EVALUASI TEKNIS OPERASIONAL HYBRID BOILER DI INDUSTRI PENGOLAHAN KAYU PT.TRIOWIRA KALIMANTAN.
SE
EMINAR NA
ASIONAL TEKNIK
T
KIMIA SOEBA
ARDJO BR
ROTOHARD
DJONO IX
P
Program
Studdi Teknik Kiimia UPN “V
Veteran” Jaw
wa Timur
Surabayya, 21 Juni 2012
EVALU
UASI TEK
KNIS OPE
ERASION
NAL HYBR
RID BOIL
LER
DI IN
NDUSTRII PENGOL
LAHAN KAYU
K
PT.TRIOWIIRA KALIIMANTAN
N
Mamat
P
Pusat
Penellitian Fisikaa – LIPI
JJln. Sangkurriang (kompllek LIPI) No
o. 21/154D,B
Bandung
Teelepon: (0222)250 3052, 2250- 7773 – Fax : (022) 250 3050
E – mail:[email protected]
A
ABSTRAK
Suaatu hybrid boiler mengkonssumsi bahan bakar
b
sawdust 700 kg/jam dapat
d
menghassilkan uap 2500
kg/jam dan tekanan 18 bar. Selama operasi berlanggsung terjadi elutrasi
e
baahann baakar 10 %, sehingga jumllah
b
bakar yang
y
dapat dib
bakar 630 kg/jaam dapat mennghasilkan pannas 3188 kWh, maka uap yanng
aktual bahan
dihasilk
kan 2460 kg/jaam dan tekanaan 18 bar. Denngan pengaturaan damper gass buang secaraa tepat, sehinggga
tidak teerjadi elutrasi bahan
b
bakar, maka
m
panas yanng dihasilkan 3542.3
3
kWh daan uap yang dih
hasilkan menjaadi
3014 kg/jam.
k
Proses pembakaran bahan bakar di dalam ruan
ng bakar hybrrid boiler berrlangsung secaara
bubblin
ng dan tebal paasir media darri ujung atas nnozle ke permu
ukaan pasir 2000 mm, dan uk
kuran butir pasir
yang diigunakan antarra 0.5 sampai 1mm.
1
Pressuree drop yang teerjadi dari aliraan udara menem
mbus pasir 47448
Pa ( 47
74.8 kg/m2) < FDFan pressure adalah 600 kg/m2, sehin
ngga tidak terjjadi back presssure dan prosses
bubling
g dapat berlang
gsung baik. Prressure drop pada water tu
ube boiler, firee tube boiler, gas
g plenum, ggas
ductingg dan cyclone adalah
a
425.7088 kg/m2 > IDFaan pressure (2220 kg/m2). Denngan demikian jumlah pressuure
drop pada hybrid bo
oiler adalah 900.51 kg/m2 > FDFan dan
n IDFan presssure (820 kg/m
m2). Daya yanng
hkan untuk menngisap gas buaang adalah 7322.56 kgm/det, IDFan
I
efficienncy adalah 90 %,
% dan electriccal
dibutuh
motor efficiency
ef
90 %,
% maka kebutuuhan daya motoor adalah 12 HP
H > daya motoor listrik untuk IDFan (10 HP
P).
Dengann demikian, hybbrid boiler ini tidak dapat diooperasikan pad
da kondisi bebaan maksimum.
unci : hybrid boiler, uap, saw
wdust, tekanan uap,
u temperatu
ur.
Kata ku
1.PEND
DAHULUAN
S
Suatu
industri pengolahan kayu
k
PT.Triow
wira Kalimanttan di Bekasi setiap hariny
ya menghasilkkan
limbah biomassa saw
wdust sebanyakk 16800 kg. Liimbah sawdust ini sangat rinngan, sehinggaa mudah terbanng
olusi lingkunggan. Dengan demikian,
d
sawddust menimbuulkan endapan di
dibawa angin dan menimbulkan po
dustri tersebut,, sehingga rumah banyak mengalami keerusakan. Untuuk
rumah yang terletak disekitar ind
menceggah terjadinya polusi limbah sawdust, makka di dalam ru
uang produksi ssawdust dihisaap menggunakkan
pneuma
atic system dann ditampung dii dalam dua sello yang masingg-masing mem
mpunyai kapasittas 50 m3. Untuuk
menang
ggulangi polussi dari limbah
h tersebut, maka
m
sawdust dimanfaatkan sebagai bahaan bakar boileer.
Pembakkaran bahan bakar di daalam ruang bakar
b
boiler menggunakan
m
teknologi fluuidisasi. Denggan
dimanfa
faatkannya lim
mbah sawdust sebagai sumbber energi, sehhingga sawdusst bukan meru
upakan masalaah,
namun menjadi kebu
utuhan untuk menghasilkan
m
eenergi guna beerlangsungnya proses produkksi. Transportaasi
sawdust dari silo kee cyclone menggunakan aiir conveyor syystem dan peemasukan saw
wdust ke hoppper
dikendaalikan mengguunakan rotary lock dan selannjutnya diumppankan ke ruanng bakar boileer menggunakkan
screw feeder.
fe
T
Teknologi
pem
mbakaran yangg tepat untuk bbahan bakar sawdust
s
adalahh bubling burnning system dan
d
sebagaii media pembaakarannya adaalah pasir kwaarsa panas yanng berfluidisassi. Dengan bubling system ini
i
bahan bakar
b
sawdustt diapungkan seiring
s
dengann gerakan fluiddisasi pasir, seehingga akan terjadi
t
campurran
homogeen antara udaara dan bahan
n bakar sawddust untuk meelaksanakan pembakaran
p
seempurna. Untuuk
membentuk bubling pada
p
pasir meddia di dalam ruuang bakar dippasang nozle udara sebanyaak 169 buah dan
d
masing-masing nozlee mempunyai lubang
l
orifice sebanyak 10 lubang berdiaameter 5 mm dan mempunyyai
sudut 45
4 o. Udara darri masing-massing nozle udaara disuplai daari suatu forceed draft fan yang
y
mempunyyai
kapasitaas adalah 3900 m3/jam ≅ 4579 kg/jam daan maximum static air presssure adalah 6000
6
Pa. Supaaya
selama operasi berlanngsung tekanaan ruang bakarr negatif, makka gas buang di dalam ruanng bakar dihisap
i
draft fan
f yang mem
mpunyai kapasittas adalah 70000 m3/jam dan maximum static
mengguunakan suatu induced
air presssure adalah 22
200 Pa.
A.1-1
SE
EMINAR NA
ASIONAL TEKNIK
T
KIMIA SOEBA
ARDJO BR
ROTOHARD
DJONO IX
P
Program
Studdi Teknik Kiimia UPN “V
Veteran” Jaw
wa Timur
Surabayya, 21 Juni 2012
Konstruksi hybrid
h
boiler terdiri
t
dari waater tube boileer dapat berfunngsi sebagai stteam evaporattor
dan firee tube boiler dapat berfunggsi sebagai steeam evaporator dan juga prreheater. Dindding ruang bakkar
dibuat water
w
wall, seh
hingga panas yang
y
mengalir melalui dindinng sebagai sum
mber panas untuuk merubah faasa
air mennjadi fasa uap. Hybrid boiler ini mempunyaai kapasitas 250
00 kg uap/jam dan tekanan uap
u 18 bar.
2.MET
TODE
2.1. Ru
uang Bakar
M
Media
pembak
kar bahan bakaar sawdust adaalah pasir kwaarsa panas, ukuuran butir pasir antara 0.5 mm
m
sampai 1 mm. Tebal pasir di dalam
m ruang bakar 300
3 mm dari daasar, tinggi nozzzle udara 100 mm, maka tebbal
pasir daari ujung nozlee ke permukaann atas pasir 2000 mm. Massa jenis sawdust 2250 kg/m3 dan laju bahan bakkar
sawdust 2.8 m3/jam. Massa jenis pasir
p
kwarsa 2200 kg/m3, gaaya gravitasi 99.81 m/det2, seehingga pressuure
a
4316.4 Pa dan distribbutor poressure drop (∆pd) adalah
a
0.1 ∆pb[1]
drop dii dalam bed fuurnace (∆pb) adalah
adalah 431.64 Pa, maaka total pressu
ure drop di dalam bed furnace (∆ptot) adalaah 4748 Pa < air
a pressure daari
forced draft
d
fan (6000
0 Pa). Laju alirr udara yang kee luar dari lubaang orifice 1.16628 kg/det untuuk pengumpannan
sawdust seberat 700 kg/jam.
k
Lebar bed furnace (L
Lbf) adalah 1.2 m, maka bed ffurnace area (Abf) adalah 1.444
m
lubangg orifice dipenggaruhi discharrge
m2 < deesign of bed fuurnace area ( 2 m2). Udara yang mengalir melalui
factor(ccd) adalah 0.6. Luas lubang orifice
o
(Aor) addalah 12.56 mm
m2 adalah ratioo antara luas luubang orifice dan
d
luas bedd furnace[1] adaalah 0.0303, seehingga laju uddara primer meengalir melaluii lubang orificee dapat diperolleh
720 kg//jam dan laju udara sekundeernya 3466 kgg/jam dan total laju udara 4186 kg/jam, maka
m
daya alirran
udara 4.7
4 HP x 2 adallah 9.4 HP < daya
d
forced draf
aft fan ( 20 HP)
P) dan kapasitass operasional (1.1628 kg/det)) <
forced draft
d
fan capaccity (1.26 kg/deet).
