2.1 Boiler
Boiler adalah salah satu peralatan utama dari PLTU yang berfungsi untuk merubah air menjadi uap superheat yang bertemperatur dan bertekanan tinggi. Proses memproduksi uap ini disebut Pembuat Uap (Steam Raising). Unit atau alat yang digunakan untuk membuat uap disebut Boiler atau lebih tepat Pembangkit Uap (Steam Generator).
Klasifikasi Boiler secara umum dibagi dua yaitu, boiler pipa api dan boiler pipa air. Jenis boiler pipa api banyak digunakan oleh industri yang memerlukan tekanan uap yang relatif rendah, misalnya pabrik-pabrik gula. Sedangkan jenis pipa air digunakan oleh industri atau pembangkit listrik yang memerlukan tekanan uap yang tinggi, misalnya pada pusat-pusat listrik tenaga uap. (Yendri. 2011).
2.2 Jenis-jenis Boiler a) Boiler Pipa Api
Pada jenis Boiler pipa api, gas panas hasil pembakaran (flue gas) mengalir melalui pipa-pipa yang di bagian luarnya diselimuti air sehingga terjadi perpindahan panas dari gas panas ke air dan air berubah menjadi uap. Gambar boiler pipa api dapat dilihat pada gambar 2.1.
Gambar 2.1 Boiler pipa api (Sumber: Yendri, 2011)
Keterbatasan dari boiler pipa api adalah tekanan uap tidak dapat dibuat terlampau tinggi karena ketebalan drum akan sedemikian tebalnya sehingga tidak menguntungkan. Boiler seperti ini banyak digunakan di pabrik-pabrik gula karena tidak memerlukan tekanan uap yang tinggi.
b) Boiler Pipa Air
Gambar 2.2 Boiler pipa air (Sumber: Yendri, 2011)
c) Boiler Jenis Stoker
Pada boiler Stoker pembakarannya ditempatkan di atas rantai seperti rantai tank yang berjalan, serta bentuk-bentuk modifikasinya. Boiler jenis ini mempunyai efisiensi antara 80%–85%.
d) Boiler Jenis Pulverizer
Boiler jenis pulverizer, sering disebut PC (Pulverizer Combustion) Boiler. Batu bara ditepungkan terlebih dahulu kemudian disemprotkan ke ruang bakar sehingga mengapung dan terbakar di tengah-tengah ruang bakar. Boiler jenis ini mempunyai efisiensi sekitar 90%.
e) Boiler Jenis CFB
Boiler jenis Circulating Fluidize Bed (CFB), boiler ini ukuran diameter batu baranya sekitar 30 mm dan dilengkapi dengan cyclone diantara ruang bakar dan outlet asapnya. Fungsi cyclone untuk memisahkan (separator) gas untuk dibuang melalui cerobong asap dan partikel yang tidak terbakar untuk dikembalikan ke ruang bakar. Boiler jenis ini efisiensinya sekitar 92%.
Prinsip kerja dasar CFB boiler yaitu batu bara dan desulfurizer (limestone) yang disuplai ke dalam furnace kemudian dibakar, dan pada saat itu terjadilah proses desulfurisasi. Batu bara dan desulfurizer ikut terbawa ke atas bersama flue gas dan melepaskan panas ke water wall dan pemukaan penyerap panas yang lain. Partikel-partikel yang berukuran besar, jatuh kembali ke furnace karena beratnya sendiri, sedangkan partikel yang berukuran kecil masuk ke dalam cyclone separator. Campuran zat padat dan gas yang masih berukuran besar akan jatuh ke bawah cyclone separator dan dikembalikan lagi ke dalam furnace untuk dibakar kembali. Sedangkan partikel-partikel halus akan terbang bersama flue gas menuju back pass/heat recovery area untuk memanaskan superheater, economizer dan air heater. Setelah itu flue gas akan dibuang ke udara atmosfer setelah melewati electrostatic presipitator. (Djokosetyardjo. 2006).
