PERHITUNGAN EFISIENSI BOILER PADA INDUSTRI INDUSTRI TEPUNG TERIGU

Transkripsi

1 J.Tek.Ling Edisi Khusus Hal Jakarta, Juli 2006 ISSN X PERHITUNGAN EFISIENSI BOILER PADA INDUSTRI INDUSTRI TEPUNG TERIGU Widiatmini Sih Winanti dan Teguh Prayudi Peneliti di Pusat Teknologi Lingkungan Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi Abstract Boiler is an enclosed vessel that consume significant amount of fuel for heating water to become heated water or steam. The hot water or steam under pressure is then usable for transferring the heat to a process. Water is a useful and inexpensive medium for transferring heat to process. One of the methods for fuel consumption efficiency in boiler operation is maintain the steam production efficiency always in high performance, therefore can utilize the energy input as much as possible to produce steam. Boiler efficiency calculation can be calculated using direct method and indirect method. Each method has its advantage and disadvantage. The results of calculation can be used as guidance for industry to improve the boiler performance to become more efficient, that can reduce fuel consumption and production cost. The result of boiler efficiency calculation in flour industry is 69.6%. This result show that the boiler performance is under good efficiency standard for boiler 85%. Key words: Boiler, efficiency, direct methods, indirect methods. 1. PENDAHULUAN Boiler adalah bejana tertutup dimana panas peman 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, volume nya akan meningkat sekitar kali, menghasilkan tenaga yang menyerupai bubuk mesiu yang mudah meledak, sehingga boiler merupakan peralatan yang harus dikelola dan dijaga dengan sangat baik. Sistem boiler terdiri dari : sistem air umpan, sistem steam dan sistem bahan. 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 adalah semua peralatan yang digunakan untuk menyediakan bahan untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan. Peralatan yang diperlukan pada sistem bahan tergantung pada jenis bahan yang digunakan pada sistem. (1) 58 Winanti.W,S dan T, Prayudi: 2006

2 Salah satu cara untuk mengefisienkan penggunaan bahan pada boiler adalah dengan menjaga supaya efisiensi peman bahan pada boiler tetap tinggi. Steam ke Proses Pemisah Blow down BOILER BO IL Ec Economizer on m iz Umpan bahan kimia Gambar 1. Diagram skematis Sistim Boiler 2. JENIS BOILER Burner BU RN 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 and Pemanas fluida termis (1) 2.1 Fire Tube Boiler Gas buang Cerobong Bahan Pelunakan air Deaerato r Pompa Sumber air 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. 2.2 Water Tube Boiler Pada water tube boiler, air umpan boiler mengalir melalui pipa-pipa masuk kedalam drum. Air yang tersirkulasi dipanaskan oleh gas pem 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. 2.3 Paket Boiler Disebut boiler paket sebab sudah tersedia sebagai paket yang lengkap. Pada saat dikirim ke pabrik, hanya memerlukan pipa steam, pipa air, suplai bahan 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 peman dan tingginya panas yang dilepas menghasilkan penguapan yang lebih cepat. 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 Boiler Peman dengan Fluidized Bed (FBC) Peman dengan fluidized bed (FBC) memiliki kelebihan dibanding sistim peman yang konvensional karena rancangan boiler yang kompak, fleksibel terhadap bahan, efisiensi peman yang tinggi dan berkurangnya emisi polutan yang merugikan seperti SOx dan NOx. Dapat digunakan bahan batubara kualitas rendah, limbah industri dan komersial, Perhitungan Efisiensi Boiler...J. Tek. Ling. PTL-BPPT. Edisi khusus:

