KETEL UAP
ANALISA EFISIENSI WATER TUBE BOILER BERBAHAN
BAKAR FIBER DAN CANGKANG DI PALM OIL MILL
DENGAN KAPASITAS 45 TON TBS/JAM
SKRIPSI
Skripsi Ini Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
PESULIMA BATUBARA
NIM: 120421022
PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
ABSTRAK
Beberapa faktor yang mempengaruhi efisiensi boiler adalah tekanan
superheater, temperatur air umpan, temperatur uap, jumlah uap yang dihasilkan,
jumlah konsumsi bahan bakar, dan nilai kalor pembakaran bahan bakar.
Penggunaan software chemicallogic steamtab companion untuk menghitung nilai
enthalpy. Tujuan dari penelitian ini adalah mendapatkan hubungan variasi tekanan
superheater dengan efisiensi boiler, hubungan variasi suhu air umpan dengan
efisiensi boiler, hubungan variasi jumlah uap yang dihasilkan dengan efisiensi
boiler, menganalisa nilai kalor bahan bakar serabut 75% + cangkang 25%, dan
menganalisa efisiensi water tube boiler. Dari hasil analisa yang telah dilakukan
maka hubungan variasi tekanan superheater dengan efisiensi boiler tidak konstan
naik melainkan naik turun, hubungan variasi suhu air umpan dengan efisiensi
boiler konstan teteap, hubungan variasi jumlah uap yang dihasilkan dengan
efisiensi boiler relatif naik, nilai kalor pembakaran tinggi (HHV) adalah
21323,584 kJ/kg, nilai kalor pembakaran rendah (LHV) adalah 18083,584 kJ/kg,
nilai efisiensi boiler tertinggi yang dihasilkan sebesar 71,05% dan nilai efisiensi
boiler terendah yang dihasilkan sebesar 69,49%.
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Kuasa atas
berkat yang diberikanNya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Sarjana
ini. Tugas Sarjana ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan untuk mencapai gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun yang menjadi judul Tugas Sarjana ini yaitu “Analisa Efisiensi Water Tube Boiler Berbahan Bakar Fiber Dan Cangkang Di Palm Oil Mill Dengan
Kapasitas 45 Ton TBS/Jam”
Dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini, penulis mendapat dukungan dari
berbagai pihak. Maka pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima
kasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Bapak Ir. Tekad Sitepu sebagai dosen pembimbing yang telah meluangkan
waktunya untuk memberikan arahan dan bimbingan kepada penulis dalam
menyelesaikan Tugas Sarjana ini.
2. Bapak Dr.Ing.Ir.Ikwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik
Mesin Fakultas Teknik USU.
3. Ir. M. Syahril Gultom, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
4. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin USU.
5. Bapak Bahara Tua Tobing dan Bapak Teddi Atmaja Saragih yang telah
membantu penulis selama melaksanakan surve dilapangan di Pabrik Dolok
Palm Oil Mill lima Puluh.
6. Kedua orang tua penulis, Ayahanda P. Batubara dan Ibunda N. br Gultom,
yang telah memberikan dukungan doa, materi dan semangat.
8. Seluruh teman-teman penulis, baik teman satu angkatan 2012 juga teman-
teman yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu yang telah menemani
dan memberikan masukan serta semangat kepada penulis
Penulis menyadari sepenuhnya Tugas Sarjana ini masih jauh dari
kesempurnaan dan banyak kekurangannya. Untuk itu penulis sangat
mengharapkan adanya saran dari para pembaca untuk memperbaiki dan
melengkapi penulisan ini ke depannya, penulis berharap semoga tulisan ini dapat
berguna dan memperkaya ilmu pengetahuan bagi para pembaca. akhir kata penulis
mengucapkan terima kasih.
Medan, September 2014
Penulis,
Pesulima Batubara
DAFTAR ISI
1.5 Metode Pengumpulan Data ... 3
1.6 Sistematika Penulisan ... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1Pengertian Boiler ... 5
2.2Klasifikasi Boiler ... 6
2.3Bagian-bagian Boiler ... 14
2.4 Pengoperasian Boiler ... 25
2.5 Bahan Bakar Boiler ... 28
2.7 Proses Pembentukan Uap ... 36
2.8 Metode Pengkajian Efisiensi Boiler ... 37
2.9 Neraca Panas ... 41
2.10 Nilai Kalor (Heating Value) ... 42
2.11 Kebutuhan Udara Pembakaran ... 43
2.12 Gas Asap ... 44
2.13 Volume Gas Asap ... 45
2.14 Perhitungan Efisiensi Boiler ... 46
BAB III METODELOGI PENELITIAN 3.1 Pendahuluan ... 47
3.2 Stasiun Boiler Dolok Palm Oil Mill ... 48
3.3 Metodologi Analisa Yang Digunakan ... 49
3.4 Data Spesifikasi Boiler ... 50
3.5 Data Dari Stasiun Boiler ... 50
3.6 Data Hasil Percobaan Bom Kalorimeter ... 57
BAB IV ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN 4.1 Nilai Kalor Bahan Bakar ... 58
4.2 Kebutuhan Udara Bahan Bakar ... 66
4.3 Perhitungan Gas Asap ... 67
4.5 Perhitungan Efisiensi Boiler ... 70
4.5.1 Analisa Efisiensi Boiler Saat Baru ... 71
4.5.2 Analisa Berdasarkan Data 1 ... 73
4.5.3 Analisa Berdasarkan Data 2 ... 75
4.5.4 Analisa Berdasarkan Data 3 ... 77
4.5.5 Analisa Berdasarkan Data 4 ... 79
4.5.6 Analisa Berdasarkan Data 5 ... 81
4.5.7 Analisa Data Rata-rata Berdasarkan Data 6 ... 83
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ... 93
5.2 Saran ... 94
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Diagram sederhana fire tube boiler ... 7
Gambar 2.2 Water tube boiler ... 7
Gambar 2.3 Ketel stasioner (stationary boiler) ... 9
Gambar 2.4 Ketel mobil (mobile boiler) ... 9
Gambar 2.5 Ketel pembakaran didalam ... 10
Gambar 2.6 Ketel pembakaran diluar ... 10
Gambar 2.7 Single tube steam boiler ... 11
Gambar 2.8 Multi fire tube boiler ... 11
Gambar 2.9 Ketel tegak (vertical steam boiler) ... 12
Gambar 2.10 Ketel mendatar (horizontal steam boiler) ... 12
Gambar 2.11 Ketel dengan pipa lurus, bengkok, dan berlekak-lekuk ... 13
Gambar 2.12 Ketel dengan pipa miring-datar dan miring tegak ... 13
Gambar 2.13 Fd fan ... 15
Gambar 2.14 Steam drum ... 15
Gambar 2.15 Mud drum ... 16
Gambar 2.16 Pembuangan abu (Ash hopper) ... 17
Gambar 2.17 Chimney ... 17
Gambar 2.18 Pressure furnace draft controller ... 18
Gambar 2.19 Induced draft fan ... 18
Gambar 2.26 Water level controller... 22
Gambar 2.28 Panel utama (main panel) ... 23
Gambar 2.29 Wall tube boiler ... 24
Gambar 2.30 Superheater ... 25
Gambar 2.31 Fiber kelapa sawit... 30
Gambar 2.32Cangkang sawit ... 30
Gambar 2.33 Diagram alir siklus rankine sederhana ... 33
Gambar 2.34 Diagram T-S siklus rankine sederhana ... 33
Gambar 2.35 Diagram alir siklus rankine dengan satu tingkat ekstraksi ... 34
Gambar 2.36 Diagram T-S siklus rankine dengan satu tingkat ekstraksi ... 35
Gambar 2.37 Diagram alir siklus rankine terbuka ... 35
Gambar 2.38 Diagram T-S siklus rankine terbuka ... 36
Gambar 2.39 Diagram T-S ... 37
Gambar 2.40Diagram neraca energi boiler ... 41
Gambar 2.41 Kehilangan pada boiler yang berbahan bakar batubara ... 41
Gambar 3.1 Diagram T-S pembentukan uap ... 47
Gambar 4.1 Grafik hubungan tekanan superheater dengan steam flow ... 85
