BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Pengertian Boiler
Menurut Djokosetyardjo (2003), boiler atau ketel uap 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.
Secara proses konversi energi, boiler memiliki fungsi untuk mengkonversi
energi kimia yang tersimpan di dalam bahan bakar menjadi energi panas yang
tertransfer ke fluida kerja.
Boiler yang digunakan di PT. Toba Pulp Lestari, Tbk ada 2 yaitu
Multi Fuel Boiler dan Recovery Boiler. Multi Fuel Boiler ini menggunakan
bahan bakar fiber, cangkang sawit dan kulit kayu sedangkan Recovery Boiler
menggunakan bahan bakar limbah hasil pengolahan pulp. Boiler yang akan
saya teliti adalah Multi Fuel Boiler.
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 system 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
Air yang disuplai ke boiler untuk dirubah menjadi steam disebut air umpan.
Dua sumber air umpan adalah:
1. Kondensat atau steam yang mengembun yang kembali ke proses.
2. Air make up (air baku yang sudah diolah) yang harus diumpankan dari luar
ruang boiler ke plant proses.
2.2. Prinsip Kerja Boiler
Boiler adalah bejana tertutup dimana panas pembakaran dipindahkan
ke air sampai terbentuk uap. Uap 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, volumenya akan meningkat sekitar
1.600 kali.
Sistem boiler terdiri dari : sistem air umpan, sistem uap dan sistem
bahan bakar. Sistem air umpan menyediakan air untuk boiler secara
otomatis sesuai dengan kebutuhan steam. Berbagai valve 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 uap diatur
menggunakan valve 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 dirubah menjadi uap disebut air
umpan. Dua sumber air umpan adalah: kondensat atau steam yang mengembun
yang kembali dari proses dan make uap water (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.
yang telah diproses di alirkan menggunakan pompa ke deaerator tank
hingga pada level yang sudah ditentukan. Pemanasan dalam deaerator
adalah dengan menggunakan uap sisa yang berasal dari hasil pemutaran
turbin. Dalam hal ini terdapat beberapa tahap sirkulasi steam untuk
pemanasan awal deaerator
2.3. Klasifikasi Boiler
Berbagai bentuk boiler telah berkembang mengikuti kemajuan
teknologi dan evaluasi dari produk-produk boiler sebelumnya yang
dipengaruhi oleh gas buang boiler yang mempengaruhi lingkungan dan
produk uap seperti apa yang akan dihasilkan.
Berdasarkan fluida yang mengalir didalamnya :
a) Ketel uap pipa api
Tipe ketel uap api memiliki karakteristik : menghasilkan kapasitas
dan tekanan uap yang rendah.
Cara kerja : proses pengapian terjadi didalam pipa, kemudian panas yang
dihasilkan dihantarkan langsung kedalam boiler yang berisi air. Besar dan
konstruksi ketel uap mempengaruhi kapasitas dan tekanan yang dihasilkan
ketel uap tersebut.
Gambar 2.1 Ketel uap pipa api
b) Ketel uap pipa air
Tipe ketel uap air memiliki karakteristik : menghasilkan kapasitas dan
tekanan steam yang tinggi.
Cara kerja : proses pengapian terjadi diluar pipa, kemudian panas yang
dihasilkan memanaskan pipa yang berisi air dan sebelumnya air tersebut
dikondisikan terlebih dahulu melalui economizer, kemudian uap yang
dihasilkan terlebih dahulu dikumpulkan di dalam sebuah drum uap. Sampai
tekanan dan temperatur sesuai, melalui tahap secondary superheater
dan primary superheater baru uap dilepaskan ke pipa utama distribusi.
Didalam pipa air, air yang mengalir harus dikondisikan terhadap mineral atau
kandungan lainnya yang larut.