3 sekam padi, bagas & limbah pertanian lainnya. Kisaran suhu operasinya cukup luas antara 840 o C 950 o C dengan kapasitas antara 0.5 T/jam sampai lebih dari 100 T/jam. To mem berbagai kualitas batubara, respon yang cepat terhadap perubahan beban muatan, penggunaan suhu udara pemanas awal yang tinggi dll. 2.7 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. 3. PENGKAJIAN EFISIENSI BOILER Oi Gambar 2. Jenis Paket Boiler 3 Pass, bahan minyak 2.5 Stoker Fired Boilers Stokers diklasifikasikan menurut metode pengumpanan bahan 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 2.6 Pulverized Fuel Boiler Kebanyakan boiler stasiun pembangkit tenaga yang berbahan 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 peman batubara merupakan jenis ini. Sistim ini memiliki banyak keuntungan seperti kemampuan Pengkajian efisiensi boiler dilakukan untuk mengevaluasi Kinerja boiler 3.1 Evaluasi Kinerja Boiler Beberapa faktor yang mempengaruhi kinerja boiler adalah: Efisiensi boiler Rasio penguapan/ evaporation ratio Pengerakan pada permukaan transfer panas Perawatan yang kurang baik Kualitas dan kandungan air bahan Uji efisiensi boiler dapat membantu dalam menemukan penyimpangan efisiensi boiler dari efisiensi terbaik dan target area permasalahan untuk tindakan perbaikan. a. Neraca Panas Proses peman dalam boiler dapat digambarkan dalam bentuk diagram alir energi, seperti terlihat pada gambar 2. Neraca panas merupakan keseimbangan energi total yang masuk boiler terhadap yang meninggalkan boiler dalam bentuk yang berbeda. Gambar Winanti.W,S dan T, Prayudi: 2006

4 berikut memberikan gambaran berbagai kehilangan yang terjadi untuk pembangkitan steam. b. Efisiensi Boiler Efisiensi termis boiler adalah energi panas masuk yang digunakan secara efektif untuk menghasilkan steam BAHAN BAKAR MASUK FUE L Gas buang Stokiometrik Udara St ac G berlebih Stoch iomet Exc Tidak ter a ess Un bur STEAM KELUAR EA Metode Tidak Langsung: efisiensi merupakan perbedaan antara kehilangan dan energi yang masuk. c. Metode langsung dalam menentukan fisiensi boiler (1) Dikenal juga sebagai metode input-output karena metode ini hanya memerlukan keluaran/output (steam) dan panas masuk/input (bahan ) untuk evaluasi efisiensi. Efisiensi ini dapat dievaluasi dengan menggunakan persamaan: Efisiensi Boiler (η) = Panas masuk x (1) Panas keluar Konvek si Abu dan bagian bahan yang tidak ter Gambar. 3. Diagram neraca - energi boiler (2) 12.7 % gas 8.1 % buang kering 100 % 1.7 % steam dalam gas buang BOILER 0.3 % kandungan air dalam bhn Bahan 2.4 % kandungan air dalam udara bahan yang tidak ter 1.0 % dalam residu radiasi dan kehilangan yang 73.8 % tidak terhitung Panas dalam Steam Gambar 4. Berbagai kehilangan pada produksi stem (1) Ada dua metode pengkajian efisiensi boiler: Metode Langsung: energi yang terkandung dalam steam dibandingkan dengan energi yang terkandung dalam bahan boiler. Q x (hg - hf) Efisiensi Boiler (η) = x (2) q x GCV Dimana h g Entalpi steam jenuh dalam kkal/kg steam h f Entalpi air umpan dalam kkal/kg air Parameter yang dipantau untuk perhitungan efisiensi boiler dengan metode langsung adalah: Jumlah steam yang dihasilkan per jam (Q) dalam kg/jam Jumlah bahan 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 dan nilai panas kotor bahan (GCV) dalam kkal/kg bahan Keuntungan metode langsung Efisiensi boiler dapat segera dievaluasi Memerlukan sedikit parameter untuk perhitungan Perhitungan Efisiensi Boiler...J. Tek. Ling. PTL-BPPT. Edisi khusus:

5 Memerlukan sedikit instrumen untuk pemantauan Mudah membandingkan rasio penguapan dengan data benchmark Kerugian metode langsung Tidak memberikan petunjuk kepada operator tentang penyebab dari efisiensi masing-masing sistim Tidak menghitung berbagai kehilangan pada berbagai tingkat efisiensi Metode tidak langsung dalam menentukan efisiensi boiler (3)(4) 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) = (i + ii + iii + iv + v + vi + vii)...(3) Dimana kehilangan yang terjadi dalam boiler adalah kehilangan panas yang diakibatkan oleh: i. Gas cerobong yang kering ii. Penguapan air yang terbentuk karena H 2 dalam bahan iii. Penguapan kadar air dalam bahan iv. Adanya kadar air dalam udara peman v. Bahan yang tidak ter dalam abu terbang/ fly ash vi. Bahan yang tidak ter dalam abu bawah/ bottom ash vii. Radiasi dan kehilangan lain yang tidak terhitung Data yang diperlukan untuk perhitungan efisiensi boiler secara tidak langsung adalah: Analisis ultimate bahan (H 2, O 2, S, C, kadar air, kadar abu) Persentase O 2 atau CO 2 dalam gas buang Suhu gas buang dalam o C (Tf) Suhu ambien (Ta) dan kelembaban udara dalam kg/kg udara kering dalam kkal/kg Persentase bahan yang dapat ter dalam abu (untuk bahan padat) GCV abu dalam kkal/kg (untuk bahan padat) Prosedur perhitungan efisiensi boiler metode tidak langsung adalah sebagai berikut: Tahap 1: Menghitung kebutuhan udara teoritis = [(11,43 x C) + {34,5 x (H2 O2/8)} + (4,32 x S)]/100 kg/kg bahan...(4) Tahap 2: Menghitung persen kelebihan udara yang dipasok (EA) persen O 2 x 100 = (5) (21 persen O 2 ) Tahap 3: Menghitung massa udara sebenarnya yang dipasok/ kg bahan (AAS) = {1 + EA/100} x udara teoritis...(6) Tahap 4: Memperkirakan seluruh kehilangan panas i. Persentase kehilangan panas yang diakibatkan oeh gas buang yang kering = m x C p x (T f -T a ) x (7) 62 Winanti.W,S dan T, Prayudi: 2006

6 m = (massa hasil peman kering / kg bahan ) + (massa N 2 dalam bahan pada basis 1 kg) + (massa N 2 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 H 2 dalam bahan 9 x H 2 {584+C p (T f -T a )} x 100 = (8) Dimana,H 2 = persen H 2 dalam 1 kg bahan Cp = panas jenis steam lewat jenuh/superheated steam (0,45 kkal/kg) iii. Persen kehilangan panas karena penguapan kadar air dalam bahan M{584+ C p (T f -T a )} x 100 = (9) Dimana, M persen kadar air dalam 1 kg bahan iv. Persen kehilangan panas karena kadar air dalam udara AAS x kelembaban x C p (T f-t a)} x 100 = (10) v. Persen kehilangan panas karena bahan yang tidak ter dalam abu terbang/ fly ash Total abu /kg bahan x GCV abu x 100 = (11) vi. Persen kehilangan panas karena bahan yang tidak ter dalam abu bawah/ bottom ash Total abu/ Kg bahan x GCV abu bwh x 100 = (12) vii. Persen kehilangan panas karena radiasi dan kehilangan lain yang tidak terhitung Tahap 5: Menghitung efisiensi boiler dan rasio penguapan boiler Dihitung juga rasio penguapan yaitu kilogram steam yang dihasilkan per kilogram bahan yang digunakan. 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 Memerlukan fasilitas laboratorium lengkap untuk analisis 4. METODOLOGI PENELITIAN Metodologi pengkajian boiler dilakukan dengan melakukan pengukuran lapangan secara langsung, data analisis laboratorium dan/atau pengambilan data operasi boiler, baik data harian, mingguan maupun bulanan. Data-data tersebut kemudian dipakai untuk melakukan perhitungan efisiensi boiler, baik secara langsung maupun tidak langsung menggunakan persamaa-persamaan tersebut diatas. Kemudian dilakukan analisis hasil perhitungan untuk menentukan kinerja boiler dan untuk memberikan rekomendasi untuk perbaikan kinerja boiler. Perhitungan Efisiensi Boiler...J. Tek. Ling. PTL-BPPT. Edisi khusus:

7 5. HASIL DAN PEMBAHASAN a. Perhitungan Efisiensi Boiler Secara Langsung Data dan pengukuran yang didapatkan adalah: tekanan steam 10 kg/cm 2, kapasitas produksi steam kg/jam dan jumlah air umpan boiler kg/jam. Dari data tekanan steam, dapat diketahui entalpi steam jenuh (h g ) dan entalpi air (H f ) dari table steam. Efisiensi boiler dapat dihitung menggunakan persamaan (2) berikut: Q x (hg hf) Efisiensi Boiler (?) = x 100 % q x GCV x (663 85) Efisiensi (?) = x 100 % x Efisiensi Boiler (?) = 67,6% b. Perhitungan Efisiensi Boiler Secara Tidak Langsung Data lebih lengkap yang didapat dari hasil kajian adalah sebagai berikut: Analisis ultimate minyak C : 84 persen H 2 : 12 persen S : 3,0 persen O 2 : 1,0 persen GCV Minyak : kkal/kg Persentase Oksigen: 8 persen Persentase CO 2 : 9 persen Suhu gas buang (T f ): C Suhu ambien (T a ): 30 0 C Kelembaban udara: 0,024 kg/kg udara kering (5) Dengan menggunakan persamaan (3) sampai dengan persamaan (12) dilakukan perhitungan efisiensi boiler secara tidak langsung dan didapatkan hasil perhitungan sebagai berikut: Pers. (3) Kebutuhan udara teoritis = 13,82 kg udara/ kg bahan Jumlah udara berlebih (pers.4) = 62 % Jumlah udara aktual umpan boiler = 22,4 kg udara/ kg bahan. Hasil kehilangan panas masingmasing dihitung menggunakan: Pers. (7). gas kering cerobong = 11,7% Pers. (8). H 2 dalam bahan = 7,36 % Pers. (9). Kehilangan karena air dalam bahan = 6,82 % Pers. (10). air dalam udara = 0,53 % Kehilangan panas radiasi = 2% Total kehilangan panas = 28,41% Efisiensi boiler hasil perhitungan tidak langsung = ,41 = 71,59% Rasio penguapan: = x 0,7159/ (663-85) = 12,38 6. KESIMPULAN Dari hasil perhitungan diatas terlihat bahwa efisiensi boiler berada dibawah standar kinerja yang baik 85%, demikian pula rasio penguapannya dibawah standar rasio penguapan yang diharapkan untuk bahan minyak solar yaitu SARAN Beberapa saran untuk meningkatkan efficiency peman adalah sebagai berikut: Perlu dilakukan pengkajian lebih lanjut pada gas buang cerobong untuk menentukan udara berlebih yang tepat untuk kesempurnaan peman Pemantauan suhu cerobong untuk dapat diturunkan suhunya dengan perawatan dan pembersihan yang baik dari jelaga yang terbentuk, Pengecekan pada burner untuk kesempurnaan peman. 64 Winanti.W,S dan T, Prayudi: 2006

8 Pemanfaatan kembali kondensat untuk meningkatkan suhu umpan dan efisiensi air dan bahan. Memanfaatkan blowdown/ kondensat untuk memanaskan udara peman. DAFTAR PUSTAKA 1. Uited Nation Environmental Program (UNEP), Boiler and Thermic Fluid Heater, Energy Efficiency Guide for Industry in Asia, efficiencyasia.org. 2. Winanti, W.S., 2006, Boiler dan Pemanas Fluida Termis, Pelatihan Produksi Bersih untuk Efisiensi Energi, BPP Teknologi. 3. British Standard, BS 845: USA Standard ASME PTC-4-1 Power Test Code Steam Generating Units. 5. Perry, R.H, Green, D., 1984, Perry s Chemical Engineers Handbook, hal. 12-5, 6th Ed., Mc. Graw Hill International Editions. Perhitungan Efisiensi Boiler...J. Tek. Ling. PTL-BPPT. Edisi khusus: