II-1

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Boiler

Boiler dapat didefinisikan sebagai suatu alat berbentuk bejana tertutup tempat

terjadinya proses pemanasan air sebagai bahan baku utama dalam menghasilkan

uap panas atau steam bertekanan di atas tekanan atmosfer. Proses perubahan air

menjadi uap panas dilakukan dengan mentransferkan energi panas hasil

pembakaran yang dilakukan secara terus-menerus dengan mengalirkan bahan bakar

dan udara dari luar. Steam yang dihasilkan dari proses ini dapat digunakan sebagai

fluida kerja maupun media pemanas untuk berbagai keperluan baik sebagai

pendukung proses produksi seperti pemanfaatan panas dari steam untuk pengolahan

dan pemanasan pada industri kecil, maupun sebagai instalasi tenaga atau

pembangkit tenaga listrik. Boiler juga dapat dikatakan sebagai pesawat uap yang

akan mentransferkan energi-energi kimia menjadi kerja ( usaha ) (muin,1988).

Energi yang terkandung didalam air akan meningkat seiring dengan peningkatan

temperatur dan tekanan yang terjadi.

Beberapa pemanfaatan dari uap yang dihasilkan oleh boiler dalam beberapa

kepentingan diantaranya :

a. Kepentingan mesin uap dan turbin berupa mesin pembakaran

b. Sebagai suplai tekanan rendah untuk kerja proses di industri seperti

pada pabrik kelapa sawit, pabrik gula, revinery industri dsb.

c. Sebagai penghasil air panas yang mana dapat digunakan untuk

instalasi pemanasan bertekanan rendah.

Beberapa sistem yang terdapat pada boiler diantaranya terdiri dari sistem air

umpan (feed water system), sistem steam (steam system) dan sistem bahan bakar

(fuel system). Sistem air umpan (feed water system) merupakan sistem penyediaan

air otomatis bagi boiler untuk menghasilkan kebutuhan steam. Sistem air umpan

pada boiler terdiri dari sistem air kondensat dimana merupakan air hasil kondensasi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-2

di kondensor yang merupakan air pengisi boiler drum (steam drum). Aliran

kondensat di mulai dari hotwell sampai ke daerator. Dan sistem make-up water

yang merupakan air baku yang diolah ( mengalami treathment secara kimia) dan

berasal dari luar sistem.Sistem steam (steam system) merupakan suatu sistem

pengontrol produksi steam dalam boiler. Steam yang dihasilkan kemudian dialirkan

dengan menggunakan suatu sistem pemipaan pada suatu titik pengguna. Sistem

bahan bakar (fuel system) merupakan peralatan-peralatan yang digunakan dalam

mendukung penyediaan bahan bakar demi menghasilkan kalor yang dibutuhkan

dalam proses pembakaran. Peralatan yang diperlukan pada sistem bahan bakar

tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan pada sistem. Sistem tambahan

lain berupa penggunaan economizer untuk pemanasan awal air umpan

menggunakan limbah panas dari gas buang demi mendapatkan efisiensi boiler yang

lebih tinggi.

2.2 Klasifikasi boiler

Boiler/ ketel uap pada dasarnya terdiri dari drum yang tertutup pada unjung

pangkalnya dan dalam perkembangannya dilengkapi dengan pipa api maupun pipa

air. Menurut bentuk, konstruksi dan kegunaannya ketel uap mempunyai bermacam

jenis dan dapat digolongkan pada beberapa kelompok ( Muin, 1988:8-10; Maridjo,

2005):

2.2.1. Boiler pipa api ( fire tube boiler )

Pada fire tube boiler, fluida yang mengalir dalam pipa adalah gas nyala (

hasil pembakaran), yang membawa energi panas ( thermal energy) dan akan d

transfer ke air yang ada pada boiler melalui bidang pemanas ( heating surface).

Biasanya penggunaan Fire tube boilers pada kapasitas steam yang relative

kecil dengan tekanan steam rendah hingga sedang. Bahan bakar yang

dipergunakan pada jenis boiler Fire tube boilers dapat berupa bakar minyak,

gas atau bahan bakar padat dalam pengoperasiannya. Untuk alasan yang lebih

hemat dan ekonimis biasanya sebagian besar fire tube boilers telah

dikonstruksi sebagai “paket” boiler (dirakit oleh pabrik) untuk semua bahan

bakar.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-3

Gambar II-1. Fire tube boiler

( sumber : wikipedia )

2.2.2. Boiler pipa air ( water tube boiler )

Pada water tube boiler fluida yang dialirkan ke dalam pipa-pipa adalah

air, energi panas akan ditransferkan dari luar pipa ( ruang bakar) oleh gas

pembakaran kepada air dan akan memanaskan air menjadi steam yang akan

masuk pada daerah uap dalam drum. Pemilihan penggunaan boiler jenis ini

didasarkan pada kebutuhan steam dan tekanan steam sangat tinggi seperti pada

kasus boiler untuk pembangkit tenaga. Kebanyakan water tube boilers didesign

secara paket jika digunakan bahan bakar minyak bakar dan gas. Untuk water

tube yang menggunakan bahan bakar padat, umumnya tidak dirancang secara

paket.

Karakteristik water tube boiler 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-4

Gambar II-2 Water tube boiler

( sumber : wikipedia)

2.2.3. Paket boiler

Paket boiler merupakan jenis boiler yang lebih modern dengan semua

komponen sudah disusun lengkap dari produsen boiler. Biasanya suatu pabrik

hanya perlu menyediakan beberapa komponen lain yakni pipa steam, pipa air,

suplai bahan bakar dan sambungan listrik untuk dapat mengoperasikan boiler.

Penggunaan paket boiler ini memiliki beberapa keuntungan diantaranya sedikit

bahan bakar dan tenaga listrik yang digunakan. 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:

Ruang pembakaran yang kecil serta tingginya panas yang dilepaskan

akan menghasilkan penguapan yang lebih cepat.

Banyaknya jumlah pipa dengan diameter kecil akan membuat

perpindahan panas secara konvektif menjadi lebih baik.

Sistem forced atau induced draft menghasilkan efisiensi pembakaran

yang baik. Sejumlah lintasan/pass menghasilkan perpindahan panas

keseluruhan yang lebih baik.

Memiliki tingkat efisiensi thermis lebih tinggi jika dibandingkan

dengan boiler lain.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-5

Gambar II-3 Jenis paket boiler 3 pass, bahan bakar minyak

( sumber : BIB Cochran, 2003 )

2.2.4. Boiler Pembakaran dengan Fluidized Bed ( FBC )

Boiler FBC muncul sebagai pengembangan baru dari jenis boiler yang

ada. Boiler ini merupakan alternatif baru dengan kelebihan pada sistem

pembakaran yang lebih efisien dibandingkan dengan sistem pembakaran pada

boiler konvensional. Boiler ini memberikan banyak keuntungan diantaranya

rancangan yang kompak, fleksibel terhadap bahan bakar, efisiensi pembakaran

yang tinggi dan akan mengurangi emisi polutan yang merugikan seperti SOx dan

NOx. Biasanya penggunaan bahan bakar yang digunakan berupa batubara,

sekam padi, bagas dan limbah pertanian lainnya. Boiler FBC memiliki kapasitas

yang luas yaitu antara 0.5 T/h sampai 100 T/h. Sistem pembakaran bahan bakar

jenis ini biasanya disebut terfluidisasikan, dimana partikel tersuspensi dalam

aliran udara. Pembakaran dengan fluidized bed (FBC) berlangsung pada suhu

sekitar 840 0C - 950°C. dikarnakan suhu yang dihasilkan dari proses pembakaran

ini berada jauh dibawah suhu fusi abu, maka pelelehan abu dan permasalahan

yang terkait didalamnya dapat dihindari. Untuk suhu pemabaran yang lebih

rendah dapat tercapai dengan tingginya koefisien perpindahan panas akibat

pencaampuran dalam proses fluidized bed dan ekstraksi panas yang efektif dari

bed melalui perpindahan panas pada pipa dan dinding bed.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-6

