BAB II LANDASAN DASAR TEORI

BAB II

LANDASAN DASAR TEORI

2.1 Pengertian Boiler

Boiler adalah bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan ke air sampai terbentuk air panas atau steam. Air panas atau steam pada tekanan tertentu kemudian digunakan untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Air adalah media yang berguna dan murah untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Jika air di didihkan sampai menjadi steam, volumenya akan meningkat sekitar 1.600 kali, menghasilkan tenaga yang menyerupai bubuk mesiu yang mudah meledak, sehingga boiler merupakan peralatan yang harus di kelola dan dijaga dengan sangat baik. Sistem boiler terdiri dari: sistem air umpan, sistem steam dan sistem bahan bakar. Sistem air umpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai dengan kebutuhan steam. Berbagai kran disediakan untuk keperluan perawatan dan perbaikan.

Sistem steam mengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalam boiler.

Steam dialirkan melalui sistem pemipaan ke titik pengguna. Pada keseluruhan sistem, tekanan steam diatur menggunakan kran dan dipantau dengan alat pemantau tekanan. Sistem bahan bakar adalah semua peralatan yang digunakan untuk menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan.

Peralatan yang diperlukan pada sistem bahan bakar tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan pada sistem. Air yang disuplai ke boiler untuk dirubah menjadi steam disebut air umpan. Dua sumber air umpan adalah:

- Kondensat atau steam yang mengembun yang kembali dari proses dan - Air makeup (air baku yang sudah diolah) yang harus diumpankan dari luar

ruang boiler dan plant proses.

Untuk mendapatkan efisiensi boiler yang lebih tinggi, digunakan economizer untuk memanaskan awal air umpan menggunakan limbah panas pada gas buang.

2.2 Bagian Umum Ketel Uap

2.2.1 Pengertian Badan Ketel Uap (boiler body)

Badan ketel berbentuk silindris dengan pipa-pipa api atau pipa-pipa air. Badan ketel berfungsi sebagai penampung air dan uap. Air di panaskan dengan cara perpindahan panas secara radiasi, konveksi maupun konduksi dari panas pembakaran bahan bakar didalam dapur.

2.2.2 Pengertian Dapur atau lorong api (furnace)

Dapur terdiri dari peralatan pembakaran dan ruang pembakaran. Tipe peralatan pembakaran tergantung jenis bahan bakarnya. Bahan bakarnya berupa

cair, gas, limbah kayu, ampas kelapa sawit atau tebu, black liquid atau memanfaatkan panas bakar motor diesel, dapur tinggi dan lain-lain.

2.2.3 Perlengkapan Ketel Uap

a. Pedoman tekanan (pressure gauge) b. Katup pengaman (safety valve) c. Pompa air masuk (feed water pump)

d. Peralatan buangan air (blow out water equipment/blow down) e. Ventilasi udara (air ventilation)

f. Sistem kontrol otomatis (automatic control system) g. Cerobong asap (stack-smoke duct)

h. Ekonomiser (economizer) i. Pemanas udara (air heater) j. Pengolahan air (water treatment) k. Pemanas uap lanjut (superheater)

l. Peralatan perpindahan bahan bakar (fuel transfer equipment) m. Peralatan penimbun abu

n. Penangkap debu (dust collector)

o. Peralatan pengurai gas belerang (desulfurelite equipment) p. Peniup jelaga (soot blower)

q. Pesawat pelepas udara air pengisi ketel (deaerator) r. Gelas pedoman

s. Desuperheater

t. Peralatan bakar/pengopakan

2.3 Kapasitas Ketel Uap

Kapasitas ketel uap adalah banyaknya uap yang dihasilkan dalam kg/jam pada Maximum Continue Evaporation Rate (MCR). Ada 2 (dua) jenis kapasitas, yaitu kapasitas equivalent (equivalent evaporation/GE) dan kapasitas sebenarnya (actual evaporation/G).

GE = G (h2 – h1) / 539, kg/jam

dimana :

G = kapasitas sebenarnya, kg/jam

h1 = entalpi feed water, Kkal/kg

h2 = entalpi jenis uap, Kkal/kg

Panas penguapan air = 539 Kkal/kg pada 100 ⁰C

Contoh 1.