Gambar 4.2 Grafik hubungan enthalpy uap dengan efisiensi boiler ... 86
Gambar 4.3 Grafik hubungan tekanan superheater dengan efisiensi boiler ... 87
Gambar 4.4 Grafik hubungan suhu air umpan dengan efisiensi boiler ... 88
Gambar 4.5 Grafik hubungan produksi uap dengan efisiensi boiler ... 90
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Komposisi dari unsur-unsur kimia bahan bakar ... 31
Tabel 3.1 Spesifikasi boiler ... 50
Tabel 3.9 Cangkang kelapa sawit murni ... 57
Tabel 3.10 Serabut 75 % + Cangkang 25 % kelapa sawit ... 57
Tabel 4.1 Hasil analisa nilai kalor bahan bakar serabut kelapa sawit murni ... 60
Tabel 4.2 Hasil analisa nilai kalor bahan bakar cangkang kelapa sawit murni ... 63
Tabel 4.3 Hasil analisa nilai kalor bahan bakar serabut 75 % + 25 % cangkang kelapa sawit ... 66
Tabel 4.4 Hubungan tekanan superheater dengan steam flow ... 85
Tabel 4.5 Hubungan enthalpy uap dengan efisiensi boiler ... 86
Tabel 4.6 Hubungan tekanan superheater dengan efisiensi boiler ... 87
Tabel 4.7 Hubungan suhu air umpan dengan efisiensi boiler ... 88
Tabel 4.8 Hubungan produksi uap dengan efisiensi boiler ... 89
DAFTAR SIMBOL
Notasi Arti Satuan
Efisiensi (%)
t Temperatur (oC)
HHV High heating value (kJ/kg)
LHV Low heating value (kJ/kg)
h Entalpi (kJ/kg)
Wf Banyaknya bahan bakar (kg/jam)
Ws Kapasitas uap (kg uap /jam)
Vg Volume gas asap (m3/kgBB)
P Tekanan (bar)
α Faktor kelebihan udara (%)
Gt Berat gas asap teoritis (kg/kgBB)
Gs Berat gas asap sebenarnya (kg/kgBB)
Ut Kebutuhan udara teoritis (kg/kgBB)
Us Kebutuhan udara sebenarnya (kg/kgBB)
h3 Entalpi uap (kJ/kg)
h1 Entalpi air umpan/pengisi ketel (kJ/kg)
ABSTRAK
Beberapa faktor yang mempengaruhi efisiensi boiler adalah tekanan
superheater, temperatur air umpan, temperatur uap, jumlah uap yang dihasilkan,
jumlah konsumsi bahan bakar, dan nilai kalor pembakaran bahan bakar.
Penggunaan software chemicallogic steamtab companion untuk menghitung nilai
enthalpy. Tujuan dari penelitian ini adalah mendapatkan hubungan variasi tekanan
superheater dengan efisiensi boiler, hubungan variasi suhu air umpan dengan
efisiensi boiler, hubungan variasi jumlah uap yang dihasilkan dengan efisiensi
boiler, menganalisa nilai kalor bahan bakar serabut 75% + cangkang 25%, dan
menganalisa efisiensi water tube boiler. Dari hasil analisa yang telah dilakukan
maka hubungan variasi tekanan superheater dengan efisiensi boiler tidak konstan
naik melainkan naik turun, hubungan variasi suhu air umpan dengan efisiensi
boiler konstan teteap, hubungan variasi jumlah uap yang dihasilkan dengan
efisiensi boiler relatif naik, nilai kalor pembakaran tinggi (HHV) adalah
21323,584 kJ/kg, nilai kalor pembakaran rendah (LHV) adalah 18083,584 kJ/kg,
nilai efisiensi boiler tertinggi yang dihasilkan sebesar 71,05% dan nilai efisiensi
boiler terendah yang dihasilkan sebesar 69,49%.
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Boiler mempunyai peranan yang sangat penting dalam kelangsungan
kinerja dari sebuah pabrik kelapa sawit dengan kata lain bisa dikatakan sebagai
jantung dari pabrik kelapa sawit. Fungsi dari boiler adalah menghasilkan uap yang
digunakan untuk kebutuhan proses pabrik, dan membangkitkan listrik untuk
kebutuhan pabrik maupun perumahan karyawan di sekitar pabrik.
Peralatan pabrik yang berupa sistem boiler merupakan asset yang sangat
penting bagi perusahaan. Boiler disini mempunyai peranan penting dalam proses
produksi uap, dimana uap ini nantinya akan digunakan untuk memutar turbin uap
sebagai penghasil energi listrik untuk kebutuhan pabrik dan uap keluaran turbin
digunakan untuk proses pengolahan, di PALM OIL MILL uap menjadi kebutuhan
utama, dimana uap dibutuhkan untuk stasiun perebusan (sterilizer), stasiun press
(digester), stasiun klarifikasi, stasiun pengolahan inti sawit, dan stasiun tangki
timbun.
Apabila terjadi gangguan pada sistem boiler tersebut maka kelancaran dan
kontinuitas produksi uap akan terganggu sehingga produksi minyak kelapa sawit
yang dihasilkan juga akan mengalami gangguan. Untuk mengetahui kinerja boiler
yang ada di PALM OIL MILL maka penulis akan menganalisa dan menghitung
efisiensi boiler di perusahaan tersebut.
Disamping itu juga sering kali efisiensi kualitas kerja boiler tersebut
diabaikan padahal peningkatan efisiensi kualitas kerja boiler itu sendiri akan
memberikan nilai ekonomis sendiri bagi perusahaan. Oleh karena itu peningkatan
Berdasarkan uraian diatas, penulis merasa tertarik untuk membahas dan
ingin mengetahui lebih banyak lagi tentang hal-hal yang berkaitan dengan boiler
di PALM OIL MILL, dimana data-data yang penulis pergunakan untuk
penyusunan skripsi ini diambil dari data-data selama penulis melaksanakan Kerja
Praktek (KP) di PALM OIL MILL tanggal 10 Maret 2014 - 10 April 2014.
1.2 Batasan Masalah
Dalam penyusunan laporan ini, penulis membatasi masalah-masalah yang
akan dibahas. Adapun batasan masalah yang akan dibahas dalam laporan ini
adalah:
1. Menghitung efisiensi water tube boiler dari data yang ada di lapangan.
2. Berdasarkan dari komposisi bahan bakar yang digunakan maka nilai kalor
pembakaran rendah (LHV) tidak berubah.
3. Metode analisa water tube boiler yang digunakan metode secara
langsung.
4. Nilai kalor bahan bakar diuji dengan menggunakan bom kalorimeter.
5. Mencari nilai enthalpy menggunakan software chemicallogic steamtab
companion.
1.3 Tujuan
Adapun tujuan dari penelitian ini adalah:
1. Menganalisa efisiensi water tube boiler di Palm Oil Mill.
2. Membandingkan efisiensi boiler saat baru dengan keadaan sekarang.
3. Mendapatkan hubungan variasi tekanan superheater dengan efisiensi
boiler.
4. Mendapatkan hubungan variasi suhu air umpan dengan efisiensi boiler.
5. Mendapatkan hubungan variasi jumlah uap yang dihasilkan dengan
1.4Manfaat
1. Bagi penulis sendiri menambah wawasan dan pengetahuan tentang water
tube boiler.
2. Sebagai bahan perbandingan bagi mahasiswa lain yang akan membahas hal
yang sama.
3. Membandingkan antara teori yang diperoleh dari bangku perkuliahan
dengan yang ada di lapangan.
1.5 Metode Pengumpulan Data
Dalam menyusun laporan ini, penulis melakukan beberapa metode dalam
pengumpulan data diantaranya:
1. Tinjau lapangan yakni dengan melakukan pengambilan data terhadap objek
yang diteliti secara langsung kelapangan.
2. Konsultasi dengan pembimbing lapangan dan pembimbing di perkuliahan.
3. Studi literatur yaitu mempelajari buku-buku referensi dalam melengkapi
teori-teori yang berhubungan dengan water tube boiler.
1.6 Sistematika Penulisan
Penyusunan skripsi dibuat dengan sistematika penulisan sebagai
berikut:
Bagian awal yang berisi tentang halaman judul, halaman pengesahan, kata
pengantar, daftar isi dan daftar lampiran.