2.2. An
nalisis Gas Buaang
G buang darii hasil pembakkaran bahan baakar sawdust trrdiri dari CO2, HO2 dan SO2 merupakan haasil
Gas
reaksi dari
d pembakaraan unsur bahann bakar dengann O2 dari udaraa, namun N2 yang terkandung di dalam udaara
tidak tuurut bereaksi. Jadi
J pembakarran 1 kg C dapaat menghasilkaan 3.67 kg gas CO2. Pembakaaran setiap1kg H
dapat menghasilkan
m
9 kg H2O dan
n setiap 1kg S dapat menghaasilkan 2 kg ggas SO2, makaa ratio udara dan
d
bahan bakar
b
teoritis dapat diperoleeh 5.6 kg gas//kg bb. Untuk melaksanakann pembakaran sempurna perrlu
kelebih
han udara 1.25 dari kebutuhann udara teoritiss[2] dan factor kelembaban uudara[3] 1.035, maka
m
ratio udaara
dan bahhan bakar aktuual diperoleh 6.96
6
kg/kg bb. Jadi gas buan
ng aktual dari hasil
h
pembakaaran bahan bakkar
sawdust 630 kg/jam diperoleh
d
43844.8 kg/jam ≅ 1..218 kg/det < kapasitas
k
inducced draft fan (77500 nm3 /jam
m≅
8830.5 kg/jam ≅ 2.453
3 kg/det).
2.3. An
nalisis Termal
P
Panas
spesifik dari limbah biomassa
b
sawddust 4352 cal/ggr ≅ 18217.5 kJ/kg.
k
Pada saat pengumpannan
bahan bakar
b
terjadi elutrasi
e
10 % dari
d jumlah baahan bakar yanng diumpankann ke ruang bak
kar (70 kg/jam
m),
maka juumlah bahan bakar yang dapaat dibakar di dalam
d
ruang baakar 630 kg/jam
m, maka energii panas dari haasil
pembak
karan bahan baakar sawdust 3188 kWh. Keceepatan udara dii dalam plenum
m 0.8 m/det, viiskositas dinam
mis
adalah 1.985 x 10-5, konduktivitas
k
udara
u
0.026244 W/m oC, den
nsitas udara 1.11774 kg/m3, seehingga bilanggan
Reynold
d (Rea) aliran udara
u
di dalam
m plenum 46745 dan bilangan
n Prandle (Pra) adalah 0.708, maka koefisiien
perpind
dahan konveksii untuk udara (hca) adalah 7.8 W/m2 oC. Bilangan Reynoold (Rew) untuk
k aliran air jenuuh
adalah 4167 dan bilaangan Prandlee (Prw) adalah 0.97, kondukttivitas air jenuhh adalah 0.665
5 W/m oC, maaka
koefisieensi perpindahaan konveksiny
ya (hcw) adalah 16 W/m2 oC. Jadi
J konduktannsi keseluruhannnya (UA) adallah
10.5 W/
W oC dan panass jenis air jennuh adalah 4.49907 kJ/kg oC, maka numberr of heat transffer unit (NTU))[4]
adalah 2.7 x 10-4. Perbandingan
P
p
panas
air jenuuh dan udara adalah 2.67 ddan efektivitasnya 2 %, maaka
temperaatur udara di dalam
d
plenum adalah 41 oC. Jadi energi paanas yang diseerap udara di dalam
d
plenum 48
4
kW.
Diestimasi eluutrasi pasir 1 % jumlah pasir di dalam fixbeed adalah 13.8 kg/jam, panass jenis pasir 0.71
m
panas yanng dibawa passir ke luar cerrobong 1.4 kW
Wh.
kJ/kg oC dan temperaatur pasir adallah 520 oC, maka
Jumlah abu yang terbentuk dari hasiil pembakaran sawdust 1.827
7 kg/jam, makaa energi panas yang terkandunng
di dalam
m abu 27185 kJ/jam
k
≅ 7.5 kW
k h. Kapasitass panas air padda 30 oC adalaah 4.179 kJ/kgg oC, dan entallpi
penguappan 2261 kJ/kgg, maka kebutuhan panas unntuk evaporasi air di dalam sawdust 49 kW
Wh. Kapasitas uap
u
(cps) addalah 0.64 kJ/kkg oC, maka kebutuhan
k
pannas untuk meruubah uap air m
menjadi gas 11.97 kW. Pannas
spesifikk sawdust 2.386 kJ/kg oC, temperatur bakkar sawdust[5] adalah
a
560 oC,, maka panas yang
y
dibutuhkkan
untuk pembakaran
p
saawdust 246 kW
Wh. Temperaturr gas buang yaang ke luar darri plenum ruanng bakar 200 oC,
panas jeenis gas buangg (cpfg) adalah 1.303 kJ/kg oC,
C maka jumlaah panas yang dibawa gas buuang 456.2 kW
Wh.
Jadi jum
mlah panas yanng dibutuhkan untuk melaksaanakan proses pembakaran
p
8220 kWh dan jum
mlah panas yanng
A.1-2
SE
EMINAR NA
ASIONAL TEKNIK
T
KIMIA SOEBA
ARDJO BR
ROTOHARD
DJONO IX
P
Program
Studdi Teknik Kiimia UPN “V
Veteran” Jaw
wa Timur
Surabayya, 21 Juni 2012
terkanddung di dalam gas buang 2368 kWh. Denngan demikian
n, temperatur ggas buang yang mengalir paada
permuk
kaan bidang pem
manas water tu
ube boiler 13822 oC. Kontrukssi hybrid boilerr dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambaar 1. Hybride boiler
b
Keteran
ngan gambar: 1 Hybrid boileer, 2 siklon, 3 induced drafft fan, 4 forcedd draft fan, 5 kontrol,
k
6 screew
feeder, 7 dan 8 feed puump, 9 chimneey, 10 silo, 11 m
motor, 12 wateer tank, 13 air bblower, 14 sikllon, 16 air lockk.
2.4. An
nalisis Kapasittas
Jum
mlah gas buangg yang terbenttuk 4872 kg/jam
m ≅ 1.354 kg/ddet. Komposisi gas buang diiperoleh 13.87 %
CO2, 10
0.95 % H2O, 0.0145
0
% SO2, 70.72 % N2 daan 4.45 % O2. Tekanan inputt dari Forced Draft
D
Fan adallah
600 kg//m2, tekan isap
p dari Induced Draft
D
Fan adallah 220 kg/m2, luas bed adalaah 2 m2, luas luubang gas outpput
adalah 2 m2 dan tingggi bed adalah 4 m, maka keceepatan aliran gaas di dalam bedd aliran gas pad
da lubang outpput
5.5 m/d
det. Perpindahaan panas yang
g terjadi dari gas pembakaran
n ke water waall berlansung secara konvekksi,
radiasi dan konduksi. Densitas gass buang (ρg) aadalah 0.301755 kg/m3, viskoositas dinamis gas buang (µ
µg)
2
N
, konduk
ktivitas panas ggas buang (kg) adalah 0.086336 W/m oC. Biilangan Pranddtle
adalah 4.332 x 10-6 N.s/m
h 0.705, diameeter hidrolisnyaa 1.596 m, pannjang 4 meter, bilangan Reyn
nold (ReD) adallah
gas buaang (Prg) adalah
0.766 x 106. PrD > 0.77 dan ReD> 6000, sehingga bbilangan Nusellt[4] adalah 1940, maka koefissien perpindahhan
konvek
ksinya dapat dipperoleh 105 W/m
W 2 oC. Luas bbidang pemanaas 25.45 m2, raatio panjang daan jari-jari ruanng
luas biddang pemanas 25.45 m2 dan volume ruangg bakar 8 m3. Ratio
R
panjang ddan jari – jari ruang bakar 2.8,
[5]
ratio ruuang bakar atass dan tinggi 1, maka
m
harga fakktor bentuk (F1-2
)
adalah
0.4. Konstanta Stefan-Boltzma
S
nn
1
(σ) adaalah 5.669 x 10
0-8 Watt/m2K4, selisih
s
temperaatur pada waterr wall dan pusat panas 50 oC,
C maka koefisiien
perpind
dahan radiasinyya (hr) adalah 16315
1
W/m2 oC.
C Konduktivittas pipa baja 19 W/m oC, diaameter pipa yanng
digunakkan adalah φ 1 ½” atau φ 488 schedule 40 dan
d diameter dalam
d
40.6 mm
m. Jumlah pipaa water wall 118
3
batang, maka kecepaatan laju air dii dalam pipa 0.00454
0
m/dett. Densintas aiir jenuh 850 kg/m
k
, viskosittas
-4
dinamiss air jenuh 1.322 x 10 kg/m.ddet, maka bilanngan Reynold (Re)
(R adalah 11889 < 2100, lajuu alir air di dalaam
pipa ad
dalah laminar. Dengan kondiisi Re < 2100 dan Pr < 0.7
7, sehingga billangan Nuselt (Nu) adalah 2.8,
maka kefisien
k
konveeksi (hc) adalaah 46.2 W/m oC. Jadi koeffisien perpindaahan panas keeseluruhan dappat
diperoleeh dari rumus sebagai
s
beriku
ut:
(1)
diperoleeh 32 W/m2 oC.
