BAB II LANDASAN TEORI 2.1. Pengertian Ketel Uap Ketel uap adalah bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan ke air sampai terbentuk air panas atau steam. Air panas atau steam pada tekanan tertentu 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 maka volumenya meningkat sampai sekitar 1.600 kali, menghasilkan tenaga yang mudah meledak, oleh karena itu ketel uap harus dijaga dan dikelola secara baik. Steam merupakan bagian penting dari teknologi modern. Tanpa steam, maka industri tekstil, makanan, transportasi, manufaktur, bahan kedokteran, daya, pemanasan, tidak aka ada seperti saat ini. steam memberikan suatu cara pemindahan energi yang terkendali dari suatu pusat, ruang ketel uap yang otomatis dimana energy dapat dihasilkan dengan efisien dan ekonomis. Universitas Mercu Buana 7
Steam yang bergerak dianggap sama dengan penyediaan energy dan transportasi, untuk beberapa alasan, steam merupakan komoditas yang digunakan membawa energi panas, penggunaan proses dan pemanas ruangan. Meningkatnya suhu air mendaekati titik didihnya, beberapa beberapa molekul mendapatkan energy kinetic yang cukup untuk mencapai kecepatan yang membuatnya sewaktu-waktu lepas dari cairan keruang diatas permukaan, sebelim jatuh kembali ke cairan. Pemanasan lebih lanjut akan mengakibatkan eksitasi lebih besar dan sejumlah molekul dengan energy cukup 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. Ruangan yang secara 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 mengakibatkan kenaikan suhu lebih lanjut namun menyebabkan air membentuk steam jenuh. suhu air mendidih dengan steam jenuh dalam sistem yang sama adalah sama, akan tetapi energi panas persatuan massanya lebih besar pada steam. Pada atsmosfir suhu jenuh adalah 100. Tetapi, jika tekanannya bertambah, maka akan ada penambahan lebih banyak panas yang peningkatan suhu tanpa perubahan fase, oleh karena itu, kenaikan tekanan secara efektif akan meningkatkan entalpi air dan suhu jenuhnya. Hubungan antara suhu jenuhnya dan tekanan dikenal dengan kurva steam jenuh. Universitas Mercu Buana 8
Gambar 2.1 : Kurva Steam Jenuh (steam saturation curve) Sumber: https://www.google.com/search?q=kurva+steam+jenuh Air dan steam berada secara bersamaan pada berbagai tekanan kurva ini, keduanya akan berada pada suhu jenuh. Steam dengan kondisi diatas kurva jenuh dikenal dengan superheated steam/steam lewat jenuh : Air dibawah kurva disebut air sub-jenuh Suhu diatas suhu jenuh disebut dengan derajat steam jenuh. Jika steam mengalir dari boiler dengan kecepatan yang sama dengan hasil, peningkatan panas lebih lanjut akan meningkatkan laju produksinya. Jika steam yang sama dengan menghasilkannya, meningkatnya panas dapat meningkatkan laju produksinya. Apabila steam yang sama tertahan meninggalkan boiler, dan jumlah panas masuk cukup dijaga tetap. Energi yang masuk ke dalam boiler akan lebih besar ketimbang energi yang keluar. Energi yang berlebihan ini akan meningkatkan tekanan, yang pada gilirannya akan menyebabkan suhu jenuh meningkat, karena suhu steam jenuh berhubungan dengan tekanannya. Universitas Mercu Buana 9
2.2 Diagram fase steam Data yang diberikan dalam table steam dapat juga dinyatakan dalam bentuk grafik. Pada gambar 2.2 di bawah ini menggambarkan hubungan antara entalpi dan suhu dalam tekanan, dan dikenal dengan diagram fase. Gambar 2.2 : Diagram Fase Entalpi Suhu Sumber: http://www.spiraxsarco.com/resources/steam-engineeringtutorials/steam-engineering-principles-and-heat-transfer/what-is-steam.asp Ketika air dipanaskan dari suhu 0 sampai pada suhu jenuhnya, kondisinya mengikuti garis air jenuh sampai menerima seluruh cairannya, hf, (A-B). Jika panas ditambahkan lebih lanjut, maka akan merubah fase ke steam jenuh dan berlanjut meningkatkan entalpi sambil tetap pada suhu jenuhnya, hg, (B-C). Jika campuran steam/air meningkatkan kekeringannya, kondisinya bergerak dari garis cair jenuh ke garis uap jenuh, oleh karena itu pada titik setengah antara kedua keadaan tersebut, faksi 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 pada titik ini, suhu steam akan naik mencapai lewat Universitas Mercu Buana 10
