D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 0
BOILER
( KATEL UAP )
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Steam generator/pesawat pembangkit uap/ketel uap/boiler adalah suatu suatu bejana tertutup yang terbuat dari baja digunakan untuk menghasilkan uap. Atau unit pesawat yang dapat dipakai untuk merubah energi panas dari bahan bakar diberikan kepada air melalui bagian pendidih sehingga terbentuk uap. Untuk menghasilkan uap bertekanan pada boiler diperlukan panas/kalor, panas ini berasal dari proses pembakaran bahan bakar yang terjadi pada ruang bakar. Uap yang dihasilkan oleh ketel uap, dipergunakan sebagai fluida kerja atau sebagai media pemanas untuk berbagai macam keperluan, dari keperluan rumah tangga atau sampai dengan keperluan industri.
Proses ketel uap secara sederhana dapat digambarkan seperti proses memasak air, dimana dalam pemanasan air dibutuhkan sumber energi panas guna memasaknya. Pemanasan diperoleh dari bahan bakar padat, cair, gas ataupun dari tenaga listrik dan tenaga-tenaga lainnya. Proses ketel uap adalah suatu kombinasi dari peralatan-peralatan yang bekerja untuk memproduksi panas dengan media fluida yang diuapkan dengan kapasitas dan tekann serta temperature tertentu, pada umumnya uap tersebut dipergunakan diluar ketel uap.
Proses pemanasan pada ketel uap dilaksanakan dengan tiga tahap, yaitu sebagai berikut:
1. Proses pemanasan sehingga air menjdi uap basah ( wet steam )
2. Proses pemanasan sehingga air jenuh menjadi uap jenuh ( saturated steam )
3. Proses pemanasan sehingga uap jenuh menjadi uap panas lanjut ( superheated steam).
Proses uap panas pada aplikasinya kadang memerlukan pengerjaan lanjut sehingga diperoleh uap panas kering untuk pemanasan tersebut. Selain itu air isian juga perlu penanganan khusus agar dalam proses pembentukan uap tidak menimbulkan efek-efek yang dapat merugikan pada ketel. Keseluruhan proses itu harus dikontrol sehingga pelaksanaan produksi uap terkondisi dan tidak membahayakan bagi operator dan lingkungan sekitarnya.
Fungsi boiler yaitu sebagai penghasil uap panas, sedang didunia perminyakan uap/steam dari boiler ini digunakan untuk:
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 2
Proses pengolahan minyak
Pemanasan minyak berat
Sebagai fluida kerja/penggerak turbin uap, mesin uap
Membersihkan pipa minyak Syarat-syarat Boiler Yang Baik
Boiler yang baik harus memenuhi persyaratan yang ditinjau dari segi teknis, ekonomis, maupun keselamatan kerja. Persyaratan umum yang harus dipenuhi adalah:
Hemat dalam pemakaian bahan bakar.
Pengoperasian fleksibel ( dapat menyesuaikan naik turunnya beban ).
Konstruksi ringkas dan sederhana agar mudah dalam pengoperasian dan perawatannya.
Mempunyai system pembuangan lumpur yang baik.
Dapat menghasilkan uap yang bersih
Material yang digunakan memenuhi standar yang berlaku.
Dilengkapi peralatan pengaman yang memenuhi standar dari dinas pengawasan keselamatan kerja Departemen Tenaga Kerja.
Jumlah panas yang hilang karena radiasi harus sekecil-kecilnya.
Peredaran gas panas dari pembakaran harus baik sehingga transfer panas dapat maksimal.
Perbandingan ruang uap dan air, saluran luar dan sirkulasi air yang memadai
Boiler harus dapat dioperasikan dalam waktu singkat. Klasifikasi Boiler
Berdasarkan isi tube/pipa:
Boiler lorong api
Boiler pipa api (fire tube/smoke tube boiler)
Boiler pipa air (water tube boiler)
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 3 Gambar 1.1. Diagram skematis Ruang Boiler (Anonim, 2009)
1.2 Rumusan Masalah
1. Apa yang dimaksud dengan Boiler ? 2. Bagaimana sistem kerja Boiler ?
3. Apa saja tipe-tipe dan klasifikasi dari Boiler ? 4. Apa saja bagian-bagian dari Boiler ?
5. Bagaimana sketsa komponen-komponen serta prinsip instrumentasi atau alat ukur pada Boiler ?
6. Bagaimana perawatan umum untuk Boiler ? 1.3 Tujuan
Penulisan makalah ini memiliki beberapa tujuan, antara lain : 1. Mengetahui pengertian Boiler
2. Mengetahui dan memahami prinsip kerja dari Boiler 3. Mengetahui tipe-tipe dan klasifikasi dari Boiler 4. Mengetahui komponen-komponen dari Boiler
5. Mengetahui bentuk atau sketsa serta prinsip kerja instrumentasi atau alat ukur pada Boiler
6. Mengetahui cara perawatan umum pada Boiler
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 4
BOILER
2.1 Pengertian Boiler
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, volumnya 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.
Air yang disuplai ke boiler untuk diubah menjadi steam disebut air umpan. Dua sumber air umpan adalah:
1. Kondensat atau steam yang mengembun yang kembali dari proses dan
2. Air makeup (air baku yang sudah diolah) yang harus diumpankan dari luar ruang boiler dan plant proses.
Untuk mendapatkan efisiensi boiler yang lebih tinggi, digunakan economizer untuk memanaskan awal air umpan menggunakan limbah panas pada gas buang.
Prinsip Kerja Boiler
Boiler atau ketel uap merupakan sebuah alat untuk menghasilkan uap, dimana terdiri dari dua bagian yang penting : dapur pemanasan, yaitu untuk menghasilkan panas yang didapat dari pembakaran bahan bakar dan boiler proper, yaitu sebuah alat yang mengubah air menjadi uap. Fluida panas (uap) kemudian disirkulasikan dari ketel untuk berbagai proses dalam aplikasi industri, seperti untuk penggerak, pemanas, dan lain-lain. Energi
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 5 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 (power boilers). Namun, ada juga yang menggabungkan kedua sistem boiler tersebut, yang memanfaatkan tekanan-temperatur tinggi untuk membangkitkan energi listrik, kemudian sisa steam dari turbin dengan keadaan tekanan-temperatur rendah dapat dimanfaatkan ke dalam proses industri dengan bantuan heat recovery boiler.
Hal-hal yang mempengaruhi effisiensi boiler adalah bahan bakar dan kualitas air umpan boiler. Parameter-parameter yang mempengaruhi kualitas air umpan boiler antara lain :
1. Oksigen terlarut : Dalam jumlah yang tinggi dapat menyebabkan korosi pada peralatan boiler.
2. Kekeruhan : Dapat mengendap pada perpipaan dan peralatan proses serta mengganggu proses.
3. pH : Bila tidak sesuai dengan standart kualitas air umpan boiler dapat menyebabkan korosi pada peralatan.
4. Kesadahan : Merupakan kandungan ion Ca dan Mg yang dapat menyebabkan kerak pada peralatan dan perpipaan boiler sehingga menimbulkan local overheating.
2.2 Klasifikasi Boiler
2.2.1 Berdasarkan tipe pipa
a. Fire Tube
Tipe boiler pipa api memiliki karakteristik : menghasilkan kapasitas dan tekanan steam yang rendah.
Cara kerja : proses pengapian terjadi didalam pipa, kemudian panas yang dihasilkan dihantarkan langsung kedalam boiler yang berisi air. Besar dan konstruksi boiler mempengaruhi kapasitas dan tekanan yang dihasilkan boiler
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 6 tersebut. Sebagai pedoman, fire tube boilers kompetitif untuk kecepatan steam sampai 12.000 kg/jam dengan tekanan sampai 18 kg/cm2. Fire tube boilers dapat menggunakan bahan bakar minyak bakar, gas atau bahan bakar padat dalam operasinya Fire tube di mana api berada dalam tubing-tubing dengan cairan berada di luar.
Karakteristik:
Biasanya digunakan untuk kapasitas steam yang relatif kecil (12.000 kg/jam) dengan tekanan rendah sampai sedang (18 kg/cm2
).
