BAB II LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 BAB II LANDASAN 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 dididihkan sampai menjadi steam, volumnya 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 Steam merupakan bagian penting dan tidak terpisahkan dari teknologi modern. Tanpa steam, maka industry makanan kita, tekstil, manufaktur, bahan kimia, bahan kedokteran, daya, pemanasan dantransportasi tidak aka nada atau muncul seperti saat ini. Steam memberikan suatu cara pemindahan sejumlah energi yang terkendali dari suatu pusat, ruang boiler yang otomatis, dimana energi dapat 6

2 7 dihasilkan dengan efisien dan ekonomis, sampai ketitik penggunaan. Steam yang bergerak mengelilingi pabrik dianggap sama dengan transportasi dan penyediaan energi. Untuk beberapa alas an, steam merupakan komoditas yang digunakan untuk membawa energi panas. Penggunaannya terkenal diseluruh industri untuk pekerjaan yang luas dari produksi daya mekanis sampai penggunaan proses dan pemanasan ruangan. Dengan meningkatnya suhu dan air mendekati titik didihnya, beberapa molekul mendapat energi kinetic yang cukup untuk mencapai kecepatan yang membuatnya sewaktu-waktu lepas dari cairan keruang diatas permukaan, sebelum jatuh kembali kecairan. Pemanasan lebih lanjut akan mengakibatkan Eksitasi lebih besar dan sejumlah molekul dengan energi cukup untuk meninggalkan cairan jadi meningkat. Dengan mempertimbangkan struktur molekul cairan dan uap, masuk akal bahwa densitas steam lebih kecil dari air, sebab molekul steam terpisah jauh dengan yang lainnya. Ruang yang sacara tiba-tiba terjadi diatas permukaan menjadi terisi dengan steam dengan molekul yang kurang padat. Jika jumlah molekul yang meninggalkan permukaan cairan lebih besar dari yang masuk kembali, maka air menguap dengan bebasnya. Pada titik ini air sudah mencapai titik didihnya atau suhu jenuhnya, yang dijenuhkan oleh energi panas. Jika tekanannya tetap, penambahan lebih banyak panas tidak akan mengakibatkan kenaikan

3 8 suhu lebih lanjut namun menyebabkan air membentuk steam jenuh. Suhu air mendidih dengan steam jenuh dalam system yang saqma adalah sama, akan tetapi energi panas persatuan massanya lebih besar pada steam. Pada atmosfir suhu jenuhnya adalah 100 o C. Tetapi, jika tekanannya bertambah, maka aka nada penambahan lebih banyak panas yang peningkatan suhu tanpa perubahan fase. Oleh karena itu, kenaikan n tekanan secara efektif akan meningkatkan entalpi air dan suhu jenuh. Hubungan antara suhu jenuh dan tekanan dikenal dengan kurva steam jenuh Steam saturation curve Gambar 1 : Kurva steam Jenuh Air dan steam berada secara bersamaan pada berbagai tekanan pada kurva ini, keduanya akan berada pada suhu jenuh. Steam dengan

4 9 kondisi diatas kuva jenuh dikenal dengan superheated steam/steam lewat jenuh : Suhu diatas suhu jenuh disebut derajat steam jenuh Air dibawah kurva disebut air sub-jenuh. Jika steam dapat mengalir dari boiler pada kecepatan yang sama dengan yang dihasilkannya, peningkatan panas lebih lanjut akan meningkatkan laju produksinya. Jika steam yang sama tertahan tidak meninggalkan boiler, dan jumlah panas yang masuk dijaga tetap, energi yang masuk keboiler akan lebih besar disbanding energi yang keluar. Energi yang berlebih ini akan menaikkan tekanan, yang pada gilirannya akan menyebabkan suhu jenuh meningkat, karena suhu steam jenuh berhubungan dengan tekanannya Diagram Fase Steam Data yang diberikan dalam table steam dapat juga dinyatakan dalam bentuk grafik. Gambar 2 memberi gambaran hubungan antara entalpi dan suhu dalam berbagai tekanan, dan di kenal dengan diagram fase. Gambar 2 : Diagram Fase Entalpi Suhu

