BAB VIII Tugas Khusus
Penghematan Biaya Bahan Bakar Boiler Dengan Menggunakan Metode Isolasi Pada Pipa
Pada Boiler Hitachi PT. Pura Nusapersada 8.1.Pengertian Boiler
PT Pura Nusapersada merupakan pabrik yang bergerak di bidang produksi kertas. Hal yang mendukung dalam proses pembuatan kertas adalah Steam / Uap Air. Steam digunakan untuk mengeringkan kertas yang memiliki nilai moisture masih tinggi. Moisture sendiri adalah kandungan air dalam kertas.
Setiap mesin produksi Paper Mill 7 maupun Paper Mill 8 pasti terdapat bagian yang disebut dengan Dryer / pengering. Dalam prakteknya terdapat tiga dryer group. Steam dari boiler yang dihasilkan akan dialirkan melalui pipa utama menuju mesin Paper Mill 7/8 . Selanjutnya pada pipa utama tersebut akan dibagi- bagi menuju ke tiap silinder pada dryer group. Melalui silinder dryyer yang mana bagian dalam silinder dryer akan dialiri Steam dengan Preasure/Tekanan tertentu sehingga permukaan dari Silinder Dryer akan panas dan kertas yang dilewatkan pada permukaan silinder Dryer akan berkurang nilai moisturenya. Perinsipnya sama seperti mengeringkan kertas dengan menggunakan setrika. Sedangkan suatu mesin yang manghasilkan Steam adalah Mesin Boiler.
Sebuah Mesin Boiler adalah Mesin Penghasil Uap yang mana uap tersebut dihasilkan dari Air yang dipanaskan. Untuk menyuplai kebutuhan steam yang digunakan dalam proses produksi, PT. Pura Nusapersada unit PM 7/8 menggunakan 2 unit boiler yang terdiri dari 2 buah boiler tipe water tube dan tipe fire tube dengan kapasitas steam rata rata 10 ton steam/jam.Bahan bakar yang digunakan oleh boiler tipe water tube adalah batu bara. Water tube adalah air sebagai media dalam pipa dan media panas adalah diluar pipa. Sementara fire tube merupakan suatu metode dimana air adalah sebagai media panas yang ada diluar dan steam yang berada didalam pipa. Umumnya tekanan pada tipe fire tube bergerak secara lambat.
Boiler tipe water tube memiliki kapasitas 10 ton steam/jam dengan menggunakan bahan bakar batubara jenis bituminous. Batu bara disimpan di coal storage. Batu bara dipindahkan dari storage ke hopper dengan menggunakan coal screw. Hopper merupakan tempat penampungan batu bara sebelum masuk ke furnace. Batubara yang digunakan mempunyai diameter 0-50 mm.
Air umpan boiler diambil dari sumur artesis yang berada di dalam lokasi pabrik serta kondensat dari PM 7/8. Air sebelum diumpankan ke boiler terlebih dulu mengalami proses water softening.
Pada proses pembakaran di dalam boiler dilakukan penambahan senyawa polimer sebagai pelarut kerak dan alkali inhibitor untuk menetralkan PH pada aliran. Tabel 8.1 menunjukkan boiler yang di miliki PT. Pura Nusapersada.
Tabel 8.1 Boiler PT. pura Nusapersada Unit Boiler PT. Pura Nusapersada
Merk Hamada Hitachi
Type Fluidized bed Fluidized bed comby
Kapasitas 10 ton/jam 10 ton/jam
Size
Batu bara RUM(0-10 mm) RUM(0-10 mm)
jenis Water tube Water tube+fire tube
Kalor 4000-4500 kcal/kg 4000-4500 kcal/kg
Pada boiler diperlukan air umpan yang akan dimasukkan ke dalam boiler. Air umpan itu sendiri biasanya berasal dari pengembalian kondensat (70-80%) dan sisanya dari make up fresh water.
8.2 Jenis – Jenis Boiler
Berbagai jenis boiler yang digunakan dalam industri adalah: Fire tube boiler, Water tube boiler, Paket boiler, Fluidized bed combustion boiler, Atmospheric fluidized bed combustion boiler, Pressurized fluidized bed combustion boiler, Circulating fluidized bed combustion boiler, Stoker fired boiler, Pulverized fuel boiler, Boiler pemanas limbah (Waste heat boiler) dan Pemanas fluida termis.
1. Fire Tube Boiler
Pada fire tube boiler, gas panas melewati pipa-pipa dan air umpan boiler ada didalam shell untuk dirubah menjadi steam. Fire tube boilers biasanya digunakan untuk kapasitas steam yang relative kecil dengan tekanan steam rendah sampai sedang.
