TUGAS AKHIR ANALISA PEMAKAIAN BAHAN BAKAR DENGAN KAPASITAS PRODUKSI STEAM PADA BOILER TIPE WATER TUBE SKRIPSI Diajukan untuk Memenuhi persyaratan untuk mencapai gelar Sarjana Strata Satu (S1) Oleh : ARI SUKANTO NIM: 0130312-004 PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK INDUSTRI UNIVERSITAS MERCU BUANA JAKARTA 2008
KATA PENGANTAR Puji syukur saya panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan hidayahnya kepada saya sehingga dapat menyelesaikan penyusunan laporan Tugas Akhir ini dengan baik. Maksud dan Tujuan pembuatan laporan ini untuk memenuhi syarat dalam mencapai gelar Strata 1 (S1) di UNIVERSITAS MERCUBUANA jurusan Teknik Mesin. Dalam penyelesain penyusunan laporan Tugas Akhir ini, tidak terlepas dari bantuan semua pihak baik berupa bantuan yang memberikan semangat, koreksi dan doa, oleh karena itu saya menyampaikan terimakasih kepada semua pihak terutama kepada ; 1. Bapak Ir. Nanang Rukyat MT. sebagai dosen pembimbing yang telah banyak membantu dalam menyelesaikan penyusunan laporan Tugas Akhir ini. 2. Bapak Heroe Soesanto selaku Senior Operation Manager di PT Nippon Shokubai Indonesia yang telah mengijinkan dan memberikan saran saran untuk diadakannya pengambilan data-data boiler sebagai bahan kajian. 3. Rekan rekan sekerja dan semua pihak yang tidak bisa di sebutkan satu persatu yang telah membantu penulis secara langsung maupun tidak langsung dalam penyusunan laporan ini. Adapun segala kekurangan yang terdapat dalam penyusunan laporan ini dikarenakan keterbatasan ilmu, pengetahuan dan ii
wawasan serta pengalaman yang saya miliki. Oleh karena tidak menutup diri dari kritik dan saran yang sifatnya membangun demi kesempurnaan penyelesain penyusunan laporan ini. Cilegon,27 Agustus 2008. (Ari Sukanto) iii
ABSTRAK Boiler tipe water tube ini dibuat sebagai alat pembangkit uap air atau yang lazim disebut steam. Steam merupakan salah satu jenis media pemanas yang sangat mudah di kirimkan dari satu tempat ke tempat yang lainnya. Dalam menghasilkan steam boiler menggunakan bahan bakar solar. Pada usia boiler yang sudah sepuluh tahun diperlukan pengujian kembali agar dapat diketahui efisiensi yang dihasilkan. Apabila perawatan boiler tidak bagus akan mengakibatkan penurunan efisiensinya. Uji kinerja boiler ini dilakukan dengan peralatan- peralatan yang sudah tersedia pada system tersebut. Uji kinerja ini di lakukan dengan metode pengambilan data - data secara langsung di pabrik pengolah bahan kimia, PT Nippon Shokubai Indonesia. Pengujian ini dengan membandingkan nilai kalor yang dihasilkan dari proses pembakaran solar dengan kalor yang dikeluarkan berupa steam. Hasil analisa ini menunjukkan bahwa boiler tersebut masih bisa menghasikkan steam dengan efisiensi yang optimum. Dari desain awal boiler ini dapat menghasilkan efisiensi sebesar 90%. Setelah digunakan selama sepuluh tahun boiler ini masih bisa menghasilkan steam dengan rata - rata mendekati 90 %, artinya kondisi bagian perpindahan panas yaitu pipa- pipa boiler masih dalam kondisi baik. iv
DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL...i ABSTRAK...ii KATA PENGANTAR....iv DAFTAR ISI... V BAB I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang.....1 1.2 Lingkup Penelitian......2 1.3 Tujuan Penelitian....2 1.4 Pembatasan Masalah...3 1.5 Metodologi Penulisan......4 1.6 Sistematika Penulisan...4 BAB II. BOILER 2.1 Gambaran Secara umum... 6 2.2 Komponen -komponen Utama pada Boiler.....8 2.2.1 Furnace dan Burner.. 8 2.2.2 Water Drum.....8 2.2.3 Steam Drum........9 2.2.4 Economizer........9 2.2.5 Force Draft Fan........10 2.2.6 Blow Down Unit.....11 2.2.7 Wind Box.11 2.2.8 Stack... 11 2.2.9 Gelas Penduga...13 2.2.10 Pressure Safety Valve...14 2.2.11 Shoot Blower...16 v
BAB III. PROSES PEMBAKARAN 3.1 Jenis - Jenis Bahan Bakar..17 3.2 Kandungan Bahan Bakar...17 3.3 Ruang Proses Pembakaran...19 3.3.1 Perhitungan Ruang Proses Pembakaran...23 3.3.1.1Perpidahan Panas...24 3.3.1.2 Beban Boiler Spesifik...24 3.3.1.3 Faktor Penguapan...25 BAB IV. EVALUASI KERJA BOILER 4.1 Reaksi Kimia Pembakaran......26 4.1.1 Gas Asap... 27 4.1.2 Udara Berlebih......30 4.1.3 Nilai Kalor...31 4.2 Efisiensi Termis...33 4.2.1 Analisa Efisiensi Boiler Dengan Metode Tak Langsung...33 4.2.2 Analisa Efisiensi Boiler Dengan Metode Langsung...40 BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan...55 5.2 Saran...56 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN vi
Daftar Notasi Simbol Keterangan Satuan F = Luas bidang yang dipanaskan m 2 S = Jumlah uap yang dihasilkan kg /jam Be = Jumlah pemakaian bahan bakar kg bb. Q = Jumlah Kalor Kkal/jam is = Enthalpi uap keluar Kkal/jam iw = Enthalpi air umpan Kkal/jam Le = Beban Spesifik kg uap/m 2 jam E = Faktor Penguapan kg uap/kg bb. Hu = LHV ( Low Heating Value ) Kkal/kg Vud = Volume udara Nm 3 /jam Tf = Temperatur gas buang o C Ta = Temperatur ambient o C n = Efisiensi % Wf = Konsumsi bahan bakar kg/jam Vg = Volume gas asap Nm3 Bg = Berat Gas asap teoritis kg/kg bb. vii
BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Kebutuhan uap air atau steam pada industri merupakan hal yang sangat penting, oleh sebab itu diciptakanlah suatu alat yang disebut boiler untuk menghasilkan uap air tersebut. Boiler di bidang industri banyak dijumpai pemanfaatanya. Boiler menghasilkan Steam yang panasnya digunakan untuk sebagai media pemanas, pengering, pengawet proses dan pembangkit energi. Prestasi boiler akan mengalami penurunan dengan siklus waktu dan pemakaian. Efisiensi transfer energi/kalor pada boiler perlu dipelajari dan di evaluasi kembali untuk mengetahui tingkat optimasi perpindahan kalornya. Pada kesempatan kali ini penulis ingin meneliti efisiensi boiler pada PT.Nippon Shokubai Indonesia (PT. NSI ). Efisiensi aliran kalor pada boiler dipengaruhi banyak faktor. Faktor-faktor ini meliputi desain awal boiler, kualitas air pengisi, kualitas udara, kualitas bahan bakar, komponen utama, penujang boiler serta pengaturan dan kontrol boiler. Desain boiler memberikan pengaruh yang sangat besar terhadap airan kalor. Kualitas air umpan boiler yang buruk akan menghambat aliran kalor. Zat-zat yang terbawa oleh fluida air ini lama- lama akan mengendap dan menempel pada dinding dinding pipa boiler. Zat zat ini akan menghambat aliran panas dan bahkan akan menybabkan kerusakan pada boiler akibat over heating lokal. Bahan bakar sebagai sumber energi kimiawi mempunyai pengaruh besar dalam pembangkitan energi /panas. Sifat bahan bakar (padat, cair dan gas) mempengaruhi proses pembakaran. Bahan bakar gas mempunyai sifat hantar kalor yang paling baik di bandingkan dengan bahan bakar padat dan bahan bakar cair. 1
