunakan regulator pada setiap fan.
Adapun bukaan damper tersebut di disesuaikan dengan kondisi
operasi normal tekanan udara plus di pertahankan 6 kPa untuk
Lower Furnance (bagian dasar ruang bakar) dan 5 kPa untuk
Upper Furnance (bed level) dengan tekanan vakum (-34.1 pa)
guna mencapai kesetimbangan udara ruang bakar (100% BMCR).
23
ii. Blowdown Boiler
Jika air dididihkan dan dihasilkan steam, padatan
terlarut yang terdapat dalam air akan tinggal di boiler. Jika
banyak padatan terdapat dalam air umpan, padatan tersebut
akan terpekatkan dan akhirnya akan mencapai suatu tingkat
dimana kelarutannya dalam air akanterlampaui dan akan
mengendap dari larutan. Diatas tingkat konsentrasi tertentu,
padatan
tersebut
mendorong
terbentuknya
busa
dan
menyebabkan terbawanya air ke steam. Endapan juga
mengakibatkan terbentunya kerak di bagian dalam boiler,
mengakibatan pemanasan setempat menjadi berlebih dan
akhirnya menyebabkan kegagalan pada pipa boiler.
Oleh karena itu penting untuk mengendalikan tingkat
konsentrasi padatan dalam suspensi dan yang terlarut dalam air
yang dididihkan. Hal ini dicapai oleh proses yang disebut
‘blowing down’, dimana sejumlah tertentu volume air
dikeluarkan dan secara otomatis diganti denganair umpan –
dengan demikian akan tercapai tingkat optimum total padatan
terlarut (TDS)dalam air boiler dan membuang padatan yang
sudah rata keluar dari larutan dan yang cenderung tinggal pada
permukaan boiler. Blowdown penting untuk melindungi
permukaan penukar panas pada boiler. Walau demikian,
24
Blowdown dapat menjadi sumber kehilangan panas yang cukup
berarti, jika dilakukan secara tidak benar.
iii. Perhitungan blowdown
Besarnya jumlah blowdown yang diperlukan untuk
mengendalikan konsentrasi padatan air boiler dihitung dengan
menggunakan rumus berikut:
TDS Air make up x % Air make up
Blowdown (persen) = ------------------------------------------------TDS maksimum dalam boiler yang
diijinkan
Jika batasan maksimum TDS yang diperbolehkan sebagaimana
dalam boiler paket adalah sebesar 3000 ppm, persen air make
up adalah 10 persen dan TDS dalam air make up adalah300
ppm, maka persentase blowdownnya adalah sebagai berikut:
= 300 x 10 / 3000
=1%
Jika laju penguapan boiler sebesar 3000 kg/ jam maka laju
blowdown yang diperlukan adalah:
= 3000 x 1 / 100
= 30 kg/jam
25
iv. Rekomendasi untuk Boiler dan kualitas air umpan
Kotoran yang ditemukan dalam boiler tergantung pada
kualitas air umpan yang tidak diolah, proses pengolahan yang
digunakan dan prosedur pengoperasian boiler. Sebagai aturan
umum, semakin tinggi tekanan operasi boiler akan semakin
besar sensitifitas terhadap kotoran.
REKOMENDASI BATAS AIR UMPAN (IS 10392, 1982)
FAKTOR
Total besi (maks.) ppm
Total tembaga (maks.) ppm
Total silika (maks.) ppm
Oksigen (maks.) ppm
Residu hidrasin ppm
pH pada 250C
Kesadahan, ppm
HINGGA 20 kg/cm2 21 - 39 kg/cm2 40 - 59 kg/cm2
0,05
0,02
0,01
0,01
0,01
0,01
1
0,03
0,1
0,02
0,02
0,01
0,02-0,04
8,8-9,2
8,8-9,2
8,2-9,2
1
0,5
Tabel 1 : Rekomendasi Mineral Air Umpan
REKOMENDASI BATAS AIR BOILER (IS 10392, 1982)
HINGGA 20
21 - 39
kg/cm2
kg/cm2
FAKTOR
3000-3500
1500-2500
TDS, ppm
500
200
Total padatan besi terlarut ppm
Konduktivitas listrik spesifik pada 25o C
1000
400
(mho)
20-40
20-40
Residu fosfat ppm
10-10,5
10-10,5
pH pada 250C
25
15
Silika (maks.) ppm
Tabel 2 : Rekomendasi Kimiawi Air Umpan
40 - 59
kg/cm2
500-1500
15
300
15-25
9,8-10,2
10
26
2.3 Pengkajian Boiler
Bagian ini menjelaskan evaluasi kinerja boiler (
Melalui metode langsung dan tidak langsung termasuk contoh
perhitungan efisiensi efisiensi ), blowdown boiler dan
pengolahan air boiler.