2. Water Tube Boiler
Pada water tube boiler, air umpan boiler mengalir melalui pipa-pipa masuk kedalam drum. Air yang tersirkulasi dipanaskan oleh gas pembakar membentuk steam pada daerah uap dalam drum. Boiler ini dipilih jika kebutuhan steam dan tekanan steam sangat tinggi seperti pada kasus boiler untuk pembangkit tenaga.
Disebut boiler paket sebab sudah tersedia sebagai paket yang lengkap. Pada saat dikirim ke pabrik, hanya memerlukan pipa steam, pipa air, suplai bahan bakar dan sambungan listrik untuk dapat beroperasi. Paket boiler biasanya merupakan tipe shell and tube dengan rancangan fire tube dengan transfer panas baik radiasi maupun konveksi yang tinggi.
Ciri-ciri dari packaged boilers adalah:
- Kecilnya ruang pembakaran dan tingginya panas yang dilepas menghasilkan penguapan yang lebihcepat.
- Dirancang dengan transfer panas, penguapan, transfer panas konveksi dan tingkat efisiensi panas yang tinggi.
-Diklasifikasikan berdasarkan jumlah pass, yang paling umum adalah unit tiga pass.
4. Boiler Pembakaran dengan Fluidized Bed (FBC)
Pembakaran dengan fluidized bed (FBC) memiliki kelebihan dibanding sistim pembakaran yang konvensional karena rancangan boiler yang kompak, fleksibel terhadap bahan bakar, efisiensi pembakaran yang tinggi dan berkurangnya emisi polutan yang merugikan seperti SOx dan NOx. Dapat digunakan bahan bakar batubara kualitas rendah, limbah industri dan komersial, lainnya. Kisaran suhu operasinya cukup luas antara 840oC – 950oC dengan kapasitas antara 0.5 T/jam
sampai lebih dari 100 T/jam. 5. Stoker Fired Boilers
Stokers diklasifikasikan menurut metode pengumpanan bahan bakar ke tungku dan oleh jenis grate nya. Klasifikasi utamanya adalah spreader stoker dan chain-gate atau traveling-gate stoker. Jenisnya antara lain Spreader stokers dan chain-grate atau travelinggrate stoker.
6. Pulverized Fuel Boiler
Kebanyakan boiler stasiun pembangkit tenaga yang berbahan bakar batubara menggunakan batubara halus, dan banyak boiler pipa air di industri yang lebih besar juga menggunakan batubara yang halus. Teknologi ini berkembang dengan baik dan diseluruh dunia terdapat ribuan unit dan lebih dari 90 persen kapasitas pembakaran batubara merupakan jenis ini. membakar berbagai kualitas batubara, respon yang cepat terhadap perubahan beban muatan, penggunaan suhu udara pemanas awal yang tinggi dll.
Sistim ini memiliki banyak keuntungan seperti kemampuan membakar berbagai kualitas batubara, respon yang cepat terhadap perubahan beban muatan, penggunaan suhu udara pemanas awal yang tinggi dll.
7. Boiler Limbah Panas
Boiler ini beroperasi dengan memanfaatkan limbah panas yang tersedia dalam pabrik, seperti gas panas dari berbagai proses, gas buang dari turbin gas dan mesin diesel.
8.3 Boiler FBC Hitachi
Pada Boiler Hitachi ini, mempunyai 2 bagian utama yaitu Furnace / Tungku api dan Shell Water / Tangki penampung air. Di bagian furnace terdapat pipa – pipa besi yang terhubung langsung ke Shell Water yang mana pipa – pipa besi tersebut akan dipanaskan, jadi bukan Shell Water yang dipanaskan. Bahan utama dari Mesin Boiler ini adalah Batu Bara. Selain menggunakan batu bara, boiler juga membutuhkan Pasir Sillica dan Arang untuk memicu pembakaranbatu bara.
Perinsip dari Boiler Hitachi ini adalah memanaskan air dalam pipa – pipa besi dengan suhu tinggi di dalam furnace (tungku api). Yang mana pipa – pipa besi tersebut terhubung dengan sebuah tangki utama air, yaitu Shell Water. Dalam Shell Water terdapat air yang akan dipanaskan dan Steam hasil dari pemanasan air yang dialirkan ke pipa-pipa besi di tungku api. Pada Shell Water sumber air yang digunakan adalah dari Air Tanah yang di dapat dari sumur-sumur bawah tanah. Tak hanya dari air tanah saja, air dari sisa pemakaian steam atau air kondensasi juga dikembalikan di Shell Water agar kebih efisien.Dalam Shell Water, level ketinggian air harus dijaga konstan demikonstan. Secara garis besar Pada Shell Water, level air yang mengisi tidak akan di isi penuh, namun disisakan sebagian untuk tampungan Steam. Dan hasilnya Steam akan dialirkan melalui pipa – pipa ke Mesin Drayyer PM7 dan PM8.Untuk menjaga kestabilan dari level air dalam Shell water maka dipasang Sensor Water Level Control. Pada bagian atas dari Shell water juga terdapat Sensor Tekanan untuk mengetahui tekanan uap yang dihasilkan dari Boiler.