Boiler FBC memiliki beberapa jenis pengembangan sebagai berikut:

a) Atmospheric Fluidized Bed Combustion ( AFBC )

Boiler AFBC merupakan boiler jenis konvensioanal dengan

pengembangan pada penambahan sebuah fluidized bed combustor. Pada

boiler jenis ini biasnya menggunakan bahan bakar batubara yang memiliki

ukuran 1-10 mm tergantung pada tingkatan batubara dan jenis pendistribusian

udara ke dalam ruang bakar. Boiler AFBC ini biasanya merupakan boiler tipe

water tube boiler dengan pipa yang berada dalam bed pembawa air yang

bertindak sebagai evaporator.

b) Pressurized Fluidized Bed Combustion (PFBC) Boiler

Boiler PFBC ini merupakan generasi pertama yang menggunakan jet

udara untuk pencampuran dan pembakaran batubara selama pembakaran.

Boiler jenis ini memiliki efisiensi pembakaran yang lebih efisien dan tingkat

penyerapan sulfur dioksida dalam bed yang lebih efektif. Sistem boiler PFBC

beroperasi pada tekanan tinggi dan menghasilkan aliran gas bertekanan tinggi

pada suhu yang dapat menggerakkan turbin gas. Uap yang dihasilkan dari

panas dalam fliudized bed dikirim ke turbin uap yang akan menciptakan

sistem siklus gabungan yang sangat efisien. Sistem ini dapat digunakan untuk

sistem pembangkit koogenerasi ( steam dan listrik) yang dapat meningkatkan

efisiensi konversi sebesar 5-8%..

c) Atmospheric Circulating Fluidized Bed Combustion Boiler (CFBC)

Circulating Fluidized Bed merupakan teknologi yang relatif baru dengan

kemampuan untuk mencapai emisi yang lebih rendah dari polutan. Boiler

jenis ini memiliki sistem sirkulasi dengan menjaga material bed tetap dalam

kondisi melayang. Boiler jenis ini umumnya lebih ekonomis dari pada boiler

AFBC, penerapannya memerlukan lebih dari 75-100 T/jam steam. Boiler

CFB memiliki beberapa keuntungan dibandingkan dengan boiler jenis lain

yaitu pada penangkapan emisi polutan SOx dan pengendalian emisi NOx.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-7

Gambar II-4 CFBC boiler

( sumber : Thermax Babcock and Wilcox Ltd, 2001 )

2.2.5. Stoker Fired Boilers

Stokers diklasifikasikan menurut metode pengumpanan bahan bakar ke

tungku dan oleh jenis grate nya. Klasifikasi utamanya adalah spreader stoker

dan chaingate atau traveling-gate stoker.

a) Spreader Stokres

Boiler spreader Stokres ini memanfaatkan kombinasi pembakaran

suspensi dan pembakaran grate. Sistem pembakaran batu bara pada boiler ini

dengan melakukan penginjeksian batubara secara berkala ke dalam tungku

pembakaran di atas material bed. Batubara yang memiliki ukuran yang lebih

besar akan jatuh ke grate, dimana batubara ini akan dibakar dalam bed

batubara dengan pembakaran yang cepat. Hal ini akan memberikan

flesibelitas terhadap fluktuasi beban, karna sistem penyalaan meningkat

seiring dengan laju pembakaran.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-8

Gambar II-5 Spreader stoer boiler

( sumber : Departement of coal, 1985)

b) Chain-grate atau traveling -grate stoker

Pembakaran batubara jenis boiler Chain-grate berbeda dengan boiler

jenis speader stoker. Pada sistem pembakarannya batubara dialirkan didalam

tungku menggunakan grate baja yang bergerak. Ketika grate bergerak

sepanjang tungku, batubara akan terbakar sebelum jatuh ke ujung sebagai

abu. Tingkat pembakaran jenis ini memerlukan keterampilan dalam

pengaturan penyetelan grate, damper udara dan baffles sehingga

menghasilkan pembakaran yang bersih dengan seminimal mungkin jumlah

karbon yang tidak terbakar dalam abu. Ukuran batubara juga harus

diperhatikan, batubara yang masuk ke dalam tungku harus memiliki ukuran

yang seragam , hal ini untuk menghindari batubara yang tidak terbakar

sempurna pada waktu mencapai ujung grate

Gambar II-6 Panampakan traveling grate boiler

( sumber : University og Missouri, 2004 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-9

2.2.6. Pulverized Fuel Boiler (PFB)

Boiler PFB merupakan boiler yang banyak digunakan secara universal

pada pembangkit berkapasitas besar dan menggunakan bahan bakar dengan

biaya rendah karena memberikan efisiensi termal yang tinggi dan kontrol yang

lebih baik sesuai dengan perubahan beban. Pada sistem pembakaran boiler PFB

batubara dihancurkan menjadi bagian yang lebih kecil dengan bantuan mesin

penggiling dan dimasukkan kedalam ruang bakar dengan bantuan udara panas.

Jumlah udara yang dibutuhkan dalam proses pembakaran dimasukan secara

terpisah kedalam ruang bakar. Turbulensi yang dihasilkan dalam ruang bakar

akan membantu dalam pencampuran bahan bakar dan udara. Udara yang

disuplai bersamaan dengan batubara yang akan dibakar dikenal sebagai udara

primer, sedangkan jumlah udara yang disuplai secara terpisah untuk

penambahan udara pembakaran dikenal sebagai udara sekunder.

Gambar II-7 Mill pulverized

( sumber : University og Missouri, 2004 )

2.2.7. Boiler limbah Panas

Boiler ini merupakan boiler yang memanfaatkan limbah panas yang

memiliki suhu sedang dan tinggi yang menyebabkan boiler ini menjadi boiler

yang lebih ekonomis. Jika steam yang dihasilkan dari gas buang panas kurang

dari kebutuhan maka dapat menggunakan burner tambahan yang menggunakan

bahan bakar. Apabila steam yang dihasilkan tidak dapat langsung digunakan,

maka steam dapat dimanfaatkan untuk memproduksi daya listrik menggunakan

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-10

generator turbin uap. Ini merupakan salah satu tindakan yang dilakukan untuk

dapat menmanfaatkan kembali panas gas buang dari turbin gas dan diesel.

Gambar II-8 Skema sederhana boiler limah panas

( sumber : Agriculture and Agri-food canada, 2001)

2.2.8. Pemanas Fluida Termis

Pemanas fluida termis telah banyak diterapkan secara luas dalam proses

pemanasan tidak langsung. Sistem pembakaran pemanas fluida termis terdiri

dari fixed grate dengan susunan draf mekanis.

