ANALISIS ENERGI DAN EKSERGI TERHADAP PERFORMA BOILER TIPE FLUIDIZED BED COMBUSTION PADA BOILER BASUKI DI PT. INDO ACIDATAMA Tbk.
SKRIPSI
Oleh: MAEDANU FASOLA PUTRA K2512077
FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA Juli 2016
i
PERNYATAAN KEASLIAN TULISAN
Saya yang bertanda tangan di bawah ini
Nama
: Maedanu Fasola Putra
NIM
: K2512077
Program Studi
: Pendidikan Teknik Mesin
Menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul “ANALISIS ENERGI DAN EKSERGI TERHADAP PERFORMA BOILER TIPE FLUIDIZED BED COMBUSTION PADA BOILER BASUKI DI PT. INDO ACIDATAMA Tbk.” ini benar-benar merupakan hasil karya sendiri. Selain itu, sumber informasi yang dikutip dari peneliti lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam daftar pustaka.
Apabila pada kemudian hari terbukti atau dapat dibuktikan skripsi ini hasil jiplakan, saya bersedia menerima sanksi atas perbuatan saya.
Surakarta, Juli 2016 Yang membuat pernyataan
Maedanu Fasola Putra
ii
ANALISIS ENERGI DAN EKSERGI TERHADAP PERFORMA BOILER TIPE FLUIDIZED BED COMBUSTION PADA BOILER BASUKI DI PT. INDO ACIDATAMA Tbk.
Oleh : MAEDANU FASOLA PUTRA K2512077
SKRIPSI Ditulis dan Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Persyaratan Mendapatkan Gelar Sarjana Pendidikan Program Studi Pendidikan Teknik Mesin
FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA Juli 2016
iii
ABSTRAK Maedanu Fasola Putra. K2512077. ANALISIS ENERGI DAN EKSERGI TERHADAP PERFORMA BOILER TIPE FLUIDIZED BED COMBUSTION PADA BOILER BASUKI DI PT. INDO ACIDATAMA TBK. Skripsi, Surakarta: Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan Universitas Sebelas Maret Surakarta, Juli 2016. Penelitian ini bertujuan untuk (1) mengetahui kondisi boiler Basuki melalui performa yang ditunjukkan dengan menggunakan analisis energi dan eksergi; (2) menyelidiki kehilangan panas yang dialami boiler Basuki dengan metode analisis energi dan eksergi; (3) menyelidiki komponen dari boiler Basuki yang mengalami gangguan melalui analisis energi dan eksergi. Penelitian ini menggunakan metode deskriptif kuantitatif. Populasi dalam penelitian ini adalah boiler Basuki. Sampel yang diambil menggunakan metode purposive sampling berupa data record harian unjuk kerja boiler Basuki selama 1 tahun (Februari 2015 hingga Januari 2016). Penelitian ini dilakukan dengan menganlisis data siklus energi dan eksergi yang ada selama boiler beroperasi. Indikator performa boiler dalam penelitian ini ada 3 yaitu; (1) rasio antara bahan bakar yang digunakan dengan steam yang dihasilkan; (2) efisiensi energi, termasuk kehilangan panas yang terjadi; dan (3) efisiensi eksergi, termasuk efisiensi komponen boiler dalam memanfaatkan panas. Efisiensi eksergi Boiler Basuki dalam hal ini dapat diketahui dengan menggunakan bantuan software yaitu Cycle Tempo. Berdasarkan hasil penelitian, dapat disimpulkan beberapa hal. Pertama, kondisi boiler Basuki berdasarkan performanya termasuk baik, karena rasio yang ditunjukkan (144,09) lebih rendah dari target yang ditetapkan perusahaan (150), dan efisiensi energi boiler Basuki (83,14%) melebihi target yang ditetapkan perusahaan (80%). Kedua, kehilangan panas total yang terjadi selama boiler Basuki bekerja sebesar 16,86% yang terbagi ke dalam (1) kehilangan panas pada gas buang (5,15%); (2) kehilangan panas karena gas H2 tidak terbakar (5,47%); (3) kehilangan panas karena kandungan air dalam bahan bakar (1,50%); (4) kehilangan panas karena kelembaban udara (0,58%); (5) kehilangan panas karena pembakaran tidak sempurna (0,13%); (6) kehilangan panas karena radiasi dan kehilangan panas tak terhitung (4,03%). Ketiga, berdasarkan analisis eksergi, komponen yang mengalami gangguan adalah pre-heater yang ditunjukkan dengan efisiensi eksergi yang rendah (20,10%). Kata Kunci: boiler Basuki, Cycle Tempo, data record, rasio bahan bakar dengan steam, efisiensi energi, efisiensi eksergi, kehilangan panas
vi