5 10 Ketika air dipanaskan dari suhu 0 o C sampai suhu jenuhnya, kondisinya mengikuti garis air jenuh sampai menerima sluruk entalpi cairannya, h f, ( A B ). Jika panas ditambahkan lebih lanjut, maka akan merubah fase kesteam jenuh dan berlanjut meningkatkan entalpi sambil tetap pada suhu jenuhnya, h fg, (B C). jika campuran steam/air meningkat kekeringannya, kondisinya bergerak dari faris cair jenuh ke garis uap jenuh, oleh kerena itu pada titik setengah antara kedua keadaan tersebut, fraksi kekeringan (x) nya sebesar 0,5. Hal yang sama, pada garis uap jenuh steamnya 100% kering. Begitu menerima seluruh entalpi penguapannya maka akan mencapai garis uap jenuh. Jika pemanas dilanjutkan peda titik ini, suhu steam akan naik mencapai lewat jenuh (C- D). Garis-garis cairan jenuh dan uap jenuh menutup wilayah diamana terdapat campuran steam/air-steam basah. Dalam daerah sebelah kiri garis cair jenuh, hanya terdapat air, dan pada sebelah kanan garis uap jenuh hanya terdapat steam lewat jenuh. Titik dimana garis cairan jenuh dan uap jenuh bertemu dikenal dengan titik kritis. Jika tekanan naik menuju titik kritis maka entalpi penguapannya berkurang, sampai menjadi nol pada titik kritisnya. Hal ini menunjukkan bahwa air berubah langsung menjadi steam pada titik kritisnya. Diatas titik kritis hanya gas yang mungkin ada. Keadaan gas merupakan keadaan yang paling terdifusi dimana molekulnya hamper memilki gerakan yang tidak terbatasi, dan volumenya meningkat tanpa batas ketika tekanannya berkurang. Titik kritis merupakan suhu

6 11 tertinggi diamana bahan berada dalam bentuk cairan. Pemberian tekanan pada suhu konstan dibawah titik kritis tidak akan mengakibatkan perubahan fase. Walau begitu, pemberian tekanan dibawah titik kritis, akan mengakibatkan pencairan uap begitu melintas dari daerah lewat jenuh/superheated kedaerah steam basah. Titik kritis terjadi pada suhu 374,15 o C dan tekanan steam 221,2 bar. Diatas tekanan ini steam disebut super kritis dan tidak ada titik didih yang yang diterapkan. System boiler terdiri dari : sistem air umpan, system steam, dan sistem bahan bakar. Sistem bahan bakar adalah semua peralatan yang digunakan untuk menyediakan bahan bakar guna menghasilkan panas yang dibutuhkan, peralatan yang digunakan pada system bahan bakar tergantung dari jenis bahan bakar yang digunakan pada sistem. Limbah panas adalah panas yang dihasilkan oleh proses pembakaran bahan bakar atau reaksi kimia, yang kemudian dibuang ke lingkungan dan tidak diguna ulang untuk tujuan ekonomis dan bermanfaat. 2.2 Jenis Boiler Bagian ini menerangkan tentang dua jenis yang umum digunakan pada industry di Indonesia diantaranya adalah dua jenis yaitu : Fire tube boiler dan Water tube boiler.

7 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 dengantekanan steam rendah sampai sedang. Sebagai pedoman, fire tube boilers kompetitif untuk kecepatan steam sampai kg/jam dengan tekanan sampai 18 kg/cm 2. Fire tube boilers dapat menggunakan bahan bakar minyak bakar, gas atau bahan bakar padat dalam operasinya. Untuk alasan ekomis, sebagian besar fire tube boilers dikonstruksi sebagai paket boiler ( dirakit oleh pabrik ) untuk semua bahan bakar. Gambar 3 : fire tube boiler

8 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. Water tube boiler yang sangat modern dirancang dengan kapasitas steam antara kg/jam, dengan tekanan sangat tinggi. Banyak water tube boilers yang dikonstruksi secara paket jika digunakan bahan bakar minyak bakar dan gas. Untuk water tube yang menggunakan bahan bakar padat, tidak umum dirancang secara paket. Karakteristik water tube boilers sebagai berikut: Forced, induced dan balanced draft membantu untuk meningkatkan efisiensi pembakaran Kurang toleran terhadap kualitas air yang dihasilkan dari plant pengolahan air. Memungkinkan untuk tingkat efisiensi panas yang lebih tinggi.

