Analisa Efisiensi Water Tube Boiler Berbahan Bakar Fiber, Cangkang Sawit dan Kulit Kayu Menggunakan Metode Langsung

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Pengertian Boiler

Menurut Djokosetyardjo (2003), boiler atau ketel uap adalah bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan ke air sampai terbentuk air panas atau steam. Air panas atau steam pada tekanan tertentu kemudian digunakan untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Air adalah media yang berguna dan murah untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Jika air dididihkan sampai menjadi steam, volumnya akan meningkat sekitar 1.600 kali, menghasilkan tenaga yang menyerupai bubuk mesiu yang mudah meledak, sehingga boiler merupakan peralatan yang harus dikelola dan dijaga dengan sangat baik. Secara proses konversi energi, boiler memiliki fungsi untuk mengkonversi energi kimia yang tersimpan di dalam bahan bakar menjadi energi panas yang tertransfer ke fluida kerja.

Boiler yang digunakan di PT. Toba Pulp Lestari, Tbk ada 2 yaitu Multi Fuel Boiler dan Recovery Boiler. Multi Fuel Boiler ini menggunakan bahan bakar fiber, cangkang sawit dan kulit kayu sedangkan Recovery Boiler menggunakan bahan bakar limbah hasil pengolahan pulp. Boiler yang akan saya teliti adalah Multi Fuel Boiler.

Sistem boiler terdiri dari: sistem air umpan, sistem steam dan sistem bahan bakar. Sistem air umpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai dengan kebutuhan steam. Berbagai kran disediakan untuk keperluan perawatan dan perbaikan. Sistem steam mengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalam boiler. Steam dialirkan melalui system pemipaan ke titik pengguna. Pada keseluruhan sistem, tekanan steam diatur menggunakan kran dan dipantau dengan alat pemantau tekanan. Sistem bahan bakar adalah semua peralatan yang digunakan untuk menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan. Peralatan yang diperlukan pada sistem bahan bakar tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan pada sistem.

Air yang disuplai ke boiler untuk dirubah menjadi steam disebut air umpan. Dua sumber air umpan adalah:

1. Kondensat atau steam yang mengembun yang kembali ke proses.

2. Air make up (air baku yang sudah diolah) yang harus diumpankan dari luar ruang boiler ke plant proses.

2.2. Prinsip Kerja Boiler

Boiler adalah bejana tertutup dimana panas pembakaran dipindahkan ke air sampai terbentuk uap. Uap pada tekanan tertentu kemudian digunakan untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Air adalah media yang berguna dan murah untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Jika air dididihkan sampai menjadi steam, volumenya akan meningkat sekitar 1.600 kali.

Sistem boiler terdiri dari : sistem air umpan, sistem uap dan sistem bahan bakar. Sistem air umpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai dengan kebutuhan steam. Berbagai valve disediakan untuk keperluan perawatan dan perbaikan. Sistem steam mengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalam boiler. Steam dialirkan melalui sistem pemipaan ke titik pengguna. Pada keseluruhan sistem, tekanan uap diatur menggunakan valve dan dipantau dengan alat pemantau tekanan. Sistem bahan bakar adalah semua peralatan yang digunakan untuk menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan. Peralatan yang diperlukan pada sistem bahan bakar tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan pada sistem.

Air yang disuplai ke boiler untuk dirubah menjadi uap disebut air umpan. Dua sumber air umpan adalah: kondensat atau steam yang mengembun yang kembali dari proses dan make uap water (air baku yang sudah diolah) yang harus diumpankan dari luar ruang boiler dan plant proses. Untuk mendapatkan efisiensi boiler yang lebih tinggi, digunakan economizer untuk memanaskan awal air umpan menggunakan limbah panas pada gas buang. Bahan baku yang digunakan untuk membuat steam adalah air bersih. Air

yang telah diproses di alirkan menggunakan pompa ke deaerator tank hingga pada level yang sudah ditentukan. Pemanasan dalam deaerator adalah dengan menggunakan uap sisa yang berasal dari hasil pemutaran turbin. Dalam hal ini terdapat beberapa tahap sirkulasi steam untuk pemanasan awal deaerator

2.3. Klasifikasi Boiler

Berbagai bentuk boiler telah berkembang mengikuti kemajuan teknologi dan evaluasi dari produk-produk boiler sebelumnya yang dipengaruhi oleh gas buang boiler yang mempengaruhi lingkungan dan produk uap seperti apa yang akan dihasilkan.

Berdasarkan fluida yang mengalir didalamnya : a) Ketel uap pipa api

Tipe ketel uap api memiliki karakteristik : menghasilkan kapasitas dan tekanan uap yang rendah.

Cara kerja : proses pengapian terjadi didalam pipa, kemudian panas yang dihasilkan dihantarkan langsung kedalam boiler yang berisi air. Besar dan konstruksi ketel uap mempengaruhi kapasitas dan tekanan yang dihasilkan ketel uap tersebut.

Gambar 2.1 Ketel uap pipa api

b) Ketel uap pipa air

Tipe ketel uap air memiliki karakteristik : menghasilkan kapasitas dan tekanan steam yang tinggi.