Keuntungan pemanas tersebut adalah:

Menggunakan operasi sistem tertutup dengan besar kehilangan lebih

kecil jika dibandingkan dengan boiler steam

Sistem operasi tidak bertekanan bahkan hingga suhu mencapai 250 0C

dibandingkan dengan kebutuhan tekanan steam 40 kg/cm2 dalam sistem

steam yang sejenis.

Fleksibilitas operasi dengan penyetelan kendali otomatis

Memiliki efisiensi termis yang bai karna tidak ada kehilngan panas akibat

blowdown, pembuangan kondensat dan flash steam

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-11

Gambar II-9. Konfigurasi pemanas fluida termis.

( sumber : Energy Machine India )

2.3 Komponen Utama Boiler

1. Ruang Pembakaran ( furnace )

Furnace merupakan ruang dapur tempat terjadinya proses pembakaran

bahan bakar. Pada furnace biasanya terdapat pipa-pipa berisi air ketel yang

menempel pada dinding dapur dan akan menerima panas dari hasil bahan bakar.

Panas yang diterima oleh pipa air tersebut akan mengubah fasa air didalam pipa

mejadi uap panas bertekanan yang nantinya akan digunakan untuk kebutuhan

produksi maupun pembangkit.

Sebuah ruang bakar terbagi atas 2 bagian di antaranya sebagai berikut:

Ruang pertama merupakan ruang pemabakran dimna panas yang

dihasilkan dan diterima langsung oleh pipa-pipa air yang berasal dari

steam drum. Pada ruang bakar ini udara pembakaran ditiupkan oleh

Blower Forced Draft Fan ( FDF ) melalui lubang-lubang yang berasal

di sekeliling dinding pembakaran serta melalui dinding bawah ruang

bakar.

Ruang kedua merupakan ruang gas panas yang diterima dari panas

ruang bakar pertama. Di ruang bakar ini panas yang diterima oleh pipa

air dari steam drum atas ke pipa air steam drum bawah.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-12

2. Ketel Drum

Ketel drum merupakan bejana yang berfungsi sebagai tempat pemisahan

antara air dan uap yang berasal dari pipa-pipa air yang menguap. Steam drum ini

terbagi menjadi dua bagian yaitu bagian bawah tempat penampungan air dan

bagian atas tempat penampungan uap penguapan. Uap jenuh hasil pemasakan

pada walltube kemudian akn dialirkan lagi ke daerah superheater untuk

dipanaskan kembali.

3. Superheater

Superheater merupakan bagian penting dalam unit pembangit uap.

Tujuannya adalah untuk meningkatkan temperatur uap jenuh tanpa menaikkan

tekanannya dengan melakukan pemanasan ulang. Superheater memproduksi

superheated steam atau uap kering. Hal ini dimaksudkan untuk menghindari uap

yang masih memiliki kandungan air karna akan menyebabkan terjadi

kondensasi yang terlalu cepat di dalam mesin yang menggunakan uap air

tersebut. Uap air ini menyimpan lebih banyak energi panas daripada uap air

saturated (uap air basah), ditandai dengan nilai entalpi yang lebih tinggi. Uap air

yang diproduksi oleh boiler konvensional umumnya hanya mencapai fasa

saturated dan pada superheater uap ini akan dipanaskan lebih lanjut untuk

mencapai fasa superheated.

4. Economizer

Economizer berfungsi sebagai tempat pemanasan awal air pengisi (

feedwater ) sebelum masuk ke dalam boiler. Umumnya economizer berada pada

bagian setelah evaporator sehingga memiliki temperatur lebih kecil jika

dibandingkan dengan bagian pemanas lainnya. Penggunaan economizer sebagai

pemanfaatan panas gas buang akn meningkatkan nilai efisiensi boiler dengan

pengurangan pada pemakaian bahan bakar. Dengan pengurangan pada konsumsi

bahan bakar juga akan berdampak pada pengurangan biaya penggunaan bahan

bakar. Disamping dapat mengurangi biaya bahan bakar juga dapat menghemat

biaya operasional yang lainya, seperti pemakaian chemical untuk mengurangi

O2 dan N2 dalam air umpan boiler. Karena dengan bertambahnya temperatur air

akan mengurangi kadar O2 dan N2 yang terkandung dalam air umpan boiler. Hal

ini bisa dilihat dari gambar berikut

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-13

Gambar II-10 Pengaruh temperatur terhadap O2 dan N2 dalam air

5. Evaporator

Evaporator merupakan bagian yang berfungsi menaikkan temperatur air

mencapai titik didih. Pada evaporator terjadi peristiwa perubahan fase dari cair

menjadi uap.

2.4 Prinsip Pembakaran

2.4.1. Prinsip Pembakaran

Pada proses pembakaran umumya merupakan proses reaksi kimia

bahan bakar dengan oksigen (O2). Hampir semua bahan bakar mengandung

unsur karbon (C), hidrogen (H) dan sulfur (S). Akan tetapi unsur yang paling

berpengaruh terhadap proses pembakaran dalam melepaskan energi adalah

unsur C dan H.

Semua jenis proses pembakaran memerlukan tiga elemen dasar berupa

bahan bakar (fuel), oksigen (oxidizer), dan sumber panas(souce of heat). Ketiga

elemen ini apabila dikombinasikan di dalam lingkungan yang memadai maka

akan terjadi proses pembakaran (UNEP, 2006).

Proses pembakaran terdiri dari dua jenis yaitu pembakaran sempurna

(complete combustion) dan pembakaran tidak sempurna (incomplete

combustion). Pada proses pembakaran sempurna akan terjadi apabila unsur C

bereaksi dengan oksigen dan hanya menghasilkan unsur CO2, seluruh unsur H

menghasilkan H2O dan seluruh unsur S menghasilkan SO2. Sedangkan pada

proses pembakaran tidak sempurna akan terjadi apabila seluruh unsur C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-14

bereaksi dengan oksigen , dan tidak seluruhnya menghasilkan gas dengan unsur

CO2 pada reaksi ini juga akan menghasilkan unsur gas CO. Keberadaan gas CO

dari hasil proses pembakaran itu menunjukkan bahwa pembakaran berlangsung

secara tidak sempurna. Besar energi yang dilepaskan pada proses pembakaran

ini dinyatakan sebagai entalpi pembakaran yang merupakan beda entalpi

antara produk dan reaktan dari proses pembakaran.

Di udara jumlah oksigen umumnya mencapai 20,9% dari elemen bumi.

Bahan bakar padat maupun cair yang biasanya digunakan akan terlebih dahulu

diubah kedalam bentuk gas sebelum dibakar. Perubahan fasa ini memerlukan

suatu media panas agar proses perubahan dapat terjadi. Proses pembakaran

akan terjadi apabila bahan bakar mendapatkan pasokan udara yang cukup.

Hampir 79% udara ( tanpa oksigen) merupakan unsur nitrogen (N) dan sisanya

merupakan elemen lainnya. Nitrogen akan mengurangi efisiensi pembakaran

dengan cara menyerap panas dari pembakaran dan mengencerkan gas buang.

Nitrogen ini juga akan mengurangi transfer panas pada permukaan alat penukar

panas. (UNEP, 2006).

Jumlah udara minimum yang diperlukan untuk menghasilkan

pembakaran sempurna disebut sebagai jumlah udara teoritis ( stoikiometrik).

Akan tetapi pada kenyataannya untuk pembakaran sempurna jumlah udara

yang dibutuhkan melebihi jumlah udara teoritis yang biasa nya disebut sebagai

excess air. Parameter yang paling sering digunakan untuk mengkuantifikasi

jumlah udara dan bahan bakar pada proses pembakaran tertentu adalah rasio

udara-bahan bakar.