Gambar 2.2 Ketel uap pipa air
(Sumbe
2.4. Komponen Boiler
Komponen sistem boiler terdiri dari komponen utama dan
komponen bantu yang masing-masing memiliki fungsi untuk menyokong
Gambar 2.3 Bagian-bagian boiler
(Sumber :
Komponen utama ketel uap terdiri dari:
a. Pembakar
Pembakar (burner) adalah alat yang digunakan untuk mencampur
bahan bakar dan udara. Caranya adalah dengan menyemprotkan kedalam
ruang dapur melalui mulut-mulut pembakar atau brander, sedangkan udara
dimasukkan lewat sekeliling mulut pembakar tersebut. Ada beberapa macam
sistem brender tergantung pada sistem pengabutannya, yaitu sistem pengabut
uap/udara dan sistem pengabut tekan. Pada sistem pengabut uap/udara
caranya adalah uap/udara dipancarkan melalui mulut pembakar (brender) dan
akibat dari pancaran ini minyak akan terisap.
b. Pipa Evaporator
Pipa evaporator merupakan pipa – pipa yang berfungsi sebagai pipa
penguapan yaitu merubah air menjadi uap, pipa evaporator terletak
disepanjang dinding ketel mengelilingi alat pembakar (Furnace).
c. Ruang bakar
Ruang bakar (furnace) adalah dapur penerima panas bahan bakar
bakar dan yang sekelilingnya adalah pipa-pipa air ketel yang menempel pada
dinding ruang pembakaran yang menerima panas dari bahan bakar secara
radiasi, konveksi, konduksi.
Gambar 2.4 Ruang Bakar Sumber : PT. Toba Pulp Lestari,Tbk
d. Drum
Drum merupakan tempat menampung air dari economizer
sekaligus sebagai pemisah uap dan air. Pada konstruksi sebuah boiler
terdapat 2 buah drum yakni drum uap dan drum lumpur. Drum uap
berfungsi untuk menampung uap hasil dari sirkulasi. Drum lumpur
merupakan drum yang posisinya di bawah drum uap dan berfungsi sebagai
pengumpul air panas yang akan didistribusikan ke dalam wall tube.
Gambar 2.5 Steam Drum Sumber : PT. Toba Pulp Lestari,Tbk
e. Pemanas lanjut
Pemanas lanjut (superheater) adalah bagian-bagian ketel yang berfungsi
f. Pemanas udara
Pemanas udara (air heater) adalah alat pemanas udara penghembus
bahan bakar. Flue gas yang masih memiliki panas yang tinggi dapat
digunakan untuk memanaskan udara pembakaran didalam air heater.
Gambar 2.6 Air Heater Sumber : PT. Toba Pulp Lestari,Tbk
g. Dust collector
Dust collector adalah alat pengumpul abu atau penangkap abu pada
sepanjang aliran gas pembakaran bahan bakar sampai kepada gas buang.
Gambar 2.7 Dust Collector Sumber : PT. Toba Pulp Lestari,Tbk
h. Soot blower
Soot blower adalah alat yang berfungsi sebagai pembersih jelaga
atau abu yang menempel pada pipa-pipa.
Sedangkan untuk komponen bantu dalam sistem ketel uap antara lain:
1) Air pengisi ketel (boiler feed water)
Air pengisi ketel didapatkan dari 2 sumber yaitu: air condensate, didapatkan
dari hasil pengembunan uap bekas yang telah digunakan sebagai pemanas
dan kemudian dialirkan ke station boiler sebagai air umpan pengisi ketel
dengan persyaratan Ph: 8,5, Iron (ppm) : 0,002, Oxygen (ppm) : 0,02.
Gambar 2.8 Feed Water Tank Sumber : PT. Toba Pulp Lestari,Tbk
2) Dearator
Merupakan pemanas air sebelum dipompa kedalam ketel sebagai air
pengisian. Media pemanas adalah exhaust steam pada tekanan ± 1 kg/cm2
dengan suhu ± 150°C, sehingga didapatkan air pengisian ketel yang bersuhu
antara 100°C-105°C. Fungsi utamanya adalah menghilangkan oksigen (O2)
dan untuk menghindari terjadinya karat pada dinding ketel.
Gambar 2.9 Dearator Tank Sumber : PT. Toba Pulp Lestari,Tbk
3) Boiler feed water pump
Berfungsi untuk melayani kebutuhan air pengisi ketel yang dijadikan
uap, sampai dengan kapasitas ketel yang maksimum, sehingga ketel uap akan
dapat bekerja dengan aman. Kapasitas pompa harus lebih tinggi dari
kapasitas ketel, minimum 1,25 kali, tekanan pompa juga harus lebih tinggi
Gambar 2.10 Boiler Feed Pump Sumber : PT. Toba Pulp Lestari,Tbk
4) Secondary Fan
Merupakan alat bantu ketel yang berfungsi sebagai penyuplai udara
untuk menyempurnakan proses pembakaran.