2.3 Bagian-bagian Boiler dan Alat Bantunya a) Ruang Bakar
Ruang bakar adalah bagian dari Boiler yang berfungsi untuk tempat berlangsungnya proses pembakaran antara bahan bakar dan udara. Tekanan gas panas yang berada di dalam ruang bakar (Furnace) dapat lebih besar dari pada tekanan udara luar (tekanan ruang bakar positif) dan dapat juga bertekanan lebih kecil dari tekanan udara luar (tekanan ruang bakar negatif) atau bertekanan seimbang (Balance Draught).
b) Soot Blower (Pembersih Jelaga)
secara bergantian dan berurutan. Fungsi dari soot blower adalah untuk membersihkan abu, debu atau jelaga yang menempel pada pipa-pipa boiler, superheater, economizer dan pada elemen air heater. Tujuan dari pembersihan tersebut adalah untuk menaikkan efisiensi dari boiler dan menghindari kerusakan pipa-pipa pada boiler atau superheater. Biasanya soot blower menggunakan uap untuk membersihkan pipa-pipa boiler atau superheater.
Uap yang digunakan untuk pembersihan abu biasanya diambil langsung dari boiler, dari sisi keluar pemanas lanjut primer atau dari sisi masuk cold reheater, namun uap dari boiler bantu (auxilary boiler) pun dapat digunakan. Tekanan uap yang menuju kemasing-masing blower diturunkan seperlunya oleh plat-plat orifis (orifice plate). Pada pusat pembangkit lain, udara bertekanan juga digunakan sebagai media pembersih. Sistem sootblowing dengan udara bertekanan ini memerlukan tambahan modal dan biaya untuk kompressor yang berkapasitas besar.
c) Burner
Burner adalah alat yang dipakai untuk memasukkan bahan bakar minyak kedalam ruang bakar dan menghasilkan pengabutan yang memudahkan reaksi pembakaran.
d) Fan
menarik atau mempertahankan tekanan di ruang bakar (pengendali tekanan ruang bakar).
GR Fan berfungsi menarik kembali sisa gas panas yang dikembalikan ke ruang bakar, yang bertujuan meningkatkan efisiensi boiler.
Gambar 2.5 Fan Sentrifugal (Sumber: Yendri, 2011)
2.4 Sirkulasi Air dan Uap
Air dipompakan ke dalam boiler dengan menggunakan pompa air pengisi Boiler Feed Pump (BFP) melalui katup pengatur. Sebelum masuk ke dalam boiler drum, air dipanaskan terlebih dahulu di Low Pressure Heater juga dipanasi di High Pressure Heater dan terakhir dipanasi di Economizer sehingga temperatur air mendekati titik didihnya.
Sirkulasi ini dapat terjadi secara alami (natural circulation) ataupun sirkulasi yang dibantu (assited circulation) dengan menggunakan pompa sirkulasi. Sirkulasi alami pada Boiler dapat dilihat pada Gambar 2.6.
Gambar 2.6 Sirkulasi Air dan Uap di Boiler (Sumber: Yendri, 2011)
ada di dalam riser akan naik sedangkan air yang ada di dalam down comer akan turun. Dengan demikian terjadilah sirkulasi air di dalam boiler secara alami. Uap yang dihasilkan ditampung di dalam boiler drum kemudian dialirkan menuju turbin melewati superheater. Komponen utama boiler dalam sirkulasi air adalah ekonomizer, drum boiler, heater, riser dan down comer.
a) Economizer
Economizer adalah Heat Exchanger (penukar kalor) yang dipasang pada saluran air pengisi sebelum air masuk ke boiler drum. Konstruksi Economizer berupa sekelompok pipa-pipa kecil yang disusun berlapis-lapis. Di bagian dalam pipa mengalir air pengisi yang dipompakan oleh Boiler Feed Pump dan di bagian luar pipa mengalir gas panas hasil pembakaran yang terjadi di ruang bakar. Karena temperatur gas panas lebih tinggi dari temperatur air pengisi maka gas panas menyerahkan panas kepada air pengisi sehingga temperatur air pengisi menjadi naik dan diharapkan mendekati titik didihnya, tapi jangan melampaui titik didih karena akan menyebabkan terbentuknya uap di dalam pipa economizer dengan akibat lebih lanjut terjadi overheating pada pipa tersebut.
b) Boiler Drum
Level air di dalam drum harus dijaga agar selalu tetap kira-kira separuh dari tinggi drum. Banyaknya air pengisi yang masuk ke dalam drum harus sebanding dengan banyaknya uap yang meninggalkan drum, sehingga level air terjaga konstant. Uap yang dihasilkan dari dalam tube wall (riser), terkumpul di dalam boiler drum. Uap akan mengalir ke arah puncak boiler drum melewati steam separator dan screen dryer lalu keluar dari dalam drum dalam keadaan kering menuju separator dan akhirnya ke turbin. Butir-butir air yang terpisah dari uap akan jatuh dan bersirkulasi kembali bersama air yang baru masuk.