Bahan dan desain boiler memberikan kontribusi paling besar dalam efisisiensi aliran kalor pada boiler. Setiap bahan mempunyai sifat hantar kalor yang berbeda-beda. Dengan memilih bahan dengan hantar kalor besar akan meningkatkan jumlah aliran kalor. Desain hantar kalor yang optimum aka memaksimalkan aliran kalor. Pada tugas akhir ini penulis ingin meneliti efisiensi pengoperasian boiler ditinjau dari bahan bakar yang digunakan. 1.2. Lingkup Penelitian Banyak faktor yang mempengaruhi efisiensi boiler ini, baik internal maupun eksternal. Faktor internal diantaranya adalah performance dari boiler itu sendiri misalnya kualitas bahan logam, desain konstruksi dan sebagainya, sedangkan faktor eksternal diantaranya tenaga manusia, kualitas bahan bakar dan lain-lain. Pada tugas akhir ini menerangkan pokok permasalahannya yaitu beban kerja boiler, jumlah bahan bakar dan pengaruhnya terhadap efisiensi boiler dalam menghasilkan steam, dan juga menghitung seberapa besar energi dari bahan bakar yang dikeluarkan dibandingkan dengan energi yang dihasilkan dalam bentuk steam. 1.3. Tujuan Penelitian Tujuan penelitian utama terhadap boiler adalah untuk mengetauhui apakah efisiensi boiler di PT. Nippon Shokubai Indonesia masih sesuai dengan desain awal pembuatan setelah digunakan selama 10 tahun yaitu sebesar 90 %. 2
1.4. Pembatasan Masalah Tugas akhir ini permasalahan hanya pada jenis bahan bak ar solar dengan memperhitungkan sejauh mana unsur-unsur yang terdapat dalam bahan bakar solar mempengaruhi efisiensi boiler. 1.5. Metodologi Penulisan Metode teknis yang digunakan dalam penyusunan tugas akhir ini adalah mengunakan beberapa metode sebagai berikut : 1. Metode Argumentatif - Mempelajari, mengolah data yang diperoleh. - Menganalisa data yang diperoleh dilapangan - Membandingkan data dengan sumber pustaka yang berkaitan 2. Metode Observasi - Melakukan pengamatan langsung dilapangan - Memperoleh gambaran sesungguhnya mengenai komponenkomponen dari boiler - Serta mencari proses yang terjadi pada boiler 3. Metode Wawancara - Mendapatkan gambaran serta penjelasan dari operator dan pengawasan langsung dari pihak-pihak yang berkepentingan dalam masalah ini. - Mendapatkan informasi berupa data-data baik dari pihak teknis maupun orang yang berpotensi dalam masalah ini. - Mendiskusikan dengan dosen pembimbing. 3
1.6. Sistematika Penulisan Sistematika yang digunakan pada penulisan mengenai Penelitian Pengaruh Bahan Bakar Terhadap Efisiensi Boiler ini adalah sebagai berikut : Bab I.PENDAHULUAN Pada bab ini berisi tentang penjelasan singkat atau gambaran singkat mengenai isi tugas akhir ini. Bab ini terdiri dari Latar Belakang, Pokok Permasalahan, Tujuan Penelitian, Pembatasan masalah, Metodelogi Penulisan serta Sistematika Penulisan. Bab II. BOILER Pada bab ini akan dijelaskan mengenai gambaran umum boiler, fungsi komponen-komonen utama dan komponen - komponen pendukung pada boiler serta spesifikasi boiler tipe water tube pada PT Nippon Shokubai Indonesia. Bab III. PROSES PEMBAKARAN Pada bab ini dilakukan perhitungan tentang energi yang terbuang selama proses pembangkitan uap pada boiler berdasarkan kalor yang dihasilkan dari komposisi bahan bakar dan berdasarkan komposisi gas buang. Bab IV. EFESIENSI BAHAN BAKAR BOILER Pada bab ini akan menghitung performance boiler secara langsung dengan melihat jumlah kalor yang masuk dan kalor yang masuk di bandingkan dengan kalor yang keluar dari steam yang dihasilkan dalam setiap beban kerja tertentu untuk menentukan performance optimum berdasarkan perbandingan kalor antara bahan bakar yang 4
jumlah bahan bakar yang digunakan dengan steam yang di hasilkan. Bab V. KESIMPULAN DAN SARAN Pada bab terakhir ini nantinya akan didapat hasil-hasil dari pehitungan dari bab-bab pembahasan yang sudah disampaikan terdahulu. Kesimpulan yang diambil adalah hasil penelitian kondisi operasional boiler yang ada. Dan akan di sampaikan saran saran tentang pengoperasian boiler untuk menghasilkan efisiensi bahan bakar yang optimum. DAFTAR PUSTAKA Pada bagian ini terdapat daftar buku dan referensi lainnya yang dijadikan pedoman pembuatan laporan tugas akhir ini. LAMPIRAN Lampiran yang terdapat didalam tugas akhir ini digunakan sebagai pelengkap dari isi tiap bab. Lampiran terdiri dari gambar dan foto kopi data pelengkap lainnya. 5
BAB II BOILER Pada bab ini dijelaskan mengenaigambaran tentang boiler secara umum serta fungsi komponen komponen utama dan fungsi komponen - komponen pendukung pada boiler. 2.1 Gambaran Boiler Secara Umum Merupakan bejana tertutup yang terdiri dari beberapa komponen yang mempunyai fungsi yang berbeda, namun berkaitan antara satu dengan yang lainnya yang di gunakan untuk membangkitkan steam. Dalam menghasilkan uap yang digunakan untuk memanaskan peralatanperalatan perpindahan panas yang lainnya. Steam yang dihasilkan merupakan media hantar panas dan energi yang sangat baik. Penggunaan steam sebagai penghantar kalor yang baik antara lain pada reboiler,drier dan lain lain. Penggunaan steam sebagai pengantar energi misalnya pada steam turbin, Ejector dan lain- lain. 6
Gambar 2.1 Boiler Unit 7