Di dalam Furnace dipasangi Temperatur Control untuk mengetahui Temperatur pada tunggku pemanas. Dan untuk menjaga kestabilan Oksigen agar tercapainya pembakaran yang sempurna maka dipasangkan FDF / Force Drag Fan atau semacam Blower yang menembakan Oksigen ke tungku pembakaran. Dan untuk menjaga kestabilan Gas Kabon Dioksida hasil dari pembakaran maka dipasangkan juga IDF / Induce Drag Fan yang mana membuang. Gas Karbon dioksida ke luar melalui cerobong asap / chimney. Dalam chimney ini terdapat filter yang memanfaatkan proses Elektroforesis.
8.3.1 Cara Kerja FBC Hitachi
Air dipompa oleh feed pump dari sumber mata air lalu ditampung di dalam feed water tank lalu diteruskan ke dalam economizer yang berfungsi untuk memanasi
air , agar sewaktu masuk ke dalam pembaaran, airnya sudah panas dengan suhu tertentu sehingga cepat mendidih dan menjadi steam, setelah dari economizer kemudian masuk ke dalam Shell Boiler. Dalam Shell boiler tersabung ke pipa-pipa besi yang mengalirkan air ke dakam tungku pembakaran / Furnace maka proses pembakaran siap dimulai. Pasir silica dimasukan ke dalam Furnace dengan level tertentu, juga arang dimasukan dengan level tertentu. Arang ini berfungsi sebagai pemicu api agar mudah timbul, kemudian diberi minyak setelah it dibakar. Setelah itu blower FDF dihidupkan untuk menghasilkan angin yang kaya akan oksigen untuk sempurnanya proses pembakaran. Angin tadi dialirkan ke nozel dengan hembusan ringan agar api tidak mudah padam, sehingga pasir silica bergejolak kerena hembusan angin dari nozel. Pada suhu sudah tercapai 800°C batau bara sudah siap dimasukkan.
Selanjutnya batu bara dari hooper dialirkan ke conveyor menuju cool
bunker , selanjutnya dialirkan oleh cool screw conveyor menuju cool bunker sebelum masuk ke dalam ruang pembakaran. Selanjutnya dari cool bunker dialirkan oleh feeding screw menuju spreader yang berfunsi untuk melemparkan batu bara agar merata di dalam furnace dan dibantu blower FDF supaya proses pembakran lebih maksimal. Asap dari sisa pembakaran akan dihisap oleh blower IDF menuju economizer. Di dalam economizer uap pamas yang terkandung dalam asap diserap lagi dan dialirkan menuju multicyclone yang berfungsi menyaring debu dengan berat jenis yang leih besar, setelah itu asap diteruskan menuju vnetury scrubber yang berfungsi sebagai penyaring debu dengan berat yang lebih kecil lalu asap menuju wet scrubber dan disemburi air olwh shower yang berfungsi mengikat debu yang berat jenisnya lebih bahkan sangat kecil supaya jatuh dalam bak penampungan dan asap yang dikeluarkan oleh chimney bisa bersih dari campuran debu dan berwarna putih. Pada bagian bawah dari tungku yang berbentuk kecurt seperti corong ada 4 buah katub yang disebut Dash Collector yang berfungsi menampung abu-abu sisa pembakanran.
Dengan suhu yang sudah mencukupi untuk mendidihkan air di dalam pip-pipa, maka suhu tersebut akan dijaga dengan cara mengatur FDF, IDF dan screw. Untuk mengetahui suhu dalam tungku pembakran menggunakan sensor Thermocouple tipe K. dan steam yang dihasilkan yang mana terdapat pada bagian atas Shell water juga terdapat indicator analognya. Dan faktor terpenting dalam proses menghasilkan steam pada boiler adalah level air pada Shell water. Bila air tidak terjaga dengan baik maka akan berbahaya. Untuk itu diperlukan sensor yang memanfaatkan perbedaan tekanan, yaitu Deffrential Preassure untuk mengetahui Level air. Serta sebagai pengamanan juga ditambahakan sensor yang berupa Stickuntuk memberikan batas air agar boiler aman dioperasikan. Apabila air tidak memenuhi batas yang ditentukan maka semua bagian mesin akan di Shut Down secara otomatis.