Gambar 2.7 Boiler Drum (Sumber: Yendri, 2011)
c) Superheater
Gambar 2.8 Sirkulasi Uap Menuju Superheater (Sumber: Yendri, 2011)
Aliran sirkulasi uap yang terjadi adalah sebagai berikut :
a. Uap jenuh dari steam drum dialirkan ke primary superheater. Primary superheater terletak di bagian belakang dari boiler dan menerima gas relatif dingin. Pipa-pipa biasanya diatur dengan konfigurasi horizontal.
b. Uap yang dipanaskan ini selanjutnya mengalir ke secondary superheater yang terletak pada bagian gas sangat panas. Sebagian dari superheater terletak tepat di atas ruang bakar dan menerima panas radiasi langsung dari ruang bakar. Kemudian dari secondary superheater, uap mengalir ke turbin tekanan tinggi.
2.5 Bahan Bakar Batu Bara
untuk melayani kebutuhan pembakaran di boiler, batu bara ditampung pada bunker (silo) di tiap boiler. Pemasokan batu bara dari bunker ke burner ruang bakar dilakukan melalui coal feeder, mill pulveriser, dan coal pipe. Pengaturan dan pencatatan jumlah aliran batu bara dilakukan dengan coal feeder. Mill pulveriser berfungsi untuk menggerus batu bara sehingga menjadi bubuk. Sedang untuk membawa bubuk batu bara ke burner, dihembuskan udara primer ke mill. Udara primer dihasilkan oleh primary air fan (PAF) dan dipanaskan pada pemanas udara primer sehingga cukup untuk mengeringkan bubuk batu bara.
Tabel 2.1 Spesifikasi ASTM Untuk Bahan Bakar Padat
(Sumber: eprints.polsri.ac.id)
2.6 Sistem Udara Pembakaran dan Gas Buang
Bersama-sama dengan bahan bakar, udara berfungsi untuk menghasilkan pembakaran. Fungsi lainnya adalah untuk mengatur bentuk nyala api, dan sebagai pendingin. Pada ketel batu bara, udara dibedakan menjadi udara primer dan udara sekunder. Udara primer berfungsi untuk mengeringkan dan membawa bubuk batu bara ke ruang bakar. Sedangkan udara sekunder sebagai udara pembakaran. Proses pembakaran menghasilkan produk utama berupa panas, hasil lainnya adalah gas dan abu. Sebagian gas yang tidak dapat dimanfaatkan lagi dibuang ke udara luar melalui cerobong.
2.6.1 Penanganan Gas Buang
Gas buang mengandung gas atau senyawa kimia yang bersifat menggangu lingkungan dan abu atau debu. Untuk mengurangi pencemaran terhadap lingkungan sekitarnya, maka cerobong dibuat tinggi. Gas yang terkandung dalam gas buang antara lain adalah karbon dioksida, asam nitrogen dioksid, dan asam sulfat. Pada ketel batu bara dilengkapi dengan electrostatic precipitator untuk menangkap abu dalam gas buang, dan pada ketel minyak dipasang dust collector.
2.7 Efisiensi Boiler
Efisiensi termal boiler didefinisikan sebagai perbandingan antara energi output berguna dengan input panas dari proses pembakaran bahan bakar. Energi output berguna berasal dari input panas dari proses pembakaran bahan bakar dikurangi dengan rugi–rugi panas (losses). Terdapat dua metode pengkajian efisiensi boiler, yaitu metode langsung (Direct Method) dan metode tak langsung (Loss Method). Metode Langsung adalah energi yang didapat dari fluida kerja (air dan steam) dibandingkan dengan energi yang terkandung dalam bahan bakar boiler, sedangkan metode tak langsung adalah cara menghitung efisiensi boiler dari perbedaan antara kehilangan dan energi yang masuk.
