Tugas Boiler

(1)

Pembahasan Boiler

A. Pengertian boiler

Boiler merupakan bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan ke air sampai terbentuk air panas atau steam berupa energi kerja. Air adalah media yang berguna dan murah untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Air panas atau steam pada tekanan dan suhu tertentu mempunyai nilai energi yang kemudian digunakan untuk mengalirkan panas dalam bentuk energi kalor ke suatu proses. Jika air didihkan sampai menjadisteam, maka volumenya akan meningkat sekitar 1600 kali, menghasilkan tenaga yang menyerupai bubuk mesiu yang mudah meledak, sehingga sistem boiler merupakan peralatan yang harus dikelola dan dijaga dengan sangat baik. Boiler pada intinya adalah alat pemanas cairan (biasanya air) agar berada di atas titik didihnya sehingga ia menguap.

B. Prinsip kerja boiler

Energi kalor yang dibangkitkan dalam sistem boiler memiliki nilai tekanan, temperatur, dan laju aliran yang menentukan pemanfaatan steam yang akan digunakan. Berdasarkan ketiga hal tersebut sistem boiler mengenal keadaan tekanan-temperatur rendah (low pressure/LP), dan tekanan-temperatur tinggi (high pressure/HP), dengan perbedaan itu pemanfaatansteam yang keluar dari sistem boiler dimanfaatkan dalam suatu proses untuk memanasakan cairan dan menjalankan suatu mesin (commercial and industrial boilers), atau membangkitkan energi listrik dengan merubah energi kalor menjadi energi mekanik kemudian memutar generator sehingga menghasilkan energi listrik (power boilers). Namun, ada juga yang menggabungkan kedua sistem boiler tersebut, yang memanfaatkan tekanan-temperatur tinggi untuk membangkitkan energi listrik, kemudian sisa steam dari turbin dengan keadaan tekanan-temperatur rendah dapat dimanfaatkan ke dalam proses industri dengan bantuan heat recovery boiler.

(2)

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 dari sistem air umpan, penanganan air umpan diperlukan sebagai bentuk pemeliharaan untuk mencegah terjadi kerusakan dari sistem steam. 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 perlatan 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.

C. Proses kerja boiler

Sebuah power boiler terdiri dari elemen tube boiler yang berbentuk suatu pipa dengan sirip yang saling berhubungan membentuk sebuah dinding boiler. Tube ini menggantung pada suatu konstuksi struktur baja. Tube boiler berisi air murni yang akan dipanaskan sehiggan menjadi uap bertekanan. Uap yang terbentuk akan dikumpulkan pada Steam Drum yang terletak dibagian atas boiler, yang kemudian dialirkan untuk memutar turbin pembangkit listrik. Sedangkan abu pembakaran akan turun ke bagain bawah boiler dan ikut terbawa ga buang. Abu yang terbawa gas buang akan di pisahkan di EP (Electrostatic Precipitator), sedangkan gas buang akan di alirkan ke stack (Chimney).

(3)

D. Klasifikasi Boiler a.Berdasarkan tipe pipa 1.Fire Tube

Tipe boiler pipa api memiliki karakteristik : menghasilkan kapasitas dan tekanan steam yang rendah.

Cara kerja : proses pengapian terjadi didalam pipa, kemudian panas yang dihasilkan dihantarkan langsung kedalam boiler yang berisi air. Besar dan konstruksi boiler mempengaruhi kapasitas dan tekanan yang dihasilkan boiler tersebut. Sebagai pedoman, fire tube boilers kompetitif untuk

kecepatan steam sampai 12.000 kg/jam dengan tekanan sampai 18 kg/cm2. Fire tube boilers dapat menggunakan bahan bakar minyak bakar, gas atau bahan bakar padat dalam operasinya

Fire tube di mana api berada dalam tubing-tubing dengan cairan berada di luar.

(4)

Water tube

Tipe boiler pipa air memiliki karakteristik : menghasilkan kapasitas dan tekanan steam yang tinggi. Water tube boiler yang sangat modern dirancang dengan kapasitas steam antara 4.500 – 12.000 kg/jam, dengan tekanan sangat tinggi.

Cara Kerja : proses pengapian terjadi diluar pipa (air berada dalam tubing dengan api berada di luar), kemudian panas yang dihasilkan memanaskan pipa yang berisi air dan sebelumnya air tersebut dikondisikan terlebih dahulu melalui economizer, kemudiansteam yang dihasilkan terlebih dahulu dikumpulkan di dalam sebuahsteam-drum. Sampai tekanan dan temperatur sesuai, melalui tahap secondary superheater dan primary superheater baru steamdilepaskan ke pipa utama distribusi. Didalam pipa air, air yang mengalir harus dikondisikan terhadap mineral atau kandungan lainnya yang larut di dalam air tesebut. Hal ini merupakan faktor utama yang harus diperhatikan terhadap tipe ini.