Cara kerja : proses pengapian terjadi diluar pipa, kemudian panas yang dihasilkan memanaskan pipa yang berisi air dan sebelumnya air tersebut dikondisikan terlebih dahulu melalui economizer, kemudian uap yang dihasilkan terlebih dahulu dikumpulkan di dalam sebuah drum uap. Sampai tekanan dan temperatur sesuai, melalui tahap secondary superheater dan primary superheater baru uap dilepaskan ke pipa utama distribusi. Didalam pipa air, air yang mengalir harus dikondisikan terhadap mineral atau kandungan lainnya yang larut.

Gambar 2.2 Ketel uap pipa air (Sumbe

2.4. Komponen Boiler

Komponen sistem boiler terdiri dari komponen utama dan

komponen bantu yang masing-masing memiliki fungsi untuk menyokong

Gambar 2.3 Bagian-bagian boiler (Sumber : Komponen utama ketel uap terdiri dari:

a. Pembakar

Pembakar (burner) adalah alat yang digunakan untuk mencampur bahan bakar dan udara. Caranya adalah dengan menyemprotkan kedalam ruang dapur melalui mulut-mulut pembakar atau brander, sedangkan udara dimasukkan lewat sekeliling mulut pembakar tersebut. Ada beberapa macam sistem brender tergantung pada sistem pengabutannya, yaitu sistem pengabut uap/udara dan sistem pengabut tekan. Pada sistem pengabut uap/udara caranya adalah uap/udara dipancarkan melalui mulut pembakar (brender) dan akibat dari pancaran ini minyak akan terisap.

b. Pipa Evaporator

Pipa evaporator merupakan pipa – pipa yang berfungsi sebagai pipa penguapan yaitu merubah air menjadi uap, pipa evaporator terletak disepanjang dinding ketel mengelilingi alat pembakar (Furnace).

c. Ruang bakar

Ruang bakar (furnace) adalah dapur penerima panas bahan bakar untuk pembakaran, yang terdapat fire gate dibagian bawah sebagai alas bahan

bakar dan yang sekelilingnya adalah pipa-pipa air ketel yang menempel pada dinding ruang pembakaran yang menerima panas dari bahan bakar secara radiasi, konveksi, konduksi.

Gambar 2.4 Ruang Bakar Sumber : PT. Toba Pulp Lestari,Tbk

d. Drum

Drum merupakan tempat menampung air dari economizer sekaligus sebagai pemisah uap dan air. Pada konstruksi sebuah boiler terdapat 2 buah drum yakni drum uap dan drum lumpur. Drum uap berfungsi untuk menampung uap hasil dari sirkulasi. Drum lumpur merupakan drum yang posisinya di bawah drum uap dan berfungsi sebagai pengumpul air panas yang akan didistribusikan ke dalam wall tube.

Gambar 2.5 Steam Drum Sumber : PT. Toba Pulp Lestari,Tbk

e. Pemanas lanjut

Pemanas lanjut (superheater) adalah bagian-bagian ketel yang berfungsi sebagai pemanas uap, dari saturated steam menjadi super heated steam.

f. Pemanas udara

Pemanas udara (air heater) adalah alat pemanas udara penghembus bahan bakar. Flue gas yang masih memiliki panas yang tinggi dapat digunakan untuk memanaskan udara pembakaran didalam air heater.

Gambar 2.6 Air Heater Sumber : PT. Toba Pulp Lestari,Tbk g. Dust collector

Dust collector adalah alat pengumpul abu atau penangkap abu pada sepanjang aliran gas pembakaran bahan bakar sampai kepada gas buang.

Gambar 2.7 Dust Collector Sumber : PT. Toba Pulp Lestari,Tbk h. Soot blower

Soot blower adalah alat yang berfungsi sebagai pembersih jelaga atau abu yang menempel pada pipa-pipa.

Sedangkan untuk komponen bantu dalam sistem ketel uap antara lain: 1) Air pengisi ketel (boiler feed water)

Air pengisi ketel didapatkan dari 2 sumber yaitu: air condensate, didapatkan dari hasil pengembunan uap bekas yang telah digunakan sebagai pemanas pada evaporator, juice heater dan vacuum pan. Air condensate ini ditampung

dan kemudian dialirkan ke station boiler sebagai air umpan pengisi ketel dengan persyaratan Ph: 8,5, Iron (ppm) : 0,002, Oxygen (ppm) : 0,02.

Gambar 2.8 Feed Water Tank Sumber : PT. Toba Pulp Lestari,Tbk 2) Dearator

Merupakan pemanas air sebelum dipompa kedalam ketel sebagai air

pengisian. Media pemanas adalah exhaust steam pada tekanan ± 1 kg/cm2

dengan suhu ± 150°C, sehingga didapatkan air pengisian ketel yang bersuhu antara 100°C-105°C. Fungsi utamanya adalah menghilangkan oksigen (O2) dan untuk menghindari terjadinya karat pada dinding ketel.

Gambar 2.9 Dearator Tank Sumber : PT. Toba Pulp Lestari,Tbk 3) Boiler feed water pump

Berfungsi untuk melayani kebutuhan air pengisi ketel yang dijadikan uap, sampai dengan kapasitas ketel yang maksimum, sehingga ketel uap akan dapat bekerja dengan aman. Kapasitas pompa harus lebih tinggi dari kapasitas ketel, minimum 1,25 kali, tekanan pompa juga harus lebih tinggi dari tekanan kerja ketel, agar dapat mensupply air ke dalam ketel.