2.4.2. Kebutuhan Udara Teoritis

Analisa pembakaran untuk kebutuhan udara teoritis dapat dilakukan

dengan dua cara diantaranya:

a) Analisa berdasarkan pada satuan berat

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-15

Analisa ini digunakan untuk perhitungan kebutuhan udara teoritis

pada pembakaran sempurna dengan jumlah bahan bakar tertentu

pada presentase berat contohnya:

C + O2 CO2

12 kg 32 kg 44 kg

Reaksi kimia di atas menunjukkan bahwa setiap kg karbon

memerlukan 2,67 kg oksigen secara teoritis untuk mendapatkan

pembakaran sempurna menjadi karbondioksida. Apabila besar

oksigen yang dibutuhkan dalam masing-masing unsur pada proses

pembakaran dihitung kemudian dijumlahkan, maka akan

didapatkan besar kebutuhan oksigen teoritis yang dibutuhkan

pembakaran sempurna bahan bakar (Diklat PLN, 2006).

b) Analisa berdasarkan pada satuan volume

Analisa ini digunakan apabila analisa bahan bakar dinyatakan

dalam satuan presentase berdasarkan volume, maka perhitungan

yang sama dengan perhitungan berdasarkan berat bisa digunakan

untuk menentukan volume dari udara teoritis yang dibutuhkan.

Dalam menentukan besar udara teoritis kita berpatokan terhadap

hukum Avogadro yaitu “ gas-gas dengan volume yang sama pada

suhu dan tekanan standar ( 00 C dan tekanan 1 bar) berisikan

molekul dalam jumlah yang sama ( Diklat PLN, 2006).

CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O

1 volume 2 volume 1volume 2 volume

2.4.3. Konsep Udara Berlebih (Excess Air)

Dalam konsep udara berlebih , konsentrasi oksigen maupun CO2 dalam

gas buang menjadi salah satu parameter penting dalam menentukan kelebihan

oksigen maupun CO2 dalam proses pembakaran. Untuk dapat melihat besar

kelebihan udara dapat ditentukan dari:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-16

Komposisi gas buang yang meliputi N2, CO2, O2 dan CO

Pengukuran secara langsung terhadap udara yang disuplai

Efisiensi pembakaran akan mengalami peningkatan seiring dengan

peningkatan jumlah excess air hingga pada nilai tertentu, yaitu pada saat nilai

kalor yang terbuang pada gas buang lebih besar dari pada kalor yang disuplai

oleh proses pembakaran yang optimal

Hubungan antara excess air , efisiensi, kandungan O2/CO2 dalam gas

buang dapat digambarkan:

Udara lebih (excess air) sangat mempengaruhi efisiensi.

Udara terlalu banyak: gas buang terlalu banyak, dan membawa heat

loss yang signifikan

Udara kurang: pembakaran tidak sempurna karena kurang udara,

Sehingga terbentuk CO (efisiensi menurun, polusi meningkat)

Dari hubungan tersebut maka udara harus berlebih tetapi harus dijaga

pada nilai optimum bergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan dan

jenis boiler

Gambar II-11 Hubungan efisiensi pembakaran dengan udara berlebih

( sumber : Totok Gunawan ,2010)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-17

Gambar II-12 Pengaruh Excess Air terhadap kandung O2 dan CO2 pada gas buang

( Sumber : Engineeringtoobox.com )

2.5 Batu bara

2.5.1. Pengertian Batu Bara

Batubara adalah mineral organik yang dapat terbakar, terbentuk dari

sisa tumbuhan purba yang mengendap yang selanjutnya berubah bentuk

menjadi padatan-padatan tertentu akibat proses fisika dan kimia yang

berlangsung selama jutaan tahun. Karena berasal dari material organik,

batubara tergolong mineral organik. Reaksi pembentukan batu bara adalah

sebagai berikut:

5(C6H10O5) C20H22O4 + 3CH4 + 8H2O + 6CO2 + CO

C20H22O4 merupakan batu bara yang dapat berjenis lignit, sub-

bituminus, bituminus, atau antrasit tergantung kepada tingkat pembatubaraan

yang dialami serta konsentrasi unsur C akan semakin tinggi seiring dengan

tingkat pembatubaraan yang semakin berlanjut. Sedangkan gas-gas yang

terbentuk yaitu metan, karbon dioksida serta karbon monoksida, dan gas-gas

lain yang menyertainya akan masuk dan terperangkap di celah-celah batuan

yang ada di sekitar lapisan batubara.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-18

2.5.2. Jenis-jenis Batu Bara

Batu bara terbagi dalam tingkat (grade) yang berbeda mulai dari

lignite, sub-bituminous, bituminous, dan anthracite.

Tabel II-1. Jenis-jenis batu bara dan spesifikasi termalnya

No

.

Jenis

Batubara

Lama Pembakaran

(menit/kg) Nilai Kalor (Kkal/ Kg)

1 Antrasit 5-10 7.222-7.778

2 Semi Antrasit 9-10 5.100-7.237

3 Bituminus 10-15 4.444-8.333

4

Sub-

bituminus 10-20 4.444-6.111

5 Lignit 15-20 3.056-4.611

(sumber: Sukandarrumidi, 1995)

Keempat jenis batu bara ini memiliki sifat fisik yang berbeda-beda

satu sama lain. (Teknik kimia, ITM, 2006)

A. Antrasit

Merupakan batubara berwarna hitam berbentuk sangat mengkilap,

kompak, nilai kalor sangat tinggi, kandungan karbon sangat tinggi, dan

kandungan sulfur sangat tinggi.

B. Semi Antrasit/ gambut

Merupakan batubara berwarna hitam mengkilap, kompak, nilai kalor

tinggi, kandungan karbon tinggi, dan kandungan sulfur tinggi.

C. Bituminus

Merupakan batuara berwarna hitam mengkilat, kurang kompak, nilai

kalor tinggi, kandungan karbon relatif tinggi, kandungan air sedikit,

kandungan abu sedikit, dan kandungan sulfur sedikit.

D. Lignit

Merupakan batubara berwarna hitam, sangat rapuh, nilai kalor rendah,

kandungan karbon sedikit, kandungan air tinggi, kandungan abu tinggi,

dan kandungan sulfur juga tinggi.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-19

Gambar II-13. Contoh batu bara jenis gambut, lignit, bituminus dan antrasit

Selain empat jenis yang umum seperti di atas, di dunia ada banyak

varian batubara menurut tingkatan usia dan komposisi mineral

penyusunnya. Secara umum komposisi kandungan air (moisture), gas

terbang (volatile matter) dan karbon dari setiap varian dapat dilihat pada

gambar.

