Bagian ini menjelaskan berbagai peluang penghematan energi dalam tungk u.6 Ukuran efisiensi energi untuk industri dengan tungku adalah:
1. Pembakaran sempurna dengan udara berlebih yang minimum 2. Distribusi panas yang benar
3. Operasi pada suhu tungku yang optimum
4. Menurunkan kehilangan panas dari bukaan tungku 5. Mempertahankan jumlah draft tungku yang benar 6. Penggunaan kapasitas yang optimum
7. Pemanfaatan kembali limbah panas gas buang 8. Kehilangan refraktori yang minimum
9. Penggunaan lapisan keramik 10. Pemilihan refraktori yang benar
4.1 Pembakaran sempurna dengan udara berlebih yang minimal
Jumlah panas yag hilang dalam gas buang (kehilangan cerobong) tergantung pada jumlah udara berlebih. Untuk mencapai pembakaran bahan bakar yang sempurna dengan jumlah udara yang minimum, penting untuk mengendalikan perembesan udara, mempertahankan tekanan udara pembakaran, kualitas bahan bakar dan memantau jumlah udara berlebih. Terlalu banyak udara berlebih akan menurunkan suhu nyala api, suhu tungku dan laju pemanasan. Udara berlebih yang terlalu sedikit akan mengakibatkan kenaikan komponen ya ng tidak terbakar dalam gas-gas buang
6 Bagian 4 diambil (dengan mengedit) dari Efisiensi Energi pada Utilitas Panas, 2005 dengan ijin dari Biro Efisiensi Energi, Kementrian Daya, India
yang diangkut melalui cerobong dan hal ini juga mengakibatkan kehilangan kerak yang lebih banyak.
Mengoptimalkan udara pembakaran merupakan ukuran yang paling menarik dan ekonomis untuk penghematan energi. Potensi penghematannya lebih tinggi jika suhu tungku tinggi. Perbandingan udara (=jumlah udara aktual /jumlah udara pembakaran teoritis) memberikan indikasi udara berlebih. Jika tungku pemanas ulang tidak dilengkapi dengan pengendali perbandingan udara/bahan bakar otomatis, maka perlu secara berkala untuk mengambil sampel gas dalam tungku dan mengukur kandungan oksigennya dengan alat analisis gas (gas analyzer).
4.2 Distribusi panas yang benar
Tungku harus dirancang untuk menjamin bahwa pada waktu tertentu, stok dipanaskan secara merata sampai suhu yang dikehendaki dengan jumlah bahan bakar yang minimum.
Bilamana burner digunakan untuk membakar tungku, hal berikut harus diyakinkan untuk distribusi panas yang benar:
§ Nyala jangan tersentuh atau terhalangi oleh berbagai benda padat. Halangan menyebabkan partikel bahan bakar mengalami de-atomisasi yang mempengaruhi pembakaran dan menyebabkan asap hitam. Jika nyala mengenai stok maka kehilangan kerak akan meningkat. Jika nyala mengenai refraktori, produk dari pembaka ran tidak sempurna dapat mengendap dan bereaksi dengan unsur pokok refraktori pada suhu tinggi.
§ Nyala api berbagai burner harus tetap tersendiri untuk masing- masing burner sebab penggabungan nyala api menyebabkan pembakaran yang tidak sempurna. Sebaiknya penyalaan burners pada sisi yang berlawanan bergantian.
§ Nyala burner cenderung berjalan bebas dalam ruang pembakaran tepat diatas bahan. Untuk sehingga, sumbu aksis burner pada tungku kecil tidak pernah diletakkan paralel dengan perapian akan tetapi selalu membentuk sudut keatas namun nyala tidak boleh mengahantam atap.
§ Burner yang lebih besar akan menghasilkan nyala yang lebih panjang, dimana akan menyulitkan untuk mengisi muatan kedalam dinding tungku. Semakin banyak burner dengan kapasitas yang lebih kecil akan menjamin distribusi panas didalam tungku yang lebih baik dan juga meningkatkan umur tungku.
§ Pada tungku yang kecil yang menggunakan minyak tungku, sebuah burner dengan nyala yang panjang dan berwarna kuning keemasan akan meningkatkan pemanasan ya ng seragam. Akan tetapi nyala tidak boleh terlalu panjang sebab panas akan hilang jika nyala mencapai cerobong atau pintu tungku.