Dalam operasinya dapat menggunakan bahan bakar minyak, gas atau bahan bakar padat.
Untuk alasan ekonomis, sebagian besar fire tube boiler dikonstruksi sebagai paket boiler (dirakit oleh pabrik) untuk semua bahan bakar
b. Water tube
Tipe boiler pipa air memiliki karakteristik : menghasilkan kapasitas dan tekanan steam yang tinggi. Water tube boiler yang sangat modern dirancang dengan kapasitas steam antara 4.500 – 12.000 kg/jam, dengan tekanan sangat tinggi.
Cara Kerja : proses pengapian terjadi diluar pipa (air berada dalam tubing dengan api berada di luar), kemudian panas yang dihasilkan memanaskan pipa yang berisi air dan sebelumnya air tersebut dikondisikan terlebih dahulu melalui economizer, kemudiansteam yang dihasilkan terlebih dahulu dikumpulkan di dalam sebuahsteam-drum. Sampai tekanan dan temperatur sesuai, melalui tahap secondary superheater dan primary superheater baru steamdilepaskan ke pipa utama distribusi. Didalam pipa air, air yang mengalir harus dikondisikan terhadap mineral atau kandungan lainnya yang larut di dalam air tesebut. Hal ini merupakan faktor utama yang harus diperhatikan terhadap tipe ini.
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- kandungan lain yang larut dalam air.
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 7 seperti pada pembangkit tenaga.
Kapasitas steam antara 4.500-12.000 kg/jam dengan tekanan sangat tinggi.
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.
Tabel 2.1. Keuntungan dan kerugian boiler berdasarkan tipe pipa. No. Tipe Boiler Keuntungan Kerugian 1 Fire Tube
Proses pemasangan mudah dan cepat, Tidak membutuhkan settingkhusus
Tekanan operasi steamterbatas untuk tekanan rendah 18 bar Investasi awal boiler ini
murah
Kapasitas steam relatif kecil (13.5 TPH) jika diabndingkan dengan water tube
Bentuknya lebihcompact dan portable
Tempat pembakarannya sulit dijangkau untuk dibersihkan, diperbaiki, dan diperiksa kondisinya.
Tidak membutuhkan area yang besar untuk 1 HP boiler
Nilai effisiensinya rendah, karena banyak energi kalor yang terbuang langsung menuju stack 2 Water Tube Kapasitas steam besar
sampai 450 TPH Proses konstruksi lebih detail Tekanan operasi mencapai
100 bar Investasi awal relatif lebih mahal Nilai effisiensinya relatif
lebih tinggi dari fire tube boiler
Penanganan air yang masuk ke dalam boiler perlu dijaga, karena lebih sensitif untuk sistem ini, perlu komponen pendukung untuk hal ini
Tungku mudah dijangkau
untuk melakukan
pemeriksaan, pembersihan, dan perbaikan.
Karena mampu menghasilkan kapasitas dan tekanan steam yang lebih besar, maka konstruksinya dibutuhkan area yang luas
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 8
a. Solid Fuel
Tipe boiler bahan bakar padat memiliki karakteristik : harga bahan baku pembakaran relatif lebih murah dibandingkan dengan boiler yang menggunakan bahan bakar cair dan listrik. Nilai effisiensi dari tipe ini lebih baik jika dibandingkan dengan boiler tipe listrik.
Cara kerja : pemanasan yang terjadi akibat pembakaran antara percampuran bahan bakar padat (batu bara, baggase, rejected product, sampah kota, kayu) dengan oksigen dan sumber panas.
Karakteristik:
Harga bahan baku relatif lebih murah dari boiler yang menggunakan bahan bakar cair dan listrik
Nilai efisiensinya lebih baikdari boiler tipe listrik.
b. Oil Fuel
Tipe boiler bahan bakar cair memiliki karakteristik : harga bahan baku pembakaran paling mahal dibandingkan dengan semua tipe. Nilai effisiensi dari tipe ini lebih baik jika dbandingkan dengan boiler bahan bakar padat dan listrik.
Cara kerja : pemanasan yang terjadi akibat pembakaran antara percampuran bahan bakar cair (solar, IDO, residu, kerosin) dengan oksigen dan sumber panas.
Karakteristik:
Harga bahan baku pembakaran paling mahal dibandingkan dengan semua tipe boiler.
Nilai efisiensinya lebih baik dari boiler berbahan bakar padat dan listrik c. Gaseous Fuel
Tipe boiler bahan bakar gas memiliki karakteristik : harga bahan baku pembakaran paling murah dibandingkan dengan semua tipe boiler. Nilai effisiensi dari tipe ini lebih baik jika dibandingkan dengan semua tipe boiler berdasarkan bahan bakar.
Cara kerja : pembakaran yang terjadi akibat percampuran bahan bakar gas (LNG) dengan oksigen dan sumber panas.
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 9
Harga bahan baku pembakaran paling murah dibandingkan semua tipe boiler
Nilai efisiensi lebih baik jika dibandingkan dengan semua tipe boiler
d. Electric
Tipe boiler listrik memiliki karakteristik : harga bahan baku pemanasan relatif lebih murah dibandingkan dengan boiler yang menggunakan bahan bakar cair. Nilai effisiensi dari tipe ini paling rendah jika dbandingkan dengan semua tipe boiler berdasarkan bahan bakarnya.
Cara kerja : pemanasan yang terjadi akibat sumber listrik yang menyuplai sumber panas.
Karakteristik:
Harga bahan baku relatif lebih murah dibandingkan dengan boiler yang menggunakan bahan bakar cair
Nilai efisiensinya paling rendah dari semua tipe boiler Tabel 2.2. Keuntungan dan kerugian boiler berdasarkan bahan bakar. No. Tipe Boiler Keuntungan Kerugian
1 Solid Fuel Bahan baku mudah didapatkan. Sisa pembakaran sulit dibersihkan Murah konstruksinya. Sulit mendapatkan bahan baku yang
baik. 2 Oil Fuel Sisa pembakaran tidak banyak
dan lebih mudah dibersihkan. Harga bahan baku paling mahal. Bahan bakunya mudah
didapatkan. Mahal konstruksinya. 3 Gaseous Fuel Harga bahan bakar paling
murah. Mahal konstruksinya.
Paling baik nilai effisiensinya. Sulit didapatkan bahan bakunya, harus ada jalur distribusi.
4 Electric Paling mudah perawatannya. Paling buruk nilai effisiensinya. Mudah konstruksinya dan
mudah didapatkan sumbernya.
Temperatur pembakaran paling rendah.
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 10
a. Power Boiler
Tipe power boiler memiliki karakteristik : kegunaan utamanya sebagai penghasil steam sebagai pembangkit listrik, dan sisa steamdigunakan untuk menjalankan proses industri.
Cara kerja : steam yang dihasilkan boiler ini menggunakan tipe water tube boiler, hasil steam yang dihasilkan memiliki tekanan dan kapasitas yang besar, sehingga mampu memutar steam turbin dan menghasilkan listrik dari generator. Karakteristik:
Kegunaan utamanya sebagai penghasil steam untuk pembangkit listrik
Sisa steam digunakan sebagai proses industri.
b. Industrial Boiler
Tipe industrial boiler memiliki karakteristik : kegunaan utamanya sebagai penghasil steam atau air panas untuk menjalankan proses industri dan sebagai tambahan pemanas.
Cara kerja : steam yang dihasilkan boiler ini dapat menggunakan tipe water tube atau fire tube boiler, hasil steam yang dihasilkan memiliki kapasitas yang besar dan tekanan yang sedang.
Karakteristik:
Kegunaan steam utamanya untuk menjalankan proses industri dan sebagai tambahan panas.
Steam memiliki kapasitas yang besar dan tekanan yang sedang.
c. Commercial Boiler
Tipe commercial boiler memiliki karakteristik : kegunaan utamanya sebagai penghasil steam atau air panas sebagai pemanas dan sebagai tambahan untuk menjalankan proses operasi komersial.
Cara kerja : steam yang dihasilkan boiler ini dapat menggunakan tipe water tube atau fire tube boiler, hasil steam yang dihasilkan memiliki kapasitas yang besar dan tekanan yang rendah.