ABSTRACT Maedanu Fasola Putra. K2512077. ENERGY AND EXERGY ANALYSIS OF BOILER TYPE FLUIDIZED BED COMBUSTION PERFORMANCE TO BASUKI BOILER IN PT. INDO ACIDATAMA TBK. Thesis. Surakarta: Teacher Training and Education Faculty, Sebelas Maret University, July 2016. The research aims to (1) investigate the condition of Basuki boiler by its performance that is shown by the energy and exergy analysis; (2) investigate the heat-loss of Basuki boiler using the energy and exergy analysis method; (3) investigate the parts of Basuki boiler that in trouble using the energy and exergy analysis. The research used quantitative-descriptive method. The population of this research was Basuki boiler. The sample was daily record of Basuki boiler performance for 1 year (February 2015 to January 2016), that was taken using purposive sampling method. The research analyzed the energy and exergy cycle that exist during boiler operation. There were 3 Indicators of boiler performance, those were; (1) Ratio between fuel consumption and steam production; (2) Energetic efficiency, heat losses were included; (3) Exergetic efficiency, efficiency of parts of the boiler in using heat were included. The exergetic efficiency was known using Cycle Tempo software. Based the result of the research, it can be concluded in a few thing. First, Basuki boiler condition based on it performance was good, because the Ratio that shown (144,09) was less than the company’s target (150), and the energetic efficiency (83,14%) was higher than the company’s target (80%). Second, the total heat losses occured during boiler operation at 16,86% was devided into (1) heat loss in the flue gas (5,15%); (2) heat loss caused by unburned H2 gas (5,47%); (3) heat loss caused by water content in the fuel (1,50%); (4) heat loss caused by the humidity (0,58%); (5) heat loss caused by imperfect combustion (0,13%); (6) heat loss caused by radiation and indeterminable heat loss (4,03%). Third, based on the exergy analysis, the part of boiler that in trouble was PreHeater, that shown by very low exergetic efficiency (20,10%). Keywords: Basuki boiler, Cycle Tempo, data record, ratio between fuel and steam, energetic efficiency, exergetic efficiency, heat loss
vii
MOTTO “... Boleh jadi kamu membenci sesuatu padahal ia amat baik bagimu, dan boleh jadi kamu menyukai sesuatu padahal ia amat buruk bagimu; Allah mengetahui sedangkan kamu tidak mengetahui.” (QS. Al-Baqarah :216) “Man jadda wajada, man shobaro zhofiro, man saro ‘ala ddarbi washola Siapa yang bersungguh-sungguh akan berhasil, siapa yang sabar akan beruntung, siapa yang menapaki jalan-Nya akan sampai tujuan” (Anonim) “Selalu ada hal untuk disyukuri, selalu ada cara untuk mensyukuri, berfikir positif dan yakin semua akan menjadi lebih baik” (Penulis)
viii
PERSEMBAHAN
Puji syukur senantiasa peneliti panjatkan kehadirat Allah SWT, atas izin dan kuasanya, sehingga akhirnya peneliti dapat mempersembahkan skirpsi ini untuk: Ibu dan Bapak “Terima kasih untuk ibu dan bapak atas segalanya yang telah engkau berikan, atas doa, dukungan dan kasih sayang yang membuatku kuat dan tetap tegar menjalani hidup, dan atas keikhlasan serta pengorbananmu yang membuatku lebih mengerti dan mensyukuri hidup ini. Ana Uhibbukum Fillah” Pejuang Skripsi PTM 2012 “Terimakasih telah menjadi keluarga yang hebat selama 4 tahun ini, perjuangan kita belum selasai sampai disini, Get up! Let’s fight! See You On Top!!!” Tim Skripsi Acidatama “Terimakasih atas dukungan dan kerjasamanya, Hambatan kita memang besar, tapi kita lebih besar, cause we are a great team” Teman dan Murabbi Halaqoh “Terimakasih telah membersamai dalam ukhuwah yang luar biasa indah, Semoga ukhuwah kita tetap terjaga selamanya, Hamasah!!!” Teman-teman (7”) “Terima kasih untuk teman - teman seven inch yang senantiasa mendoakan, memotivasi, dan membantu dalam perjuangan. Terimakasih sudah memberikan warna dalam kehidupan perkuliahan ini. Semoga tetap terjalin tali persaudaraannya selamanya.”