4.3. Operasi pada suhu tungku yang optimal
Penting untuk mengoperasikan tungku pada suhu optimalnya. Suhu operasi berbagai tungku diberikan dalam Tabel 10. Operasi pada suhu yang terlalu tinggi menyebabkan kehilangan panas, oksidasi berlebihan, de-karbonisasi dan tekanan pada refraktori. Pengendalian otomatis terhadap suhu tungku lebih disukai untuk mencegah kesalahan manus ia.
Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di - www.energyefficiencyasia.org ©UNEP 2006 32
Tabel 10. Suhu Operasi Berbagai Tungku
Tungku Pemanas Ulang Slab 1200oC
Tungku Rolling Mill 1200oC
Tungku batang untuk Sheet
Mill
800oC
Tungku annealing jenis bogie 650oC –750oC
4.4. Mencegah kehilangan panas melalui bukaan
Panas dapat hilang oleh radiasi langsung melalui bukaan tungku, seperti pemasukan, keluaran ekstraksi dan lubang pengintip pada dinding atau langit- langit. Panas juga hilang dikarenakan perbedaan tekanan antara bagian dalam tungku dan lingkungan ambien yang mengakibatkan gas pembakaran merembes keluar melalui bukaan. Akan tetapi hampir seluruh panas hilang jika udara di luar menyusup ke tungku, sebab disamping kehilangan panas penyusupan ini juga menyebabkan suhu jadi tidak seimbang dibagian dalam tungku dan stok dan bahkan dapat menyebabkan teroksidasinya bilet.
Oleh karena itu penting untuk menjaga bukaan sekecil mungkin dan mengencangkannya. Cara efektif lainnya dalam mengurangi kehilangan panas melalui bukaan tungku adalah dengan membuka pintu tungku lebih jarang dan untuk jangka waktu yang sesingkat mungkin (opsi lainnya dijelaskan pada item 4.5). Kehilangan panas ini sekitar 1 persen dari jumlah total panas yang dihasilkan dalam tungku, jika tungku dikendalikan dengan benar.
Bagian 3.3.3 sudah menjelaskan satu cara perhitungan kehilangan panas melalui bukaan. Namun satu cara alternatif untuk menghitung kehilangan panas adalah dengan persamaan sebagai berikut:
Dimana ,
Q = kehilangan panas T = suhu absolut (K)
a = faktor untuk radiasi total A = Luas bukaan, m2
H = waktu (jam)
Contoh, sebuah tungku pemanas ulang dengan suhu 1340 oC, ketebalan dinding 460 mm (X) dan ukuran pintu 1 meter tiggi kali 1 meter lebar. D/X = 1/0,460 = 0,71, dan dalam Gambar 12 nilai ini berkesesuaian dengan faktor untuk total radiasi 0,71. Oleh karena itu kehilangan panas dari bukaan adalah:
4.5. Pengendalian draft tungku
Jika terdapat tekanan negatif dibagian dalam tungku, udara dapat merembes melalui retakan dan bukaan dan mempengaruhi pengendalian perbandingan udara-bahan bakar. Hal ini pada gilirannya dapat menyebabkan logam tidak mencapai suhu yang dikehendaki atau suhunya tidak seragam, yang akan mempengaruhi proses berikutnya seperti penempaan dan penggulungan/
rolling. Pemakaian bahan bakar dan laju peno lakan produk akan meningkat. Pengujian yang
dilakukan terhadap tungku kedap udara menunjukan perembesan udara mencapai 40 persen. Untuk menghindari ini, tekanan yang sedikit positif harus dicapai dibagian dalam tungku (sebagai tambahan terhadap pengukuran yang disebutkan dalam 4.4).
Akan tetapi perbedaan tekanan tidak boleh terlalu tinggi sebab hal ini dapat menyebabkan eks-filtrasi. Sementara hal ini merupakan masalah yang lebih kecil dari perembesan, eks- filtrasi masih dapat menyebabkan nyala keluar dari tungku, pemanasan berlebihan terhadap refraktori yang menyebabkan umur batu bata berkurang, meningkatkan perawatan tungku, dan membakar habis saluran-saluran dan peralatan.
Oleh karena itu manajemen yang benar terhadap perbedaan tekanan antara bagian dalam dan luar tungku penting untuk meminimalkan kehilangan panas dan dampak yang merugikan pada produk.