Karakteristik:
Kegunaan steam utamanya untuk menjalankan proses operasi komersial.
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 11
d. Residential Boiler
Tipe residential boiler memiliki karakteristik : kegunaan utamanya sebagai penghasil steam atau air panas tekanan rendah yang digunakan untuk perumahan.
Cara kerja : steam yang dihasilkan boiler ini menggunakan tipe fire tube boiler, hasil steam yang dihasilkan memiliki tekanan dan kapasitas yang rendah. Karakteristik:
Memiliki tekanan dan kapasitas steam yang rendah
Kegunaan utamanya yaitu sebagai penghasil steam tekanan rendah yang digunakan untuk perumahan.
e. Heat Recovery Boiler
Tipe heat recovery boiler memiliki karakteristik : kegunaan utamanya sebagai penghasil steam dari uap panas yang tidak terpakai. Hasilsteam ini digunakan untuk menjalankan proses industri.
Cara kerja : steam yang dihasilkan boiler ini menggunakan tipe water tube boiler atau fire tube boiler, hasil steam yang dihasilkan memiliki tekanan dan kapasitas yang besar.
Karakteristik:
Steam yang dihasilkan memiliki tekanan dan kapasitas yang besar
Kagunaan utamanya sebagai penghasil steam dari uap panas yang tidak terpakai
Hasil steam ini digunakan untuk menjalankan proses industri. Tabel 2.3. Keuntungan dan kerugian boiler berdasarkan kegunaan.
No. Tipe Boiler Keuntungan Kerugian 1 Power Boiler
Dapat menghasilkan listrik dan sisa steamdapat menjalankan proses industri.
Konstruksi awal relatif mahal. Steam yang dihasilkan
memiliki tekanan tinggi
Perlu diperhatikan faktor safety.
2 Industrial Boiler Penanganan boiler lebih mudah.
Steam yang dihasilkan memiliki tekanan rendah. Konstruksi awal relatif
murah.
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 12
Boiler mudah. memiliki tekanan rendah.
Konstruksi awal relatif murah.
4 Residential Boiler
Penanganan boiler lebih mudah.
Steam yang dihasilkan memiliki tekanan rendah. Konstruksi awal relatif
murah. 5 Heat Recovery
Boiler
Penanganan boiler lebih mudah.
Steam yang dihasilkan memiliki tekanan rendah. Konstruksi awal relatif
murah.
2.2.4 Klasifikasi berdasarkan konstruksi boiler
a. Package Boiler
Tipe package boiler memiliki karakteristik : perakitan boiler dilakukan di pabrik pembuat, pengiriman langsung dalam bentuk boiler.
b. Site Erected Boiler
Tipe site erected boiler memiliki karakteristik : perakitan boiler dilakukan di tempat akan berdirinya boiler tersebut, pengiriman dilakukan per komponen. Tabel 2.4. Keuntungan dan kerugian boiler berdasarkan konstruksi.
No. Tipe Boiler Keuntungan Kerugian
1 Package Boiler Mudah pengirimannya. Terbatas tekanan dan kapasitas kerjanya.
Dibutuhkan waktu yang singkat untuk mengoprasikan setelah pengiriman.
Komponen-komponen boiler tergantung pada produsen boiler.
2 Site Erected Boiler
Tekanan dan kapasitas kerjanya dapat disesuaikan keinginan.
Sulit pengirimannya, memakan biaya yang mahal.
Komponen-komponen boiler dapat dipadukan dengan produsen lain.
Perlu waktu yang cukup lama setelah boiler berdiri, setelah proses pengiriman.
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 13
a. Low Pressure Boilers
Tipe low pressure boiler memiliki karakteristik : tipe ini memiliki tekanan steam operasi kurang dari 15 psig atau menghasilkan air panas dengan tekanan dibawah 160 psig atau temperatur dibawah 250 0F
b. High Pressure Boilers
Tipe high pressure boiler memiliki karakteristik : tipe ini memiliki tekanan steam operasi diatas 15 psig atau menghasilkan air panas dengan tekanan diatas 160 psig atau temperatur diatas 250 0F
Tabel 2.5. Keuntungan dan kerugian boiler berdasarkan tekanan kerja. No. Tipe Boiler Keuntungan Kerugian 1 Low Pressure
Tekanan rendah sehingga penanganannya tidak terlalu rumit
Tekanan yang dihasilkan rendah, tidak dapat membangkitkan listrik. Area yang dibutuhkan tidak
terlalu besar, dan biaya konstruksi tidak lebih mahal dari high pressure boiler
2 High Pressure
Tekanan yang dihasilkan tinggi sehingga dapat membangkitkan listrik dan sisanya dapat didaur ulang untuk mengoprasikan proses industri
Tekanan tinggi sehingga penanganannya perlu diperhatikan aspek keselamatannya.
Area yang dibutuhkan besar dan biaya konstruksi lebih mahal darilow pressure boiler
2.2.6 Klasifikasi berdasarkan cara pembakaran bahan bakar
a. Stoker Combustion
Tipe stoker combustion memiliki karakteristik : tipe ini memanfaatkan bahan bakar padat untuk melakukan pembakaran, bahan bakar padat dimasukkan kedalam ruang pembakaran melalui conveyor ataupun manual. Tipe ini memiliki sisa pembakaran yang harus diatangani berupa bottom ash atau fly ash yang dapat mencemari lingkungan.
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 14 b. Pulverized Coal
Cara kerja : proses ini menghancurkan batu bara dengan ball mill atau roller mill sehingga batu bara memiliki ukuran kurang dari 1 mm. kemudian batu bara berupa bubuk ini disemprotkan ke dalam ruang pembakaran.
c. Fluidized Coal
Cara kerja : proses ini menghancurkan batu bara dengan crusher, sehingga batu bara memiliki ukuran kurang dari 2 mm. Pada proses ini pembakaran dilakukan dalam lapisan pasir, batu bara akan langsung membara jika mengenai pasir.
d. Firing Combustion
Tipe firing memiliki karakteristik : tipe ini memanfaatkan bahan bakar cair, padat, dan gas untuk melakukan pembakaran, pemanasan yang terjadi lebih merata. Cara kerja : bahan bakar cair digunakan sebagai preliminary firing fueldimasukkan kedalam ruang pembakaran melalui oil gun. Setelah tercapai temperatur yang sesuai, pembakaran diambil alih oleh coal nozzle atau gas nozzle. Tabel 2.6. Keuntungan dan kerugian boiler berdasarkan pembakaran.
No. Tipe Boiler Keuntungan Kerugian 1 Stoker
Combustion
Konstruksinya relatif sederhana.
Limbah yang diproduksi pembakaran lebih banyak
Panas yang dihasilkan kurang merata jika tidak ada komponen pendukung.
Effisiensi relatif rendah 2 Pulverized Efisiensi relatif tinggi
Konstruksinya rumit dan membutuhkan dana investasi yang mahal.
Proses pembakaran lebih merata pada tungku pembakaran.
3 Fluidized Bed Efisiensi relatif tinggi
Konstruksinya rumit dan membutuhkan dana investasi yang mahal.
Suhu pembakaran tidak mencapai suhu 10000C
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 15 sehingga tidak
menimbulkan NOX
4 Firing Limbah yang diproduksi pembakaran lebih sedikit
Konstruksi relatif rumit, perlu nozzle.
Panas yang dihasilkan lebih merata
Effisiensi relatif lebih baik
2.2.7 Klasifikasi berdasarkan material penyusun boiler
a. Steel
Tipe boiler dari bahan steel memiliki karakteristik : bahan baku utama boiler terbuat menggunakan steel pada daerah steam.
b. Cast Iron
Tipe boiler dari bahan cast iron memiliki karakteristik : bahan baku utama boiler terbuat menggunakan besi cor pada daerah steam.
Tabel 2.7. Keuntungan dan kerugian boiler berdasarkan material.
No. Tipe Boiler Keuntungan Kerugian
1 Steel Kuat dan tahan lama. Biaya relatif mahal. Dapat dialiri steamuntuk
tekanan tinggi. Konstruksi lebih rumit. 2 Cast Iron Biaya relatif murah. Rentan dan mudah rusak.
Konstruksi lebih sederhana.