Bagian kedua adalah merupakan bagian utama atau isi dari penulisan
skripsi ini, yang terdiri dari lima bab:
1. Bab I: Pendahuluan, meliputi latar belakang masalah, batasan masalah,
tujuan penelitian, manfaat penelitian, metode pengumpulan data,
2. Bab II: Tinjauan Pustaka, berisikan dasar-dasar teori yang didasarkan dari
hasil studi literatur yang berhubungan dengan judul skripsi. Teori-teori
yang disajikan berupa pengertian, teori-teori tersebut diambil dari berbagai
sumber seperti buku bacaan, survei lapangan dan dari internet
bahan-bahan tersebut akan digabung menjadi sebuah tulisan yang menjadi dasar
teori dari judul skripsi yang memperkuat skripsi tersebut dengan data-data
yang ada.
3. Bab III: Metodologi Penelitian
Pada bab ini akan membahas mengenai metedologi yang digunakan untuk
menganalisa efisiensi boiler.
4. Bab IV: Analisa data dan Pembahasan
Pada bab ini akan diuraikan tentang proses perhitungan dari data-data
yang sudah didapatkan perhitungan dilakukan berdasarkan landasan teori
dimana rumus-rumus tersebut akan digunakan untuk mendapatkan
data-data hasil yang diinginkan proses perhitungan dan pembahasan akan
disajikan secara teratur dan terangkai dengan baik .
5. Bab V: Kesimpulan Dan Saran
Pada bab ini berisikan tentang intisari ataupun kesimpulan yang
didapatkan dalam proses penyusunan skripsi dan hasil yang didapatkan.
Bab ini akan menguraikan secara singkat hal-hal yang sangat penting
tentang hasil yang diperoleh.
6. Daftar Pustaka berisikan literatur yang digunakan dalam penelitian dan
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengertian Boiler
Boiler/ketel uap merupakan bejana tertutup dimana panas pembakaran
dialirkan ke air sampai terbentuk air panas atau steam berupa energi kerja. Air
adalah media yang berguna dan murah untuk mengalirkan panas ke suatu proses.
Air panas atau steam pada tekanan dan suhu tertentu mempunyai nilai energi yang
kemudian digunakan untuk mengalirkan panas dalam bentuk energi kalor ke suatu
proses. Jika air didihkan sampai menjadi steam, maka volumenya akan meningkat
sekitar 1600 kali, menghasilkan tenaga yang menyerupai bubuk mesiu yang
mudah meledak, sehingga sistem boiler merupakan peralatan yang harus dikelola
dan dijaga dengan sangat baik.
Energi kalor yang dibangkitkan dalam sistem boiler memiliki nilai
tekanan, temperatur, dan laju aliran yang menentukan pemanfaatan steam yang
akan digunakan. Berdasarkan ketiga hal tersebut sistem boiler mengenal keadaan
tekanan-temperatur rendah (low pressure/LP), dan tekanan-temperatur tinggi
(high pressure/HP), dengan perbedaan itu pemanfaatan steam yang keluar dari
sistem boiler dimanfaatkan dalam suatu proses untuk memanasakan cairan dan
menjalankan suatu mesin (commercial and industrial boilers), atau
membangkitkan energi listrik dengan merubah energi kalor menjadi energi
mekanik kemudian memutar generator sehingga menghasilkan energi listrik
energi listrik, kemudian sisa steam dari turbin dengan keadaan tekanan-temperatur
rendah dapat dimanfaatkan ke dalam proses industri.
Sistem boiler terdiri dari sistem air umpan, sistem steam, dan sistem bahan
bakar. Sistem air umpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai
dengan kebutuhan steam. Berbagai kran disediakan untuk keperluan perawatan
dan perbaikan dari sistem air umpan, penanganan air umpan diperlukan sebagai
bentuk pemeliharaan untuk mencegah terjadi kerusakan dari sistem steam. Sistem
steam mengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalam boiler. Steam
dialirkan melalui sistem pemipaan ke titik pengguna. Pada keseluruhan sistem,
tekanan steam diatur menggunakan kran dan dipantau dengan alat pemantau
tekanan. Sistem bahan bakar adalah semua perlatan yang digunakan untuk
menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan. Peralatan
yang diperlukan pada sistem bahan bakar tergantung pada jenis bahan bakar yang
digunakan pada sistem.
2.2 Klasifikasi Boiler
Boiler/ketel uap pada dasarnya terdiri dari bumbung (drum) yang tertutup
pada ujung pangkalnya dan dalam perkembangannya dilengkapi dengan pipa api
maupun pipa air. Banyak orang mengklasifikasikan ketel uap tergantung kepada
sudut pandang masing-masing.
Dalam laporan ini ketel uap diklasifikasikan dalam kelas yaitu:
1. Berdasarkan fluida yang mengalir dalam pipa, maka ketel diklasifikasikan
sebagai:
a. Ketel pipa api (fire tube boiler)
Pada ketel pipa api, fluida yang mengalir dalam pipa adalah gas nyala
(hasil pembakaran), yang membawa energi panas (thermal energy), yang
surface). Tujuan pipa-pipa api ini adalah untuk memudahkan distribusi
panas (kalor) kepada air ketel.
Api/gas asap mengalir dalam pipa sedangkan air/uap diluar pipa
Drum berfungsi untuk tempat air dan uap, disamping itu drum juga
sebagai tempat bidang pemanas. Bidang pemanas terletak di dalam drum,
sehingga luas bidang pemanas yang dapat dibuat terbatas.
Gambar 2.1 diagram sederhana fire tube boiler
b. Ketel pipa air (water tube boiler)
Pada ketel pipa air, fluida yang mengalir dalam pipa adalah air, energi
Gambar 2.2 water tube boiler
Cara kerja:
Proses pengapian terjadi diluar pipa. Panas yang dihasilkan digunakan
untuk memanaskan pipa yang berisi air. Air umpan itu sebelumnya
dikondisikan terlebih dahulu melalui ecomonizer. Steam yang
dihasilkan kemudian dikumpulkan terlebih dahulu didalam sebuah
steam drum sampai sesuai. Setelah melalui tahap secondary
superheater dan primary superheater, baru steam dilepaskan ke pipa
utama distribusi.
Karakteristik:
- Tingkat efisiensi panas yang dihasilkan cukup tinggi.
- Kurang toleran terhadap kualitas air yang dihasilkan dari plant
pengolahan air. Sehingga air harus dikondisikan terhadap mineral
dan kandungan lain yang larut dalam air.
- Boiler ini digunakan untuk kebutuhan tekanan steam yang sangat
- Menggunakan bahan bakar minyak, dan gas untuk water tube
boiler yang dirakit dari pabrik.
- Menggunakan bahan bakar padat untuk water tube boiler yang
tidak dirakit di pabrik.
2. Berdasarkan pemakaiannya, ketel dapat diklasifikasikan sebagai:
a. Ketel stasioner (stationary boiler) atau ketel tetap.
b. Ketel mobil (mobile boiler), ketel pindah atau portabel boiler.
Yang termasuk stasioner adalah ketel-ketel yang didudukan diatas pondasi
yang tetap, seperti boiler untuk pembangkit tenaga, untuk industri dan
lain-lain yang sepertinya.
Gambar 2.3 ketel stasioner (stationary boiler)
Yang termasuk ketel mobil, adalah ketel yang dipasang pada pondasi yang
berpindah-pindah (mobile), seperti boiler lokomotif, loko mobil dan ketel
Gambar 2.4Ketel mobil (mobile boiler)
3. Berdasarkan letak dapur (furnace positition), ketel uap diklasifikasikan
sebagai:
a. Ketel dengan pembakaran di dalam (internally fired steam boiler),
dalam hal ini dapur berada (pembakaran terjadi) di bagian dalam ketel.
Kebanyakan ketel pipa api memakai sistem ini.
Gambar 2.5 Ketel pembakaran di dalam
b. Ketel dengan pembakaran di luar (outernally fired steam boiler),
dalam hal ini dapur berada (pembakaran terjadi) di bagian luar ketel,
Gambar 2.6 ketel pembakaran di luar
4. Berdasarkan jumlah lorong (boiler tube), ketel ini diklasifikasikan sebagai:
a. Ketel dengan lorong tunggal (single tube steam boiler).
b. Ketel dengan lorong ganda (multi tube steam boiler).