Tekanan uap = 10 kg/cm² (tekanan pada manometer) Tempratur air masuk (feed water) = 30 ⁰C (entalpi feed water = 30 Kkal/kg)

Uap yang dihasilkan = 3000 kg/jam (dryness 0,98)

Entalpi jenis uap (h2) = 185,654 + (478,09 x 0,98) = 654,2 Kkal/kg (didapat dari tabel uap JSME)

GE = 3000 kg/jam (654,2 Kkal/kg – 30 Kkal/kg) / 539 Kkal/jam

= 3474,21 kg/jam (kapasitas equivalent)

Contoh 2.

Uap yang dihasilkan = 5000 kg/jam

Tekanan uap = 10 kg/cm² (tekanan pada manometer)

Temperatur feed water = 20 ⁰C

Dryness = 0,995

Entalpi jenis uap = 185,654 + (478,09) x 0,995 = 660,42 Kkal/kg

(didapat dari tabel uap JSME)

GE = 5000 kg/jam (660,42 Kkal – 20 Kkal/kg) /539 Kkal/kg

= 5940,86 kg/jam (kapasitas equivalent)

2.4 Jenis-jenis ketel uap pipa air

Ketel uap pipa air tersusun dari pipa-pipa dalam jumlah yang banyak, dipasang pada drum penampang uap/air berbentuk silindris serta dibagian bawah dipasang pada header. Pada ketel uap jenis ini, air terdapat di dalam pipa-pipa, sedangkan gas panas beredar mengitari pipa-pipa itu. Jadi bidang panas (LP) ketel uap ini terdapat di luar pipa atau bidang yang dipanaskan terdapat di dalam pipa.

Ketel uap pipa air mempunyai keunggulan dan kekurangan, yaitu:

a. Mempunyai tekanan dan kapasitas yang besar.

b. Pipa-pipa airnya menerima panas radiasi yang kuat, sehingga di dalam pipa-pipa airnya terjadi penguapan yang cepat.

c. Jika aliran uap dan air berhenti atau jika di dalam pipa-pipa air hanya terdapat uap akan terjadi overheating (panas yang berlebihan).

Penggunaan uap dengan tekanan dan temperatur yang tinggi sangat menguntungkan dalam usaha mencapai randemen yang tinggi dari instalasi keseluruhannya. Oleh karena itu dengan terccapainya randemen yang tinggi, pemakaian uap dan pemakaian bahan bakar spesifik menjadi berkurang. Masih ada keuntungan lainnya yaitu bahwa berat ketel uap untuk kapasitas ketel uap yang besar dan sangat besar adalah relatif kecil, isi bagian luar dari ketel uap adalah kecil dan hanya memerlukan luas lantai yang kecil.

Gambar 2.4.1 Bagian-bagian Ketel Uap Pipa Air

(Sumber : Yoshiyuki Fukuzawa, 1988)

Karakteristik ketel uap pipa air:

a) Dapat digunakan untuk kapasitas besar.

b) Furnance atau dapur dapat di desain sesuai dengan yang diinginkan untuk mendapatkan pembakaran yang sempurna.

c) Dapat dibuat luas pembakaran yang lebih besar untuk ukuran furnance yang lebih kecil sesuai dengan tipe burner.

d) Karena luas permukaan air yang kecil, maka dapat menghasilkan uap setelah start, ± 20 menit.

e) Kualitas air pengisi (feed water) harus benar-benar bersih selama pengoperasian.

2.4.1 Sirkulasi air ketel uap

Dipandang dari cara sirkulasi air, ketel uap pipa air dapat dibagi dalam:

a. Ketel uap sirkulasi alam (natural circulation method)

Metoda sirkulasi alam pada ketel uap ini terjadi karena adanya perbedaan densitas dari air dan uap. Pada gambar 2.6.1 digambarkan suatu ruang uap dan pipa air A-B-C. Bagian B-C dipanaskan. Didalam pipa terjadi suatu campuran uap dan air yang mengalir melalui bagian C-A keruang uap. Didalam ruang uap dimasukkan sejumlah massa air pengisi yang sama besarnya dengan massa uap yang dikeluarkan. Melalui bagian A-B air turun ke luas pemanasan (LP), jadi selama ketel digunakan terjadi peredaran air menurut anak panah. Adanya aliran dikarenakan oleh selisih tekanan dan selisih tekanan ini terjadi karena adanya selisih densitas dari campuran uap-air di bagian B-C dan air di bagian A-B.

