ANALISA KINERJA PULVERIZED COAL BOILER DI PLTU KAPASITAS 3x315 MW Andrea Ramadhan ( 0906488760 ) Jurusan Teknik Mesin Universitas Indonesia email : andrea.ramadhan@ymail.com ABSTRAKSI Pulverized Coal (PC) Boiler adalah bejana tertutup yang didalamnya terdapat proses pembakaran untuk mengubah air menjadi uap panas yang bertekanan tinggi yang dalam proses pembakarannya menggunakan bahan bakar batubara yang dihaluskan terlebih dahulu dan dialiri udara panas lalu dibakar pada burner. Untuk meminimalisasi biaya operasional dibutuhkan efisiensi yang tinggi dari boiler. Dengan memonitor emisi gas buang dari boiler, efisiensi pembakaran dapat dikontrol untuk menghemat bahan bakar dan menurunkan pengeluaran biaya operasional. Selain itu juga diperlukan adanya perhatian terhadap konsentrasi terbentuknya gas beracun seperti NOx dari proses pembakaran karena menyangkut aspek lingkungan. Diharapkan dengan studi ini bisa diketahui apa saja yang mempengaruhi efisiensi pembakaran dari emisi gas buang dan juga diketahui karakteristik parameter-parameter yang mempengaruhi terbentuknya NOx sehingga bisa ditemukan adanya rekomendasi untuk usaha peningkatan efisiensi pembakaran dan penekanan konsentrasi NOx yang terbentuk. ABSTRACT Pulverized Coal (PC) boiler is a closed vessel in which there is a combustion process to convert water into high-pressure steam that in the combustion process using pulverized coal for fuel. By monitoring the flue gas from boilers, combustion efficiency can be controlled to save fuel and reduce operational expenses. It also required to focus on the formation of NOx concentration of the combustion process as it involves environmental aspects. Hopefully with this study,it can be discovered anything that affects combustion efficiencyfrom theemissions and also known characteristic of parameters that affect the NOx formed so that can be found on any efforts to increase combustion efficiency and efforts to decrease NOx formed. Kata Kunci : PC Boiler, combustion efficiency, emission
1.PENDAHULUAN Boiler digunakan untuk menghasilkan uap yang akan menggerakkan turbin uap, turbin uap terkoneksi dengan generator dan menghasilkan listrik. Sering kali proses pembakaran dan perpindahan panas pada boiler bekerja tidak efisien, menyebabkan pemborosan bahan bakar, uap yang dihasilkan tidak optimal, mengakibatkan kerja turbin tidak maksimal, sehingga daya listrik yang dihasilkan berkurang. Dengan memonitor gas buang dari boiler, combustion efficiency/efisiensi pembakaran dapat dikontrol untuk menghemat bahan bakar dan menurunkan pengeluaran biaya operasional. Combustion efficiency merupakan kalkulasi tentang seberapa efektif proses pembakaran terjadi. Untuk mendapatkan nilai efisiensi pembakaran maksimum diperlukan terjadinya pembakaran sempurna. Pembakaran sempurna terjadi ketika semua energi yang ada di batubara terbakar seluruhnya dan kandungan karbon dan hidrogen terbakar secara keseluruhan tanpa terkecuali. Pembakaran sempurna terjadi ketika jumlah udara untuk pembakaran bernilai tepat dalam hal ini disebut air fuel ratio (AFR) dan juga terjadi mixing yang tepat antara udara dan bahan bakar serta temperatur yang tepat untuk pembakaran. Untuk mendapatkan nilai efisiensi pembakaran dapat dilihat dari emisi yang terbentuk pada gas buang. Selain untuk menghitung efisiensi pembakaran juga, emisi perlu dimonitor karena faktor lingkungan. Emisi dari hasil pembakaran ini menghasilkan banyak gas beracun yang berbahaya bagi lingkungan. Oleh karena itu pengontrolan terhadap emisi sangat diperlukan untuk mengevaluasi performa boiler. 