2.5.3. Analisa Batu Bara

Dalam menganalisa batubara terdapat dua metode yang digunakan

yaitu analisa proximate dan analisa ultimate. Analisa proximate merupakan

metode analisa yang hanya berupa analisa fixed carbon, bahan yang mudah

menguap, kadar air dan persen abu dan analisa ultimate merupakan metode

analisa seluruh elemen unsur yang terdapat pada batubara padat atau gas

A. Analisis Proximate

Analisis proximate merupakan analisis dengan menunjukkan

persen kandungan dari fixed carbon, bahan mudah menguap, abu,dan kadar

air dalam batu bara. Analisis proximate untuk berbagai jenis batu bara

diberikan dalam tabel di bawah ini sebagai berikut:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-20

Tabel II-2.Analisis proximate untuk berbagai batu bara (persen) Sub-bituminus di beberapa negara

Parameter Batubara

India

Batubara

Indonesia

Batubara

Afrika Selatan

Kadar Air 5,98 9,43 8,5

Abu 38,63 13,99 17

Bahan mudah

menguap 20,7 29,79 23,28

Fixed Carbon 34,69 46,79 51,22

( sumber : UNEP, 2006 )

a) Fixed carbon

Fixed carbon merupakan bahan bakar padat yang tertinggal dalam

tungku setelah bahan yang mudah menguap didistilasi. Kandungan

utama dari bahan ini adalah karbon akan tetapi juga mengandung

hidrogen, oksigen , sulphur dan nitrogen yang tertinggal dan tidak

terbawa oleh gas. Fixed carbon akan memberikan gambaran perkiraan

kasar dari nilai panas batubara (UNEP, 2006 ).

b) Bahan yang mudah menguap (volatile matter)

volatile matter merupakan bahan yang terdapat dalam batubara yang

mudah untuk menguap, bahan-bahan terrsebut berupa methan,

hidrokarbon, hydrogen, karbonmonoksida, dan gas-gas yang tidak

mudah terbakar, seperti karbondioksida dan nitrogen. Bahan yang

mudah menguap juga merupakan indeks dari kandungan bahan baker

bentuk gas didalam batu bara. Rata-rata besar kandungan bahan yang

mudah menguap berkisarantara 20 hingga 35%.( UNEP, 2006 ) Bahan

yang mudah menguap :

Berbanding lurus dengan peningkatan panjang nyala api, dan

membantu dalam memudahkan penyalaan batu bara.

Mengatur batas minimum pada tinggi dan volume tungku.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-21

Mempengaruhi kebutuhan udara sekunder dana aspek-aspek

distribusi.

Mempengaruhi kebutuhan minyak baker sekunder.

c) Kadar abu

Kadar abu merupakan kotoran yang tidak akan terbakar. Besar

kandungan abu dalam bahan bakar berkisar antara 5% hingga 40%.

Sehingga pengaruh adanya abu adalah:

Mengurangi kapasitas handling dan pembakaran.

Meningkatkan biaya handling.

Mempengaruhi efisiensi pembakaran dan efisiensi boiler.

Menyebabkan penggumpalan dan penyumbatan.

d) Kadar air

Biasanya kandungan air yang ada pada batubara terbawa disaat

bersamaan pada proses pengangkutan. Pengaruh dari kadar air akan

menurunkan kandungan panas per kg batubara, dan kandungannya

berkisar antara 0,5 hingga 10%. Pengaruh adanya kadar air adalah:

Meningkatkan kehilangan panas,

Karena penguapan dan pemanasan berlebih dari uap.

Membantu pengikatan partikel halus pada tingkatan tertentu.

Membantu radiasi transfer panas.

e) Kadar Sulfur

Pada umumnya berkisar pada 0,5hingga 0,8%. Sulfur:

Mempengaruhi kecenderungan teradinya penggumpalan dan

penyumbatan

Mengakibatkan korosi pada cerobong dan peralatan lain seperti

pemanas udara dan economizers.

Membatasi suhu gas buang yang keluar.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-22

B. Analisis Ultimate

Analsis ultimate dimaksudkan untuk menentukan macam-macam

kandungan kimia unsur-unsur dalam batubara seperti karbon, hidrogen,

oksigen, sulfur, dll. Analisis ini berguna dalam penentuan jumlah udara

yang diperlukan untuk pembakaran dan volume serta komposisi gas

pembakaran. Informasi ini diperlukan untuk perhitungan suhu nyala dan

perancangan saluran gas buang dll. Analisis ultimat untuk berbagai jenis

batu bara diberikan dalam di bawah ini: Tabel II-3.Analisis ultimat batubara bituminus di beberapa negara.

Parameter Batubara

India, %

Batubara

Indonesia,%

Kadar Air 5,98 9,43

Bahan Mineral 36,63 13,99

Karbon 41,11 58,96

Hidrogen 2,76 4,16

Nitrogen 1,22 1,02

Sulfur 0,41 0,56

Oksigen 9,89 11,88

( sumber : UNEP, 2006 )

2.6 Pesyaratan Boiler yang Baik

Dalam hal ini suatu boiler dikatakan baik harus memenuhi beberapa

persyaratan diantaranya ( Maridjo:2005):

1) Menghasilkan jumlah uap yang maksimak dengan bahan bakar yang

minimal.

2) Respon fluktuasi beban yang cepat.

3) Waktu penyalaan yang cepat

4) Sambungan harus sedikit dan mudah diinspeksi

5) Lumpur dan deposit tidak terkumpul di tempat-tempat pemanasan

6) Tidak menghabiskan banyak tempat

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-23

2.7 Pemilihan Boiler

1) Daya yang diperlukan dan tekanan kerja

2) Posisi geografi dari power house ( sumber tenaga )

3) Ketersediaan bahan bakar dan air.

4) Kemungkinan stasiun permanen.

5) Faktor beban yang mungkin

2.8 Kesetimbangan Energi Boiler

Pengkajian kesetimbangan energi pada suatu boiler dapat mengambarkan

secara sederhana kandungan-kandungan energi yang terdapat pada suatu sistem

penghasil uap dengan beberapa kandungan energi terbuang

Bagan 1 Kesetimbangan Energi Boiler

( sumber : mesin konversi energi )

Energi yang diberikan bahan bakar + air

Energi Uap

Energi gas asap kering

Energi yang terbuang ke udara sekitar

Energi yang terbuang melalui gas buang

Energi ke uap air

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-24

2.9 Pengkajian Boiler

2.9.1 Neraca Massa dan Energi

Proses pembakaran dalam boler dapat digambarkan dalam bentuk

diagram alir energi. Diagram ini menggambarkan secara grafis tentang bagaimna

energi masuk dari bahan bakar, air, dan udara diubah menjadi aliran energi

dengan barbagai kegunaan dan menjadi aliran kehilangan kalor dan energi.

(UNEP/www.energyefficiencyasia.org, 2006). 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.

Gambar II-14.Neraca massa dan energi boiler

Neraca massa dan energi merupakan kesimbangan energi total yang masuk

boiler terhadap yang meninggalkan boiler dalam bentuk yang berbeda. Gambaran

berikut memberikan gambaran berbagai kehilangan yang terjadi untuk pembangkit

uap.

Fuel Input

Air Input

Water Input Steam output

Stack gas Stochiometric Excess Air Un burnt

Ash and Unburnt part of fuel in ash Blow Down Convection and Radiasion

Boiler

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-25

Gambar II-15 . Kehilangan kalor pada boiler bahan bakar batubara

( sumber : energyefficiencyasia.org)

Kehilangan energi dapat dibagi kedalam kehilangan yang tidak atau dapat

dihindarkan. Tujuan dari produksi bensin atau pengkajian energi harus mengurangi

kehilangan yang dapat dihindari dengan cara meningkatkan efisiensu energi.