C A

Campuran uap-air

Air pengisi

Pemasukkan panas Air H

B

Gambar 2.4.2 Sirkulasi Alam

b. Ketel uap sirkulasi buatan atau peredaran paksa (forced circulation method)

Ketel uap dengan sirkulasi alam akan mengalami kesulitan dalam sirkulasinya bila dioperasikan pada tekanan uap yang tinggi karena adanya perbedaan specific gravity yang semakin mengecil. Untuk mengatasi hal ini maka digunakan pompa

sirkulasi. Pompa sirkulasi dipasang pada sirkuitsirkulasi air ketel. Sistem ketel ini digunakan untuk pemakain dengan tekanan tinggi.

Pada sirkulasi buatan, air ditekan dengan kecepatan tinggi melalui pipa-pipa air oleh suatu pompa. Dengan ini maka muatan ketel (hasil uap tiap m² LP) dapat ditingkatkan, akan tetapi untuk keperluan ini diperlukan muatan ruang pembakaran yang tinggi. Pada muatan ruang pembakaran yang tinggi temperaturnya berkisar 1300 ⁰C s/d 1400 ⁰C. Batu tahan api atau refractory yang tidak sesuai tidak akan tahan terhadap temperatur yang tinggi ini. Oleh karena itu dinding-dinding ruang pembakaran di dindingkan oleh pipa air yang merupakan bagian dari LP ketel dan merupakan penunjang pada dinding. Dengan membuat

ketel dengan sirkulasi buatan/peredaran paksa, maka ukuran drum dan pipa-pipa air dapat diperkecil, sedangkan tekanan kerja dan produksi uap ketel lebih tinggi.

Dengan tekanan tinggi diartikan sebagai ketel dengan tekanan kerja lebih dari 100 kg/cm². Konstruksi ketel-ketel ini terutama terdiri dari sejumlah pipa air kecil, dinding dapur yang disalut dengan pipa-pipa air dan drum uap. Sirkulasi air dilakukan dengan menggunakan pompa.

feed water inlet economizer

super heater

steam out let

water tube

combustion chamber

circulation pump

Gambar 2.4.3 siklus aliran sirkulasi buatan

c. Ketel uap dimana air ketel langsung diuapkan/tanpa sirkulasi (once through boiler)

Once through boiler disebut juga dengan ketel uap tekanan tinggi dan yang dikenal antara lain adalah: ketel uap benson dan ketel uap sulger. One through boiler tersusun dari pipa-pipa coil. Air pengisi masuk ke dalam pipa dengan

menggunakan pompa menuju pre heater, evaporator, superheater kemudian uap air dikeluarkan dari bagian pipa yang lain.

Gambar 2.4.4 Siklus aliran sirkulasi buatan dan Ketel uap sirkulasi buatan

(Sumber : Yoshiyuki Fukuzawa, 1988)

Karakteristik:

a) Ketel uap digunakan untuk tekanan dan kapasitas tinggi, karena ketel ini tidak menggunakan drum, tetapi hanya pipa-pipa ketel (boiler tube).

b) Ketel uap di desain rapi dan kompak, karena itu dapat diatur untuk berbagai bentuk.

c) Kapasitas air ketel perluas pemanasan terlalu kecil, sehingga waktu untuk start terlalu pendek (take a time ± 5-10 minutes).

d) Jika beban ketel uap berubah dalam jangka waktu yang singkat, akan membuat kapasitas ketel uap naik turun. Ketel uap memerlukan air dengan segera, dapat diatur dengan pompa dan sistem kontrol otomatis.

e) Air ketel uap akan di uapkan didalam pipa ketel (boiler tube). Kualitas air ketel uap harus di jaga benar-benar bersih dan baik sesuai dengan tabel kualitas air.