4.6. Penggunaan kapasitas optimum
Salah satu faktor yang sangat penting yang mempengaruhi efisiensi tungku adalah bebannya. Hal ini termasuk jumlah bahan yang ditempatkan dalam tungku, susunan bagian dalam tungku dan waktu tinggal dibagian dalam tungku.
a) Beban optimal
Jika tungku diberi beban dimana bagian panas total tersedia yang akan diambil oleh beban ternyata lebih kecil maka akan menghasilkan efisiensi yang rendah. Pembebanan berlebih dapat mengakibatkan beban tidak terpanasi dengan benar didalam jangka waktu yang diberikan. Terdapat beban khusus dimana tungku akan beroperasi pada efisiensi maksimum, yakni dimana jumlah bahan bakar per kg bahannya merupakan yang terkecil. Beban ini biasanya didapatkan dengan pencatatan berat bahan pada setiap pengisian, waktu yang terpakai untuk mencapai suhu yang benar, dan jumlah bahan bakar yang digunakan. Tungku harus diberi muatan pada beban yang op timum sepanjang waktu, walaupun dalam prakteknya hal ini tidak selalu memungkinkan.
b) Susunan beban yang optimal
Pemberian beban bahan ke perapian tungku harus disusun sehingga:
Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di - www.energyefficiencyasia.org ©UNEP 2006 34 nyala.
§ Gas-gas panas disrikulasikan secara efisien disekitar permukaan bahan penerima panas § Stok tidak diletakkan dalam posisi berikut:
− Dalam lintasan langsung ke burner atau dimana pergeseran nyala mungkin akan terjadi − Dalam area yang mungkin akan merintangi atau menghalangi sistim buangan tungku − Dekat ke berbagai pintu bukaan dimana kemungkinan akan berkembang titik -titik dingin
c) Waktu tinggal beban yang optimum
Pemakaian bahan bakar dijaga pada nilai yang minimum dan kualitas produknya yang terbaik jika beban hanya tinggal dibagian dalam tungku sampai beban ini memiliki sifat fisik dan metalurgi yang dikehendaki.
Kadang-kadang jadwal pengisian dan produksi tidak berkesesuaian dengan kapasitas tungku. Jika hal ini merupakan kasus maka:
§ Beban lebih tinggi atau lebih rendah daripada beban optimum
§ Waktu tinggal lebih lama atau lebih pendek daripada waktu tinggal ideal, Waktu tinggal yang berlebihan akan meningkatkan oksidasi permukaan bahan yang mengakibatlkan penolakan terhadap produk. Laju oksidasi tergantung pada waktu, suhu, dan juga kandungan oksigen bebasnya.
§ Suhu dinaikkan untuk memperpendek waktu tinggal. Semakin tinggi suhu kerja maka makin tinggi pula kehilangan per unit waktunya.
Keseluruhan diatas merupakan pemborosan bahan bakar dan kadangkala menurunkan kualitas produk. Oleh karena itu, penting untuk melakukan koordinasi antara operator tungku, personil produksi dan perencanaan.
Penggunaan tungku yang optimum dapat direncanakan pada tahap perancangan, dengan memilih jenis (batch, kontinyu) dan ukurannya yang paling cocok dengan jadwal produksi.
Efisiensi keseluruhan untuk tungku jenis kontinyu akan meningkat dengan penguatan panas dari aliran limbah gas. Jika hanya digunakan tungku jenis batch, perencanaan hati- hati terhadap beban adalah penting. Tungku harus diisi ulang sesegera mungkin agar dapat menggunakan panas dari residu tungku.
4.7. Pemanfaatan kembali limbah panas dari gas buang tungku
Dalam berbagai tungku industri, produk pembakaran meninggalkan tungku pada suhu yang lebih tinggi dari suhu stok. Gas buang membawa 35 sampai 55 persen panas yang masuk ke tungku melalui cerobong. Makin tinggi jumlah udara berlebih dan suhu gas buang, makin tinggi pula jumlah limbah panas yang tersedia. Walau demikian, tujuan utamanya harus meminimalkan jumlah limbah panas yang dihasilkan melalui tindakan konservasi energi. Pemanfaatan kembali limbah panas harus dipertimbangkan hanya jika konservasi energi lebih lanjut tidak memungkinkan.
Limbah panas dalam gas buang dapat dimanfaatkan kembali untuk pemanasan awal muatan (stok, beban), pemanasan awal udara pembakaran atau untuk proses-proses lainnya sebagaimana dijelaskan dibawah.
a) Pemanasan awal muatan
Bila bahan baku diberi pemanasan awal oleh gas buang sebelum ditempatkan dalam tungku pemanasan, jumlah bahan bakar yang diperlukan untuk memanaskan bahan baku tersebut dalam tungku jadi berkurang. Dikarenakan bahan baku biasanya berada pada suhu kamar, maka bahan tersebut dapat dipanaskan secara berkecukupan dengan menggunakan gas buang bersuhu tinggi untuk mengurangi laju pemakaian bahan bakar.
b) Pemanasan awal udara pembakaran
Telah sekian lama, gas bahan bakar hanya digunakan untuk pemanasan awal udara pembakaran untuk boiler yang besar, tungku pemanas logam dan kiln suhu tinggi. Namun saat ini pemanasan awal dengan menggunakan panas dari gas buang juga digunakan terhadap boiler yang kompak dan tungku industri yang kompak.