C Jadi panas yang
y
diterima aair adalah 10922.110 kWh dan entalpi uap (hhg) adalah 27988.5
kJ/kg, maka jumlahh massa air yang dievaporaasikan (mev) dari
d
water tubee boiler adalaah 1405 kg/jam
m.
Temperratur gas buangg masuk ke daalam fire tube bboiler adalah 723
7 oC dan pannas yang dikanndung gas buanng
adalah 1276 kWh dann panas yang diserap
d
air jenuuh di dalam firee tube boiler aadalah 819.8 kW
Wh, maka masssa
air yan
ng dapat dievaaporasikan (Q
Qev2) adalah 1055 kg/jam. Dengan
D
demikkian, jumlah uap yang dappat
diproduuksi 2460 kg/jaam. dan tekanaannya adalah 188 bar.
2.5.Preessure Drop
A.1-3
SE
EMINAR NA
ASIONAL TEKNIK
T
KIMIA SOEBA
ARDJO BR
ROTOHARD
DJONO IX
P
Program
Studdi Teknik Kiimia UPN “V
Veteran” Jaw
wa Timur
Surabayya, 21 Juni 2012
o
Temperatur gas di dalam freee bed adalah 1384
T
1
C, keceppatan gas buangg di dalam freee bed adalah 5.5
5
5
m/det, bilangan
b
Reynoold (Re) adalahh 4.8 x 10 > 6000 aliran turrbulen, factor koreksi kekasaaran (e)[6] adallah
0.045, relative
r
roughhness(e/D) adallah 0.000036 dan friction cooefficient adalaah 0.013, makka pressure drop
pada frree bed 0.0193
3 kg/m2. Fire tube untuk inp
nput menggunaakan pipa scheedule 40 dan diameter 2 innci
(60.3255 mm), diameter dalam 52.5 mm, panjang 3600 mm dann jumlahnya addalah 60 buah. Temperatur gas
g
buang pada
p
fire tube adalah 723 oC,
C luas total tubbe 0.13 m2, luaas plenum darii water tube booiler ke fire tuube
boiler 1.9782
1
m2, ratiio antara luas tube
t
dan luas pplenum 0.066, contraction
c
coefficient[7] adallah 0.62101, looss
3
coefficiient 0.376, kerrapatan massa 0.3615 kg/m , kecepatan alirran gas di dalaam fire tube 70
0.63 m/det, maaka
pressurre drop di dalam
m plenum 34.335 kg/m2. Viskkositas dinamiss gas buang di dalam pipa fire tube 3.922133 x
2
10-10 N.s/m
N
, Reynoldd (Re) di dalam
m fire tube 3.44 x 105, relativve roughness ((e/D) adalah 0..000025, friction
factor 0.0135, maka pressure dropp 86 kg/m2. Teemperatur gas buang melewaati fire tube firrst stage 350 oC,
a
0.584 kgg/m3, luas plennum 0.3 m2, raatio luas plenum
m dan fire tubee pada first staage
kerapattan massanya adalah
adalah 0.1625 dan co
ontraction coef
efficient dapat diperoleh 0.37
7, kecepatan ggas di dalam plenum
p
adalahh 7
m/det, maka
m
pressuree drop 54.8 kg//m2. Luas penaampang fire tubbe 0.085 m3, fiire tube secondd stage 66 m/ddet,
contaraaction coefficieent 0.62, loss coefficient
c
adalah 0.376, makka pressure droop 48.5 kg/m2. Pada ratio arrea
lubang plenum dengaan fire tube 0.141, contraction coefficient 0.621,
0
kecepataan aliran gas buuang 6.93 m/ddet,
loss coeefficient diperooleh 0.371, makka pressure drrop dapat diperroleh 64.2 kg/m
m2. Luas ductinng 0.075 m2, luuas
2
plenum
m 0.3 m , ratio antara ductingg dan plenum 0.25, contracttion coefficient 0.626, loss coefficient
c
0.3557,
kecepattan aliran gas di dalam ductting 27.72 m/ddet, maka presssure drop 10.33 kg/m2. Relative roughneess
pada du
ucting 0.016, panjang
p
ductin
ng total 6 m, vviskositas dinaamis 2.8719 x 10-6 N.s/m2, bilangan
b
Reynoold
aliran gas
g buang di dalam ducting 1.85
1
x 106, rellative roughnesss (e/D) adalahh 0.000025, friiction coefficieent
adalah 0.015, maka pressure
p
dropp adalah 11.433 kg/m2 dan pressure
p
pada ducting adalaah 22.86 kg/m
m2.
particlee shape factor (φs) adalah 0.77, surface meann particle diam
meter (Dp) adallah 600 µm, deensity of particcle
(ρs) adaalah 14.375 gr//m3, void fractiion of bed of paarticles (εs) ad
dalah 0.6 dan looad filter (w) adalah
a
0.01 gr/m
m2
, maka pressure
p
drop pada siklon[9] adalah 104.65 kg/m2. Jadi prressure drop pada water tubee boiler, fire tube
boiler, gas
g plenum, gaas ducting dan cyclone 425.7708 kg/m2 > ID
DFan pressure (220 kg/m2). Dengan
D
demikiian
2
total prressure drop paada hybride boiiler 900.51 kg//m > FDFan dan
d IDFan presssure (820 kg/m2).
3.UJI COBA
C
OPERA
ASI
P
Pada
saat uji coba operasi hybride boilerr dilakukan baahan bakar saw
wdust berasal dari
d kayu agattis,
kandun
ngan air sawdu
ust antara antarra 9 sampai 200 (%) dan nilai panas adalahh 16500 kJ/kg. Parameter yanng
diukur adalah temperaatur pasir, tem
mperatur ceroboong, tekanan uddara plenum, tekanan freeboaard, tekanan uap
u
dan lajuu uap. Penguku
uran parameterr ini dilakukan pada hybrid bo
oiler kondisi beroperasi sateddy state dan haasil
penguk
kuran dapat diliihat pada Tabell 1.
Tabel 1. Data
D
hasil pen
ngujian hybridde boiler
No
Uraian Peengujian
ukuran
Hasil Pengu
01
Temperatur
T
passir
520 ( oC)
C
02
Temperatur
T
cerrobong
170 ( oC)
C
03
Tekanan
T
udara plenum
2.5 kP
Pa
04
Tekanan
T
freebooard
- 4 kPa
05
Putaran
P
screw feeder
f
6.5 rpm
m
06
Tekanan
T
uap
17.5 baar
07
Laju
L uap
1200 kg/j
/jam
Keterngan
320 kg/jam
Selamaa operasi berlaangsung tempeeratur pasir yaang dicapai addalah 520 oC dan
d temperatuurnya sulit untuuk
dinaikkkan lagi. Penguumpanan bahann bakar mengggunakan screw
w feeder terkossentrasi pada suatu
s
daerah dan
d
tidak merata,
m
sehingg
ga temperaturr pasir tidak merata
m
pula. Bila
B laju masssa bahan bakaar sawdust yanng
diumpaankan ke ruang bakar dibessarkan, temperratur pasir droop dan proses pembakaran berhenti. Untuuk
menjaga kestabilan pembakaran
p
di dalam ruang bakar,
b
bahan bakar
b
sawdust yang diumpannkan adalah 3220
kg/jam dapat menghaasilkan uap adaalah 1200 kg/jaam dan tekanaan uapnya adallah 17.5 bar. Kondisi
K
ini hannya
berlanggsung selama 20
2 menit dan setelah
s
20 mennit tekanan uap
p turun menjaddi 14 bar dan setelah satu jaam
tekanann uap turun meenjadi 12 bar, sehingga kapaasitas uap yangg dapat dicapaii di bawah 10000 kg/jam < tuurn
down raatio adalah 100
00 kg/jam dan tekanan 18 barr, maka operassi hybrid boilerr diberhentikann.
3. ANA
ALISIS DAN DISKUSI
D
T
Tebal
pasir meedia ujung atas air nozzle addalah 200 mm
m, dan butir passir yang digunnakan 0.5 samppai
2
1(mm) dan pressure drop
d
yang terjadi adalah 47448 Pa ( 474.8 kg/m
k
) < FDF
Fan pressure addalah 600 kg.m
m2 ,
sehinggga tidak terjadi back pressuree dan proses buubling dapat beerlangsung dengan baik.
A.1-4
SE
EMINAR NA
ASIONAL TEKNIK
T
KIMIA SOEBA
ARDJO BR
ROTOHARD
DJONO IX
P
Program
Studdi Teknik Kiimia UPN “V
Veteran” Jaw
wa Timur
Surabayya, 21 Juni 2012
J
Jumlah
pressuure drop pada water tube booiler, fire tube boiler, gas pleenum, gas ducting dan cyclone
adalah 425.708 kg/m
m2 > IDFan prressure (220 kkg/m2). Dengan
n demikian tottal pressure drop
dr pada hybrrid
1 kg/m2 > FD
DFan dan ID
DFan pressure (820 kg/m2), sehingga tekkanan gas haasil
boiler adalah 900.51
karan di dalam
m ruang bakar positip,
p
maka ddi dalam ruang bakar akan terrjadi back presssure. Daya yanng
pembak
dibutuh
hkan untuk menngisap gas buaang adalah 7322.56 kgm/det, IDFan
I
efficienncy adalah 90 %,
% dan electriccal
motor efficiency
e
90 %,
% maka kebutuuhan daya motor adalah 12 HP > Electricaal motor poweer for IDFan (10
(
HP). Untuk
U
mencegahh tekanan di dalam
d
ruang baakar positip daan beban IDFaan tidak menggalami over loaad,
maka pengumpanan
p
b
bahan
bakar saawdust ke ruanng bakar tidak
k boleh maksim
mum, sebaiknyya pengumpannan
hanya dilakukan
d
makssimum 75 %.