(5)

Tabel 1.1. Keuntungan dan kerugian boiler berdasarkan tipe pipa.

No. Tipe Boiler Keuntungan Kerugian

1 Fire Tube

Proses pemasangan mudah dan cepat, Tidak

membutuhkan settingkhusus

Tekanan

operasi steamterbatas untuk tekanan rendah 18 bar Investasi awal boiler ini

murah

Kapasitas steam relatif kecil (13.5 TPH) jika diabndingkan dengan water tube

Bentuknya lebihcompact dan portable

Tempat pembakarannya sulit dijangkau untuk dibersihkan, diperbaiki, dan diperiksa kondisinya.

Tidak membutuhkan area yang besar untuk 1 HP boiler

Nilai effisiensinya rendah, karena banyak energi kalor yang terbuang langsung menuju stack

2 Water Tube Kapasitas steam besar

sampai 450 TPH Proses konstruksi lebih detail Tekanan operasi mencapai

100 bar

Investasi awal relatif lebih mahal

Nilai effisiensinya relatif lebih tinggi dari fire tube boiler

Penanganan air yang masuk ke dalam boiler perlu dijaga, karena lebih sensitif untuk sistem ini, perlu komponen pendukung untuk hal ini Tungku mudah dijangkau

untuk melakukan

pemeriksaan, pembersihan, dan perbaikan.

Karena mampu menghasilkan kapasitas dan tekanan steam yang lebih besar, maka konstruksinya dibutuhkan area yang luas

b. Klasifikasi berdasarkan bahan bakar yang digunakan - Solid Fuel

(6)

Tipe boiler bahan bakar padat memiliki karakteristik : harga bahan baku pembakaran relatif lebih murah dibandingkan dengan boiler yang menggunakan bahan bakar cair dan listrik. Nilai effisiensi dari tipe ini lebih baik jika dibandingkan dengan boiler tipe listrik.

Cara kerja : pemanasan yang terjadi akibat pembakaran antara percampuran bahan bakar padat (batu bara, baggase, rejected product, sampah kota, kayu) dengan oksigen dan sumber panas.

- Oil Fuel

Tipe boiler bahan bakar cair memiliki karakteristik : harga bahan baku pembakaran paling mahal dibandingkan dengan semua tipe. Nilai effisiensi dari tipe ini lebih baik jika dbandingkan dengan boiler bahan bakar padat dan listrik.

Cara kerja : pemanasan yang terjadi akibat pembakaran antara percampuran bahan bakar cair (solar, IDO, residu, kerosin) dengan oksigen dan sumber panas.

- Gaseous Fuel

Tipe boiler bahan bakar gas memiliki karakteristik : harga bahan baku pembakaran paling murah dibandingkan dengan semua tipe boiler. Nilai effisiensi dari tipe ini lebih baik jika dibandingkan dengan semua tipe boiler berdasarkan bahan bakar. Cara kerja : pembakaran yang terjadi akibat percampuran bahan bakar gas (LNG) dengan oksigen dan sumber panas.

- Electric

Tipe boiler listrik memiliki karakteristik : harga bahan baku pemanasan relatif lebih murah dibandingkan dengan boiler yang menggunakan bahan bakar cair. Nilai

(7)

effisiensi dari tipe ini paling rendah jika dbandingkan dengan semua tipe boiler berdasarkan bahan bakarnya.

Cara kerja : pemanasan yang terjadi akibat sumber listrik yang menyuplai sumber panas.

Tabel 1.2. Keuntungan dan kerugian boiler berdasarkan bahan bakar.

1 Solid Fuel Bahan baku mudah didapatkan.

Sisa pembakaran sulit dibersihkan

Murah konstruksinya. Sulit mendapatkan bahan baku yang baik.

2 Oil Fuel

Sisa pembakaran tidak banyak dan lebih mudah dibersihkan.

Harga bahan baku paling mahal.

Bahan bakunya mudah

didapatkan. Mahal konstruksinya. 3 Gaseous Fuel Harga bahan bakar paling

murah. Mahal konstruksinya.

Paling baik nilai effisiensinya.

Sulit didapatkan bahan bakunya, harus ada jalur distribusi.

4 Electric Paling mudah perawatannya.

Paling buruk nilai effisiensinya. Mudah konstruksinya dan

mudah didapatkan sumbernya.

Temperatur pembakaran paling rendah.

c.Klasifikasi berdasarkan kegunaan boiler - Power Boiler

(8)

Tipe power boiler memiliki karakteristik : kegunaan utamanya sebagai penghasil steam sebagai pembangkit listrik, dan sisa steamdigunakan untuk menjalankan proses industri.