titik jenuhnya (C-D). Garis-garis cairan jenuh dan uap jenuh menutup wilayahnya dimana terdapat campuran steam/air-steam basah. Dalam bagian kiri garis cair jenuh, hanya terdapat air, dan pada bagian kanan garis uap jenuh hanya terdapat steam lewat jenuh. Titik dimana garis cairan dan uap jenuh bertemu dan dikenal dengan titik kritis. Apabila tekanan naik menuju titik kritis maka entalpi penguapannya berkurang, sampai menjadi nol. Hal ini menunjukan bahwa air berubah menjadi steam saat mencapai titik kritisnya. Di atas titik kritis hanya ada gas yang mungkin ada,. Gas merupakan keadaan paling terdifusi, yang molekulnya tidak dapat dibatasi gerakannya, dan volumenya bertambah tak terbatas saat tekanan berkurang. Titik kritisadalah suhu tertinggi dimana bahan berada pada bentuk cair. Pemberian tekanan pada suhu konstan dibawah titik kritis tidak merubah fase. Walau begitu, pemberian pemberian tekanan dibawah titik kritis akan mengakibatkan pencairan uap begitu melintasi daerah lewat jenuh/superheated ke daerah steam basah,sedangkan titik kritis berada pada suhu 374,15 dan tekanan steam 221,2 bar. Sistem pada boiler terdiri dari : sistem air umpan, sistem steam, dan sistem bahan bakar. sistem bahan bakar adalah peralatan yang digunakan untuk menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas yang di butuhkan, peralatan yang digunakan tergantung dari jenis bahan bakar yang digunakan. Universitas Mercu Buana 11
2.3 Tipe tipe boiler Tipe boiler dibedakan menurut tujuan dan kontruksinya, daerah yang mengalami pemanasan, sumber panasnya, dinding penyangga dan sirkulasinya. a) Bedasarkan dari daerah yang mengalami pemanasan di bedakan menjadi : Water Tube Boiler Fire Tube Boiler Package Boiler b) Bedasarkan pada tujuan dn kontruksinya boiler di bedakan menjadi : Utility Boiler Supercritical Boiler Industrial Boiler Circulating fluidized bed Boiler (CFB) Marine Boiler c) Bedasarkan sumber panasnya dibedakan menjadi : Heat Recovery Steam Generator Conventional Boiler d) Bedasarkan dinding penyangga dibedakan menjadi : Top Supported Bottom Supported e) Bedasarkan sirkulasinya di bedakan menjadi : Natural Circulation Forced Circulation 2.3.1 Water Tube Boiler Universitas Mercu Buana 12
Pada boiler tipe ini air umpan mengalir pada pipa-pipa masuk kedalam drum. Air dipanaskan oleh gas hasil pembakaran bahan bakar dan membentuk steam pada daerah uap dalam drum. Boiler ini dipilih apabila kebutuhan steam dan tekanan steam sangat tinggi, biasanya digunakan untuk pembangkit tenaga. Water Tube Boiler berkapasitas steam antara 4500-12000 kg/jam, dengan tekana setinggi itu, maka boiler ini dikontruksikan secara paket apabila menggunakan bahan bakar minyak dan gas. Untuk yang menggunakan bahan bakar padat seperti batu bara tidak dirancang secara paket, adapun karakteristik Water Tube Boiler sebagai berikut : Kurang toleran terhadap kualitas air yang dihasilkan plant pengolahan. Forced, balanced draft dan induced membantu meningkatkan efisiensi pembakaran. Meningkatkan efisiensi panas yang lebih tinggi. Gambar 2.3 : Diagram Sederhana Water Tube Boiler Sumber: http:/www.yourdictionary.boiler.com Universitas Mercu Buana 13