2. MAKSUD DAN TUJUAN Maksud dan tujuan dari tugas akhir ini adalah sebagai berikut : 1. Menghitung efisiensi pembakaran (combustion efficiency) dari PC Boiler PLTU X. 2. Menganalisa hubungan emisi gas buang terhadap efisiensi pembakaran. 3. Menganalisa hubungan NOx dan oksigen. 4. Mencari peluang penambahan efisiensi untuk menekan konsumsi bahan bakar 3. PERUMUSAN a) Menghitung nilai HHV dan LHV dari bahan bakar. Untuk menghitung HHV dan LHV bahan bakar dapat dihitung jika ultimate analysis-nya diketahui. Ultimate analysis
ini mengenai kandungan persentase dari C, H, O, N, S dari bahan bakar. Dalam hal ini bahan bakar yang digunakan adalah batubara. Jika ultimate analysis dari batu bara diketahui maka HHV dan LHV dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut. ( ) HHV =Higher Heating Value Btu/Ib LHV =Lower Heating Value Btu/Ib C =fraksi massa dari karbon Ib/Ib of fuel K 2 =97 (untuk batubara) c) Menghitung wet flue gas produced (w) Dengan diketahuinya excess air, jenis bahan bakar dan HHV dari bahan bakar maka dapat dihitung jumlah udara basah yang dihasilkan dari proses pembakaran dengan simbol w. Dengan diketahuinya jumlah udara untuk pembakaran maka nantinya dapat dihitung nilai flue gas loss. [ ( ) ] H =fraksi massa dari hidrogen Ib/Ib of fuel W=wet flue gas produced (Ib/Ib) O =fraksi massa dari oksigen Ib/Ib of fuel S =fraksi massa dari sulfur Ib/Ib of fuel E=excess air (%) HHV=higher heating value (Btu/Ib) W =fraksi massa dari moisture Ib/Ib of fuel A=konstanta pembakaran bahanbakar =750 untuk batubara low rank coal b) Menghitungexcess air (E) Dari data flue gas analysis mengenai emisi gas buang yaitu kandungan O 2, N 2, dan CO dapat dilakukan perhitungan excess air.excess air merupakan udara berlebih yang dimasukkan kepembakaran dibandingkan dengan udara stoikiometri untuk pembakaran. Dapat dilakukan perhitungan untuk mencari excess air dengan rumus berikut jika hanya O 2 saja yang diketahui. d) Wet flue gas loss (L) Dengan diketahui wet flue gas produced (w), HHV dari bahan bakar, flue gas temperature (T f ) dan ambient temperature (T a ) maka dapat dicari nilainya. flue gas loss (L) dengan rumus berikut. L=wet flue gas loss (%) W=wet flue gas produced (Ib/Ib) E = excess air (%) O 2 =kandungan O 2 pada gas buang (%) K 2 =konstantajenisbahanbakar c p = specific heat = 0,27 untuk batubara T f =flue gas temperature ( o F) T a =ambient temperature ( o F)
HHV=Higher heating value (Btu/Ib) LHV=Lower heating value (Btu/Ib) e)menghitung efisiensi pembakaran Dengan diketahui losses yang terjadi maka efisiensi pembakaran dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut. L = wet flue gas loss (%) Z = radiation and convection loss (%) U = uncounted loss (%) Nilai efisiensi yang dihitung menggunakan rumus di atas adalah combustion efficiency LHV based. Untuk mencarinilai combustion efficiency HHV based dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut. HHV=Higher heating value (Btu/Ib) LHV=Lower heating value (Btu/Ib) 4. HASIL DAN PEMBAHASAN Efisiensi pembakaran Berikut ini adalah hasil perhitungan efisiensi pembakaran PC boiler secara aktual yang kemudian dibandingkan dengan