2.2 Komponen komponen Utama Pada Boiler 2.2.1 Furnace dan Burner Adalah ruang tempat pembakaran yang didesain dengan dinding baja yang dilegkapi dengan dinding batu tahan api yang dapat melokalisir gas panas hasil pembakaran dari burner. Dalam furnace ini bahan bakar terbakar dengan sempurna dan menghasilkan gas panas yang nantinya akan digunakan untuk memanaskan pipa-pipa pemanas. Burner adalah komponen yang berfungsi untuk melakukan aksi pembakaran di dalam Furnace. Bahan bakar yang dicampur dengan udara dari force draft fan dibakar bersama di dalam furnace. Alat yang berfungsi sebagai pebakar disebut Oil Gun burner Pada Oil Gun burner bahan bakar dikabutkan dengan menggunakan steam dengan atomiser sehingga menjadi atom atom yang sangat kecil seperti kabut sehingga bahan bakar tersebut dapat terbakar dengan sempurna. Kesempurnaan pembakaran pada bahan bakar sangat menentukan efisiensi boiler. 2.2.2 Water Drum Pada boiler water drum berfungsi untuk menampung air pada boiler. Letak water drum ini adalah pada bagian bawah boiler. Water drum ini merupakan penampung air boiler sebelum air tersebut teruapkan. Dalam water drum ini biasanya terdapat endapan lumpur yang terbawa oleh Boiler feed water atau air umpan boiler. Maka dari itu kualitas air umpan boiler harus selalu dijaga agar tidak terjadi pengendapan dan pengerakan di dalam water drumdan pipa-pipa boiler. Pengendapan lumpur dan pengerakan pada water drum dan pipa-pipa bisa mengakibatkan terjadinya korosi. Air boiler yang digunakan tidak memenuhi persyaratan atau standar yang ditentukan. Endapan lumpur dan pengerakan juga akan menyebabkan pemborosan bahan bakar dan terjadinya penurunan efisiensi pada boiler yang lebih cepat, yang mempunyai efek jangka panjang akan terjadi kerusakan pada dinding 8
boiler seperti terjadinya korosi yang disebabkan adanya proses oksidasi pada dinding - dindingnya. 2.2.3 Steam Drum Steam drum adalah tempat terkumpulnya steam. Uap jenuh yang terbentuk dari hasil penguapan air setelah dipanaskan berat jenisnya lebih rendah daripada air sehingga ia akan selalu berada di atas. Dalam steam drum ini dipasang berbagai alat penunjang lainnya seperti gelas penduga, pressure safety valve dan lain-lain. 2.2.4 Economizer Economizer adalah komponen yang berfungsi untuk memanaskan air umpan boiler dengan memanfaatkan sisa panas dari gas buang boiler sebelum gas buang tersebut dibuang ke udara bebas. Ekonomiser ini terdiri dari beberapa pipa bersirip ( fin tube ) yang dipasang secara melintang pada saluran gas buang. Pipa bersirip ini di maksudkan untuk menghasilkan proses perpindahan panas yang lebih baik karena dengan pipa bersirip tersebut berarti area perpindahan panas lebih luas. Keuntungan dari economizer ini adalah : - Dapat menghemat bahan bakar, karena hanya menggunakan sisa panas pembakaran. - Memperpendek waktu pengoprasian, khususnya dalam proses pembentukan uap. - Mengurangi konsentrasi udara dalam air sehingga dapat mengurangi terbentuknya kerak dalam ketel maupun saluran uap. - Steam drum dapat lebih awet, karena tidak adanya perpedaan temperature air umpan dengan boiler semakin kecil. Sehingga 9
kesempatan untuk mengerut pada steam drum yang dapat menyebabkan kerusakan mekanis dinding dapat dicegah. - Dapat memperbesar efisiensi thermis. 2.2.5 Force Draft Fan Adalah suatu alat yang berfungsi untuk menyuplai kebutuhan udara yang digunakan untuk proses pembakaran pada boiler. Merupakan sebuah Fan yang menghasilkan udara dengan tekanan rendah. Gambar 2.2 Force draft fan 10
2.2.6 Blow Down Unit Blow down diharapkan dapat mengurangi konsentrasi zat zat kimia, kotoran lumpur dan mencegah terjadinya busa dan priming karena terikatnya padatan kimia kedalam evaporator. Terdapat dua macam blow down, yaitu: a. Continous Blow Down Berfungsi menjaga konsentrasi garam (dissolve solid) pada air boiler, membuang busa dan lapisan minyak diatas permukaan air boiler. Blow down ini terletak bagian permukaan level air. b. Intermitten Blow down Berfungsi untuk mengurangi kepekatan garam garam dan padatan lainnya (suspended solid) yang tergtantung pada air boiler. Alat terpasang dibagian terendah pada boiler yaitu water drum. Blow down dilakukan beberapa jam sekali secara berkala untuk memastikan kondisi air yang digunakan dalam proses penguapan. 2.2.7 Wind box Untuk pengatur laju udara. Lokasi wind box berada didepan furnance. Perbandingan antara bahan bakar dan udara di atur oleh wind box tersebut secara perbandingan secara mekanis di gerakkan oleh siripsirip yang disebut air damper. 2.2.8 Stack (cerobong) Stack berfungsi sebagai saluran untuk membuang gas buang sisa pembakaran (flue gas) keluar dari boiler. Selain itu stack dibuat dengan ketinggian tertentu agar memperoleh stack draft yang cukup serta mencegah terbentuknya asam sulfat dari hasil reaksi sulfur yang terdapat pada gas sisa pembakaran dengan H2O yang terdapat pada udara. 11
Terbentuknya asam sulfat harus dicegah seminimal mungkin karena sangat bersifat korosif. Gambar 2. 3 Stack 12
2.2.9 Gelas penduga (Level Glass) Gelas penduga ini sangat penting fungsinya untuk mengetahui tinggi permukaan air di dalam boiler. Sebagai alat keselamatan, kerja boiler sangat tergantung pada alat ini. Jika alat ini rusak, maka akan membahayakan boiler itu sendiri yaitu akan sangat besar kemungkinan terjadi peledakan yang di akibatkan oleh pipa-pipa boiler yang kemungkinan meleleh akibat kosongnya pipa- pipa boiler. Tentu saja hal ini akan mengganggu proses keseluruhan. Gelas penduga pada boiler PT. NSI dilengkapi dengan indikator level yang jelas dan mudah terbaca, cara kerjanya ialah dengan prinsip bejana berhubungan. Gambar 2. 4 Gelas penduga 13
2.2.10 Presure Safety Valve (PSV) Katup pengaman (Safety Valve) dipasang pada evaporator dan digunakan untuk mencegah ledakan yang timbul akibat tekanan berlebih didalam boiler. Pressure safety valve ini diadakan pengetesan secara berkala yang disaksikan oleh departemen Tenaga Kerja untuk menjamin keamanan boiler pada saat beroperasi. Keadaan pressure safety valve yang bisa bekerja dengan baik adalah merupakan persyaratan pemerintah untuk mengeluarkan ijin pengoperasian boiler melalui departemen tenaga kerja. Cara kerjanya adalah dengan membuang uap ke udara luar dengan membuka katupnya secara otomatis bila tekanannya melebihi tekanan kerjanya. Gambar 2. 5 Pressure safety Valve 14
Gambar 2. 6 Bagian - bagian Pressure safety Valve 15