8.4 Kondensat
Kondensat adalah salah satu jenis mesin penukar kalor (heat exchanger) yang berfungsi untuk mengkondensasikan fluida kerja. Pada sistem tenaga uap, fungsi utama kondensor adalah untuk mengembalikan exhaust steam dari turbin ke fase cairnya agar dapat dipompakan kembali ke boiler dan digunakan kembali. Selain itu, kondensor juga berfungsi untuk menciptakan back pressure yang rendah (vacuum) pada exhaust turbin . Dengan back pressure yang rendah, maka efisiensi siklus dan kerja turbin akan meningkat. Bila satu kilogram steam mengembun seluruhnya, maka akan terbentuk satu kilogram kondensat pada suhu dan tekanan yang sama. Sistem steam yang efisien akan mengguna ulang kondensat ini. Kegagalan dalam memperoleh kembali dan mengguna ulang kondensat membuat tidak adanya keuntungan secara finansial, teknis atau lingkungan. Steam jenuh yang digunakan untuk pemanasan menyerahkan panas latennya (entalpi penguapan), yang merupakan proporsi yang besar dari panas total yang terkandung didalamnya. Panas tersisa dalam steam tertahan dalam kondensat sebagai panas sensibel (entalpi air).
Seperti halnya dengan kandungan panas, kondensat pada dasarnya merupakan air suling, yang ideal untuk penggunaan air umpan boiler. Suatu sistim steam yan efisien akan mengumpulkan kondesat ini dan mengembalikannya ke deaerator, tangki umpan boiler, atau menggunakannya dalam proses lain. Hanya jika benar-benar terdapat resiko pencemaran maka kondensat tidak boleh dikembalikan ke boiler. Bahkan, memungkinkan untuk mengumpulkan kondensat dan menggunakannya sebagai air proses panas atau melewatkannya melalui sebuah alat penukar panas dimana kandungan panasnya dapat dimanfaatkan kembali sebelum air dibuang.
Kondensat dibuang dari plant dan peralatan steam melalui steam traps dari tekanan yang lebih tinggi ke tekanan yang lebih rendah. Sebagai akibat dari turunnya tekanan, beberapa kondensat akan menguap kembali menjadi ‘flash steam’. Bagian steam yang akan ‘flash off’dengan cara ini ditentukan oleh sejumlah panas yang dapat ditahan dalam steam dan kondensat. Biasanya jumlah flash steam sekitar 10% sampai 15%, tetapi dapat juga lebih dari itu. Kondensat pada tekanan 7 bar g akan kehilangan massanya sekitar 13% bila flashing ke tekanan atmosfir, namun steam yang dihasilkan akan memerlukan ruang 200 kali lebih besar daripada kondensat darimana bahan ini dibentuk. Kondensat ini berpengaruh terhadap penghambatan jalur pembuangan trap yang berukuran lebih kecil dari yang semestinya, dan harus diperhitungkan ketika menghitung ukuran jalur tersebut.
8.5 Alasan-alasan untuk pemanfaatan kembali kondensat Alasan-alasan untuk pemanfaatan kembali kondensat adalah:
a. Alasan Keuangan
Kondensat merupakan sumber daya yang be rharga dan bahkan pemanfaatan kembali dalam jumlah kecilpun seringkali secara ekonomis dapat dibenarkan. Pembuangan dari sebuah steam trap tunggal seringkali merupakan pemanfaatan kembali yang berharga. Kondensat yang tidak termanfaatkan kembali harus diganti dalam ruang boiler oleh air make-up dingin dengan biaya tambahan untuk pengolahan air dan bahan bakar untuk memanaskan air dari suhu yang lebih rendah.
b. Biaya air
Kondensat yang tidak dikembalikan perlu diganti dengan air make-up, sehingga perlu membayar air untuk keperluan.
c. Larangan terhadap Effluent
Di Inggris contohnya, air bersuhu diatas 43°C berdasarkan hukum yang berlaku tidak boleh dikembalikan ke saluran air kotor, sebab membahayakan bagi lingkungan dan dapat merusak pipa-pipa yang terbuat dari tanah. Kondensat diatas suhu ini harus didinginkan terlebih dahulu sebelum dibuang, dapat mendatangkan biaya energi ekstra. Larangan serupa diterapkan hampir diseluruh negeri, dan dapat dikenakan biaya dan denda oleh pemasok air bagi yang tidak mentaatinya.
d. Memaksimalkan keluaran boiler
Air umpan boiler yang lebih dingin akan menurunkan laju pembangkitan steam pada boiler. Semakin rendah suhu air umpan, semakin banyak panas dan bahan baker yang dibutuhkan untuk memanaskan air.
e. Kualitas air umpan boiler
Kondensat merupakan air suling yang hampir tidak mengandung total padatan terlarut (TDS). Boiler perlu di-blowdown untuk mengurangi konsentrasi padatan terlarut dalam air boiler. Mengembalikan lebih banyak kondensat ke tangki umpan akan menurunkan kebutuhan bagi blowdown dan dengan begitu mengurangi hilangnya energi dari boiler.
8.6 Metodologi Penelitian
Proses kehilangan panas aliran steam dalam pipa dapat dilihat pada gambar 8.1. Asumsi yang digunakan dalam studi ini adalah steam mengalir dalam kondisi steady state. Pada gambar 1, pipa yang dilapisi dengan isolator dialiri steam dengan suhu Ts dan terjadi terjadi proses perpindahan panas dari bagian dalam pipa steam ke lingkungan (Ta).