Kehilangan berikut dapat dihindari atau dikurangi diantaranya:

a. Kehilangan gas cerobong

- Udara berlebih ( diturunkan hingga ke nilai minimum yang

tergantung dari teknologi burner, operasi ( kontrol) dan

pemeliharaan )

- Suhu gas buang cerobong ( diturunkan dengan mengoptomal

perawatan (pembersihan), beban, burner yang lebih baik dan

teknologi boiler)

b. Kehilangan karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam cerobong

dan abu (mengoptimalkan operasi dan pemeliharaan teknologi burner

yang lebih baik)

c. Kehilangan dari blowown ( pengolahan air umpan segar, daur ulang

kondensat )

d. Kehilangan kondensat ( memanfaatkan sebanyak mungkin kondensat)

e. Kehilangan konveksi dan radiasi ( dikurangi dengan isolasi boiler yang

lebih baik)

B

O

I

L

E

R

FUEL

L7 = Heat loss by Fly ash

L1 = Heat loss due to dry flue gas

L2 = Heat loss due to steam in flue gas

L3 = Heat loss due to moisture in fuel

L4 = Heat loss due to moisture in air

L5 = Heat loss due to unburnts in residue

L6 = Heat loss due to radiation and other unaccounted loss

L8 = Heat loss by bottom ash

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-26

2.9.2 Evaluasi Kinerja Boiler

Parameter kinerja boiler seperti efisiensi dan rasio penguapan, berkurang

terhadap waktu disebabkan buruknya pembakaran, kotornya permukaan penukar

kalor dan buruknya operasi dan pemeliharaan tehadap suatu boiler. Bahkan

untuk boileryang baru sekalipun, alasan seperti buruknya kualitan bahan bakar

dan kualitas air dapat mengakibatkan buruknya kinerja suatu boiler.

(UNEP/www.energyefficiencyasia.org, 2006).

Beberapa faktor yang mempengaruhi kinerja boiler sebagai berikut:

Efisiensi boiler

Rasio penguapan/evaporation ratio

Pengerakan pada permukaan tranfer panas

Perawatan yang kurang baik

Kualitas dan kandungan air bahan bakar

Uji efisiensi boiler dapat membantu dalam menemukan penyimpangan

efisiensi boiler dari efisiensi terbaik dan target area permasalahan untuk

tindakan perbaikkan.

2.9.3 Efisiensi boiler

Pengujian efisiensi dari boiler dapat didefenisikan sebagai prestasi kerja

atau tingkat unjuk kerja boiler atau ketel uap yang didapatkan dari perbandingan

antara energi yang dipindahkan ke atau diserap oleh fluida kerja didalam ketel

dengan masukan energi kimia dari bahan bakar.

Pengujian efisiensi boiler pada tugas akhir ini dilakukan dengan dua metode

pengujian yaitu :

Metode langsung ( Direct Method ) yaitu metode yang dilihat dari energi

yang didapat dari fluida kerja ( air dan steam) dibandingkan dengan energi

yang terkandung dalam bahan bakar boiler.

Metode tidak langsung ( Indirect Method ) merupakan metode perbedaan

antara kehilangan dan energi yang masuk ke boiler.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-27

2.9.3.1 Metode Langsung (Metode Direct)

Serupa dengan yang disebutkan sebelumnya metode ini merupakan

pendekatan yang dilakukan dengan mengukur jumlah panas yang terdapat pada

uap dan membandingkannya dengan jumlah panas yang diberikan bahan bakar.

Metode ini dikenal dengan metode ‘input-output‘. Berdasarkan standar Bureau Of

Energy Efficiency India, metode perhitungan efisiensi secara langsung dapat

dilihat pada persamaan sebagai berikut:

ƞ𝑏𝑜𝑖𝑙𝑒𝑟 =ṁ 𝑠𝑡𝑒𝑎𝑚(ℎ𝑠𝑡𝑒𝑎𝑚−ℎ𝑓𝑒𝑒𝑑𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟)

ṁ𝑓𝑢𝑒𝑙𝑥𝐺𝐶𝑉𝑓𝑢𝑒𝑙..........................................(2.1)

Keterangan:

ƞ𝑏𝑜𝑖𝑙𝑒𝑟 = efisiensi boiler (%)

ṁ 𝑠𝑡𝑒𝑎𝑚 = laju alir uap (kg/jam)

ℎ𝑠𝑡𝑒𝑎𝑚 = entalpi uap ( hg) (kj/kg)

ℎ𝑓𝑒𝑒𝑑𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟 = entalpi air umpan (hf) (kj/kg)

𝑚𝑓𝑢𝑒𝑙 = laju alir bahan bakar (kg/jam)

𝐺𝐶𝑉𝑓𝑢𝑒𝑙 = nilai kalor bahan bakar (kj/kg)

Parameter yang dipantau untuk perhitungan efisiensi boiler dengan metode

langsung berupa:

Jumlah steam yang dihasilkan per jam (ṁ 𝑠𝑡𝑒𝑎𝑚) dalam kg/jam

Jumlah bahan bakar yang digunakan per jam (ṁ 𝑓𝑢𝑒𝑙) dalam kg/jam

Tekanan kerja ( kg/cm2 (g)) dan suhu lewat panas (0C) jika ada

Suhu air umpan (0C)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-28

Jenis bahan bakar dan nilai panas kotor bahan bakar (GCV) dalam kkal/kg

bahan bakar.

Dimana

hg - Entalpi steam jenuh dalam kkal/kg steam

hf - Entalpi air umpan dalam kkal/kg air

Keuntungan metode langsung

pekerja pabrik dapat dengan cepat mengevaluasi efisiensi boiler

memerlukan sedikit parameter untuk perhitungan

memerlukan sedikit instrument untuk pemantauan

mudah membandingkan rasio penguapan dengan data benchmark

Kerugian metode langsung

tidak memberikan petunjuk kepada operaor tentang penyebab dari efisiensi

sistem yang lebih rendah

tidak menghitung berbagai kehilangan yang berpengaruh pada berbagai

tingkat efisiensi

2.9.3.2 Metode Tidak Langsung (Metode Indirect)

Merupakan pendekatan yang dilakukan untuk mendapatkan nilai efisiensi

dengan mengukur jumlah potensial panas bahan bakar dan menguranginya dengan

losses yang terdapat pada boiler. Pengujian dengan metode ini tidak akan

membuat perubahan signifikan dalam efisiensi. Jika pada efisiensi boiler adalah

90%, kesalahan dari 1% di metode langsung akan mengakibatkan perubahan yang

signifikan dalam efisiensi. yaitu 90 ± 0,9 = 89,1-90,9. Dalam metode tidak

langsung, 1% kesalahan dalam pengukuran kerugian akan menghasilkan efisiensi

= 100 - (10 ± 0,1) = 90 ± 0,1 = 89,9-90,1

Berbagai kerugian panas yang terjadi pada boiler adalah sebagai berikut:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-29

Gambar II-16 Kehilangan panas pada boiler

( sumber : Internasional of Advanced Research)

Berdasarkan ASME standar PTC 4-1 tentang Power Test Code For Steam

Generating Units. Metode perhitungan efisiensi secara tidak langsung atau metode

kehilangan panas dapat dilihat pada persamaan sebagai berikut:

ƞ𝑏𝑜𝑖𝑙𝑒𝑟 = 100 − (𝐿1 + 𝐿2 + 𝐿3 + 𝐿4 + 𝐿5 + 𝐿6 + 𝐿7 + 𝐿8 )..........(2.2)

Keterangan : ƞ𝑏𝑜𝑖𝑙𝑒𝑟 = efisiensi boiler (%)

L1 = Rigi-rugi gas buang kering (panas sensible)