Dapat dialiri steam untuk tekanan yang terbatas. 2.3 Tipe-tipe boiler
2.3.1 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 boiler biasanya digunakan untuk kapasitas steam yang relatif kecil dengan tekanan steam rendah sampai sedang. Sebagai pedoman, fire tube boiler kompetitif untuk kecepatan steam sampai 12.000 kg/jam dengan tekanan sampai 18 kg/cm2. Fire tube boiler dapat menggunakan bahan bakar minyak bakar, gas atau bahan bakar padat dalam operasinya. Untuk alasan
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 16 ekonomis, sebagian besar fire tube boiler dikonstruksi sebagai “paket” boiler (dirakit oleh pabrik) untuk semua bahan bakar.
Cara kerja:
Proses pengapian terjadi di dalam pipa, kemudian panas yang dihasilkan dihantarkan langsung kedalam boiler yang berisi air. Besar dan konstruksi boiler mempengaruhi kapasitas dan tekanan yang dihasilkan boiler tersebut.
Karakteristik:
Biasanya digunakan untuk kapasitas steam yang relatif kecil (12.000 kg/jam) dengan tekanan rendah sampai sedang (18 kg/cm2
).
Dalam operasinya dapat menggunakan bahan bakar minyak, gas atau bahan bakar padat.
Untuk alasan ekonomis, sebagian besar fire tube boiler dikonstruksi sebagai paket boiler (dirakit oleh pabrik) untuk semua bahan bakar
Gambar 2.1. Fire Tube Boiler (Anonim,2009)
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 17 Pada water tube boiler, air umpan boiler mengalir melalui pipa – pipa masuk ke dalam drum. Air yang tersikulasi 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. Water tube boiler yang sangat modern dirancang dengan kapasitas steam antara 4.500-12.000
kg/jam, dengan tekanan sangat tinggi. Banyak water tube boiler yang dikonstruksi secara paket jika digunakan bahan bakar minyak bakar dan gas. Untuk water tube
boiler yang menggunakan bahan bakar padat, tidak umum dirancang secara paket.
Cara kerja :
Proses pengapian terjadi di luar pipa. Panas yang dihasilkan digunakan untuk memanaskan pipa yang berisi air. Air umpan itu sebelumnya dikondisikan terlebih dahulu melalui economizer. Steam yang dihasilkan kemudian dikumpulkan terlebih dahulu di dalam sebuah steam drum sampai sesuai. Setelah melalui tahap
secondary superheater dan primary superheater, baru steam dilepaskan ke pipa utama
distribusi.
Karakteristik water tube boilersebagai berikut :
Forced, induced dan balanced draft membantu untuk meningkatkan efisiensi pembakaran
Kurang toleran terhadap kualitas air yang dihasilkan dari plant pengolahan air. Sehingga air harus dikondisikan terhadap mineral dan kandungan- kandungan lain yang larut dalam air
Memungkinkan untuk tingkat efisiensi panas yang lebih tinggi
Boiler ini digunakan untuk kebutuhan tekanan steam yang sangat tinggi seperti pada pembangkit tenaga.
Kapasitas steam antara 4.500-12.000 kg/jam dengan tekanan sangat tinggi.
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.
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 18
Gambar 2.2 Water Tube Boiler (Anonim, 2009)
2.3.3 Paket Boiler/ kombinasi 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.
Banyaknya jumlah pipa yang berdiameter kecil membuatnya memiliki perpindahan panas konvektif yang baik.
Sistem forced atau induced draft menghasilkan efisiensi pembakaran yang baik. Sejumlah lintasan/pass menghasilkan perpindahan panas keseluruhan yang lebih
baik.
Tingkat efisiensi thermisnya yang lebih tinggi dibandingkan dengan boiler lainnya. Boiler tersebut dikelompokkan berdasarkan jumlah pass/lintasannya yaitu berapa kali gas pembakaran melintasi boiler. Ruang pembakaran ditempatkan sebagai lintasan pertama setelah itu kemudian satu, dua, atau tiga set pipa api. Boiler yang
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 19 paling umum dalam kelas ini adalah unit tiga pass/lintasan dengan dua set
fire-tube/pipa api dan gas buangnya keluar dari belakang boiler.
Gambar 2.3. Jenis Paket Boiler 3 Pass, bahan bakar Minyak (Gunawan Candra, 2011)
2.3.4 Boiler Pembakaran dengan Fluidized Bed (FBC)
Pembakaran dengan fluidized bed (FBC) muncul sebagai alternatif yang memungkinkan dan memiliki kelebihan yang cukup berarti dibanding sistem pembakaran yang konvensional dan memberikan banyak keuntungan antara lain rancangan boiler yang kompak, fleksibel terhadap bahan bakar, efisiensi pembakaran yang tinggi dan berkurangnya emisi polutan yang merugikan seperti SOx dan NOx. Bahan bakar yang dapat dibakar dalam boiler ini adalah batubara, barang tolakan dari tempat pencucian pakaian, sekam padi, bagas & limbah pertanian lainnya. Boiler
fluidized bed memiliki kisaran kapasitas yang luas yaitu antara 0.5 T/jam sampai lebih
dari 100 T/jam.
Bila udara atau gas yang terdistribusi secara merata dilewatkan keatas melalui
bed partikel padat seperti pasir yang disangga oleh saringan halus, partikel tidak akan
terganggu pada kecepatan yang rendah. Begitu kecepatan udaranya berangsur-angsur naik, terbentuklah suatu keadaan dimana partikel tersuspensi dalam aliran udara sehingga bed tersebut disebut “terfluidisasikan”. Dengan kenaikan kecepatan udara selanjutnya, terjadi pembentukan gelembung, turbulensi yang kuat, pencampuran cepat dan pembentukan permukaan bed yang rapat. Bed partikel padat menampilkan sifat cairan mendidih dan terlihat seperti fluida yang disebut “bed gelembung fluida
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 20 (bubbling fluidized bed)”. Jika partikel pasir dalam keadaan terfluidisasikan dipanaskan hingga ke suhu nyala batubara, dan batubara diinjeksikan secara terus menerus ke bed, batubara akan terbakar dengan cepat dan bed mencapai suhu yang seragam. Pembakaran dengan fluidized bed (FBC) berlangsung pada suhu sekitar 840°C hingga 950°C. Karena suhu ini jauh berada dibawah suhu fusi abu, maka pelelehan abu dan permasalahan yang terkait didalamnya dapat dihindari. Suhu pembakaran yang lebih rendah tercapai disebabkan tingginya koefisien perpindahan panas sebagai akibat pencampuran cepat dalam fluidized bed dan ekstraksi panas yang efektif dari bed melalui perpindahan panas pada pipa dan dinding bed. Kecepatan gas dicapai diantara kecepatan fluidisasi minimum dan kecepatan masuk partikel. Hal ini menjamin operasi bed yang stabil dan menghindari terbawanya partikel dalam jalur gas.
Tingkat turbulensi ini juga dipengaruhi kecepatan masuk fluidizing air. Turbulensi dari fluidized bed akan mempengaruhi pencampuran udara dengan bahan bakar (batu bara), semakin turbulen bed dari FBC, maka pencampuran bahan bakar dengan udara akan semakin baik, tetapi ada saatnya di mana kecepatan udara akan memperburuk pola pengembangan fluidized bed, yaitu ketika kecepatan masuk fluidizing air terlalu besar. Jika hal ini terjadi, maka fluidized bed akan terlalu mengembang, akibatnya fluidized bed akan ikut mengalir ke atas. Hal ini tentu tidak diinginkan sebab fluidized bed akan terlalu kacau dan tidak dapat dikontrol. Oleh karena itu, saya akan mencoba menganalisa kontur energi kinetik turbulen pembakaran dan kontur pengembangan fluidized bed.