B
Bila
hybride boiler
b
dioperaasikan pada beeban penuh (m
maximum loadd capacity) ak
kan terjadi baack
pressurre dan motor listrik pada IDF
Fan akan menngalami over load,
l
sehingga beban arus listrik pada lilittan
coil meelebihi daya tahhan lapisan em
mail yang berfuungsi sebagai isolator
i
pada kkawat coil, maaka lapisan email
kawat akan
a
mengalam
mi kerusakan. Dengan demiikian, kawat coil
c akan menggalami arus siingkat dan dappat
menimb
bulkan kerusakkan pada motorr listrik.
P
Panas
yang ditterima air jenuuh adalah 10922.110 kWh dan entalpi uap (hhg) adalah 27988.5 kJ/kg, maaka
jumlah uap yang dihaasilkan (ms) darri water tube boiler
b
adalah 14
405 kg/jam. Teemperatur gas buang masuk ke
f tube boilerr adalah 723 oC dan panas yaang dikandung gas buang adaalah 1276 kWh dan panas yanng
dalam fire
diserap air jenuh di dalam
d
fire tubee boiler adalahh 819.8 kWh, maka
m
jumlah uuap yang dapatt dihasilkan (Q
Qs)
adalah 1055 kg/jam. Dengan demiikian, jumlah uap yang dapat dihasilkan dari
d operasionnal hybrid boiller
2
kg/jam dan tekanannyaa adalah 18 bar < targer kapassitas adalah 25000 kg/jam dan tekanan 18 baar.
adalah 2460
B dilakukan setting pada flue
Bila
f
gas dampeer yang tepat, sehingga
s
tidak terjadi elutrassi di dalam ruanng
bakar, maka panas dari
d
pembakaraan sawdust addalah 3542.3 kW
k h. Panas gaas buang yangg mengalir paada
kaan pemanas adalah
a
2722.3 kW dan tempperatur gas buaang yang menggalir pada perm
mukaan pemannas
permuk
adalah 1584 oC, panas jenis gas buaang adalah 1.28830 kJ/kg.oC, sehingga
s
panass yang diserap air jenuh adallah
2 kWh dan uaap yang dapat dihasilkan darri water tube boiler adalah 1617 kg/jam. Temperatur gas
g
1256.62
buang setelah
s
ke luar dari bidang peemanas water tube boiler adaalah 929 oC daan panas yang dapat diserap air
a
adalah 1085.68 kWh, sehingga uap yang dihasilkkan dari fire tuube boiler adallah 1397 kg/jaam, maka jumllah
uap yanng dihasilkan dari
d hybrid boiiler adalah 30114 kg/jam > taarget kapasitas 2500 kg/jam dan tekanan uap
u
18 bar.
P
Pengujian
awaal dari hybrid boiler ini kappasitas uap yaang dapat dicapai adalah 1200 kg/jam dan
d
tekanann uapnya adalahh 17.5 bar, selaang waktu 20 menit
m
tekanan uap ini turun m
menjadi 14 bar dan selag wakktu
satu jam
m tekanan uaap turun lagi hingga 12 baar. Kondisi ini disebabkann bahan bakaar sawdust yanng
diumpaankan ke ruangg boiler berasaal dari kayu aggatis, jenis kayyu sifatnya ringgan dan bentukk sawdust haluus,
sehinggga sebagian bahhan bakar saw
wdust tidak terbbakar mengalam
mi elutrasi terbbawa gas buan
ng ke luar, maaka
energi panas
p
yang diihasilkan pembbakaran sawduust ini tidak cuukup untuk m
memproduksi uap
u sampai 2500
kg/jam pada tekanan uap18
u
bar.
bahan bakar saawdust mengggunakan screw feeder terjadi penyebaran baahan bakar tiddak
P
Pengumpanan
merata pada luas perrmukaan pasirr panas yang bberfungsi sebaagai media pem
mbakar bahann bakar sawduust.
Pengum
mpana bahan bakar
b
sawdust terkosentrasi pada
p
satu titik,, sehingga tem
mperatur pasir tidak
t
merata dan
d
bila penngumpanan baahan bakar diperbesar, maka temperatur paasir akan turunn, temperatur pasir
p
relatif lebbih
rendah dari temperatu
ur bakar bahan bakar sawdustt dan pembakarran akan berheenti.
S
Solusi
untuk pengumpanan
n bahan bakarr sawdust meenggunakan screw feeder guna menceggah
terkosenntrasi pada sattu titik perlu diipasang nozel udara
u
sekitar luubang output dari
d screw feed
der. Bahan bakkar
sawdust yang ke luar dari screw feeeder ditiup udaara dari nozel tersebut, sehinggga bahan bakaar sawdust dappat
tersebarr keseluruh luaas permukaan pasir
p
panas serrata merata. Deengan demikiaan, temperatur pasir akan stabbil
dan meerata serta mam
mpu melaksanaakan proses pem
mbakaran bahaan bakar sawdu
dust yang dium
mpankan ke ruanng
bakar.
4. KES
SIMPULAN
P
Pressure
drop pada water tuube boiler, firee tube boiler, gas
g plenum, gaas ducting dann cyclone adallah
425.708
8 kg/m2 > IDF
Fan pressure (220 kg/m2). D
Dengan demikkian total presssure drop pada hybride boiller
A.1-5
SE
EMINAR NA
ASIONAL TEKNIK
T
KIMIA SOEBA
ARDJO BR
ROTOHARD
DJONO IX
P
Program
Studdi Teknik Kiimia UPN “V
Veteran” Jaw
wa Timur
Surabayya, 21 Juni 2012
adalah 900.51 kg/m2 > FDFan dan IDFan pressurre (820 kg/m2).
) Daya yang ddibutuhkan untuuk mengisap gas
g
buang adalah 732.566 kgm/det, ID
DFan efficiencyy adalah 90 %,
% dan efisiennsi motor listrrik 90 %, maaka
kebutuhhan daya motoor adalah 12 HP
H > Electricaal motor poweer untuk IDFan (10 HP). Deengan demikiaan,
hybrid boiler ini tidakk boleh dioperasikan pada beeban maksimum
m.
bahan bakar saawdust mengggunakan screw feeder cenderrung tidak merrata pada seluruuh
P
Pengumpanan
luas perrmukaan pasirr panas sebagai media pembaakar bahan bakkar sawdust, nnamun terkosenntrasi pada suaatu
titik, seehingga temperratur pasir di dalam
d
ruang baakar tidak meraata dan sebagiaan temperatur permukaan pasir
lebih reendah dari temp
peratur bakar bahan
b
bakar saawdust. Dengann demikian, peerlu alat bantu untuk
u
meratakkan
pengum
mpanan bahan bakar sawdust, sehingga tem
mperatur pasirr stabil dan m
merata serta maampu melakukkan
pembak
karan seluruh bahan
b
bakar saw
wdust yang diuumpankan ke ruang
r
bakar.
AR PUSTAKA
A
DAFTA
1. Annonim, Biomasss Fired FBC--CHP Plant D
Design, Energyy from Biomass Residues Supplemented
S
b
by
Fosssil Fuels, Jakaarta, 1997, hal annexIII-2
2. Bruuner Calvin R, ( 1991 ), Hand
dbook of Incineration System
m, MicGraw – H
Hill, Inc
3. Liddinegg N, Dam
mferzeugung Daanpfkessel Feuurungngen,Weiin,Springer-Veerlag,1996,hal 128.
4. Hoolman.J.P.1981, “Heat Transffer” 5th Ed MccGraw – Hill Kogakusha,
K
Ltdd.
5. Kreeith Frank, Arkko Prijono M.S
Sc, 1991 “Prinnsip – Prinsip Perpindahan
P
P
Panas”Edisi Ketiga,
K
PT.Geloora
Akksara Pratama.
6. Naagaratnam.S, 19984, “Fluid Meechanics”, Fouurth Edition, Romesh
R
Chambber Khanna, Kaahana Publisheers
2-B
B, Nath Markett, Nai Sarak Deelhi – 110006.
7. Fox
x.Robert W, McDonald.
M
Alaant T, 1994, ““Introduction To Fluid Mechanics”, Fourrth Edition, Johhn
Wiilley & Sons,Innc. Canada.
8. Bu
uthod Paul, Megyesy.
M
Eug
gene F,1983,”P
Pressure Vesssel Handbookk”,Pressure Veessel Handbook
Pub
blishing Inc, P.O.Box 35365,, Tulsa,OK 74153.
9. Perrry.Robert H, Green
G
Don,19884, Perry’s Chhemical Engineeers’Handbookk, Sixth Edition
n, McGraw-Hiill,
Incc.
