5
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Siklus Rankine (PLTU)
Dalam Termodinamika dikenal siklus Rankine yang merupakan gambaran prinsip kerja dari siklus PLTU ideal. Ideal disini berarti tidak terdapat rugi-rugi akibat perubahan energi kinetic dan energi potensial, serta gesekan diabaikan.
Skema siklus rankine dapat di tunjukkan padagambar berikut :
Gambar 2.1 Siklus Rankine Sederhana Sumber : PLN Corporate University, 2015.
Penjelasan gambar 2.1. diatas, siklus rankine ideal terdiri dari 4 proses :
1 – 2 merupakan proses kompresi isentropik dengan pompa.
2 – 3 Penambahan panas dalam boiler pada P = konstan.
3 – 4 Ekspansi isentropik kedalam turbin.
4 – 1 Pelepasan panas didalam kondenser pada P = konstan.
Dengan memperhatikan gambar di atas, maka prinsip kerja dari PLTU dapat dijelaskan sebagai berikut :
a. Air masuk pompa pada kondisi 1 pada fase cair jenuh (saturated liquid) dan dikompresi sampai tekanan operasi boiler. Temperatur air akan meningkat selama kompresi isentropik yang disebabkan oleh terjadinya penurunan
volume spesifik air. Jarak vertikal antara 1 - 2 pada T-S diagram tersebut dilebih-lebihkan supaya dapat dilihat dengan jelas.
b. Air memasuki boiler sebagai cairan terkompresi pada kondisi 2 dan akan menjadi uap superheated pada kondisi 3. Dimana panas diberikan oleh boiler ke air pada tekanankonstan (isobar). Boiler dan seluruh bagian yang menghasilkan uap ini disebut sebagai steam generator.
c. Uap superheated pada kondisi 3 kemudian akan memasuki turbin untuk diekspansi secara isentropik dan akan menghasilkan kerja untuk memutar shaft yang terhubung dengan generator listrik sehingga dihasilkanlah listrik.
Tekanan dan temperatur uap akan turun selama proses ini menuju keadaan 4 dimana uap akan masuk kondenser dan biasanya sudah dalam fase campuran jenuh (liquid–vapor mixture).
d. Uap yang masuk ke kondensor akan dikondensasikan pada P konstan didalam kondenser dan akan meninggalkan kondenser sebagai cairan jenuh yang akan masuk pompa kembali, begitu seterusnya.
2.1.1 Siklus Rankine Superheat
Gambar 2.2 Diagram T-s Siklus Rankine Dengan Superheater Sumber : PLN Corporate University, 2015.
Untuk meningkatkan efisiensi siklus, maka ketel - ketel modern dilengkapi dengan pemanas lanjut uap (Superheater) untuk menaikkan tempeartur uap yang keluar dari ketel. Dengan cara ini maka kandungan energi panas dalam uap yang akan masuk turbin menjadi lebih tinggi. Proses yang terjadi didalam superheater
sendiri adalah proses kenaikan temperatur melalui penambahan fraksi panas superheat yang berlangsung secara Isobar. Adapun tampilan siklus Rankine Superheat dapat dilihat gambar 2.2.
Dari gambar , terlihat bahwa unsur-unsur dalam siklus adalah sebagai berikut :
Kalor Masuk (Qin) = (h4 – h3) + (h3 – h2) = (h4 – h2)
Kalor Keluar (Qout) = h5 – h1
Kerja Pompa (WP) = h2 – h1
Kerja Turbin (WT) = h4 – h5
Kerja Bersih (Wnet) = Qin – Qout = (h4 – h2) – (h5 – h1) atau = WT – WP = (h4 – h5) – (h2 – h1) Dengan demikian efisiensi Rankine dapat dihitung :
2.2 Proses Produksi Pada PLTU Tenayan
Pembangkit Listrik Tenaga Uap Tenayan adalah pembangkit listrik berbahan bakar batu bara sebagai bahan baku utamanya. Memanfaatkan air sungai siak yang merupakan sungai terdalam di Indonesia. Air sungai siak diolah menjadi uap untuk menggerakan turbin uap. PLTU Tenayan berlokasi di Provinsi Riau, Kota Pekanbaru, Kecamatan Tenayan Raya, Kelurahan Industri Tenayan. PLTU ini memiliki luas lebih kurang 40 Hektar dengan kapasitas 2 x 110 MW, dan menjadi Pembangkit Listrik terbesar di Provinsi Riau. PLTU Tenayan menyumbang 31%
energi listrik di Provinsi Riau (penyangga kelistrikan di sumatera bagian tengah) dan 4% di Pulau Sumatera.
Gambar 2.3 PLTU Tenayan 2 x 110 MW Sumber : Plant Project PLTU Tenayan , 2013
Dalam proses produksi PLTU Tenayan terdapat 4 siklus utama, yaitu : a. Siklus pengolahan air baku.
b. Siklus bahan bakar minyak dan batubara.
c. Siklus udara bakar dan udara buang.
d. Siklus air dan uap.
2.2.1 Siklus Pengolahan Air Baku
Di PLTU Tenayan terdapat 2 sistem pengolahan air yaitu Pretreatment Plant dan Water Treatment Plant atau disebut WTP yang masing masing fungsinya adalah :
1. Pretreatment Plant : menghasilkan air untuk bahan baku WTP, menghasilkan air untuk fire fighting (sistem pemadam kebakaran) dan air domestik untuk kebersihan
2. Water treatment plant : Menghasilkan air yang berkualitas untuk bahan baku Boiler.
Gambar 2.4 Siklus Pengelolaan Air Baku Sumber : P&ID PLTU Tenayan , 2016
Pada gambar 2.4 dijelaskan tentang siklus pengolahan air sungai menjadi air industrial atau raw water . Sumber air diambil dari sungai Siak kemudian dipompakan oleh intake water pump menuju mechanical clarifier yang berfungsi untuk memisahkan kandungan lumpur pada air. Di mechanical clarifier ini diinjeksi oleh bahan kimia berupa PAC (Poly Alluminium Chloride) dan PAM (Polyacrylamide) untuk membentuk flok sehingga mudah untuk dipisahkan oleh air. Setelah flok berhasil dipisahkan, air yang bersih menuju ke grafity tank yang bertugas untuk menyaring ulang air tersebut menggunakan berat jenis atau dengan sistem natural.
Air keluar dari garafity tank system akan menuju ke industrial pool dan juga bisa digunakan untuk pengisian absorbing well sebagai penambah pendinginan untuk condenser. Setelah semua proses selesai air yang ditampung di industrial pool yang kemudian akan digunakan untuk bahan baku pembuatan air murni atau make up water boiler. Di dalam industrial pool juga digunakan untuk bahan baku fire fighting system.
Gambar 2.5 Siklus Water Treatment Plant Sumber : DCS PLTU Tenayan , 2016
Air yang digunakan sebagai bahan baku pembuatan make up water dipompakan oleh clean water pump menuju cation exchanger kemudian menuju anion exchanger dan terakhir menuju mixed bed yang berupa campuran resin anion dan cation. Dalam proses ini air dipisahkan dari kandungan mineral atau disebut demineralized sehingga menjadi air murni dengan conductivity <1 µs/cm yang ditampung di demin water tank.
2.2.2 Siklus Bahan Bakar Minyak dan Batubara
Untuk memudahkan penjelasan maka siklus bahan bakar dibagi dua jalur, yaitu jalur bahan bakar minyak (solar) dan jalur batubara. Jalur bahan bakar cair (solar) hanya digunakan pada saat start awal PLTU yang kemudian untuk sistem pembakaran diambil alih oleh batubara sebagai bahan bakarnya. Transfer minyak dimulai dari pengiriman bahan bakar solar melalui jalur darat oleh pihak Pertamina.
Solar kemudian ditampung di HSD storage tank. Ketika digunakan solar akan dipompakan oleh forwarding pump langsung menuju burner oil. Burner oil adalah alat yang berfungsi sebagai nosel untuk menyemprotkan bahan bakar solar di ruang bakar boiler. Burner oil hanya bekerja pada saat start awal sampai beban mencapai
30% load, atau juga ketika kinerja boiler tiba- tiba turun 30% load. Selain itu (ketika beban normal 100% load) yang bekerja adalah burner batubara.
a. Jalur Bahan Bakar Minyak (High Speed Diesel)
Gambar 2.6 Jalur Bahan Bakar Minyak Sumber : DCS PLTU Tenayan , 2016
Alat- alat yang dilalui oleh jalur bahan bakar cair ini adalah : 1. Fuel Oil Tank (HSD Storage Tank)
Fuel oil tank adalah bak penampungan bahan bakar cair (solar) dari truk pengirim bahan bakar.
