Sistem Kerja Steam Boiler Berbahan Bakar Biomasa
Pada dasarnya fungsi dari steam boiler untuk menghasilkan uap dengan memanaskan air yang berada di dalam tangki untuk berbagai keperluan. Steam boiler berbahan bakar biomasa ini menggunakan bahan bakar berupa serbuk gergaji yang telah di ayak dan diumpankan ke dalam tungku pembakaran dengan
blower sentrifugal yang telah dimodifikasi. Prinsip kerja pengumpan bahan bakar yaitu serbuk gergaji yang berada di dalam hopper akan turun menuju lubang bukaan akibat gaya gravitasi. Hembusan udara yang dihasilkan blower akan menghasilkan tekanan dan membawa bahan bakar yang diterima dari hopper. Bahan bakar tersebut akan diteruskan menuju saluran pengumpan bahan bakar yang memiliki bentuk semakin mengecil. Dengan adanya perbedaan ukuran yang semakin kecil mengakibatkan semakin besar laju bahan bakar sehingga mampu mencapai ke ruang pembakaran yang berada di dalam tungku. Skema aliran bahan bakar disajikan pada Gambar 10.
Gambar 10 Skema aliran bahan bakar
Adanya api pemicu yang telah dibuat di dalam tungku pembakaran akan membakar langsung bahan bakar tersebut. Api akan terus menyala selama bahan bakar terus dialirkan. Pemanasan air di dalam tangki air dilakukan dari bagian bawah dinding tangki. Dengan semakin luasnya permukaan dinding yang terpanaskan maka akan mempercepat proses mendidihnya air dan proses pembentukan uap. Oleh karena itu, air di dalam tangki akan dipanaskan secara berkelanjutan hingga menghasilkan uap. Uap yang dihasilkan dari pemanasan air dikeluarkan melalui pipa saluran uap yang kemudian dimanfaatkan untuk proses
22
cerobong gas buang yang berada di belakang tungku. Skema sistem kerja tungku pembakaran dapat dilihat pada Gambar 11.
Gambar 11 Skema sistem kerja tungku
Pengujian Laju Bahan Bakar
Pada pengujian ini dilakukan untuk mengetahui laju bahan bakar pada masing-masing bukaan pengumpan bahan bakar. Tabel hasil pengujian laju bahan bakar pada masing-masing bukaan pengumpan dapat dilihat pada Tabel 10.
Tabel 10 Hasil pengujian untuk mengetahui laju bahan bakar tanpa pembakaran Bukaan
Hopper (cm)
Laju Bahan Bakar (kg/jam)
Rata-rata (kg/jam) Ulangan 1 2 3 2.5 67.4 71.1 69.3 69.3 5.0 177.2 176.8 184.8 179.6 7.5 241.8 238.6 240.6 240.3
Berdasarkan tabel di atas menunjukkan bahwa semakin besar luas bukaan hopper maka semakin besar laju bahan bakarnya. Pengujian disertai pembakaran dimaksudkan untuk mengetahui bukaan bahan bakar yang menghasilkan nyala api baik dan stabil. Pada saat pengujian. bukaan 2.5 cm menunjukkan nyala api paling baik yang ditandai dengan hasil nyala api yang stabil serta serbuk gergaji dari pengumpan bahan bakar yang dihasilkan mampu berjalan dengan kontinyu terbakar habis setelah masuk ke ruang pembakaran sehingga tidak ada penumpukan serbuk gergaji.
23 Pada bukaan 5.0 cm dan 7.5 cm api hanya mampu menyala tidak lama setelah serbuk gergaji diumpankan ke dalam tungku pembakaran. Hal ini dikarenakan serbuk gergaji tidak terbakar habis sehingga serbuk gergaji menimbun pemicu api yang terdapat di dalam tungku pembakaran. Berdasarkan pengamatan. pada bukaan 5.0 cm dan 7.5 cm api menyala semakin besar pada awal serbuk gergaji diumpankan dan kemudian semakin mengecil, pada akhirnya mati. Pengamatan juga dilakukan pada mulut pengumpan bahan bakar. Pada bukaan 2.5 cm, hampir tidak ada serbuk gergaji yang jatuh di mulut pengumpan bahan bakar. Sedangkan pada bukaan 5.0 cm dan 7.5 cm terdapat serbuk gergaji yang jatuh di mulut pengumpan bahan bakar. Serbuk gergaji yang jatuh tidak dapat terbakar di ruang pembakaran yang berakibat pada konsumsi bahan bakar yang tidak efektif. Jatuhnya serbuk gergaji dapat dikarenakan tidak seimbangnya banyaknya bahan bakar yang dikeluarkan pengumpan dengan luas mulut pengumpan bahan bakar. Dengan demikian, bukaan yang digunakan untuk pengujian akhir adalah bukaan 2.5 cm. Data hasil pengujian pendahuluan disertai pembakaran dapat dilihat pada Tabel 11.