Pada single tube steam boiler, hanya terdapat satu lorong saja, apakah itu
lorong api atau saluran air saja. Cornish boiler adalah single fire tube
boiler dan simple vertikal boiler adalah single water tube steam boiler.
Gambar 2.7 single tube steam boiler
Multi fire tube boiler misalnya ketel scotch dan multi water tube boiler
Gambar 2.8 Multi fire tube boiler
5. Tergantung kepada poros tutup drum (shell), ketel diklasifikasikan
sebagai:
a. Ketel tegak (vertical steam boiler), seperti ketel cochran, ketel
clarkson dan lain-lain sepertinya.
Gambar 2.9 Ketel tegak (vertical steam boiler)
b. Ketel mendatar (horizontal steam boiler), seperti ketel cornish,
Gambar 2.10 Ketel mendatar (horizontal steam boiler)
6. Menurut bentuk dan letak pipa, ketel uap diklasifikasikan sebagai:
a. Ketel dengan pipa lurus, bengkok, dan berlekak-lekuk (straight, bent
and sinous tubuker heating surface).
Gambar 2.11 Ketel dengan pipa lurus, bengkok, dan berlekak-lekuk
(straight, bent and sinous tubuker heating surface).
b. Ketel dengan pipa miring-datar dan miring-tegak (horizontal, inclined
Gambar 2.12 Ketel dengan pipa miring-datar dan miring-tegak
(horizontal, inclined or vertical tubuler heating surface).
7. Menurut sistem peredaran air ketel (water circulation), ketel uap
diklasifikasikan sebagai:
a. Ketel dengan peredaran alam (natural circulation steam boiler).
b. Ketel dengan peredaran paksa (forced circulation steam boiler).
8. Tergantung kepada sumber panasnya (heat source) untuk pembuatan uap,
ketel uap dapat diklasifikasikan sebagai:
a. Ketel uap dengan bahan bakar alami.
b. Ketel uap dengan bahan bakar buatan.
c. Ketel uap dengan dapur listrik.
d. Ketel uap dengan energi nuklir.
2.3 Bagian-Bagian Boiler
Pada garis besarnya water tube boiler terdiri dari:
a) Ruang Bakar (Furnace)
1. Ruang pertama, berfungsi sebagai ruang pembakaran, dimana panas
yang dihasilkan diterima langsung oleh pipa-pipa air yang berada di
dalam ruang dapur tersebut, yang terdiri dari pipa-pipa air dari drum
ke header samping kanan kiri.
2. Ruang kedua, merupakan ruang gas panas yang diterima dari hasil
pembakaran dalam ruang pertama. Dalam ruang ini sebagian besar
panas dari gas diterima oleh pipa-pipa air drum atas ke drum bawah.
b) Forced Draft Fan (Fd Fan)
Dalam ruang pembakaran pertama, udara pembakaran ditiupkan
oleh blower penghebus udara (forced draft fan) melalui kisi-kisi
bagian bawah dapur (fire grates/under roaster).
Gambar 2.13 Fd Fan
c) Drum Atas (Steam Drum)
Gambar 2.14 SteamDrum
d) Pipa Uap Pemanas Lanjut (Superheater Pipe)
Uap hasil penguapan di dalam drum atas untuk sebagian turbin
belum dapat dipergunakan, untuk itu harus dilakukan pemanasan
uap lebih lanjut melalui pipa superheater sehingga uap benar-benar
kering dengan suhu 260-280 0C . Superheater pipe ini dipasang di
dalam ruang bakar kedua.
e) Drum Bawah (Mud Drum)
Drum bawah berfungsi sebagai tempat pemanasan air yang
didalamnya dipasang plat-plat pengumpul endapan untuk
Gambar 2.15 Mud Drum
f) Pipa-Pipa Air (Header)
Pipa-pipa air ini berfungsi sebagai tempat pemanasan air yang
dibuat sebanyak mungkin, sehingga penyerapan panas lebih merata
dengan efisiensi tinggi.
Pipa-pipa air ini terbagi dalam :
1. pipa air yang menghubungkan drum atas dengan header
muka/belakang
2. pipa air yang menghubungkan drum dengan header samping
kanan/samping kiri
3. pipa air yang menghubungkan drum atas dengan drum bawah
4. pipa air yang menghubungkan drum bawah dengan header
belakang
g) Pembuangan Abu (Ash Hopper)
Abu yang terbawa gas panas dari ruang pembakaran pertama,
Gambar 2.16 Pembuangan Abu (Ash Hopper)
h) Pembuangan Gas Bekas
Gas bekas setelah ruang pembakaran kedua dihisap oleh blower
isap (induced draft fan) melalui saringan abu (dust collector)
kemudian dibuang ke udara bebas melalui corong asap (chimney).
Pengaturan tekanan didalam dapur dilakukan pada corong
keluar blower (exhaust) dengan klep yang diatur secara otomatis
oleh alat hydrolis (furnace draft controller).
Gambar 2.17 Chimney
i) Pressure Furnace Draft Controller
Pressure Furnace Draft Controller berfungsi untuk pengatur
Gambar 2.18 Pressure Furnace Draft Controller
j) Induced Draft Fan
Induced Draft Fan berfungsi sebagai penghisap abu dari gas bekas.
Gambar 2.19 Induced Draft Fan
k) Dust Collector
Gambar 2.20 Dust Collector
l) Alat-Alat Pengaman
1. Katup Pengaman (Safety Valve)
Alat ini bekerja apabila tekanan kerja melebihi dari tekanan yang
telah ditentukan sesuai dengan penyetelan klep pada alat ini.
Gambar 2.21 Savety Valve
Gelas penduga adalah alat untuk melihat tinggi air didalam
drum atas guna memudahkan pengontrolan air dalam ketel selama
operasi.
Gambar 2.22 Gelas Penduga
3. Keran Blow down
Keran blow down (blow down valve) berfungsi untuk
membuang endapan yang tidak terlarut (total dissolved solid) pada
mud drum sehingga nilai tds air boiler yang diharapkan dapat
terjaga.
Pola perlakuan blow down lebih baik dengan frekuensi yang
tinggi dari pada dilakukan dengan periode yang lama untuk sekali
Gambar 2.23 Keran Blow down
4. Manometer
Manometer adalah alat pengukur tekanan uap didalam boiler
yang dipasang satu buah untuk penunjuk tekanan uap basah
(saturated) dan satu buah untuk tekanan uap kering (superheated).
5. Keran Uap Induk
Keran uap induk (main steam valve) berfungsi sebagai alat
untuk membuka dan menutup aliran uap boiler yang terpasang
pada pipa uap induk .
Gambar 2.25 Keran Uap Induk
6. Kontrol Air Umpan
Berfungsi sebagai pengontrol bukaan valve air umpan boiler ke
dalam steam drum yang dapat dilakukan secara otomatis melalui
water level controller.
(a) (b)
7. Soot Blower
Berfungsi sebagi alat penghebus debu yang ada pada bagian
luar pipa-pipa air boiler.
Gambar 2.27 Soot Blower
8. Panel Utama (Main Panel)
Panel Utama (Main Panel) berfungsi sebagai pengontrol
m) Pipa Waterwall
Pada ruang bakar ketel uap komponen yang paling penting adalah
pipa waterwall, dimana panas yang dihasilkan pada pembakaran
bahan bakar diserap waterwall, sehingga air yang terdapat pada
pipa waterwall mengalami penaikan temperatur sampai berubah
menjadi uap. Tube Wall adalah merupakan pipa yang dirangkai
membentuk dinding dan dipasang secara vertikal pada 4 (empat)
sisi, sehingga membentuk ruangan persegi empat yang disebut
ruang bakar. Fungsi tube wall adalah alat pemanas air dengan
bidang yang luas sehingga mempercepat proses penguapan.
Gambar 2.29 Wall Tube Boiler
n) Superheater
Superheater adalah piranti penting pada unit pembangkit uap.
Tujuannya adalah untuk meningkatkan temperatur uap jenuh tanpa
menaikkan tekanannya. Biasanya piranti ini merupakan bagian
dapur. Pada dari gas asap ini digunakan untuk memberikan panas
lanjut pada uap.
Gambar 2.30 Superheater.