Gambar 8.1 Skema pipa dengan isolasi 8.6.1 Pemilihan bahan isolasi
Faktor-faktor penting yang perlu diperhatikan ketika memilih bahan isolasi adalah sebagai berikut :
Suhu operasi sistim
Jenis bahan bakar yang sedang dibakar
Ketahanan bahan terhadap panas, cuaca dan kondisi yang merugikan Konduktivitas panas bahan
Diffusivitas panas bahan
Kemampuan bahan bertahan pada berbagai kondisi, seperti kejutan panas, getaran dan serangan bahan kimia
Ketahanan bahan terhadap nyala/api Daya tembus/permeabilitas bahan
Biaya total, termasuk pembelian, pemasangan dan perawatan Tabel 8.2 Bahan-bahan isolasi untuk berbagai penggunaan
Tipe Isolasi Penggunaan Keuntungan dan
Kerugian Polystyrene
Isolator organik yang dibuat dengan polimerisasi styrene
Cocok untuk suhu rendah (-167oC sampai 82 oC).
Terutama digunakan dalam ruangan dingin, pipa pendinginan dan beton penahan struktur bangunan
Keuntungan: kaku dan ringan
Kerugian: mudah terbakar, memiliki titik leleh
rendah, mudah terurai oleh sinar ultra violet, dan mudah diserang oleh bahan pelarut/ solven Polyurethane
Dibuat dengan cara
Cocok untuk suhu rendah (-178oC to 4oC).
Keuntungan: struktur sel tertutup, densitas rendah
mereaksikan isocyanides dan alkohol. Dibuat dalam lempeng sinambung atau dibusakan di tempat
Digunakan terutama di ruang dingin,
transportasi yang diberi pendingin, lemari
pembeku, lantai dan pipa pendinginan dan isolasi fondasi
dan kekuatan mekanisnya tinggi
Kerugian: mudah terbakar, menghasilkan uap beracun dan cenderung membara
Rockwool (serat mineral) Dibuat dengan melelehkan basalt dan arang dalam sebuah kubah pada suhu sekitar 1500oC.
Digunakan bahan pengikat berbasis phenol. Tersedia dalam bentuk keset, selimut, dan bentuk yang terlepas atau dibentu sebagai isolasi pipa
Cocok untuk suhu sampai 820oC. Digunakan
terutama untuk mengisolasi oven industri, penukar panas, pengering, boiler dan pipa-pipa suhu tinggi
Keuntungan: memiliki kisaran densitas yang besar dan tersedia dalam banyak bentuk. Bersifat inert secara kimia, tidak korosif dan mencapai kekuatan mekanis selama penanganan
Fibreglass
Dibentuk dari pengikatan serat fiberglass panjang dengan resin thermo setting membentuk selimut dan bats, papan semi kaku, papan kaku dengan densitas tinggi dan dibentuk seperti bagian pipa
Cocok untuk suhu sampai 540oC. Digunakan
terutama untuk
mengisolasi oven industri, penukar panas, pengering, boiler dan pipa
Keuntungan: tidak akan hancur oleh penuaan. Kerugian: Produk fibreglass sedikit basa– pH9 (Nilai netral pH7). Harus dilindungi dari pengaruh
pencemaran luar untuk menghindari percepaan korosi terhadap baja Kalsium silikat
Dibuat dari bahan kasium silikat anhidrat yang diperkuat dengan pengikat non-asbes. Tersedia dalam bentuk lempeng berbagai ukuran
Cocok untuk suhu sampai 1050oC. Digunakan
terutama untuk mengisolasi dinding tungku, kotak pemadam, refraktori, lining gas buang
dan boiler
Keuntungan: Struktur sel udaranya kecil,
konduktivitas panasnya rendah, dan akan menahan bentuk dan ukurannya pada kisaran suhu yang dapat digunakan. Ringan namun memiliki kekuatan struktur yang bagus sehingga dapat bertahan terhadap abrasi mekanik.
