Analisa Efisiensi Water Tube Boiler Berbahan Bakar Fiber dan Cangkang di Palm Oil Mill Dengan Kapasitas 45 Ton TBS/Jam

KETEL UAP ANALISA EFISIENSI WATER TUBE BOILER BERBAHAN BAKAR FIBER DAN CANGKANG DI PALM OIL MILL DENGAN KAPASITAS 45 TON TBS/JAM SKRIPSI

  Skripsi Ini Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

PESULIMA BATUBARA NIM: 120421022 PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2014

  

ABSTRAK

  Beberapa faktor yang mempengaruhi efisiensi boiler adalah tekanan

  superheater , temperatur air umpan, temperatur uap, jumlah uap yang dihasilkan, jumlah konsumsi bahan bakar, dan nilai kalor pembakaran bahan bakar.

  Penggunaan software chemicallogic steamtab companion untuk menghitung nilai

  enthalpy. Tujuan dari penelitian ini adalah mendapatkan hubungan variasi tekanan superheater dengan efisiensi boiler, hubungan variasi suhu air umpan dengan

  efisiensi boiler, hubungan variasi jumlah uap yang dihasilkan dengan efisiensi boiler, menganalisa nilai kalor bahan bakar serabut 75% + cangkang 25%, dan menganalisa efisiensi water tube boiler. Dari hasil analisa yang telah dilakukan maka hubungan variasi tekanan superheater dengan efisiensi boiler tidak konstan naik melainkan naik turun, hubungan variasi suhu air umpan dengan efisiensi boiler konstan teteap, hubungan variasi jumlah uap yang dihasilkan dengan efisiensi boiler relatif naik, nilai kalor pembakaran tinggi (HHV) adalah 21323,584 kJ/kg, nilai kalor pembakaran rendah (LHV) adalah 18083,584 kJ/kg, nilai efisiensi boiler tertinggi yang dihasilkan sebesar 71,05% dan nilai efisiensi boiler terendah yang dihasilkan sebesar 69,49%.

  Kata kunci : boiler, nilai kalor bahan bakar, efisiensi boiler.

KATA PENGANTAR

  Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Kuasa atas berkat yang diberikanNya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Sarjana

  Tugas Sarjana ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan ini. untuk mencapai gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun yang menjadi judul Tugas Sarjana ini yaitu

  “Analisa Efisiensi Water Tube Boiler Berbahan Bakar Fiber Dan Cangkang Di Palm Oil Mill Dengan Kapasitas 45 Ton TBS/Jam ”

  Dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini, penulis mendapat dukungan dari berbagai pihak. Maka pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :

  1. Bapak Ir. Tekad Sitepu sebagai dosen pembimbing yang telah meluangkan waktunya untuk memberikan arahan dan bimbingan kepada penulis dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini.

  2. Bapak Dr.Ing.Ir.Ikwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.

  3. Ir. M. Syahril Gultom, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

  4. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin USU.

  5. Bapak Bahara Tua Tobing dan Bapak Teddi Atmaja Saragih yang telah membantu penulis selama melaksanakan surve dilapangan di Pabrik Dolok Palm Oil Mill lima Puluh.

  6. Kedua orang tua penulis, Ayahanda P. Batubara dan Ibunda N. br Gultom, yang telah memberikan dukungan doa, materi dan semangat.

  7. Segenap kerabat keluarga yang telah memberikan semangat dan doanya kepada penulis selama menyelesaikan pendidikan S-1.

  8. Seluruh teman-teman penulis, baik teman satu angkatan 2012 juga teman- teman yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu yang telah menemani dan memberikan masukan serta semangat kepada penulis

  Penulis menyadari sepenuhnya Tugas Sarjana ini masih jauh dari kesempurnaan dan banyak kekurangannya. Untuk itu penulis sangat mengharapkan adanya saran dari para pembaca untuk memperbaiki dan melengkapi penulisan ini ke depannya, penulis berharap semoga tulisan ini dapat berguna dan memperkaya ilmu pengetahuan bagi para pembaca. akhir kata penulis mengucapkan terima kasih.

  Medan, September 2014 Penulis,

  Pesulima Batubara NIM. 120421022

  DAFTAR ISI

ABSTRAK .............................................................................................................. i

KATA PENGANTAR ............................................................................................. ii

DAFTAR ISI ............................................................................................................ iv

DAFTAR GAMBAR ............................................................................................... vi

DAFTARA TABEL ................................................................................................. viii

DAFTAR SIMBOL ................................................................................................. ix

BAB I PENDAHULUAN

  1.1 Latar Belakang ........................................................................................ 1

  1.2 Batasan Masalah ...................................................................................... 2

  1.3 Tujuan ....................................................................................................... 2

  1.4 Manfaat ...................................................................................................... 2

  1.5 Metode Pengumpulan Data ..................................................................... 3

  1.6 Sistematika Penulisan ............................................................................... 3

  BAB II TINJAUAN PUSTAKA

  2.1 Pengertian Boiler ...................................................................................... 5

  2.2 Klasifikasi Boiler ..................................................................................... 6

  2.3 Bagian-bagian Boiler ............................................................................... 14

  2.4 Pengoperasian Boiler ................................................................................ 25

  2.5 Bahan Bakar Boiler .................................................................................. 28

  2.6 Siklus Rankine .......................................................................................... 32

  2.7 Proses Pembentukan Uap ....................................................................... 36

  2.8 Metode Pengkajian Efisiensi Boiler ........................................................ 37

  2.9 Neraca Panas ............................................................................................. 41

  2.10 Nilai Kalor (Heating Value) ................................................................... 42

  2.11 Kebutuhan Udara Pembakaran ........................................................... 43

  2.12 Gas Asap .................................................................................................. 44

  2.13 Volume Gas Asap ................................................................................... 45

  2.14 Perhitungan Efisiensi Boiler .................................................................. 46

  BAB III METODELOGI PENELITIAN

  3.1 Pendahuluan ............................................................................................. 47

  3.2 Stasiun Boiler Dolok Palm Oil Mill ........................................................ 48

  3.3 Metodologi Analisa Yang Digunakan .................................................... 49

  3.4 Data Spesifikasi Boiler ............................................................................ 50

  3.5 Data Dari Stasiun Boiler .......................................................................... 50

  3.6 Data Hasil Percobaan Bom Kalorimeter ............................................... 57

  BAB IV ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN

  4.1 Nilai Kalor Bahan Bakar ........................................................................ 58

  4.2 Kebutuhan Udara Bahan Bakar ............................................................. 66

  4.3 Perhitungan Gas Asap ............................................................................. 67

  4.4 Volume Gas Asap ..................................................................................... 69

  4.5 Perhitungan Efisiensi Boiler ................................................................... 70

  4.5.1 Analisa Efisiensi Boiler Saat Baru ............................................... 71

  4.5.2 Analisa Berdasarkan Data 1 ......................................................... 73

  4.5.3 Analisa Berdasarkan Data 2 ......................................................... 75

  4.5.4 Analisa Berdasarkan Data 3 ......................................................... 77

  4.5.5 Analisa Berdasarkan Data 4 ......................................................... 79

  4.5.6 Analisa Berdasarkan Data 5 ......................................................... 81

  4.5.7 Analisa Data Rata-rata Berdasarkan Data 6 .............................. 83

  BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

  5.1 Kesimpulan ............................................................................................... 93

  5.2 Saran ......................................................................................................... 94 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

  DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Diagram sederhana fire tube boiler ....................................................... 7Gambar 2.2 Water tube boiler ................................................................................... 7Gambar 2.3 Ketel stasioner (stationary boiler) ......................................................... 9Gambar 2.4 Ketel mobil (mobile boiler) ................................................................... 9Gambar 2.5 Ketel pembakaran didalam .................................................................... 10Gambar 2.6 Ketel pembakaran diluar ........................................................................ 10Gambar 2.7 Single tube steam boiler ........................................................................ 11Gambar 2.8 Multi fire tube boiler ............................................................................. 11Gambar 2.9 Ketel tegak (vertical steam boiler) ........................................................ 12Gambar 2.10 Ketel mendatar (horizontal steam boiler) ........................................... 12Gambar 2.11 Ketel dengan pipa lurus, bengkok, dan berlekak-lekuk ...................... 13Gambar 2.12 Ketel dengan pipa miring-datar dan miring tegak ............................... 13Gambar 2.13 Fd fan ................................................................................................... 15Gambar 2.14 Steam drum ......................................................................................... 15Gambar 2.15 Mud drum ............................................................................................. 16Gambar 2.16 Pembuangan abu (Ash hopper) ........................................................... 17Gambar 2.17 Chimney ............................................................................................... 17Gambar 2.18 Pressure furnace draft controller ........................................................ 18Gambar 2.19 Induced draft fan ................................................................................. 18Gambar 2.20 Dust collector ....................................................................................... 19Gambar 2.21 Savety valve ......................................................................................... 19Gambar 2.22 Gelas Penduga ..................................................................................... 20Gambar 2.23 Keran blow down ................................................................................. 21Gambar 2.24 Manometer .......................................................................................... 21Gambar 2.25 Keran uap induk .................................................................................. 22Gambar 2.26 Water level controller........................................................................... 22Gambar 2.27 Soot blower .......................................................................................... 23Gambar 2.28 Panel utama (main panel) .................................................................... 23Gambar 2.29 Wall tube boiler ................................................................................... 24Gambar 2.30 Superheater ......................................................................................... 25Gambar 2.31 Fiber kelapa sawit ................................................................................ 30Gambar 2.32 Cangkang sawit ................................................................................... 30Gambar 2.33 Diagram alir siklus rankine sederhana ................................................ 33Gambar 2.34 Diagram T-S siklus rankine sederhana ................................................ 33Gambar 2.35 Diagram alir siklus rankine dengan satu tingkat ekstraksi .................. 34Gambar 2.36 Diagram T-S siklus rankine dengan satu tingkat ekstraksi ................. 35Gambar 2.37 Diagram alir siklus rankine terbuka .................................................... 35Gambar 2.38 Diagram T-S siklus rankine terbuka .................................................... 36Gambar 2.39 Diagram T-S ........................................................................................ 37Gambar 2.40 Diagram neraca energi boiler .............................................................. 41Gambar 2.41 Kehilangan pada boiler yang berbahan bakar batubara ...................... 41Gambar 3.1 Diagram T-S pembentukan uap ........................................................... 47Gambar 4.1 Grafik hubungan tekanan superheater dengan steam flow .................. 85Gambar 4.2 Grafik hubungan enthalpy uap dengan efisiensi boiler ....................... 86Gambar 4.3 Grafik hubungan tekanan superheater dengan efisiensi boiler ............. 87Gambar 4.4 Grafik hubungan suhu air umpan dengan efisiensi boiler ................. 88Gambar 4.5 Grafik hubungan produksi uap dengan efisiensi boiler ....................... 90Gambar 4.6 Grafik hubungan enthalpy uap, tekanan superheater, suhu air umpan, dan produksi uap dengan efisiensi boiler .......................................... 91

  DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Komposisi dari unsur-unsur kimia bahan bakar ....................................... 31Tabel 3.1 Spesifikasi boiler ....................................................................................... 50Tabel 3.2 Data 1 Rabu, 12 Maret 2014 ..................................................................... 51Tabel 3.3 Data 2 Kamis, 13 Maret 2014 ................................................................... 52Tabel 3.4 Data 3 Jumat, 14 Maret 2014 .................................................................... 53Tabel 3.5 Data 4 Sabtu, 15 Maret 2014 .................................................................... 54Tabel 3.6 Data 5 Senin, 16 Maret 2014 .................................................................... 55Tabel 3.7 Data 6 Rabu, 12 Maret 2014 s/d Senin 17 Maret 2014 .............................. 56Tabel 3.8 Serabut kelapa sawit murni ....................................................................... 57Tabel 3.9 Cangkang kelapa sawit murni ................................................................... 57Tabel 3.10 Serabut 75 % + Cangkang 25 % kelapa sawit ........................................ 57Tabel 4.1 Hasil analisa nilai kalor bahan bakar serabut kelapa sawit murni ............ 60Tabel 4.2 Hasil analisa nilai kalor bahan bakar cangkang kelapa sawit murni ......... 63Tabel 4.3 Hasil analisa nilai kalor bahan bakar serabut 75 % + 25 % cangkang kelapa sawit .............................................................................................. 66Tabel 4.4 Hubungan tekanan superheater dengan steam flow .................................. 85Tabel 4.5 Hubungan enthalpy uap dengan efisiensi boiler ....................................... 86Tabel 4.6 Hubungan tekanan superheater dengan efisiensi boiler ............................ 87Tabel 4.7 Hubungan suhu air umpan dengan efisiensi boiler ................................... 88Tabel 4.8 Hubungan produksi uap dengan efisiensi boiler ....................................... 89Tabel 4.9 Hubungan enthalpy uap, tekanan superheater, temperatur air umpan, dan produksi uap dengan efisiensi boiler ................................................. 91

DAFTAR SIMBOL

  Faktor kelebihan udara (%) G t Berat gas asap teoritis (kg/kgBB) G

  3 Tekanan superheater (bar)

  P

  1 Entalpi air umpan/pengisi ketel (kJ/kg)

  h

  3 Entalpi uap (kJ/kg)

  Berat gas asap sebenarnya (kg/kgBB) U t Kebutuhan udara teoritis (kg/kgBB) U s Kebutuhan udara sebenarnya (kg/kgBB) h

  s

  Notasi Arti Satuan

  Efisiensi (%) t Temperatur (

  /kgBB) P Tekanan

  3

  Banyaknya bahan bakar (kg/jam) W s Kapasitas uap (kg uap /jam) V g Volume gas asap (m

  f

  (kJ/kg) W

  C) HHV High heating value (kJ/kg) LHV Low heating value (kJ/kg) h Entalpi

  o

  (bar) α