Gambar 2.10 Boiler Feed Pump Sumber : PT. Toba Pulp Lestari,Tbk 4) Secondary Fan

Merupakan alat bantu ketel yang berfungsi sebagai penyuplai udara untuk menyempurnakan proses pembakaran.

Gambar 2.11 Secondary Air Fan Sumber : PT. Toba Pulp Lestari,Tbk 5) Induced Draft Fan (I.D.F)

Induced Draft Fan berfungsi sebagai penghisap gas asap hasil pembakaran bahan bakar.

Gambar 2.12 Induced Draft Fan Sumber : PT. Toba Pulp Lestari,Tbk

6) Force Draft Fan (F.D.F)

Dalam ruang pembakaran pertama, udara pembakaran ditiupkan oleh blower penghebus udara (forced draft fan) melalui kisi-kisi bagian bawah dapur (fire grates/under roaster).

Gambar 2.13 Primary Air Fan Sumber : PT. Toba Pulp Lestari,Tbk

7) Cerobong asap (Chimney)

Berfungsi untuk membuang udara sisa pembakaran. Diameter cerobong berkisar berukuran 10 m dan tinggi cerobong 80 m, ini berbeda setiap industri.

Gambar 2.14 Cerobong Asap Sumber : PT. Toba Pulp Lestari,Tbk 8) Ash Conveyor

Merupakan alat pembawa atau pengangkut abu dari sisa-sisa pembakaran bahan bakar, baik yang dari rangka bakar (fire grate) ataupun juga dari alat-alat pengumpul abu (dust collector), untuk dibuang dan diteruskan ke kolam penampungan dan ini biasanya digunakan sebagai kompos diperkebunan.

Gambar 2.15 Ash Convenyor dan Penampungan Ash Sumber : PT. Toba Pulp Lestari,Tbk

Alat Pengaman Ketel Uap

1. Katup Pengaman (Safety Valve)

Alat ini bekerja membuang uap pada tekanan yang telah ditentukan sesuai dengan penyetelan klep pada alat ini. Penyetelan hanya dilakukan bersama hanya dengan petugas BPNKK (Badan Pembina Normal Keselamatan Kerja) setelah adanya pemeriksaan berkala atau revisi besar.

Gambar 2.16 Savety Valve Sumber : PT. Toba Pulp Lestari,Tbk

2. Gelas Penduga (Sight Glass)

Gelas penduga adalah alat untuk melihat tinggi air didalam drum atas, untuk memudahakan pengontrolan air dalam ketel waktu operasi.

Agar tidak terjadi penyumbatan-penyumbatan pada kran-kran uap dan air pada alat ini, maka perlu diadakan spui air secara priodik pada semua kran minimal setiap 3 (tiga) jam. Gelas penduga ini dilengkapi dengan alat pengontrol air otomatis, bel akan berbunyi dan lampu merah akan menyala pada waktu kekurangan air. Pada waktu kekurangan air, bell akan berbunyi dan lampu kuning akan hidup.

Gambar 2.17 Gelas Penduga Sumber : PT. Toba Pulp Lestari,Tbk

3. Keran Blow Down

Keran blow down (blow down valve) berfungsi untuk membuang kotoran berupa lumpur atau endapan yang tidak terlarut (total dissolved solid) dari dalam ketel.

Gambar 2.18 Blow Down Valve Sumber : PT. Toba Pulp Lestari,Tbk

4. Pengukur Tekanan (Manometer)

Manometer adalah alat pengukur tekanan uap di dalam ketel yang dipasang satu buah untuk tekanan uap di panasi lanjut dan satu buah lagi

untuk tekan uap basah. Untuk menguji kebenaran penunjuk alat ini, pada setiap manometer di pasang kran cabang tiga yang digunakan untuk memasang manometer panera (manometer tera).

Gambar 2.19 Manometer Sumber : PT. Toba Pulp Lestari,Tbk

5. Kran Uap Induk

Kran uap induk berfungsi sebagai alat untuk membuka dan menutup aliran uap keluar ketel yang terpasang pada pipa induk. Alat ini dibuat dari bahan tahan panas dan tekanan tinggi.

6. Kran Pemasukan Air

Kran pemasukan air terdiri 2 (dua) buah kran yaitu satu buah kran ulir dan satu buah lagi kran arah (non return valve). Kedua alat ini terbuat dari bahan yang tahan panas dan tekanan tinggi.

Gambar 2.20 Kran pemasukan air Sumber : PT. Toba Pulp Lestari,Tbk

7. Panel Utama (Main Panel)

Panel Utama (Main Panel) berfungsi sebagai pengontrol atau alat pengaman semua alat-alat pada boiler.

Gambar 2.21 Panel Utama Sumber : PT. Toba Pulp Lestari,Tbk

2.5. Bahan Bakar

Sistem boiler terdiri dari sistem air umpan, sistem steam, dan sistem bahan bakar. Pada bagian ini, yang akan dibahas lebih lanjut adalah sistem bahan bakar. Bahan bakar (fuel) adalah segala bahan yang dapat dibakar (Ir.Syamsir A : 146). Bahan bakar dibakar untuk menghasilkan panas (kalor).

Bahan bakar hanya dapat terbakar bila sudah cukup panas. Proses pembakaran merupakan proses kimia antara bahan bakar, udara dan panas. Proses pembakaran yang terjadi di dalam ruang bakar ketel (boiler) bertujuan untuk merubah air menjadi uap.