Berbagai macam peralatan tersedia untuk memanfaatkan kembali limbah panas. Rekuperator eksternal merupakan yang paling umum, namun teknik yang lain juga digunakan seperti burner dengan penguatan sendiri. Contoh, sebuah rekuperator modern yang menggunakan gas keluaran dari tungku bersuhu 1000°C dapat memanaskan awal udara pembakaran sampai lebih 500 oC, yang menghasilkan penghematan energi sampai 30 persen dibanding dengan menggunakan udara pembakaran yang dingin menuju tungku.
Dikarenakan volum udara pembakaran meningkat bila udara diberi pemanasan awal, maka perlu untuk mempertimbangkan hal ini bila melakukan modifikasi diameter saluran udara dan blower. Harus dicatat bahwa pemanasan awal gas pembakaran dari minyak dengan massa jenis tinggi dengan yang mengandung sulfur tinggi dapat mengakibatkan penyumbatan oleh debu atau sulfida, korosi atau meningkatnya oksida nitrogen.
c) Penggunaan limbah panas sebagai sumber panas untuk proses-proses lain
Proses lain (untuk menghasilkan steam atau air panas oleh sebuah boiler limbah panas)
Suhu gas yang keluar dari tungku dapat setinggi 400- 600 °C, bahkan setelah panasnya
dimanfaatkan kembali dari gas tersebut untuk pemanasan awal muatan atau udara pembakaran. Satu kemungkinannya adalah memasang sebuah boiler limbah panas untuk menghasilkan steam atau air panas dari panas ini, terutama bila sejumlah besar steam atau air panas diperlukan dalam pabrik. Kadang-kadang gas yang terbuang dapat digunakan untuk maksud pemanasan pada peralatan lain, namun hanya jika jumlah panas, kisaran suhu, waktu operasi dll cocok untuk keperluan ini. Pemakaian bahan bakar sangat dapat dikurangi. Satu contoh yang ada adalah penggunaan gas yang terbuang dari tungku quenching sebagai sumber panas dalam tungku pengeras/ tempering.
Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di - www.energyefficiencyasia.org ©UNEP 2006 36
4.8. Meminimalkan kehilangan pada kulit tungku
Sekitar 30 sampai 40 persen bahan bakar yang digunakan dalam tungku yang intermittent atau tungku kontinyu digunakan untuk me make-up panas yang hilang melalui kulit/permukaan atau dinding tungku. Besarnya kehilangan pada dinding tergantung pada:
§ Emisivitas dinding
§ Konduktivitas panas refraktori § Ketebalan dinding
Terlepas dari apakah tungku itu beroperasi secara kontinyu atau hanya intermittent. Terdapat beberapa cara untuk meminimalkan kehilangan panas melalui kulit tungku: § Pemilihan bahan refraktori yang cocok
§ Penambahan ketebalan dinding
§ Pemasangan batu bata isolasi. Suhu dinding bagian luar dan kehilangan panas dinding komposit sangat rendah untuk dinding batu bata tahan api dan isolasi dibandingkan dengan dinding dengan ketebalan sama yang mengandung hanya batu bata refraktori. Alasannya adalah bahwa batu bata isolasi memiliki konduktivitas yang sangat rendah.
§ Perencanaan waktu operasi tungku. Untuk hampir seluruh tungku kecil, jangka waktu operasi bergantian dengan jangka waktu diam/idle. Bila tungku mati, panas yang diserap oleh refraktori selama operasi secara perlahan menghambur melalui radiasi dan konveksi dari permukaan dingin dan melalui aliran udara melalui tungku. Bila tungku dihidupkan lagi, diperlukan bahan bakar tambahan untuk memanaskan refraktori lagi. Jika tungku dioperasikan secara kontinyu selama 24 jam dalam 3 hari, hampir seluruh panas yang disimpan dalam refraktori hilang. Akan tetapi jika tungku dioperasikan 8 jam per hari seluruh panas yang tersimpan tidak akan hilang. Untuk tungku dengan dinding batu bata tahan api dan tebal 350 mm, diperkirakan bahwa selama 16 jam tungku itu dimatikan hanya 55 persen panas tersimpan dalam refraktori dihamburkan dari permukaan dinginnya. Oleh karena itu, perencanaan yang hati- hati terhadap jadwal operasi tungku dapat mengurangi kehilangan panas dan menghemat bahan bakar.