2.3.2 Fire Tube Boiler Pada boiler tipe ini adalah kebalikan dari water tube boiler dimana pada boiler ini gas yang melewati pipa-pipa sedangkan air berada didalam shell untuk dirubah menjadi steam. Boiler ini umumnya digunakan pada kapasitas rendah sampai sedang. Sebagai pedoman boiler ini kompetitif untuk kecepatan steam hingga 12000 kg/jam dengan tekanan mencapai 18 kg/cm. Boiler ini bias menggunakan bahan bakar berupa minyak, gas atau bahan bakar padat untu pengoperasiannya. Untuk alasan ekonomis, boiler ini di kontruksi sebagai paket boiler (buatan pabrik) untuk semua bahan bakar. Berikut adalah gambar Fire Tube Boiler. Gambar 2.4 : Fire Tube Boiler Sumber: http://www.energyefficiencyasia.org/.pdf 2.3.3 Package Boiler Biasa disebut juga dengan boiler paket, karena sudah tersedia lengkap, Saat dikirim ke pabrik, hanya memerlukan pipa steam, pipa air, supplier bahan bakar, dan sambungan listrik untuk dapat beroperasi. Boiler ini biasanya merupakan tipe shell Universitas Mercu Buana 14
dan tube dengan rancangan fire tube dengan transfer panas baik radiasi maupun konveksi yang tinggi. Adapun Ciri-ciri dari package boiler adalah : Ruang bakar yang kecil serta serta panas yang tinggi sehingga mempercepat penguapan. Jumlah pipa yang banyak dan berdiameter kecil memungkinkan untuk memiliki perpindahan panas konvektif yang baik. Sistem forced dan induced draft menghasilkan efisiensi pembakaran yang baik. Beberapa lintasan menghasilkan perpindahan panas keseluruh yang baik. Thermis dengan tingkat efisiensi yang lebih tinggi dari tipe boiler lainnya. Boiler tersebut di klasifikasikan bedasarkan dari jumlah pass nya. Yaitu beberapa kali gas pembakaran melintasi boiler. Ruang pembakaran ditempatkan sebagai lintasan pertama kemudian satu, dua, atau tiga set pipa api. Boiler pada kelas ini biasanya adalah unit tiga pass /lintasan dengan dua set fire tube/pipa api dan gas buangnya keluar dari bagian belakang boiler. Berikut adalah gambar dari package boiler : Universitas Mercu Buana 15
Gambar 2.5: Jenis packaged boiler 3 Pass, bahan bakar Minyak Sumber: http://www.spiraxsarco.com/resources/steam-engineering- tutorials/the-boiler-house/shell-boilers.asp 2.4 Komponen Boiler Berikut ini adalah komponen yang ada pada boiler a) Main Equipment Furnace (ruang bakar) Main steam drum Super Heater Reheater Riser (pipa penguapan) Economizer Burner b) Auxiliary Equipment Induce draft fan Force draft fan (PAF & SAF) Valves, control, instrument c) Balance of boiler Deaerator Adalah salah satu alat pemanas yang banyak digunakan pada pembangkit listrik di dunia. Deaerator berfungsi untuk menghilangkan gas oksigen yang terkandung dalam air umpan pada boiler. Feed water heater Universitas Mercu Buana 16
Merupakan jenis dari heat exchanger yang sering digunakan pada idustri proses untuk mengalirkan panas antar fluida. Blowdown system Adalah suatu sistem yang terdiri dari peralatan penampungan semua drain air dan uap bekas yang ada pada boiler equipment. Continous Blowdown itu berbentuk vassel yang mampu menahan air panas dan tekanan yang kuat dari steam. 2.5 Teori Perpindahan Panas Pada Boiler 2.5.1. Perpindahan panas secara pancaran (radiasi) Perpindahan panas secara radiasi adalah perpindahan panas dari benda satu ke benda lainnya, melalui gelombang-gelombang elektromagnetik tanpa ada atau tidak adanya media untuk menghantarkan pancaran panas tersebut. Molekul-molekul api hasil dari pembakaran bahan bakar dan udara menyebabkan gangguan terhadap keseimbangan elektromagnetik terhadap media yang disebut aether (materi bayangan tanpa bobot yang mengisi ruangan). Sebagian panas yang timbul dari hasil pembakaran tersebut dialirkan aether yang kemudian diteruskan kepada bidang yang akan dipanasi, yaitu dinding ataupun pipa ketel. 