Pengetahuan mengenai sifat bahan bakar membantu dalam memilih bahan bakar yang benar untuk keperluan yang benar dan untuk penggunaan bahan bakar yang efisien. Uji laboratorium biasanya digunakan untuk mengkaji sifat dan kualitas bahan bakar. Jadi untuk melakukan pembakaran diperlukan dua unsur, yaitu :

a. Bahan bakar

b. Oksigen

Berbagai jenis bahan bakar (seperti bahan bakar cair, padat, dan gas) yang tersedia tergantung pada berbagai faktor seperti biaya, ketersediaan, penyimpanan, handling, dan lain-lain.

1) Bahan bakar padat

Bahan bakar padat yang terdapat dibumi kita ini berasal dari zat-zat organik. Bahan bakar padat mengandung unsur-unsur antara lain : Zat arang atau Karbon (C), zat lemas atau Nitrogen (N), Hidrogen (H), Belerang (S), zat

asam atau Oksigen (O) Abu dan Air yang kesemuanya itu terikat dalam satu persenyawaan kimia.

2) Bahan bakar cair

Bahan bakar cair berasal dari minyak bumi. Minyak bumi didapat dari dalam tanah dengan jalan mengebornya pada ladang-ladang minyak, dan memompanya sampai ke atas permukaan bumi, untuk selanjutnya diolah lebih lanjut menjadi berbagai jenis minyak bakar.

3) Bahan bakar gas

Didalam tanah banyak terkandung : Gas Bumi (Petrol Gas) atau sering disebut pula dengan gas alam, yang timbul pada saat proses pembentukan minyak bumi, gas tambang, dan gas rawa CH4 (Methane). Seperti halnya dengan minyak bumi, gas alam tersebut diperoleh dengan jalan pengeboran dari dalam tanah, baik di daratan maupun pada lepas pantai terhadap lokasi-lokasi yang diduga terdapat kandungan gas alam.

Bahan bakar yang digunakan untuk Multi Fuel Boiler ini adalah limbah dari Proses Persiapan Kayu (Wood Preparation) yaitu kulit kayu. Namun kulit kayu tersebut tidak mencukupi untuk proses produksi uap di boiler, sehingga perusahaan membeli cangkang sawit dari Pabrik Kelapa Sawit. Dan juga, karena dipengaruhi oleh nilai ekonomis, yaitu harga cangkang sawit yang cukup mahal, maka perusahaan mencampur bahan bakar tersebut dengan fiber sawit yang juga di beli dari Pabrik Kelapa Sawit. Sehingga Multi Fuel Boiler ini menggunakan 3 macam bahan bakar, yaitu: fiber, cangkang sawit dan kulit kayu.

Gambar 2.22 Fiber yang telah dihaluskan Sumber : PT. Toba Pulp Lestari,Tbk

Gambar 2.23 Cangkang yang telah dihaluskan Sumber : PT. Toba Pulp Lestari,Tbk

Gambar 2.24 Kulit kayu yang telah dihaluskan Sumber : PT. Toba Pulp Lestari,Tbk 2.6. Siklus Rankine

Siklus Rankine adalah siklus teoritis yang mendasari siklus kerja dari suatu pembangkit daya uap. Siklus Rankine berbeda dengan siklus-siklus udara ditinjau dari fluida kerjanya yang mengalami perubahan fase selama siklus pada saat evaporasi dan kondensasi, oleh karena itu fluida kerja untuk siklus Rankine harus merupakan uap. Siklus Rankine ideal tidak melibatkan beberapa masalah irreversibilitas internal. Irreversibilitas internal dihasilkan dari gesekan fluida, throttling, dan pencampuran, yang paling penting adalah irreversibilitas dalam turbin dan pompa dan kerugian-kerugian tekanan dalam penukar-penukar panas, pipa-pipa, bengkokan-bengkokan, dan katup-katup. Temperatur air sedikit meningkat selama proses kompresi isentropik karena ada penurunan kecil dari volume jenis air, air masuk boiler sebagai cairan kompresi pada kondisi 2 dan meninggalkan boiler sebagai uap kering pada kondisi 3. Boiler pada dasarnya penukar kalor yang besar dimana sumber

panas dari pembakaran gas, reaktor nuklir atau sumber yang lain ditransfer secara esensial ke air pada tekanan konstan. Uap superheater pada kondisi ke 3 masuk ke turbin yang mana uap diexpansikan secara isentropik dan menghasilkan kerja oleh putaran poros yang dihubungkan pada generator lisrik. Temperatur dan tekanan uap jatuh selama proses ini mencapai titik 4, dimana uap masuk ke kondensor dan pada kondisi ini uap biasanya merupakan campuran cairan-uap jenuh dengan kualitas tinggi.

Uap dikondensasikan pada tekanan konstan di dalam kondensor yang merupakan alat penukar kalor mengeluarkan panas ke medium pendingin.

Gambar 2.25 Bagan alir siklus Rankine sederhana Sumber : Cengel

Gambar 2.26 Diagram T-s siklus Rankine sederhana Sumber : Cengel

Salah satu modifikasi dari siklus Rankine dapat dilihat pada gambar berikut :

Gambar 2.27 Diagram alir siklus Rankine dengan satu tingkat ekstraksi Uap panas lanjut dari ketel memasuki turbin, setelah melalui beberapa tingkatan sudu turbin, sebagian uap diekstraksikan ke deaerator, sedangkan sisanya masuk ke kondensor dan dikondensasikan didalam kondensor. Selanjutnya air dari kondensor dipompakan ke deaerator juga. Di dalam deaerator, uap yang berasal dari turbin yang berupa uap basah bercampur dengan air yang berasal dari kondensor. Kemudian dari deaerator dipompakan kembali ke ketel, dari ketel ini air yang sudah menjadi uap kering dialirkan kembali lewat turbin.

Tujuan uap diekstraksikan ke deaerator adalah untuk membuang gas-gas yang tidak terkondensasi sehingga pemanasan pada ketel dapat berlangsung efektif, mencegah korosi pada ketel, dan meningkatkan efisiensi siklus. Untuk mempermudah penganalisaan siklus termodinamika ini, proses-proses tersebut di atas disederhanakan dalam bentuk diagram berikut :

2.7. Metode Pengkajian Efisiensi Boiler

Metode yang digunakan untuk menyelesaikan permasalahan pada skripsi ini adalah metode langsung. Secara umum skripsi ini akan membahas analisa nilai kalor bahan bakar dan perhitungan efisiensi boiler.

Efisiensi adalah suatu tingkatan kemampuan kerja dari suatu alat. Sedangkan efisiensi pada boiler atau ketel uap yang didapatkan dari perbandingan antara energi yang dipindahkan atau diserap oleh fluida kerja didalam ketel dengan masukan energi kimia dari bahan bakar.

Terdapat dua metode pengkajian efisiensi boiler : 1) Metode Langsung

Energi yang didapat dari fluida kerja (air dan steam) dibandingkan dengan energi yang terkandung dalam bahan bakar boiler. Metodologi ini dikenal juga sebagai, metode input-output’ karena kenyataan bahwa metode ini hanya memerlukan keluaran/output (steam) dan panas masuk/input (bahan bakar) untuk evaluasi efisiensi. (Ir. Syamsir A. Muin, Pesawat-pesawat konversi 1 (Ketel Uap) 1988:223).

Keterangan: = kapasitas produksi uap ( kg uap/jam )

= konsumsi bahan bakar ( kg/jam ) = entalpi uap ( kJ/kg )

= entalpi air umpan/pengisi ketel ( kJ/kg ) = nilai kalor pembakaran rendah (kJ/kg)

Keuntungan metode langsung

a) Pekerja pabrik dapat dengan cepat mengevaluasi efisiensi boiler b) Memerlukan sedikit parameter untuk perhitungan

c) Memerlukan sedikit instrumen untuk pemantauan

Kerugian metode langsung

a) Tidak memberikan petunjuk kepada operator tentang penyebab dari

efisiensi sistem yang lebih rendah

b) Tidak menghitung berbagai kehilangan yang berpengaruh pada berbagai

tingkat efisiensi

2) Metode Tidak Langsung

Efisiensi merupakan perbedaan antar kehilangan dan energi masuk. Metodologi Standar acuan untuk Uji Boiler di tempat dengan menggunakan metode tidak langsung adalah British Standard, BS 845:1987 dan USA Standard ASME PTC-4-1 Power Test Code Steam Generating Units.

Metode tidak langsung juga dikenal dengan metode kehilangan panas. Efisiensi dapat dihitung dengan mengurangkan bagian kehilangan panas dari 100 sebagai berikut:

Efisiensi boiler (n) = 100 - (i + ii + iii + iv + v + vi + vii)

Dimana kehilangan yang terjadi dalam boiler adalah kehilangan panas yang diakibatkan oleh:

i. Gas cerobong yang kering

ii. Penguapan air yang terbentuk karena H2 dalam bahan bakar

iii. Penguapan kadar air dalam bahan bakar

iv. Adanya kadar air dalam udara pembakaran

v. Bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu terbang/ fly ash

vi. Bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu bawah/ bottom ash

vii. Radiasi dan kehilangan lain yang tidak terhitung

Kehilangan yang diakibatkan oleh kadar air dalam bahan bakar dan yang disebabkan oleh pembakaran hidrogen tergantung pada bahan bakar, dan tidak dapat dikendalikan oleh perancangan.

Data yang diperlukan untuk perhitungan efisiensi boiler dengan menggunakan metode tidak langsung adalah:

a) Analisis ultimate bahan bakar (H₂, O₂, S, C, kadar air, kadar abu) b) Persentase oksigen atau CO₂ dalam gas buang

c) Suhu gas buang dalam °C (Tf)

d) Suhu awal dalam °C (Ta) dan kelembaban udara dalam kg/kg udara kering

e) LHV bahan bakar dalam kkal/kg

f) Persentase bahan yang dapat terbakar dalam abu (untuk bahan bakar padat) g) LHV abu dalam kkal/kg (untuk bahan bakar padat)

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 a) Perlu waktu lama

b) Memerlukan fasilitas laboratorium untuk analisis.

Untuk penyusunan skripsi ini penulis menganalisa dengan metode langsung, dimana penulis mengambil data secara langsung dilapangan meliputi :

• Steam pressure superheater (bar)

• Temperatur feed tank (°C)

• Temperatur daerator (°C) • Temperatur out let steam (°C) • Steam flow (ton uap/jam) 2.8. Proses Pembentukan Uap

Sebagai fliuda kerja di ketel uap, umumnya digunakan air (H₂O) karena bersifat ekonomis, mudah di peroleh, tersedia dalam jumlah yang banyak, serta mempuyai kandungan entalpi yang cukup tinggi bila dibandingkan dengan fluida kerja yang lain.

Penguapan adalah proses terjadinya perubahan fasa dari cairan menjadi uap. Apabila panas diberikan pada air, maka suhu air akan naik. Naiknya suhu air akan meningkatkan kecepatan gerak molekul air. Jika panas terus bertambah secara perlahan-lahan, maka kecepatan gerak air akan semakin meningkat pula, hingga sampai pada suatu titik dimana molekul-molekul air akan mampu melepaskan diri dari lingkungannya (100°C) pada tekanan 1[kg/cm²], maka air secara berangsur-angsur akan berubah fasa menjadi uap dan hal inilah yang disebut sebagai penguapan. Proses perubahan fasa air menjadi uap dapat digambarkan pada diagram T-S seperti gambar dibawah:

Gambar 2.29 Diagram T-S Keterangan:

1-2 : Pipa-pipa evaporator pipa penguap 2-3 : Pipa-pipa superheater

1-3 : Proses pemanasan air dan uap pada ketel uap

2.9. Nilai Kalor (Heating Value)

Nilai kalor merupakan energi kalor yang dilepaskan bahan bakar pada waktu terjadinya oksidasi unsur-unsur kimia yang ada pada bahan bakar tersebut. Bahan bakar adalah zat kimia yang apabila direaksikan dengan

oksigen (O₂) akan menghasilkan sejumlah kalor. Bahan bakar dapat

berwujud gas, cair, maupun padat. Selain itu, bahan bakar merupakan suatu senyawa yang tersusun atas beberapa unsur seperti karbon (C), hidrogen (H), belerang (S), dan nitrogen (N). Kualitas bahan bakar ditentukan oleh kemampuan bahan bakar untuk menghasilkan energi.

Kemampuan bahan bakar untuk menghasilkan energi ini sangat ditentukan oleh nilai bahan bakar yang didefinisikan sebagai jumlah energi yang dihasilkan pada proses pembakaran per satuan massa atau persatuan volume bahan bakar. Nilai pembakaran ditentukan oleh komposisi kandungan unsur di dalam bahan bakar.

Dikenal dua jenis pembakaran, Culp. Archie W, “Prinsip-prinsip Konversi Energi”, Penerjemah Darwin Sitompul Erlangga, 1996:46 yaitu: 1. Nilai Kalor Pembakaran Tinggi

Nilai kalor pembakaran tinggi atau juga dikenal dengan istilah High Heating Value (HHV) adalah nilai pembakaran dimana panas pengembunan air dari proses pembakaran ikut diperhitungkan sebagai panas dari proses pembakaran.

Dirumuskan dengan:

HHV = 33950C + 144200 (H2 - O2/8) + 9400S kj/kg 2. Nilai Kalor Pembakaran Rendah

Nilai kalor pembakaran rendah atau juga dikenal dengan istilah Low Heating Value (LHV) adalah nilai pembakaran dimana panas pengembunan uap air dari hasil pembakaran tidak ikut dihitung sebagai panas dari proses pembakaran.

Dirumuskan dengan:

LHV = HHV - 2400 (M + 9H2) kj/kg 2.10. Kebutuhan Udara Pembakaran

Kebutuhan udara pembakaran didefinisikan sebagai kebutuhan oksigen yang diperlukan untuk pembakaran 1 kg bahan bakar secara sempurna yang meliputi :

a. Kebutuhan udara teoritis (Ut) :

Ut = 11,5 C + 34,5 (H-O/8) + 4,32 S kg/kgBB

b. Kebutuhan udara pembakaran sebenarnya/aktual (Us) : Us = Ut (1+α) kg/kgBB

2.11. Gas Asap

Reaksi pembakaran akan menghasilkan gas baru, udara lebih dari sejumlah energi. Senyawa-senyawa yang merupakan hasil dari reaksi pembakaran disebut gas asap.

a. Berat gas asap teoritis (Gt) Gt = Ut + (1-A) kg/kgBB

Dimana A = kandungan abu dalam bahan bakar (ash) Gas asap yang terjadi terdiri dari:

 Hasil reaksi atas pembakaran unsur-unsur bahan bakar dengan O₂ dari udara seperti CO₂, H₂ O, SO₂

 Unsur N₂ dari udara yang tidak ikut bereaksi

 Sisa kelebihan udara

Dari reaksi pembakaran sebelumnya diketahui: 1 kg C menghasilkan 3,66 kg CO₂

1 kg S menghasilkan 1,996 kg SO₂ 1 kg H menghasilkan 8,9836 kg H₂ O

Maka untuk menghitung berat gas asap pembakran perlu dihitung dulu masing-masing komponen gas asap tersebut (Ir. Syamsir A. Muin, Pesawat-pesawat konversi 1 (Ketel Uap) 1988:196):

Berat CO₂ = 3,66 C kg/kg Berat SO₂ = 2 S kg/kg Berat H₂O = 9 H2 kg/kg Berat N₂ = 77% Us kg/kg Berat O₂ = 23% 20% Ut

Dari perhitungan di atas maka akan didapatkan jumlah gas asap: Berat gas asap (Gs) = W CO₂ + W SO₂ + W H₂ O + W N₂ + W O₂ Atau

b. Berat gas asap sebenarnya (Gs) Gs = Us + (1-A) kg/kgBB

Untuk menetukan komposisi dari gas asap didapatkan: Kadar gas = (W gas tersebut / W total gas) x 100%

2.12. Volume Gas Asap

Jumlah oksigen adalah 21% jumlah udara pembakaran. Jadi:V(O₂) = 21%

(Va) act ; belum termaksud oksigen yang dikandung dalam bahan bakar. Oksigen yang terdapat dalam bahan bakar tergantung persentasenya.

Dengan demikian maka volume gas asap basah adalah :

Dimana :

Vg = Volume gas asap (m3/kgBB) C = Nilai carbon bahan bakar S = Nilai Sulfur bahan bakar H₂ = Nilai Hidrogen bahan bakar

2.13. Perhitungan Efisiensi Boiler

Daya guna (efisiensi) boiler adalah perbandingan antara konsumsi panas dengan suplai panas (Ir. Syamsir A. Muin, Pesawat-pesawat konversi 1 (Ketel Uap) 1988:223).

Keterangan: = kapasitas produksi uap ( kg uap/jam ) = konsumsi bahan bakar ( kg/jam ) = entalpi uap ( kJ/kg )

= entalpi air umpan/pengisi ketel ( kJ/kg ) = nilai kalor pembakaran rendah (kJ/kg)

Kerugian metode langsung

a) Tidak memberikan petunjuk kepada operator tentang penyebab dari efisiensi sistem yang lebih rendah

b) Tidak menghitung berbagai kehilangan yang berpengaruh pada berbagai tingkat efisiensi

2) Metode Tidak Langsung

Efisiensi merupakan perbedaan antar kehilangan dan energi masuk. Metodologi Standar acuan untuk Uji Boiler di tempat dengan menggunakan metode tidak langsung adalah British Standard, BS 845:1987 dan USA Standard ASME PTC-4-1 Power Test Code Steam Generating Units.

Metode tidak langsung juga dikenal dengan metode kehilangan panas. Efisiensi dapat dihitung dengan mengurangkan bagian kehilangan panas dari 100 sebagai berikut:

Efisiensi boiler (n) = 100 - (i + ii + iii + iv + v + vi + vii)

Dimana kehilangan yang terjadi dalam boiler adalah kehilangan panas yang diakibatkan oleh:

i. Gas cerobong yang kering

ii. Penguapan air yang terbentuk karena H2 dalam bahan bakar iii. Penguapan kadar air dalam bahan bakar

iv. Adanya kadar air dalam udara pembakaran

v. Bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu terbang/ fly ash vi. Bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu bawah/ bottom ash vii. Radiasi dan kehilangan lain yang tidak terhitung

Kehilangan yang diakibatkan oleh kadar air dalam bahan bakar dan yang disebabkan oleh pembakaran hidrogen tergantung pada bahan bakar, dan tidak dapat dikendalikan oleh perancangan.

Data yang diperlukan untuk perhitungan efisiensi boiler dengan menggunakan metode tidak langsung adalah:

a) Analisis ultimate bahan bakar (H₂, O₂, S, C, kadar air, kadar abu) b) Persentase oksigen atau CO₂ dalam gas buang

c) Suhu gas buang dalam °C (Tf)

d) Suhu awal dalam °C (Ta) dan kelembaban udara dalam kg/kg udara kering e) LHV bahan bakar dalam kkal/kg

f) Persentase bahan yang dapat terbakar dalam abu (untuk bahan bakar padat) g) LHV abu dalam kkal/kg (untuk bahan bakar padat)

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 a) Perlu waktu lama

b) Memerlukan fasilitas laboratorium untuk analisis.

Untuk penyusunan skripsi ini penulis menganalisa dengan metode langsung, dimana penulis mengambil data secara langsung dilapangan meliputi :

• Steam pressure superheater (bar) • Temperatur feed tank (°C) • Temperatur daerator (°C) • Temperatur out let steam (°C)

• Steam flow (ton uap/jam)

2.8. Proses Pembentukan Uap

Sebagai fliuda kerja di ketel uap, umumnya digunakan air (H₂O) karena bersifat ekonomis, mudah di peroleh, tersedia dalam jumlah yang banyak, serta mempuyai kandungan entalpi yang cukup tinggi bila dibandingkan dengan fluida kerja yang lain.

Penguapan adalah proses terjadinya perubahan fasa dari cairan menjadi uap. Apabila panas diberikan pada air, maka suhu air akan naik. Naiknya suhu air akan meningkatkan kecepatan gerak molekul air. Jika panas terus bertambah secara perlahan-lahan, maka kecepatan gerak air akan semakin meningkat pula, hingga sampai pada suatu titik dimana molekul-molekul air akan mampu melepaskan diri dari lingkungannya (100°C) pada tekanan 1[kg/cm²], maka air secara berangsur-angsur akan berubah fasa menjadi uap dan hal inilah yang disebut sebagai penguapan. Proses perubahan fasa air menjadi uap dapat digambarkan pada diagram T-S seperti gambar dibawah:

Gambar 2.29 Diagram T-S Keterangan:

1-2 : Pipa-pipa evaporator pipa penguap 2-3 : Pipa-pipa superheater

1-3 : Proses pemanasan air dan uap pada ketel uap

2.9. Nilai Kalor (Heating Value)

Nilai kalor merupakan energi kalor yang dilepaskan bahan bakar pada waktu terjadinya oksidasi unsur-unsur kimia yang ada pada bahan bakar tersebut. Bahan bakar adalah zat kimia yang apabila direaksikan dengan oksigen (O₂) akan menghasilkan sejumlah kalor. Bahan bakar dapat berwujud gas, cair, maupun padat. Selain itu, bahan bakar merupakan suatu senyawa yang tersusun atas beberapa unsur seperti karbon (C), hidrogen (H), belerang (S), dan nitrogen (N). Kualitas bahan bakar ditentukan oleh kemampuan bahan bakar untuk menghasilkan energi.