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 21 Gambar 2.4 Fluidized Bed Combtion (FBC) (Gunawan Candra, 2011)
2.3.5 Atmospheric Fluidized Bed Combustion (AFBC) Boiler
Kebanyakan boiler yang beroperasi untuk jenis ini adalah Atmospheric
Fluidized Bed Combustion (AFBC) Boiler. Alat ini hanya berupa shell boiler
konvensional biasa yang ditambah dengan sebuah fluidized bed combustor. Sistem seperti telah dipasang digabungkan dengan water tube boiler/ boiler pipa air konvensional. Batubara dihancurkan menjadi ukuran 1 – 10 mm tergantung pada tingkatan batubara dan jenis pengumpan udara ke ruang pembakaran. Udara atmosfir yang bertindak sebagai udara fluidisasi dan pembakaran, dimasukkan dengan tekanan, setelah diberi pemanasan awal oleh gas buang bahan bakar. Pipa dalam bed yang membawa air pada umumnya bertindak sebagai evaporator. Produk gas hasil pembakaran melewati bagian super heater dari boiler lalu mengalir ke economizer, ke pengumpul debu dan pemanas awal udara sebelum dibuang ke atmosfir.
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 22 Gambar 2.5 Skema Atmospheric Fluidized Bed Combustion (AFBC) Boiler (Bima, 2012)
Gambar 2.6 Atmospheric Fluidized Bed Combustion (AFBC) Boiler di industry (Bima, 2012)
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 23 Pada tipe Pressurized Fluidized bed Combustion (PFBC), sebuah kompresor memasok udara Forced Draft (FD), dan pembakarnya merupakan tangki bertekanan. Laju panas yang dilepas dalam bed sebanding dengan tekanan bed sehingga bed yang dalam digunakan untuk mengekstraksi sejumlah besar panas. Hal ini akan meningkatkan efisiensi pembakaran dan peyerapan sulfur dioksida dalam bed. Steam dihasilkan didalam dua ikatan pipa, satu di bed dan satunya lagi berada diatasnya. Gas panas dari cerobong menggerakan turbin gas pembangkit tenaga. Sistem PFBC dapat digunakan untuk pembangkitan kogenerasi (steam dan listrik) atau pembangkit tenaga dengan siklus gabungan (combined cycle). Operasi combined cycle (turbin gas & turbin uap) meningkatkan efisiensi konversi keseluruhan sebesar 5 hingga 8 persen.
Gambar 2.7 Pressurized Fluidized Bed Combustion (PFBC) Boiler (Johan, 2011) 2.3.7 Circulating Fluidized Bed Combustion Boilers (CFBC)
Dalam sistem sirkulasi, parameter bed dijaga untuk membentuk padatan melayang dari bed. Padatan diangkat pada fase yang relatif terlarut dalam pengangkat padatan, dan sebuah down-comer dengan sebuah siklon merupakan aliran sirkulasi padatan. Tidak terdapat pipa pembangkit steam yang terletak dalam bed. Pembangkitan dan pemanasan berlebih steam berlangsung di bagian konveksi, dinding air, pada keluaran pengangkat/ riser. Boiler CFBC pada umumnya lebih ekonomis daripada boiler AFBC, untuk penerapannya di industri memerlukan lebih dari 75 – 100 T/jam steam. Untuk unit yang besar, semakin tinggi karakteristik
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 24 tungku boiler CFBC akan memberikan penggunaan ruang yang semakin baik, partikel bahan bakar lebih besar, waktu tinggal bahan penyerap untuk pembakaran yang efisien dan penangkapan SO2 yang semakin besar pula, dan semakin mudah
penerapan teknik pembakaran untuk pengendalian NOx daripada pembangkit steam
AFBC.
Gambar 2.8 CFBC Boiler (Anonim, 2010)
2.3.8 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.
Spreader stokers
Spreader stokers memanfaatkan kombinasi pembakaran suspensi dan pembakaran grate. Batubara diumpankan secara kontinyu ke tungku diatas bed pembakaran
batubara. Batubara yang halus dibakar dalam suspensi; partikel yang lebih besar akan jatuh ke grate, dimana batubara ini akan dibakar dalam bed batubara yang tipis dan pembakaran cepat. Metode pembakaran ini memberikan fleksibilitas yang baik terhadap fluktuasi beban, dikarenakan penyalaan hampir terjadi secara cepat bila laju pembakaran meningkat. Karena hal ini, spreader stoker lebih disukai dibanding jenis stoker lainnya dalam berbagai penerapan di industri.
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 25 Gambar 2.9 Spreader Stoker Boiler (Indriawati, 2005)
Chain-grate atau traveling-grate stoker
Batubara diumpankan ke ujung grate baja yang bergerak. Ketika grate bergerak sepanjang tungku, batubara terbakar sebelum jatuh pada ujung sebagai abu. Diperlukan tingkat keterampilan tertentu, terutama bila menyetel grate, damper udara dan baffles, untuk menjamin pembakaran yang bersih serta menghasilkan seminimal mungkin jumlah karbon yang tidak terbakar dalam abu. Hopper umpan batubara memanjang di sepanjang seluruh ujung umpan batubara pada tungku. Sebuah grate batubara digunakan untuk mengendalikan kecepatan batubara yang diumpankan ke tungku dengan mengendalikan ketebalan bed bahan bakar. Ukuran batubara harus seragam sebab bongkahan yang besar tidak akan terbakar sempurna pada waktu mencapai ujung grate.
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 26 2.3.9 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.
Untuk batubara jenis bituminous, batubara digiling sampai menjadi bubuk halus, yang berukuran +300 micrometer (μm) kurang dari 2 persen dan yang berukuran dibawah 75 microns sebesar 70-75 persen. Harus diperhatikan bahwa bubuk yang terlalu halus akan memboroskan energi penggilingan. Sebaliknya, bubuk yang terlalu kasar tidak akan terbakar sempurna pada ruang pembakaran dan menyebabkan kerugian yang lebih besar karena bahan yang tidak terbakar. Batubara bubuk dihembuskan dengan sebagian udara pembakaran masuk menuju plant boiler melalui serangkaian nosel burner. Udara sekunder dan tersier dapat juga ditambahkan. Pembakaran berlangsung pada suhu dari 1300 - 1700 °C, tergantung pada kualitas batubara. Waktu tinggal partikel dalam boiler biasanya 2 hingga 5 detik, dan partikel harus cukup kecil untuk pembakaran yang sempurna. Sistem 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. Salah satu sistem yang paling populer untuk pembakaran batubara halus adalah pembakaran tangensial dengan menggunakan empat buah burner dari keempat sudut untuk menciptakan bola api pada pusat tungku.
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 27
2.3.10 Boiler Limbah Panas
Dimanapun tersedia limbah panas pada suhu sedang atau tinggi, boiler limbah panas dapat dipasang secara ekonomis. Jika kebutuhan steam lebih dari steam yang dihasilkan menggunakan gas buang panas, dapat digunakan burner tambahan yang menggunakan bahan bakar. Jika steam tidak langsung dapat digunakan, steam dapat dipakai untuk memproduksi daya listrik menggunakan generator turbin uap. Hal ini banyak digunakan dalam pemanfaatan kembali panas dari gas buang dari turbin gas dan mesin diesel.
Gambar 2.12 Skema sederhana Boiler Limbah Panas (Anonim, 2009)
2.3.11 Pemanas Fluida Termis
Saat ini, pemanas fluida termis telah digunakan secara luas dalam berbagai penerapan untuk pemanasan proses tidak langsung. Dengan menggunakan fluida petroleum sebagai media perpindahan panas, pemanas tersebut memberikan suhu yang konstan. Sistem pembakaran terdiri dari sebuah fixed grate dengan susunan draft mekanis. Pemanas fluida termis modern berbahan bakar minyak terdiri dari sebuah kumparan ganda, konstruksi tiga pass dan dipasang dengan sistem jet tekanan. Fluida termis, yang bertindak sebagai pembawa panas, dipanaskan dalam pemanas dan disirkulasikan melalui peralatan pengguna.Disini fluida memindahkn panas untuk proses melalui penukar panas, kemudian fluidanya dikembalikan ke pemanas. Aliran fluida termis pada ujung pemakai dikendalikan oleh katup pengendali yang dioperasikan secara pneumatis, berdasarkan suhu operasi. Pemanas beroperasi pada api
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 28 yang tinggi atau rendah tergantung pada suhu minyak yang kembali yang bervariasi tergantung beban sistem.
Keuntungan pemanas tersebut adalah:
Operasi sistem tertutup dengan kehilangan minimum dibanding dengan boiler
steam.