2.5.2. Perpindahan Panas Secara Aliran (Konveksi) Perpindahan panas secara konveksi adalah perpindahan panas yang dilakukan oleh molekul-molekul suatu fluida atau gas. Molekul-molekul fluida tersebut dalam pergerakannya membawa sejumlah panas masing-masing q joule. Pada saat molekul fluida menyentuh dinding atau pipa ketel maka panasnya dibagikan sebagian kepada dinding atau pipa ketel, sedangkan sebagiannya lagi dibawa molekul pergi. Universitas Mercu Buana 17
Gerakan-gerakan molekul yang melayang-layang tersebut disebabkan dari perbedaan temperature di dalam fluida itu sendiri. Dalam gerakannya, molekulmolekul api tersebut tidak perlu melalui lintasan yang lurus untuk mencapai dinding bidang yang di panasi. 2.5.3. Perpindahan Panas Secara Rambatan (Konduksi) Perpindahan panas secara konduksi adalah perpindahan panas dari suatu benda padat ke benda padat lainnya karena adanya persinggungan (kontak fisik) tanpa terjadinya perpindahan panas molekul-molekul dari benda padat itu sendiri. Didalam dinding ketel, panas dirambatkan oleh molekul-molekul dinding ketel bagian dalam yang berbatasan dengan api menuju ke molekul-molekul dinding ketel bagian luaryang berbatasan dengan air. Perambatan tersebut menempuh jarak terpendek. (Djokosetyardjo, 1993). 2.6 Mekanisme Sistem Penyuplai Panas Pada Ketel Uap 2.6.1 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 Fluiditing Air Blower, jumlah flow udara dalam proses pembakaran (100%B M CR) diruang bakar (Furnace) membutuhkan 522 t/h udara panas. Aliran udara yang berputar (turbulent), tujuannya untuk melindungi dinding cyclone pada bagian expansion bellow pada dinding cyclone maka dibantu Fluiditing Air Blower. Batubara yang belum habis terbakar yang menempel pada bagian expansion bellow dapat merusak dan menghambat sirkulasi pada cyclone. Selain Universitas Mercu Buana 18
untuk melindungi expansion bellow pada dinding cyclone udara yang berasal dari Fluiditing 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 dibantu oleh udara dari Fluiditing Air Blower serta udara dari limestone. Udara primary berasal dari udara luar yang masuk kedalam kipas (fan) kemudian udara dihembuskan menuju turbular air heater terjadi pertukaran panas antara udara primary dengan flue gas. 2.6.2 Pengaturan Penyuplaian Udara dan Air Heater Pengaturan Tekanan Udara Pengaturan tekanan udara bebas dikelilingi kita sebut dengan tekanan atsmosfer, besar tekanan atsmosfer adalah 1,023 bar atau 14,7 Psig dan alat ukurnya dinamakan barometer. Titik nol barometer diukur dalam ruangan hampa udara (Hampa mutlak/non absolute). Sedangkan alat ukur yang digunakan untuk mengukur tekanan selain tekanan udara bebas adalah manometer. Tekanan dapat dibedakan menjadi 3 macam yaitu : 1. Tekanan terukur 2. Tekanan Absolute 3. Tekanan Vakum Pada pengaturan tekanan yang sering di jumpai pada pembangkit termal adalah menggunakan metode, sebagai berikut : Universitas Mercu Buana 19