2. Pompa Bahan Bakar( Forwarding Pump )
Pompa bahan bakar digunakan untuk memompakan bahan bakar solar dari fuel tank menuju burner.
3. Burner Oil
Burner oil adalah alat yang berfungsi sebagai nosel untuk menyemprotkan bahan bakar solar di ruang bakar boiler. Burner oil terdiri dari 2 layer yang disebut underbed burner dan onbed burner, dan pada masing- masing layer terdapat 4 nozel / burner. Jadi jumlah totalnya ada 8 buah burner oil tiap unit.
b. Jalur Bahan Bakar Batubara
Gambar 2.7 Jalur Bahan Bakar Batubara Sumber : DCS PLTU Tenayan , 2016
Batubara dari kapal tongkang dikeruk menggunakan ship unloader dengan sistem chain bucket kemudian ditransfer menuju chute (tempat untuk memasukkan batubara ke conveyor) untuk selanjutnya dibawa oleh belt conveyor C01 menuju transfer tower 1. Dari transfer tower 1 batubara dibawa kembali oleh conveyor C5 menuju Stacker Reclaimer yang berfungsi untuk menata batubara di coal yard.
Sistem loading batubara adalah menyalurkan batubara dari coalyard menuju coal bunker. Batubara dari coalyard bisa dikeruk menggunakan stacker reclaimer ataupun bisa juga menggunakan jalur underground hooper di C06.
Setelah batubara sampai di transfer tower 1 batubara disalurkan melalui C02 menuju ke Coal Crusher untuk dihancurkan sesuai ukuran yang diijinkan masuk ke boiler.
Batubara halus disalurkan melalui C03 menuju C04 yang akan dibagi menjadi 4 triper untuk 4 coal feeder.
2.2.3 Siklus Udara Bakar dan Gas Buang a. Siklus Udara Bakar
Gambar 2.8 Siklus Udara Pembakaran Sumber : DCS PLTU Tenayan , 2016
Udara berfungsi untuk proses pembakaran bahan bakar sehingga disebut udara pembakaran. Terdapat 2 buah Fan yang digunakan untuk udara pembakaran yaitu Primary Air Fan (PAF) Dan Secondary Air Fan (SAF). Udara berasal dari atmosfir dihisap oleh PA fan dan dialirkan ke air heater. Udara panas dari air heater kemudian masuk kedalam windbox dan selanjutnya didistribusikan ke nozzle dibawah boiler yang berguna sebagai bubbling bed material atau pasir yang berguna sebagai media penukar panas.
Sedangkan SA Fan berguna sebagai udara pembakaran yang melalui air heater langsung menuju ke boiler. SAF sangat berpengaruh terhadap temperature furnace
b. Siklus Gas Buang
Gambar 2.9 Siklus Gas Buang Sumber : DCS PLTU Tenayan , 2016
Gas panas hasil pembakaran atau disebut gas buang (flue gas) berfungsi sebagai sumber energi panas. Gas panas dari ruang bakar dialirkan ke pipa-pipa superheater I ke economizer, dan ke air heater. Dari air heater gas masuk ke alat penangkap abu (ESP). dan dari ESP gas dihisap oleh ID fan untuk selanjutnya dibuang ke atmosfir melalui cerobong.
Peralatan yag termasuk dalam sistem gas buang meliputi Air heater (AH), Electrostatic Precipitator (ESP), dan induced draft fan (IDF).
Air heater berfungsi untuk memanaskan udara pembakaran dengan panas gas buang.
Electrostatic Precipitator (ESP) berfungsi untuk menangkap abu dan debu yang terbawa dalam gas sebelum dibuang ke atmosfir.
Induced Draft Fan (IDF) berfungsi untuk menghisap gas dan membuang ke atmosfir melalui cerobong. IDF juga berfungsi mengontrol tekanan ruang bakar agar selalu pada kondisi vacuum.
2.2.4 Siklus Air dan Uap
Gambar 2.10 Siklus Air dan Uap Sumber : DCS PLTU Tenayan , 2016
Siklus air di PLTU dimulai dari make up tank yang diisi oleh air murni dari demin water tank. Dari make up tank ini dipompakan oleh CTP (Condensate Transfer Pump) sebagai air penambah di hotwell. Hotwell adalah tempat penampungan air yang sudah digunakan untuk memutar Turbin kemudian dipompakan oleh Condensate Pump menuju LP heater (Low Pressure Heater) untuk pemanasan awal. Media pemanasnya adalah uap yang diambil dari Low Pressure Turbine.
Prinsip kerjanya adalah air pengisi dialirkan di dalam pipa, dan uap panas mengalir di luar pipa. Setelah dipanasi di LP Heater air pengisi kemudian dialirkan menuju deaerator untuk proses penghilangan unsur oksigen yang masih terkandung dalam air pengisi. Didalam deaerator terjadi kontak langsung antara air pengisi dan uap oleh karena itu disebut open feed water. Uap akan memisahkan gas dari air pengisi untuk kemudian gas- gas tersebut bergerak dengan cepat ke bagian atas daearator dan selanjutnya dibuang ke atmosfir. Uap yang digunakan berasal dari ekstraksi uap HP Turbine. Setelah dari daearator air langsung dipompakan oleh boiler feed pump menuju ekonomiser. Tapi sebelum ke economizer air terlebih dahulu dilewatkan HP heater untuk memanaskan air pengisi. Prinsip kerja dari HP heater sama dengan LP heater, bedanya hanya pada tekanan dan temperaturnya. Di HP heater tekanan dan temperaturnya lebih tinggi dibandingkan tekanan dan
temperatur di LP heater. Setelah melewati HP heater air kemudian masuk ke economizer untuk dipanaskan lagi sebelum masuk ke steam drum.
Steam drum adalah alat yang digunakan untuk menampung sekaligus memisahkan air pengisi boiler yang masih berbentuk air dengan yang sudah berbentuk uap basah. Prinsip kerjanya secara alami, maksudnya adalah air yang sudah menjadi uap akan berada di atas, dan yang masih berwujud berwujud air akan berada di bagian bawah steam drum. Uap akan langsung dialirkan ke superheater, sementara air akan turun melewati water wall untuk diuapkan dan kemudian dialirkan ke superheater. Di superheater uap basah dari steam drum dan water wall akan dipanaskan lagi menjadi uap panas lanjut. Uap panas lanjut ini kemudian dialirkan ke HP turbine untuk memutar sudu- sudu HP turbine.Setelah digunakan di HP turbine uap akan mengalami ekspansi (tekanan dan temperatur uap turun).
Uap tidak dipanaskan lagi, tapi langsung dialirkan ke LP turbine untuk memutar sudu- sudu LP turbine. Terakhir uap yang keluar dari LP turbine kemudian dialirkan di kondensor untuk di kondensasikan menjadi air pengisi. Proses kondensasi uap menggunakan media air sungai setelah diproses di Pretreatment system sebagai pendinginnya yang dipompakan oleh CWP (Circulating Water Pump). Air kondensat ini kemudian digunakan lagi sebagai air pengisi boiler dengan proses yang sama. Begitulah siklus air dan uap yang terjadi di PT. PJB UBJ O & M PLTU Tenayan.
Gambar 2.11 Siklus Produksi PLTU Tenayan Sumber : P&ID PLTU Tenayan, 2017
2.3 Sistem Boiler
Boiler merupakan peralatan utama dari sebuah PLTU yang berfungsi untuk memanaskan air menjadi uap dengan tekanan dan temperatur tertentu, melalui proses pembakaran bahan bakar di ruang bakar (furnace ).
Pada Boiler CFB (Circulating Fluidized Bed) terdiri dari 3 perlatan utama yaitu furnace , cyclone dan back pass. Furnace berfungsi sebagai tempat terjadinya pembakaran bahan bakar. Komponen yang terdapat di furnace yaitu wall tube, panel evaporator dan panel super heater.
