J.Tek.Ling Edisi Khusus Hal. 58 - 65 Jakarta, Juli 2006 ISSN 1441 – 318X
PERHITUNGAN EFISIENSI BOILER PADA INDUSTRI
INDUSTRI TEPUNG TERIGU
Widiatmini Sih Winanti dan Teguh Prayudi Peneliti di Pusat Teknologi Lingkungan Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi
Abstract
Boiler is an enclosed vessel that consume significant amount of fuel for heating water to become heated water or steam. The hot water or steam under pressure is then usable for transferring the heat to a process. Water is a useful and inexpensive medium for transferring heat to process. One of the methods for fuel consumption efficiency in boiler operation is maintain the steam production efficiency always in high performance, therefore can utilize the energy input as much as possible to produce steam. Boiler efficiency calculation can be calculated using direct method and indirect method. Each method has its advantage and disadvantage. The results of calculation can be used as guidance for industry to improve the boiler performance to become more efficient, that can reduce fuel consumption and production cost. The result of boiler efficiency calculation in flour industry is 69.6%. This result show that the boiler performance is under good efficiency standard for boiler 85%.
Key words: Boiler, efficiency, direct methods, indirect methods .
1. PENDAHULUAN
Boiler adalah bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan ke air sampai terbentuk air panas atau steam. Air panas atau steam pada tekanan tertentu kemudian digunakan untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Air adalah media yang berguna dan murah untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Jika air dididihkan sampai menjadi steam, volume nya akan meningkat sekitar 1.600 kali, menghasilkan tenaga yang menyerupai bubuk mesiu yang mudah meledak, sehingga boiler merupakan peralatan yang harus dikelola dan dijaga dengan sangat baik.
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. 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 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.(1)
Salah satu cara untuk mengefisienkan penggunaan bahan bakar pada boiler adalah dengan menjaga supaya efisiensi pembakaran bahan bakar pada boiler tetap tinggi.
Gambar 1. Diagram skematis Sistim Boiler
2. JENIS BOILER
Berbagai jenis boiler yang digunakan dalam industri adalah: Fire
tube boiler, Water tube boiler, Paket
boiler, Fluidized bed combustion boiler,
Atmospheric fluidized bed combustion
boiler, Pressurized fluidized bed
combustion boiler, Circulating fluidized bed combustion boiler, Stoker fired boiler, Pulverized fuel boiler, Boiler pemanas limbah (Waste heat boiler) dan and
Pemanas fluida termis(1) 2.1 Fire Tube Boiler
Pada fire tube boiler, gas panas melewati pipa-pipa dan air umpan boiler ada didalam shell untuk dirubah menjadi steam. Fire tube boilers biasanya digunakan untuk kapasitas steam yang relative kecil dengan tekanan steam rendah sampai sedang.
2.2 Water Tube Boiler
Pada water tube boiler, air umpan boiler mengalir melalui pipa-pipa masuk kedalam drum. Air yang tersirkulasi dipanaskan oleh gas pembakar membentuk steam pada daerah uap dalam drum. Boiler ini dipilih jika kebutuhan steam dan tekanan steam sangat tinggi seperti pada kasus boiler untuk pembangkit tenaga.
2.3 Paket Boiler
Disebut boiler paket sebab sudah tersedia sebagai paket yang lengkap. Pada saat dikirim ke pabrik, hanya memerlukan pipa steam, pipa air, suplai bahan bakar dan sambungan listrik untuk dapat beroperasi. Paket boiler biasanya merupakan tipe shell and tube dengan rancangan fire tube dengan transfer panas baik radiasi maupun konveksi yang tinggi.
Ciri-ciri dari packaged boilers adalah: § Kecilnya ruang pembakaran dan
tingginya panas yang dilepas menghasilkan penguapan yang lebih cepat.
§ Dirancang dengan transfer panas, penguapan, transfer panas konveksi dan tingkat efisiensi panas yang tinggi.
§ Diklasifikasikan berdasarkan jumlah pass, yang paling umum adalah unit tiga pass.
2.4. Boiler Pembakaran dengan
Fluidized Bed (FBC)
Pembakaran dengan fluidized bed (FBC) memiliki kelebihan dibanding sistim pembakaran yang konvensional karena rancangan boiler yang kompak, fleksibel terhadap bahan bakar, efisiensi pembakaran yang tinggi dan berkurangnya emisi polutan yang merugikan seperti SOx dan NOx. Dapat digunakan bahan bakar batubara kualitas rendah, limbah industri dan komersial,
BO
IL
BU RN Ec on m iz Sumber air Pelunakan air Umpan bahan kimia Bahan bakar Pemisah Blow down Gas buang Steam ke Proses Cerobong Deaerato r Pompa BOILER Burner Economizersekam padi, bagas & limbah pertanian lainnya. Kisaran suhu operasinya cukup luas antara 840o
C – 950o
C dengan kapasitas antara 0.5 T/jam sampai lebih dari 100 T/jam.