Tidak akan terbakar atau busuk, tahan terhadap uap air dan tidak korosif Serat keramik
Dibuat dari alumina dengan kemurnian tinggi dan butiran silika, dilelehkan dalam suatu tungku listrik dan dihembus dengan gas berkecepatan tinggi menjadi benang halus yang ringan. Dibuat dengan berbagai macam bentuk, termasuk kain, felt, pita, semen pelapis dan variform castable (batu bata tahan api)
Cocok untuk suhu sampai 1430oC. Digunakan terutama untuk
mengisolasi tungku dan back-up kiln refraktori, kotak pemadam, mangkok kaca pengumpan,
perbaikan tungku, isolasi kumparan penginduksi, paking dan bahan pembungkus suhu tinggi
Keuntungan: cocok untuk berbagai penggunaan disebabkan beragam bentuknya
8.6.2 Isolasian jalur steam dan kondensat
Penting untuk mengisolasi pipa saluran steam dan kondensat sebab mereka merupakan sumber kehilangan panas yang utama melalui radiasi panas dari saluran pipa. Bahan isolasi yang cocok adalah gabus, glass wool, rock wool dan asbes. Flens juga harus diisolasi sebab jika tidak terbungkus kehilangan panasnya setara dengan saluran pipa yang tidak diisolasi sepanjang 0,6 m (SEAV, 2005). Flens serigkali tidak diisolasi untuk memudahkan memeriksa kondisinya. Penyelesaiannya adalah dengan memasang pembungkus isolasi yang mudah dilepas, yang dapat dipindahkan ketika melakukan pengecekan.
Gambar 8.2 memberi petunjuk mengenai sejumlah kehilangan panas dari pipa saluran yang tidak diisolasi. Penjelasan tentang bagaimana menghitung ketebalan isolasi yang diperlukan diberikan dalam bagian 3.
Gambar 8.2 Kehilangan panas dari 1 meter pipa yang tidak di isolasi Pada berbagai diameter pipa (SEAV. 2005)
Proses perpindahan panas yang terjadi melalui beberapa tahap (Kern, 1983) : 1. Perpindahan panas dari steam ke bagian dalam pipa (Ts ke Ts’)
qp = π . hs . D’s (Ts-Ts’) (1)
2. Perpindahan panas dari bagian dalam pipa ke bagian luar pipa (Ts’ ke Ts”) qp =
2 π kc 2,3 logD' s '
D 1 ( Ts’ – Ts”) (2)
3. Perpindahan panas dari bagian luar pipa ke luar isolasi ( Ts” ke T1)
qp =
2 π kb 2,3 log Ds
D' s ' (Ts” – T1) (3)
4. Perpindahan panas dari bagian luar isolasi ke lingkungan (T1 ke Ta)
qp = π . ha . D1 (T1 - Ta) (4)
Ts – Ta = qp [ 1 π hs ds '+ 2,3 2 π kblog Ds ' Ds }} + {2.3} over {2 π kc} log {{Ds D 1 + 1 π ha d 1 (5)
Bila tahap 1 dan 2 diabaikan karena perbedaan suhu antara Ts, Ts’ d n Ts” ng t kecil, kehilangan panas yang timbul dari pipa ke lingkungan dapat dinyatakan dalam persamaan (6). Qp = Ds} + {1} over {ha D1}}} D 1 ¿ 2,3 2 Kclog¿ π (Ts−Ta) ¿ (6)
Nilai ha dapat diperoleh dari grafik Heat Transfer by convection dan radiation from horizontal pipes at temperature T1 (surface of pipe) to air (Kern, 1983).
Berdasarkan persamaan (6), setelah didapat nilai q dengan melakukan trial and error nilai Ts maka langkah selanjutnya adalah menghitung nilai panas steam yang hilang saat terjadi kondensasi, sesuai persamaan (7).
qs = Hg – Hf (7)
Sehingga laju kondensasi steam akibat kehilangan panas sepanjang aliran di pipa dapat dihitung dengan persamaan (8).
qc = qpqs (8)
Parameter yang divariasikan pada kajian ini adalah diameter pipa dan tebal isolasi untuk tekanan steam sebesar 4 bar. Panjang pipa untuk masing-masing diameter didapatkan dari data isometric flow (PT. Pura Nusapersada, 2015).
8.6.3 Data Aktual
Suhu Steam masuk condensate dari Dryer : 95 °C Suhu permukaan pipa tanpa isolasi : 95 0 C
Suhu permukaan pipa seletah di isolasi : 50 0C
P (tekanan steam) Dryer Group I (Ps1) : 4 bar = 400 kpa P (tekanan steam) boiler (Ps0) : 10 bar = 1000 kpa Efisiensi boiler : 85%
Harga bahan bakar (batu bara)
-menggunakan brand Pinang 6150 -Nilai kalori : 6200 kkal
-Harga US$/ton : 58,91 8.6.4 Data Literature Kc = 1,49 Kg-cal/(hr)(m2)(0c/m) ha = 4,88 kg-cal/(hr)(m2)(0c) hg = 1186,9 KJ/kg hf = 294,64 KJ/kg (Kern, 1983) 8.7 Hasil Pembahasan
Kajian ini bertujuan untuk memanfaatkan embunan keluaran steam sebagai air umpan boiler di PT. Pura Nusapersada. Berdasarkan model matematis yang disusun, dapat ditentukan laju kondensasi steam bertekanan 4 bar pada pipa yang ditampilkan pada Tabel 8.3 dan bertujuan untuk menghitung penghematan bahan bakar setiap tahun.