2.5 Dasar-dasar Pengoperasian Ketel Uap

2.5.1 Dasar-dasar Penanganan

Yang harus diperhatikan operator selama mengoperasikan ketel uap:

- Operator harus dapat melayani secara benar pengoperasian ketel uap sesuai petunjuk ketentuan dari pabrik pembuat atau peraturan yang berlaku dan mencegah terjadinya kecelakaan, setidak-tidaknya memperkecil kecelakaan.

- Operator harus mengetahui tentang pembakaran secara menyeluruh untuk mencegah polusi seperti polusi udara akibat dari gas buang disamping

- Untuk mengoperasikan dan melayani ketel uap harus dilakukan oleh operator yang mempunyai pengetahuan dan keterampilan yang cukup tentang pekerjaan pengoperasian sehingga umur ketel dapat bertahan lebih lama.

Pengoperasian ketel uap pada prinsipnya merupakan suatu peristiwa pembakaran bahan bakar yang sempurna di dalam dapur/tungku yang menghasilkan panas secara efektif, dimana panas dipindahkan ke dalam air yang berada di dalam ketel kemudian menghasilkan air panas dan uap.

Pembakaran yang tidak sempurna dapat menyebebkan peledakan dan dapat buruk bagi ketel uapnya, disamping itu juga pembakaran tidak sempurna menghasilkan uap yang jelek pula. Operator dalam melayani ketel harus secara benar sesuai dengan petunjuk atau aturan yang berlaku untuk mencegah terjadinya kemungkinan kecelakaan-kecelakaan tersebut, karena itu mengoperasikan dan merawat ketel dengan benar merupakan hal yang sangat penting.

Dalam setiap ingin mengerjakan sesuatu dalam hal ini mengoperasikan ketel uap, dengan dirinya selalu di dahului dengan rencana-rencana persiapan dan pelaksanaan serta di akhiri diperoleh hasil yang di harapkan.

2.5.2 Schedule atau Jadwal Pengontrolan Ketel Uap

(1) Jadwal 1 tahun

Jadwal perawatan

(2) Jadwal perawatan rutin

- Pedoman tekanan, gelas pedoman air, katup pengaman, katup pembebas, peralatan pembuangan air ketel

- Fungsi kontrol otomatis, pipa penghubung

- Peralatan pembakaran, nosel pembakar, mangkok penyemprot bahan bakar untuk pembakar putar, elektroda pengapian

- Katup shut dwon bahan bakar minyak, pompa bahan bakar

- Pompa air pengisi, tangki air pengisi, tempat zat-zat kimia untuk treatment air

- Tangki penimbun bahan bakar, tangki servis, pompa transfer, ventilator, damper, bane, filter dan bearing.

2.5.3 Pengukuran

- Pedoman tekanan uap, aliran uap, temperatur uap

- Gelas pedoman ketinggian air, pembuangan air ketel

- Jumlah air pengisi, temperatur air pengisi, tekanan air pengisi, temperatur air kondesat

- Kondisi air pengisi, dosis zat-zat kimia

- Pemakaian bahan bakar minyak, temperatur bahan bakar minyak, tekanan bahan bakar minyak, tekanan gas

- Temperatur gas buang, jumlah udara, ventilasi, % O2 atau % CO2, penunjuk asap

2.5.4 Buku Harian Ketel Uap

Buku catatan harian adalah semua kegiatan selama ketel uap di operasikan, apabila terjadi masalah atau kerusakan di catat, dan di cari sebab kerusakan/masalah tersebut jika hal serupa terulangi dapat dengan segera di atasi.

2.6 Pemeriksaan Sebelum Pengoperasian Ketel Uap

Untuk ketel uap baru atau lama tidak di pakai atau setelah dibersihkan atau di reperasi, perlu pemeriksaan dengan baik-baik sehingga didapatkan keyakinan bahwa bagian-bagian yang dibersihkan dengan baik dan semua pintu, lobang untuk pembersihan/pemerikasaan telah di pasang kembali dan di teliti apabila pintu-pintu tersebut telah menutup dengan baik.

2.6.1 Pemeriksaan Bagian Dalam Ketel

Periksa bagian dalam ketel, tutup semua penutup dan pintu, periksa air pengisi dan uji hidrostatik (tidak perlu dilakukan setiap waktu).