Cara kerja : steam yang dihasilkan boiler ini menggunakan tipe water tube boiler, hasil steam yang dihasilkan memiliki tekanan dan kapasitas yang besar, sehingga mampu memutar steam turbin dan menghasilkan listrik dari generator.

- Industrial Boiler

Tipe industrial boiler memiliki karakteristik : kegunaan utamanya sebagai penghasil steam atau air panas untuk menjalankan proses industri dan sebagai tambahan pemanas.

Cara kerja : steam yang dihasilkan boiler ini dapat menggunakan tipe water tube atau fire tube boiler, hasil steam yang dihasilkan memiliki kapasitas yang besar dan tekanan yang sedang.

- Commercial Boiler

Tipe commercial boiler memiliki karakteristik : kegunaan utamanya sebagai penghasil steam atau air panas sebagai pemanas dan sebagai tambahan untuk menjalankan proses operasi komersial.

Cara kerja : steam yang dihasilkan boiler ini dapat menggunakan tipe water tube atau fire tube boiler, hasil steam yang dihasilkan memiliki kapasitas yang besar dan tekanan yang rendah.

- Residential Boiler

Tipe residential boiler memiliki karakteristik : kegunaan utamanya sebagai penghasil steam atau air panas tekanan rendah yang digunakan untuk perumahan. Cara kerja : steam yang dihasilkan boiler ini menggunakan tipe fire tube boiler, hasil steam yang dihasilkan memiliki tekanan dan kapasitas yang rendah

(9)

- Heat Recovery Boiler

Tipe heat recovery boiler memiliki karakteristik : kegunaan utamanya sebagai penghasil steam dari uap panas yang tidak terpakai. Hasilsteam ini digunakan untuk menjalankan proses industri.

Cara kerja : steam yang dihasilkan boiler ini menggunakan tipe water tube boiler atau fire tube boiler, hasil steam yang dihasilkan memiliki tekanan dan kapasitas yang besar.

Tabel 1.3. Keuntungan dan kerugian boiler berdasarkan kegunaan.

1 Power Boiler

Dapat menghasilkan listrik dan sisa steamdapat menjalankan proses industri.

Konstruksi awal relatif mahal.

Steam yang dihasilkan memiliki tekanan tinggi

Perlu diperhatikan faktor safety.

2 Industrial Boiler Penanganan boiler lebih mudah.

Steam yang dihasilkan memiliki tekanan rendah. Konstruksi awal relatif

murah. 3 Commercial

Boiler

Penanganan boiler lebih mudah.

murah. 4 Residential

Boiler

murah. 5 Heat Recovery

Boiler

murah.

(10)

- Package Boiler

Tipe package boiler memiliki karakteristik : perakitan boiler dilakukan di pabrik pembuat, pengiriman langsung dalam bentuk boiler.

- Site Erected Boiler

Tipe site erected boiler memiliki karakteristik : perakitan boiler dilakukan di tempat akan berdirinya boiler tersebut, pengiriman dilakukan per komponen.

Tabel 1.4. Keuntungan dan kerugian boiler berdasarkan konstruksi.

1 Package Boiler Mudah pengirimannya. Terbatas tekanan dan kapasitas kerjanya. Dibutuhkan waktu yang

singkat untuk

mengoprasikan setelah pengiriman.

Komponen-komponen boiler tergantung pada produsen boiler.

2 Site Erected Boiler

Tekanan dan kapasitas kerjanya dapat

disesuaikan keinginan.

Sulit pengirimannya, memakan biaya yang mahal. Komponen-komponen

boiler dapat dipadukan dengan produsen lain.

Perlu waktu yang cukup lama setelah boiler berdiri, setelah proses pengiriman.

e. Klasifikasi berdasarkan tekanan kerja boiler - Low Pressure Boilers

Tipe low pressure boiler memiliki karakteristik : tipe ini memiliki tekanan steam operasi kurang dari 15 psig atau menghasilkan air panas dengan tekanan dibawah 160 psig atau temperatur dibawah 250 0_F

(11)

Tipe high pressure boiler memiliki karakteristik : tipe ini memiliki tekanan steam operasi diatas 15 psig atau menghasilkan air panas dengan tekanan diatas 160 psig atau temperatur diatas 250 0_F

Tabel 1.5. Keuntungan dan kerugian boiler berdasarkan tekanan kerja.

