PENGELOLAAN ENERGI
PERMASALAHAN PADA LAPISAN PERPINDAHAN PANAS
BOILER
By:
YAHDI AKBAR
23012306
JURUSAN TEKNIK KIMIA
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
Institut Teknologi Bandung
2014
PERMASALAHAN PADA LAPISAN PERPINDAHAN PANAS
BOILER
I. Pendahuluan
Salah satu masalah utama pada boiler adalah terjadinya pembentukan deposit dan kerak pada permukaan perpindahan panasnya. Keberadaan deposit dan kerak pada permukaan perpindahan panas akan menurunkan kapasitas penyerapan panasnya. Penurunan ini ditandai dengan naiknya temperatur flue gas, sehingga akan menyebabkan terjadinya penurunan produksi steam dan efisiensi boiler. Deposit dapat berasal dari pembentukan jelaga, abu pembakaran dari bahan bakar padat maupun cair, dan pembakaran tidak sempurna bahan bakar, sedangkan pembentukan kerak disebabkan oleh kondisi air yang tidak bagus. Permasalahan pembentukan deposit ini dapat disebut sebagai slagging dan fouling. Gambar 1 memperlihatkan slagging.
Gambar 1. Slagging
Slagging terjadi pada bagian terdingin boiler. Pada permukaan tersebut, inorganik volatil kondensat akan menempel dan membentuk deposit. Selain itu, partikel-partikel yang meleleh, akan mengalami pendinginan dan juga membentuk deposit pada permukaan terdingin boiler. Seiring berjalannya waktu, deposit ini akan semakin tebal dan akan mengisolasi proses perpidahan panas dari flue gas ke air atau steam di dalam tube. Temperatur air atau steam yang rendah (pada permukaan deposit padatan) akan menyebabkan terjadinya perpindahan panas ke permukaan tersebut, sehingga temperaturnya suatu saat akan mencapai temperatur leleh dan melelehkan sebagian deposit. Proses
berlangsung secara bertahap-tahap. Keberadaan partikel abu dan partikel kecil lainnya, akan terus menerus meningkatkan ketebalan dari deposit, sehingga pada suatu saat deposit tersebut akan semakin berat dan melebihi berat dari tube (pada deposit). Sedangkan fouling adalah akumulasi partikel pada permukaan aliran keluar flue gas, yaitu alirah flue gas yang melewati permukaan superheater, reheater dan aliran pipa penguapan. Gambar 2 memperlihatkan fouling pada permukaan perpindahan panas heat exchange pada boiler sisi gas.
Gambar 2. Fouling
Permasalahan kerak yang terjadi akibat kualitas air yang tidak bagus disebut sebagai scalling. Pengotor air seperti kalsium (Ca), Magnesium (Mg), dan silika (Si) yang hampir ada di semua jenis air akan mengendap pada temperatur tinggi dan membentuk lapisan mantel yang tebal pada bagian sisi air dari tube boiler. Lapisan inilah yang disebut sebagai scale atau kerak.
Kerak pada umumnya memiliki konduktivitas termal yang rendah. Walaupun lapisannya cukup tipis, kerak sangat efektif mengisolasi dan memperlambat proses perpindahan panas. Pada water tube boiler, keberadan kerak akan menyebabkan permukaan pipa menjadi kasar dan menghambat laju aliran air. Permasalahan lain yang ditimbulkan oleh kerak adalah terjadinya kenaikan temperatur logam tube. Peristiwa ini terjadi akibat temperatur pada sisi air lebih rendah (panas dihambat oleh scale), sehingga panas akan berperpindahan menuju temperatur yang lebih rendah. Akibatnya adalah logam akan mengalami overheating dan akan mengalami kerusakan. Penurunan efisien boiler juga akan terjadi akibat adanya scale. Pada umumnya, penurunannya berkisar 2% untuk
water tube boiler dan 5% untuk fire tube boiler. Gambar 3 merupakan scaling pada water tube boiler.
Gambar 3. Scaling pada water tube boiler
II. Slagging dan Fouling II.1. Pembentukan Deposit
Pembentukan deposit dapat terjadi akibat peleburan material mineral/logam (padatan) disebut sebagai pembentukan slag dan akibat akumulasi partikel mineral/logam (padatan) disebut sebagai pembentukan fouling. Pada umumnya proses pembentukan slag terjadi pada temperatur melebihi 800-1000oC, bergantung kepada bahan bakarnya. Pembentukannya terjadi dengan sangat cepat, sekitar satu menit atau satu jam.