Cyclone berfungsi untuk memisahkan batubara yang belum terbakar dengan abu (ash) sisa pembakaran dan mengembalikannya ke furnace . Komponen utama cyclone yaitu wall tube dan sealpot.
Backpass berfungsi sebagai ruang pemanfaatan kalor yang terdapat dalam flue gas. Komponen utama di backpass adalah final superheater, superheater, economizer dan air preheater.
Gambar 2.12 Konfigurasi CFB Boiler Sumber : Greenfield Research Incorporated, 2017.
2.4 Sistem Fluidized-Bed Combustion
Pembakaran dengan system Fluidized Bed Combustion (FBC) memiliki kelebihan dan keuntungan bila dibanding sistem pembakaran yang konvensional, diantaranya adalah proses pembakaran yang sempurna dan berkurangnya emisi polutan yang merugikan seperti SOx dan NOx. Sistem FBC adalah sistem pembakaran yang tertutup, sehingga seluruh batubara yang masuk ke dalam dapur api akan terbakar sempurna, sebelum habis terbakar batubara akan terperangkap di dalam pasir silica yang bergerak, dengan demikian efficiency boiler menjadi tinggi.
Batu bara yang digunakan dalam sistem FBC sangat flexible, dapat menggunakan batubara rendah kalori, dengan ukuran 0 ~ 15 mm. Spesifikasi Batu bara tersebut adalah yang paling murah dan paling banyak tersedia di Indonesia.
Bila udara atau gas telah terdistribusi secara merata, maka akan dilewatkan keatas melalui bed partikel padat seperti pasir. Begitu kecepatan udaranya berangsur-angsur naik, terbentuklah suatu keadaan dimana partikel tersuspensi dalam aliran udara sehingga bed tersebut terfluidisasikan. Dengan kenaikan kecepatan udara selanjutnya, maka 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 bubbling fluidized bed.
Jika partikel pasir dalam keadaan terfluidisasikan dipanaskan hingga ke suhu nyala batubara, dan batubara diinjeksikan secara terus menerus ke bed, maka 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.
2.5. Circulating Fluidized-Bed (CFB) Combustion
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 cyclone 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 CFB pada umumnya lebih ekonomis daripada boiler lainnya. Untuk unit yang besar, semakin tinggi karakteristik 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 lainnya.
2.6. Material Pendukung CFB
Refractory bisa didefinisikan sebagai material non logam yang dapat tahan pada temperatur tinggi. Sebagaimana dijelaskan pada bagian sebelumya, refractory merupakan jenis ceramic materials. Karena merupakan ikatan ionic dan covalent, ceramic mempunyai sifat yang keras namun mudah patah (brittle). Sehingga tanpa dikombinasi dengan material lain, sangat jarang digunakan untuk material struktural. Keuntungan yang utama adalah ketahanan terhadap temperatur tinggi.
Pada dasarnya refractory digunakan dalam konstruksi CFB mempunyai dua fungsi yaitu sebagai (1) Insulasi untuk mencegah komponen tertentu overheated dan mencegah kehilangan energy dengan perpindahan panas dari proses pembakaran. (2) Berfungsi mencegah terjadinya erosi/abrasi/korosi pada komponen lain seperti tubing wall tubes. Refractory digunakan di beberapa bagian CFB sebagaimana terlihat pada Gambar 2.13. Gambar 2.14. menunjukkan area tertentu dalam CFB boiler yang memerlukan refractory dengan kemampuan tahan terhadap erosi antara lain di furnace, cyclone, dan sealpot. Area ini merupakan area dengan kecepatan relative lebih tinggi dari area yang lain.
Gambar 2.13 Penggunaan Refractory Pada CFB Boiler
Sumber : P. Basu, S.A. Fraser, Circulating Fluidized Bed Boilers, Springer, 1991.
Gambar 2.14 Beberapa Area Yang Memerlukan Erosion Resistance Refractory.
Sumber : P. Basu, S.A. Fraser, Circulating Fluidized Bed Boilers, Springer, 1991.
2.7. Jenis dan Material Refractory 2.7.1 Definisi Refractory
Refractory adalah suatu material bukan logam, digunakan pada suatu konstruksi yang beroperasi pada temperatur tinggi untuk waktu yang lama, seperti konstruksi dapur. Meskipun fungsi utamanya adalah tahan terhadap temperatur tinggi, namun dalam aplikasinya material refractory ini harus menekan hilangnya
panas dari komponen (heat loss), tahan terhadap abrasi, tekanan, serangan kimiawi, serta perubahan-temperatur yang sangat cepat, sehingga dapat menahan kestabilan temperatur dari equipment.
2.7.2 Sifat Sifat Refractory
Seperti pada umumnya material industri terutama yang bekerja pada temperatur tinggi, perubahan cepat pada temperatur, serta bersinggungan dengan fenomena mekanik, maka pada material tersebut dituntut sifat-sifat yang sesuai : 1. Cold Crushing Strength – CCS.
Merupakan besarnya beban yang dibutuhkan untuk menghancurkan material refractory per satuan luas. Satuan yang digunakan : kg/cm2 ; N/mm2; MPa, Psi. Sifat CCS ini dapat diketahui dengan melakukan pengujian berdasarkan ASTM C-133; 1402-6. Pada umumnya semakin tinggi nilai CSS suatu material refractory, maka akan semakin tinggi pula ketahanannya ter hadap abrasi.
2. Modulus of Rupture – MOR
Menunjukkan kemampuan suatu material refractory terhadap beban bending per satu satuan luas. Satuannya adalah : kg/cm2 ; N/mm2; MPa, Psi. Salah satu metoda pengujiannya : ASTM C-133, 1402-6. Secara general semakin besar MOR, material refractory semakin tahan terhadap thermal shock dan crack.
3. Bulk Density
Menyatakan perbandingan antara berat (massa) dan volume material, dan dinyatakan dalam satuan pound per cubic feet [lb/ft3], atau kilogram per meter kubik [kg/m3], atau gram per centimeter kubik [g/cm3]. Berat material yang digunakan adalah berat material dalam kondisi kering, setelah di drying pada temperatur 110 OC dan 815 OC. Standar pengujiannya dan penyusutannya ASTM C- 134 dan EN 1402-6. Untuk jenis castable padat, semakin tinggi density nya maka kekuatan mekaniknya semakin tinggi (CCS dan MOR), demikian juga ketahanan terhadap abrasi serta volume stability meningkat. Untuk insulating castable material, semakin rendah density nya semakin bagus (thermal conductivity semakin rendah).
4. Apparent Porosity
Merupakan banyaknya pori terbuka yang dapat dilewati oleh cairan (liquid), ditunjukkan dengan besarnya fraksi volume yang ditempati, satuan %.
Salah satu pengujian untuk pengetahui sifat ini ada di C20, ASTM C830.
5. Abrassive Resistance.
Abrasi terjadi karena beberapa hal tergantung pada kondisi saat operasi dimana material refractory berada seperti akibat tumbukan material berat yang dituangkan dalam dapur, abrasi akibat materi metalik dan non metalik, atau juga karena hantaman langsung debu abrasif dan aliran gas abu berkecepatan tinggi.
Untuk menahan beban mekanik tersebut biasanya brick refractory merupakan pilihan yang tepat karena kuat dan daya ikat yang bagus. Semakin kuat brick, semakin tinggi ketahanan abrasinya. Dalam hal ini nilai MOR atau CCS merupakan indikasi ketahanan abrasinya. Uji abrasi ditentukan dengan mengetahui ketahanan material terhadap erosi jika dikenai hantaman karbida silikon halus pada temperatur kamar. Prosedur pengujian ditunjukkan pada ASTM C704.
6. Thermal Expansion
Jika selama pemanasan hingga dibawah fired temperatur nya dia tidak terjadi perubahan permanen, fired refractories akan kembali ke dimensi semula pada saat pendinginan. Sifat ini disebut “reversible thermal expansion” Gambar 2.15 dan Gambar 2.16 menunjukkan nilai reversible thermal ekspansion fired brick.
Gambar 2.15 Reversibel Thermal Expansion Brick
Sumber : Harbison-Walker, Handbook of Refractory Practice, 2005.