1 Low Pressure

Tekanan rendah sehingga penanganannya tidak terlalu rumit

Tekanan yang dihasilkan rendah, tidak dapat membangkitkan listrik. Area yang dibutuhkan

tidak terlalu besar, dan biaya konstruksi tidak lebih mahal dari high pressure boiler

2 High Pressure

Tekanan yang dihasilkan tinggi sehingga dapat membangkitkan listrik dan sisanya dapat didaur ulang untuk

mengoprasikan proses industri

Tekanan tinggi sehingga penanganannya perlu diperhatikan aspek keselamatannya.

Area yang dibutuhkan besar dan biaya konstruksi lebih mahal darilow pressure boiler

f. Klasifikasi berdasarkan cara pembakaran bahan bakar - Stoker Combustion

Tipe stoker combustion memiliki karakteristik : tipe ini memanfaatkan bahan bakar padat untuk melakukan pembakaran, bahan bakar padat dimasukkan kedalam ruang pembakaran melalui conveyor ataupun manual. Tipe ini memiliki sisa pembakaran

(12)

yang harus diatangani berupa bottom ash atau fly ash yang dapat mencemari lingkungan.

- Pulverized Coal

Cara kerja : proses ini menghancurkan batu bara dengan ball mill atau roller mill sehingga batu bara memiliki ukuran kurang dari 1 mm. kemudian batu bara berupa bubuk ini disemprotkan ke dalam ruang pembakaran.

- Fluidized Coal

Cara kerja : proses ini menghancurkan batu bara dengan crusher, sehingga batu bara memiliki ukuran kurang dari 2 mm. Pada proses ini pembakaran dilakukan dalam lapisan pasir, batu bara akan langsung membara jika mengenai pasir.

- Firing Combustion

Tipe firing memiliki karakteristik : tipe ini memanfaatkan bahan bakar cair, padat, dan gas untuk melakukan pembakaran, pemanasan yang terjadi lebih merata.

Cara kerja : bahan bakar cair digunakan sebagai preliminary firing fueldimasukkan kedalam ruang pembakaran melalui oil gun. Setelah tercapai temperatur yang sesuai, pembakaran diambil alih oleh coal nozzle atau gas nozzle.

Tabel 1.6. Keuntungan dan kerugian boiler berdasarkan pembakaran.

1 Stoker Combustion

Konstruksinya relatif sederhana.

Limbah yang diproduksi pembakaran lebih banyak Panas yang dihasilkan kurang merata jika tidak ada

komponen pendukung. Effisiensi relatif rendah 2 Pulverized Efisiensi relatif tinggi Konstruksinya rumit dan

(13)

membutuhkan dana investasi yang mahal.

Proses pembakaran lebih merata pada tungku pembakaran.

3 Fluidized Bed Efisiensi relatif tinggi

Konstruksinya rumit dan membutuhkan dana investasi yang mahal.

Suhu pembakaran tidak mencapai suhu 10000_C

sehingga tidak menimbulkan NOX

4 Firing Limbah yang diproduksi pembakaran lebih sedikit

Konstruksi relatif rumit, perlu nozzle.

Panas yang dihasilkan lebih merata

Effisiensi relatif lebih baik

g. Klasifikasi berdasarkan material penyusun boiler - Steel

Tipe boiler dari bahan steel memiliki karakteristik : bahan baku utama boiler terbuat menggunakan steel pada daerah steam.

- Cast Iron

Tipe boiler dari bahan cast iron memiliki karakteristik : bahan baku utama boiler terbuat menggunakan besi cor pada daerah steam.

Tabel 1.7. Keuntungan dan kerugian boiler berdasarkan material.

1 Steel Kuat dan tahan lama. Biaya relatif mahal. Dapat dialiri steamuntuk Konstruksi lebih rumit.

(14)

tekanan tinggi.

2 Cast Iron Biaya relatif murah. Rentan dan mudah rusak. Konstruksi lebih

sederhana.

Dapat dialiri steam untuk tekanan yang terbatas.

E. Komponen pada boiler

(15)

Gambar 1.2 Gambar urutan langkah kerja boiler

Berikut ini adalah komponen pada boiler berikut fungsinya: -Furnance:

Merupakan tempat pembakaran bahan bakar . Beberapa bagian dari furnace siantaranya : refractory, ruang perapian, burner, exhaust for flue gas, charge and discharge door.

-Steam drum

Merupakan tempat penampungan air panas dan pembangkit steam. Steam masih bersifat jenuh, saturated sistem.

-Boiler drum

Berfungsi menampung air demineralized mengalirkannya ke tube dan menampung uap jenuh yang kembali.

-Economiser

Water tube, posisinya paling jauh dari sumber panas, fungsinya memanaskan air dengan sisa panas agar efisiensi kalor baik atau merupakan ruangan pemanas yang digunakan untuk memanaskan air dari air yang terkondensasi dari sistem sebelumnya maupun air umpan baru.