ix
KATA PENGANTAR Alhamdulillaahirobbil’aalamiin, segala puja dan puji senantiasa peneliti panjatkan kehadirat Allah SWT atas segala limpahan rahmat dan hidayat-Nya. Sholawat serta salam senantiasa tercurah-limpahkan kepada Nabi Muhammad SAW yang kita nantikan syafaatnya di yaumil qiyamah nanti, Aamiin. Peneliti bersyukur masih diberi kesempatan dan kekuatan oleh Allah SWT, untuk menyelesaikan skripsi ini dengan judul “Analisis Energi dan Eksergi Terhadap Performa Boiler Tipe Fluidized Bed Combustion pada Boiler Basuki di PT. Indo Acidatama Tbk.” Selama proses penyusunan skripsi ini, peneliti menemui banyak hambatan, akan tetapi atas kehendak-Nya dengan dibantu beberapa pihak, pada akhirnya hambatan tersebut dapat teratasi. Oleh karena itu peneliti mengucapkan terima kasih kepada yang terhormat: 1. Prof. Dr. Joko Nurkamto, M.Pd., selaku Dekan Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan Universitas Sebelas Maret Surakarta yang telah memberikan ijin menyusun skripsi. 2. Dr. Suharno, S.T., M.T. selaku Kepala Program Studi Pendidikan Teknik Mesin, Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan, Universitas Sebelas Maret Surakarta. 3. Budi Harjanto, S.T., M.Eng., selaku Koordinator Skripsi Program Studi Pendidikan Teknik Mesin, yang membantu mempermudah administrasi dan perijinan skripsi. 4. Danar Susilo Wijayanto, S.T., M.Eng., selaku Pembimbing I, yang selalu memberikan motivasi dan bimbingan dalam penyusunan skripsi ini. 5. Dr.Eng. Nugroho Agung Pambudi, S.Pd, M.Eng., selaku Dosen Pembimbing II, yang selalu memberikan motivasi dan bimbingan dengan penuh kesabaran. 6. Putu Astrawan, S.T., selaku Kepala Sub-Unit Boiler PT. Indo Acidatama Tbk, yang membantu dalam proses memperoleh dan mengolah data. 7. Drs. C. Sudibyo, M.T., selaku Pembimbing Akademik. 8. Semua pihak yang peneliti tidak bisa sebutkan satu-persatu. x
Peneliti menyadari sepenuhnya dengan segala keterbatasan yang peneliti miliki, skripsi ini masih jauh dari kata sempurna, sehingga peneliti mengharapkan kritik dan saran dari semua pihak untuk kebaikan kedepannya. Meskipun demikian, peneliti berharap skripsi ini dapat memberikan manfaat untuk pembaca dan untuk pengembangan ilmu.
Surakarta, Juli 2016
Peneliti,
xi
DAFTAR ISI Halaman HALAMAN JUDUL ............................................................................................
i
HALAMAN PERNYATAAN ............................................................................. ii HALAMAN PENGAJUAN ................................................................................. iii HALAMAN PERSETUJUAN ............................................................................. iv HALAMAN PENGESAHAN ..............................................................................
v
HALAMAN ABSTRAK ...................................................................................... vi HALAMAN MOTTO .......................................................................................... viii HALAMAN PERSEMBAHAN .......................................................................... ix KATA PENGANTAR .........................................................................................
x
DAFTAR ISI ........................................................................................................ xii DAFTAR GAMBAR ........................................................................................... xiv DAFTAR TABEL ................................................................................................ xv DAFTAR LAMPIRAN ........................................................................................ xvi DAFTAR SIMBOL .............................................................................................. xvii
BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Masalah ......................................................................