Tabel 8.3. Perhitungan laju kondensasi steam bertekanan 4 bar
Tekanan steam (bar) 4
Temperature Steam (K) 368
Normal Pipe Size (inchi) 14 12 10 8 6 4
Tebal Isolasi (inchi) Laju Kondensasi (kg/hr-m)
1 1,157 0,987 0,866 0,748 0,628 0,505
1.5 1,079 0,966 0,856 0,738 0,622 0,503
2 1,053 0,946 0,841 0,728 0,617 0,502
2.5 1,028 0,926 0,822 0,717 0,610 0,499
3 1,005 0,906 0,805 0,704 0,601 0,493
Berdasarkan Tabel 8.3, terlihat bahwa bila diameter pipa semakin besar maka laju kondensasi steam per satuan panjang akan semakin besar. Selain itu, bila tebal isolasi semakin besar maka laju kondensasi steam per satuan panjang akan semakin kecil. Hal ini sesuai dengan teori yaitu bila diameter pipa semakin besar, maka luas permukaan pipa per satuan panjang pipa juga semakin besar, sehingga panas hilang ke lingkungan juga semakin banyak. Demikian juga dengan tebal isolasi. semakin tebal isolasi maka panas hilang ke lingkungan semakin sedikit, sehingga steam condensate yang terjadi juga semakin sedikit.
Dengan memperhatikan kondisi aktual saat ini tanpa adanya optimasi pada penambahan ketebalan isolasi, dapat dihitung perkiraan penghematan akibat pemanfaatan embunan dari steam trap. Estimasi jumlah steam condensate yang terbentuk di PT. Pura Nusapersada (memperhitungkan pipa steam bertekanan 4 bar). Jumlah steam condensate yang terbentuk berdasarkan asumsi bahwa steam trap dalam kondisi baik sehingga ada potensi penambahan jumlah embunan dengan mempertimbangkan kondisi steam trap saat ini.
8.7.1 Perhitungan Penghematan Bahan Bakar Dan Biaya Tiap Tahun Menggunakan Bahan Isolasi Rokwool.
Jumlah steam condensate yang dimanfaatkan sebagai air umpan boiler sebesar 85% dari jumlah steam condensate yang terbentuk atau sebesar 801,01 kg/jam, yang setara 6344 ton/tahun (on stream days : 350 hari). Pemanfaatan steam condensate berdasarkan perhitungan ekonomi (payback period) cukup menjanjikan.
Data Aktual
- Suhu permukaan pipa tanpa isolasi (Ts1) = 95 0 C
- Suhu permukaan pipa seletah di isolasi (Ts2) = 40 0C
- Bahan Isolasi = Rockwool
- Suhu lingkungan (Ta) = 30 0C
- P (tekanan steam) boiler = 10 bar = 1000 kpa
- Efisiensi boiler = 85%
- Harga bahan bakar (batu bara) -menggunakan brand Pinang 6150 -Nilai kalori = 6200 kkal -Harga US$/ton = 58,91
Tahap 1: hitung kehilangan panas pada permukaan dan total kehilangan panas saluran pipa yang tidak disolasi (S1 dan Hs1)
S1 = (10+
(
Ts1−Ta)
20 ) x (Ts1-Ta) Ts1 = 95 0C Ta = 30 0C S1 = (10+ (950−300) 20 )x (95 0 −300) S1 = 861,25 kKal/jam m2A1 (m2) = 3,14 x diameter (m) x panjang (m)
Diameter = 0,1 m Panjang = 100 m
A1 = 3,14 x 0,1 x 100
= 31,4 m2
Total kehilangan panas (Hs1) = S1 x A1
= 861,25 x 31,4
= 29.368,625 kKal/jam
Tahap 2: hitung kehilangan panas pada permukaan dan total kehilangan panas saluran pipa yang disolasi (S2)
S2 = 10+ (Ts2−Ta) 20 x(Ts2−Ta) Ts = 40 oC Ta = 30 oC S2 = 10+
(
400−300)
20 x (40 0−300 ) S2= 105 kKal/jam m2Total kehilangan panas /jam (Hs2) = S2 x A2
Diameter = 0,23 m (100 mm + 65 mm + 65 mm) Panjang = 100 m
A2 = 3,14 x 0,23 x 100
= 72,2 m2
Total kehilangan panas (Hs2) = S2 x A2
= 105 x 72,2 = 7.581 kKal/jam
Tahap 3: hitung penghematan bahan bakar dan penghematan biaya tiap tahun (Hf dan US$)
Total penurunan kehilangan panas Hs = Hs1 – Hs2
Hs = 29.368,628 – 7.581 = 21.787,625 kKal/jam
Kehilangan bahan bakar ekuivalen (Hf) (kg/thn) = Hs x Jamoperasi setiap tahun
GCV x Efisiensi boiler
Jam operasi setiap tahun = 8400 jam
Total penurunan kehilangan panas = 21.787,625 kKal/jam Nilai kalor kotor bahan bakar batu bara = 6200 kKal
Efisiensi boiler = 85% (0,85)
Harga bahan bakar minyak = US$ 58,91 /ton (US$ 0,058/kg)
Asumsi 1 US$ = Rp.