1. Kolom Zat Cair 2. Perubahan Element Elastis 2.6.3 Pengaturan Temperatur Udara Pengaturan temperatur udara dapat dimonitor dari pengukuran temperature pada boiler overview. Pada pembangkit termal terdapat dua buah alat ukurnya 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 kawat penghubung yang mempunyai tahanan meskipun kecil (0,008-0,012/meter). 2.6.4 Pengaturan Aliran Udara Pada Boiler Pengaturan aliran udara pada boiler diatur dengan mempertimbangkan laju aliran pada suplai udara yang masuk dan keluar mengingat kondisi dan tekanan udara didalam ruang bakar berbeda. PAF, SAF, dan HPA menciptakan kondisi bertekanan plus sedangkan IDF menciptakan kondisi ruang bakar vakum atau minus. Hal ini sesuai dengan filosofi desain boiler itu sendiri dimana bahan bakar terbakar pada bed level. (level pasir melayang di permukaan furnace) lalu coal/batu bara yang tidak terbakar masuk compact separator untuk dibakar kembali di bed (proses ini terjadi berulang). Untuk suplai aliran udara boiler tergantung pada bukaan damper menggunakan regulator pada setiap fan. Adapun bukaan damper di sesuaikan dengan kondisi operasi normal tekanan udara plus dipertahankan 6kPa untuk Lower Furnace Universitas Mercu Buana 20
(bagian dasar ruang bakar) dan 5kPa untuk Upper Furnace (bed level) dengan tekanan vakum (-34,10 PA) guna mencapai kesetimbangan udara ruang bakar (100%B M CR). 2.6.5 Pengaturan Air Heater Air Heater merupakan peralatan tempat perpindahan panas yang besar didalam jalur udara primer dan gas buang dari Boiler. Sebagai media panas air heater berasal dari gas buang di stack melalui induced Draft Fan (IDF). Air Heater terdiri dari jenis elemen-elemen plat yang berfungsi mengambil panas dari gas buang dengan mekanisme pengaturan perpindahan panas konveksi. Pengoprasian normal air heater dibantu dengan motor penggerak yang dihubungkan dengan speed reducer, rotor elemen pemanas diputar dalam suatu yang memiliki sambungan duct pada kedua sisinya dialiri gas buang dari boiler dan udara dari sisi lainnya. Saat rotor diputar setengah bagiannya memasuki saluran gas buang dan menyerap energi panas yang terkandung didalamnya, sedangkan setengah bagian lain mentransfer panas dari elemen ke udara pada sisi saluran udara sehingga menghasilkan udara panas yang selanjutnya disuplai keruang bakar (furnance). 2.7 Blowdown Boiler Jika air dididihkan dan dihasilkan steam, padatan terlarut dalam air akan tinggal di boiler. Jika banyak padatan terdapat dalam air umpan, padatan tersebut akan terpekatkan dan akhirnya akan mencapai suatu tingkat dimana larutannya dalam air akan terlampaui dan akan mengendap dari larutan. Diatas tingkat kosentrasi tertentu, padatantersebut mendorong terbentuknya busa dan menyebabkan terbawanya Universitas Mercu Buana 21
air ke steam. Endapan juga mengakibatkan terbentuknya kerak dibagian dalam boiler, mengakibatkan pemanasan setempat menjadi berlebihan dan akhirnya menyebabkan kegagalan pada pipa boiler. Oleh karna itu penting untuk mengendalikan tingkat kosentrasi padatan dalam suspensi dan terlarut dalam air yang di didihkan. Hal ini dicapai pleh proses yang disebut blowing down dimanasejumlah tertentu volume air dikeluarkan dan secara otomatis diganti dengan air umpan dengan demikian akan tercapai tingkat optimum total padatan terlarut (TDS) alam air boiler dan membuang padatan yang sudah rata keluar larutan dan yang cenderung tinggal pada permukaan boiler. Blowdown penting untuk melindungi permukaan penukaran panas pada boiler. Walau demikian, Blowdown dapat menjadi sumber kehilangan panas yang cukup berarti, jika dilakukan secara tidak benar. 2.7.1 Perhitungan Blowdown Besarnya jumlah Blowdown yang diperlukan untuk mengendalikan kosentrasi padatan air boiler dihitung dengan menggunakan rumus berikut: Sumber: http://www.energyefficiencyasia.org/docs/ee_modules) (Waktu : 15.15 /9/29/13) 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 adalah 300 ppm, maka persentase blowdownnya adalah sebagai berikut : Universitas Mercu Buana 22