A.1-6
EMINAR NA
ASIONAL TEKNIK
T
KIMIA SOEBA
ARDJO BR
ROTOHARD
DJONO IX
P
Program
Studdi Teknik Kiimia UPN “V
Veteran” Jaw
wa Timur
Surabayya, 21 Juni 2012
EVALU
UASI TEK
KNIS OPE
ERASION
NAL HYBR
RID BOIL
LER
DI IN
NDUSTRII PENGOL
LAHAN KAYU
K
PT.TRIOWIIRA KALIIMANTAN
N
Mamat
P
Pusat
Penellitian Fisikaa – LIPI
JJln. Sangkurriang (kompllek LIPI) No
o. 21/154D,B
Bandung
Teelepon: (0222)250 3052, 2250- 7773 – Fax : (022) 250 3050
E – mail:[email protected]
A
ABSTRAK
Suaatu hybrid boiler mengkonssumsi bahan bakar
b
sawdust 700 kg/jam dapat
d
menghassilkan uap 2500
kg/jam dan tekanan 18 bar. Selama operasi berlanggsung terjadi elutrasi
e
baahann baakar 10 %, sehingga jumllah
b
bakar yang
y
dapat dib
bakar 630 kg/jaam dapat mennghasilkan pannas 3188 kWh, maka uap yanng
aktual bahan
dihasilk
kan 2460 kg/jaam dan tekanaan 18 bar. Denngan pengaturaan damper gass buang secaraa tepat, sehinggga
tidak teerjadi elutrasi bahan
b
bakar, maka
m
panas yanng dihasilkan 3542.3
3
kWh daan uap yang dih
hasilkan menjaadi
3014 kg/jam.
k
Proses pembakaran bahan bakar di dalam ruan
ng bakar hybrrid boiler berrlangsung secaara
bubblin
ng dan tebal paasir media darri ujung atas nnozle ke permu
ukaan pasir 2000 mm, dan uk
kuran butir pasir
yang diigunakan antarra 0.5 sampai 1mm.
1
Pressuree drop yang teerjadi dari aliraan udara menem
mbus pasir 47448
Pa ( 47
74.8 kg/m2) < FDFan pressure adalah 600 kg/m2, sehin
ngga tidak terjjadi back presssure dan prosses
bubling
g dapat berlang
gsung baik. Prressure drop pada water tu
ube boiler, firee tube boiler, gas
g plenum, ggas
ductingg dan cyclone adalah
a
425.7088 kg/m2 > IDFaan pressure (2220 kg/m2). Denngan demikian jumlah pressuure
drop pada hybrid bo
oiler adalah 900.51 kg/m2 > FDFan dan
n IDFan presssure (820 kg/m
m2). Daya yanng
hkan untuk menngisap gas buaang adalah 7322.56 kgm/det, IDFan
I
efficienncy adalah 90 %,
% dan electriccal
dibutuh
motor efficiency
ef
90 %,
% maka kebutuuhan daya motoor adalah 12 HP
H > daya motoor listrik untuk IDFan (10 HP
P).
Dengann demikian, hybbrid boiler ini tidak dapat diooperasikan pad
da kondisi bebaan maksimum.
unci : hybrid boiler, uap, saw
wdust, tekanan uap,
u temperatu
ur.
Kata ku
1.PEND
DAHULUAN
S
Suatu
industri pengolahan kayu
k
PT.Triow
wira Kalimanttan di Bekasi setiap hariny
ya menghasilkkan
limbah biomassa saw
wdust sebanyakk 16800 kg. Liimbah sawdust ini sangat rinngan, sehinggaa mudah terbanng
olusi lingkunggan. Dengan demikian,
d
sawddust menimbuulkan endapan di
dibawa angin dan menimbulkan po
dustri tersebut,, sehingga rumah banyak mengalami keerusakan. Untuuk
rumah yang terletak disekitar ind
menceggah terjadinya polusi limbah sawdust, makka di dalam ru
uang produksi ssawdust dihisaap menggunakkan
pneuma
atic system dann ditampung dii dalam dua sello yang masingg-masing mem
mpunyai kapasittas 50 m3. Untuuk
menang
ggulangi polussi dari limbah
h tersebut, maka
m
sawdust dimanfaatkan sebagai bahaan bakar boileer.
Pembakkaran bahan bakar di daalam ruang bakar
b
boiler menggunakan
m
teknologi fluuidisasi. Denggan
dimanfa
faatkannya lim
mbah sawdust sebagai sumbber energi, sehhingga sawdusst bukan meru
upakan masalaah,
namun menjadi kebu
utuhan untuk menghasilkan
m
eenergi guna beerlangsungnya proses produkksi. Transportaasi
sawdust dari silo kee cyclone menggunakan aiir conveyor syystem dan peemasukan saw
wdust ke hoppper
dikendaalikan mengguunakan rotary lock dan selannjutnya diumppankan ke ruanng bakar boileer menggunakkan
screw feeder.
fe
T
Teknologi
pem
mbakaran yangg tepat untuk bbahan bakar sawdust
s
adalahh bubling burnning system dan
d
sebagaii media pembaakarannya adaalah pasir kwaarsa panas yanng berfluidisassi. Dengan bubling system ini
i
bahan bakar
b
sawdustt diapungkan seiring
s
dengann gerakan fluiddisasi pasir, seehingga akan terjadi
t
campurran
homogeen antara udaara dan bahan
n bakar sawddust untuk meelaksanakan pembakaran
p
seempurna. Untuuk
membentuk bubling pada
p
pasir meddia di dalam ruuang bakar dippasang nozle udara sebanyaak 169 buah dan
d
masing-masing nozlee mempunyai lubang
l
orifice sebanyak 10 lubang berdiaameter 5 mm dan mempunyyai
sudut 45
4 o. Udara darri masing-massing nozle udaara disuplai daari suatu forceed draft fan yang
y
mempunyyai
kapasitaas adalah 3900 m3/jam ≅ 4579 kg/jam daan maximum static air presssure adalah 6000
6
Pa. Supaaya
selama operasi berlanngsung tekanaan ruang bakarr negatif, makka gas buang di dalam ruanng bakar dihisap
i
draft fan
f yang mem
mpunyai kapasittas adalah 70000 m3/jam dan maximum static
mengguunakan suatu induced
air presssure adalah 22
200 Pa.
A.1-1
SE
EMINAR NA
ASIONAL TEKNIK
T
KIMIA SOEBA
ARDJO BR
ROTOHARD
DJONO IX
P
Program
Studdi Teknik Kiimia UPN “V
Veteran” Jaw
wa Timur
Surabayya, 21 Juni 2012
Konstruksi hybrid
h
boiler terdiri
t
dari waater tube boileer dapat berfunngsi sebagai stteam evaporattor
dan firee tube boiler dapat berfunggsi sebagai steeam evaporator dan juga prreheater. Dindding ruang bakkar
dibuat water
w
wall, seh
hingga panas yang
y
mengalir melalui dindinng sebagai sum
mber panas untuuk merubah faasa
air mennjadi fasa uap. Hybrid boiler ini mempunyaai kapasitas 250
00 kg uap/jam dan tekanan uap
u 18 bar.
2.MET
TODE
2.1. Ru
uang Bakar
M
Media
pembak
kar bahan bakaar sawdust adaalah pasir kwaarsa panas, ukuuran butir pasir antara 0.5 mm
m
sampai 1 mm. Tebal pasir di dalam
m ruang bakar 300
3 mm dari daasar, tinggi nozzzle udara 100 mm, maka tebbal
pasir daari ujung nozlee ke permukaann atas pasir 2000 mm. Massa jenis sawdust 2250 kg/m3 dan laju bahan bakkar
sawdust 2.8 m3/jam. Massa jenis pasir
p
kwarsa 2200 kg/m3, gaaya gravitasi 99.81 m/det2, seehingga pressuure
a
4316.4 Pa dan distribbutor poressure drop (∆pd) adalah
a
0.1 ∆pb[1]
drop dii dalam bed fuurnace (∆pb) adalah
adalah 431.64 Pa, maaka total pressu
ure drop di dalam bed furnace (∆ptot) adalaah 4748 Pa < air
a pressure daari
forced draft
d
fan (6000
0 Pa). Laju alirr udara yang kee luar dari lubaang orifice 1.16628 kg/det untuuk pengumpannan
sawdust seberat 700 kg/jam.
k
Lebar bed furnace (L
Lbf) adalah 1.2 m, maka bed ffurnace area (Abf) adalah 1.444
m
lubangg orifice dipenggaruhi discharrge
m2 < deesign of bed fuurnace area ( 2 m2). Udara yang mengalir melalui
factor(ccd) adalah 0.6. Luas lubang orifice
o
(Aor) addalah 12.56 mm
m2 adalah ratioo antara luas luubang orifice dan
d
luas bedd furnace[1] adaalah 0.0303, seehingga laju uddara primer meengalir melaluii lubang orificee dapat diperolleh
720 kg//jam dan laju udara sekundeernya 3466 kgg/jam dan total laju udara 4186 kg/jam, maka
m
daya alirran
udara 4.7
4 HP x 2 adallah 9.4 HP < daya
d
forced draf
aft fan ( 20 HP)
P) dan kapasitass operasional (1.1628 kg/det)) <
forced draft
d
fan capaccity (1.26 kg/deet).