(16)

Gas buang setelah meninggalkan superheater, temperaturnya masih cukup tinggi sehingga akan merupakan kerugian panas yang besar bila gas tersebut langsung dibuang lewat cerobong. Gas buang yang masih panas ini dapat dimanfaatkan untuk memanasi air terlebih dahulu sebelum dimasukkan ke dalam drum ketel, sehingga air dalam keadaan panas. Air yang dalam keadaan panas pada saat masuk kedalam drum, dinding drum ketel tidak mengerut sehingga drum ketel dapat lebih awet. Keuntungan lainnya adalah dengan air yang telah dalam keadaan panas masuk ke dalam drum ketel tersebut untuk menguapkannya di dalam furnace hanya sedikit saja dibutuhkan panas. Sehingga dengan demikian untuk menguapkan air di dalam furnace hanya dibutuhkan sedikit bahan bakar, sehingga pemakaian bahan bakar menjadi lebih hemat atau dengan kata lain biaya operasi menjadi lebih ekonomis.

-Evaporator

Evaporator adalah sebuah alat yang berfungsi untuk memanaskan air hingga berubah menjadi uap jenuh, evapurator terdiri atas pipa-pipa air yang disusun dengan jarak sempit agar penyerapan kalor setinggi mungkin. Pipa-pipa tersebut adalah pipa evapurator yang berfungsi sebagai pipa penguapan yaitu merubah air menjadi uap, pipa evapurator terletak disepanjang dinding ketel mengelilingi alat pembakar (Furnace). Air masuk ketel melewati pipa pengatur turun (down corner) kemudian mengisi pipa evapurator dan mengalami pemanasan oleh pembakaran bahan bakar dan air akan mendidih lalu menuju Drum ketel oleh separator dilakukan proses pemisahan antara uap dan air. Air yang tersisa akan disirkulasikan kembali ke pipa evapurator untuk dipanaskan kembali. Selanjutnya uap tersebut akan dialirkan ke superheater untuk dipanaskan lebih lanjut.-Superheater : fungsinya memanaskan uap air menjadi superheated steam (uap panas lanjut) atau merupakan tempat pengeringan steam dan siap dikirim melalui main steam pipe dan siap untuk menggerakkan turbin uap atau menjalankan proses industri.

- Pemanas Lanjut (Superheater).

(17)

untuk memanaskan uap basah dari boiler menjadi uap yang dipanaskan lanjut. Uap yang dipanaskan lanjut bila digunakan untuk melakukan kerja dengan jalan ekspansi di dalam turbin tidak akan segera mengembun, sehingga mengurangi kemungkinan timbulnya bahaya yang disebabkan terjadinya pukulan balik atau back stroke yang diakibatkan mengembunnya uap sebelum pada waktunya sehingga menimbulkan vakum di tempat yang tidak semestinya pada daerah ekspansi.

Superheater terdiri atas 3 tingkat yaitu Superheater I, Superheater IB dan Superheater II, kontrol temperatur menggunakan feed water spraying (Attamperator), Attemperator I diletakkan diantara Superheater I dan Superheater IB, Attemperator II diletakkan diantara Superheater IB dan

Superheater II.

-Turbin uap

fungsinya merubah energi panas menjadi energi gerak. -Condenser

fungsinya merubah fasa uap menjadi air kembali -Air heater :

Fungsinya merupakan ruangan pemanas yang digunakan untuk memanaskan udara luar yang diserap untuk meminimalisasi udara yang lembab yang akan masuk ke dalam tungku pembakaran.

Pemanasan udara pendahuluan sebelum dimasukkan ke ruang bakar berarti mengurangi kebutuhan untuk menaikkan temperatur udara di dalam ruang bakar, manfaat lain dengan memanaskan udara pembakaran terlebih dahulu adalah agar dapat mempercepat penguapan air yang terkandung dalam bahan bakar.

-Safety valve

Merupakan saluran buang steam jika terjadi keadaan dimana tekanan steam melebihi kemampuan boiler menahan tekanan steam.

-Blowdon valve

Komponen ini merupakan saluran yang berfungsi membuang endapan yang berada di dalam pipa steam

(18)

Fungsinya Merupakan suatu wadah yang bertujuan agar suhu steam yang akan masuk ke Turbin sesuai dengan suhu desainnya.

Desuperheaterisasi adalah proses menurunkan suhu uap dengan cara menginjeksikan air pendingin ke dalamnya.

F. Urutan proses pemanasan pada boiler

1.Air demineralized (air tanpa kandungan mineral/air murni) dipompakan ke boiler dari condenser (kita bicara boiler turbin uap yg siklus airnya tertutup) dengan pompa melalui pipa economiser, di economiser , air menerima panas tapi belum menguap atau masih fase air.