2.3.1 Evaluasi kinerja boiler
Parameter kinerja boiler, seperti efisiensi dan rasio
penguapan, berkurang terhadap waktu disebabkan buruknya
pembakaran, kotornya permukaan penukar panas dan buruknya
operasi dan pemeliharaan. Bahkan untuk boiler yang baru
sekalipun, alasan seperti buruknya kualitas bahan bakar dan
kualitas air dapat mengakibatkan buruknya kinerja boiler.
Neraca panas dapat membantu dalam mengidentifikasi
kehilangan panas yang dapat atau tidak dapat dihindari. Uji
efisiensi boiler dapat membantu dalam menemukan
penyimpangan efisiensi boiler dari efisiensi terbaik dan target
area permasalahan untuk tindakan perbaikan.
27
2.3.2 Neraca Panas
Proses pembakaran dalam boiler dapat digambarkan
dalam bentuk diagram alir energi.
Diagram ini menggambarkan secara grafis tentang
bagaimana energi masuk dari bahan bakar diubah menjadi
aliran energi dengan berba
berbagai
gai kegunaan dan menjadi aliran
kehilangan panas dan energi. Panah tebal menunjukan jumlah
energi yang dikandung dalam aliran masing
masing-masing
masing
Gambar 6: Neraca Energi Boiler
Neraca panas merupakan keseimbangan energi total yang
masuk boiler terhadap yang meninggalkan boiler dalam bentuk yang
28
berbeda. Gambar berikut memberikan gambaran berbagai kehilangan
yang terjadi untuk pembangkitan steam.
Gambar 7: kehilangan pada boiler
Kehilangan energi dapat dibagi kedalam kehilangan yang tidak
atau dapat dihindarkan.
Tujuan dari Produksi Bersih dan/atau pengkajian energi harus
mengurangi kehilangan yang dapat dihindari, dengan meningkatkan
efisiensi eenergi.
nergi. Kehilangan berikut dapat dihindari atau dikurangi:
 Kehilangan gas cerobong:
- Udara berlebih (diturunkan hingga ke nilai minimum yang
tergantung dari teknologi
29
burner, operasi (kontrol), dan pemeliharaan).
- Suhu gas cerobong (diturunkan dengan mengoptimalkan perawatan
(pembersihan),
beban; Burner yang lebih baik dan teknologi boiler).
 karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam cerobong dan abu
(mengoptimalkan operasi dan pemeliharaan; teknologi burner yang
lebih baik).
 dari blowdown (pengolahan air umpan segar, daur ulang kondensat)
 Kehilangan kondensat (manfaatkan sebanyak mungkin kondensat)
 Kehilangan konveksi dan radiasi (dikurangi dengan isolasi boiler
yang lebih baik)
2.4 Efisiensi Boiler
Efisiensi termis boiler didefinisikan sebagai “persen energi
(panas) masuk yang digunakan secara efektif pada steam yang
dihasilkan.” Terdapat dua metode pengkajian efisiensi boiler:
● Metode Langsung: energi yang didapat dari fluida kerja (air dan
steam) dibandingkan dengan energi yang terkandung dalam bahan
bakar boiler.
● Metode Tidak Langsung : Efisiensi merupakan kehilangan dan
energy yang masuk
30
A.