2.5 Stoker Fired Boilers
Stokers diklasifikasikan menurut
metode pengumpanan bahan bakar ke tungku dan oleh jenis grate nya. Klasifikasi utamanya adalah spreader
stoker dan chain-gate atau traveling-gate stoker. Jenisnya antara lain Spreader
stokers dan chain-grate atau
traveling-grate stoker
2.6 Pulverized Fuel Boiler
Kebanyakan boiler stasiun pembangkit tenaga yang berbahan bakar batubara menggunakan batubara halus, dan banyak boiler pipa air di industri yang lebih besar juga menggunakan batubara yang halus. Teknologi ini berkembang dengan baik dan diseluruh dunia terdapat ribuan unit dan lebih dari 90 persen kapasitas pembakaran batubara merupakan jenis ini.
Sistim ini memiliki banyak keuntungan seperti kemampuan
membakar berbagai kualitas batubara, respon yang cepat terhadap perubahan beban muatan, penggunaan suhu udara pemanas awal yang tinggi dll.
2.7 Boiler Limbah Panas
Boiler ini beroperasi dengan memanfaatkan limbah panas yang tersedia dalam pabrik, seperti gas panas dari berbagai proses, gas buang dari turbin gas dan mesin diesel.
3. PENGKAJIAN EFISIENSI BOILER Pengkajian efisiensi boiler dilakukan untuk mengevaluasi Kinerja boiler
3.1 Evaluasi Kinerja Boiler
Beberapa faktor yang mempengaruhi kinerja boiler adalah: § Efisiensi boiler
§ Rasio penguapan/ evaporation ratio § Pengerakan pada permukaan
transfer panas
§ Perawatan yang kurang baik § Kualitas dan kandungan air bahan
bakar
Uji efisiensi boiler dapat membantu dalam menemukan penyimpangan efisiensi boiler dari efisiensi terbaik dan target area permasalahan untuk tindakan perbaikan.
a. Neraca Panas
Proses pembakaran dalam boiler dapat digambarkan dalam bentuk diagram alir energi, seperti terlihat pada gambar 2.
Neraca panas merupakan keseimbangan energi total yang masuk boiler terhadap yang meninggalkan boiler dalam bentuk yang berbeda. Gambar 3. Oi
To
Gambar 2. Jenis Paket Boiler 3 Pass, bahan bakar minyak
Panas masuk Panas keluar
Q x (hg - hf) q x GCV berikut memberikan gambaran berbagai
kehilangan yang terjadi untuk pembangkitan steam.
b. Efisiensi Boiler
Efisiensi termis boiler adalah energi panas masuk yang digunakan secara efektif untuk menghasilkan steam
.
Gambar 4. Berbagai kehilangan pada produksi stem(1)
Ada dua metode pengkajian efisiensi boiler:
§ Metode Langsung: energi yang terkandung dalam steam dibandingkan dengan energi yang terkandung dalam bahan bakar
boiler.