Operasi sistem tidak bertekanan bahkan untuk suhu sekitar 250 0C dibandingkan
kebutuhan tekanan steam 40 kg/cm2 dalam sistem steam yang sejenis.
Penyetelan kendali otomatis, yang memberikan fleksibilitas operasi.
Efisiensi termis yang baik karena tidak adanya kehilangan panas yang diakibatkan oleh blowdown, pembuangan kondensat dan flash steam.
Faktor ekonomi keseluruhan dari pemanas fluida termis tergantung pada penerapan spesifik dan dasar acuannya. Pemanas fluida thermis berbahan bakar batubara dengan kisaran efisiensi panas 55-65 persen merupakan yang paling nyaman digunakan dibandingkan dengan hampir kebanyakan boiler. Penggabungan peralatan pemanfaatankembali panas dalam gas buang akan mempertinggi tingkat efisiensi termis selanjutnya.
Gambar 2.13 Konfigurasi Pemanas Fluida Termis (Energi Mechin, India) 2.4 Bagian-Bagian Boiler
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 29 Boiler atau ketel uap terdiri dari berbagai komponen yang membentuk satu kesatuan sehingga dapat menjalankan operasinya, diantaranya:
a. Furnace
Komponen ini merupakan tempat pembakaran bahan bakar. Beberapa bagian dari furnace diantaranya: refractory, ruang perapian, burner, exhaust for flue gas, charge and discharge door.
Ruang bakar atau lorong api ini digunakan untuk memanaskan air. Diameternya kurang dari 1 meter. Api yang dihasilkan adalah hasil pengabutan dari bahan bakar, udara dan bahan lain yaitu LPG serta dengan bantuan elektroda untuk penyalaan awal. Api yang dihasilkan tersebut dihembuskan ke seluruh lorong api oleh motor blower dan melewati pipa-pipa api sampai terjadi proses penguapan.Biasanya lorong pipa api di dalam boiler dibuat bergelembung memanjang dengan tujuan:
Menghambat jalannya panas atau gas dari hasil reaksi pembakaran
Memperluas bidang yang dipanaskan
Pada saat pemuaian akibat pembakaran, lorong api dapat fleksibel
Gambar 2.14 Furnace (Imam Budi, 2009)
b. Steam Drum
Komponen ini merupakan tempat penampungan air panas dan pembangkitan steam. Steam masih bersifat jenuh (saturated steam).
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 30 Tangki atau drum sering disebut juga badan ketel uap yaitu tempat beroperasinya ketel uap di dalamnya terdapat instrument-instrumen yang menjalankan proses pemindah panas seperti lorong api dan pipa api, dalam badan ketel inilah sejumlah air ditampung untuk dipanaskan.
Gambar 2.15 Stem drum (Anonim, 2011) c. Superheater
Komponen ini merupakan tempat pengeringan steam dan siap dikirim melalui main steam pipe dan siap untuk menggerakkan turbin uap atau menjalankan proses industri.
Gambar 2.16 Skema Superheater (Anonim, 2011)
Pemanas lanjut atau superheater (super = lebih, heater = pemanas) ialah alat untuk memanaskan uap basah dari boiler menjadi uap yang dipanaskan lanjut. Uap yang dipanaskan lanjut bila digunakan untuk melakukan kerja dengan jalan ekspansi di dalam turbin tidak akan segera mengembun, sehingga mengurangi kemungkinan
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 31 timbulnya bahaya yang disebabkan terjadinya pukulan balik atau back stroke yang diakibatkan mengembunnya uap sebelum pada waktunya sehingga menimbulkan vakum di tempat yang tidak semestinya pada daerah ekspansi.
Superheater terdiri atas 3 tingkat yaitu Superheater I, Superheater IB dan Superheater II, kontrol temperatur menggunakan feed water spraying (Attamperator), Attemperator I diletakkan diantara Superheater I dan Superheater IB, Attemperator II diletakkan diantara Superheater IB dan Superheater II.
d. Air Heater
Komponen ini merupakan ruangan pemanas yang digunakan untuk memanaskan udara luar yang diserap untuk meminimalisasi udara yang lembab yang akan masuk ke dalam tungku pembakaran.
Gambar 2.17 Air Heater (Anonim, 2011)
Fungsinya merupakan ruangan pemanas yang digunakan untuk memanaskan udara luar yang diserap untuk meminimalisasi udara yang lembab yang akan masuk ke dalam tungku pembakaran.
Pemanasan udara pendahuluan sebelum dimasukkan ke ruang bakar berarti mengurangi kebutuhan untuk menaikkan temperatur udara di dalam ruang bakar, manfaat lain dengan memanaskan udara pembakaran terlebih dahulu adalah agar dapat mempercepat penguapan air yang terkandung dalam bahan bakar.
e. Pipa Api
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 32 buah yang fungsinya untuk menguapkan air.
f. Burner
Yaitu perangkat dari ketel uap yang berfungsi menyemprot bahan bakar ke dalam ruang pembakaran sehingga pembakaran mudah terjadi.
Gambar 2.18 Sketsa Burner (Salman, 2011)
g. Cerobong Asap
Yaitu perangkat dari ketel uap yang berfungsi meneruskan atau membuang asap sisa reaksi pembakaran yang terjadi di dalam boiler dengan tujuan menyalurkan gas asap bekas supaya tidak mengotori atau mengganggu lingkungan sekitar. Di dalam cerobong asap ini terdapat water spray yang fungsinya untuk menyemprotkan air di dalam cerobong supaya abu dari sisa pembakaran jatuh ke bawah dan mengalir ke bak sedimen.
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 33 h. Economizer
Komponen ini merupakan ruangan pemanas yang digunakan untuk memanaskan air dari air yang terkondensasi dari sistem sebelumnya maupun air umpan baru sebelum masuk ke dalam ketel. Economizer terdiri dari pipa-pipa air yang ditempatkan pada lintasan gas asap sebelum meninggalkan ketel. Gas asap yang akan melewati cerobong temperaturnya masih cukup tinggi sehingga merupakan kerugian panas yang besar bila gas asap tersebut langsung dibuang lewat cerobong. Gas asap yang masih panas ini yang akan dimanfaatkan untuk memanaskan air isian ketel.
Gambar 2.20 economizer (Salman. 2011) 2.4.2 Alat Bantu Ketel Uap (Boiler)
Appendages adalah alat-alat perlengkapan ketel uap/boiler yang dapat bekerja
sendiri dan dipasang dengan maksud untuk menjamin agat ketel uap/boiler dapat bekerja dengan aman. Adapun yang termasuk alat bantu ketel uap sebagai berikut:
a. Gelas Penduga
Gelas penduga adalah suatu alat yang digunakan untuk mengetahui ketinggian permukaan air dalam pesawat ketel uap. Pemasangan gelas penduga pada pesawat ketel uap sekurang-kurangnya 2 buah dan tentang pemasangannya dengan ketinggian maksimum 100 mm dibawah garis api.
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 34 Gambar 2.21 Gelas Penduga (Andi Agus, 2011)
b. Katup Pengaman (Safety Valve)
Katup pengaman mempunyai fungsi untuk menjaga tekanan kerja ketel uap agar tidak melebihi tekanan maksimum.
Katup pengaman ini akan bekerja dengan sendirinya apabila terjadi kelebihan tekanan kerja yaitu uap akan dikeluarkan sehingga ketel bekerja sesuai dengan tekanan yang diinginkan. Namun apabila melebihi tekanan maksimal dan katup ini tidak berfungsi maka akan menyebabkan peledakan.
Terdapat empat macam jenis katup pengaman, yaitu:
Lever safety valve
Berfungsi untuk menjaga tekanan boiler tetap aman. Jika ada tekanan yang melebihiseting, maka katup akan terangkat dari kedudukannya dan uap akan keluar secaraotomatis,sehngga tekanan dalam air akan turun.
Dead weight safety valve
Umumnya dipakai pada boiler yang diam. Pada tekanan normal pemberat akanmenyebabkan katup terletak pada kedudukannya. Jika tekanan melebihi seting, katupakan terangkat dari kedudukannya dan uap akan keluar sehingga tekanan normallagi. Jumlah pemberat disesuaikan dengan tekanan perencanaan.