= 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/h 2.7.2 Rekomendasi untuk Kualitas Air Umpan Kotoran yang ditemukan dalam boiler tergantung pada kualitas air yang tidak diolah, proses pengolahan yang digunakan dan prosedur pengoprasian boiler.sebagai aturan umum, semakin tinggi tekanan oprasi boiler akan semakin besar sensitifitas terhadap kotoran. 2.8 Pengkajian Boiler Bagian ini menjelaskan evaluasi kinerja boiler (Melalui metode input-output (direct) atau kehilangan panas contoh perhitungan efisiensi), blowdown boiler dan pengolahan air boiler. 2.8.1 Evaluasi Kinerja Boiler Parameter kinerja boiler, seperti efisiensi dan rasio penguapan, berkurang waktu disebabkan buruknya pembakaran, kotornya permukanan penukaran panas dan buruknya oprasi 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 Universitas Mercu Buana 23
mengidentifikasi kehilangan panas yang dapat membantu dalam menemukan peyimpangan efisiensi boiler dari efisiensi terbaik dan target area permasalahan untuk tindakan perbaikan. 2.8.2 Neraca Panas Proses pembakaran dalam boiler terdapat dalam bentuk diagram alir energi. Diagram ini menggambarkan secara grafis tentang bagaimana energi masuk dari bahan bakar diubah menjadi aliran energi dengan berbagai kegunaan dan menjadi aliran kehilangan panas dan energi. Panah tebal menunjukan jumlah energi yang dikandung dalam aliran masing masing. Gambar 2.6: Diagram Neraca energi boiler Sumber: http://www.energyefficiencyasia.org/docs/ee_modules/indo/chapter - Boilers and thermic fluid heaters)(waktu : 15.20./9/29/13) Neraca panas merupakan keseimbangan energi total yang masuk boiler terhadap yang meninggalkan boiler dalam bentuk yang berbeda. Gambar memberikan gambaran berbagai kehilangan yang terjadi untuk pembangkitkan steam. Universitas Mercu Buana 24
Gambar 2.7 : Kehilangan Pada Boiler Sumber: http://www.energyefficiencyasia.org/docs/ee_modules/indo/chapter- Boilers and thermic fluid heaters)(waktu : 15.20./9/29/13) 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 berlebihan (diturunkan hingga ke nilai minimum yang tergantung dari teknologi burner,oprasi (control), 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) Universitas Mercu Buana 25
2.9 Efisiensi Boiler Efisiensi termis boiler didefinisikan sebagai persen energy (panas) masuk yang digunakan secara efektif pada steam yang dihasilkan Terdapat dua metode pengkajian efisiensi boiler : Metode input-output (direct): Energi yang didapat dari fluida kerja (air dan steam) dibandingkan dengan energy yang terkandung dalam bahan bakar boiler. Metode Kehilangan Panas (indirect) : Efisiensi merupakan kehilangan dan energi yang masuk. 2.9.1 Metode Input-output (direct) dalam menentukan efisiensi boiler Dikenal juga sebagai metode langsung karna kenyataan bahwa metode ini hanya memerlukan keluarkan/output (steam) dan panas masuk/input (bahan bakar) untuk evaluasi efesiensi. Efisiensi ini dapat dievaluasi dengan menggunakan rumus : Sumber: http://www.energyefficiencyasia.org/docs/ee_ modules/indo/chapter - Boilers and thermic fluid heaters) (waktu : 15.20./9/29/13) Parameter yang dipantau untuk perhitungan efisiensi boiler dengan metode input-output (direct) 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 ( C ) jika ada Universitas Mercu Buana 26