2.2. An
nalisis Gas Buaang
G buang darii hasil pembakkaran bahan baakar sawdust trrdiri dari CO2, HO2 dan SO2 merupakan haasil
Gas
reaksi dari
d pembakaraan unsur bahann bakar dengann O2 dari udaraa, namun N2 yang terkandung di dalam udaara
tidak tuurut bereaksi. Jadi
J pembakarran 1 kg C dapaat menghasilkaan 3.67 kg gas CO2. Pembakaaran setiap1kg H
dapat menghasilkan
m
9 kg H2O dan
n setiap 1kg S dapat menghaasilkan 2 kg ggas SO2, makaa ratio udara dan
d
bahan bakar
b
teoritis dapat diperoleeh 5.6 kg gas//kg bb. Untuk melaksanakann pembakaran sempurna perrlu
kelebih
han udara 1.25 dari kebutuhann udara teoritiss[2] dan factor kelembaban uudara[3] 1.035, maka
m
ratio udaara
dan bahhan bakar aktuual diperoleh 6.96
6
kg/kg bb. Jadi gas buan
ng aktual dari hasil
h
pembakaaran bahan bakkar
sawdust 630 kg/jam diperoleh
d
43844.8 kg/jam ≅ 1..218 kg/det < kapasitas
k
inducced draft fan (77500 nm3 /jam
m≅
8830.5 kg/jam ≅ 2.453
3 kg/det).
2.3. An
nalisis Termal
P
Panas
spesifik dari limbah biomassa
b
sawddust 4352 cal/ggr ≅ 18217.5 kJ/kg.
k
Pada saat pengumpannan
bahan bakar
b
terjadi elutrasi
e
10 % dari
d jumlah baahan bakar yanng diumpankann ke ruang bak
kar (70 kg/jam
m),
maka juumlah bahan bakar yang dapaat dibakar di dalam
d
ruang baakar 630 kg/jam
m, maka energii panas dari haasil
pembak
karan bahan baakar sawdust 3188 kWh. Keceepatan udara dii dalam plenum
m 0.8 m/det, viiskositas dinam
mis
adalah 1.985 x 10-5, konduktivitas
k
udara
u
0.026244 W/m oC, den
nsitas udara 1.11774 kg/m3, seehingga bilanggan
Reynold
d (Rea) aliran udara
u
di dalam
m plenum 46745 dan bilangan
n Prandle (Pra) adalah 0.708, maka koefisiien
perpind
dahan konveksii untuk udara (hca) adalah 7.8 W/m2 oC. Bilangan Reynoold (Rew) untuk
k aliran air jenuuh
adalah 4167 dan bilaangan Prandlee (Prw) adalah 0.97, kondukttivitas air jenuhh adalah 0.665
5 W/m oC, maaka
koefisieensi perpindahaan konveksiny
ya (hcw) adalah 16 W/m2 oC. Jadi
J konduktannsi keseluruhannnya (UA) adallah
10.5 W/
W oC dan panass jenis air jennuh adalah 4.49907 kJ/kg oC, maka numberr of heat transffer unit (NTU))[4]
adalah 2.7 x 10-4. Perbandingan
P
p
panas
air jenuuh dan udara adalah 2.67 ddan efektivitasnya 2 %, maaka
temperaatur udara di dalam
d
plenum adalah 41 oC. Jadi energi paanas yang diseerap udara di dalam
d
plenum 48
4
kW.
Diestimasi eluutrasi pasir 1 % jumlah pasir di dalam fixbeed adalah 13.8 kg/jam, panass jenis pasir 0.71
m
panas yanng dibawa passir ke luar cerrobong 1.4 kW
Wh.
kJ/kg oC dan temperaatur pasir adallah 520 oC, maka
Jumlah abu yang terbentuk dari hasiil pembakaran sawdust 1.827
7 kg/jam, makaa energi panas yang terkandunng
di dalam
m abu 27185 kJ/jam
k
≅ 7.5 kW
k h. Kapasitass panas air padda 30 oC adalaah 4.179 kJ/kgg oC, dan entallpi
penguappan 2261 kJ/kgg, maka kebutuhan panas unntuk evaporasi air di dalam sawdust 49 kW
Wh. Kapasitas uap
u
(cps) addalah 0.64 kJ/kkg oC, maka kebutuhan
k
pannas untuk meruubah uap air m
menjadi gas 11.97 kW. Pannas
spesifikk sawdust 2.386 kJ/kg oC, temperatur bakkar sawdust[5] adalah
a
560 oC,, maka panas yang
y
dibutuhkkan
untuk pembakaran
p
saawdust 246 kW
Wh. Temperaturr gas buang yaang ke luar darri plenum ruanng bakar 200 oC,
panas jeenis gas buangg (cpfg) adalah 1.303 kJ/kg oC,
C maka jumlaah panas yang dibawa gas buuang 456.2 kW
Wh.
Jadi jum
mlah panas yanng dibutuhkan untuk melaksaanakan proses pembakaran
p
8220 kWh dan jum
mlah panas yanng
A.1-2
SE
EMINAR NA
ASIONAL TEKNIK
T
KIMIA SOEBA
ARDJO BR
ROTOHARD
DJONO IX
P
Program
Studdi Teknik Kiimia UPN “V
Veteran” Jaw
wa Timur
Surabayya, 21 Juni 2012
terkanddung di dalam gas buang 2368 kWh. Denngan demikian
n, temperatur ggas buang yang mengalir paada
permuk
kaan bidang pem
manas water tu
ube boiler 13822 oC. Kontrukssi hybrid boilerr dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambaar 1. Hybride boiler
b
Keteran
ngan gambar: 1 Hybrid boileer, 2 siklon, 3 induced drafft fan, 4 forcedd draft fan, 5 kontrol,
k
6 screew
feeder, 7 dan 8 feed puump, 9 chimneey, 10 silo, 11 m
motor, 12 wateer tank, 13 air bblower, 14 sikllon, 16 air lockk.
2.4. An
nalisis Kapasittas
Jum
mlah gas buangg yang terbenttuk 4872 kg/jam
m ≅ 1.354 kg/ddet. Komposisi gas buang diiperoleh 13.87 %
CO2, 10
0.95 % H2O, 0.0145
0
% SO2, 70.72 % N2 daan 4.45 % O2. Tekanan inputt dari Forced Draft
D
Fan adallah
600 kg//m2, tekan isap
p dari Induced Draft
D
Fan adallah 220 kg/m2, luas bed adalaah 2 m2, luas luubang gas outpput
adalah 2 m2 dan tingggi bed adalah 4 m, maka keceepatan aliran gaas di dalam bedd aliran gas pad
da lubang outpput
5.5 m/d
det. Perpindahaan panas yang
g terjadi dari gas pembakaran
n ke water waall berlansung secara konvekksi,
radiasi dan konduksi. Densitas gass buang (ρg) aadalah 0.301755 kg/m3, viskoositas dinamis gas buang (µ
µg)
2
N
, konduk
ktivitas panas ggas buang (kg) adalah 0.086336 W/m oC. Biilangan Pranddtle
adalah 4.332 x 10-6 N.s/m
h 0.705, diameeter hidrolisnyaa 1.596 m, pannjang 4 meter, bilangan Reyn
nold (ReD) adallah
gas buaang (Prg) adalah
0.766 x 106. PrD > 0.77 dan ReD> 6000, sehingga bbilangan Nusellt[4] adalah 1940, maka koefissien perpindahhan
konvek
ksinya dapat dipperoleh 105 W/m
W 2 oC. Luas bbidang pemanaas 25.45 m2, raatio panjang daan jari-jari ruanng
luas biddang pemanas 25.45 m2 dan volume ruangg bakar 8 m3. Ratio
R
panjang ddan jari – jari ruang bakar 2.8,
[5]
ratio ruuang bakar atass dan tinggi 1, maka
m
harga fakktor bentuk (F1-2
)
adalah
0.4. Konstanta Stefan-Boltzma
S
nn
1
(σ) adaalah 5.669 x 10
0-8 Watt/m2K4, selisih
s
temperaatur pada waterr wall dan pusat panas 50 oC,
C maka koefisiien
perpind
dahan radiasinyya (hr) adalah 16315
1
W/m2 oC.
C Konduktivittas pipa baja 19 W/m oC, diaameter pipa yanng
digunakkan adalah φ 1 ½” atau φ 488 schedule 40 dan
d diameter dalam
d
40.6 mm
m. Jumlah pipaa water wall 118
3
batang, maka kecepaatan laju air dii dalam pipa 0.00454
0
m/dett. Densintas aiir jenuh 850 kg/m
k
, viskosittas
-4
dinamiss air jenuh 1.322 x 10 kg/m.ddet, maka bilanngan Reynold (Re)
(R adalah 11889 < 2100, lajuu alir air di dalaam
pipa ad
dalah laminar. Dengan kondiisi Re < 2100 dan Pr < 0.7
7, sehingga billangan Nuselt (Nu) adalah 2.8,
maka kefisien
k
konveeksi (hc) adalaah 46.2 W/m oC. Jadi koeffisien perpindaahan panas keeseluruhan dappat
diperoleeh dari rumus sebagai
s
beriku
ut:
(1)
diperoleeh 32 W/m2 oC.
C Jadi panas yang
y
diterima aair adalah 10922.110 kWh dan entalpi uap (hhg) adalah 27988.5
kJ/kg, maka jumlahh massa air yang dievaporaasikan (mev) dari
d
water tubee boiler adalaah 1405 kg/jam
m.
Temperratur gas buangg masuk ke daalam fire tube bboiler adalah 723
7 oC dan pannas yang dikanndung gas buanng
adalah 1276 kWh dann panas yang diserap
d
air jenuuh di dalam firee tube boiler aadalah 819.8 kW
Wh, maka masssa
air yan
ng dapat dievaaporasikan (Q
Qev2) adalah 1055 kg/jam. Dengan
D
demikkian, jumlah uap yang dappat
diproduuksi 2460 kg/jaam. dan tekanaannya adalah 188 bar.
2.5.Preessure Drop
A.1-3
SE
EMINAR NA
ASIONAL TEKNIK
T
KIMIA SOEBA
ARDJO BR
ROTOHARD
DJONO IX
P
Program
Studdi Teknik Kiimia UPN “V
Veteran” Jaw
wa Timur
Surabayya, 21 Juni 2012
o
Temperatur gas di dalam freee bed adalah 1384
T
1
C, keceppatan gas buangg di dalam freee bed adalah 5.5
5
5
m/det, bilangan
b
Reynoold (Re) adalahh 4.8 x 10 > 6000 aliran turrbulen, factor koreksi kekasaaran (e)[6] adallah
0.045, relative
r
roughhness(e/D) adallah 0.000036 dan friction cooefficient adalaah 0.013, makka pressure drop
pada frree bed 0.0193
3 kg/m2. Fire tube untuk inp
nput menggunaakan pipa scheedule 40 dan diameter 2 innci
(60.3255 mm), diameter dalam 52.5 mm, panjang 3600 mm dann jumlahnya addalah 60 buah. Temperatur gas
g
buang pada
p
fire tube adalah 723 oC,
C luas total tubbe 0.13 m2, luaas plenum darii water tube booiler ke fire tuube
boiler 1.9782
1
m2, ratiio antara luas tube
t
dan luas pplenum 0.066, contraction
c
coefficient[7] adallah 0.62101, looss
3
coefficiient 0.376, kerrapatan massa 0.3615 kg/m , kecepatan alirran gas di dalaam fire tube 70
0.63 m/det, maaka
pressurre drop di dalam
m plenum 34.335 kg/m2. Viskkositas dinamiss gas buang di dalam pipa fire tube 3.922133 x
2
10-10 N.s/m
N
, Reynoldd (Re) di dalam
m fire tube 3.44 x 105, relativve roughness ((e/D) adalah 0..000025, friction
factor 0.0135, maka pressure dropp 86 kg/m2. Teemperatur gas buang melewaati fire tube firrst stage 350 oC,
a
0.584 kgg/m3, luas plennum 0.3 m2, raatio luas plenum
m dan fire tubee pada first staage
kerapattan massanya adalah
adalah 0.1625 dan co
ontraction coef
efficient dapat diperoleh 0.37
7, kecepatan ggas di dalam plenum
p
adalahh 7
m/det, maka
m
pressuree drop 54.8 kg//m2. Luas penaampang fire tubbe 0.085 m3, fiire tube secondd stage 66 m/ddet,
contaraaction coefficieent 0.62, loss coefficient
c
adalah 0.376, makka pressure droop 48.5 kg/m2. Pada ratio arrea
lubang plenum dengaan fire tube 0.141, contraction coefficient 0.621,
0
kecepataan aliran gas buuang 6.93 m/ddet,
loss coeefficient diperooleh 0.371, makka pressure drrop dapat diperroleh 64.2 kg/m
m2. Luas ductinng 0.075 m2, luuas
2
plenum
m 0.3 m , ratio antara ductingg dan plenum 0.25, contracttion coefficient 0.626, loss coefficient
c
0.3557,
kecepattan aliran gas di dalam ductting 27.72 m/ddet, maka presssure drop 10.33 kg/m2. Relative roughneess
pada du
ucting 0.016, panjang
p
ductin
ng total 6 m, vviskositas dinaamis 2.8719 x 10-6 N.s/m2, bilangan
b
Reynoold
aliran gas
g buang di dalam ducting 1.85
1
x 106, rellative roughnesss (e/D) adalahh 0.000025, friiction coefficieent
adalah 0.015, maka pressure
p
dropp adalah 11.433 kg/m2 dan pressure
p
pada ducting adalaah 22.86 kg/m
m2.
particlee shape factor (φs) adalah 0.77, surface meann particle diam
meter (Dp) adallah 600 µm, deensity of particcle
(ρs) adaalah 14.375 gr//m3, void fractiion of bed of paarticles (εs) ad
dalah 0.6 dan looad filter (w) adalah
a
0.01 gr/m
m2
, maka pressure
p
drop pada siklon[9] adalah 104.65 kg/m2. Jadi prressure drop pada water tubee boiler, fire tube
boiler, gas
g plenum, gaas ducting dan cyclone 425.7708 kg/m2 > ID
DFan pressure (220 kg/m2). Dengan
D
demikiian
2
total prressure drop paada hybride boiiler 900.51 kg//m > FDFan dan
d IDFan presssure (820 kg/m2).
3.UJI COBA
C
OPERA
ASI
P
Pada
saat uji coba operasi hybride boilerr dilakukan baahan bakar saw
wdust berasal dari
d kayu agattis,
kandun
ngan air sawdu
ust antara antarra 9 sampai 200 (%) dan nilai panas adalahh 16500 kJ/kg. Parameter yanng
diukur adalah temperaatur pasir, tem
mperatur ceroboong, tekanan uddara plenum, tekanan freeboaard, tekanan uap
u
dan lajuu uap. Penguku
uran parameterr ini dilakukan pada hybrid bo
oiler kondisi beroperasi sateddy state dan haasil
penguk
kuran dapat diliihat pada Tabell 1.
Tabel 1. Data
D
hasil pen
ngujian hybridde boiler
No
Uraian Peengujian
ukuran
Hasil Pengu
01
Temperatur
T
passir
520 ( oC)
C
02
Temperatur
T
cerrobong
170 ( oC)
C
03
Tekanan
T
udara plenum
2.5 kP
Pa
04
Tekanan
T
freebooard
- 4 kPa
05
Putaran
P
screw feeder
f
6.5 rpm
m
06
Tekanan
T
uap
17.5 baar
07
Laju
L uap
1200 kg/j
/jam
Keterngan
320 kg/jam
Selamaa operasi berlaangsung tempeeratur pasir yaang dicapai addalah 520 oC dan
d temperatuurnya sulit untuuk
dinaikkkan lagi. Penguumpanan bahann bakar mengggunakan screw
w feeder terkossentrasi pada suatu
s
daerah dan
d
tidak merata,
m
sehingg
ga temperaturr pasir tidak merata
m
pula. Bila
B laju masssa bahan bakaar sawdust yanng
diumpaankan ke ruang bakar dibessarkan, temperratur pasir droop dan proses pembakaran berhenti. Untuuk
menjaga kestabilan pembakaran
p
di dalam ruang bakar,
b
bahan bakar
b
sawdust yang diumpannkan adalah 3220
kg/jam dapat menghaasilkan uap adaalah 1200 kg/jaam dan tekanaan uapnya adallah 17.5 bar. Kondisi
K
ini hannya
berlanggsung selama 20
2 menit dan setelah
s
20 mennit tekanan uap
p turun menjaddi 14 bar dan setelah satu jaam
tekanann uap turun meenjadi 12 bar, sehingga kapaasitas uap yangg dapat dicapaii di bawah 10000 kg/jam < tuurn
down raatio adalah 100
00 kg/jam dan tekanan 18 barr, maka operassi hybrid boilerr diberhentikann.
3. ANA
ALISIS DAN DISKUSI
D
T
Tebal
pasir meedia ujung atas air nozzle addalah 200 mm
m, dan butir passir yang digunnakan 0.5 samppai
2
1(mm) dan pressure drop
d
yang terjadi adalah 47448 Pa ( 474.8 kg/m
k
) < FDF
Fan pressure addalah 600 kg.m
m2 ,
sehinggga tidak terjadi back pressuree dan proses buubling dapat beerlangsung dengan baik.
A.1-4
SE
EMINAR NA
ASIONAL TEKNIK
T
KIMIA SOEBA
ARDJO BR
ROTOHARD
DJONO IX
P
Program
Studdi Teknik Kiimia UPN “V
Veteran” Jaw
wa Timur
Surabayya, 21 Juni 2012
J
Jumlah
pressuure drop pada water tube booiler, fire tube boiler, gas pleenum, gas ducting dan cyclone
adalah 425.708 kg/m
m2 > IDFan prressure (220 kkg/m2). Dengan
n demikian tottal pressure drop
dr pada hybrrid
1 kg/m2 > FD
DFan dan ID
DFan pressure (820 kg/m2), sehingga tekkanan gas haasil
boiler adalah 900.51
karan di dalam
m ruang bakar positip,
p
maka ddi dalam ruang bakar akan terrjadi back presssure. Daya yanng
pembak
dibutuh
hkan untuk menngisap gas buaang adalah 7322.56 kgm/det, IDFan
I
efficienncy adalah 90 %,
% dan electriccal
motor efficiency
e
90 %,
% maka kebutuuhan daya motor adalah 12 HP > Electricaal motor poweer for IDFan (10
(
HP). Untuk
U
mencegahh tekanan di dalam
d
ruang baakar positip daan beban IDFaan tidak menggalami over loaad,
maka pengumpanan
p
b
bahan
bakar saawdust ke ruanng bakar tidak
k boleh maksim
mum, sebaiknyya pengumpannan
hanya dilakukan
d
makssimum 75 %.