Gambar 2.16 Reversibel Thermal Expansion Brick
Sumber : Harbison-Walker, Handbook of Refractory Practice, 2005.
Lain halnya perilaku thermal expansion material unfired refractories yang lebih kompleks dibanding material fired refractories. Selama awal pemanasan, dapat terjadi ekpansi atau kontraksi pada material unfired refractories sebagai akibat dari perubahan struktur pada ikatan, perubahan minerologi, dan pengaruh sintering. Karateristik thermal expansion pada sejumlah cement-bonded refractories selama pemanasan awal ditunjukkan pada Gambar 2.17. Terjadi penyusutan (shringkage) pada kisaran temperatur antara 400oF dan 600oF (205oC dan 315oC), yang berkaitan dengan penguraian (decomposition) semen. Besarnya penyusutan yang terjadi sebanding dengan jumlah semen yang digunakan.
Pertambahan penyusutan terjadi pada temperatur diatas temperatur 1800oF hingga 2000oF (980oC hingga 1090oC) berkaitan dengan effect sintering. Thermal expansion ditentukan oleh karakteristik aggregate. Penyusutan yang terjadi selama pemanasan awal pada temperatur 2600oF (1430oC) merupakan gejala alami dan biasanya sebesar 0,2 % hingga 1,5 %. Untuk thermal expansion plastic refractories ditunjukkan pada Gambar 2.18.
Gambar 2.17 Reversibel Thermal Expansion Berbagai Castable Refractories Sumber : Harbison-Walker, Handbook of Refractory Practice, 2005.
Gambar 2.18 Reversibel Thermal Expansion Berbagai Plastic Refractories Sumber : Harbison-Walker, Handbook of Refractory Practice, 2005.
7. Permanen Linear Change-PLC.
Menyatakan perubahan dimensi material refractory akibat penyusutan (karena pemanasan dan pendinginan) pada pemanasan hingga temperatur tertentu, dinyatakan dalam % pertambahan/pengurangan panjang terhadap panjang awal.
Besarnya PLC diketahui melalui pengujian dengan standar ASTM C-113; EN 1402- 6. Pada umumnya pemanasan 100oC (green to dried) dan dried to fired (temperatur 815oC, 1000oC, 1200oC, 1300oC, ...). Yang dimaksud green pada umumnya ditujukan untuk lining yang baru saja selesai dipasang (sebelum proses dry out).
8. Thermal Conductivity – K value
Tabel 2. 1 K-Values for Refractory Brick at Various Mean Temperatur, Btu.in/ft3.hr.oF
Sumber : Harbison-Walker, Handbook of Refractory Practice, 2005.
Sifat yang menunjukkan jumlah panas yang dihantarkan oleh material refractory dari permukaan panas menuju permukaan dingin tiap derajat perubahan temperatur per satu satuan Panjang. Satuannya : BTU/ft3.hr.F. Pengujian unuk mengetahui sifat ini dapat dilakukan dengan menggunakan standar ASTM C201/C 417, EN 993-14. Tabel 2.1. menunjukkan harga K refractories pada berbagai temperatur.
9. Creep dan Thermal Expansion selama pembebanan (ASTM C832)
Saat service, material refractory harus tahan beban, minimal adalah besarnya beban berat tekanan yang terjadi tergantung pada ketinggian lining dan berat jenis material (Gambar 2.19.)
Gambar 2.19 Creep Measurement Of Various High-Alumina Refractories Under 25 Psi Load At 2600 oF For 0 – 100 Hrs.
Sumber : Harbison-Walker, Handbook of Refractory Practice, 2005.
10. Pyrometric Cone Equivalent – PCE
Merupakan kecenderungan suatu material refractory (komposisi alumina- silica dan fireclay) untuk melunak (softening) pada temperatur tinggi. Prosedur pengujiannya ASTM C-24. Material dasar yang akan diuji dicetak menjadi bentuk kerucut (cone), dipasang pada plak keramik, terdiri dari beberapa seri standar pyrometric cone (bernomor) yang memiliki batas temperatur softening yang berbeda. Selanjutnya plak dipanaskan dengan laju tetap hingga test spesimen berbentuk cone tersebut melunak sampai ujungnya melengkung. Nomor standar cone yang ujungnya melengkung hingga menyentuh plak merupakan besarnya nilai PCE dari spesimen cone yang diuji.
11. Maximum Servive Temperatur - MST
Pada umunya digunakan pada monolithic refractory.
12. Chemical composition
Merupakan persentase mineral penyusun. Standar pengujian : ASTM 1172/
ASTM E 1184, EN ISO 12677. Untuk high alumina refractory, semakin rendah kandungan mineral Fe2O3 nya, maka material tersebut semakin bagus.
Secara umum material refractory harus memiliki sifat-sifat sebagai berikut:
o Tahan terhadap temperatur tinggi.
o Daya isolator tinggi.
o Tahan terhadap perubahan suhu secara mendadak (thermal shcock resistance).
o Volume stability yang bagus.
o Tahan beban pada temperatur tertentu.
o Dapat menghemat panas.
o Non-polluting to final product.
o Tahan terhadap serangan abrasi dan korosi.
o Tahan terhadap gas panas, glass, logam cair (good spalling resistance).
2.7.3 Klasifikasi Refractory
Material refractory berkembang untuk memenuhi sifat-sifat khusus yang dibutuhkan pada saat operasi pada suatu proses manufacture. Sifat-sifat khusus pada kelompok kelompok refractory tersebut merupakan fungsi berdasarkan bahan-bahan dasar dan metoda/cara yang digunakan untuk membuat refractory tersebut, seperti diungkapkan dalam skema Gambar 2.20. Memperbaiki material refractory untuk meningkatkan efisiensi energi.
Gambar 2.20 Memperbaiki Material Refractory Untuk Meningkatkan Efisiensi.
Sumber : Harbison-Walker, Handbook of Refractory Practice, 2005.
Klasifikasi refractory dapat dilakukan berdasarkan temperatur operasinya, sifat kimia material dasar pembentuknya, dan berdasarkan bentuknya.
1. Klasifikasi refractory berdasarkan temperatur
Dalam proses manufaktur, refractories digunakan pada proses pemanasan dimana temperatur rata-ratanya lebih dari 1000 oF, bahkan bisa mencapai 3000
oF. Dari tuntutan tersebut, berdasarkan temperatur refractories dibedakan menjadi 3 kelompok :
a. Normal Refractory, jenis tipikalnya adalah fireclay, dimana temperatur aplikasinya hingga 1780 oF. Contoh pemakaiannya pada proses peleburan aluminium.
b. High refractory, type ini adalah cromite-based refractories dimana temperatur aplikasinya dari 1780 oF hingga 2000 oF, seperti pada proses peleburan tembaga.
c. Super sonic refractory, digunakan pada temperatur melebihi 2000 oF, seperti pada proese peleburan besi.
2. Klasifikasi Refractory berdasarkan sifat kimiawi
Berdasarkan komposisi kimia penyusunnya, refractory dibedakan dalam empat kelompok : Basic refractories, Acid refractories, Neutral Refractories, dan Special Refractories
Basic Refractories
Tabel 2.2 Bahan Refractory Bersifat Basa
Sumber : Harbison-Walker, Handbook of Refractory Practice, 2005.
Material refractory ini tersusun terutama oleh dead burned magnesite or magnesia, seringkali ditambahakan mineral yang lain sebagai, seperti bijih krom, karbon, spinel (mineral MgO.Al2O3) (Tabel 2.2.) paduan untuk untuk memperoleh sifat tertentu dalam aplikasinya. Seperti halnya namanya, sifat utama dari basic refractories ini adalah basa, tahan terhadap serangan kimiawi yang bersifat basa.
Acid Refractories
Sesuai namanya, kelompok refractory ini tahan terhadap serangan (debu, gas, maupun cairan) yang bersifat asam. Bahan dasar acid refractory ditunjukkan pada Tabel 2.3. Contoh beberapa refractories yang bersifat asam : fireclay refractories, silica refractories.