9 14 Gambar 4 : Water Tube Boiler Bagian-bagian Boiler Secara umum bagian utama dari boiler terdiri dari : a. Main equipment - Furnace (ruang bakar) - Main steam drum - Super heater - Reheater - Risers (pipa penguap) - Economizer - Burner

10 15 b. Auxiliary equipment - Force draft fan (PAF&SAF) - Induce draft fan - Valves, control, dan instrument c. Balance of boiler - Deaerator Deaerator adalah salah satu jenis alat pemanas yang digunakan oleh banyak pembangkit listrik didunia. Deaerator berfungsi untuk menghilangkan oksigen dan gas-gas lainnya yang terkandung dalam feedwater ( air boiler ). - Feed water heater Feed water heater merupakan salah satu jenis heat exchanger yang biasa digunakan di industri proses untukmenukarkan/mengalirkan panas dari suatu fluida ke fluida lainnya. - Blowdown system Blowdown System adalah suatu system yang terdiri dari peralatan penampung semua drain air dan uap bekas yang ada pada boiler equipment. Countinous Blowdown itu sendiri bebentuk vessel yang mampu menahan air panas dan tekanan yang kuat dari steam

11 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 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 lebih cepat. Banyaknya jumlah pipa yang berdiameter kecil membuatnya memiliki perpindahan panas konvektif yang baik. Sistim forced atau induced draft menghasilkan efisiensi pembakaran yang baik. Sejumlah lintasan/pass menghasilkan perpindahan panas keseluruhan yang lebih baik. Tingkat efisiensi thermisnya yang lebih tinggi dibandingkan dengan boiler lainnya. Boiler tersebut dikelompokkan berdasarkan jumlah pass nya yaitu berapa kali gas pembakaran melintasi boiler. Ruang pembakaran ditempatkan sebagai lintasan pertama setelah itu kemudian satu, dua, atau tiga set pipa api. Boiler yang paling umum dalam kelas ini adalah unit tiga pass/ lintasan dengan dua set fire-tube/ pipa api dan gas buangnya keluar dari belakang boiler.

12 17 Gambar 5: Paket Boiler Teori Perpindahan Panas Pada Boiler 1. Perpindahan panas secara pancaran (radiation) Perpindahan panas secara radiasi adalah perpindahan panas antara suatu benda ke benda yang lain dengan jalan melalui gelombang-gelombnag elektromagnetik tanpa tergantung kepada ada atau tidak adanya media diantara benda yang menerima pancaran panas tersebut. Molekul-molekul api yang merupakan hasil pembakaran bahan bakar dan udara akan menyebabkan terjadinya gangguan keseimbangan elektromagnetis terhadap media yang disebut aether (materi bayangan tanpa bobot yang mengisi ruangan). Sebagian panas yang timbul dari hasil pembakaran tersebut diteruskan ke aether yang kemudian diteruskan kepada bidang yang akan dipanasi yaitu dinding atau pipa ketel.

13 18 2. Perpindahan panas secara aliran (convection) Perpindahan panas secara konveksi adalah perpindahan panas yang dilakukan oleh molekul-molekul suatu fluida (cair maupun gas). Molekul-molekul fluida tersebut dalam gerakannya melayang-layang kesana kemari membawa sejumlah panas masing-masing q joule. Pada saat molekul fluida tersebut menyentuh dinding atau pipa ketel maka panasnya dibagikan sebagian kepada dinding atau pipa ketel, sedangkan sebagian lagi dibawa molekul pergi. Gerakan-gerakan molekul yang melayang-layang tersebut disebabkan karena perbedaan temperatur didalam fluida itu sendiri. Dalam gerakannya, molekul-molekul api tersebut tidak perlu melalui lintasan yang lurus untuk mencapai dinding bidang yang dipanasi. 3. Perpindahan panas secara rambatan (conduction) Perpindahan panas secara konduksi adalah perpindahan panas dari suatu bagian benda padat kebagian lain dari benda padat yang sama atau dari benda padat yang satu kebenda padat yang lain karena terjadinya persinggungan fisik (kontak