2.2.11 Shoot Blower Alat ini berfungsi untuk membersihkan jelaga yang menempel pada bagian luar dan kerak dalam dari tube tube economizer dan riser tubes. Masing masing digerakan secara manual dan menggunakan media penyemprotan steam dari boiler itu sendiri. Penyemprotatan harus dilakukan secara berkala, biasanya pershift untuk tetap menjaga agar jangan sampai terjadi penggerakan pada permukaan luar boiler yang akan mengakibatkan menurunnya angka perpindahan panas karena terhambat oleh kerak dan jegala pada dinding serta pipa pipa penguap. Gambar 2. 7 Shoot Blower. 16
BAB III PROSES PEMBAKARAN Dalam operasi boiler, prestasi yang diharapkan yaitu efisiensi dari boiler tersebut yang dinyatakan dengan membandingkan antara kalor yang diterima air /uap air terhadap kalor yang dilepaskan dari hasil pembakaran bahan bakar. Tidak seluruh kalor dari bahan bakar dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan uap. Ada sebagian kalor dari bahan bakar yang hilang yang tidak bisa dimanfaatkan, hal ini merupakan kerugian selama boiler beroperasi. Diantara kerugian -kerugian ini antara lain disebabkan oleh: A. Kerugian karena adanya kelembaban atau moisture ( jumlah kandungan air dalam bahan bakar). B. Kerugian karena air yang terbentuk dari pembakaran hydrogen dalam bahan bakar C. Kerugian pembakaran karena pembakaran yang tidak sempurna. D. Kerugian karena radiasi, konveksi, dan kerugian -kerugian lain yang sulit ditentukan. 3.1 Jenis -Jenis Bahan Bakar. Bahan bakar adalah bahan yang apabila dibakar akan meneruskan proses pembakaran dengan sendirinya akan menimbulkan atau menghasilkan kalor (panas). Selanjutnya nilai pembakaran adalah jumlah kalor yang dikeluarkan oleh satu satuan berat atau satu satuan volume bakar dalam bereaksi dengan oksigen ( O2 ). Pemilihan jenis bahan bakar yang digunakan dipengaruhi oleh berbagai faktor teknis maupun ekonomis antara lain: 17
A. Harga bahan bakar B. Nilai kalor bahan bakar. C. Ketersediaan bahan bakar. D. Kemudahan dalamperolehan bahan bakar. E. Ruang bakar yang direncanakan. F. Biaya transportasi dan penyimpanan bahan bakar. Jenis - jenis bahan bakar untuk suatu boiler digolongkan menjadi 4 golongan besar yaitu: 1. Bahan bakar padat, contohnya: a. Batu bara b. Kayu c. Arang d. Ampas dan lain -lain. 2. Bahan bakar cair, contohnya: a. Minyak bumi b. Residu c. Solar, dan lain lain. 3. Bahan bakar Gas, contohnya: a. Gas Generator b. Gas dapur tinggi c. Gas bumi d. LNG e. LPG, dan lain lain 18
3.2. Kandungan Bahan Bakar. Proses pebakaran adalah reaksi kimia berantai suatu bahan bakar dengan oksigen (O2) yang disertai timbulnya sinar menghasilkan panas ( kalor ),seperti halnya : A. Bahan bakar padat yang terdapat di bumi ini berasal dari zatzat organik. Bahan bakar padat mengandung unsure unsur antara lain: zat karbon (C), Hidrogen ( H ), zat asam atau oksigen ( O ), zat lemas atau Nitrogen (N 2), Belerang atau Sulfur ( S), abu dan air, yang kesemuanya terikat dalam suatu persenyawaan kimia. B. Bahan bakar cair yang berasal dari minyak bumi. Minyak bumi dapat diperoleh dari dalam bumi dengan jalan pertambangan di lading -ladang minya, dan memompanya sampaipermukaan bumi, untuk selanjutnya di olah lebih lanjut menjadi berbagai jenis minyak bakar. Minyak bumi ( crude oil) yang berwarna coklat tua kehitam - hitaman, terdiri dari berbagai macam persenyawaan zat Hidro karbon ( H dan C). C. Bahan bakar gas. Di dalam bumi banyak terkandung gas bumi (petrol gas) atau sering disebut gas alam, yang timbul pada saat proses pembentukan minyak bumi, gas tambang dan gas rawa ( CH4 atau methane), seperti halnya minyak bumi gas alam tersebut diperoleh dari pengeboran yang tersusun dari antara lain: CH4 ( methane), C2 H2 (ethana), N2, H2S, CO2, H 2. 19
3. 3 Ruang Proses Pembakaran. Boiler Water Tube terdiri dari dua buah drum, bagian atas dan bagian bawah, dan dihubungkan oleh pipa pipa antara drum bagian atas ( yang selanjutnya disebut steam drum) dan bagian bawah ( yang selanjutnya disebut water drum). Area pemanasan ( heating surface ) terbagi menjadi dua yaitu ruang bakar ( furnace ) dan area piapa generator ( steam generating tube area). Ruang bakar terdiri dari dinding sebelah kanan dan dinding sebelah kiri, dan pipa bagian belakang adalah dinding ruang bakar yang berpendingin yang terbuat dari pipa -pipa yang dilas satu dengan yang lainnya. Ruang bakar bagian belakang terdiri dari pipa- pipa lurus yang menghubungkan antara drum bagian atas dan drum bagian bawah. Seluruh pipa-pipa bagian bawah terhubung secara langsung dengan water drum dan bagian atas terhubung langsung dengan steam drum.. Permukaan pipa -pipa generator dikelilingi oleh pipa- pipa dinding yang saling berhimpitan dan di las sebagai dinding pembatas ruang bakar dan dinding pembatas boiler. Gas hasil pembakaran bahan bakar langsung ke pipa -pipa generator diarahkan oleh sekat- sekat dinding dan keluar melaui celah pipa-pipa. Gas pembakaran melewati antara pipa-pipa satu kali pass saja. Konstruksi ruang bakar pada boiler adalah bagian yang sangat penting karena di bagian ini yang menentukan kesempurnaan perpindahan panas antara panas yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar yang di transfer ke air boiler sehingga menghasilkan steam. 20
Dalam ruang bakar ini bahan bakar melalui mekanisme pembakaran yaitu sebagai berikut; 1. Atomization. Yaitu bahan bakar yang masuk ke ruang bakar di kabutkan dengan menggunakan udara atau steam yang menjadikan bahan bakar menjadi partikel-partikel bahan bakar. 2. Evaporation. Setelah dikabutkan bahan bakar menjadi mudah menguap sehingga menjadi uap bahan bakar. 3. Pencampuran Bahan bakar mengalami pencampuran dengan udara yang disuplai me secara merata sebelum terbakar. 4. Pembakaran. Terjadinya reaksi pembakaran pada boiler yang menhasilkan panas yang digunakan pada boiler. 21
Gambar 2. 8 Konstruksi ruang bakar dari pandangan samping Gambar 2. 9 Aliran gas panas pada boiler. 22