Silica Refractories
Beberapa sifat-sifat penting dari silica refractory adalah temperatur leleh yang cukup tinggi yaitu antara 3080 oF (1695 oC) dan 3110 oF (1710 oC), ketahanan terhadap tekanan 25-50 lb/inch2, tahan terhadap asam, volumenya konstan hingga temperatur diatas 1200 oF (650 oC) dan bebas thermal spalling di atas temperatur 1200 oF (650 oC). Pada temperatur di bawah 1200 oF (650 oC) silica brick kurang memiliki ketahan terhadap thermal shock. Pada temperatur tinggi dan udara reduktor silica refractory tidak tahan terhadap serangan kimia basa dan oksida besi. Keunggulan sifat silica brick adalah tidak melunak saat dikenai beban yang tinggi bahkan pada temperatur mendekati temperatur lelehnya.
Fireclay Refractories
Refractory jenis ini pada prinsipnya tersusun atas Hydrated aluminium silicates (Al2O3.2SiO2.2H2O) dengan sedikit mineral yang lain. Komposisi dari aluminium silicate adalah 39,5% alumina, 46,5% silica dan 14% air, sejumlah unsur lain terkandung didalamnya seperti Fe, Ca, Mg, Ti, Na, K, Li, dan sejumlah kecil silica bebas. Kaolinite merupakan type yang paling dikenal. Pada temperatur tinggi, air yang terkandung dalam refractory ini akan menguap, sehingga secara teoritis alumina silicate mengandung 45,9% alumina dan 54,1% silica. Beberapa type penting dari jenis refractory ini adalah flint clay dan semi-flint clay, plastic
clay dan semi plastic clay, dan kaolin.
Tabel 2.3 Bahan Dasar Refractory Yang Bersifat Asam.
Sumber : Harbison-Walker, Handbook of Refractory Practice, 2005.
Neutral Refractories
Material refractory yang tidak bersifat asam maupun basa, atau sebaliknya material ini dapat bereaksi dengan asam, dan dapat bereaksi dengan basa pada kondisi yang berbeda. Contoh umum refractory kelompok ini adalah high alumina refractories.
High Alumina refractories
Refractories jenis ini tersusun oleh mineral alumina dengan jumlah lebih besar atau sama dengan 47,5 %. Hal ini untuk membedakannya dari refractory lainnya, seperti clay, yang juga mengandung alumina, namun lebih kecil dari 47,5 %. Pada umumnya high alumina refractories ini diklasifikasikan lagi (menurut ASTM) pada kelompok 50 %, 60 %, 70 % dan 80 %. Berat jenis alumina 3,6 gr/cm3. Creep atau load resistance nya tergantung pada titik leburnya, yang berarti tergantung pada prosentase kandungan aluminanya. Terdapat beberapa kelompok spesial produk high alumina refractories yang penting, yaitu:
Mullite brick, terutama mengandung fasa mineral mullite (3Al2O3.2SiO2)
yang tersusun oleh 71,8 % berat Al2O3 dan 28,2 % SiO2.
Chemically-bonded brick, biasanya phosphat-bonded brick dimana kandungan alumina antara 75 % hingga 85 %. Sementara itu aluminum orthophospat bond (AlPO4) dapat dibentuk pada temperatur relatif rendah.
Alumina-chrome brick, merupakan tipikal high alumina refractory yang memiliki kemurnian tinggi, tersusun oleh alumina dan oksida krom (Cr2O3). Pada temperatur tinggi alumia dan chromia membentuk suatu larutan padat (solid solution) yang meningkatkan kualitas refractory.
Alumina-carbon brick-high alumina brick (biasanya diikat dengan menggunakan resin), mengandung karbon diantaranya grafit.
Special refractories
Karena tuntutan, beberapa proses industri membutuhkan satu atau dua sifat yang melebihi dari sifat yang dimiliki oleh material refractory pada umumnya.
carbon dan grafit, karbida silika (silicon carbide), fused silica, fued cast, zircon dan zirconia, serta insulating brick adalah beberapa special refractories yang memiliki sifat ektra ordinary untuk aplikasi khusus.
Insulating bricks
Tersusun oleh berbagai oksida, pada umumnya fireclay atau silica. Karakter unggulannya yang melebihi refractory lain adalah ringan (density kecil) dan konduktivitas panas rendah sebagai akibat dari derajat-porositasnya yang tinggi dan kapasitas panas yang lebih rendah dari refractory lain.
Insulating bricks dapat di cast atau di pres kering (dry pressed).
ASTM mengelompokkan fireclay dan high alumina insulating ke dalam urutan nomor 16, 20, 23, 26, 28, 30, dan 33. Jika angka angka tersebut dikalikan 100 akan merupakan besarnya temperatur nominal service. Tabel 2.4 menunjukkan beberapa material refractory untuk isolasi berserta sifat-sifat fisiknya.
Emissivity merupakan salah satu sifat penting pada insulating material.
Sifat ini menunjukkan kemampuan untuk menyerap panas dan memancarkannya.
Sifat emissivity ini merupakan sifat inherent dari material refractory dan tidak berubah, namun sifat ini dipengaruhi oleh temperatur material tersebut (Gambar 2.21).
Tabel 2.4 Physical Properties of Insulating Materials
Sumber : Harbison-Walker, Handbook of Refractory Practice, 2005. 3. Klasifikasi Refractory berdasarkan bentuknya
Berdasarkan bentuknya refractory diklasifikasikan menjadi 3 kelompok:
a) Shaped refractory : brick, refractory yang pada umumnya berbentuk batu bata b) Unshaped refractory : refractory yang memiliki bentuk setengah jadi berupa butir butir halus dengan ukuran tertentu (seperti pasir). Kelompok ini dibedakan lagi menurut sifat unggulannya atau metoda pemasangannya/instalasinya meliputi mortar, plastic, gunning, ramming, dan castable.
c) Bentuk spesial, bentuk khusus sesuai tujuan tertentu, misalnya cassete refractory, shroud.
Gambar 2.21 Emisivitas Material Refractory Pada Temperatur Yang Berbeda.
Sumber : Harbison-Walker, Handbook of Refractory Practice, 2005.
Diagram Fasa System SiO2-Al2O3
Material campuran dari beberapa oksida dapat mencair (leleh) pada kisaran temperatur tertentu. Temperatur leleh material refractory jenis terebut tergantung pada karakter masing- masing material penyusun dan komposisi kimianya. Range temperatur leleh campuran oksida serta perubahan fasa yang dialami dituangkan dalam diagram fasa ekuilibrium. Gambar 2.22. menunjukkan diagram ekuilibrium system material alumina-silica. Dengan memanfaatkan diagram tersebut dapat menentukan perilaku refractories pada temperatur tinggi.
Perhatian khusus supaya diberikan jika kondisi service memungkinkan bagi silica untuk menguap, yaitu pada udara reduktor (reducing atmosphere) atau pada temperatur sekitar 3270 oF (1800 oC) atau di atasnya. Interpretasi reaksi dan aplikasi diagram system tersebut harus lebih teliti terutama untuk komposisi kimia yang mengandung alumina lebih dari 55 %.
Gambar 2.22 Diagram Fasa Ekuilibrium System Al2O3-SiO2 Sumber : Harbison-Walker, Handbook of Refractory Practice, 2005.
Temperatur leleh silica adalah 3133 oF (1723 oC) dengan bertambahnya alumina pada campuran silica-alumina akhir temperatur lelehnya turun hingga 2903 oF (1595 oC) tepat pada komposisi 5,5 % alumina. Titik ini diesbut titik eutetik, dan komposisi tersebut (campuran 5,5 % alumina dan 94,5 % silica)
merupakan material campuran dengan titik leleh terendah. Mullite merupakan kristal hasil reaksi antara alumina dan silica yang memiliki formula kimia 3Al2O3.2SiO2 (komposisi 71,8 alumina dan 28,2 % silica). Temperatur leleh mullite adalah 3362 oF (1850 oC).
2.8. Konstruksi Refractory 2.8.1 Berbagai Bentuk Anchor
Dalam proses pembuatan atau pemasangan pada komponen boiler, selain refractory dibutuhkan material lain yaitu ankur (anchor) yang berfungsi mengikat agar susunan refractory kuat dan solid. Pemilihan bentuk dan pemakaian anchor harus memperhatikan refractory yang digunakan, teknik instalasi (gunite, cast, rammed), konfigurasi lining (single, dual, multiple, etc), temperatur operasi dan interface, geometri dari komponen boiler dimana refractory dipasang, serta sambungan dan penetrasi. Pada dasarnya terdapat 3 system ankur yaitu (Gambar 2.23.)