2.4 Pengoperasian Boiler
Pada umumnya setiap mesin yang diproduksi oleh pabrik selalu
dilengkapi dengan handbook/ buku petunjuk cara pemasangan, perawatan, dan
pengoperasiannya. Begitu juga dengan ketel uap yang ada di PT. PP London
Sumatera sektor Dolok Palm Oil Mill terdapat buku petunjuk tentang
spesifikasi pengoperasian, perawatan, pemasangan, dan lain-lain.
Secara garis besar penulis akan menjelaskan pengoperasian boiler
berdasarkan petunjuk yang ada dari buku petunjuk dan penjelasan dari
operator, diantaranya:
Ketentuan Umum
Sebelum mengoperasikan boiler ada beberapa hal yang harus
- Tekanan uap yang diperlukan
- Kapasitas produksi uap maksimum
- Pemeriksaan visual pada bagian luar dan dalam
- Tangki air umpan (feed water tank) dalam keadaan penuh
- Pompa air umpan (feed water pump) dalam kondisi baik
- Seluruh peralatan pengaman boiler dalam kondisi baik
- Tinggi permukaan air boiler di dalam drum sesuai dengan batas
yang ditentukan
- Dapur dalam keadaan bersih
- Bahan bakar cukup tersedia
Urutan menghidupkan boiler
1. Buka keran buangan udara (vent drain) pada drum superheater
(bila menggunakan superheater
2. Drain air pada gelas penduga
3. Hidupkan pompa air umpan dan buka keran buangan air pada
drum (blow down)
4. Kemudian keran tersebut ditutup dan ketinggian air diatur
sampai batas yang ditentukan
5. Hidupkan fuel modulating dan fuel feeder fan
6. Hidupkan pendulum
7. Hidupkan conveyor bahan bakar
8. Isi bahan bakar dan hidupkan api
9. Setelah api cukup besar hidupkan induced draft fan dengan
posisi damper tertutup dan setelah putaran idf normal buka
10.Hidupkan secondary fan
11.Hidupkan forced draft fan dan dijaga agar tekanan udara dalam
ruang bakar (10 – 30 mm hg)
12.Tutup valve buang udara pada drum superheater
13.Pada tekanan 15 bar kerangan induk steam dapat dibuka secara
perlahan-lahan
14.Naikkan tekanan boiler sampai tekanan kerja (20 bar)
15.Lakukan blowdown secara kontinyu (sesuai dengan kondisi
tds)
16.Pertahankan tekanan steam normal dengan pengaturan bahan
bakar melalui pressure f d controller
17.Lakukan soot blower setiap 3 jam sekali
18.Lakukan penarikan kerak setiap 4 jam sekali
Urutan menghentikan boiler :
1. Turunkan tekanan dengan menutup sliding door bahan bakar
2. Matikan fd fan
3. Matikan secondary fan
4. Buka pintu ruang bakar dan tarik abu keluar
5. Pastikan turbin uap telah berhenti kemudian tutup kerangan
induk steam
6. Matikan id fan
8. Tutup keran uap pada deaerator dan feed tank
9. Matikan deaerator pump dan feed water pump
Dalam hal boiler kekurangan air akibat kerusakan pompa air :
1. Hentikan induced draft fan, forced draft fan dan secondary fan
2. Tutup keran induk
3. Tarik api
4. Tutup semua pintu setelah selesai tarik api agar udara dingin
tidak masuk ke dalam dapur
5. Periksa penyebab kerusakan pompa.
2.5 Bahan Bakar Boiler
Agar kualitas uap yang dihasilkan dari ketel uap sesuai dengan yang
diinginkan atau dibutuhkan maka dibutuhkan sejumlah panas untuk menguapkan
air tersebut, dimana panas tersebut diperoleh dari pembakaran bahan bakar di
ruang bakar ketel. Untuk mendapatkan pembakaran yang sempurna di dalam ketel
maka diperlukan beberapa syarat, yaitu:
1. Perbandingan pemakaian bahan bakar harus sesuai (cangkang dan fiber)
2. Udara yang dipakai harus mencukupi
3. Waktu yang diperlukan untuk proses pembakaran harus cukup.
4. Panas yang cukup untuk memulai pembakaran
5. Kerapatan yang cukup untuk merambatkan nyala api
6. Dalam hal ini bahan bakar yang digunakan adalah cangkang dan fiber.
Adapun alasan mengapa digunakan cangkang dan fiber sebagai bahan
bakar adalah :
1. Bahan bakar cangkang dan fiber cukup tersedia dan mudah diperoleh dipabrik.
3. Nilai kalor bahan bakar memenuhi persyaratan untuk menghasilkan panas yang
buah kelapa sawit yang diselubungi oleh serabut.
Pada bahan bakar cangkang ini terdapat berbagai unsur kimia antara lain :
Carbon (C), Hidrogen (H2), Nitrogen (N2), Oksigen (O2) dan Abu. Dimana unsur
kimia yang terkandung pada cangkang mempunyai persentase (%) yang berbeda
jumlahnya, bahan bakar cangkang ini setelah mengalami proses pembakaran akan
berubah menjadi arang, kemudian arang tersebut dengan adanya udara pada dapur
akan terbang sebagai ukuran partikel kecil yang dinamakan partikel pijar.
Apabila pemakaian cangkang ini terlalu banyak dari fiber akan
menghambat proses pembakaran akibat penumpukan arang dan nyala api kurang
sempurna, dan jika cangkang digunakan sedikit, panas yang dihasilkan akan
rendah, karena cangkang apabila dibakar akan mengeluarkan panas yang besar.
Fiber adalah bahan bakar padat yang bebentuk seperti rambut, apabila
telah mengalami proses pengolahan berwarna coklat muda, serabut ini terdapat
dibagian kedua dari buah kelapa sawit setelah kulit buah kelapa sawit, didalam
serabut dan daging buah sawitlah minyak CPO terkandung.
Panas yang dihasilkan fiber jumlahnya lebih kecil dari yang dihasilkan
oleh cangkang, oleh karena itu perbandingan lebih besar fiber dari pada cangkang.
Disamping fiber lebih cepat habis menjadi abu apabila dibakar, pemakaian fiber
yang berlebihan akan berdampak buruk pada proses pembakaran karena dapat
menghambat proses perambatan panas pada pipa water wall, akibat abu hasil
pembakaran beterbangan dalam ruang dapur dan menutupi pipa water wall,
Gambar 2.31 Fiber kelapa sawit
Gambar 2.32 Cangkang sawit
Komposisi Bahan Bakar Cangkang dan Fiber
Pada Palm Oil Mill ini menggunakan ketel uap pipa air BOILERMECH
berbahan bakar cangkang dan fiber. Penulis akan mencari nilai kalor dari
cangkang dan fiber tersebut. Adapun data yang diperoleh dari Palm Oil Mill
perbandingan 1 : 3 dan komposisi 1 kg bahan bakar cangkang dan fiber adalah
sebagai berikut:
Tabel 2.1 Komposisi dari unsur-unsur kimia bahan bakar
Sumber : Palm Oil Mill
Maka komposisi 1 kg bahan bakar adalah sebagai berikut :
2.6 Siklus Rankine
Siklus Rankine adalah siklus teoritis yang mendasari siklus kerja dari
suatu pembangkit daya uap. Siklus Rankine berbeda dengan siklus-siklus udara
ditinjau dari fluida kerjanya yang mengalami perubahan fase selama siklus pada
saat evaporasi dan kondensasi, oleh karena itu fluida kerja untuk siklus Rankine
harus merupakan uap. Siklus Rankine ideal tidak melibatkan beberapa masalah
irreversibilitas internal. Irreversibilitas internal dihasilkan dari gesekan fluida,
throttling, dan pencampuran, yang paling penting adalah irreversibilitas dalam
turbin dan pompa dan kerugian-kerugian tekanan dalam penukar-penukar panas,
pipa-pipa, bengkokan-bengkokan, dan katup-katup.