Sedangkan pembentukan deposit pada permukaan superheater, reheater dan pipa penguapan (fouling) terjadi pada temperatur kurang dari 1000-1100oC. Prosesnya lebih lambat dibandingkan dengan pembentukan slag, dan cendrung memakan waktu beberapa hari. Proses pembentukan deposit ini hanya disebabkan oleh senyawa yang memiliki suhu leleh yang rendah, khususnya logam alkali. Selain menyebabkan menurunnya proses penyerapan panas, deposit fouling juga menyebabkan meningkatkan pressure drop pada aliran flue gas. Kondisi ini selanjutnya akan meningkatkan laju alir flue gas dan menyebabkan terjadinya proses overheating pada bagian tube heat exchange.
Secara umum proses pembentukan deposit (slagging maupun fouling) merupakan phenomena yang komplek. Proses tersebut terjadi sangat bergantung kepada karakteristik dari abu, rancangan, dan kondisi operasi dari boiler atau combustor.
II.2. Pengaruh Sifat Bahan Bakar terhadap Slagging dan Fouling
Deposit pada permukaan tube sisi api, sebagian besar terdiri dari senyawa oksida in-organik, seperti silika, alamunium, besi, sulfur dan juga senyawa alkali seperti kalium, potasium, dan natrium. Lapisan pertama (antara tube dan deposit), pada umumnya tersusun oleh berbagai macam besi-oksida yang terbentuk akibat reaksi logam tube dan udara di sekitarnya.
Selama pembakaran, senyawa anoraganik dan kadang-kadang organik yang ada pada bahan bakar akan terlepas dalam bentuk residu atau abu. Residu ini dapat berupa vapor, cairan (melting), ataupun padatan, tergantung kepada temperatur pembakaran. Saat ini, sebagian besar boiler dibangun dalam bentuk bubbling (BFB) atau sirkulasi (CFB) unggun. Material unggun dapat berupa pasir. Material unggun ini dapat menyerap residu tergantung dari ukuran partikel yang diserap. Salah satu perbedaan antara bahan bakar biomassa dan fosil adalah kandungan metal alkali pada biomassa lebih besar dari pada fosil. Metal alkali seperti kalium (K) dan natrium (Na) memiliki titik leleh dan temperatur penguapan lebih rendah di bandingkan dengan material anorganik lainnya. Kondisi ini menyebabkan senyawa anorganik tersebut mudah menempel pada tube boiler. Inilah salah satu yang menyebabkan permasalahan fouling pada penggunaan bahan bakar biomassa.
Bahan bakar biomassa, contohnya kayu memiliki komposisi yang sangat tidak homogen, dan kadang-kadang mengandung material klorin (Cl), seng (Zn), dan timbal (Pb). Elemen ini akan bereaksi dengan metal alkali membentuk kalium klorida (KCL) yang memiliki dua kerugian utama, yaitu: titik leleh yang rendah (± 500oC) dan sangat korosif.
Saat ini, telah berkembang teknik mencampurkan biomassa dengan unsur tertentuk untuk mendapatkan kondisi pembakaran yang lebih bagus. Unsur tersebut berupa Al, Si dan S yang dapat menjerap logam alkali dan mencegah terjadinya reaksi pembentukan kalium klorida. Unsur tersebut secara alami terdapat pada batu bara, sehingga akan sangat baik jika menggunakan bahan bakar campuran biomassa dan batu bara. Keberadaan sulfur (S) juga akan memberikan efek terhadap pembentukan KCl. Sulfur akan bereaksi dengan
kalium membentuk K2SO4 yang memiliki titik leleh 900oC dan mencegah reaksi
pembentukan KCl.
II.3. Prediksi Pembentukan Deposit
Pembentukan deposit pada permukaan perpindahan panas dapat diprediksi dengan beberapa metode, yaitu:
1. Metode pendekatan empirik
Metode pendekatan empirik merupakan metode yang paling sederhana yang menggunakan data Slagging dan fouling indeks. Indeks ini menggunakan data sepesifikasi bahan bakar, komposisi kimia dan temperatur leleh abu yang digunakan setiap hari. Metode ini relatif lebih sederhada yang digunakan oleh perancang dan operator. Metode ini dapat dibangun dari dua macam data, yaitu: (1) Pelelehan abu dan (2) Pengendapan abu
2. Metode Mekanistik
Metode ini menggunakan model yang menjelaskan tentang proses pembakaran dan proses lain yang terjadi di dalam combustor dan boiler. Diagram skema yang menjelaskan pendekatan pembangunan model pada metode mekanistik dapat dilihat pada Gambar
II.4. Pembersihan Deposit
Peralatan yang digunakan dalam pembersihan deposit (abu dan slag) adalah sootblower. Media pembersihannya dapat berupa saturated steam , superheated steam, udara atau air bertekanan. Pada sebagian besar kasus, superheated steam merupakan media cleaning yang paling sering digunakan karena dia memiliki efek pembersihan yang lebih tinggi dan sifat erosi yang lebih rendah jika dibandingkan dengan saturated steam. Pada boiler yang berukuran besar, media cleaning yang sering digunakan adalah udara bertekanan. Sedangkan penggunaan air, lebih efektif digunakan dari pada steam pada deposit yang tidak terlalu tebal.