Suhu air umpan ( C ) Jenis bahan bakar dan nilai panas kotor bahan bakar ( G C V ) dalam kkal/kg bahan bakar * Dimana: hg Entalpi steam jenuh dalam kkal/kg steam hf Entalpi air umpan dalam kkal/kg air Kemampuan metode input-output (direct) Pekerjaan pabrik dapat dengaan cepat mengevaluasi efisiensi boiler Memerlukan sedikit parameter untuk perhitungan Memerlukan sedikit instrument untuk pemantauaan Mudah membandingkan rasio penguapan dengan data benchmark Kerugian metode input-output (direct) Tidak memberikan petunjuk kepada operator tentang penyebab dari efisiensi item yang lebih rendah. Tidak menghitung berbagai kehilangan yang berpengaruh pada berbagai tingkat efisiensi. 2.9.2 Metode Kehilangan Panas (indirect) dalam menentukan efisiensi boiler Standar acuan untuk Uji Boiler di tempat dengan menggunakan metode Kehilangan Panas adalah british Standard, BS845:1987 dan USA Standard ASME PTC -4-1 Power Test Code Steam Generating Units. Metode (indirect) juga dikenal dengan metode tidak langsung. Efisiensi dapat dihitung dengan mengurangkan bagian kehilangan panas dari 100 sebagai berikut: Efisiensi Universitas Mercu Buana 27
Boiler ( n ) = 100 ( i + ii + iii + iv + v + vi + vii ) Dimana kehilangan yang terjadi dalam boiler adalah kehilangan panas yang diakibatkan oleh: i. Gas cerobong yang kering ii. Penguapan air yang terbentuk karena H2 dalam bahan bakar iii. Penguapan kadar air dalam hbahan 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/buttom ash vii. Radiasi dan kehilangan lain yang tidak terhitung. Kehilangan yang diakibatkan oleh kadar air dalam bahan bakar dan yang disebabkan oleh pembakaran hydrogen tergantung pada bahan bakar, dan tidak terdapat dikendalikan oleh perancangan. Data yang diperlukan untuk perhitungan efisiensi boiler dengan menggunakan metode Kehilangan Panas adalah: Analisa ultimate bahan bakar ( H2, O2, S, C, Kadar air, kadar abu ) Perentase oksigen atau CO2 dalam gas buang Suhu gas buang dalam C ( Tf ) Suhu ambien dalam C (Ta) dan kelembaban udara dalamkg/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 Universitas Mercu Buana 28
efisiensi boiler menggunakan metode kehilangan panas diberikan dibawah. Biasanya, manager energi di industri lebih menyukai prosedur perhitungan yang lebih sederhana. Tahap 1 : Menghitung kebutuhan udara teoritis Tahap 2 : Menghitung persen kelebihan udara yang di pasok (EA Tahap 3 :Menghitung massa udara sebenarnya yang dipasok/kg bahan bakar (AAS) = 1 + EA/100 x udara teoritis (1) Tahap 4 : Memperkirakan seluruh kehilangan panas i. Persentase kehilangan panas yang diakibatkan oleh gas buang yang kering (1) 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). Universitas Mercu Buana 29
Cp = Panas jenis gas buang (0,23 kkal/kg ). ii. Persen kehilangan panas karena penguapan air yang terbentuk karena adanya H2 dalam bahan bakar Dimana: H2 = persen H2 dalam 1 kg bahan bakar Cp= panas jenis steam lewat jenuh/superheated steam (0,45 kkal/kg). iii. Persen kehilangan panas karena penguapan kadar air dalam bahan bakar. Dimana: M = persen kadar air dalam 1 kg bahan bakar Cp= panas jenis steam lewat jenuh/superheated steam (0,45kkal/kg). iv. Persen kehilangan panas karena kadar air dalam udara Dimana: Cp = panas jenis steam lewat jenuh/superheated steam (0,45 kkal/kg). v. Persen kehilangan panas karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam Universitas Mercu Buana 30
abu terbang / flying ash vi. Persen kehilangan panas karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu bawah/ bottom ash vii. Persen kehilangan panas karena radiasi dan kehilangan lain yang tidak terhitung Kehilangan radiasi dan konveksi aktual sulit dikaji sebab daya emisifitas permukaan yang beraneka ragam, kemiringan, pola aliran udara, dll. Pada boiler yang relatif kecil, dengan kapasitas 5 ton, kehilangan radiasi dan yang tidak terhitung dapat mencapai 1 hingga 2 persen nilai kalor kotor bahan bakar, Kehilangan dapat diasumsikan secara tepat tergantung pada kondisi permukaan. Tahap 5: Menghitung efisiensi boiler dan rasio penguapan boiler Efisiensi boiler (n) = 100 - (i + ii + iii + iv + v + vi + vii) Rasio Penguapan = Panas yang digunakan untuk pembangkitan steam/ panas yang ditambahkan ke steam Sumber : http://www.energyefficiencyasia.org/docs/ee_modules/indo/chapter - Boilers and thermic fluid heaters (Bahasa Indonesi.pdf) (waktu : 15.20./9/29/13) Universitas Mercu Buana 31