Gambar 2.11 Secondary Air Fan Sumber : PT. Toba Pulp Lestari,Tbk
5) Induced Draft Fan (I.D.F)
Induced Draft Fan berfungsi sebagai penghisap gas asap hasil
pembakaran bahan bakar.
6) Force Draft Fan (F.D.F)
Dalam ruang pembakaran pertama, udara pembakaran ditiupkan oleh
blower penghebus udara (forced draft fan) melalui kisi-kisi bagian bawah
dapur (fire grates/under roaster).
Gambar 2.13 Primary Air Fan Sumber : PT. Toba Pulp Lestari,Tbk
7) Cerobong asap (Chimney)
Berfungsi untuk membuang udara sisa pembakaran. Diameter
cerobong berkisar berukuran 10 m dan tinggi cerobong 80 m, ini berbeda
setiap industri.
Gambar 2.14 Cerobong Asap Sumber : PT. Toba Pulp Lestari,Tbk
8) Ash Conveyor
Merupakan alat pembawa atau pengangkut abu dari sisa-sisa
pembakaran bahan bakar, baik yang dari rangka bakar (fire grate) ataupun
juga dari alat-alat pengumpul abu (dust collector), untuk dibuang dan
diteruskan ke kolam penampungan dan ini biasanya digunakan sebagai
Gambar 2.15 Ash Convenyor dan Penampungan Ash Sumber : PT. Toba Pulp Lestari,Tbk
Alat Pengaman Ketel Uap
1. Katup Pengaman (Safety Valve)
Alat ini bekerja membuang uap pada tekanan yang telah ditentukan
sesuai dengan penyetelan klep pada alat ini. Penyetelan hanya dilakukan
bersama hanya dengan petugas BPNKK (Badan Pembina Normal
Keselamatan Kerja) setelah adanya pemeriksaan berkala atau revisi besar.
Gambar 2.16 Savety Valve Sumber : PT. Toba Pulp Lestari,Tbk
2. Gelas Penduga (Sight Glass)
Gelas penduga adalah alat untuk melihat tinggi air didalam drum
Agar tidak terjadi penyumbatan-penyumbatan pada kran-kran uap dan air
pada alat ini, maka perlu diadakan spui air secara priodik pada semua kran
minimal setiap 3 (tiga) jam. Gelas penduga ini dilengkapi dengan alat
pengontrol air otomatis, bel akan berbunyi dan lampu merah akan menyala
pada waktu kekurangan air. Pada waktu kekurangan air, bell akan
berbunyi dan lampu kuning akan hidup.
Gambar 2.17 Gelas Penduga Sumber : PT. Toba Pulp Lestari,Tbk
3. Keran Blow Down
Keran blow down (blow down valve) berfungsi untuk membuang kotoran
berupa lumpur atau endapan yang tidak terlarut (total dissolved solid) dari
dalam ketel.
Gambar 2.18 Blow Down Valve Sumber : PT. Toba Pulp Lestari,Tbk
4. Pengukur Tekanan (Manometer)
Manometer adalah alat pengukur tekanan uap di dalam ketel yang
untuk tekan uap basah. Untuk menguji kebenaran penunjuk alat ini, pada
setiap manometer di pasang kran cabang tiga yang digunakan untuk
memasang manometer panera (manometer tera).
Gambar 2.19 Manometer Sumber : PT. Toba Pulp Lestari,Tbk
5. Kran Uap Induk
Kran uap induk berfungsi sebagai alat untuk membuka dan
menutup aliran uap keluar ketel yang terpasang pada pipa induk. Alat ini
dibuat dari bahan tahan panas dan tekanan tinggi.
6. Kran Pemasukan Air
Kran pemasukan air terdiri 2 (dua) buah kran yaitu satu buah kran
ulir dan satu buah lagi kran arah (non return valve). Kedua alat ini terbuat
dari bahan yang tahan panas dan tekanan tinggi.
Gambar 2.20 Kran pemasukan air Sumber : PT. Toba Pulp Lestari,Tbk
7. Panel Utama (Main Panel)
Panel Utama (Main Panel) berfungsi sebagai pengontrol atau alat
Gambar 2.21 Panel Utama Sumber : PT. Toba Pulp Lestari,Tbk
2.5. Bahan Bakar
Sistem boiler terdiri dari sistem air umpan, sistem steam, dan sistem
bahan bakar. Pada bagian ini, yang akan dibahas lebih lanjut adalah sistem
bahan bakar. Bahan bakar (fuel) adalah segala bahan yang dapat dibakar
(Ir.Syamsir A : 146). Bahan bakar dibakar untuk menghasilkan panas (kalor).