Metode langsung dalam menentukan efisiensi boiler
Metodologi
Dikenal juga sebagai ‘metode input-output’ karena kenyataan bahwa
metode ini hanya memerlukan keluaran/output (steam) dan panas
masuk/input (bahan bakar) untuk evaluasiefisiensi. Efisiensi ini dapat
dievaluasi dengan menggunakan rumus:
Efisiensi
(η) =
Efisiensi
(η ) =
100%
Qx ( hg − h )
100%
Parameter yang dipantau untuk perhitungan efisiensi boiler dengan
metode langsung adalah:
● Jumlah steam yang dihasilkan per jam (Q) dalam kg/jam
● Jumlah bahan bakar yang digunakan per jam (q) dalam kg/jam
● Tekanan kerja ( Bar) dan suhu lewat panas (oC), jika ada
● Suhu air umpan (oC)
● Jenis bahan bakar dan nilai panas kotor bahan bakar (GCV) dalam
kkal/kg bahan bakar
Dimana
● hg –Entalpi steam jenuh dalam kkal/kg steam
● hf –Entalpi air umpan dalam kkal/kg air
31
Contoh
Cari efisiensi boiler dengan metode langsung dengan data yang
diberikan dibawah ini:
● Jenis boiler
: Berbahan bakar batubara
● Jumlah steam (kering) yang dihasilkan
: 10 TPJ
●Tekanan steam (gauge) / suhu
: 10 kg2/0cm
● Jumlah pemakaian batubara
: 2,25 TPJ
● Suhu air umpan
: 85 0C
● GCV batubara
: 3200 kilojoule
● Entalpi steam pada tekanan 10 kg2/cm
: 665 kilojoule
● Entalp of air umpan
: 85 kilpjoule
( )=
10 x (665 − 85 )x 1000
2.23 3200 1000
Keuntungan metode langsung
100 = 80,56 %
● Pekerja pabrik dapat dengan cepat mengevaluasi efisiensi boiler
● Memerlukan sedikit parameter untuk perhitungan
● Memerlukan sedikit instrumen untuk pemantauan
● Mudah membandingkan rasio penguapan dengan data benchmark
Kerugian metode langsung
● Tidak memberikan petunjuk kepada operator tentang penyebab dari
efisiensi sistem yang lebih rendah
32
●Tidak menghitung berbagai kehilangan yang berpengaruh pada
berbagai tingkat efisiensi
B. Metode tidak langsung dalam menentukan efisiensi boiler
Metodologi
Standar acuan untuk Uji Boiler di Tempat dengan
menggunakan metode tidak langsung adalah British Standard, BS
845:1987 dan USA Standard ASME PTC-4-1 Power Test Code Steam
Generating Units. Metode tidak langsung juga dikenal dengan metode
kehilangan panas. Efisiensi dapat dihitung dengan mengurangkan
bagian kehilangan panas dari 100 sebagai berikut: Efisiensi boiler (n)
= 100 - (i + ii + iii + iv + v + vi + vii)
Dimana kehilangan yang terjadi dalam boiler adalah kehilangan panas
yang diakibatkan oleh:
i. Gas cerobong yang kering
ii. Penguapan air yang terbentuk karena H2 dalam bahan bakar
iii. Penguapan kadar air dalam bahan bakar
iv. Adanya kadar air dalam udara pembakaran
v. Bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu terbang/ fly ash
vi. Bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu bawah/ bottom ash
vii. Radiasi dan kehilangan lain yang tidak terhitung
Kehilangan yang diakibatkan oleh kadar air dalam bahan bakar dan
yang disebabkan oleh pembakaran hidrogen tergantung pada bahan
bakar, dan tidak dapat dikendalikan oleh perancangan.
33
Data yang diperlukan untuk perhitungan efisiensi boiler dengan
menggunakan metode tidak langsung adalah:
● Analisis ultimate bahan bakar (H2, O2, S, C, kadar air, kadar abu)
● Persentase oksigen atau CO2 dalam gas buang
● Suhu gas buang dalam oC (Tf)
● Suhu ambien dalam oC (Ta) dan kelembaban udara dalam kg/kg
udara kering
● GCV bahan bakar dalam kkal/kg
● Persentase bahan yang dapat terbakar dalam abu (untuk bahan bakar
padat)
● GCV abu dalam kkal/kg (untuk bahan bakar padat)
Prosedur rinci untuk perhitungan efisiensi boiler menggunakan
metode tidak langsung
diberikan dibawah. Biasanya, manager energi di industri lebih
menyukai prosedur perhitungan yang lebih sederhana.
Tahap 1: Menghitung kebutuhan udara teoritis
= [(11,43 x C) + {34,5 x (H2 – O2/8)} + (4,32 x S)]/100 kg/kg bahan
bakar
Tahap 2: Menghitung persen kelebihan udara yang dipasok (EA)
=
persen O2 x 100
-----------------(21 –persen O2)
34
Tahap 3: Menghitung massa udara sebenarnya yang dipasok/ kg bahan
bakar (AAS) = {1 + EA/100} x udara teoritis
Tahap 4: Memperkirakan seluruh kehilangan panas
i. Persentase kehilangan panas yang diakibatkan oeh gas buang yang
kering
= m x Cp x (Tf-Ta) x 100
---------------------------GCV bahan bakar
Dimana, m = massa gas buang kering dalam kg/kg bahan bakar
m = (massa hasil pembakaran kering / kg bahan bakar) +
(massa N2 dalam bahan bakar pada basis 1 kg) + (massa N2
dalam massa udara pasokan yang sebenarnya).