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 35
High steam and lower safety valve
Katup ini terletak di puncak pada ketel uap Cornish dan Lancashire. Katup inidigunakan jika tekanan kerja uap lebih besar daripada seting, dan jika level air dalam boiler terlalu rendah.
Spring loaded safety valve
Biasanya dipakai pada boiler yang bergerak, misalnya pada kereta api. Terdapat duakatup yang di tempatkan pada dudukan katup. Jika tekanan melebihi seting, makauap mendesak katup.
Gambar 2.22 Safety valve (Andi Agus, 2011) c. Katup Uap Induk
Katup ini berfungsi untuk mengalirkan uap hasil dari pesawat ketel uap. Katup ini diletakkan tepat di atas tangki ketel. Pengaturan kapasitas uap yang disalurkan dapat dilakukan dengan mengatur kran katup uap induk.
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 36 Gambar 2.23 Katup Uap Induk (Andi Agus, 2011)
d. Manometer
Manometer ini digunakan sebagai alat untuk menunjukkan tekanan uap pada ketel uap. Pemasangan manometer ini ditujukan agar besar kecilnya tekanan di dalam ketel uap dapat diketahui sehingga memudahkan untuk mengontrolnya. Penempatan manometer adalah pada bagian dimana uap hampir tidak mengalir, kebanyakan manometer yang dipasang adalah manometer bourdon.
Gambar 2.24 Manometer (Andi Agus, 2011)
e. Katup Buang (Blow Down Valve)
Katup buang adalah katup untuk membuang segala kotoran-kotoran yang mengendap pada dasar tangki, endapan ini apabila tidak dibersihkan atau dibuang maka akan menyebabkan aliran buntu dan akhirmya membahayakan boiler tersebut.
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 37 Katup ini juga berfungsi untuk membuang sebagian air dari dalam ketel karena permukaan terlalu tinggi. Permukaan air yang terlalu tinggi menyebabkan uap yang dihasilkan terlalu banyak mengandung air.
Gambar 2.25 Blow Down Valve (Andi Agus, 2011) f. Garis Api
Garis api adalah garis horizontal pada plat logam yang ditempelkan pada permukaan luar dinding ketel uap yang merupakan batas tertinggi bagian ketel uap yang mendapatkan pemanasan gas asap. Permukaan air di dalam ketel tidak boleh turun sampai di bawah garis api. Jika hal itu terjadi maka temperatur dinding ketel di atas pemukaan air akan turun sehingga bagian ini akan pecah Karena tidak kuat menahan kerja ketel uap.
g. Lubang Laluan Orang (Man Hole) dan Lubang Tangan (Hand Hole)
Man hole adalah suatu lubang laluan orang dengan ukuran tubuh manusia
berfungsi untuk memeriksa bagian dalam ketel dengan cara masuk ke dalam ketel dan melihat bagian dalam ketel. Man hole ini dibuka hanya pada saat boiler ini tidak beroperasi atau overhaule.
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 38 Gambar 2.26Man Hole (Anonim, 2011)
Sedangkan handhole berfungsi untuk memeriksa bagian dalam ketel dengan cara meraba melalui luar ketel. Letak dari manhole biasanya di atas dari badan ketel dan hand hole terletak pada bagian samping badan ketel.
h. Tanda Bahaya/Peluit Bahaya
Tanda bahaya ini berfungsi sebagai tanda bila ada peralatan-peralatan elektronik kontrol dan pengaman-pengaman lainnya yang tidak bekerja sebagaimana mestinya, kecuali itu alat ini juga berfungsi sebagai pemberi tandas apabila pesawat ketel uap kekurangan air isian.
2.4.3 Perlengkapan Elektronik Boiler
Pada sebuah boiler kegunaan dari sistem elektronik sangatlah penting sekali karena sebuah boiler tidak akan beroperasi bila tidak ada sistem elektroniknya. Instrument elektronik yang ada pada boiler digunakan untuk sistem kontrol operasional boiler. Sistem kontrol pada boiler dengan pola elektrik diantaranya:
a. Sensor
Sensor adalah instrument untuk member informasi bahwa kondisi yang kita inginkan telah tercapai dan sekaligus menginstruksikan agar sistem itu bekerja. Macam-macam sensor yang ada pada boiler diantaranya: Floater switch, elektrik
floater switch, foto elektrik floater switch, sensor temperatur dan thermostat, pressure controller, dan flame detector.
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 39 Gambar. 2.27 Floater switch (salah satu jenis sensor) (Anonim, 2011)
b. Monitor
Monitor adalah alat pemantau kondisi suatu proses karena dengan indera manusia tidak dapat mengetahui kondisi tersebut. Pada ketel uap, lingkup kerja monitor diantaranya: memonitor tinggi permukaan air, monitor aliran, monitor tekanan, monitor suhu, monitor fungsi instrument, monitor peringatan fungsi kerusakan sistem dan monitor langkah kerja.
Gambar 2.28 Monitor (Anonim, 2011)
c. Actuator/Servo Motor
Adalah alat gerak yang berfungsi untuk mengerjakan instruksi dan sumber gerak untuk alat lain. Jenis actuator ini diantaranya: actuator elektro magnetic,
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 40 Gambar. 2.29 Actuator elektro magnetic (Anonim, 2011)
d. Kontaktor
Adalah alat yang digunakan untuk mengalirkan arus listrik dari satu jaringan ke jaringan yang lain. Fungsi Kontaktor.
Kontaktor digunakan untuk mengerjakan atau mengoperasikan dengan seperangkat alat control beban, seperti :
1. Penerangan 2. Pemanas
3. Pengontrolan Motor – motor Listrik 4. Pengaman Motor – motor Listrik
Pada pengaman motor – motor listrik beban lebih dilakukan secara terpisah. Kontaktor akan bekerja dengan normal bila diberikan tegangan 85 % sampai 110 % dari tegangan permukaannya. Sedangkan bila lebih kecil dari 85 % kontaktor akan bergetar atau bunyi. Jika lebih besar dari 110 % kontaktor akan panas dan terbakar. Kontaktor mempunyai kontak – kontak UTAMA dan kontak – kontak BANTU yang terdiri dari :
NORMALLY OPEN ( NO )
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 41 Gambar. 2.30 Kontaktor (Prima Pramudita, 2010)
e. Recorder
Adalah instrument yang digunakan untuk mengetahui debit yang mengalir pada suatu saluran, hal ini sangat dibutuhkan guna mengetahui efisiensi dan biaya produksi. Macam dari recorder ini diantaranya: flow rate recorder, flow
recorder jarak jauh, temperatur jarak jauh, dan recorder terpadu.
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 42 f. Vacum flame
Adalah alat yang berfungsi untuk mensensor rangkaian api yang ada di ruang bakar.
g. Timer/Program Relay
Yaitu komponen yang mengatur sequence operasi instrument lainnya sesuai dengan rangsangan yang diterima.
h. Safety Relay
Safety relay ini berupa 2 buah kontak relay yang bekerja memutuskan atau
menghubungkan 2 buah terminal bila waktu kerja relay terlampaui yang dapat disebut dengan pembatas waktu kerja.
Gambar. 2.32 Safety Relay (Anonim, 2011) i. Power Supply
Power supply ini berfungsi untuk menyesuaikan tegangan listrik untuk mengerjakan peralatan lainnya.
2.4.4 Perlengkapan Boiler Lainnya
a. Blower
Adalah instrument yang berbentuk kipas yang digunakan untuk menghasilkan udara yang bertekanan dari motor listrik juga berfungsi sebagai penghisap udara luar sebagai udara pembakaran yang diteruskan ke dalam ruang bakar boiler sebagai penekan bahan bakar yang telah membara sehingga pembakaran berlangsung dengan cepat.