Tabel 11 Data hasil pengujian nyala api pada berbagai bukaan pengumpan bahan bakar.
Bukaan Nyala api Lama nyala
api
Serbuk gergaji dari pengumpan
2.5 cm sedang Kontinyu Kontinyu
5cm sedikit membesar kemudian mati
9 menit Tidak kontinyu. tercecer di mulut pengumpan 7.5 cm membesar kemudian
mati
4 menit Kontinyu. tercecer di mulut pengumpan
Hasil Pengumpanan Bahan Bakar
Sistem pengumpanan bahan bakar pada boiler untuk pengolahan beras pratanak pada penelitian ini terbuat dari plat esser yang dihubungkan dengan
blower yang digunakan sebagai alat untuk menghembuskan serbuk gergaji menuju ruang pembakaran. Berdasarkan hasil uji pendahuluan, bukaan yang digunakan untuk pengujian akhir adalah bukaan 2.5 cm.
Saat pembakaran berlangsung, pengujian pada masing-masing bukaan bahan bakar menunjukkan hasil yang berbeda untuk mendidihkan 320 kg air. Pada bukaan 2.5 cm menghasilkan aliran bahan bakar yang berkelanjutan dan stabil. Hasil pengujian jumlah bahan bakar dan lama waktu untuk mendidihkan air pada setiap ulangan ditunjukkan pada Tabel 12.
Tabel 12 Jumlah bahan bakar dan waktu yang dibutuhkan untuk mendidihkan air pada suhu100oC.
Ulangan Lama Pemanasan (menit) Jumlah bahan bakar (kg)
1 55 63.5
2 60 69.3
3 60 69.3
24
Berdasarkan data di atas, laju bahan bakar berbanding lurus dengan lama waktu pemanasan, semakin lama waktu yang digunakan untuk mendidihkan air maka semakin banyak jumlah bahan bakar yang digunakan. Jumlah bahan bakar yang digunakan pada masing-masing ulangan menunjukkan hasil yang tidak sama, hal ini dapat disebabkan oleh serbuk gergaji yang tidak seragam jenis kayu bahan dasarnya. Berdasarkan pengamatan visual, serbuk gergaji yang berasal dari kayu berat ditandai dengan warna yang lebih gelap seperti kayu jati menghasilkan nyala api yang lebih besar dibandingkan serbuk gergaji yang berasal dari kayu ringan. Jumlah bahan bakar rata-rata untuk mendidihkan 320 liter air sebesar 67.4 kg.
Semakin besar debit udara pembakaran akan menghasilkan laju pembakaran yang lebih besar, yang berarti jumlah energi pembakaran meningkat sehingga suhu pembakaran meningkat. Hal tersebut disebabkan oleh meningkatnya pembakaran bahan bakar yang merupakan reaksi antara O2 udara dengan karbon dan hidrogen yang dikandung bahan bakar menghasilkan gas-gas CO2, H2O, CO dan C meningkat (Djatmiko 1986). Laju pembakaran bahan bakar biomasa merupakan rasio jumlah bahan bakar biomasa yang terbakar per satuan waktu
Pada pengujian akhir pengumpan bahan bakar juga digunakan untuk mengetahui konsumsi bahan bakar selama pemanasan berlangsung. Data hasil pengujian disajikan dalam Tabel 13.
Tabel 13 Data konsumsi bahan bakar Ulangan Laju bahan bakar
(kg/jam)
Lama pemanasan (menit)
Jumlah bahan bakar (kg)
1 69.3 175.0 202.1
2 69.3 180.0 207.9
3 69.3 180.0 207.9
Rata-rata 178.3 206.0
Lama pemanasan dihitung dari air mencapai suhu 100 oC kemudian terus dipanaskan selama 2 jam untuk mengetahui laju uap yang dihasilkan. Pada ulangan pertama, jumlah bahan bakar yang digunakan lebih sedikit, hal ini disebabkan oleh lama waktu yang digunakan untuk mendidihkan air pada suhu 100oC lebih cepat daripada ulangan kedua dan ketiga. Berdasarkan data di atas, jumlah rataan bahan bakar yang digunakan sebesar 206 kg.