Cp = Panas jenis gas buang (0,23 kkal/kg )
ii. Persen kehilangan panas karena penguapan air yang terbentuk
karena adanya H2 dalam bahan bakar
=
9 x H2 {584+Cp (Tf-Ta)}
-------------------------------------- x 100
GCV bahan bakar
Dimana,H2 = persen H2 dalam 1 kg bahan bakar
Cp = panas jenis steam lewat jenuh/superheated steam (0,45 kkal/kg)
iii. Persen kehilangan panas karena penguapan kadar air dalam bahan
bakar
35
=
{ 584 +
ℎ
(
−
) }
100
…
Dimana, M = persen kadar air dalam 1 kg bahan bakar
Cp = panas jenis steam lewat jenuh/superheated steam (0,45 kilojoule)
iv. Persen kehilangan panas karena kadar air dalam udara
AAS x faktor kelembaban x Cp (Tf-Ta)}
--------------------------------------------------- x 100
GCV bahan bakar
=
=
ℎ
(
−
)
x 100
Dimana, Cp = panas jenis steam lewat jenuh/superheated steam (0,45
kilojoule)
v. Persen kehilangan panas karena bahan bakar yang tidak terbakar
dalam abu terbang/ fly ash
=
100
.
vi. Persen kehilangan panas karena bahan bakar yang tidak
terbakar dalam abu bawah/ bottom ash
=
ℎ
ℎ
100
. vii. Persen kehilangan panas karena radiasi dan kehilangan lain yang
tidak terhitung
Kehilangan radiasi dan konveksi aktual sulit dikaji sebab daya
emisifitas permukaan yang beraneka ragam, kemiringan, pola aliran
36
udara, dll. Pada boiler yang relatif kecil, dengan kapasitas 10 MW,
kehilangan radiasi dan yang tidak terhitung dapat mencapai 1 hingga 2
persen nilai kalor kotor bahan bakar, sementara pada boiler 500 MW
nilainya 0,2 hingga 1 persen. Kehilangan dapat diasumsikan secara
tepat tergantung pada kondisi permukaan. Tahap 5: Menghitung
efisiensi boiler dan rasio penguapan boiler Efisiensi boiler
(n)
= 100 - (i + ii + iii + iv + v + vi + vii)
Rasio Penguapan = Panas yang digunakan untuk pembangkitan steam/
panas yang ditambahkan ke steam
Rasio penguapan yaitu kilogram steam yang dihasilkan per kilogram
bahan bakar yang digunakan. Contohnya adalah:
● Boiler berbahan bakar batubara: 6 (yaitu 1 kg batubara dapat
menghasilkan 6 kg steam)
● Boiler berbahan bakar minyak: 13 (yaitu 1 kg batubara dapat
menghasilkan 13 kg steam)
Walau demikian, rasio penguapan akan tergantung pada jenis boiler,
nilai kalor bahan bakar dan efisiensi.
Contoh
● Jenis boiler: Berbahan bakar minyak
● Analisis ultimate minyak bakar
C : 84 persen
H2: 12,0 persen
S : 3,0 persen
37
O2: 1 persen
● GCV Minyak bakar: 10200 kkal/kg
● Persentase Oksigen: 7 persen
● Persentase CO2: 11 persen
● Suhu gas buang (Tf): 220 0C
● Suhu ambien (Ta): 27 0C
● Kelembaban udara: 0,018 kg/kg udara kering
Tahap-1: Mengitung kebutuhan udara teoritis
= [(11,43 x C) + [{34,5 x (H2 – O2/8)} + (4,32 x S)]/100 kg/kg
minyak bakar
= [(11,43 x 84) + [{34,5 x (12 – 1/8)} + (4,32 x 3)]/100 kg/kg
minyak bakar
= 13,82 kg udara/kg minyak bakar
Tahap-2: Menghitung persen udara berlebih yang dipasok (EA)
Udara berlebih yang dipasok (EA)
= (O2 x 100)/(21-O2)
= (7 x 100)/(21-7)
= 50 %
Tahap 3: Menghitung massa udara sebenarnya yang dipasok / kg
bahan bakar (AAS)
AAS/kg bahan bakar = [1 + EA/100] x Udara Teoritis (AAS)
= [1 + 50/100] x 13,82
= 1,5 x 13,82
38
= 20,74 kg udara/kg minyak bakar
Tahap 4: Memperkirakan seluruh kehilangan panas
i. Persentase kehilangan panas karena gas kering cerobong
=
x Cp x ( T − Ta ) x 100
ℎ
m = massa CO2 + massa SO2 + massa N2 + massa O2
=
m=
0,84 44 0,03 64 20,74 x 77
+
+
(0,07 x 32
12
2!