Bahan bakar hanya dapat terbakar bila sudah cukup panas. Proses
pembakaran merupakan proses kimia antara bahan bakar, udara dan panas.
Proses pembakaran yang terjadi di dalam ruang bakar ketel (boiler) bertujuan
untuk merubah air menjadi uap.
Pengetahuan mengenai sifat bahan bakar membantu dalam memilih
bahan bakar yang benar untuk keperluan yang benar dan untuk penggunaan
bahan bakar yang efisien. Uji laboratorium biasanya digunakan untuk
mengkaji sifat dan kualitas bahan bakar. Jadi untuk melakukan pembakaran
diperlukan dua unsur, yaitu :
a. Bahan bakar
b. Oksigen
Berbagai jenis bahan bakar (seperti bahan bakar cair, padat, dan gas)
yang tersedia tergantung pada berbagai faktor seperti biaya, ketersediaan,
penyimpanan, handling, dan lain-lain.
1) Bahan bakar padat
Bahan bakar padat yang terdapat dibumi kita ini berasal dari zat-zat
organik. Bahan bakar padat mengandung unsur-unsur antara lain : Zat arang
asam atau Oksigen (O) Abu dan Air yang kesemuanya itu terikat dalam satu
persenyawaan kimia.
2) Bahan bakar cair
Bahan bakar cair berasal dari minyak bumi. Minyak bumi didapat dari
dalam tanah dengan jalan mengebornya pada ladang-ladang minyak, dan
memompanya sampai ke atas permukaan bumi, untuk selanjutnya diolah lebih
lanjut menjadi berbagai jenis minyak bakar.
3) Bahan bakar gas
Didalam tanah banyak terkandung : Gas Bumi (Petrol Gas) atau sering
disebut pula dengan gas alam, yang timbul pada saat proses pembentukan
minyak bumi, gas tambang, dan gas rawa CH4 (Methane). Seperti halnya
dengan minyak bumi, gas alam tersebut diperoleh dengan jalan pengeboran
dari dalam tanah, baik di daratan maupun pada lepas pantai terhadap
lokasi-lokasi yang diduga terdapat kandungan gas alam.
Bahan bakar yang digunakan untuk Multi Fuel Boiler ini adalah
limbah dari Proses Persiapan Kayu (Wood Preparation) yaitu kulit kayu.
Namun kulit kayu tersebut tidak mencukupi untuk proses produksi uap di
boiler, sehingga perusahaan membeli cangkang sawit dari Pabrik Kelapa
Sawit. Dan juga, karena dipengaruhi oleh nilai ekonomis, yaitu harga
cangkang sawit yang cukup mahal, maka perusahaan mencampur bahan bakar
tersebut dengan fiber sawit yang juga di beli dari Pabrik Kelapa Sawit.
Sehingga Multi Fuel Boiler ini menggunakan 3 macam bahan bakar, yaitu:
fiber, cangkang sawit dan kulit kayu.
Gambar 2.23 Cangkang yang telah dihaluskan Sumber : PT. Toba Pulp Lestari,Tbk
Gambar 2.24 Kulit kayu yang telah dihaluskan Sumber : PT. Toba Pulp Lestari,Tbk
2.6. Siklus Rankine
Siklus Rankine adalah siklus teoritis yang mendasari siklus kerja dari
suatu pembangkit daya uap. Siklus Rankine berbeda dengan siklus-siklus
udara ditinjau dari fluida kerjanya yang mengalami perubahan fase selama
siklus pada saat evaporasi dan kondensasi, oleh karena itu fluida kerja untuk
siklus Rankine harus merupakan uap. Siklus Rankine ideal tidak melibatkan
beberapa masalah irreversibilitas internal. Irreversibilitas internal dihasilkan
dari gesekan fluida, throttling, dan pencampuran, yang paling penting adalah
irreversibilitas dalam turbin dan pompa dan kerugian-kerugian tekanan dalam
penukar-penukar panas, pipa-pipa, bengkokan-bengkokan, dan katup-katup.