Hasil Pengujian Tungku dan Boiler
Hasil perancangan desain steam boiler dapat dilihat pada Gambar 12. Bagian-bagian steam boiler terdiri dari ruang pembakaran, dinding tungku, saluran udara pembakaran, cerobong, level air, dan tangki air.
25
Gambar 12 Hasil perancangan steam boiler 1. Dinding Tungku
Dinding tungku terbuat dari batu bata yang di rekatkan dengan semen dan pasir. Hasil rancangan dinding tungku tergolong baik karena mampu menahan beban dari tangki air dan mampu menahan panas yang dihasilkan dari ruang pembakaran.
2. Ruang Pembakaran
Berdasarkan uji pendahuluan. ruang pembakaran bahan bakar ini mampu untuk menampung 75 kg bahan bakar. Berdasarkan hasil pengujian saat proses pembakaran. bahan bakar tidak memenuhi ruang pembakaran. Sebagian besar bahan bakar langsung terbakar habis dan api menyala dengan stabil. Nyala api di dalam ruang pembakaran dapat dilihat pada Gambar 13.
Gambar 13 Nyala api pada ruang pembakaran 3. Pintu Pengeluaran Bahan Bakar
Pintu pengeluaran bahan bakar sesuai dengan rancangan, walaupun pada saat pengujian mengalami beberapa kendala. Saat pengeluaran bahan bakar, sedikit kesulitan saat sisa bahan bakar berada di bagian pojok tungku. Pintu pengeluaran bahan bakar disajikan pada Gambar 14.
26
Gambar 14 Pintu pengeluaran bahan bakar 4. Cerobong Gas Buang
Saat pengujian berlangsung, asap yang dihasilkan mampu keluar dengan lancar melewati cerobong, tetapi terdapat asap yang keluar dari pintu pemasukan bahan bakar. Hal itu di sebabkan oleh ukuran cerobong yang berada di bagian dalam dinding tungku kurang lebar. Gambar cerobong gas buang dapat dilihat pada Gambar 15.
Gambar 15 Cerobong gas buang
Prinsip kerja tungku pembakaran adalah membakar bahan bakar di dalam ruang pembakaran yang dibantu oleh adanya suplai udara dan panas yang dihasilkan dimanfaatkan untuk memanaskan air yang ada di dalam drum yang berisi air yang kamudian akan menghasilkan uap. Uap yang dihasilkan dimanfaatkan untuk proses pengukusan gabah. Berdasarkan hasil percobaan yang dilakukan, pembakaran bahan bakar dipengaruhi oleh beberap faktor, atara lain
27 kebutuhan udara pembakaran bahan bakar, laju volumetric udara masuk, laju pembakaran bahan bakar, suhu yang dihasilkan selama pembakaran bahan bakar, dan ukuran ruang pembakaran di dalam tungku. Faktor-faktor tersebut akan mempengaruhi kecepatan didih air, kehilangan panas pada sistem, dan panas efektif. Secara keseluruhan, semua faktor tersebut akan mempengaruhi efisiensi sistem. Data rata-rata suhu hasil pengujian dapat dilihat pada Gambar 16.
Gambar 16 Grafik pengamatan suhu steam boiler
Analisis Pindah Panas Sistem
Pindah panas yang terjadi pada sistem (tungku dan tangki air) meliputi pindah panas konduksi, konveksi dan radiasi. Perpindahan panas secara konduksi adalah perambatan panas yang tidak disertai dengan perambatan massa. Konduksi biasanya terjadi pada zat padat. Nilai konduksi yang melalui media tertentu tergantung pada geometri media, ketebalan dan bahan media tersebut yaitu nilai konduktivitas termal bahan (Gengel 2001). Pindah panas konduksi dalam sistem antara lain terjadi pada permukaan dinding dalam tungku ke permukaan dinding luar tungku, pindah panas dari permukaan dinding dalam tangki ke permukaan dinding luar tangki.
Perpindahan panas secara konveksi terjadi pada aliran pindah panas dari udara pembakaran ke dinding dalam tungku, pindah panas dari permukaan luar tungku ke lingkungan, pindah panas dari udara hasil pembakaran ke tangki pemasak, pindah panas dari bahan yang dimasak ke dinding dalam tangki, pindah panas dari permukaan dinding luar tangki ke lingkungan. Pindah panas secara radiasi terjadi pada saat pindah panas dari api pembakaran ke sekitarnya, pindah panas dari permukaan dinding luar tangki ke lingkungan.