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. Walau demikian, rasio penguapan akan tergantung pada jenis boiler, nilai kalor bahan bakar dan efisiensi. 2.9.3 Faktor yang mempengaruhi efisiensi Boiler Efisiensi boiler berkaitan dengan faktor : 1 Manejemen Pembakaran 2 Manejemen Air ( feed water dan boiler watch ) 3 Manejemen Beban a. Menejemen Pembakaran Pembakaran pada boiler dikelola untuk mendapatkan kondisi optimum dengan cara : - Menjaga agar pembakaran selalu berada pada ratio udara rendah ( low air ratio combustion ). - Menjaga agar kapasitas burner beroprasi sesuai dengan beban boiler. Universitas Mercu Buana 32
- Memelihara ( maintenance ). Turn down ratio Burner Turn down ratio adalah perbandingan antara beban tertinggi dan terendah yang dapat diberikan burner dengan rasio udara selalu optimum. Turn down ratio = 10 (burner baik). Sebagai indicator apakah efisiensi pembakaran efektif adalah : - Suhu stack gas buang - Kadar Oksigen (O 2 ) atau karbon dioksida (CO 2 ) pada gas buang Parameter Operasi - Rasio udara adalah perbandingan antara udara pembakaran aktual dengan udaran pembakaran teoritis dengan cara mengukuran. - Kadar oksigen (O 2 ) atau CO2 pada gas buang. - Suhu gas buang. - Jika parameter operasi ( rasio udara dan suhu gas buang ) sudah terkontrol, maka pembakaran dengan efektifitas tinggi dapat diperoleh. Evaluasi Rasio Udara - Rasio udara mendekati 1, akan berakibat pembakaran tidak sempurna dan menurunnya efisiensi, dan menimbulkan asap hitam dan CO pada gas buang. - Tititk batas pembentukan asap dikenal dengan batas amabang asap. Universitas Mercu Buana 33
- Pada sistem pembakaran yang menggunakan gas, titik batas tersebut batas ambang CO. b. Manajemen Air (Feed Water and boiler watch) - Kwalitas air ( feed water dan boiler water ) adalah salah satu parameter operasi penting - Suhu dan kwalitas air umpan / air boiler mempengaruhi efisiensi boiler. - Air umpan (feed water) boiler umumnya mengandung CaCO 3 atau CaCO 4. - Adanya Zat tersebut menyebabkan pada permukaan pipa maupun drum boiler terbentuk kerak, dan pada bagian bawah drum boiler akan muncul endapan berupa lumpur - Kerak selain disamping pemborosan energi juga potensi menimbulkan bahaya 2.9.4 Peluang Efisiensi Energi Bagian ini berisi peluang efisiensi energi hubungan dengan pembakaran perpindahan panas, Kehilangan yang dapat dihindarkan, konsumsi energi alat pembantu, kualitas air dan blowdown. Kehilangan panas energi dan peluang efisiensi energi dalam boiler dapat dihubungkan dengan pembakaran, perpindahan panas, kehilangan yang dapat dihindarkan, konsumsi energi yang tinggi untuk alat-alat pembantu, kualitas air blowdown. Berbagai macam peluang efisiensi dalam sistem boiler dapat dihubungkan Universitas Mercu Buana 34
dengan: 1. Pengendalian suhu cerobong. 2. Pemanasan awal air umpan menggunakan economizes. 3. Pemanasan awal udara pembakaran. 4. Minimalsasi pembakaran yang tidak sempurna. 5. Pengendalian udara berlebihan. 6. Penghindaran kehilangan panas radiasi dan konveksi. 7. Pengendalian blowdown secara otomatis. 8. Pengurangan pembentukan kerak dan kehilangan jelaga. 9. Pengurangan tekanan steam di boiler. 10. Pengendaian kecepatan variable untuk fan, blower dan pompa. 11. Pengendalian beban boiler. 12. Penjadwalan boiler yang tepat. 13. Penggantian boiler. Universitas Mercu Buana 35