3.3.1 Perhitungan ruang prosess pembakaran. Perhitungan sederhana yang dilakukan berdasarkan aktifitas yang terjadi pada boiler secara umum, dengan memasukan data data yang didapat selama proses berlangsung, perhitungan meliputi : 1. Beban Boiler Spesifik. Perbandingan uap yang dihasilkan dengan luas bidang yang dipanaskan. 2. Faktor penguapan. Perbandingan jumlah uap yang dihasilkan dengan pemakaian bahan bakar. Berdasarkan Spesifikasi Boiler dari Pembuatnya diperoleh data data sebagai berikut : - Luas bidang yang dipanaskan ( F ) - Uap yang dihasilkan oleh boiler (S) = 497.2 m2 = 35000 Kg uap/jam - Jumlah pemakaian bahan bakar = 2130 kg b.b/jam (Be) 23
Dengan menggunakan data diatas, maka akan dihitung : 3.3.1.1. Perpindahan Panas Adalah banyak panas yang dibutuhkan untuk pemanasan ketel uap yang dinyatakan dengan Q. yang dijabarkan oleh : Djokosetyardjo, (1989) dimana: Q= S x ( i s - i w ) S = Produksi Steam yang dinyatakan dalam kg uap/jam. is = Entalpi uap keluar boiler iw = Entalphy air masuk Ekonomiser. Sehingga dapat diperoleh harga perpindahan panas sebagai berikut : Q = 35000 x (669.32-128,95 ) = 18.912.950 Kkal/jam. 3.3.1.2. Beban Boiler Spesifik Beban boiler spesifik adalah perbandingan uap yang dihasilkan oleh boiler (S) dengan luas bidang yang dipanaskan (F) yang dijabarkan oleh : Djokosetyardjo, (1989) S Le= F Sehingga didapat harga beban boiler spesifik (Le) sebesar : 35000 Le = = 70,33 kg uap/m 2 jam 497.2 24
3.3.1.3 Faktor Penguapan Faktor penguapan yaitu perbandingan antara jumlah uap yang dihasilkan terhadap pemakaian bahan bakar yang dijabarkan oleh : Djokosetyardjo, (1989) S E = Be Sehingga didapat harga factor penguapan (E) sebesar : 35000 E = = 16.43 Kg uap /kg b.b 2130 25
BAB IV EVALUASI KINERJA BOILER Perameter kinerja boiler,seperti efisiensi dan rasio penguapan, berkurang terhadap waktu disebabkan buruknya pembakaran, kotornya permukaan penukar panas da 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 ataupun tidak dapat dihindari. Uji efisiensiboiler dapat membantu menemukan penyimpangan efisiensi dari efisiensi terbaik dan target area permasalahan untuk tidakan perbaikan. 4.1 Reaksi Kimia Pembakaran Solar. Di bawah ini akan di jelaskan mengenai analisa jumlah panas yang dihasilkan daripembakaran yang sempurnai kg bahan bakar. 1. Analisa pembakaran unsure karbon ( C ) terbakar sempurna : C + O2 ----------------------------------------------------------------> CO2 12 kg C + 32 kg O2 -----------------------------------------------> 44 CO2 Dalam setiap pembakaran 1 kg Karbon akan diperoleh panas sebesar 8100 Kkal. 2. Analisa pembakaran unsure karbon ( C ) terbakar tidak sempurna : 2 C + O2 ---------------------------------------------------------- 2CO Dalam setiap pembakaran 1 kg Karbon akan diperoleh panas sebesar 2430 Kkal. 26
3. Analisa pembakaran unsur Hidrogen terbakar sempurna : 2H2 + O2 --------------------------------------------------->2H2 O 4 kg H2 + 32 kg O2 ---------------------------------> 36 kg H2O 1kg H 2 + 8 kg O2 -------------------------------> 9/8 kg H2O 1/8 kg H2 + 1 kg O2 -----------------------------> 9/8 kg H2O Setiap 1 kg H2 terbakar dengan sempurna akan menghasilkan panas sebesar 28922 Kkal. 3. Analisa pembakaran sulfur. S +O2 ------------------------------------------------------------------> SO 2 32 kg S +32 kg O 2 ---------------------------------------------->64 kg SO2 Setiap pembakaran 1 kg Sulfur akan menghasilkan panas sebesar 2224 Kkal. 4. 1.1 Gas Asap Gas asap hasil pembakaran yang dikeluarkan dari cerobong asap adalah hasil pembakaran dari bahan bakar dari ruang bakar boiler. Berat asap yang terbentuk dari hasil pembakaran 1kg bahan bakar adalah sama dengan jumlah berat udara yang dibutuhk an ditambah dengan berat bahan bakar yang berubah menjadi asap kecuali abunya (ash). Pada umumnya gas asap yang keluar dari stack ( cerobong asap) terdiri dari : - CO2( Carbon dioxide) Dihasilkan odari pembakaran unsure carbon yang sempurna. - CO ( Carbon mono oxide ) Dihasilkan oleh unsure Carbon yang tidak sempurna. 27
- SO2 ( sulfur dioxide ) Dihasilkan oleh unsur Sulfur yang sempurna. - H2O ( Uap air ) Dihasilkan dari pembakaran Hidrogen dan Air yang terbakar sehingga menguap. - Nitrogen Dihasilkan dari sisa nitrogen dari Udara yang disuplai untuk pembakaran. Besarnya jumlah gas asap yang terjadi dari tiap pembakaran 1 kg bahan bakar dapat dianalisa dari unsure kimianya. 1. Pembakaran zat carbon ( C ) dengan sempurna. C + O2 -----------------------------------------------> CO2 12 kg C + 32 kg O2-----------------------------> 44 kg CO2 1 kg C + 2.67 kg O2 -------------------------------> 3,67 kg CO2 2. Pembakaran Hidrogen dengan uap air. 2 H2 + O2----------------------------------------> 2 H2 O 4 kg H2 + 32 kg O2 ---------------------------> 36 kg H2O 1 kg H2 + 8 kg O2 ------------------------------> 9 kg H2O Bila dalam 1 kg bahanbakar terdapat H kg maka uap air yang dihasilkan = 9kg H2O. Oleh karena di dalam bahan bakar itu sendiri terdapat W kg uap air, maka jumlah uap air menjadi ( 9 H + W ) kg /kg bahan bakar. 28
3. Pembakaran Sulfur S + O2 -----------------------------------------------> SO2 32 kg S + 32 kg O2-------------------------------> 64 SO2 1 kg S + 1 kg O2--------------------------------> 2 kg SO2 Bila dalam tiap1 kg bahan bakar terdapat S kg Sulfur maka gas asap yang di hasilkan = 2 SO2/ kg bahan bakar. Berat jenis SO2 = 2,297 kg/ Nm 3 maka volume gas SO2 = 2 S/ 2,927 = 0, 683 Nm 3 /kg bahan bakar. 4. Nitrogen (N2) Unsur Nitrogen ini tidak bereaksi dengan unsur lain,nitrogen ini akan keluar bersama-sama dengan gas lainya. Besarnya Nitrogen ini tergantung dari jumlah udara pembakaran dan jumlahnitrogen dalam yang terdapat di dalam bahan bakar itu sendiri. Dalam perbandingan, pada berat tiap 1kg udara terdapat 77 % nitrogen yang berada dalam udara pembakaran dan berada di dalam bahan bakar adalah : BN2 = 77% x Massa udara + N BN2 = 0,77 x [ 11,5 C + 34,6 ( H-O/8 ) + 4,32S] + N kg /kg Bahan bakar. Dalam perbandingan volume tiap 1 M3 udara terdapat 79 % Nitrogen. Berat jenis nitrogen =1,26 kg / Nm 3, maka volume udara yang ada dalam udara pembakaran dan volume bahan bakar adalah : VN2 = 79% x V ud + N/1,26 29