Temperatur air sedikit meningkat selama proses kompresi isentropik karena
ada penurunan kecil dari volume jenis air, air masuk boiler sebagai cairan
kompresi pada kondisi 2 dan meninggalkan boiler sebagai uap kering pada
panas dari pembakaran gas, reaktor nuklir atau sumber yang lain ditransfer
secara esensial ke air pada tekanan konstan. Uap superheater pada kondisi ke
3 masuk ke turbin yang mana uap diexpansikan secara isentropik dan
menghasilkan kerja oleh putaran poros yang dihubungkan pada generator
lisrik. Temperatur dan tekanan uap jatuh selama proses ini mencapai titik 4,
dimana uap masuk ke kondensor dan pada kondisi ini uap biasanya
merupakan campuran cairan-uap jenuh dengan kualitas tinggi.
Uap dikondensasikan pada tekanan konstan di dalam kondensor yang
merupakan alat penukar kalor mengeluarkan panas ke medium pendingin.
Gambar 2.25 Bagan alir siklus Rankine sederhana
Sumber : Cengel
Gambar 2.26 Diagram T-s siklus Rankine sederhana
Salah satu modifikasi dari siklus Rankine dapat dilihat pada gambar berikut :
Gambar 2.27 Diagram alir siklus Rankine dengan satu tingkat ekstraksi
Uap panas lanjut dari ketel memasuki turbin, setelah melalui beberapa
tingkatan sudu turbin, sebagian uap diekstraksikan ke deaerator, sedangkan
sisanya masuk ke kondensor dan dikondensasikan didalam kondensor.
Selanjutnya air dari kondensor dipompakan ke deaerator juga. Di dalam
deaerator, uap yang berasal dari turbin yang berupa uap basah bercampur
dengan air yang berasal dari kondensor. Kemudian dari deaerator dipompakan
kembali ke ketel, dari ketel ini air yang sudah menjadi uap kering dialirkan
kembali lewat turbin.
Tujuan uap diekstraksikan ke deaerator adalah untuk membuang
gas-gas yang tidak terkondensasi sehingga pemanasan pada ketel dapat
berlangsung efektif, mencegah korosi pada ketel, dan meningkatkan efisiensi
siklus. Untuk mempermudah penganalisaan siklus termodinamika ini,
proses-proses tersebut di atas disederhanakan dalam bentuk diagram berikut :
2.7. Metode Pengkajian Efisiensi Boiler
Metode yang digunakan untuk menyelesaikan permasalahan pada
skripsi ini adalah metode langsung. Secara umum skripsi ini akan membahas
analisa nilai kalor bahan bakar dan perhitungan efisiensi boiler.
Efisiensi adalah suatu tingkatan kemampuan kerja dari suatu alat.
Sedangkan efisiensi pada boiler atau ketel uap yang didapatkan dari
perbandingan antara energi yang dipindahkan atau diserap oleh fluida kerja
didalam ketel dengan masukan energi kimia dari bahan bakar.
Terdapat dua metode pengkajian efisiensi boiler :
1) Metode Langsung
Energi yang didapat dari fluida kerja (air dan steam) dibandingkan dengan
energi yang terkandung dalam bahan bakar boiler. Metodologi ini dikenal juga
sebagai, metode input-output’ karena kenyataan bahwa metode ini hanya
memerlukan keluaran/output (steam) dan panas masuk/input (bahan bakar)
untuk evaluasi efisiensi. (Ir. Syamsir A. Muin, Pesawat-pesawat konversi 1
(Ketel Uap) 1988:223).
Keuntungan metode langsung
a) Pekerja pabrik dapat dengan cepat mengevaluasi efisiensi boiler
b) Memerlukan sedikit parameter untuk perhitungan
c) Memerlukan sedikit instrumen untuk pemantauan
Kerugian metode langsung
a) Tidak memberikan petunjuk kepada operator tentang penyebab dari
efisiensi sistem yang lebih rendah
b) Tidak menghitung berbagai kehilangan yang berpengaruh pada berbagai
tingkat efisiensi
2) Metode Tidak Langsung
Efisiensi merupakan perbedaan antar kehilangan dan energi masuk.
Metodologi Standar acuan untuk Uji Boiler di tempat dengan menggunakan
metode tidak langsung adalah British Standard, BS 845:1987 dan USA Standard
ASME PTC-4-1 Power Test Code Steam Generating Units.