Jumlah kehilangan panas (Q) dari kulit tungku merupakan jumlah dari konveksi alami dan radiasi panas. Sebagai tambahan terhadap metoda yang dijelaskan pada bagian 3.3.3, dapat juga digunakan persamaan berikut::
Dimana ,
Q = Jumlah panas yang dilepas (kKal/jam)
a = faktor yang berkenaan dengan arah permukaan konveksi alami langit- langit = 2,8, dinding sisi = 2,2, perapian = 1,5
tl = suhu permukaan dinding tungku bagian luar (°C), berdasarkan rata-rata sebanyak mungkin pengukuran untuk mengurangi batas kesalahan
t2 = suhu udara disekitar tungku (°C)
E = emisivitas permukaan dinding tungku bagian luar
Bagian pertama dari persamaan memberikan kehilangan panas melalui konveksi alami, dan bagian kedua kehilangan panas melalui radiasi. Gambar 14 memperlihatkan hubungan antara suhu permukaan bagian luar dan jumlah panas yang lepas dihitung dengan rumus ini.
Sebuah contoh perhitungan kehilangan panas dari permukaan tungku adalah sebagai berikut: Sebuah tungku pemanas ulang memiliki langit- langit, dinding sisi dan perapian dengan luas permukaan masing- masing 20 m2, 50 m2 dan 20 m2. Suhu rata-rata permukaan terukur masing-masing 80°C, 90°C dan 100°C. Berdasarkan Gambar 14, jumlah panas yang lepas dari langit-langit, dinding sisi dan perapian per unit area masing- masing adalah 650 kKal/m2jam, 720 kKal/m2jam dan 730 kKal/m2jam.
Oleh karena itu, jumlah total panas yang lepas Q
= kehilangan melalui langit- langit + kehilangan melalui dinding sisi + kehilangan melalui perapian = (650 x 20) + (720 x 50) + (730 x 20) = 13000 + 36000 +14600= 63.600 kKal/jam
Gambar 15. Hubungan antara Suhu Permukaan dan Jumlah Kehilangan Panas (BEE, 2005)
Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di - www.energyefficiencyasia.org ©UNEP 2006 38
4.9 Penggunaan pelapis keramik (pelapis dengan emisivitas tinggi)
Pelapis keramik dalam ruang tungku menaikan perpindahan panas dengan cepat dan efisien, merata dan memperpanjang umur refraktori. Emisivitas refraktori konvensional berkurang dengan bertambahnya suhu dimana untuk pelapis keramik kenaikan ini hanya sedikit. Sifat yang terkemuka ini telah dieksploitasi dengan me nggunakan pelapis keramik dalam isolasi permukaan yang panas. Pelapis keramik merupakan pelapis dengan emisivitas tinggi dan memiliki umur yang panjang pada suhu mencapai 1350oC. Terdapat dua jenis pelapis keramik: pelapis yang digunakan untuk pelapisan bahan logam, dan pelapis yang digunakan untuk pelapisan bahan refraktori. Pelapis tidak beracun, tidak mudah terbakar dan berdasar air/ water base. Digunakan pada suhu kamar, disemprotkan dan kering oleh udara dalam waktu kurang dari lima menit. Pelapis menjadikan bahan mempertahankan sifat-sifat mekanik dan metalurgi yang dirancangnya. Pemasangannya cepat dan dapat diselesaikan selama masa penghentian pabrik. Penghematan energi sebesar 8 – 20 persen telah dilaporkan tergantung jenis tungku dan kondisi operasinya. Pelapis dengan emisivitas tinggi ini dijelaskan lebih lanjut pada bagian 2.3.3.
4.10 Pemilihan refraktori
Pemilihan refraktori bertujuan untuk memaksimalkan kinerja tungku, kiln atau boiler. Pabrik pembuat tungku atau pengguna harus mempertimbangkan hal-hal berikut dalam pemilihan refraktori:
§ Jenis tungku
§ Jenis muatan logamnya § Keberadaan terak/slag § Area penggunaan § Suhu kerja
§ Tingkat abrasi dan dampaknya § Beban struktur tungku
§ Tekanan karena tingginya suhu pada struktur dan fluktuasi suhu § Kesesuaian bahan kimia terhadap lingkungan tungku
§ Perpindahan panas dan konservasi bahan bakar § Pertimbangan biaya