L2 = Rugi-rugi steam dalam bahan bakar (H2)

L3 = Rugi-rugi kandungan air bahan bakar (H2O)

L4 = Rugi-rugi kandungan air di udara pembakaran (H2O)

L5 = Rugi-rugi pembakaran tidak sempurna (CO)

L6 = Rugi-rugi radiasi permukaan, konveksi, dan yang tak

tehitung lainnya *

*kerugian yang tidak signifikan dan sulit diukur

Kerugian berikut berlaku untuk bahan bakar padat pada kondisi :

L7 = rugi-rugi karena fly ash

L8 = rugi-rugi karena bottom ash

Kehilangan yang diakibatkan oleh kadar air dalam bahan bakar dan yang

disebabkan oleh pembakaran hidrogen tergantung pada bahan bakar, dan tidak

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-30

dapat dikendalikan oleh perancangan. 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 0C (Tf)

Suhu ambien dalam 0C (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)

Alasan utama dalam penggunaan metode Indirect dalam perhitungan efisiensi

boiler:

Lebih mudah dalam perhitungan kerugian dibandingkan dengan

mengukur laju aliran batubara

Mudah untuk memeriksa kerugian terkendali dan tidak terkendali

sehingga dapat mencoba untuk mengurangi kerugian yang dapat

dikendalikan tersebut

Efisiensi dapat ditingkatkan dengan efek gabungan dari seluruh hal

Lebih akurat dari metode langsung

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-31

Uji efisiensi tidak memperhitungkan:

• kerugian Standby. Uji efisiensi harus dilakukan, ketika boiler beroperasi di

bawah beban stabil. Oleh karena itu, tes efisiensi pembakaran tidak

mengungkapkan kerugian standby, yang terjadi antara interval penembakan

• kerugian Blow down. Jumlah energi yang terbuang oleh blowdown

bervariasi melalui berbagai keadaan.

• Soot blower steam. Jumlah uap yang digunakan oleh soot blower adalah

variabel yang tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan.

• Peralatan Bantu konsumsi energi. Tes efisiensi pembakaran tidak

memperhitungkan penggunaan energi dengan peralatan tambahan, seperti

pembakar, fans, dan pompa.

Tahapan dalam perhitungan efisiensi boiler dengan metode tidak langsung

dapat di gambarkan dalam tahapan berikut:

Tahap – 1 . Menghitung kebutuhan udara teoritis

Udara teoritis untuk =( 11,6 𝑥 𝐶 )+( 34,8 𝑥 (𝐻2−

𝑂28

))+(4,35 𝑥 𝑆 )

100............. (II. 1)

pembakaran sempurna Tahap – 2 . Menghitung teoritis CO2 %

% CO pada = 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑜𝑓 𝐶

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑁2+𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑜𝑓 𝐶 .........................................(II. 2)

pembakaran sempurna dimana, Moles N2 =

𝑊𝑡 𝑜𝑓 𝑁2𝑖𝑛 𝑡ℎ𝑒𝑜𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙 𝑎𝑖𝑟

𝑚𝑜𝑙.𝑊𝑡 𝑜𝑓 𝑁2+

𝑊𝑡 𝑜𝑓 𝑁2 𝑖𝑛 𝑓𝑢𝑒𝑙

𝑚𝑜𝑙.𝑊𝑡 𝑜𝑓 𝑁2 ................(II. 3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-32

Tahap – 3 . Menghitung persen kelebihan udara yang dipasok (EA)

% suplai udara berlebih = 7900 𝑥[ (𝐶𝑂2%)𝑡−(𝐶𝑂2%)𝑎]

(𝐶𝑂2%)𝑎 𝑥 [(100−(𝐶𝑂2%)𝑡)] .......................(II. 4)

Tahap – 4 . Menghitung massa udara sebernanya yang dipasok (AAS)

Massa sebernarnya = ( 1 + 𝐸𝐴

100) x udara teoritis ............................(II. 5)

Udara suplai

Tahap – 5 . Menghitung massa aktual gas buang kering

Massa gas buang kering = massa of CO2 + mass of N2 content in the

fuel + Mass of N2 in the combustion air

supplied + mass of oxygen in flue gas .....(II. 6)

Tahap – 6 . Menghitung losses yang terjadi pada boiler

Heat loss karena gas buang kering ( L1 )

Ini merupakan kehilangan terbesar yang dapat dihitung dengan rumus

berikut :

𝐿1 = �̇� 𝑥 𝐶𝑝 𝑥 (𝑇𝑓− 𝑇𝑎)

𝐺𝐶𝑉 𝑏𝑎𝑡𝑢 𝑏𝑎𝑟𝑎 𝑥 100...................................................(II. 7)

Keterangan :

ṁ = massa dry flue gas (kg/kg batubara)

Cp = panas spesifik flue gas = 0,23 kCal/kg0C

Tf = temperatur flue gas (0C)

Ta = temperatur ambient (0C)

GCV = nilai kalor atas bahan bakar (kkal/kg)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-33

Uap air dihasilkan dari kandungan hidrogen dalam bahan bakar, kadar air

dalam bahan bakar dan udara selama proses pembakaran. Kerugian akibat

dari komponen ini belum termasuk kepada hilangnya gas buang kering

karena mereka secara terpisah dihitung sebagai kerugian gas buang basah

Heat loss karena steam dalam gas buang ( L2 )

Pembakaran hidrogen menyebabkan hilangnya panas karena produk

dari pembakaran adalah air. Air ini akan diubah menjadi uap dan akan

membawa panas pergi dalam bentuk panas laten

𝐿2 = 9 𝑥 𝐻2 𝑥 { 584+ 𝐶𝑝 (𝑇𝑓− 𝑇𝑎)}

𝐺𝐶𝑉 𝑏𝑎𝑡𝑢 𝑏𝑎𝑟𝑎 𝑥 100....................................(II. 8)

Keterangan :

H2 = persen massa hydogen dalam 1 kg bahan bakar (kg)

Cp = panas spesifik superheater = 0,45 kCal/kg 0C

Tf = temperatur flue gas (0C)

Ta = temperatur ambient (0C)

GCV = nilai kalor atas bahan bakar (kCal/kg)

9 = konstanta

584 = panas laten sesuai dengan tekanan parsial uap air

Heat loss karena kandungan air bahan bakar (H2O) ( L3 )

Hilangnya kelembapan ini karena panas sensibel yang membawa uap

air pada titik pemanasan, panas laten dari penguapan air yang mendidih,

dan panas superheat yang diperlukan dalam membawa uap ini dengan

temperatur dari gas buang. Kerugian ini dapat dihitung dengan rumus

sebagai berikut :

𝐿3 = 𝑀 𝑥 {584+ 𝐶𝑝 (𝑇𝑓− 𝑇𝑎)

𝐺𝐶𝑉 𝑏𝑎𝑡𝑢 𝑏𝑎𝑟𝑎 𝑥 100.................................... (II. 9)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-34

Keterangan : M = massa embun dalam bahan bakar 1 kg basis (kg)

Cp = panas spesifik superheater = 0,45 kCal/kg 0C

Tf = temperatur flue gas (0C)

Ta = temperatur ambient (0C)

GCV = nilai kalor atas bahan bakar (kkal/kg)

584 = panas laten sesuai dengan tekanan parsial uap air

Heat loss karena kandungan airdi udara H2O ( L4 )

Uap yang terbentuk karena kelembapan udara yang masuk merupakan

superheat saat melewati boiler. Karena panas ini melewati cerobong, maka

ini merupakan suatu losses pada boiler. Untuk menghubungkan kerugian

ini dengan massa batubara yang dibakar, kandungan kelembapan udara

pembakaran dan jumlah udara yang dipasok per satuan massa batubara

yang dibakar harus diketahui.