10
21,35 kg / kg minyak bakar
=
=
21.35 x 0,23 x ( 220 − 27 )
10200
9,29 %
100
Dapat juga digunakan sebuah metode yang lebih sederhana:
Persentase kehilangan
panas yang disebabkan oleh gas kering cerobong
=
(
ℎ
−
) 100
m (total massa gas buang)
= massa udara sebenarnya yang dipasok + massa bahan bakar yang
dipasok
= 20,19 + 1 = 21,19
=
21,19
0,23 (220 − 27 )
10200
100
39
= 9,22 %
ii. Kehilangan panas karena penguapan kadar air karena adanya H2
dalam bahan bakar
9 x H2 {584+0,45 (Tf – Ta )}
--------------------------------GCV bahan bakar
=
dimana H2 = persen
H2 dalam bahan bakar
9 x 12 {584+0,45(220-27)}
-------------------------------10200
=
= 7,10 %
iii. Kehilangan panas karena kadar air dalam udara
=
AAS x kelembaban x 0,045 x (T − Ta) x 100
ℎ
= [20,74 x 0,018 x 0,45 x (220-27) x 100]/10200
= 0,317 %
iv. Kehilangan panas karena radiasi dan kehilangan lain yang tidak
terhitung
Untuk boiler kecil diperkirakan kehilangan mencapai 2 %
Tahap 5: Menghitung efisiensi boiler dan rasio penguapan boiler
Efisiensi boiler (n) = 100 - (i + ii + iii + iv + v + vi + vii)
i. Kehilangan panas karena gas buang kering : 9,29 %
40
ii. Kehilangan panas karena penguapan air yang terbentuk karena
adanya H2 dalam bahan bakar : 7,10 %
iii. Kehilangan panas karena kadar air dalam udara : 0,317 %
iv. Kehilangan panas karena radiasi dan kehilangan lain yang tidak
terhitung : 2 %
= 100- [9,29+7,10+0,317+2]
= 100 – 17,024 = 83 % (perkiraan)
Rasio penguapan = Panas yang digunakan untuk pembangkitan steam/ Panas
yang ditambahkan ke steam
= 10200 x 0,83 / (660-60)
= 14,11 (bandingkan dengan rasio penguapan untuk Boiler yang
berbahan
bakar minyak = 13)
Keuntungan metode tidak langsung
● Dapat diketahui neraca bahan dan energi yang lengkap untuk setiap
aliran, yang dapat
● memudahkan dalam mengidentifikasi opsi-opsi untuk meningkatkan
efisiensi boiler.
Kerugian metode tidak langsung
● Perlu waktu lama
● Memerlukan fasilitas laboratorium untuk analisis
41
C.
Menentukan Kualitas Limbah Panas
Tergantung pada jenis proses, limbah panas dapat dibuang
pada berbagai suhu mulai dari air dingin industri atau kiln. Biasanya,
suhu yang lebih tinggi setara dengan lebih tingginya kualitas hingga
limbah gas bersuhu tinggi dalam tungku pemanfaatan panas dan biaya
efektivitas yang lebih besar pula. Dalam berbagai studi pemanfaatan
kembali limbah panas, yang terpenting adalah bahwa terdapat banyak
penggunaan bagi panas yang termanfaatkan kembali.
B.
Alat penukar panas
Alat Penukar Panas atau Heat Exchanger (HE) adalah suatu
alat yang memungkinkan terjadinya perpindahan panas dari satu fluida
ke fluida lainnya. Dapat berfungsi sebagai pemanas maupun sebagai
pendingin. Biasanya, medium pemanas dipakai uap lewat panas (super
heated steam) dan air biasa sebagai air pendingin (cooling water).
Penukar panas dirancang sebisa mungkin agar perpindahan panas antar
fluida dapat berlangsung secara efisien.
Untuk meminimalisir atau menghemat penggunaan alat utilitas
dan biaya produksi, perusahaan biasanya memanfaatkan fluida panas
yang dihasilkan dari sistem untuk memanaskan atau mendinginkan
fluida lainnya
Panas total yang berpotensi dapat dimanfaatkan kembali dapat
dihitung dengan menggunakan
42
Q’ = m x ρ x Cp x ΔT
Dimana,
Q’ :
adalah kandungan panas dalam kilojoule
m:
adalah laju alir bahan dalam m3/jam
ρ:
adalah masa jenis gas buang dalam kg/m3
C:
padalah panas jenis bahan dalam kilojoule
ΔT :
adalah perbedaan suhu dalam 0C
Gambar 8: Alur Perpindahan Panas