14 19 fisik atau menempel) tanpa terjadinya perpindahan panas molekul-molekul dari benda padat itu sendiri. Didalam dinding ketel, panas akan dirambatkan oleh molekul-molekul dinding ketel sebelah dalam yang berbatasan dengan api, menuju ke molekul-molekul dinding ketel sebelah luar yang berbatasan dengan air. Perambatan tersebut menempuh jarak terpendek. A. Mekanisme Sistem Penyuplaian Panas Pada Boiler 1. Mekanisme penyuplaian Udara Mekanisme sistem penyuplaian udara ke boiler Selain dari aliran Primary Air Fan (PAF) dan Secondary Air Fan (SAF), udara pembakaran juga dibantu oleh Fluidizing Air Blower, jumlah flow udara dalam proses pembakaran (100% BMCR) di ruang bakar (furnance) membutuhkan ±522 t/h udara panas. Aliran udara yang berputar (turbulen), tujuannya untuk melindungi dinding cyclone pada bagian expansion bellow, agar batubara yang belum habis terbakar dan pasir yang jatuh tidak mengenai atau menempel pada bagian expansion bellow pada dinding cyclone maka dibantu oleh Fluidizing Air Blower.

15 20 Batubara yang belum habis terbakar yang menempel pada bagian expansion bellow akan dapat merusak dan menghambat sirkulasi pada cyclone. Selain untuk melindungi expansion bellow pada dinding cyclone udara yang berasal dari fluidizing air blower ini juga digunakan untuk mendorong batubara yang belum habis terbakar masuk kedalam furnace pada sealpot yang letaknya dibawah cyclone. Sealpot digunakan sebagai penghambat laju aliran batubara yang belum habis terbakar sebelum masuk ke furnace. Dua sumber aliran udara utama yaitu udara primary dan udara secondary dan dibantu oleh udara dari fluidizing air blower serta udara dari limestone. Udara primary berasal dari udara luar yang masuk kedalam kipas (fan) kemudian udara di hembuskan menuju tubular air heater dimana pada tubular air heater terjadi pertukaran panas antara udara primary dengan flue gas. 2. Pengaturan Penyuplaian Udara dan Air Heater Pengaturan Tekanan Udara Pengaturan Tekanan udara bebas dikeliling kita disebut dengan tekanan Atmosfir, besar tekanan atmosfir adalah 1,013 bar atau 14,7 Psig dan alat pangkasnya dinamakan barometer. Titik nol barometer diukur dalam ruang hampa udara (hampa mutlak/ non absolute). Sedangkan alat ukur yang dipakai untuk mengukur

16 21 tekanan selain tekanan udara bebas disebut manometer. Tekanan dapat dibedakan menjadi 3 macam yaitu : 1. Tekanan terukur 2. Tekanan Absolut 3. Tekanan Vakum Pada pengukuran tekan yang sering di jumpai pada pembangkit termal adalah dengan menggunakan metode, sebagai berikut : 1. Kolom Zat Cair 2. Perubahan Element Elastis Pengaturan Temperatur udara Pengaturan temperatur udara dapat dimonitor dari pengukuran temperatur pada Boiler overview. Pada pembangkit termal ada dua jenis alat pengukuran sering di jumpai yaitu Thermokopel dan Resistance Temperatur Detector (RTD). Thermokopel terdiri dari dua logam berlainan jenis yang digabungkan dari sumber panas pada ujung yang lain akan menimbulkan tegangan listrik berupa mili volt dan pada Resistance Temperatur Detector (RTD) objek dan pembacaan instrumentasinya berada ditempat yang berbeda atau dapat dikatakan pembacaan jarak jauh dengan menggunakan

17 22 kawat penghubung yang mempunyai tahanan meskipun kecil ( ,012/meter). Pengaturan Aliran Udara Pengaturan aliran udara pada CFB Boiler diatur dengan mempertimbangkan laju aliran pada suplai udara yang masuk dan keluar menginggat kondisi tekanan udara didalam ruang bakar yang berbeda. PAF, SAF dan HPA menciptakan kondisi ruang bakar bertekanan plus sedangkan IDF menciptakan kondisi ruang bakar vakum atau minus. Hal ini sesuai dengan filoshopi desain CFB Boiler itu sendiri dimana bahan bakar (coal) terbakar pada bed level (level pasir yang melayang di permukaan furnance) lalu coal yang tidak terbakar masuk ke compact separator untuk dibakar lagi di bed (proses ini terjadi berulang). Untuk pengaturan suplai aliran udara CFB Boiler tergantung pada bukaan damper menggunakan regulator pada setiap fan. Adapun bukaan damper tersebut di disesuaikan dengan kondisi operasi normal tekanan udara plus di pertahankan 6 kpa untuk Lower Furnance (bagian dasar ruang bakar) dan 5 kpa untuk Upper Furnance (bed level) dengan tekanan vakum (-34.1 pa) guna mencapai kesetimbangan udara ruang bakar (100% BMCR).