Konduktifitas panas bahan yang dilalui aliran panas, perbedaan suhu antara dua permukaan, luas permukaan pindah panas mampu mempengaruhi pindah panas pada suatu sistem. Semakin besar konduktifitas panas suatu bahan maka semakin besar pula panas yang teralirkan. Peningkatan perbedaan suhu antara dua permukaan dan luas permukaan pindah panas mengakibatkan peningkatan laju panas yang terjadi pada sistem. Pindah panas pada sistem yang terjadi dalam
28
percobaan tidak dapat dihitung seluruhnya. Nilai panas yang dapat dihitung meliputi kehilangan panas pada dinding tegak tungku sebesar 1.905 x 104 kJ. kehilangan panas karena aliran udara sebesar 1.117 x 106kJ dan kehilangan panas pada dinding tangki sebesar 225 kJ. Sedangkan panas pembakaran bahan bakar yang digunakan untuk menaikkan suhu sebesar 3.275 x 106 kJ, dan energi panas termanfaatkan yang diterima oleh air untuk menaikkan suhu air dan untuk penguapan sebesar 4.752 x 105 kJ. Karena panas pembakaran dari hasil penjumlahan panas yang hilang dari sistem tungku tidak dapat terukur saluruhnya, maka dalam perhitungan nilai efisiensi pembakaran dan efisiensi pemasakan juga tidak diperhitungkan. Sehingga nilai analisis pindah panas sistem hanya menghitung efisiensi sistem keseluruhan. Diasumsikan bahwa panas radiasi sinar matahari tidak mempengaruhi sistem yang diukur dan diasumsikan juga pindah panas terjadi pada keadaan mantap.
Lama Pemanasan Air Dan Laju Uap
Dengan bahan bakar yang sama, masing-masing pengujian memiliki waktu yang berbeda untuk mendidihkan air. Pada ketiga percobaan yang dilakukan, pemicu api meggunakan kayu bakar kemudian di nyalakan dengan bahan bakar minyak. Pemanasan 320 lt air dilakukan dari api mulai menyala stabil sampai air mendidih pada suhu 100o C kemudian dilanjutkan selama 2 jam untuk menghitung laju uap setiap jamnya. Data hasil pengujian untuk mendapatkan laju penguapan dapat dilihat pada Tabel 14.
Tabel 14 Data laju penguapan. Ulangan Massa air Sisa air
Jumlah
uap Lama pemanasan Laju uap
(kg) (kg) (kg) (jam) (kg/jam)
1 320 161.4 158.6 2.0 79.3
2 320 153.7 166.3 2.0 83.2
3 320 147.3 172.7 2.0 86.4
Rata-rata 165.9 2.0 82.9
Berdasarkan data di atas, nilai laju uap pada masing-masing ulangan tidak sama. Hal ini dapat disebabkan karena ketidakseragaman jenis kayu dari serbuk gergaji. Berdasarkan pengamatan secara visual, serbuk gergaji yang berwarna gelap menghasilkan nyala api yang lebih besar daripada serbuk gergaji yang berwarna lebih terang. Faktor cuaca dan kondisi kelembaban di dalam tungku juga berpengaruh pada laju uap.
Efisiensi Sistem
Efisiensi yang dimaksudkan disini adalah perbandingan antara energi panas yang diberikan bahan bakar dengan energi panas yang termanfaatkan untuk memanaskan air. Banyaknya uap yang terbentuk setiap jam dapat menentukan efisiensi boiler. Semakin banyak uap uang dihasilkan dan semakin sedikit jumlah
29 bahan bakar yang butuhkan maka efisiensi akan meningkat. Dengan kata lain. nilai efisiensi akan semakin besar apabila energi panas yang termanfaatkan untuk memanaskan air di dalam tangki semakin besar dan energi yang terbuang ke lingkungan sedikit. Data hasil pengujian akhir boiler dapat dilihat pada Tabel 15. Tabel 15 Data hasil pengujian akhir
Parameter Nilai
Massa air 320 kg
Laju bahan bakar 69.3 kg/jam
Laju uap 82.9 kg/jam
Suhu uap terbentuk 135oC
Jumlah uap terbentuk 165.9 kg
Energi panas bahan bakar 3.275 x 106 kJ/kg
Energi panas terpakai 4.752 x 105 kJ
Energi panas hilang 1.136 x 106 kJ
Efisiensi boiler 22.2 %