VN2 = 0,79 x 8,9 C + 26,7 ( H-O/8 ) + 3,33 S + 0,8 Nm 3 /kg bahan bakar. Maka dengan demikian berat gas asap teoritis ( Bg ) yang keluar dari cerobong asap ( stack ) tiap pembakaran 1 kg bahan bakar adalah: Bg = Berat CO2 + berat H2O + berat SO2 + berat N2 = 3,67 C + ( 9H + W ) + 2 S + [ 0,77 [11,5 C + 34,6 (H-O/8 )+ 4,32S+ Nkg/kg bahan bakar]. Dan volume gas asap teoritis adalah : Vg = VCO2 +V H2O + V SO2 +V N 2 Vg =1,85C + 11,2H + 1,24 W +0,68 S +0,79 [ 8,9 C + 2,67 ( H-O/8 ) + 3,33S ] + 0,8 Nm 3 /kg bahan bakar. 4.1. 2 Udara Berlebih Dalam proses pembakaran di dalam boiler akan selalu terjadi pembakaran dengan udara berlebih. Hal ini disebabkan oleh volume ruang bakar yang luas dan terbuka, sehingga kemungkinan terjadinya kerugian dalam ruang yang tidak bisa dihindari. Untuk kesempurnaan pembakaran diperlukan udara lebih. Kelebihan udara biasanya antara (3-15 %). Untuk memperoleh reaksi pembakaran yang baik sebagai berikut: 1. Perbandingan tertentu antara bahan bakar dengan udara. 2. Pencampuran yang baik antara bahan bakar dan udara. 3. Pencampuran dan kelangsungan penyalaan bahan bakar. 30
4.1.3 Nilai bakar. Nilai pembakaran dari bahan bakar adalah jumlah kalor yang dikeluarkan oleh satu satuan berat atau satu satuan volume bahan bakar yang bereaksi dengan oksigen ( O2). Untuk menentukan nilai pembakaran bahan bakar secara perhitungan dengan rumus : 1. HHV ( High Heating Value) HHV = Nilai kalor atas atau kondensasi uap yang terjadi pada proses pembakaran. HHV = 8.100C+ 34.000(H-0/8) +2.500 S Kcal/Kg 2. LHV ( Low Heating Value) LHV= Nilai kalor bawah merupakan jumlah kalor yang diperhitungkan tanpa mempertimbangkan jumlahkalor yang terbuang untuk penguapan air dalam bahan bakar. LHV= HHV-600 ( 9H + W )atau dengan formula. LHV = 8.100 C + 3.4000 ( H-0/8 ) + 2.500 S - 600 ( H2O) Untuk jumlah air yang mengembun dalam I kg bahan bakar adalah W+ 9H dan kalor mengembun 600 kcal /kg,pada pembakaran teoritis tanpa kelebihan ( ascess air ) massa udara yang dibutuhkan : Mud = 11,53 C + 34,6 ( H- 0/8 ) + 4,22 S kg udara /kg bahan bakar. Dalam 1 M 3 udara ada 21% oksigen, maka setiap 1m 3 O2 memerlukan 100/ 21 m 3 udara. 31
Maka volume udara yang diperlukan untuk pembakaran: Vud = (( 2,67 C + 8 H + S ) /1,429 ) x 100/21 Nm 3. Nm 3 = Normal meter k ubik pada 0 o C dan 760 mmhg. 32
4.2 Efisiensi Termis Efisiensi termis boiler didefinisikan sebagai persen energi ( panas ) masuk yang digunakan secara efektif dalam menghasilkan steam. Terdapat dua metode pengkajian efisiensi boiler. Metode tak langsung : Efisiensi merupakan perbedaan antara kehilangan dan energi yang masuk. Metode langsung : Energi yang didapat dari fluida kerja ( air dan steam ) dibandingkan energi yang terkandung dalam bahan bakar boiler. 4.2.1 Analisa Efisiensi Boiler dengan Metode Tak Langsung. Standar acuan untuk uji di tempat dengan menggunakan metode tak langsung adalah British Standard, BS 845: 1987 dan USA Standart ASME PTC-4-1 Power Test Code Steam Generation Units. Metode tak langsung juga dikenal sebagai metode kehilangan panas. Efisiensi dapat dihitung dengan cara mengurangkan bagian kehilangan panas dari 100 sebagai berikut: Efisiensi boiler ( n ) = 100-( i + ii + iii + iv + v + vi +vii ) Dimana kehilangan panas yang terjadi dalam boiler adalah kehilangan panas yang diakibatkan oleh i. Gas cerobong yang kering ii. Kehilangan panas karena penguapan kadar air karena adanya H2 dalam bahan bakar. 33
iii. Kehilangan panas karena kadar air dalam udara. iv. Kerugian Panas Karena Adanya Radiasi Kehilangan yang diakibatkan oleh kadar air dalam bahan bakar yang disebabkan oleh hydrogen tergantung pada bahan bakar, dan tidak dapat dikendalikan oleh perancangan. Data yang diperlukan untuk perhitungan efisiensi boiler dengan menggunakan metode tidak langsung adalah sebagai berikut: Analisis ultimate bahan bakar ( H 2, O2, S, C, kadar air, kadar abu) Persentase oksigen atau CO dalam gas buang Suhu Gas buang dalam o C ( Tf ) Suhu ambien dalam o C ( Ta ) dan kelembaban udara dalam kg/kg udara kering. LHV bahan bakar dalam kkal /kg Perhirtungan secara rinci perhitungan efisiensi boiler menggunakan metode tak langsung adalah sebagai berikut : Data yang diperoleh dari hasil analisa bahan bakar tanggal 19 Februari 2008 adalah sebagai berikut. 34
Tabel 4.1 Kandungan Bahan bakar dan Gas buang Komponen Inlet ( Solar ) Inlet (Udara) Outlet Gas C ( carbon ) 86.51% 0.00% 0.00% H 12.57% 0.00% 7.77% N 2 0.00% 77.40% 70.16% S 0.42% 0.00% 0.017% H2O 0.50% 2.70% 15.05% O 2 0% 20.60% 7% LHV 10170 kcal /kg HHV 10850 kcal/kg Density 0.8497 Suhu Gas buang 170 o C Suhu udara 27 o C Suhu Air Umpan 128 o C Dari data tersebut dilakukan perhitungan sebagai berikut : Tahap 1. Menghitung kebutuhan udara teoritis. Udara Teoritis = [ (11,43 x C)+ [34,5 x ( H2-O2/8)] +(4,32 x S)]/100kg udara/kg bahan bakar minyak. Di kutip dari Pedoman Efisiensi Energi Industri di Asia -www.energyefficiencyasia.org Dari data yang hasil analisa solar di PT NSI adalah : C = 86.51% H2 = 12,57% S = 0,42% O2 = 0 % =[ (11,43 x 86,51)+ [34,5 x ( 12,57-0/8)] +(4,32 x 0.42)]/100kg udara/kg minyak solar = ( 988.8 + 433.665 + 1.814)/100 =14,24 udara/kg minyak solar 35
Tahap 2. Menghitung persen udara berlebih (excess air) yang dipasok ( EA) Konsentrasi Oksigen pada Gas Buang menunjukkan udara berlebih: Jadi: =( O2 x 100 )/(21-O2) =( 7x 100) / ( 21-7) = 50 % Tahap 3. Menghitung udara sebenarnya yang di pasok/ kg bahan bakar (Actual air supplied)( AAS) AAS / kg bahan bakar = [1+ EA / 100] x Udara teoritis = [1+ 50/100]x 14,24 = 1,5 x 14,24 = 21.36kg udara /kg bahan bakar. Tahap 4. Memperkirakan seluruh kehilangan panas. i. Persentase kehilangan panas karena gas kering. m x Cp x ( Tf - Ta ) x 100 = ----------------------------------- HHV bahan bakar m = massa total gas buang. yaitu : massa udara sebenarnya yang dipasok + massa bahan bakar yang dipasok. = 21.36 +1 = 22.36 = 22.36 x 0.23 x (170-27) --------------------------------- x 100 10850 = 6.8 % 36