§ Metode Tidak Langsung: efisiensi merupakan perbedaan antara kehilangan dan energi yang masuk. c. Metode langsung dalam
menentukan fisiensi boiler(1)
Dikenal juga sebagai ‘metode
input-output’ karena metode ini hanya
memerlukan keluaran/output (steam) dan panas masuk/input (bahan bakar) untuk evaluasi efisiensi. Efisiensi ini dapat dievaluasi dengan menggunakan persamaan:
Efisiensi Boiler (η) = x 100....(1)
Efisiensi Boiler (η) = x 100....(2) Dimana
§ hg – Entalpi steam jenuh dalam kkal/kg steam
§ hf – Entalpi air umpan dalam kkal/kg air
Parameter yang dipantau untuk perhitungan efisiensi boiler dengan metode langsung adalah:
§ Jumlah steam yang dihasilkan per jam (Q) dalam kg/jam
§ Jumlah bahan bakar yang digunakan per jam (q) dalam kg/jam
§ Tekanan kerja (dalam kg/cm2(g)) dan suhu lewat panas (oC), jika ada § Suhu air umpan (oC)
§ Jenis bahan bakar dan nilai panas kotor bahan bakar (GCV) dalam kkal/kg bahan bakar
Keuntungan metode langsung
§ Efisiensi boiler dapat segera dievaluasi
§ Memerlukan sedikit parameter untuk perhitungan
73.8 % BOILER
100 %
Panas dalam Steam
Kehilangan panas karena steam dalam gas buang
Kehilangan panas karena kandungan air dalam bhn bakar
Kehilangan panas karena bahan yang tidak terbakar dalam residu
Kehilangan panas karena kandungan air dalam udara
8.1 % 1.7 % 0.3 % 2.4 % 1.0 % Bahan bakar
Kehilangan panas karena gas buang kering
Kehilangan panas karena radiasi dan kehilangan yang tidak terhitung
12.7 %
Gambar 3. Diagram neraca energi boiler(2)
FUE
L
ST EA St acG a Stoch iomet Exc ess Un bur -BAHAN BAKAR MASUK STEAM KELUAR Gas buang Stokiometrik Udara berlebih Tidak terbakar -Konvek§ Memerlukan sedikit instrumen untuk pemantauan
§ Mudah membandingkan rasio penguapan dengan data benchmark
Kerugian metode langsung
§ Tidak memberikan petunjuk kepada operator tentang penyebab dari efisiensi masing-masing sistim § Tidak menghitung berbagai
kehilangan pada berbagai tingkat efisiensi
3.1.4 Metode tidak langsung dalam menentukan efisiensi boiler(3)(4)
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) ...(3) 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
Data yang diperlukan untuk perhitungan efisiensi boiler secara tidak langsung adalah:
§ Analisis ultimate bahan bakar (H2, O2, S, C, kadar air, kadar abu)
§ Persentase O2 atau CO2 dalam gas buang
§ Suhu gas buang dalam o C (Tf) § Suhu ambien (Ta) dan kelembaban
udara dalam kg/kg udara kering § GCV bahan bakar dalam kkal/kg § Persentase bahan yang dapat
terbakar dalam abu (untuk bahan bakar padat)
§ GCV abu dalam kkal/kg (untuk bahan bakar padat)
Prosedur perhitungan efisiensi boiler metode tidak langsung adalah sebagai berikut:
Tahap 1: Menghitung kebutuhan udara teoritis
= [(11,43 x C) + {34,5 x (H2 – O2/8)} + (4,32 x S)]/100 kg/kg bahan bakar ....(4) Tahap 2: Menghitung persen kelebihan udara yang dipasok (EA)
persen O2 x 100
= --- ...(5) (21 – persen O2)
Tahap 3: Menghitung massa udara sebenarnya yang dipasok/ kg bahan bakar (AAS)
= {1 + EA/100} x udara teoritis ...(6) Tahap 4: Memperkirakan seluruh kehilangan panas
i. Persentase kehilangan panas yang diakibatkan oeh gas buang yang kering
= m x Cp x (Tf-Ta) x 100
--- ...(7) GCV bahan bakar
m = (massa has il pembakaran kering / kg bahan bakar) + (massa N2 dalam bahan bakar pada basis 1 kg) + (massa N2 dalam massa udara pasokan yang sebenarnya). Cp = Panas jenis gas buang (0,23
kkal/kg )
ii. Persen kehilangan panas karena penguapan air yang terbentuk karena adanya H2 dalam bahan bakar
9 x H2 {584+Cp (Tf-Ta)} x 100 =--- ....(8) GCV bahan bakar
Dimana,H2 = persen H2 dalam 1 kg bahan bakar
Cp = panas jenis steam lewat jenuh/superheated steam (0,45 kkal/kg)
iii. Persen kehilangan panas karena penguapan kadar air dalam bahan bakar
M{584+ Cp (Tf-Ta)} x 100 = --- ...(9)
GCV bahan bakar
Dimana, M – persen kadar air dalam 1 kg bahan bakar
iv. Persen kehilangan panas karena kadar air dalam udara
AAS x kelembaban x Cp (Tf-Ta)} x 100
= ---(10) GCV bahan bakar
v. Persen kehilangan panas karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu terbang/ fly ash
Total abu /kg bahan bakar x GCV abu x 100 =--- ...(11)
GCV bahan bakar
vi. Persen kehilangan panas karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu bawah/ bottom ash
Total abu/ Kg bahan bakar x GCV abu bwh x 100 = --- (12) GCV bahan bakar
vii. Persen kehilangan panas karena radiasi dan kehilangan lain yang tidak terhitung
Tahap 5: Menghitung efisiensi boiler dan rasio penguapan boiler
Dihitung juga rasio penguapan yaitu kilogram steam yang dihasilkan per kilogram bahan bakar yang digunakan.
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 lengkap untuk analisis
4. METODOLOGI PENELITIAN Metodologi pengkajian boiler dilakukan dengan melakukan pengukuran lapangan secara langsung, data analisis laboratorium dan/atau pengambilan data operasi boiler, baik data harian, mingguan maupun bulanan.