Massa uap merupakan kandungan udara yang dapat diperoleh dari

grafik psychrometric dan nilai-nilai khas yang termasuk di bawah ini : Tabel II-4 Nilai-nilai khas grafik psychrometric

Dry-bulb Wet-bulb Relative

Humidity Kilogram water per

kilogram dry air

(Humidity Factor) Temp 0C Temp 0C (%)

20 20 100 0,016 20 14 50 0,008 30 22 50 0,014 40 30 50 0,024

𝐿4 = 𝐴𝐴𝑆 𝑥 ℎ𝑢𝑚𝑖𝑑𝑖𝑡𝑦 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑥 𝐶𝑝 𝑥 (𝑇𝑓− 𝑇𝑎)

𝐺𝐶𝑉 𝑏𝑎𝑡𝑢 𝑏𝑎𝑟𝑎 𝑥 100....................... (II. 10)

Keterangan : AAS = massa udara aktual yang disuplai (kg)

Cp = panas spesifik superheater (kkal/kg 0C)

Tf = temperatur flue gas (0C)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-35

Ta = temperatur ambient ( dry-bulb) (0C)

GCV = nilai kalor atas bahan bakar (kkal/kg)

Humidity faktor = massa air yang terkandung dalam setiap

kilogram udara kering (kg)

Heat loss karena pembakaran tidak sempurna ( L5 )

Rugi-rugi ini disebabkan oleh bahan yang tidak terbakar dalam residu.

Hasil pembentukan dari pembakaran tidak sempurna bisa dicampur

dengan oksigen dan dibakar kembali dengan keluaran lebih lanjut dari

energi seperti gas buang boiler. produk boiler termasuk CO, H2, dan

berbagai hidrokarbon merupakan satu-satunya gas hasil konsentrasi yang

dapat ditentukan dalam suatu tes pabrik boiler.

𝐿5 = %𝐶𝑂 𝑥 𝐶

%𝐶𝑂+ %𝐶𝑂2 𝑥

5744

𝐺𝐶𝑉 𝑏𝑎𝑡𝑢𝑏𝑎𝑟𝑎 100............................(II. 11)

Ketika CO dalam ppm selama analisis gas buang

L5 = CO (in ppm) x 10-6 x Mf x 28 x 5744........................(II. 12)

Keterangan :

CO = volume CO di flue gas yang meninggalkan

ekonomizer

CO2 = volume CO2 aktual di flue gas

C = kandungan karbon dalam kg batubara (kg)

GCV = nilai kalor atas bahan bakar (kCal/kg)

Mf = konsumsi bahan bakar (kg/h)

Heat loss karena radiasi permukaan, konveksi, dan yang tak terhitung ( L6 )

Kehilangan panas yang disebabkan oleh radiasi dan konveksi aktual sulit

dikaji sebab daya emisifitas permukaan yang beraneka ragam, kemiringan,

pola aliran udara dan sebagainya. Pada boiler biasanya kerugian permukaan

dan kerugian lain yang tidak terhitung diasumsikan berdasarkan jenis dan

ukuran boiler yang relatif kecil. Untuk kerugian akibat rasiasi dn konveksi

boiler jenis CFB dapat dilihat dari tabel dibawah ini

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-36

Tabel II-5 Kehilangan panas radiasi dan konveksi boiler CFB

Namun dapat dilakukan perhitungan jika area permukaan boiler dan suhu

permukaan boiler diketahui , maka kita dapat menggunakan seperti rumus

di bawah ini :

𝐿6 = 0,548 𝑥 [ (𝑇𝑠

55,55)

4

− (𝑇𝑎

55,55)

4

] + 1,957 𝑥 (𝑇𝑠 − 𝑇𝑎)1,25𝑥 𝑠𝑞𝑟𝑡 𝑜𝑓 [196,85 𝑉𝑚+68,9

68,9]....(II. 13)

Heat loss karena fly ash dan bottom ash

Beberapa karbon akan tertinggal dalam abu, ini merupakan potensi

kehilangan panas dalam bahan bakar. Untuk menentukan besar kerugian

panas pada tahap ini, maka sampel abu harus dilakukan analisis terhadap

kandungan karbonnya. Kuantitas abu yang dihasilkan per unit bahan bakar

juga harus diketahui.

Rugi-rugi karena abu terbang (fly ash) (%)

𝐿7 = 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑎𝑏𝑢 𝑝𝑒𝑟 𝑘𝑔 𝑏𝑎ℎ𝑎𝑛 𝑏𝑎𝑘𝑎𝑟 𝑡𝑒𝑟𝑏𝑎𝑘𝑎𝑟 𝑡 𝑥 𝐺𝐶𝑉 𝑜𝑓 𝑓𝑙𝑦 𝑎𝑠ℎ

𝐺𝐶𝑉 𝑏𝑎𝑡𝑢 𝑏𝑎𝑟𝑎 𝑥 100............... (II. 14)

Rugi-rugi karena abu dasar (bottom ash) %

𝐿8 = 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑎𝑏𝑢 𝑝𝑒𝑟 𝑘𝑔 𝑏𝑎ℎ𝑎𝑛 𝑏𝑎𝑘𝑎𝑟 𝑡𝑒𝑟𝑏𝑎𝑘𝑎𝑟 𝑡 𝑥 𝐺𝐶𝑉 𝑜𝑓 𝑏𝑜𝑡𝑡𝑜𝑚 𝑎𝑠ℎ

𝐺𝐶𝑉 𝑏𝑎𝑡𝑢 𝑏𝑎𝑟𝑎 𝑥 100.......... (II. 15)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-37

Beberapa keunggulan dalam menggunakan metode Indirect dalam

pengujian kinerja boiler ini yaitu:

Akurasi dari pendekatan yang cukup baik. Ketelitian alat ukur memiliki

pengaru cukup kecil terhadap nilai dari efisiensi.

Pendekatan ini tidak hanya mengukur efisiensi tetapi juga mengukur

besarnya losses yang terjadi pada boiler.

Dapat diketahui neraca bahan dan energi yang lengkap untuk setiap

aliran, yang dapat memudahkan dalam mengidentifikasi opsi-opsi untuk

meningkatkan efisiensi boiler.

Kerugian dari metode Indirect dalam pengujian kinerja boiler yaitu :

Memerlukan waktu lama

Memerlukan fasilitas laboratorium untuk analisis

2.9.4 Rasio Evaporasi

Rasio evaporasi boiler didefinisikan sebagai kilogram steam generator

per kilogram konsumsi bahan bakar

𝑟𝑎𝑠𝑖𝑜 𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑠𝑖 = 𝑄𝑢𝑎𝑛𝑡𝑖𝑡𝑦 𝑜𝑓 𝑠𝑡𝑒𝑎𝑚 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛

𝑄𝑢𝑎𝑛𝑡𝑖𝑡𝑦 𝑜𝑓 𝑓𝑢𝑒𝑙 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑡𝑜𝑟....................................(II. 16)

Keterangan

Quantity of steam generation : massa steam (kg)

Quantity of fuel generator : massa konsumsi bahan

bakar (kg)