Kemampuan bahan bakar untuk menghasilkan energi ini sangat ditentukan oleh nilai bahan bakar yang didefinisikan sebagai jumlah energi yang dihasilkan pada proses pembakaran per satuan massa atau persatuan volume bahan bakar. Nilai pembakaran ditentukan oleh komposisi kandungan unsur di dalam bahan bakar.

Dikenal dua jenis pembakaran, Culp. Archie W, “Prinsip-prinsip Konversi Energi”, Penerjemah Darwin Sitompul Erlangga, 1996:46 yaitu: 1. Nilai Kalor Pembakaran Tinggi

Nilai kalor pembakaran tinggi atau juga dikenal dengan istilah High Heating Value (HHV) adalah nilai pembakaran dimana panas pengembunan air dari proses pembakaran ikut diperhitungkan sebagai panas dari proses pembakaran.

Dirumuskan dengan:

HHV = 33950C + 144200 (H2 - O2/8) + 9400S kj/kg 2. Nilai Kalor Pembakaran Rendah

Nilai kalor pembakaran rendah atau juga dikenal dengan istilah Low Heating Value (LHV) adalah nilai pembakaran dimana panas pengembunan uap air dari hasil pembakaran tidak ikut dihitung sebagai panas dari proses pembakaran.

Dirumuskan dengan:

LHV = HHV - 2400 (M + 9H2) kj/kg 2.10. Kebutuhan Udara Pembakaran

Kebutuhan udara pembakaran didefinisikan sebagai kebutuhan oksigen yang diperlukan untuk pembakaran 1 kg bahan bakar secara sempurna yang meliputi :

a. Kebutuhan udara teoritis (Ut) :

Ut = 11,5 C + 34,5 (H-O/8) + 4,32 S kg/kgBB

b. Kebutuhan udara pembakaran sebenarnya/aktual (Us) :

2.11. Gas Asap

Reaksi pembakaran akan menghasilkan gas baru, udara lebih dari sejumlah energi. Senyawa-senyawa yang merupakan hasil dari reaksi pembakaran disebut gas asap.

a. Berat gas asap teoritis (Gt) Gt = Ut + (1-A) kg/kgBB

Dimana A = kandungan abu dalam bahan bakar (ash) Gas asap yang terjadi terdiri dari:

 Hasil reaksi atas pembakaran unsur-unsur bahan bakar dengan O₂ dari udara seperti CO₂, H₂ O, SO₂

 Unsur N₂ dari udara yang tidak ikut bereaksi  Sisa kelebihan udara

Dari reaksi pembakaran sebelumnya diketahui: 1 kg C menghasilkan 3,66 kg CO₂

1 kg S menghasilkan 1,996 kg SO₂ 1 kg H menghasilkan 8,9836 kg H₂ O

Maka untuk menghitung berat gas asap pembakran perlu dihitung dulu masing-masing komponen gas asap tersebut (Ir. Syamsir A. Muin, Pesawat-pesawat konversi 1 (Ketel Uap) 1988:196):

Berat CO₂ = 3,66 C kg/kg Berat SO₂ = 2 S kg/kg Berat H₂ O = 9 H2 kg/kg Berat N₂ = 77% Us kg/kg Berat O₂ = 23% 20% Ut

Dari perhitungan di atas maka akan didapatkan jumlah gas asap: Berat gas asap (Gs) = W CO₂ + W SO₂ + W H₂ O + W N₂ + W O₂ Atau

b. Berat gas asap sebenarnya (Gs) Gs = Us + (1-A) kg/kgBB

Untuk menetukan komposisi dari gas asap didapatkan: Kadar gas = (W gas tersebut / W total gas) x 100%

2.12. Volume Gas Asap

Jumlah oksigen adalah 21% jumlah udara pembakaran. Jadi:V(O₂) = 21% (Va) act ; belum termaksud oksigen yang dikandung dalam bahan bakar. Oksigen yang terdapat dalam bahan bakar tergantung persentasenya.

Dengan demikian maka volume gas asap basah adalah :

Dimana :

Vg = Volume gas asap (m3/kgBB) C = Nilai carbon bahan bakar S = Nilai Sulfur bahan bakar H₂ = Nilai Hidrogen bahan bakar

2.13. Perhitungan Efisiensi Boiler

Daya guna (efisiensi) boiler adalah perbandingan antara konsumsi panas dengan suplai panas (Ir. Syamsir A. Muin, Pesawat-pesawat konversi 1 (Ketel Uap) 1988:223).

Keterangan: = kapasitas produksi uap ( kg uap/jam ) = konsumsi bahan bakar ( kg/jam ) = entalpi uap ( kJ/kg )

= entalpi air umpan/pengisi ketel ( kJ/kg ) = nilai kalor pembakaran rendah (kJ/kg)