Data-data tersebut kemudian dipakai untuk melakukan perhitungan efisiensi boiler, baik secara langsung maupun tidak langsung menggunakan persamaa-persamaan tersebut diatas.
Kemudian dilakukan analisis hasil perhitungan untuk menentukan kinerja boiler dan untuk memberikan rekomendasi untuk perbaikan kinerja boiler.
5. HASIL DAN PEMBAHASAN a. Perhitungan Efisiensi Boiler
Secara Langsung
Data dan pengukuran yang didapatkan adalah: tekanan steam 10 kg/cm2
, kapasitas produksi steam 39.800 kg/jam dan jumlah air umpan boiler 3.683 kg/jam. Dari data tekanan steam, dapat diketahui entalpi steam jenuh (hg) dan entalpi air (Hf) dari table steam.
Efisiensi boiler dapat dihitung menggunakan persamaan (2) berikut:
Q x (hg – hf) Efisiensi Boiler (?) = x 100 % q x GCV 39.800 x (663 – 85) Efisiensi (?) = x 100 % 3.403 x 10.000 Efisiensi Boiler (?) = 67,6%
b. Perhitungan Efisiensi Boiler Secara Tidak Langsung
Data lebih lengkap yang didapat dari hasil kajian adalah sebagai berikut:
§ Analisis ultimate minyak bakar C : 84 persen
H2 : 12 persen S : 3,0 persen O2 : 1,0 persen
§ GCV Minyak bakar: 10.000 kkal/kg § Persentase Oksigen: 8 persen § Persentase CO2: 9 persen § Suhu gas buang (Tf): 247
0 C § Suhu ambien (Ta): 30 0 C § Kelembaban udara: 0,024 kg/kg udara kering (5)
Dengan menggunakan persamaan (3) sampai dengan persamaan (12) dilakukan perhitungan efisiensi boiler secara tidak langsung dan didapatkan hasil perhitungan sebagai berikut: § Pers. (3) Kebutuhan udara teoritis =
13,82 kg udara/ kg bahan bakar
§ Jumlah udara berlebih (pers.4) = 62 % § Jumlah udara aktual umpan boiler =
22,4 kg udara/ kg bahan bakar. Hasil kehilangan panas masing-masing dihitung menggunakan:
§ Pers. (7). Kehilangan panas karena gas kering cerobong = 11,7%
§ Pers. (8). Kehilangan panas karena H2 dalam bahan bakar = 7,36 %
§ Pers. (9). Kehilangan karena air dalam bahan bakar = 6,82 %
§ Pers. (10). Kehilangan panas karena air dalam udara = 0,53 %
§ Kehilangan panas radiasi = 2% § Total kehilangan panas = 28,41% Efisiens i boiler hasil perhitungan tidak langsung = 100 – 28,41 = 71,59% Rasio penguapan: =10.000 x 0,7159/ (663-85) = 12,38 6. KESIMPULAN
Dari hasil perhitungan diatas terlihat bahwa efisiensi boiler berada dibawah standar kinerja yang baik 85%, demikian pula rasio penguapannya dibawah standar rasio penguapan yang diharapkan untuk bahan bakar minyak solar yaitu 13.
7. SARAN
Beberapa saran untuk meningkatkan efficiency pembakaran adalah sebagai berikut:
§ Perlu dilakukan pengkajian lebih lanjut pada gas buang cerobong untuk menentukan udara berlebih yang tepat untuk kesempurnaan pembakaran § Pemantauan suhu cerobong untuk
dapat diturunkan suhunya dengan perawatan dan pembersihan yang baik dari jelaga yang terbentuk, § Pengecekan pada burner untuk
§ Pemanfaatan kembali kondensat untuk meningkatkan suhu umpan dan efisiensi air dan bahan bakar.
§ Memanfaatkan blowdown/ kondensat untuk memanaskan udara pembakaran.
DAFTAR PUSTAKA
1. Uited Nation Environmental Program (UNEP), Boiler and Thermic Fluid Heater, Energy Efficiency Guide for Industry in Asia, www.energy efficiencyasia.org.
2. Winanti, W.S., 2006, Boiler dan Pemanas Fluida Termis, Pelatihan Produksi Bersih untuk Efisiensi Energi, BPP Teknologi.
3. British Standard, BS
845:1987
4. USA Standard ASME
PTC-4-1 Power Test Code Steam Generating Units.
5. Perry, R.H, Green, D., 1984, Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, hal. 12-5, 6th Ed., Mc. Graw Hill International Editions.