ii. Kehilangan panas karena penguapan kadar air karena adanya H2 dalam bahan bakar. 9x H2 { 584 + 0,45 ( Tf - Ta ) } = -------------------------------------------- HHV bahan bakar dimana H2= H2 persen dalam bahan bakar 9 x 12,57 { 584 + 0,45 ( 150-30 )} = ----------------------------------------------- 10850 = 6.7 % iii. Kehilangan panas karena kadar air dalam udara AAS x kelembaban x 0,45 x ( Tf - Ta ) x 100 = -------------------------------------------------------------------- HHV bahan bakar = { 21,36 x 0,18 x 0,45 x ( 170-27 ) x 100 } ------------------------------------------------------ 10850 = 2.13 % iv. Kehilanga karena radiasi dan kehilangan lai yang tidak terhitung Untuk boiler yang kecil diperkirakan mencapai 2 % 37
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 kering = 6.8 % ii. Kehilangan panas karena penguapan air yang terbentuk karena adanya H2 dalam bahan bakar = 6.7 % iii. Kehilangan panas karena kadar air dalam udara = 2.13 % iv. Kehilangan panas karena radiasi dan kehilangan lain yang tak terhitung = 2 % = 100 - (6.8 + 6.7 + 2.13 + 2 ) n = 82.37% Menghitung rasio penguapan Yaitu panas yang digunakan untuk pembangkitan steam dibagi panas yang ditambahkan terhadap air umpan sehingga menjadi steam Rasio penguapan yaitu kilogram steam yang dihasilkan per kg bahan bakar yang di gunakan. = 10850 x 0,8237 / (669.32-128,95 ) = 16.5 kg steam/kg bahan bakar. 38
4.2.2 Analisa Efisiensi Boiler Dengan Metode Langsung Kondisi Desain Tipe Boiler : Water Tube IHI-SCM - 252 E tipe untuk Out Door Sevice. Aktual penguapan maksimum ( Maximum continues rating : MCR ) 35000 kg/jam. Tekanan Desain 34 kg /cm2 G. Tekanan Kerja ( steam drum outlet pressure ) 30,0 kg/cm2 Temperatur uap ( steam outlet temperature ) Saturated 234,5 o C Temperatur Air Umpan 128 o C Temperatur Udara masuk 27 o C Perhitungan efisiensi boiler pada tiap beban Operasi denganmetode Langsung. Yaitu Energi yang di dapat dari fluida kerja ( air dan steam ) di bandingkan dengan energi yang terkandung dalam bahan bakar boiler Ws x ( i s - i w ) Efisiensi boiler = x 100% Wf x Hu Ws : Penguapan kg/ jam is : Enthalpy Steam ( outlet ) kcal /kg iw : Enthalpy air umpan kcal/kg Hu : LHV ( Low Heating value ) kcal/kg LHV : yaitu nilai pembakaran terendah atau Lowest Heating Value, uap air yang terbentuk dari hasil pembakaran tidak perlu dicairkan dahulu, sehingga panas pengembunannya tidak ikut serta diperhitungkan sebagai panas pembakaran bahan bakar tersebut : (Djokosetyardjo, 1989) Wf : Konsumsi bahan bakar kg / jam 39
Pengujian dilakukan dari mulai boiler jalan yaitu pada pembakaran minimal (minimum firing) sampai mencapai pembakaran optimal. Dalam operasional boiler ini menggunakan system persentase dari beban operasional yang dilakukan dengan system otomatisasi yang dengan menggunakan computer. Dalam operasional boiler ini menggunakan ketentuan sebagai berikut; Tekanan kerja yaitu tetap pada : 30 kg/cm 2 sehingga enthalpy steam yang dihasilkan tetap yaitu sebesar 669.32 kcal /kg steam. Temperatur air umpanpada boiler juga tetap yaitu 128 o C sehingga entalphy air umpan konstan yaitu sebesar 128.95 kcal/kg. a. Beban kerja 0 % Dari hasil operasional pada kondisi beban 0 % adalah sebagai berikut: Ws : 5 Ton/jam = 5000 kg/ jam is : 669,32 kcal/kg ( enthalpy saturated steam pada tekanan 30kg/cm2G ) di petik dari steam table iw : 128,95 kcal/kg ( enthalpy air umpan boiler pada temperature 128o C) Wf : 350kg/jam Hu : 10170 kcal/kg Excess O2 = 10,5 % Jadi Efisiensi boiler pada beben operasi 0 % adalah Ws x ( i s - i w ) Efisiensi boiler = x 100% Wf x Hu 40
5000 x (669.32-128,95 ) Efisiensi boiler = x 100% 350 x 10170 = 75,9 % b. Beban kerja 10 % Dari hasil operasional pada kondisi beban 10 % adalah sebagai berikut: Ws : 9 Ton/jam = 9000 kg/ jam is : 669,32 kcal/kg ( enthalpy saturated steam pada tekanan 30kg/cm2G ) di petik dari steam table iw : 128,95 kcal/kg ( enthalpy air umpan boiler pada temperature 128o C) Wf : 590 kg/jam Hu : 10170 kcal/kg Excess O2 = 6.2 % Jadi Efisiensi boiler pada beben operasi 10 % adalah Ws x ( i s - i w ) Efisiensi boiler = x 100% Wf x Hu 9000 x (669.32-128,95 ) Efisiensi boiler = x 100% 590 x 10170 = 81 % 41
c. Beban kerja 20 % Dari hasil operasional pada kondisi beban 20 % adalah sebagai berikut: Ws : 11 Ton/jam = 11000 kg/ jam is : 669,32 kcal/kg ( enthalpy saturated steam pada tekanan 30kg/cm2G ) di petik dari steam table iw : 128,95 kcal/kg ( enthalpy air umpan boiler pada temperature 128o C) Wf : 720 kg/jam Hu : 10170 kcal/kg Excess O2 = 5,1 % Jadi Efisiensi boiler pada beben operasi 20 % adalah Ws x ( i s - i w ) Efisiensi boiler = x 100% Wf x Hu 11000 x (669.32-128,95 ) Efisiensi boiler = x 100% 720 x 10170 = 81,2 % 42
d. Beban kerja 30% Dari hasil operasional pada kondisi beban 30 % adalah sebagai berikut: Ws : 16 Ton/jam = 16000 kg/ jam is : 669,32 kcal/kg ( enthalpy saturated steam pada tekanan 30 kg/cm 2 G ) di petik dari steam table iw : 128,95 kcal/kg ( enthalpy air umpan boiler pada temperature 128 o C) Wf : 950 kg/jam Hu : 10170 kcal/kg Excess O2 = 5,1 % Jadi Efisiensi boiler pada beban operasi 30 % adalah Ws x ( i s - i w ) Efisiensi boiler = x 100% Wf x Hu 16000 x (669.32-128,95 ) Efisiensi boiler = x 100% 950 x 10170 = 89,5 % 43
e. Beban kerja 40% Dari hasil operasional pada kondisi beban 40 % adalah sebagai berikut: Ws : 24 Ton/jam = 24000 kg/ jam is : 669,32 kcal/kg ( enthalpy saturated steam pada tekanan 30kg/cm2G ) di petik dari steam table iw : 128,95 kcal/kg ( enthalpy air umpan boiler pada temperature 128o C) Wf : 1400 kg/jam Hu : 10170 kcal/kg Excess O2 = 4,2 % Jadi Efisiensi boiler pada beben operasi 40 % adalah Ws x ( i s - i w ) Efisiensi boiler = x 100% Wf x Hu 24000 x (669.32-128,95 ) Efisiensi boiler = x 100% 1400 x 10170 = 91% 44
f. Beban kerja 50% Dari hasil operasional pada kondisi beban 50 % adalah sebagai berikut: Ws : 26 Ton/jam = 26000 kg/ jam is : 669,32 kcal/kg ( enthalpy saturated steam pada tekanan 30kg/cm2G ) di petik dari steam table iw : 128,95 kcal/kg ( enthalpy air umpan boiler pada temperature 128o C) Wf : 1560 kg/jam Hu : 10170 kcal/kg Excess O2 = 4,2 % Jadi Efisiensi boiler pada beben operasi 50 % adalah Ws x ( i s - i w ) Efisiensi boiler = x 100% Wf x Hu 26000 x (669.32-128,95 ) Efisiensi boiler = x 100% 1560 x 10170 = 88,5 % 45