Gambar 2.23 Berbagai Bentuk Ankur (Anchor)
Sumber : Harbison-Walker, Handbook of Refractory Practice, 2005.
1. Wall support system-castings and fabricated stainless steel.
2. Ankur metalik (paduan), terbuat dari besi tuang (tahan hingga 1000 oF) atau baja tahan karat (tahan hingga 2100 oF, tergantung pada grade) 3. Ankur keramik (ceramic tile anchor) (dapat tahan hingga 3000 oF)
2.8.2 Metoda Instalasi Gunning
Gunning merupakan penempatan refractory kering dialirkan (lewat alat yang disebut Gun) ke permukaan dimana refractory dipasang (surface to be lined) dengan menggunakan udara yang ditekan bersama dengan air yang biasanya ditambahkan di nozzle. Metoda instalasi ini sangat tergantung pada ketrampilan operator (gun operator / nozzleman). Hampir semua refractory pada CFB Boiler dapat di pasang dengan menggunakan metoda ini. Keuntungan dari teknik ini yaitu meningkatnya density, mengurangi refractory yang terbuang karena tidak menempel (rebound), dan mengurangi adanya debu. Pengontrolan rebound material yang tidak lebih dari 10-15 %, akan menurunkan biaya (cost) CFB.
Gunning direkomendasikan untuk instalasi lapisan refractory isolator pada CFB, tetapi bukan metoda yang direkomendasikan untuk refractory yang harus tahan terhadap abrasi, kecuali untuk ruang combustor bagian bawah (lower combustor). Material hasil gunning biasanya tidak diterima untuk aplikasi di cyclone dan loop seals. Gunning merupakan salah satu jalan untuk menekan harga CFB karena merupakan proses instalasi yang cepat dan murah (cost effective).
Casting
Metoda ini dilakukan dengan menuangkan, meletakkan, atau menumbukkan castable refractory yg telah dicampur ke tempatnya dimana refractory ini harus berada, bisa dibantu juga dengan vibrasi. Castable adalah kombinasi butir-butir refractory dan zat pengikat yang sesuai (suitable bonding agent). Jika castable ini dicampur dengan cairan akan memudahkannya untuk ditempatkan sesuai bentuk maupun dimensi dimana campuran ini akan ditempatkan untuk membentuk refractory atau struktur sesuai desain, yang selanjutnya akan mengeras karena reaksi kimia. Campuran yang tepat dapat segera di test/cek dengan menggunakan “bola di tangan” (“ball in hand”), yaitu segenggam campuran castable dibentuk bola, lalu dilempar ke udara setinggi 6-12 inch, lalu ditangkap. Material refractory yang semula berbentuk bola harus
membentuk sesuai genggaman tangan dan tidak boleh ada material yang mengalir diantara jari-jari tangan (yang berarti campuran terlalu banyak air) atau hancur (crumble) yang berarti air terlalu sedikit.
Casting yang dibantu dengan vibrasi akan meningkatkan density (material refractory terbentuk semakin padat) dan mengurangi pori yang terkandung (porosity). Material cetakan sebaiknya bukan material yang menyerap air dari campuran refractory selama proses pengeringan (curing) karena akan menurunkan kekuatan refractory tersebut.
Ramming
Metoda ini biasanya untuk material plastic refractory. Pada dasarnya material ini adalah pre-fired refractories yang dipersiapkan terlebih dahulu oleh pemasok refractory yang selanjutnya membawa langsung ke lokasi untuk dipasang tanpa harus dicampur terlebih dahulu. Material ini dipasang dengan cara memukul pukul (ramming) dengan bantuan palu pneumatik yang ditahan dengan menggunakan tangan (hand held pneumatic hammer) atau mallets. Plastik yang mengandung material tahan abrasi akan terbentuk dan memadat. Material harus diatur dan dijalin bersama. Dalam hal ini pemakaian palu yang memiliki cekungan (notched hammer) yang berfungsi untuk mengaitkan antar material, dengan demikian menghindari laminasi (laminations).
2.9. Teori Perpindahan Panas
Perpindahan panas adalah perpindahan energi karena adanya perbedaan temperatur. Ada tiga bentuk mekanisme perpindahan panas yang diketahui, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.
2.9.1 Konduksi
Gambar 2.24 Perpindahan Panas Konduski Dari Udara Hangat ke Kaleng Minuman Dingin Melalui Dinding Aluminum Kaleng.
Sumber : Cengel, Yunus A., 2003. “Heat Transfer : A Practical Approach Second. Edition,” McGraw-Hill. New York.
Konduksi merupakan perpindahan panas dari tempat yang bertemperatur tinggi ke tempat yang bertemperatur rendah di dalam medium yang bersinggungan langsung. Jika pada suatu benda terdapat gradien suhu, maka akan terjadi perpindahan panas serta energi dari bagian yang bersuhu tinggi ke bagian yang bersuhu rendah, sehingga dapat dikatakan bahwa energi akan berpindah secara konduksi, laju perpindahan kalornya dinyatakan sebagai
Dimana :
q = laju perpindahan kalor
𝜕𝑇⁄𝜕𝑥= gradien suhu perpindahan kalor k = konduktifitas thermal bahan (W/m.K) A = luas bidang perpindahan kalor (m2) 2.9.2 Konveksi
Konveksi merupakan perpindahan panas antara permukaan solid dan berdekatan dengan fluida yang bergerak atau mengalir dan itu melibatkan pengaruh konduksi dan aliran fluida.
Gambar 2.25 Perpindahan Panas Dari Plat Panas
Sumber : Cengel, Yunus A., 2003. “Heat Transfer : A Practical Approach Second.
Edition,” McGraw-Hill. New York.
Dari gambar diatas dapat dilihat bahwa kecepatan fluida yang mengalir di permukan plat panas mempengaruhi temperatur disekitar permukaan plat tersebut.
Laju perpindahan kalor secara konveksi dapat dinyatakan sebagai : q = h.A (Ts - T∞)
Dimana :
h = Koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2.K) A = Luas penampang (m2)
Ts = Temperatur plat (K)
T∞ = Temperatur fluida yang mengalir dekat permukaan (K) 2.9.3 Radiasi
Radiasi, merupakan perpindahan energi karena emisi gelombang elektromagnet atau photons.
Gambar 2.26 Perpindahan Panas Secara Radiasi
Sumber : Cengel, Yunus A., 2003. “Heat Transfer : A Practical Approach Second.
Edition,” McGraw-Hill. New York.
Laju perpindahan kalor secara radiasi dapat dinyatakan sebagai :
Dimana :
ε = Emisivitas, sifat radiasi pada permukaan A = Luas permukaan (m2)
Σ = Konstanta Stefan – Boltzman (5,67.108 W/m2.K4) TS4 = Temperatur absolute permukaan (K4)
Tsur4 = Temperatur sekitar (K4) 2.10 Teori Fishbone Diagram
Diagram tulang ikan atau fishbone adalah salah satu metode / tool di dalam meningkatkan kualitas. Sering juga diagram ini disebut dengan diagram sebab- akibat atau cause effect diagram. Penemunya adalah seorang ilmuwan jepang pada tahun 60-an. Bernama Dr. Kaoru Ishikawa, ilmuwan kelahiran 1915 di Tikyo Jepang yang juga alumni teknik kimia Universitas Tokyo. Sehingga sering juga disebut dengan diagram ishikawa. Metode tersebut awalnya lebih banyak digunakan untuk manajemen kualitas. Yang menggunakan data verbal (non- numerical) atau data kualitatif. Dr. Ishikawa juga ditengarai sebagai orang pertama yang memperkenalkan 7 alat atau metode pengendalian kualitas (7 tools).
yakni fishbone diagram, control chart, run chart, histogram, scatter diagram, pareto chart, dan flowchart.
Dikatakan Diagram Fishbone (Tulang Ikan) karena memang berbentuk mirip dengan tulang ikan yang moncong kepalanya menghadap ke kanan. Diagram ini akan menunjukkan sebuah dampak atau akibat dari sebuah permasalahan, dengan berbagai penyebabnya. Efek atau akibat dituliskan sebagai moncong kepala.