14.500,-Hf = 21.787,625 x 84006200 x 0,85 = 34.727,90 kg/th
Biaya penghematan bahan bakar (US$) = Hf x Harga bahan bakar (US$/kg) = 34.727,90 kg/th x 0,058 US$/kg = 2.014,281 US$/th
= 29.206.161,- Rp/th
8.7.2 Perhitungan Penghematan Bahan Bakar Dan Biaya Tiap Tahun Menggunakan Bahan Isolasi Fibreglass.
Data Aktual
- Suhu permukaan pipa tanpa isolasi (Ts1) = 95 0 C
- Suhu permukaan pipa seletah di isolasi (Ts2) = 60 0C
- Bahan Isolasi = Fibreglass
- Suhu lingkungan (Ta) = 30 0C
- P (tekanan steam) boiler =10 bar
- Efisiensi boiler = 85%
- Harga bahan bakar (batu bara) -menggunakan brand Pinang 6150 -Nilai kalori = 6200 kkal -Harga US$/ton = 58,91
Tahap 1: Hitung kehilangan panas pada permukaan dan total kehilangan panas saluran pipa yang tidak disolasi (S1 dan Hs1)
S1 = (10+
(
Ts1−Ta)
20 ) x (Ts1-Ta)
Ta = 30 0C S1 = (10+ (950−300) 20 )x (95 0 −300) S1 = 861,25 kKal/jam m2 A1 (m2) = 3,14 x diameter (m) x panjang (m) Diameter = 0,1 m Panjang = 100 m A1 = 3,14 x 0,1 x 100 = 31,4 m2
Total kehilangan panas (Hs1) = S1 x A1
= 861,25 x 31,4
= 29.368,625 kKal/jam
Tahap 2: Hitung kehilangan panas pada permukaan dan total kehilangan panas saluran pipa yang disolasi (S2) menggunakan bahan fibreglass
S2 = 10+ (Ts2−Ta) 20 x(Ts2−Ta) Ts = 60 oC Ta = 30 oC S2 = 10+
(
600−300)
20 x (60 0−300 ) S2= 345 kKal/jam m2Total kehilangan panas /jam (Hs2) = S2 x A2
Diameter = 0.23 m (100 mm + 65 mm + 65 mm) Panjang = 100 m
A2 = 3,14 x 0,23 x 100
= 72,2 m2
Total kehilangan panas (Hs2) = S2 x A2
= 345 x 72,2 = 24.909 kKal/jam
Tahap 3: hitung penghematan bahan bakar dan penghematan biaya tiap tahun (Hf dan US$)
Total penurunan kehilangan panas Hs = Hs1 – Hs2
= 4.459,625 kKal/jam
Kehilangan bahan bakar ekuivalen (Hf) (kg/thn) = Hs x Jamoperasi setiap tahun
GCV x Efisiensi boiler
Jam operasi setiap tahun = 8400 jam
Total penurunan kehilangan panas = 4.459,625 kKal/jam Nilai kalor kotor bahan bakar batu bara = 6200 kKal
Efisiensi boiler = 85% (0,85)
Harga bahan bakar minyak = US$ 58,91 /ton (US$ 0,058/kg)
Asumsi 1 US$ = Rp.
14.500,-Kehilanagan bahan bakar ekuivalen (Hf) = 4.459,625 x 84006200 x 0,85
= 7.108,320 kg/th
Biaya penghematan bahan bakar (US$) = Hf x Harga bahan bakar (US$/kg) = 7.108,320 kg/th x 0,058 US$/kg = 412,282 US$/th
= 5.978.092,- Rp/th
Tabel 8.4 berbandingan hasil dari isolasi yang menggunakan bahan rokwool dan fiberglass.
Bahan
Rokwool Fibreglass
Kehilangan panas permukaan
pipa tanpa isolasi (S1) 861,25 kKal/jam.m
2 861,25 kKal/jam.m2
Total kehilangan panas saluran
pipa tanpa isolasi ( Hs1) 29.368,625 kKal/jam 29.368,625 kKal/jam
Kehilangan panas permukaan
pipa dengan isolasi (S2) 105 kKal/jam 345 kKal/jam
Total kehilangan panas saluran
pipa dengan isolasi (Hs2) 7.581 Kkal/jam 24.909 kKal/jam
Total penurunan kehilangan
panas (Hs) 21.787,625 kKal/jam 4.459,625 kKal/jam
Kehilangan bahan bakar
ekuivalen (Hf) 34.727,90 kg/th 7.108,320 kg/th
Biaya Penghematan bahan bakar