Temperatur air sedikit meningkat selama proses kompresi isentropik
karena ada penurunan kecil dari volume jenis air, air masuk boiler sebagai cairan
kompresi pada kondisi 2 dan meninggalkan boiler sebagai uap kering pada
kondisi 3. Boiler pada dasarnya penukar kalor yang besar dimana sumber panas
dari pembakaran gas, reaktor nuklir atau sumber yang lain ditransfer secara
esensial ke air pada tekanan konstan. Uap superheater pada kondisi ke 3 masuk ke
turbin yang mana uap diexpansikan secara isentropik dan menghasilkan kerja oleh
putaran poros yang dihubungkan pada generator lisrik. Temperatur dan tekanan
uap jatuh selama proses ini mencapai titik 4, dimana uap masuk ke kondensor dan
pada kondisi ini uap biasanya merupakan campuran cairan-uap jenuh dengan
kualitas tinggi.
Uap dikondensasikan pada tekanan konstan di dalam kondensor yang
Gambar 2.33 Diagram alir siklus Rankine sederhana
Salah satu modifikasi dari siklus Rankine dapat dilihat pada gambar
berikut :
Gambar 2.35 Diagram alir siklus Rankine dengan satu tingkat ekstraksi
Uap panas lanjut dari ketel memasuki turbin, setelah melalui beberapa
tingkatan sudu turbin, sebagian uap diekstraksikan ke deaerator, sedangkan sisanya
masuk ke kondensor dan dikondensasikan didalam kondensor. Selanjutnya air dari
kondensor dipompakan ke deaerator juga. Di dalam deaerator, uap yang berasal dari
turbin yang berupa uap basah bercampur dengan air yang berasal dari kondensor.
Kemudian dari deaerator dipompakan kembali ke ketel, dari ketel ini air yang sudah
menjadi uap kering dialirkan kembali lewat turbin.
Tujuan uap diekstraksikan ke deaerator adalah untuk membuang gas-gas yang
tidak terkondensasi sehingga pemanasan pada ketel dapat berlangsung efektif,
mencegah korosi pada ketel, dan meningkatkan efisiensi siklus.
Untuk mempermudah penganalisaan siklus termodinamika ini,
Gambar 2.36 Diagram T-s siklus Rankine dengan satu tingkat ekstraksi
Siklus Rankine terbuka pada boiler yang ada di Palm Oil Mill:
Gambar 2.38 Diagram T-s siklus Rankine terbuka
2.7 Proses Pembentukan Uap
Sebagai fliuda kerja di ketel uap, umumnya digunakan air (H2O) karena
bersifat ekonomis, mudah di peroleh, tersedia dalam jumlah yang banyak, serta
mempuyai kandungan entalpi yang cukup tinggi bila dibandingkan dengan fluida
kerja yang lain.
Penguapan adalah proses terjadinya perubahan fasa dari cairan menjadi
uap. Apabila panas diberikan pada air, maka suhu air akan naik. Naiknya suhu air
akan meningkatkan kecepatan gerak molekul air. Jika panas terus bertambah
secara perlahan-lahan, maka kecepatan gerak air akan semakin meningkat pula,
hingga sampai pada suatu titik dimana molekul-molekul air akan mampu
melepaskan diri dari lingkungannya (100o) pada tekanan 1[kg/cm2], maka air
secara berangsur-angsur akan berubah fasa menjadi uap dan hal inilah yang
Proses perubahan fasa air menjadi uap dapat digambarkan pada diagram
T-S seperti gambar dibawah:
Gambar 2.39 Diagram T-S
Keterangan:
1-2 : Pipa-pipa evaporator pipa penguat
2-3 : Pipa-pipa superheater
1-3 : Ketel uap
2.8 Metode Pengkajian Efisiensi Boiler
Metode yang digunakan untuk menyelesaikan permasalahan pada skripsi ini
adalah metode langsung. Secara umum skripsi ini akan membahas analisa nilai
kalor bahan bakar dan perhitungan efisiensi boiler.
Efisiensi adalah suatu tingkatan kemampuan kerja dari suatu alat.
Sedangkan efisiensi pada boiler atau ketel uap yang didapatkan dari perbandingan
antara energi yang dipindahkan atau diserap oleh fluida kerja didalam ketel
Terdapat dua metode pengkajian efisiensi boiler :
1) Metode Langsung
Energi yang didapat dari fluida kerja (air dan steam)
dibandingkan dengan energi yang terkandung dalam bahan bakar 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 evaluasi efisiensi. Efisiensi ini
dapat dievaluasi dengan menggunakan rumus:
Efisiensi Boiler (η) =
Efisiensi Boiler (η) =
Keterangan: Ws = kapasitas produksi uap ( kg uap/jam )
Wf = konsumsi bahan bakar ( kg/jam )
h3 = entalpi uap ( kJ/kg )
h1 = entalpi air umpan/pengisi ketel ( kJ/kg )
LHV = nilai kalor pembakaran rendah (kJ/kg)
Keuntungan metode langsung
- 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
- Tidak menghitung berbagai kehilangan yang berpengaruh pada
berbagai tingkat efisiensi
2) Metode Tidak Langsung
Efisiensi merupakan perbedaan antar kehilangan dan energi masuk.
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.
Data yang diperlukan untuk perhitungan efisiensi boiler dengan
- 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 awal dalam oC (Ta) dan kelembaban udara dalam kg/kg udara
kering
- LHV bahan bakar dalam kkal/kg
- Persentase bahan yang dapat terbakar dalam abu (untuk bahan
bakar padat)
- LHV abu dalam kkal/kg (untuk bahan bakar padat)
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.
Untuk penyusunan skripsi ini penulis menganalisa dengan metode
langsung, dimana penulis mengambil data secara langsung dilapangan meliputi :
- Steam pressure superheater (bar)
- Temperatur feed tank (oC)
- Temperatur daerator (oC)
- Temperatur out let steam (oC)
2.9 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 berbagai
kegunaan dan menjadi aliran kehilangan panas dan energi. Panah tebal
menunjukan jumlah energi yang dikandung dalam aliran masing-masing.
Gambar 2.40 Diagram neraca energi boiler
Neraca panas merupakan keseimbangan energi total yang masuk boiler
terhadap yang meninggalkan boiler dalam bentuk yang berbeda. Gambar berikut
memberikan gambaran berbagai kehilangan yang terjadi untuk pembangkitan
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
energi. Kehilangan berikut dapat dihindari atau dikurangi:
Kehilangan gas cerobong:
- Udara berlebih (diturunkan hingga ke nilai minimum yang
tergantung dari teknologi burner, operasi (kontrol), dan
pemeliharaan).
- Suhu gas cerobong (diturunkan dengan mengoptimalkan
perawatan (pembersihan), beban; burner yang lebih baik dan
teknologi boiler).
Kehilangan karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam cerobong dan
abu (mengoptimalkan operasi dan pemeliharaan; teknologi burner yang
lebih baik),
Kehilangan 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).
2.10 Nilai kalor (Heating Value)
Nilai kalor merupakan energi kalor yang dilepaskan bahan bakar pada
waktu terjadinya oksidasi unsur-unsur kimia yang ada pada bahan bakar tersebut.
Bahan bakar adalah zat kimia yang apabila direaksikan dengan oksigen (O2) akan
menghasilkan sejumlah kalor. Bahan bakar dapat berwujud gas, cair, maupun
padat. Selain itu, bahan bakar merupakan suatu senyawa yang tersusun atas
beberapa unsur seperti karbon (C), hidrogen (H), belerang (S), dan nitrogen (N).
sangat ditentukan oleh nilai bahan bakar yang didefinisikan sebagai jumlah energi
yang dihasilkan pada proses pembakaran per satuan massa atau persatuan volume
bahan bakar.
Nilai pembakaran ditentukan oleh komposisi kandungan unsur di dalam
bahan bakar. Dikenal dua jenis pembakaran (Ir. Syamsir A. Muin,
Pesawat-pesawat Konversi Energi 1 (Ketel Uap) 1988:160), yaitu:
1. Nilai Kalor Pembakaran Tinggi
Nilai kalor pembakaran tinggi atau juga dikenal dengan istilah High Heating
Value (HHV) adalah nilai pembakaran dimana panas pengembunan air dari
proses pembakaran ikut diperhitungkan sebagai panas dari proses pembakaran.
Dirumuskan dengan:
HHV = 33950 C + 144200 (H2– O2/8) + 9400 S kj/kg
2. Nilai Kalor Pembakaran Rendah
Nilai kalor pembakaran rendah atau juga dikenal dengan istilah Low Heating
Value (LHV) adalah nilai pembakaran dimana panas pengembunan uap air dari
hasil pembakaran tidak ikut dihitung sebagai panas dari proses pembakaran.