2. Air tersebut masuk ke boiler drum dan diteruskan ke seluruh water tube evaporator untuk dirubah fasanya menjadi uap jenuh (saturated steam) dan kembali lagi ke boiler drum.

3. Uap di boiler drum dialirkan (uap melalui saluran diatas, sedangkan air dibawah) ke superheater tube yang berada paling dekat dengan sumber panas untuk merubah uap jenuh menjadi uap panas lanjut (superheated steam) 4.Superheated steam kemudian dialirkan ke steam turbin untuk menggerakkan blade turbin.

5. Setelah melalui turbin temperatur uap menurun atau begitu juga enthalpy nya, fasanya berubah kembali ke uap jenuh & mengalir ke condenser. 6. Di condenser fasanya dirubah kembali ke fasa cair dan kemudian dipompakan kembali ke boiler.dan siklusnya kembali spt semula.

G. Pengkaji boiler a.Evaluasi kinerja boiler

Parameter kinerja boiler, seperti efisiensi dan rasio penguapan, berkurang terhadap waktu disebabkan buruknya pembakaran, kotornya permukaan penukar panas dan buruknya operasi dan pemeliharaan. Bahkan untuk boiler yang baru sekalipun, alasan seperti bur uknya kualitas bahan bakar dan kualitas air dapat mengakibatkan buruknya kinerja boiler. Neraca panas dapat

(19)

membantu dalam mengidentifikasi kehilangan panas yang dapat atau tidak dapat dihindari. Uji efisiensi boiler dapat membantu dalam menemukan penyimpangan efisiensi boiler dari efisiensi terbaik dan target area permasalahan untuk tindakan perbaikan.

b. Neraca panas

Proses pembakaran dalam boiler dapat digambarkan dalam bentuk diagram alir energi. Diagram ini menggambarkan secara grafis tentang bagaimana energi masuk dari bahan bakar diubah menjadi aliran energi dengan berbagai kegunaan dan menjadi aliran kehilangan panas dan energi. Panah tebal menunjukan jumlah energi yang dikandung dalam aliran masing masing.

Gambar 1.3 Diagram Energi Neraca Boiler

Neraca panas merupakan keseimbangan energi total yang masuk boiler terhadap yang meninggalkan boiler dalam bentuk yang berbeda. Gambar berikut memberikan gambaran berbagai kehilangan yang terjadi untuk pembangkitan steam.

(20)

Gambar 1.4 Kehilangan panas pada boiler yang berbahan bakar batu bara Kehilangan energi dapat dibagi kedalam kehilangan yang tidak atau dapat dihindarkan.

Tujuan dari Produksi Bersih dan/atau pengkajian energi harus mengurangi kehilangan yang dapat dihindari, dengan meningkatkan efisiensi energi. Kehilangan berikut dapat dihindari atau dikurangi:

--Kehilangan gas cerobong:

- Udara berlebih (diturunkan hingga ke nilai minimum yang tergantung dari teknologi burner, operasi (kontrol), dan pemeliharaan).

- Suhu gas cerobong (diturunkan dengan mengoptimalkan perawatan (pembersihan), beban; burner yang lebih baik dan teknologi boiler).

--Kehilangan karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam cerobong dan abu (mengoptimalkan operasi dan pemeliharaan; teknologi burner yang lebih baik). --Kehilangan dari blowdown (pengolahan air umpan segar, daur ulang kondensat)

--Kehilangan kondensat (manfaatkan sebanyak mungkin kondensat)

--Kehilangan konveksi dan radiasi (dikurangi dengan isolasi boiler yang lebih baik)

c. Efisiensi boiler

Efisiensi termis boiler didefinisikan sebagai “persen energi (panas) masuk yang digunakan secara efektif pada steam yang dihasilkan.”

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.

(21)

dan energi yang masuk.

1.Metode langsung dalam menentukan efisiensi boiler

Metodologi

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. Efisiensi ini dapat dievaluasi dengan menggunakan rumus:

Efisiensi Boiler η

Parameter yang dipantau untuk perhitungan efisiensi boiler dengan metode langsung adalah:

-Jumlah steam yang dihasilkan per jam (Q) dalam kg/jam -Jumlah bahan bakar yang digunakan per jam (q) dalam kg/jam

-Tekanan kerja (dalam kg/cm2(g)) dan suhu lewat panas (oC), jika ada -Suhu air umpan (oC)

-Jenis bahan bakar dan nilai panas kotor bahan bakar (GCV) dalam kkal/kg bahan bakar

Dimana

-hg –Entalpi steam jenuh dalam kkal/kg steam -hf –Entalpi air umpan dalam kkal/kg air Contoh

(22)

Cari efisiensi boiler dengan metode langsung dengan data yang diberikan dibawah ini:

-Jenis boiler Berbahan bakar batubara

-Jumlah steam (kering) yang dihasilkan: 10 TPJ -Tekanan steam (gauge) / suhu: 10 kg/cm2_{(g)/ 180}0_C

-Jumlah pemakaian batubara: 2,25 TPJ -Suhu air umpan : 850_C

-GCV batubara: 3200 kkal/kg

-Entalpi steam pada tekanan 10 kg/cm2_{: 665 kkal/kg (jenuh)}

-Entalp of air umpan: 85 kkal/kg Efisiensi Boiler

Keuntungan metode langsung

-Pekerja pabrik dapat dengan cepat mengevaluasi efisiensi boiler -Memerlukan sedikit parameter untuk perhitungan

-Memerlukan sedikit instrumen untuk pemantauan Kerugian metode langsung

-Tidak memberikan petunjuk kepada operator tentang penyebab dari efisiensi sistim yang

lebih rendah

-Tidak menghitung berbagai kehilangan yang berpengaruh pada berbagai tingkat efisiensi

2. Metode tidak langsung dalam menentukan efisiensi boiler

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

(23)

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 dapat dikendalikan oleh perancangan.

Data yang diperlukan untuk perhitungan efisiensi boiler dengan menggunakan metode tidak langsung adalah:

-Analisis ultimate bahan bakar (H2, O2, S, C, kadar air, kadar abu) -oksigen atau CO2 dalam gas buang

-Suhu gas buang dalam oC (Tf)

-Suhu ambien dalam oC (Ta) dan kelembaban udara dalam kg/kg udara kering

-GCV bahan bakar dalam kkal/kg

-Persentase bahan yang dapat terbakar dalam abu (untuk bahan bakar padat) -GCV abu dalam kkal/kg (untuk bahan bakar padat)

Prosedur rinci untuk perhitungan efisiensi boiler menggunakan metode tidak langsung diberikan dibawah. Biasanya, manager energi di industri lebih menyukai prosedur perhitungan yang lebih sederhana.

(24)

Tahap 1: Menghitung kebutuhan udara teoritis

= [(11,43 x C) + {34,5 x (H2 – O2/8)} + (4,32 x S)]/100 kg/kg bahan bakar Tahap 2: Menghitung persen kelebihan udara yang dipasok (EA)

Tahap 3: Menghitung massa udara sebenarnya yang dipasok/ kg bahan bakar (AAS) = {1 + EA/100} x udara teoritis

Tahap 4: Memperkirakan seluruh kehilangan panas

i. Persentase kehilangan panas yang diakibatkan oeh gas buang yang kering = m x Cp x (Tf-Ta) x 100

GCV bahan bakar

Dimana, m = massa gas buang kering dalam kg/kg bahan bakar m = (massa hasil pembakaran kering / kg bahan bakar) + (massa N2 dalam bahan bakar pada basis 1 kg) + (massa N2 dalam massa udara pasokan yang sebenarnya).

Cp = Panas jenis gas buang (0,23 kkal/kg )

ii. Persen kehilangan panas karena penguapan air yang terbentuk karena adanya H2 dalam bahan bakar=

Dimana,H2 = persen H2 dalam 1 kg bahan bakar

(25)

iii. Persen kehilangan panas karena penguapan kadar air dalam bahan bakar

Dimana, M –persen kadar air dalam 1 kg bahan bakar

Cp = panas jenis steam lewat jenuh/superheated steam (0,45 kkal/kg) iv. Persen kehilangan panas karena kadar air dalam udara

= AAS x faktor kelembaban x Cp (Tf-Ta)} x 100

---GCV bahan bakar

Dimana, Cp = panas jenis steam lewat jenuh/superheated steam (0,45kkal/kg) v. Persen kehilangan panas karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu terbang/ fly ash

= Total abu terkumpul/kg bahan bakar yg terbakar x GCV abu terbang x 100

---GCV bahan bakar

vi. Persen kehilangan panas karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu bawah/ bottom ash

= Total abu terkumpul per Kg bahan bakar terbakar x GCV abu bawah x 100

---GCV bahan bakar

vii. Persen kehilangan panas karena radiasi dan kehilangan lain yang tidak terhitung Kehilangan radiasi dan konveksi aktual sulit dikaji sebab daya emisifitas permukaan yang beraneka ragam, kemiringan, pola aliran udara, dll. Pada boiler yang relatif kecil, dengan kapasitas 10 MW, kehilangan radiasi dan yang tidak terhitung dapat mencapai 1 hingga 2 persen nilai kalor kotor bahan bakar, sementara pada boiler 500 MW nilainya 0,2 hingga 1 persen. Kehilangan dapat diasumsikan secara tepat tergantung pada kondisi permukaan.