Metode tidak langsung juga dikenal dengan metode kehilangan panas. Efisiensi
dapat dihitung dengan mengurangkan bagian kehilangan panas dari 100 sebagai
berikut:
Efisiensi boiler (n) = 100 - (i + ii + iii + iv + v + vi + vii)
Dimana kehilangan yang terjadi dalam boiler adalah kehilangan panas yang
diakibatkan oleh:
i. Gas cerobong yang kering
ii. Penguapan air yang terbentuk karena H2 dalam bahan bakar
iii. Penguapan kadar air dalam bahan bakar
iv. Adanya kadar air dalam udara pembakaran
v. Bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu terbang/ fly ash
vi. Bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu bawah/ bottom ash
vii. Radiasi dan kehilangan lain yang tidak terhitung
Kehilangan yang diakibatkan oleh kadar air dalam bahan bakar dan yang
disebabkan oleh pembakaran hidrogen tergantung pada bahan bakar, dan tidak
Data yang diperlukan untuk perhitungan efisiensi boiler dengan menggunakan
metode tidak langsung adalah:
a) Analisis ultimate bahan bakar (H₂, O₂, S, C, kadar air, kadar abu)
b) Persentase oksigen atau CO₂ dalam gas buang
c) Suhu gas buang dalam °C (Tf)
d) Suhu awal dalam °C (Ta) dan kelembaban udara dalam kg/kg udara kering
e) LHV bahan bakar dalam kkal/kg
f) Persentase bahan yang dapat terbakar dalam abu (untuk bahan bakar padat)
g) LHV abu dalam kkal/kg (untuk bahan bakar padat)
Keuntungan metode tidak langsung
Dapat diketahui neraca bahan dan energi yang lengkap untuk setiap aliran,
yang dapat memudahkan dalam mengidentifikasi opsi-opsi untuk meningkatkan
efisiensi boiler.
Kerugian metode tidak langsung a) Perlu waktu lama
b) Memerlukan fasilitas laboratorium untuk analisis.
Untuk penyusunan skripsi ini penulis menganalisa dengan metode
langsung, dimana penulis mengambil data secara langsung dilapangan
meliputi :
• Steam pressure superheater (bar)
• Temperatur feed tank (°C)
• Temperatur daerator (°C) • Temperatur out let steam (°C) • Steam flow (ton uap/jam)
2.8. Proses Pembentukan Uap
Sebagai fliuda kerja di ketel uap, umumnya digunakan air (H₂O) karena
bersifat ekonomis, mudah di peroleh, tersedia dalam jumlah yang banyak, serta
mempuyai kandungan entalpi yang cukup tinggi bila dibandingkan dengan fluida
Penguapan adalah proses terjadinya perubahan fasa dari cairan menjadi
uap. Apabila panas diberikan pada air, maka suhu air akan naik. Naiknya suhu air
akan meningkatkan kecepatan gerak molekul air. Jika panas terus bertambah
secara perlahan-lahan, maka kecepatan gerak air akan semakin meningkat pula,
hingga sampai pada suatu titik dimana molekul-molekul air akan mampu
melepaskan diri dari lingkungannya (100°C) pada tekanan 1[kg/cm²], maka air
secara berangsur-angsur akan berubah fasa menjadi uap dan hal inilah yang
disebut sebagai penguapan. Proses perubahan fasa air menjadi uap dapat
digambarkan pada diagram T-S seperti gambar dibawah:
Gambar 2.29 Diagram T-S
Keterangan:
1-2 : Pipa-pipa evaporator pipa penguap
2-3 : Pipa-pipa superheater
1-3 : Proses pemanasan air dan uap pada ketel uap
2.9. Nilai Kalor (Heating Value)
Nilai kalor merupakan energi kalor yang dilepaskan bahan bakar
pada waktu terjadinya oksidasi unsur-unsur kimia yang ada pada bahan bakar
tersebut. Bahan bakar adalah zat kimia yang apabila direaksikan dengan
oksigen (O₂) akan menghasilkan sejumlah kalor. Bahan bakar dapat
berwujud gas, cair, maupun padat. Selain itu, bahan bakar merupakan
suatu senyawa yang tersusun atas beberapa unsur seperti karbon (C),
hidrogen (H), belerang (S), dan nitrogen (N). Kualitas bahan bakar
Kemampuan bahan bakar untuk menghasilkan energi ini sangat ditentukan
oleh nilai bahan bakar yang didefinisikan sebagai jumlah energi yang
dihasilkan pada proses pembakaran per satuan massa atau persatuan volume
bahan bakar. Nilai pembakaran ditentukan oleh komposisi kandungan unsur di
dalam bahan bakar.