18 23 ii. Blowdown Boiler Jika air dididihkan dan dihasilkan steam, padatan terlarut yang terdapat dalam air akan tinggal di boiler. Jika banyak padatan terdapat dalam air umpan, padatan tersebut akan terpekatkan dan akhirnya akan mencapai suatu tingkat dimana kelarutannya dalam air akanterlampaui dan akan mengendap dari larutan. Diatas tingkat konsentrasi tertentu, padatan tersebut mendorong terbentuknya busa dan menyebabkan terbawanya air ke steam. Endapan juga mengakibatkan terbentunya kerak di bagian dalam boiler, mengakibatan pemanasan setempat menjadi berlebih dan akhirnya menyebabkan kegagalan pada pipa boiler. Oleh karena itu penting untuk mengendalikan tingkat konsentrasi padatan dalam suspensi dan yang terlarut dalam air yang dididihkan. Hal ini dicapai oleh proses yang disebut blowing down, dimana sejumlah tertentu volume air dikeluarkan dan secara otomatis diganti denganair umpan dengan demikian akan tercapai tingkat optimum total padatan terlarut (TDS)dalam air boiler dan membuang padatan yang sudah rata keluar dari larutan dan yang cenderung tinggal pada permukaan boiler. Blowdown penting untuk melindungi permukaan penukar panas pada boiler. Walau demikian,

19 24 Blowdown dapat menjadi sumber kehilangan panas yang cukup berarti, jika dilakukan secara tidak benar. iii. Perhitungan blowdown Besarnya jumlah blowdown yang diperlukan untuk mengendalikan konsentrasi padatan air boiler dihitung dengan menggunakan rumus berikut: TDS Air make up x % Air make up Blowdown (persen) = TDS maksimum dalam boiler yang diijinkan Jika batasan maksimum TDS yang diperbolehkan sebagaimana dalam boiler paket adalah sebesar 3000 ppm, persen air make up adalah 10 persen dan TDS dalam air make up adalah300 ppm, maka persentase blowdownnya adalah sebagai berikut: = 300 x 10 / 3000 = 1 % Jika laju penguapan boiler sebesar 3000 kg/ jam maka laju blowdown yang diperlukan adalah: = 3000 x 1 / 100 = 30 kg/jam

20 25 iv. Rekomendasi untuk Boiler dan kualitas air umpan Kotoran yang ditemukan dalam boiler tergantung pada kualitas air umpan yang tidak diolah, proses pengolahan yang digunakan dan prosedur pengoperasian boiler. Sebagai aturan umum, semakin tinggi tekanan operasi boiler akan semakin besar sensitifitas terhadap kotoran. REKOMENDASI BATAS AIR UMPAN (IS 10392, 1982) FAKTOR HINGGA 20 kg/cm kg/cm kg/cm 2 Total besi (maks.) ppm 0,05 0,02 0,01 Total tembaga (maks.) ppm 0,01 0,01 0,01 Total silika (maks.) ppm 1 0,03 0,1 Oksigen (maks.) ppm 0,02 0,02 0,01 Residu hidrasin ppm - - 0,02-0,04 ph pada 250C 8,8-9,2 8,8-9,2 8,2-9,2 Kesadahan, ppm 1 0,5 - Tabel 1 : Rekomendasi Mineral Air Umpan REKOMENDASI BATAS AIR BOILER (IS 10392, 1982) HINGGA FAKTOR kg/cm 2 kg/cm 2 kg/cm 2 TDS, ppm Total padatan besi terlarut ppm Konduktivitas listrik spesifik pada 25o C (mho) Residu fosfat ppm ph pada 250C 10-10, ,5 9,8-10,2 Silika (maks.) ppm Tabel 2 : Rekomendasi Kimiawi Air Umpan

21 Pengkajian Boiler Bagian ini menjelaskan evaluasi kinerja boiler ( Melalui metode langsung dan tidak langsung termasuk contoh perhitungan efisiensi efisiensi ), blowdown boiler dan pengolahan air boiler 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 buruknya kualitas bahan bakar dan kualitas air dapat mengakibatkan buruknya kinerja boiler. Neraca panas dapat 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.