g. Beban kerja 60% Dari hasil operasional pada kondisi beban 60 % adalah sebagai berikut: Ws : 28,6 Ton/jam = 28600 kg/ jam is : 669,32 kcal/kg ( enthalpy saturated steam pada tekanan 30kg/cm2G ) di petik dari steam table iw : 128,95 kcal/kg ( enthalpy air umpan boiler pada temperature 128o C) Wf : 1710 kg/jam Hu : 10170 kcal/kg Excess O2 = 4,0 % Jadi Efisiensi boiler pada beben operasi 60 % adalah Ws x ( i s - i w ) Efisiensi boiler = x 100% Wf x Hu 28600 x (669.32-128,95 ) Efisiensi boiler = x 100% 1710 x 10170 = 88,9 % 46
h. Beban kerja 30% Dari hasil operasional pada kondisi beban 70 % adalah sebagai berikut: Ws : 31,7 Ton/jam = 31700 kg/ jam is : 669,32 kcal/kg ( enthalpy saturated steam pada tekanan 30kg/cm2G ) di petik dari steam table iw : 128,95 kcal/kg ( enthalpy air umpan boiler pada temperature 128o C) Wf : 1820 kg/jam Hu : 10170 kcal/kg Excess O2 = 4,0 % Jadi Efisiensi boiler pada beben operasi 70 % adalah Ws x ( i s - i w ) Efisiensi boiler = x 100% Wf x Hu 31700 x (669.32-128,95 ) Efisiensi boiler = x 100% 1820 x 10170 = 92,5 % 47
i. Beban kerja 80 % Dari hasil operasional pada kondisi beban 80 % adalah sebagai berikut: Ws : 32,1 Ton/jam = 32100 kg/ jam is : 669,32 kcal/kg ( enthalpy saturated steam pada tekanan 30kg/cm2G ) di petik dari steam table iw : 128,95 kcal/kg ( enthalpy air umpan boiler pada temperature 128o C) Wf : 1900 kg/jam Hu : 10170 kcal/kg Excess O2 = 3,5 % Jadi Efisiensi boiler pada beben operasi 80 % adalah Ws x ( i s - i w ) Efisiensi boiler = x 100% Wf x Hu 32100 x (669.32-128,95 ) Efisiensi boiler = x 100% 1900 x 10170 = 89,7 % 48
j. Beban kerja 90% Dari hasil operasional pada kondisi beban 90 % adalah sebagai berikut: Ws : 32,7 Ton/jam = 32700 kg/ jam is : 669,32 kcal/kg ( enthalpy saturated steam pada tekanan 30kg/cm2G ) di petik dari steam table iw : 128,95 kcal/kg ( enthalpy air umpan boiler pada temperature 128o C) Wf : 2000 kg/jam Hu : 10170 kcal/kg Excess O2 = 3,5 % Jadi Efisiensi boiler pada beben operasi 90 % adalah Ws x ( i s - i w ) Efisiensi boiler = x 100% Wf x Hu 32700 x (669.32-128,95 ) Efisiensi boiler = x 100% 2000 x 10170 = 86,8 % 49
k. Beban kerja 100% Dari hasil operasional pada kondisi beban 100 % adalah sebagai berikut: Ws : 35,5 Ton/jam = 35500 kg/ jam is : 669,32 kcal/kg ( enthalpy saturated steam pada tekanan 30kg/cm2G ) di petik dari steam table iw : 128,95 kcal/kg ( enthalpy air umpan boiler pada temperature 128o C) Wf : 2130 kg/jam Hu : 10170 kcal/kg Excess O2 = 3,4 % Jadi Efisiensi boiler pada beben operasi 100 % adalah Ws x ( i s - i w ) Efisiensi boiler = x 100% Wf x Hu 35500 x (669.32-128,95 ) Efisiensi boiler = x 100% 2130 x 10170 = 88,6 % 50
Tabel 4.2 Data - data hasil Pengujian Beban operasi % Tekanan boiler dalam kg/cm 2 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 Enthalpy 669.32 669.32 669.32 669.32 669.32 669.32 669.32 669.32 669.32 669.32 669.32 Temperatur air umpan boiler Enthalpy air umpan Total produksi steam dalam Ton /jam jumlah aliran bahan bakar dalam kg/jam Oksigen exsess Efisiensi termis dalam % 128 128 128 128 128 128 128 128 128 128 128 128.95 128.95 128.95 128.95 128.95 128.95 128.95 128.95 128.95 128.95 128.95 5 9 11 16 24 26 29 31 32 33 35 350 590 720 950 1400 1560 1710 1820 1900 2000 2130 10.5 6.2 5.1 5.1 4.2 4.2 4 4 3.5 3.5 3.4 75.9 81 81.2 89.5 91 88.5 88.9 92.5 89.7 86.8 88.6 Tabel 4.3 Perbandingan Efisiensi Boiler dengan beban Operasi Efisiensi boiler dibandingkan dengan beban operasi % Beban operasi % Efisiensi termis dalam % 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 75.9 81 81.2 89.5 91 88.5 88.9 92.5 89.7 86.8 88.6 51
Efisiensi boiler Efisiensi (%) 100 95 90 85 80 75 70 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Beban operasi (%) Grafik 4.1 Efisiensi Boiler tiap beban operasi % Tabel 4.4 Efisiensi boiler dibandingkan dengan beban kapasitas produksi ton/jam Total produksi steam dalam Ton /jam 5 9 11 16 24 26 29 31 32 33 35 Efisiensi termis dalam % 75.9 81 81.2 89.5 91 88.5 88.9 92.5 89.7 86.8 88.6 52
Efisiensi ( % ) Efisiensi Boiler 100 95 90 85 80 75 70 5 9 11 16 24 26 29 31 32 33 35 Kapasitas Produksi (Ton/jam) Grafik 4.2 Efisiensi tiap Kapasitas Produksi Tabel 4.5 Efisiensi boiler dibandingkan dengan Oksigen exsess Oksigen exsess Efisiensi termis dalam % 10.5 6.2 5.1 5.1 4.2 4.2 4 4 3.5 3.5 3.4 75.9 81 81.2 89.5 91 88.5 88.9 92.5 89.7 86.8 88.6 Efisiensi Boiler 100 Efisiensi ( % ) 95 90 85 80 75 70 10.5 6.2 5.1 5.1 4.2 4.2 4 4 3.5 3.5 3.4 Oxigen % Grafik 4.3 Efisiensi boler tiap Oksigen Excess. 53
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Dari uraian dan pembahansan pada bab III dan bab IV maka dapat disimpulkan bahwa : Dengan dilakukan perhitungan bahan efisiensi bahan bakar secara langsung maupun secara tidak langsung diperoleh efisiensi rata - rata yaitu mendekati dari desain yang ditentukan oleh pembuatnya yaitu sebesar 90% walaupun boiler tersebut sudah dipakai selama 10 tahun. Pada perhitungan efisiensi bahan bakar secara langsung di simpulkan bahwa pada beban operasi 70% yang diperoleh kapasitas produksi 31ton/jam dan Oksigen excess 4% diperoleh efisiensi yang paling tinggi yaitu sebesar 92%. Faktor Penguapan yang menyatakan jumlah uap yang dihasilkan dari satu kg bahan bakar solar adalah sebesar 16.5 kg steam. 5.2. Saran. Dari hasil perhitungan yang dilakukan disarankan: Untuk menjalankan boiler paga beban kerja 70% karena pada beban kerja tersebut diperoleh efisiensi yang tinggi yang memungkinkan penghematan bahan bakar. Menjaga kualitas air umpan agar bagian dalam pipa boile tetap bersih yang mengakibatkan perpindahan panasnya terjaga dengan baik sehingga efisiensi boiler tetap terjaga dengan baik. 54
Oksigen konsentrasi pada gas buang sedikit lebih tinggi di saat beban kerja kecil kemungkinan menyebabkan efisiensi boiler lebih kecil sehingga disarankan untuk mengurangi supplai udara dengan mengatur rasionya. 55
Daftar Pustaka 1. Ichikawa Harima Industries, SCM-252 Type Boiler, Instruction Manual 1997. 2. Setyardjo, Djoko, Ketel Uap, Pradnya Paramita, Jakarta 1989. 3. Muin,Syamsir,Pesawat Konversi Energi (ketel uap), Jakarta 1988. 4. PK Nag, Power Plant Enginering Second Edition, Mc Graw Hill Education, Devision of McGraw-Hill Company, Singapore 2002 5. Website: www.energyefficiencyasia.org 56
57