efisiensi pembakaran pada saat commisioning. Perhitungan dilakukan pada saat beban 50 % sampai dengan 100 %. Dari tabel di bawah terlihat efisiensi pembakaran commisioning lebih tinggi daripada aktual. Hal ini dikarenakan beberapa hal diantaranya adalah excess air, temperatur gas buang dan kualitas batubara yang digunakan. Excess air dan temperatur gas buang berbanding terbalik dengan efisiensi pembakaran. Dengan kualitas batubara yang lebih baik dapat berpengaruh terhadap efisiensi pembakaran. Semakin tinggi kualitas batubara maka semakin tinggi efisiensi pembakaran. Excess air (%) aktual commisioning 50% 75 71 beban 75% 35 30 100% 18 15 temperatur gas buang ( o C) aktual commisioning 50% 165 127 beban 75% 170 150 100% 176 163 efisiensi pembakaran aktual commisioning 50% 81,80% 85,40% beban 75% 83,50% 86,01% 100% 84,90% 86,09% HHV (kcal/kg) 4300 5270
Hubungan NOx dan oksigen NOx vs oksigen 400 NOx (mg/m3) 300 200 100 0 0 2 4 6 8 10 12 oksigen (%) <7 % oksigen >7% oksigen Expon. (<7 % oksigen) Expon. (>7% oksigen) Grafik di atas adalah grafik NOx vs oksigen yang dibagi menjadi 2 yaitu grafik dengan oksigen kurang dari 7 % yang berwarna biru dan grafik dengan oksigen lebih dari 7 % yang berwarna merah. Untuk grafik NOx dengan oksigen kurang dari 7 % terlihat bahwa NOx berbanding lurus dengan oksigen. Semakin tinggi nilai oksigen semakin tinggi NOx terbentuk. Semakin banyak oksigen yang ada maka kemungkinan terjadinya reaksi oksigen dan nitrogen akan semakin besar sehingga NOx yang terbentuk akan semakin banyak seiring meningkatnya oksigen. Namun hal ini terjadi hanya sampai oksigen mencapai 7 %. Ketika oksigen lebih dari 7 % terlihat bahwa NOx berbanding terbalik dengan oksigen. Semakin tinggi oksigen maka semakin sedikit NOx yang terbentuk. Hal ini bisa terjadi karena dengan oksigen yang banyak berarti jumlah udara berlebih yang dimasukkan ke dalam pembakaran semakin tinggi sehingga proses mixing antara udara dan bahan bakar semakin baik. Mixing yang baik ini akan mengurangi jumlah NOx yang terbentuk. 5. KESIMPULAN DAN SARAN 1. Untuk beban 50 100 %, Efisiensi pembakaran aktual mencapai 80,2 % - 84,7 % sedangkan comisioning 85,3 % - 86%. 2. Efisiensi pembakaran PC boiler secara aktual lebih rendah daripada commisioning dikarenakan perbedaan kualitas batubara, temperatur gas buang dan excess air. 3. Excess air dan temperatur gas buang berbanding terbalik dengan efisiensi pembakaran
4. NOx mencapai nilai maksimum ketika oksigen bernilai kurang lebih 7 % 5. Perlu dilakukan penekanan excess air untuk mencapai efisiensi maksimum dan NOx minimum 6. DAFTAR PUSTAKA 1. Babcock and Wilcox, Steam /Its Generation and Use, Babcock and Wilcox Company, United States of America, 1978. 2. Chengel, Yunus A., Thermodynamics- An Engineering Approach, McGraw- Hill, 1994. 3. Djokosetyardjo, M.J.,KetelUap, PT PradnyaParamita, Jakarta, 1987. 4. Ganapathy, V, Industrial Boilers and Heat Recovery Steam Generators, New York, 2003 5. IrsanHelmi, SkripsiPerancangan Boiler untuk PLTU Berkapasitas 7MW, Universitas Indonesia, 2005. 6. GamaEsa, SkripsiAnalisi Perbandingan Efisiensi Termal Steam Boiler dengan Menggunakan Bahan Bakar Gas Alam dan Residu, Universitas Indonesia, 2009 7. www.einstrumentsgroup.com 8.http://www.alentecinc.com/papers/NOx/ The%20formation%20of%20NOx_files /The%20formation%20of%20NOx.htm 9. www.boilerenergyefficiency.com