Perhitungan dengan cara Direct Method sulit dilaksanakan pada PLTU berbahan bakar batu bara, karena coal weigher (alat penimbang batu bara) bukan merupakan bagian dari Milling Plant sehingga jumlah berat batu bara dibakar sulit untuk diketahui dengan akurat. Disamping itu untuk mendapatkan nilai kalor batu bara terlebih dulu diambil sampel dan dianalisa di laboratorium. Karena lamanya perbedaan waktu antara pengambilan sampel dengan mendapatkan hasil analisa, nilai kalor batu bara yang dibakar mungkin berbeda dengan yang dianalisa. Cara perhitungan yang lebih baik adalah menggunakan Loss Method, yaitu terlebih dulu menghitung Losses (seperti yang sudah dijelaskan terdahulu), kemudian dihitung besarnya output dan input. Menurut (Yendri:2011), Uraian rumusannya adalah sebagai berikut:
Losses total = Dihitung dan dijumlahkan dari setiap Loss
¿Lmoist+Lfuel+Lflue gasdry+Lunburned+Lrad+Lunaccounted
2.8 Neraca Panas
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.
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 2.9 Diagram neraca energi boiler
(Sumber: http://www.scribd.com/doc/35222816/Efisiensi-Boiler-CRM)
memberikan gambaran berbagai kehilangan yang terjadi untuk pembangkitan steam.
Gambar 2.10 Kehilangan panas pada boiler (Sumber: Asmudi. 2008)
Pembakaran terjadi secara proses kimia antara bahan-bahan yang mudah terbakar dengan oksigen dari udara untuk menghasilkan energi panas yang dapat digunakan untuk keperluan lain. Komponen utama bahan-bahan yang mudah terbakar adalah karbon, hidrogen, dan campuran lainnya. Dalam proses pembakaran komponen ini terbakar menjadi karbon dioksida dan uap air. Sejumlah sulfur juga terdapat pada sebagian besar bahan bakar. Pada proses pembakaran jumlah oksigen yang digunakan dapat mempengaruhi kualitas pembakaran. Oksigen merupakan salah satu elemen udara yang jumlahnya mencapai 20.9% seluruh komponen dari udara. Bahan bakar akan terbakar pada keadaan normal jika terdapat udara yang cukup.
2.9 Losses pada Boiler
tetapi dalam kenyataannya tidak semua panas dapat diserap oleh ketel, karena sebagian kecil terbuang sebagai losses, di antaranya:
1. Kerugian karena kandungan moisture dalam udara (Lmoist); Kandungan air dalam bahan bakar, terutama pada bahan bakar batubara biasanya diakibatkan oleh penimbunan batubara yang kurang baik, misalnya terkena hujan.
Cp = panas jenis air pada tekanan konstan
Tg out = temperatur gas asap meninggalkan air heater To = temperatur refensi (temperatur udara sekitar) HHV = High Heating Value
2. Kerugian karena uap air pada bahan bakar (Lfuel); Hydrogen dalam bahan bakar akan membentuk air, dan air ini menyerap panas untuk penguapan. Rumusnya adalah:
Lfuel=m'H2o× Htg×h¿
HHV
dimana:
m'H2o= mH2o + mh
3. Kerugian pada flue gas (Lflue gas dry), panas terbuang oleh flue gas ke cerobong
(stack). Gas asap yang keluar ke cerobong terutama terdiri dari CO2 , Nitrogen,
udara lebih dan uap air. Banyaknya panas yang terbuang ke cerobong
tergantung dari temperatur dan volume flue gas. Persentase CO2 tidak dapat
dikurangi karena gas tersebut merupakan unsur utama produk pembakaran. Udara lebih masih memungkinkan untuk dikurangi dengan catatan tidak menyebabkan pembakaran menjadi tidak sempurna, karena udara lebih ini diperlukan untuk sempurnanya pembakaran. Sebagian besar dari Udara adalah Nitrogen, jadi dengan mengurangi udara lebih berarti mengurangi volume hydrogen. Uap air yang terbentuk dari proses pembakaran hydrogen sulit untuk dikurangi, sedangkan yang masih memungkinkan adalah mengurangi kadar air dalam bahan bakar.