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 43
b. Header
Adalah sebuah tabung atau pipa yang digunakan untuk terminal uap hasil dari ketel uap yang kemudian dari header ini uap akan dibagi ke bagian-bagian yang memerlukan dengan melakukan pengaturan tekanan yang sesuai dengan kebutuhan.
c. Thermometer
Thermometer ini digunakan untuk mengetahui temperatur pada air pengisi ketel uap yang dihasilkan, temperatur asap keluar cerobong, temperatur ruang bakar dan lain sebagainya.
d. Pompa Air
Pompa air ini digunakan untuk menaikkan air pengisi dari tangki cadangan yang berada di sisi yang airnya berasal dari tangki induk bila terjadi keterlambatan pengisian air umpan dari tangki induk.
e. Safety Test
Adalah suatu bejana/tabung yang akan dipanaskan pada boiler yang sesuai dengan tekanan pada ketel uap yang baru di overhaule. Masih normalkah dan masih amankah safety valve itu digunakan untuk operasi lagi.
2.5 Pengkajian boiler
Bagian ini menjelaskan evaluasi kinerja boiler, blowdown boiler, dan pengolahan air boiler.
2.5.1 Evaluasi kinerja boiler
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.
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 44 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 2.33 Diagram neraca energi boiler (Bambang S, 2011)
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
steam.
Gambar 2.34 Kehilangan pada Boiler yang Berbahan Bakar Batubara (Bambang S, 2011)
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:
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 45 1. Kehilangan gas cerobong:
i. Udara berlebih (diturunkan hingga ke nilai minimum yang tergantung dari teknologi burner, operasi (kontrol), dan pemeliharaan)
ii. Suhu gas cerobong (diturunkan dengan mengoptimalkan perawatan (pembersihan), beban; burner yang lebih baik dan teknologi boiler)
2. Kehilangan karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam cerobong dan abu (mengoptimalkan operasi dan pemeliharaan; teknologi burner yang lebih baik) 3. Kehilangan dari blowdown (pengolahan air umpan segar, daur ulang
kondensat)
4. Kehilangan kondensat (manfaatkan sebanyak mungkin kondensat)
5. Kehilangan konveksi dan radiasi (dikurangi dengan isolasi boiler yang lebih baik)
b) Efisiensi Boiler
Efisiensi termis boiler didefinisikan sebagai persen energi (panas) masuk yang digunakan secara efektif pada steam yang dihasilkan.
Terdapat dua metode pengkajian efisiensi boiler:
Metode Langsung: energi yang didapat dari fluida kerja (air dan steam) dibandingkan dengan energi yang terkandung dalam bahan bakar boiler.
Metode Tidak Langsung: efisiensi merupakan perbedaan antara kehilangan dan energi yang masuk.
2.5.2 Blowdown Boiler
Jika air dididihkan dan dihasilkan steam, padatan terlarut yang terdapat dalam air akan tinggal di boiler. Jika banyak padatan terdapat dalam air umpan, padatan tersebut akan terpekatkan dan akhirnya akan mencapai suatu tingkat dimana kelarutannya dalam air akan terlampaui dan akan mengendap dari larutan. Diatas tingkat konsenrasi tertentu, padatan tersebut mendorong terbentuknya busa dan menyebabkan terbawanya air ke steam. Endapan juga mengakibatkan terbentuknya kerak di bagian dalam boiler, mengakibatan pemanasan setempat menjadi berlebih dan akhirnya menyebabkan kegagalan pada pipa boiler.
Oleh karena itu penting untuk mengendalikan tingkat konsentrasi padatan dalam suspensi dan yang terlarut dalam air yang dididihkan. Hal ini dicapai oleh
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 46 proses yang disebut blowing down, dimana sejumlah tertentu volume air dikeluarkan dan secara otomatis diganti dengan air umpan. Dengan demikian akan tercapai tingkat optimum total padatan terlarut (TDS) dalam air boiler dan membuang padatan yang sudah rata keluar dari larutan dan yang cenderung tinggal pada permukaan boiler.
Blowdown penting untuk melindungi permukaan penukar panas pada boiler.
Walau demikian, blowdown dapat menjadi sumber kehilangan panas yang cukup berarti, jika dilakukan secara tidak benar. Pengendalian blowdown boiler yang baik dapat secara signifikan menurunkan biaya perlakuan dan operasional yang meliput: Biaya perlakuan awal lebih rendah
Konsumsi air make-up lebih sedikit
Waktu penghentian untuk perawatan menjadi berkurang Umur pakai boiler meningkat
Pemakaian bahan kimia untuk pengolahan air umpan menjadi lebih rendah 2.5.3 Pengolahan Air Umpan Boiler
Memproduksi steam yang berkualitas tergantung pada pengolahan air yang benar untuk mengendalikan kemurnian steam, endapan dan korosi. Sebuah boiler merupakan bagian dari sistem boiler, yang menerima semua bahan pencemar dari sistem didepannya. Kinerja boiler, efisiensi, dan umur layanan merupakan hasil langsung dari pemilihan dan pengendalian air umpan yang digunakan dalam boiler.
Jika air umpan masuk ke boiler, kenaikan suhu dan tekanan menyebabkan komponen air memiliki sifat yang berbeda. Hampir semua komponen dalam air umpan dalam keadaan terlarut. Walau demikian, dibawah kondisi panas dan tekanan hampir seluruh komponen terlarut keluar dari larutan sebagai padatan partikulat, kadang-kadang dalam bentuk kristal dan pada waktu yang lain sebagai bentuk amorph. Jika kelarutan komponen spesifik dalam air terlewati, maka akan terjadi pembentukan kerak dan endapan. Air boiler harus cukup bebas dari pembentukan endapan padat supaya terjadi perpindahan panas yang cepat dan efisien dan harus tidak korosif terhadap logam boiler.
a) Pengendalian endapan
Endapan dalam boiler dapat diakibatkan dari kesadahan air umpan dan hasil korosi dari sistem kondensat dan air umpan. Kesadahan air umpan dapat terjadi karena
D-3 Teknik Kimia POLBAN Boiler 47 kurangnya sistem pelunakan.Endapan dan korosi menyebabkan kehilangan efisiensi yang dapat menyebabkan kegagalan dalam pipa boiler dan ketidakmampuan memproduksi steam. Endapan bertindak sebagai isolator dan memperlambat perpindahan panas. Sejumlah besar endapan diseluruh boiler dapat mengurangi perpindahan panas yang secara signifikan dapat menurunkan efisiensi boiler. Berbagai jenis endapan akan mempengaruhi efisiensi boiler secara berbeda-beda, sehingga sangat penting untuk menganalisis karakteristik endapan. Efek pengisolasian terhadap endapan menyebabkan naiknya suhu logam boiler dan mungkin dapat menyebabkan kegagalan pipa karena pemanasan berlebih.
b) Kotoran yang mengakibatkan pengendapan
Bahan kimia yang paling penting dalam air yang mempengaruhi pembentukan endapan dalam boiler adalah garam kalsium dan magnesium yang dikenal dengan garam sadah.
Kalsium dan magnesium bikarbonat larut dalam air membentuk larutan basa/alkali dan garam-garam tersebut dikenal dengan kesadahan alkali. Garam-garam tersebut terurai dengan pemanasan, melepaskan karbon dioksida dan membentuk lumpur lunak, yang kemudian mengendap. Hal ini disebut dengan kesadahan sementara (kesadahan yang dapat dibuang dengan pendidihan).
Kalsium dan magnesium sulfat, klorida dan nitrat, jika dilarutkan dalam air secara kimiawi akan menjadi netral dan dikenal dengan kesadahan non-alkali. Bahan tersebut disebut bahan kimia sadah permanen dan membentuk kerak yang keras pada permukaan boiler yang sulit dihilangkan. Bahan kimia sadah non-alkali terlepas dari larutannya karena penurunan daya larut dengan meningkatnya suhu, dengan pemekatan karena penguapan yang berlangsung dalam boiler, atau dengan perubahan bahan kimia menjadi senyawa yang kurang larut.
c) Silika
Keberadaan silika dalam air boiler dapat meningkatkan pembentukan kerak silika yang keras. Silika dapat juga berinteraksi dengan garam kalsium dan magnesium, membentuk silikat kalsium dan magnesium dengan daya konduktivitas panas yang rendah. Silika dapat meningkatkan endapan pada sirip turbin, setelah terbawa dalam bentuk tetesan air dalam steam, atau dalam bentuk yang mudah menguap dalam steam pada tekanan tinggi.