22 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 berba berbagai gai kegunaan dan menjadi aliran kehilangan panas dan energi. Panah tebal menunjukan jumlah energi yang dikandung dalam aliran masing masing-masing masing Gambar 6: Neraca Energi Boiler Neraca panas merupakan keseimbangan energi total yang masuk boiler terhadap yang meninggalkan boiler dalam bentuk yang

23 28 berbeda. Gambar berikut memberikan gambaran berbagai kehilangan yang terjadi untuk pembangkitan steam. Gambar 7: kehilangan pada boiler 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

24 29 burner, operasi (kontrol), dan pemeliharaan). - Suhu gas cerobong (diturunkan dengan mengoptimalkan perawatan (pembersihan), beban; Burner yang lebih baik dan teknologi boiler). karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam cerobong dan abu (mengoptimalkan operasi dan pemeliharaan; teknologi burner yang lebih baik). 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) 2.4 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: Metode Langsung: energi yang didapat dari fluida kerja (air dan steam) dibandingkan dengan energi yang terkandung dalam bahan bakar boiler. Metode Tidak Langsung : Efisiensi merupakan kehilangan dan energy yang masuk

25 30 A. 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 evaluasiefisiensi. Efisiensi ini dapat dievaluasi dengan menggunakan rumus: Efisiensi ( η ) = 100% Efisiensi (η ) = Qx ( hg h ) 100% 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 ( Bar) dan suhu lewat panas ( o C), jika ada Suhu air umpan ( o C) Jenis bahan bakar dan nilai panas kotor bahan bakar (GCV) dalam kkal/kg bahan bakar Dimana h g Entalpi steam jenuh dalam kkal/kg steam h f Entalpi air umpan dalam kkal/kg air

26 31 Contoh Cari efisiensi boiler dengan metode langsung dengan data yang diberikan dibawah ini: Jenis boiler : Berbahan bakar batubara Jumlah steam (kering) yang dihasilkan Tekanan steam (gauge) / suhu Jumlah pemakaian batubara Suhu air umpan GCV batubara Entalpi steam pada tekanan 10 kg 2 /cm Entalp of air umpan : 10 TPJ : 10 kg 2 / 0 cm : 2,25 TPJ : 85 0 C : 3200 kilojoule : 665 kilojoule : 85 kilpjoule ( ) = 10 x ( )x = 80,56 % Keuntungan metode langsung Pekerja pabrik dapat dengan cepat mengevaluasi efisiensi boiler Memerlukan sedikit parameter untuk perhitungan Memerlukan sedikit instrumen untuk pemantauan Mudah membandingkan rasio penguapan dengan data benchmark Kerugian metode langsung Tidak memberikan petunjuk kepada operator tentang penyebab dari efisiensi sistem yang lebih rendah

27 32 Tidak menghitung berbagai kehilangan yang berpengaruh pada berbagai tingkat efisiensi B. 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 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) 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.

28 33 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) Persentase oksigen atau CO2 dalam gas buang Suhu gas buang dalam o C (Tf) Suhu ambien dalam o C (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. 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) persen O2 x 100 = (21 persen O2)

29 34 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 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 9 x H2 {584+Cp (Tf-Ta)} = x 100 GCV bahan bakar Dimana,H2 = persen H2 dalam 1 kg bahan bakar Cp = panas jenis steam lewat jenuh/superheated steam (0,45 kkal/kg) iii. Persen kehilangan panas karena penguapan kadar air dalam bahan bakar

30 35 = { ( ) } h 100 Dimana, M = persen kadar air dalam 1 kg bahan bakar Cp = panas jenis steam lewat jenuh/superheated steam (0,45 kilojoule) iv. Persen kehilangan panas karena kadar air dalam udara AAS x faktor kelembaban x Cp (Tf-Ta)} = x 100 GCV bahan bakar = ( ) h x 100 = = Dimana, Cp = panas jenis steam lewat jenuh/superheated steam (0,45 kilojoule) v. Persen kehilangan panas karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu terbang/ fly ash. 100 vi. Persen kehilangan panas karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu bawah/ bottom ash h 100 h. 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