Kondisi lain yang mempengaruhi besarnya panas terbuang ke cerobong adalah temperatur flue gas, oleh karena itu temperatur flue gas harus dibuat serendah mungkin dalam batas amannya agar tidak terjadi pengembangan sulphur yang akan menyebabkan korosi. Rumusnya adalah:
Lflue gas ,dry=mg dry × Cp×(Tgout−T0)
HHV
dimana:
mg dry = massa gas asap kering
Cp = panas jenis gas pada tekanan konstan
batubara serbuk terlalu besar, percampuran bahan bakar dengan udara tidak homogen, kekurangan udara lebih dan lain sebagainya.
Akibat dari pembakaran tidak sempurna mungkin terjadi adanya serbuk atau butir-butir cairan bahan bakar terbawa ke cerobong, atau jatuh ke bagian bawah ruang bakar (furnace).
Pembakaran tidak sempurna juga dapat menghasilkan gas CO yaitu gas yang masih dapat terbakar. Gas CO ini akan terbuang ke cerobong. Baik adanya bahan bakar yang belum terbakar maupun gas CO akan mengurangi jumlah panas yang dihasilkan oleh proses pembakaran. Rumusnya adalah:
Lunburned=losses karbon tidak terbakar(%fuelinput)×14500 HHV
dengan asumsi losses karbon tidak terbakar adalah sebesar 0,5 % dari fuel input.
5. Kerugian bahan bakar yang tidak terbakar (Lunburned); Walaupun proses pembakaran diusahakan sempurna, ternyata masih sering dijumpai adanya unsur Carbon (C) didalam abu atau debu. Carbon adalah unsur yang menghasilkan panas, sehingga dengan tertinggalnya carbon dalam abu atau debu akan mengurangi panas dari proses pembakaran. Untuk menghitungnya harus diketahui terlebih dahulu kalor yang dibutuhkan untuk mengubah air menjadi uap superheat. Kalor yang dibutuhkan untuk memanaskan dan mengubah air menjadi uap superheat dirumuskan sebagai berikut:
dimana,
ms = flowrate steam hs = enthalpy superheated hw = enthalpy feedwater
6. Kerugian yang tidak dapat dihitung (Lunaccounted); Kerugian ini diakibatkan oleh radiasi (pancaran panas) dari ketel. Perhitungan panas radiasi sulit dilakukan dan umumnya mempunyai nilai kecil apabila boiler di isolasi dengan baik. Kerugian ini biasanya dimasukkan dalam perhitungan heat balance untuk memberikan batas toleransi atau angka keamanan didalam menentukan efisiensi. American Boiler Manufactures Association (ABMA) telah menetapkan kerugian ini sebesar 1,5 % (Yendri. 2011).
Agar panas yang diserap oleh boiler maksimal, maka kerugian-kerugian tersebut diatas harus dibuat minimal. Untuk menghitung nilai setiap losses perlu terlebih dahulu ditentukan Nilai Kalor Teratas atau Higher Heating Value (HHV) dan dapat pula dinyatakan dalam Nilai Kalor Terendah atau Lower Heating Value (LHV).
Lower Heating Value (LHV). Menurut (Yendri. 2011) untuk menghitung HHV dan LHV adalah sebagai berikut:
High Heating Value (HHV) berdasarkan formula Dulong yaitu:
HHV = 14.544 C + 62.028 [(H2-(O2/8)] + 4050 S
dengan,
HHV = high heating value
C = fraksi massa karbon dalam bahan bakar H2 = fraksi massa hidrogen dalam bahan bakar O2 = fraksi massa oksigen dalam bahan bakar S =fraksi massa sulfur dalam bahan bakar
Sedangkan untuk Low Heating Value (LHV) adalah:
LHV = HHV – 10,30 (H2 x 8,94) dengan,
HHV = high heating value LHV = lower heating value
H2 = persen massa hidrogen dalam bahan bakar
2.10 Entalpi spesifik (Specific Enthalpy)