Sedangkan tulang ikan diisi oleh sebab-sebab sesuai dengan pendekatan permasalahannya. Dikatakan diagram Cause and Effect (Sebab dan Akibat) karena diagram tersebut menunjukkan hubungan antara sebab dan akibat. Berkaitan dengan pengendalian proses statistikal, diagram sebab-akibat dipergunakan untuk untuk menunjukkan faktor-faktor penyebab (sebab) dan karakteristik kualitas (akibat) yang disebabkan oleh faktor-faktor penyebab itu.
Diagram Fishbone telah menciptakan ide cemerlang yang dapat membantu dan memampukan setiap orang atau organisasi/perusahaan dalam menyelesaikan masalah dengan tuntas sampai ke akarnya. Kebiasaan untuk mengumpulkan beberapa orang yang mempunyai pengalaman dan keahlian memadai menyangkut problem yang dihadapi oleh perusahaan Semua anggota tim memberikan pandangan dan pendapat dalam mengidentifikasi semua pertimbangan mengapa masalah tersebut terjadi. Kebersamaan sangat diperlukan di sini, juga kebebasan memberikan pendapat dan pandangan setiap individu. Jadi sebenarnya dengan adanya diagram ini sangatlah bermanfaat bagi perusahaan, tidak hanya dapat menyelesaikan masalah sampai akarnya namun bisa mengasah kemampuan berpendapat bagi orang – orang yang masuk dalam tim identifikasi masalah perusahaan yang dalam mencari sebab masalah menggunakan diagram tulang ikan.
2.10.1 Manfaat Diagram Fishbone
Fungsi dasar diagram Fishbone (Tulang Ikan) adalah untuk mengidentifikasi dan mengorganisasi penyebab-penyebab yang mungkin timbul dari suatu efek spesifik dan kemudian memisahkan akar penyebabnya . Sering dijumpai orang mengatakan “penyebab yang mungkin” dan dalam kebanyakan kasus harus menguji apakah penyebab untuk hipotesa adalah nyata, dan apakah memperbesar atau menguranginya akan memberikan hasil yang diinginkan.
Dengan adanya diagram Fishbone ini sebenarnya memberi banyak sekali keuntungan bagi dunia bisnis. Selain memecahkan masalah kualitas yang menjadi perhatian penting perusahaan. Masalah – masalah klasik lainnya juga terselesaikan.
Masalah – masalah klasik yang ada di industri manufaktur khusunya antara lain adalah : a) keterlambatan proses produksi, b) tingkat deffect (cacat) produk yang tinggi, c) mesin produksi yang sering mengalami trouble, d) output lini produksi yang tidak stabil yang berakibat kacaunya plan produksi, e) produktivitas yang tidak mencapai target, f) complain pelanggan yang terus berulang.
Namun, pada dasarnya diagram Fishbone dapat dipergunakan untuk kebutuhan-kebutuhan berikut : a) Membantu mengidentifikasi akar penyebab dari suatu masalah, b) Membantu membangkitkan ide-ide untuk solusi suatu masalah, c) Membantu dalam penyelidikan atau pencarian fakta lebih lanjut, d)
Mengidentifikasi tindakan (bagaimana) untuk menciptakan hasil yang diinginkan, e) Membahas issue secara lengkap dan rapi, f) Menghasilkan pemikiran baru. Jadi ditemukannya diagram Fishbone memberikan kemudahan dan menjadi bagian penting bagi penyelesaian masalah yang mucul bagi perusahaan.
Penerapan diagram Fishbone dapat menolong kita untuk dapat menemukan akar “penyebab” terjadinya masalah khususnya di industri manufaktur dimana prosesnya terkenal dengan banyaknya ragam variabel yang berpotensi menyebabkan munculnya permasalahan. Apabila “masalah” dan “penyebab” sudah diketahui secara pasti, maka tindakan dan langkah perbaikan akan lebih mudah dilakukan. Dengan diagram ini, semuanya menjadi lebih jelas dan memungkinkan kita untuk dapat melihat semua kemungkinan “penyebab” dan mencari “akar”
permasalahan sebenarnya.
Apabila ingin menggunakan Diagram Fishbone , kita terlebih dahulu harus melihat, di departemen, divisi dan jenis usaha apa diagram ini digunakan.
Perbedaan departemen, divisi dan jenis usaha juga akan mempengaruhi sebab – sebab yang berpengaruh signifikan terhadap masalah yang mempengaruhi kualitas yang nantinya akan digunakan.
2.10.2 Cara Membuat Diagram Fishbone
Dalam hal melakukan Analisis Fishbone, ada beberapa tahapan yang harus dilakukan, yakni 1). Menyiapkan sesi analisa tulang ikan. 2). Mengidentifikasi akibat atau masalah. 3). Mengidentifikasi berbagai kategori sebab utama. 4).
Menemukan sebab-sebab potensial dengan cara sumbang saran. 5). Mengkaji kembali setiap kategori sebab utama. 6). Mencapai kesepakatan atas sebab-sebab yang paling mungkin.
Cara yang lain dalam menyusun Diagram Fishbone dalam rangka mengidentifikasi penyebab suatu keadaan yang tidak diharap adalah sebagai berikut:
Mulai dengan pernyataan masalah-masalah utama penting dan mendesak untuk diselesaikan. Tuliskan pernyataan masalah itu pada kepala ikan, yang merupakan akibat (effect).
Tulislah pada sisi sebelah kanan dari kertas (kepala ikan), kemudian gambarkan tulang belakang dari kiri ke kanan dan tempatkan pernyataan masalah itu dalam kotak.
Tuliskan faktor-faktor penyebab utama (sebab-sebab) yang mempengaruhi masalah kualitas sebagai tulang besar, juga ditempatkan dalam kotak. Faktor- faktor penyebab atau kategori-kategori utama dapat dikembangkan melalui Stratifikasi ke dalam pengelompokan dari faktor-faktor: manusia, mesin, peralatan, material, metode kerja, lingkungan kerja, pengukuran, dll.
Atau stratifikasi melalui langkah-langkah aktual dalam proses. Faktor –faktor penyebab atau kategori-kategori dapat dikembangkan melalui brainstorming.
Berikut beberapa pendekatan yang bisa dijadikan panduan untuk merumuskan faktor-faktor utama dalam mengawali pembuatan Diagram Cause and Effect : a) Pendekatan The 4 M’s (digunakan untuk perusahaan manufaktur). Faktor-
faktor utama yang bisa dijadikan acuan menurut pendekatan ini adalah 1) Machine (Equipment), 2) Method (Process/Inspection), 3) Material (Raw, Consumables dll.), 4) Man power.
b) Pendekatan The 8 P’s (digunakan pada industri jasa). Menurut pendekatan ini, ada setidaknya 8 hal yang bisa dijadikan acuan sebagai faktor utama antara lain 1) People, 2) Process, 3) Policies, 4) Procedures, 5) Price, 6) Promotion, 7) Place/Plant, 8) Product
c) PendekatanThe 4 S’s (digunakan pada industri jasa). Pendekatan ini memberikan acuan 4 faktor utama antara lain 1) Surroundings, 2) Suppliers, 3) Systems, 4) Skills.
d) Pendekatan 4 P (pendekatan manajemen pemasaran). Pendekatan yang menggunakan perspektif manajemen pemasaran untuk memberikan faktor utama yang bisa dijadikan acuan yakni 1) Price, 2) Product 3) Place, 4) Promotion
Tuliskan penyebab-penyebab sekunder yang mempengaruhi penyebab- penyebab utama (tulang-tulang besar), serta penyebab-penyebab sekunder itu dinyatakan sebagai tulang-tulang berukuran sedang.
Tuliskan penyebab-penyebab tersier yang mempengaruhi penyebab-penyebab sekunder (tulang-tulang berukuran sedang), serta penyebab-penyebab tersier itu dinyatakan sebagai tulang-tulang berukuran kecil.
Tentukan item-item yang penting dari setiap faktor dan tandailah faktor-faktor penting tertentu yang kelihatannya memiliki pengaruh nyata terhadap karakteristik kualitas. Untuk mengetahui faktor-faktor penyebab dari suatu masalah yang sedang dikaji kita dapat mengembangkan pertanyaan-pertanyaan berikut : Apakah penyebab itu? Mengapa kondisi atau penyebab itu terjadi?