B
Bila
hybride boiler
b
dioperaasikan pada beeban penuh (m
maximum loadd capacity) ak
kan terjadi baack
pressurre dan motor listrik pada IDF
Fan akan menngalami over load,
l
sehingga beban arus listrik pada lilittan
coil meelebihi daya tahhan lapisan em
mail yang berfuungsi sebagai isolator
i
pada kkawat coil, maaka lapisan email
kawat akan
a
mengalam
mi kerusakan. Dengan demiikian, kawat coil
c akan menggalami arus siingkat dan dappat
menimb
bulkan kerusakkan pada motorr listrik.
P
Panas
yang ditterima air jenuuh adalah 10922.110 kWh dan entalpi uap (hhg) adalah 27988.5 kJ/kg, maaka
jumlah uap yang dihaasilkan (ms) darri water tube boiler
b
adalah 14
405 kg/jam. Teemperatur gas buang masuk ke
f tube boilerr adalah 723 oC dan panas yaang dikandung gas buang adaalah 1276 kWh dan panas yanng
dalam fire
diserap air jenuh di dalam
d
fire tubee boiler adalahh 819.8 kWh, maka
m
jumlah uuap yang dapatt dihasilkan (Q
Qs)
adalah 1055 kg/jam. Dengan demiikian, jumlah uap yang dapat dihasilkan dari
d operasionnal hybrid boiller
2
kg/jam dan tekanannyaa adalah 18 bar < targer kapassitas adalah 25000 kg/jam dan tekanan 18 baar.
adalah 2460
B dilakukan setting pada flue
Bila
f
gas dampeer yang tepat, sehingga
s
tidak terjadi elutrassi di dalam ruanng
bakar, maka panas dari
d
pembakaraan sawdust addalah 3542.3 kW
k h. Panas gaas buang yangg mengalir paada
kaan pemanas adalah
a
2722.3 kW dan tempperatur gas buaang yang menggalir pada perm
mukaan pemannas
permuk
adalah 1584 oC, panas jenis gas buaang adalah 1.28830 kJ/kg.oC, sehingga
s
panass yang diserap air jenuh adallah
2 kWh dan uaap yang dapat dihasilkan darri water tube boiler adalah 1617 kg/jam. Temperatur gas
g
1256.62
buang setelah
s
ke luar dari bidang peemanas water tube boiler adaalah 929 oC daan panas yang dapat diserap air
a
adalah 1085.68 kWh, sehingga uap yang dihasilkkan dari fire tuube boiler adallah 1397 kg/jaam, maka jumllah
uap yanng dihasilkan dari
d hybrid boiiler adalah 30114 kg/jam > taarget kapasitas 2500 kg/jam dan tekanan uap
u
18 bar.
P
Pengujian
awaal dari hybrid boiler ini kappasitas uap yaang dapat dicapai adalah 1200 kg/jam dan
d
tekanann uapnya adalahh 17.5 bar, selaang waktu 20 menit
m
tekanan uap ini turun m
menjadi 14 bar dan selag wakktu
satu jam
m tekanan uaap turun lagi hingga 12 baar. Kondisi ini disebabkann bahan bakaar sawdust yanng
diumpaankan ke ruangg boiler berasaal dari kayu aggatis, jenis kayyu sifatnya ringgan dan bentukk sawdust haluus,
sehinggga sebagian bahhan bakar saw
wdust tidak terbbakar mengalam
mi elutrasi terbbawa gas buan
ng ke luar, maaka
energi panas
p
yang diihasilkan pembbakaran sawduust ini tidak cuukup untuk m
memproduksi uap
u sampai 2500
kg/jam pada tekanan uap18
u
bar.
bahan bakar saawdust mengggunakan screw feeder terjadi penyebaran baahan bakar tiddak
P
Pengumpanan
merata pada luas perrmukaan pasirr panas yang bberfungsi sebaagai media pem
mbakar bahann bakar sawduust.
Pengum
mpana bahan bakar
b
sawdust terkosentrasi pada
p
satu titik,, sehingga tem
mperatur pasir tidak
t
merata dan
d
bila penngumpanan baahan bakar diperbesar, maka temperatur paasir akan turunn, temperatur pasir
p
relatif lebbih
rendah dari temperatu
ur bakar bahan bakar sawdustt dan pembakarran akan berheenti.
S
Solusi
untuk pengumpanan
n bahan bakarr sawdust meenggunakan screw feeder guna menceggah
terkosenntrasi pada sattu titik perlu diipasang nozel udara
u
sekitar luubang output dari
d screw feed
der. Bahan bakkar
sawdust yang ke luar dari screw feeeder ditiup udaara dari nozel tersebut, sehinggga bahan bakaar sawdust dappat
tersebarr keseluruh luaas permukaan pasir
p
panas serrata merata. Deengan demikiaan, temperatur pasir akan stabbil
dan meerata serta mam
mpu melaksanaakan proses pem
mbakaran bahaan bakar sawdu
dust yang dium
mpankan ke ruanng
bakar.
4. KES
SIMPULAN
P
Pressure
drop pada water tuube boiler, firee tube boiler, gas
g plenum, gaas ducting dann cyclone adallah
425.708
8 kg/m2 > IDF
Fan pressure (220 kg/m2). D
Dengan demikkian total presssure drop pada hybride boiller
A.1-5
SE
EMINAR NA
ASIONAL TEKNIK
T
KIMIA SOEBA
ARDJO BR
ROTOHARD
DJONO IX
P
Program
Studdi Teknik Kiimia UPN “V
Veteran” Jaw
wa Timur
Surabayya, 21 Juni 2012
adalah 900.51 kg/m2 > FDFan dan IDFan pressurre (820 kg/m2).
) Daya yang ddibutuhkan untuuk mengisap gas
g
buang adalah 732.566 kgm/det, ID
DFan efficiencyy adalah 90 %,
% dan efisiennsi motor listrrik 90 %, maaka
kebutuhhan daya motoor adalah 12 HP
H > Electricaal motor poweer untuk IDFan (10 HP). Deengan demikiaan,
hybrid boiler ini tidakk boleh dioperasikan pada beeban maksimum
m.
bahan bakar saawdust mengggunakan screw feeder cenderrung tidak merrata pada seluruuh
P
Pengumpanan
luas perrmukaan pasirr panas sebagai media pembaakar bahan bakkar sawdust, nnamun terkosenntrasi pada suaatu
titik, seehingga temperratur pasir di dalam
d
ruang baakar tidak meraata dan sebagiaan temperatur permukaan pasir
lebih reendah dari temp
peratur bakar bahan
b
bakar saawdust. Dengann demikian, peerlu alat bantu untuk
u
meratakkan
pengum
mpanan bahan bakar sawdust, sehingga tem
mperatur pasirr stabil dan m
merata serta maampu melakukkan
pembak
karan seluruh bahan
b
bakar saw
wdust yang diuumpankan ke ruang
r
bakar.
AR PUSTAKA
A
DAFTA
1. Annonim, Biomasss Fired FBC--CHP Plant D
Design, Energyy from Biomass Residues Supplemented
S
b
by
Fosssil Fuels, Jakaarta, 1997, hal annexIII-2
2. Bruuner Calvin R, ( 1991 ), Hand
dbook of Incineration System
m, MicGraw – H
Hill, Inc
3. Liddinegg N, Dam
mferzeugung Daanpfkessel Feuurungngen,Weiin,Springer-Veerlag,1996,hal 128.
4. Hoolman.J.P.1981, “Heat Transffer” 5th Ed MccGraw – Hill Kogakusha,
K
Ltdd.
5. Kreeith Frank, Arkko Prijono M.S
Sc, 1991 “Prinnsip – Prinsip Perpindahan
P
P
Panas”Edisi Ketiga,
K
PT.Geloora
Akksara Pratama.
6. Naagaratnam.S, 19984, “Fluid Meechanics”, Fouurth Edition, Romesh
R
Chambber Khanna, Kaahana Publisheers
2-B
B, Nath Markett, Nai Sarak Deelhi – 110006.
7. Fox
x.Robert W, McDonald.
M
Alaant T, 1994, ““Introduction To Fluid Mechanics”, Fourrth Edition, Johhn
Wiilley & Sons,Innc. Canada.
8. Bu
uthod Paul, Megyesy.
M
Eug
gene F,1983,”P
Pressure Vesssel Handbookk”,Pressure Veessel Handbook
Pub
blishing Inc, P.O.Box 35365,, Tulsa,OK 74153.
9. Perrry.Robert H, Green
G
Don,19884, Perry’s Chhemical Engineeers’Handbookk, Sixth Edition
n, McGraw-Hiill,
Incc.
A.1-6