Dikenal dua jenis pembakaran, Culp. Archie W, “Prinsip-prinsip
Konversi Energi”, Penerjemah Darwin Sitompul Erlangga, 1996:46 yaitu:
1. Nilai Kalor Pembakaran Tinggi
Nilai kalor pembakaran tinggi atau juga dikenal dengan istilah
High Heating Value (HHV) adalah nilai pembakaran dimana panas
pengembunan air dari proses pembakaran ikut diperhitungkan sebagai
panas dari proses pembakaran.
Dirumuskan dengan:
HHV = 33950C + 144200 (H2 - O2/8) + 9400S kj/kg
2. Nilai Kalor Pembakaran Rendah
Nilai kalor pembakaran rendah atau juga dikenal dengan istilah Low
Heating Value (LHV) adalah nilai pembakaran dimana panas pengembunan
uap air dari hasil pembakaran tidak ikut dihitung sebagai panas dari proses
pembakaran.
Dirumuskan dengan:
LHV = HHV - 2400 (M + 9H2) kj/kg
2.10. Kebutuhan Udara Pembakaran
Kebutuhan udara pembakaran didefinisikan sebagai kebutuhan
oksigen yang diperlukan untuk pembakaran 1 kg bahan bakar secara
sempurna yang meliputi :
a. Kebutuhan udara teoritis (Ut) :
Ut = 11,5 C + 34,5 (H-O/8) + 4,32 S kg/kgBB
b. Kebutuhan udara pembakaran sebenarnya/aktual (Us) :
2.11. Gas Asap
Reaksi pembakaran akan menghasilkan gas baru, udara lebih dari
sejumlah energi. Senyawa-senyawa yang merupakan hasil dari reaksi
pembakaran disebut gas asap.
a. Berat gas asap teoritis (Gt)
Gt = Ut + (1-A) kg/kgBB
Dimana A = kandungan abu dalam bahan bakar (ash)
Gas asap yang terjadi terdiri dari:
Hasil reaksi atas pembakaran unsur-unsur bahan bakar dengan O₂ dari udara seperti CO₂, H₂ O, SO₂
Unsur N₂ dari udara yang tidak ikut bereaksi
Sisa kelebihan udara
Dari reaksi pembakaran sebelumnya diketahui:
1 kg C menghasilkan 3,66 kg CO₂
1 kg S menghasilkan 1,996 kg SO₂
1 kg H menghasilkan 8,9836 kg H₂ O
Maka untuk menghitung berat gas asap pembakran perlu dihitung
dulu masing-masing komponen gas asap tersebut (Ir. Syamsir A. Muin,
Pesawat-pesawat konversi 1 (Ketel Uap) 1988:196):
Berat CO₂ = 3,66 C kg/kg
Berat SO₂ = 2 S kg/kg
Berat H₂O = 9 H2 kg/kg
Berat N₂ = 77% Us kg/kg
Berat O₂ = 23% 20% Ut
Dari perhitungan di atas maka akan didapatkan jumlah gas asap:
Berat gas asap (Gs) = W CO₂ + W SO₂ + W H₂ O + W N₂ + W O₂
Atau
b. Berat gas asap sebenarnya (Gs)
Gs = Us + (1-A) kg/kgBB
Untuk menetukan komposisi dari gas asap didapatkan:
2.12. Volume Gas Asap
Jumlah oksigen adalah 21% jumlah udara pembakaran. Jadi:V(O₂) = 21%
(Va) act ; belum termaksud oksigen yang dikandung dalam bahan bakar.
Oksigen yang terdapat dalam bahan bakar tergantung persentasenya.
Dengan demikian maka volume gas asap basah adalah :
Dimana :
Vg = Volume gas asap (m3/kgBB)
C = Nilai carbon bahan bakar
S = Nilai Sulfur bahan bakar
H₂ = Nilai Hidrogen bahan bakar
2.13. Perhitungan Efisiensi Boiler
Daya guna (efisiensi) boiler adalah perbandingan antara konsumsi panas
dengan suplai panas (Ir. Syamsir A. Muin, Pesawat-pesawat konversi 1 (Ketel
Uap) 1988:223).
Keterangan: = kapasitas produksi uap ( kg uap/jam )
= konsumsi bahan bakar ( kg/jam )
= entalpi uap ( kJ/kg )
= entalpi air umpan/pengisi ketel ( kJ/kg )