2.6.2 Pemeriksaan Dapur dan Saluran Gas Buang

Periksa bagian dalam dapur, periksa peralatan dapur dan periksa peralatan pada saluran gas buang.

2.6.3 Pemeriksaan Tambahan

Switch tekanan, pengukur level air, katup pengaman, peralatan blow down, katup air pengisi, katup utama penghentikan uap dan katup ventilasi udara.

2.6.4 Pemeriksaan Peralatan Kontrol Otomatis

Periksa sirkuit listrik dan panel kontrol, periksa pemipaan (piping), periksa katup kontrol pada mekanisme penanganan, periksa transmitter level air (tidak dapat diperiksa setiap hari, hanya bila dilakukan overhaul). Untuk pemeriksaan setiap hari hanya dilihat dari luar.

2.6.5 Pemeriksaan Peralatan Tambahan

a. Periksa peralatan air pengisi

b. Periksa peralatan pengolahan air pengisi (deoxigen, water softener, chemical).

- Peralatan deoxigen.

- Peralatan ion exhange (ion exchanger, resin, hardness check).

- Peralatan treatment dengan zat-zat kimia.

c. Pemeriksaan peralatan pembakaran

- Periksa peralatan pembakaran dengan bahan bakar minyak.

- Periksa peralatan pembakaran dengan bahan bakar gas.

- Periksa peralatan pembakaran dengan bahan bakar batubara. Hand firing (fire grate) atau rangka bakar/panggangan.

- Periksa peralatan pembakaran dengan batubara serbuk.

- Periksa peralatan ventilasi damper.

2.7 Perhitungan Heat Loss

Hilang panas dari non-insulated surface

 Temperatur permukaan (Ts)

 Temperatur udara luar (Ta)

 Luas area perpindahan panas (A)

 Kecepatan udara (v) Heat loss dari radiasi

Dengan :

Qr : heat loss dari radiasi (SI) A : luas area perpindahan panas (SI)

Ts : temperatur permukaan (Celcius), [Celcius = 9/4 x ^oC + 491.67]

Ta _: temperatur udara luar (Celcius)

e : Emissivitas bahan permukaan (dimensionless)

Heat loss dari natural convection (kecepatan udara = 1 m/s)

Dengan:

Q_c : heat loss dari natural convection (SI) D : diameter pipa atau tangki (SI)

Heat loss from natural convection for wind velocity of 15 m/h Pertama, tentukan kecepatan massa udara :

Dengan r adalah densitas udara (0.075 lb/ft³ atau 1.2 kg/m³) dan v adalah kecepatan dalam satuan setara dengan satuan densitas. Kemudian tentukan heat transfer coefficient

Dengan, c adalah heat transfer coefficient udara (0.24 Btu/ft².^oF), [Btu/ft².^oF = 20.44 kJ/m².h.^oC]. Akhirnya, gunakan koefisien ini untuk menghitung heat loss secara konveksi.

Total heat loss

Total heat loss adalah penjumlahan dari loss secara radiasi (point 1) dan konvensi (point 2 atau 3)

In SI, [SI = 1.055 kJ]

Heat loss from insulated surface

Data yang diperlukan:

 Diameter pipa atau tangki

 Tebal Insulasi

 Temperatur didalam pipa atau tangki (T_i )

 Temperatur udara (Ta)

 Heat transfer coefficient fluida didalam pipa atau tangki (hi )

 Thermal conductivity pipa atau tangki (k₁)

 Thermal conductivity insulasi (k2) Heat loss dapat dihitung dengan rumus :

In Btu/h Sekarang, untuk menentukan U :

Dengan : r1 adalah jari-jari dalam pipa, r2 adalah jari2 luar pipa, dan r3 adalah jari- jari luar insulasi (semua dalam ft).

ho adalah total heat transfer coefficient udara dan heat transfer dari radiasi. Heat transfer coefficient udara approx. 7.94 Btu/h.ft².^oF dan heat transfer dari radiasi is 1 Btu/ h.ft².^oF. Jadi , h_o kira-kira setara dengan 8.94 Btu/ h.ft².^oF.