III. Kerak (Scalling)
III.1. Faktor Penyebab terbentuknya Scale (kerak)
Pembentukan kerak pada lapisan perpindahan panas sisi air disebabkan oleh beberapa faktor, yaitu:
1. Konsentrasi silika, calsium dan magnesium 2. Alkalinitas air
3. Temperatur operasi yang tinggi 4. Konsentrasi padatan (TDS) yang tinggi 5. Pengaturan blowdown yang tidak sesuai 6. Rendahnya resirkulasi kondensat
Ketika faktor tersebut berubah, maka kecendrungan pembentukan kerak juga berubah. Masing-masing faktor tersebut memiliki sifat dan kecendrungan yang berbeda-beda. Contohnya sebagian besar garam akan mudah larut pada temperatur tinggi, namum beberapa garam seperi kalsium karbonate (CaCO3)
semakin tidak larut pada temperatur tinggi. Selain itu, penaikan pH atau alkalinity akan menyebabkan garam-garam seperti kalsium karbonat semakin tidak larut di dalam air dan akan menyebabkan pembentukan kerak pada dinging pipa. Namun penurunan alkalinitas akan menyebabkan terjadinya permasalah lain, yaitu material seperti silika (SiO2) menjadi tidak larut. Kondisi inilah yang
menyebabkan harus adanya treament air, baik di dalam maupun di luar boiler.
III.2. Efek Kerak terhadap Konsumsi Energi dan Pengontrolannya
Salah satu efek kerak adalah menyebabkan semakin meningkatnya konsumsi energi. Rule of thumb, pembentukan satu milimeter kerak akan menyebakan kenaikan konsumsi energi dua persen. Hal ini disebabkan, karena semakin menurunnya laju perpindahan panas pada boiler. Hal ini dapat dilihat pada
Gambar I. Dari Gambar I merupakan grafik untuk mengkoreksi nilai perpindahan panas akibat pembentukan kerak. Semakin tebal kerak, maka nilai faktor pengali koreksi akan semakin besar pula. Tabel I memperlihatkan efek konsumsi energi yang terjadi akibat pembentukan kerak di boiler.
Gambar 1: Efek ketebalan kerak terhadap penurunan perpindahan panas Tabel : Efek kerak terhadap konsumsi energi
Pembentukan kerak pada boiler merupakan hal yang tidak diinginkan. Cara yang baik jika berhubungan dengan kerak adalah jangan pernah membiarkan kerak terbentuk dari awal. Ada beberapa cara yang dapat dilakukan jika berhubungan dengan kerak, yaitu:
1. Eksternal pretreatmen dari air make-up boiler. Peralatan yang digunakan pada umumnya adalah softener, dealkalizer, demineralizer dan reverse osmosis. Peralatan ini berguna untuk menghilangkan mineral-mineral yang menyebabkan terjadinya kerak
Normal High iron Iron plus silika
1/64 1,0 1,6 3,5
1/32 2,0 3,1 7,0
3/64 3,0 4,7
-1/16 4,0 6,2
-Tipe kerak
Persen kehilangan energi bahan bakar Ketebalan
2. Internal pretreatmen yang diilakukan dengan memasukkan senyawa kimia ke air umpan boiler agar senyawa penyebab pembentukan kerak dapat larut dengan air.
3. Melakukan blowdown dengan baik. Pada saat blowdown, lapisan kerak yang terbentuk akan ‘dicuci’ dengan cara mengeluarkan aliran air dari tube. Hal ini dilakukan agar mineral penyebab kerak tidak menumpuk dan membentuk lapisan yang lebih tebal. Namun blowdown juga harus dilakukan dengan baik, agar pengeluaran air tidak menyebabkan terjadi penurunan efisiensi energi yang signifikan. Selain itu, blowdown juga berfungsi untuk mengeluarkan sludge internal treatmen dapat dikeluarkan.
4. Penggunaan kondensat yang masih bagus. Kondensat steam masih murni dan tidak terkontaminasi oleh garam-garam, atau senyawa impuritis lainnya yang dapat menyebabkan kerak.
IV. Daftar Pustaka
Sandberg Jan, Fouling in Biomass Fired Boilers, Department of Public Technology.
Malardalen: Malardalen University Press., 2007.
Stam AF., Livingston W.R., Cremers M.F.G., Brem G., Review of models and tools and fooling prediction for biomass co combustion, University of Twente, Arhem Netherlands, 2009.
www.PDHcenter.com