Dirumuskan dengan:
LHV = HHV – 2411 (9H2) kj/kg
2.11 Kebutuhan Udara Pembakaran
Kebutuhan udara pembakaran didefinisikan sebagai kebutuhan oksigen
yang diperlukan untuk pembakaran 1 kg bahan bakar secara sempurna yang
meliputi :
b. Kebutuhan udara pembakaran sebenarnya/aktual (Us) :
Us = Ut (1+α) kg/kgBB
2.12 Gas Asap
Reaksi pembakaran akan menghasilkan gas baru, udara lebih dari sejumlah
energi. Senyawa-senyawa yang merupakan hasil dari reaksi pembakaran disebut
gas asap.
a. Berat gas asap teoritis (Gt)
Gt = Ut + (1-A) kg/kgBB
Dimana A = kandungan abu dalam bahan bakar (ash)
Gas asap yang terjadi terdiri dari:
- Hasil reaksi atas pembakaran unsur-unsur bahan akar dengan O2
dari udara seperti CO2, H2O, SO2
- Unsur N2 dari udara yang tidak ikut bereaksi
- Sisa kelebihan udara
Dari reaksi pembakaran sebelumnya diketahui:
1 kg C menghasilkan 3,66 kg CO2
1 kg S menghasilkan 1,996 kg SO2
1 kg H menghasilkan 8,9836 kg H2O
Maka untuk menghitung berat gas asap pembakran perlu dihitung dulu
masing-masing komponen gas asap tersebut (Ir. Syamsir A. Muin,
Pesawat-pesawat konversi 1 (Ketel Uap) 1988:196):
Berat CO2 = 3,66 C kg/kg
Berat N2 = 77% Us kg/kg
Berat O2 = 23% 20% Ut
Dari perhitungan di atas maka akan didapatkan jumlah gas asap:
Berat gas asap (Gs) = W CO2 + W SO2 + W H2O + W N2 + W O2
Atau
b. Berat gas asap sebenarnya (Gs)
Gs = Us + (1-A) kg/kgBB
Untuk menetukan komposisi dari gas asap didapatkan:
Kadar gas = (W gas tersebut / W total gas) x 100%
2.13 Volume Gas Asap
Jumlah oksigen adalah 21% jumlah udara pembakaran. Jadi:
V(o2) = 21% (Va)act ; belum termaksud oksigen yang dikandung dalam bahan
bakar. Oksigen yang terdapat dalam bahan bakar tergantung persentasenya.
Dengan demikian maka volume gas asap basah adalah :
2.14 Perhitungan Efisiensi Boiler
Daya guna (efisiensi) boiler adalah perbandingan antara konsumsi panas
dengan suplai panas (Ir. Syamsir A. Muin, Pesawat-pesawat konversi 1 (Ketel
Uap) 1988:223).
Keterangan: Ws = kapasitas produksi uap ( kg uap/jam )
Wf = konsumsi bahan bakar ( kg/jam )
h3 = entalpi uap ( kJ/kg )
h1 = entalpi air umpan/pengisi ketel ( kJ/kg )
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Pendahuluan
Bab ini berisikan metodologi yang digunakan untuk menyelesaikan
permasalahan pada skripsi ini. Secara umum untuk perhitungan efisiensi water
tube boiler metodologi yang digunakan dalam skripsi ini yaitu metode langsung,
dimana metodologi ini dikenal juga sebagai „metode input-output’ karena kenyataan bahwa metode ini hanya memerlukan keluaran/output (steam) dan
panas masuk/input (bahan bakar) untuk evaluasi efisiensi. Efisiensi ini dapat
dievaluasi dengan menggunakan rumus:
Gambar 3.1 Diagram T-S Pembentukan uap
Efisiensi Boiler (η) =
Parameter yang dipantau untuk perhitungan efisiensi boiler dengan metode
langsung adalah :
- Jumlah steam yang dihasilkan per jam ( ) dalam kg uap/jam
- Jumlah bahan bakar yang digunakan perjam ( ) dalam kg/jam
- Tekanan kerja ( dalam kg/cm2) dan suhu lewat panas (oC), jika ada
- Suhu air umpan (oC)
- Jenis bahan bakar dan nilai panas kalor bahan bakar (LHV) dalam
kj/kg bahan bakar
Hasil dari data yang didapat dari surve maupun dari literarur akan dibahas
pada bab IV.
3.2 Stasiun Boiler Palm Oil Mill
Sistem boiler pada Palm Oil Mill terdiri dari: sistem air umpan, sistem
steam dan sistem bahan bakar. Sistem air umpan menyediakan air untuk boiler
secara otomatis sesuai dengan kebutuhan steam. Berbagai valve disediakan untuk
keperluan pada pipa. Air yang diperlukan untuk pengisi boiler sumber utamanya
adalah daerator dari feed tank. Sistem steam mengumpulkan dan mengontrol
produksi steam dalam boiler. Steam dialirkan melalui sistem pemipaan ke titik
pengguna. Pada keseluruhan sistem, tekanan steam diatur menggunakan valve dan
dipantau dengan alat indikator tekanan. Sistem bahan bakar adalah peralatan yang
digunakan untuk menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas yang
dibutuhkan. Peralatan yang diperlukan pada sistem bahan bakar tergantung pada
jenis bahan bakar yang digunakan pada sistem, air yang disuplai ke boiler untuk
dirubah menjadi steam (uap) disebut air umpan.
Spesifikasi Ketel Uap
Adapun data ketel uap pada PALM OIL MILL adalah sebagai berikut :
Negara Pembuat : Malaysia
Type : BMWT-S5-29
Kapasitas Produksi Uap : 35Ton/Jam
Tekanan Kerja Maksimal : 2,9 N/mm2 = 29 Bar
Tekanan Desain : 2,9 N/mm2 = 29 Bar
Tekanan Kerja Normal : 2,4 N/mm2 = 24 Bar
Tekanan Hidrostatis Test : 4,35 N/mm2 = 43,5 Bar
Temperatur air masuk ketel : 103oC
Temperatur Uap Superheater : 234°C
Temperatur Desain : 259°C
Permukaan Pemanasan : 1232 m2
Temperatur Desain Superheater : 310°C
Permukaan Superheater : 55°C
Luas Dapur : 18 m2
3.3 Metodologi Analisa Yang Digunakan
Pada penyelesaian analisa efisiensi water tube boiler berbahan bakar fiber
dan cangkang ini menggunakan beberapa metode dalam menyelesaikan masalah
yang mungkin timbul dalam proses analisa efisiensi water tube boiler berbahan
bakar fiber dan cangkang dalam penyusunan ini, antara lain :
Pengumpulan data
Memulai dengan langkah awal melakukan studi survey lapangan untuk
mengumpulkan data-data. Metode pengambilan data dengan cara pengamatan
langsung membaca dan mencatat data-data pada setiap instrumen terhadap sistem
dan proses di boiler. Penulis memperoleh data yang diambil selama kerja praktek
dari tanggal 10 maret - 10 april 2014 di Palm Oil Mill yang akan di pergunakan
Metode studi literatur
Studi literatur dilakukan untuk memilih materi-materi pendukung yang
sesuai dengan permasalahan dan analisa efisiensi water tube boiler berbahan bakar
fiber dan cangkang.
3.4 Data Spesifikasi Boiler
Adapun data yang diperoleh langsung dari katalog boiler.