Bertanya “Mengapa” beberapa kali (konsep five whys) sampai ditemukan penyebab yang cukup spesifik untuk diambil tindakan peningkatan. Penyebab- penyebab spesifik itu yang dimasukkan atau dicatat ke dalam diagram sebab- akibat.
2.11 Teori Root Cause and Failure Analysis (RCFA)
Root Cause and Failure Analysis (RCFA) adalah kegiatan penggalian dan pengumpulan informasi untuk mencari akar penyebab masalah (Failure Cause) dari suatu mode kegagalan peralatan.
Kegiatan RCFA bertujuan untuk menghasilkan akar penyebab permasalahan secara pasti dari suatu mode kagagalan / failure mode peralatan dan menentukan Failure Defense Task (FDT) yang tepat untuk mencegah terulangnya kembali permasalahan tersebut. Kegagalan sebagaimana dimaksud diatas dapat berupa :
a) Chronic Problem (permasalahan peralatan yang terjadi berulang dan belum diketahui akar penyebabnya)
b) Permasalahan peralatan yang berpotensi mengakibatkan unit trip/derating dan gagal start.
c) Kelanjutan dari workshop Failure Mode and Effect Analysis (FMEA) dimana tidak diketahui secara pasti penyebab dari failure mode suatu topik peralatan.
d) Kelanjutan dari temuan/identifikasi terjadinya penurunan ketersediaan, kehandalan dan efisiensi unit dimana belum diketahui akar penyebabnya.
e) Kelanjutan dari temuan/identifikasi bidang Predictive Maintenance dimana hasil dari evaluasi teknologi yang dimiliki (vibrasi, thermography, motor current signature analysis dan tribology).
Pelaksanaan RCFA dilakukan dalam bentuk workshop dimana bidang Enjiniring sebagai fasilitator dengan menghadirkan berbagai pihak yang terkait secara langsung seperti operator yang biasa mengoperasikan, teknisi Pemeliharaan yang biasa memperbaikinya namun bisa juga menghadirkan pakar yang kompeten.
Bahkan bisa jadi harus dilakukan uji laboratorium untuk menetukan root cause.
Indikator keberhasilan dari aktivitas RCFA dapat diukur melalui FDT effectiveness, yang ditunjukkan dengan Mean Time Between Failure (MTBF) menjadi lebih lama, presentase chronic problem mengalami penurunan dan kondisi peralatan menjadi lebih sehat.
2.12 Simulasi CPFD
Seiring dengan bertambahnya kebutuhan listrik di Indonesia telah mendorong pertumbuhan proyekproyek PLTU di berbagai wilayah Indonesia.
Sampai tahun 2015 kapasitas terpasang pembangkit listrik Jawa Bali di dominasi oleh PLTU (sebesar 58,3%) yang menggunakan batu-bara sebagai bahan bakar.
Pembakaran batubara yang dilakukan di dalam furnace dengan teknologi gasifikasi diklaim sebagai teknologi pembakaran batubara yang bersih dan efisien. Pada awal abad ke-21, teknologi gasifikasi diperkirakan akan mengeluarkan 99% lebih sedikit sulfur dioksida (SO2) dan abu terbang,kurang dari 90% nitrogen oksida (NOx), dapat menurunkan emisi karbon dioksida (CO2) sekitar 35–40%, buangan padat sekitar 40–50% dan menghasilkan penghematan biaya daya 10–20% dari pada PLTU-batubara masa kini.
PLTU-batubara menggunakan tenaga uap yang dibangkitkan oleh boiler (ketel uap) untuk menggerakkan generator listrik. Boiler yang paling banyak digunakan saat ini adalah jenis circulating fluidized bed (CFB). Pembakaran yang terjadi di CFB telah memanfaatkan proses fluidizing. CFB boiler memanfaatkan inersia termal dari material yang sengaja dimasukkan kedalam furnace/reactor, yang disebut sebagai bed materials yang biasanya berupa partikel pasir yang dikategorikan sebagai partikel B dalam klasifikasi Geldart . Partikel pasir ini
merupakan material yang paling banyak jumlahnya di dalam sebuah CFB boiler, dimana bahan bakar dalam sistem hanya sekitar 1-3% berat dari semua benda padat dalam fluidized bed. Partikel-partikel bed material inilah yang menyebabkan terjadinya pembakaran batubara secara kontinyu dan menyebabkan terdistribusinya temperatur dalam furnace secara merata.
Salah satu metode yang dapat digunakan untuk membantu dalam proses desain dari CFB boiler adalah metode numeris, dimana geometri CFB dimodelkan menjadi mesh kemudian dengan memanfaatkan governing equation yang memadai dan memasukkan kondisi batas serta kondisi awal perhitungan dapat diselesaikan.
Governing equation diantaranya adalah persamaan kontinuitas danmNavier-Stokes yang membutuhkan waktu lamamuntuk diselesaikan secara analitis terutama untukmgeometri-geometri yang kompleks. Namun denganmseiring perkembangan komputer, persamaan inimdengan cepat dapat diselesaikan. Metode yangmsekarang lebih terkenal dengan sebutan Computational Fluid Dynamic (CFD).
Banyak studi yang telah memanfaatkan CFD dalam analisa fluidized bed.
Namun, permodelan dengan menggunakan CFD memiliki kelemahan yang diantaranya adalah tidak mampu memodelkan distribusi ukuran partikel. Padahal particle size distribution (PSD) merupakan suatu parameter yang penting untuk beberapa kasus dimana terjadi segregasi spesies partikel yang berbeda atau attrition dari partikel.
Bed material dalam kondisi hidrodinamis dapat diberikan penambahan atau pengurangan kecepatan udara superfisial yang disemburkan untuk memfluidisasi. Kondisi hidrodinamis dari CFB boiler menjadi sesuatu yang perlu dikaji dimana CFB hanya berfungsi dalam kondisi hidrodinamis, yang disebut sebagai fast bed. Fast bed hanya terjadi pada kecepatan udara superfisial tertentu dan hanya dapat divalidasi melalui eksperimen. Hanya saja, metode eksperimental dapat menghabiskan banyak biaya dan membutuhkan waktu relatif lama. Oleh karena itu, pengujian hidrodinamis CFB boiler lebih menguntungkan jika dilakukan dengan metode komputasi numeris. Kajian ini menggunakan metode komputasi
numeris dengan pendekatan multiphase particle-in-cell (MP-PIC) yang disimulasikan de-- ngan software CPFD (Computational Particle Fluid Dynamics).
Disisi lain, keberadaan material yang berupa partikel partikel dengan kecepatan tinggi ini telah menyebabkan masalah pemeliharaan terutama akibat erosi dinding boiler dan/atau korosi. Erosi pada CFB boiler biasanya terjadi pada daerah daerah kritis seperti furnace, cyclone dan sealpot. Kajian ini dapat juga digunakan untuk menentukan lokasi terjadinya erosi dalam CFB akibat pergerakan relatif partikel-partikel terutama pasir terhadap dinding-dinding refractory. Lokasi terjadinya erosi yang direpresen-tasikan oleh kecepatan aliran partikel pada dinding refractory.
Simulasi CPFD adalah simulasi dimana pergerakan partikel solid dan fluida sama-sama bersifat dominan. Simulasi CPFD lebih sesuai untuk analisa aliran di boiler CFB karena fraksi partikel cukup besar dan dapat mempengaruhi aliran fluida. Metodologi simulasi CPFD menggunakan pendekatan Eulerian- Lagrangian untuk menjelaskan aliran gas-solid dalam tiga dimensi. Fasa gas dijelaskan sebagai suatu fasa kontinyu yang dipasangkan dengan diskrit fasa solid dalam persamaan masa dan momentum. Sebagaimana fasa gas dan solid adalah isotermal dan fasa gas adalah inkompresibel, maka tidak diperlukan persamaan energi fluida rata-rata volume. Dalam CPFD, konsep partikel numerik dikenalkan dengan pendekatan yang sama dengan kontrol volume numerik dengan sifat fluida yang biasa. Fasa solid dimodelkan sebagai sel numerik dengan masing-masing mengandung sejumlah sifat partikel yang sama (spesies, densitas, ukuran, dan seterusnya) pada lokasi yang sama. Medan aliran fasa gas dan solid dihitung dengan persamaan governing terpisah.