31 36 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. Tahap 5: Menghitung efisiensi boiler dan rasio penguapan boiler Efisiensi boiler (n) = (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

32 37 O2: 1 persen GCV Minyak bakar: kkal/kg Persentase Oksigen: 7 persen Persentase CO2: 11 persen Suhu gas buang (Tf): 220 0C Suhu ambien (Ta): 27 0C 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 Tahap-2: Menghitung persen udara berlebih yang dipasok (EA) 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

33 38 = 20,74 kg udara/kg minyak bakar Tahap 4: Memperkirakan seluruh kehilangan panas i. Persentase kehilangan panas karena gas kering cerobong = x Cp x ( T Ta ) x 100 h m = massa CO 2 + massa SO 2 + massa N 2 + massa O 2 = 0, , ! + 20,74 x (0,07 x 32 m = 21,35 kg / kg minyak bakar = x 0,23 x ( ) = 9,29 % Dapat juga digunakan sebuah metode yang lebih sederhana: Persentase kehilangan panas yang disebabkan oleh gas kering cerobong = ( ) 100 h m (total massa gas buang) = massa udara sebenarnya yang dipasok + massa bahan bakar yang dipasok = 20, = 21,19 = 21,19 0,23 ( )

34 39 = 9,22 % ii. Kehilangan panas karena penguapan kadar air karena adanya H2 dalam bahan bakar 9 x H2 {584+0,45 (Tf Ta )} = GCV bahan bakar dimana H2 = persen H2 dalam bahan bakar 9 x 12 {584+0,45(220-27)} = = 7,10 % iii. Kehilangan panas karena kadar air dalam udara = AAS x kelembaban x 0,045 x (T Ta) x 100 h = [20,74 x 0,018 x 0,45 x (220-27) x 100]/10200 = 0,317 % iv. Kehilangan panas karena radiasi dan kehilangan lain yang tidak terhitung Untuk boiler kecil diperkirakan kehilangan mencapai 2 % Tahap 5: Menghitung efisiensi boiler dan rasio penguapan boiler Efisiensi boiler (n) = (i + ii + iii + iv + v + vi + vii) i. Kehilangan panas karena gas buang kering : 9,29 %

35 40 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] = ,024 = 83 % (perkiraan) Rasio penguapan = Panas yang digunakan untuk pembangkitan steam/ Panas yang ditambahkan ke steam = 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 Memerlukan fasilitas laboratorium untuk analisis

36 41 C. Menentukan Kualitas Limbah Panas Tergantung pada jenis proses, limbah panas dapat dibuang pada berbagai suhu mulai dari air dingin industri atau kiln. Biasanya, suhu yang lebih tinggi setara dengan lebih tingginya kualitas hingga limbah gas bersuhu tinggi dalam tungku pemanfaatan panas dan biaya efektivitas yang lebih besar pula. Dalam berbagai studi pemanfaatan kembali limbah panas, yang terpenting adalah bahwa terdapat banyak penggunaan bagi panas yang termanfaatkan kembali. B. Alat penukar panas Alat Penukar Panas atau Heat Exchanger (HE) adalah suatu alat yang memungkinkan terjadinya perpindahan panas dari satu fluida ke fluida lainnya. Dapat berfungsi sebagai pemanas maupun sebagai pendingin. Biasanya, medium pemanas dipakai uap lewat panas (super heated steam) dan air biasa sebagai air pendingin (cooling water). Penukar panas dirancang sebisa mungkin agar perpindahan panas antar fluida dapat berlangsung secara efisien. Untuk meminimalisir atau menghemat penggunaan alat utilitas dan biaya produksi, perusahaan biasanya memanfaatkan fluida panas yang dihasilkan dari sistem untuk memanaskan atau mendinginkan fluida lainnya Panas total yang berpotensi dapat dimanfaatkan kembali dapat dihitung dengan menggunakan

37 42 Q = m x ρ x Cp x ΔT Dimana, Q : adalah kandungan panas dalam kilojoule m : adalah laju alir bahan dalam m 3 /jam ρ : adalah masa jenis gas buang dalam kg/m 3 C : ΔT : padalah panas jenis bahan dalam kilojoule adalah perbedaan suhu dalam 0 C Gambar 8: Alur Perpindahan Panas