Tabel 3.1 Spesifikasi boiler
Steam pressure
3.5 Data Dari Stasiun Boiler
Adapun data yang diperoleh langsung dari lapangan pada stasiun boiler
meliputi:
- Steam pressure superheater (bar)
- Temperatur feed tank (oC)
- Temperatur daerator (oC)
- Temperatur out let steam (oC)
Tabel 3.2 Data 1. Rabu, 12 Maret 2014
TIME STEAM PRESSURE FEED WATER TEMPERATURE
STEAM FLOW (WIB) (BAR) TEMPERATURE °C OUT LET (TON/JAM) SUPERHEATER
FEED
TANK DEARATOR STEAM °C 13.00 20.1 60 90 225 24.9 14.00 20.4 70 100 225 26.1
15.00 20.4 70 100 225 27.0
16.00 20.0 70 100 225 26.8
17.00 20.4 65 100 225 27.4
18.00 20.6 65 100 225 26.2 19.00 20.4 65 100 225 25.8 20.00 20.5 65 100 225 26,8
Tabel 3.3 Data 2. Kamis, 13 Maret 2014
TIME STEAM PRESSURE FEED WATER TEMPERATURE
STEAM FLOW (WIB) (BAR) TEMPERATURE °C OUT LET (TON/JAM) SUPERHEATER
FEED
TANK DEARATOR STEAM °C 13.00 19.8 60 90 225 23.2 14.00 20.5 70 100 225 27.1
15.00 20.4 70 100 225 27.2
16.00 20.5 70 100 225 26.8
17.00 20.6 65 100 225 26.2
18.00 20.7 65 100 225 26.3 19.00 20.5 65 100 225 27.4 20.00 20.4 65 100 225 27.8
Tabel 3.4 Data 3. Jumat, 14 Maret 2014
TIME STEAM PRESSURE FEED WATER TEMPERATURE
STEAM FLOW (WIB) (BAR) TEMPERATURE °C OUT LET (TON/JAM) SUPERHEATER
FEED
TANK DEARATOR STEAM °C 13.00 20.4 60 90 225 25.1 14.00 20.6 65 100 225 26.7
15.00 20.5 65 100 225 28.2
16.00 20.5 65 100 225 27.2
17.00 20.4 65 100 225 26.7
18.00 20.5 65 100 225 27.2 19.00 20.4 65 100 225 27.8 20.00 20.4 65 100 225 26.6
Tabel 3.5 Data 4. Sabtu, 15 Maret 2014
TIME STEAM PRESSURE FEED WATER TEMPERATURE
STEAM FLOW (WIB) (BAR) TEMPERATURE °C OUT LET (TON/JAM) SUPERHEATER
FEED
TANK DEARATOR STEAM °C 13.00 20.2 60 90 225 25.4 14.00 20.6 65 100 225 26.4
15.00 19.9 65 100 225 27.1
16.00 20.6 65 100 225 26.1
17.00 20.4 65 100 225 26.9
18.00 20.5 65 100 225 26.7 19.00 20.1 65 100 225 28.1 20.00 20.2 65 100 225 27.0
Tabel 3.6 Data 5. Senin, 17 Maret 2014
TIME STEAM PRESSURE FEED WATER TEMPERATURE
STEAM FLOW (WIB) (BAR) TEMPERATURE °C OUT LET (TON/JAM) SUPERHEATER
FEED
TANK DEARATOR STEAM °C 13.00 20.3 60 90 225 26.3 14.00 20.6 65 100 225 26.8
15.00 20.4 65 100 225 26.5
16.00 20.4 65 100 225 26.5
17.00 20.5 65 100 225 26.1
18.00 20.3 65 100 225 26.2 19.00 20.1 65 100 225 27.1 20.00 20.6 65 100 225 27.1
Tabel 3.7 Data 6. Rabu, 12 Maret 2014 s/d Senin, 17 Maret 2014
Hari/Tanggal STEAM PRESSURE FEED WATER TEMPERATURE
STEAM FLOW (BAR) TEMPERATURE °C OUT LET (TON/JAM) SUPERHEATER
FEED
TANK DEARATOR STEAM °C
Rabu, 12 Maret 2014 20.4 66 99 225 26.3
Kamis, 13 Maret 2014 20.4 66 99 225 26.5
Jumat, 14 Maret 2014 20.5 64 99 225 26.9
Sabtu, 15 Maret 2014 20.3 64 99 225 26.7
4.1 Nilai Kalor Bahan Bakar
Analisa percobaan dilakukan dengan mengunakan rumus sebagai berikut:
Nilai panas (HHV) = (T2 - T1 - 0,05) x Cv
Keteranga : T1 = Suhu air pendingin sebelum dinyalakan (oC)
T2 = Suhu air pendingin setelah penyalaan (oC)
Cv = Panas jenis bom kalorimeter (73529,6 kJ/kgoC)
Kenaikan suhu akibat kawat menyala = 0,05 oC
LHV = HHV – 3240 (kJ/kg)
4.1.1 Analisa Nilai Kalor Bahan Bakar Serabut Kelapa Sawit Murni
e. Analisa percobaan 5
Tabel 4.1 Hasil analisa nilai kalor bahan bakar serabut kelapa sawit murni
No T1 (oC) T2(oC) HHV (kJ/kg) LHV (kJ/kg)
Rata-rata 14705.92 11465.92
Maka rata-rata nilai HHV = 14705,92 kJ/kg
HHV = 3529,42 Kkal/kg
Maka rata-rata nilai LHV = 11465,92 kJ/kg
LHV = 2751,82 Kkal/kg
4.1.2 Analisa Nilai Kalor Bahan Bakar Cangkang Kelapa Sawit Murni
a. Analisa percobaan 1
Diketahui : T1 = 26,71 oC
T2 = 27,08 oC
d. Analisa percobaan 4
Tabel 4.2 Hasil analisa nilai kalor bahan bakar cangkang kelapa sawit murni
No T1 (oC) T2 (oC) HHV (kJ/kg) LHV (kJ/kg)
1 26.71 27.08 23529.472 20289.472
2 27.24 27.61 23529.472 20289.472
3 27.82 28.19 23529.472 20289.472
Maka rata-rata nilai HHV = 23823,5904 kJ/kg
HHV = 5717,66 Kkal/kg
Maka rata-rata nilai LHV = 20583,5904 kJ/kg
HHV = 21323,584 kJ/kg
LHV = HHV – 3240 (kJ/kg)
LHV = 24264,768 – 3240
LHV = 18083,584 kJ/kg
Tabel 4.3 Hasil analisa nilai kalor bahan bakar serabut 75% + cangkang 25%
kelapa sawit
Rata-rata 21323.584 18083.584
Maka rata-rata nilai HHV = 21323,584 kJ/kg
HHV = 5117,66 Kkal/kg
Maka rata-rata nilai LHV = 18083,584 kJ/kg
LHV = 4340,06 Kkal/kg
4.2 Kebutuhan Udara Bahan Bakar
a. Dengan menggunakan persamaan berikut ini maka didapatkan kebutuhan
udara teoritis (Ut):
b. Dengan menggunakan persamaan berikut ini maka didapatkan kebutuhan
udara sebenarnya
4.3 Perhitungan Gas Asap
a. Dengan menggunakan persamaan berikut ini maka didapatkan berat gas
asap teoritis
Dari perhitungan diatas maka didapatkan jumlah gas asap:
Berat gas asap
Atau
Berat gas asap sebenarnya:
c. Analisa gas asap basah
Berat gas asap kering:
Gs kering = Gbasah – WH2O
= 7,13 – 0,36
= 6,77 kg/kgBB
d. Analisa gas asap kering
4.4 Volume Gas Asap
Untuk menghitung volume gas asap basah digunakan persamaan sebagai
berikut:
Vg = 1,24 (9 H2) m3/kgBB
4.5 Perhitungan efisiensi boiler
Untuk menghitung efisiensi boiler berdasarkan perbandingan antara
konsumsi panas dengan suplai panas digunakan persamaan sebagai berikut:
Keterangan: Ws = kapasitas produksi uap ( kg uap/jam )
Wf = konsumsi bahan bakar ( kg/jam )
h3 = entalpi uap ( kJ/kg )
h1 = entalpi air umpan/pengisi ketel ( kJ/kg )
LHV = nilai kalor pembakaran rendah (kJ/kg)
Mencari jumlah bahan bakar yang tersedia di Palm Oil Mill, untuk bahan
bakar fiber 13% dari kapasitas pabrik dan bahan bakar cangkang 6% dari
kapasitas pabrik.
Kapasitas pabrik Palm Oil Mill = 45 ton TBS/jam
Untuk % fiber = 13% x 45 ton TBS/jam
fiber = 5,85 ton/jam = 5850 kg/jam
untuk % cangkang = 6% x 45 tom TBS/jam
cangkang = 2,7 ton/jam = 2700 kg/jam
konsumsi bahan bakar (Wf) = 75% fiber + 25% cangkang
(Wf) = 0,75 x 5850 + 0,25 x 2700