(26)

Tahap 5: Menghitung efisiensi boiler dan rasio penguapan boiler Efisiensi boiler (n) = 100 - (i + ii + iii + iv + v + vi + vii)

Rasio Penguapan = Panas yang digunakan untuk pembangkitan steam/ panas yang ditambahkan ke steam

Rasio penguapan yaitu kilogram steam yang dihasilkan per kilogram bahan bakar yang digunakan. Contohnya adalah:

-Boiler berbahan bakar batubara: 6 (yaitu 1 kg batubara dapat menghasilkan 6 kg steam)

-Boiler berbahan bakar minyak: 13 (yaitu 1 kg batubara dapat menghasilkan 13 kg steam)

Walau demikian, rasio penguapan akan tergantung pada jenis boiler, nilai kalor bahan bakar dan efisiensi.

Contoh

§ Jenis boiler: Berbahan bakar minyak § Analisis ultimate minyak bakar C: 84 persen

H2: 12,0 persen S: 3,0 persen O2: 1 persen

§ GCV Minyak bakar: 10200 kkal/kg § Persentase Oksigen: 7 persen § Persentase CO2: 11 persen § Suhu gas buang (Tf): 220 0_C

§ Suhu ambien (Ta): 27 0_C

§ Kelembaban udara: 0,018 kg/kg udara kering Tahap-1: Mengitung kebutuhan udara teoritis

= [(11,43 x C) + [{34,5 x (H2 – O2/8)} + (4,32 x S)]/100 kg/kg minyak bakar

= [(11,43 x 84) + [{34,5 x (12 – 1/8)} + (4,32 x 3)]/100 kg/kg minyak bakar

= 13,82 kg udara/kg minyak bakar

(27)

Udara berlebih yang dipasok (EA) = (O2 x 100)/(21-O2)

= (7 x 100)/(21-7) = 50 %

Tahap 3: Menghitung massa udara sebenarnya yang dipasok / kg bahan bakar (AAS)

AAS/kg bahan bakar = [1 + EA/100] x Udara Teoritis (AAS) = [1 + 50/100] x 13,82

= 1,5 x 13,82

= 20,74 kg udara/kg minyak bakar

Tahap 4: Memperkirakan seluruh kehilangan panas

i. Persentase kehilangan panas karena gas kering cerobong

Dapat juga digunakan sebuah metode yang lebih sederhana: Persentase kehilangan panas yang disebabkan oleh gas kering cerobong

(28)

(29)

Tahap 5: Menghitung efisiensi boiler dan rasio penguapan boiler Efisiensi boiler (n) = 100 - (i + ii + iii + iv + v + vi + vii)

i. Kehilangan panas karena gas buang kering : 9,29 %

ii. Kehilangan panas karena penguapan air yang terbentuk karena adanya H2 dalam bahan bakar : 7,10 %

iii. Kehilangan panas karena kadar air dalam udara : 0,317 %

iv. Kehilangan panas karena radiasi dan kehilangan lain yang tidak terhitung : 2 % = 100- [9,29+7,10+0,317+2] = 100 – 17,024 = 83 % (perkiraan)

Rasio penguapan = Panas yang digunakan untuk pembangkitan steam/ Panas yang ditambahkan ke steam

= 10200 x 0,83 / (660-60)

= 14,11 (bandingkan dengan rasio penguapan untuk boiler yang berbahan bakar minyak = 13)

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 - Perlu waktu lama

(30)

Referensi

Department of Coal Publications, Government of India. Fluidised Bed Coal-Fired

Boilers

Department of Coal, India, prepared by National Productivity Council. Coal –

Improved Techniques for Efficiency. 1985

Elonka, Jackson M., and Alex Higgins, Steam Boiler Room Questions & Answers, Third Edition Energy Machine, India. Energy Machine Products, Thermic Fluid

Heater: Flowtherm series.www.warmstream.co.in/prod-em-thermic-

fluid-heaters.html

Energy Machine, India. Energy Machine Products, Thermic Fluid Heater:

Flowtherm series.

www.warmstream.co.in/prod-em-thermic- fluid-heaters.html

Gunn, D., and Horton, R. Industrial Boilers, Longman Scientific & Technical, New York

India Energy Bus Project, Industrial Heat Generation and Distribution. NIFES Training

Manual Issued for CEC www.cf.missouri.edu/energy/

YourDictionary.com. Water tube boiler. 2004

www.yourdictionary.com/images/ahd/jpg/A4boiler.jpg. Websites: www.eren.doe.gov www.oit.doe.gov/bestpractices www.pcra.org www.energy-efficiency.gov.uk www.actionenergy.org.uk www.cia.org.uk www.altenergy.com