1
B. Identifikasi Masalah ............................................................................
4
C. Pembatasan Masalah ...........................................................................
5
D. Rumusan Masalah ...............................................................................
5
E. Tujuan Penelitian.................................................................................
5
F. Manfaat Penelitian...............................................................................
6
BAB II KAJIAN PUSTAKA, KERANGKA BERPIKIR, DAN HIPOTESIS A. Kajian Pustaka ....................................................................................
8
B. Kerangka Berpikir .............................................................................. 32 C. Hipotesis ............................................................................................. 33 BAB III METODE PENELITIAN A. Waktu dan Tempat Penelitian ............................................................. 34 B. Desain Penelitian ................................................................................. 35 xii
C. Populasi dan Sampel ........................................................................... 36 D. Teknik Pengambilan Sampel ............................................................... 37 E. Teknik Pengambilan Data .................................................................. 37 F. Teknik Analisis Data ........................................................................... 39 G. Prosedur Penelitian .............................................................................. 39 BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN A. Hasil Penelitian ................................................................................... 43 B. Pembahasan ........................................................................................ 69 BAB V SIMPULAN, IMPLIKASI, DAN SARAN A. Simpulan.............................................................................................. 79 B. Implikasi .............................................................................................. 80 C. Saran .................................................................................................... 81
DAFTAR PUSTAKA .......................................................................................... 82 LAMPIRAN ......................................................................................................... 83
xiii
DAFTAR GAMBAR
Gambar
Halaman
2.1 Fire Tube Boiler ............................................................................................ 14 2.2 Water Tube Boiler Babcock & Wilcox ......................................................... 15 2.3 Boiler Gabungan ........................................................................................... 16 2.4 Bubbling Fluidized Bed Boiler ...................................................................... 19 2.5 Circulating Fluidized Bed Boiler .................................................................. 20 2.6 Skema Boiler Basuki ..................................................................................... 23 2.7 Proses Pembuatan Etanol .............................................................................. 24 2.8 Kerangka Berfikir.......................................................................................... 32 3.1 Diagram Prosedur Penelitian......................................................................... 40 4.1 Kerugian Panas Rata-rata oleh Boiler Basuki ............................................... 55 4.2 Siklus Boiler Basuki...................................................................................... 57 4.3 Data Siklus Energi Boiler Basuki ................................................................. 58 4.4 Diagram T-s ................................................................................................. 62 4.5 Diagram Grassmann ..................................................................................... 66 4.6 Efisiensi Eksergi Komponen Boiler ............................................................. 68 4.7 Grafik Konsumsi Bahan Bakar oleh Boiler Basuki ...................................... 69 4.8 Grafik Produksi Steam oleh Boiler Basuki ................................................... 70 4.9 Grafik Rasio oleh Boiler Basuki ................................................................... 70 4.10 Efisiensi Boiler Basuki................................................................................ 72 4.11 Variasi Suhu Feed Water terhadap Efisiensi Eksergi Pre-Heater .............. 74 4.12 Variasi Suhu Feed Water terhadap Efisiensi Eksergi Deaerator................ 75 4.13 Pengaruh variasi suhu feed water terhadap massa steam pada deaerator .. 76 4.14 Pengaruh variasi suhu feed water terhadap efisiensi sistem ....................... 77
xiv
DAFTAR TABEL
Tabel
Halaman
2.1 Irreversibilitas Komponen Boiler .............................................................. 11 2.2 Jenis Bahan Bakar untuk Boiler tipe Fluidized Bed Combustion ............... 17 2.3 Spesifikasi Bahan Bakar Boiler Basuki ..................................................... 24 3.1 Jadwal Penelitian ........................................................................................ 35 4.1 Record Data Kinerja Boiler Basuki Selama 1 Tahun ................................. 44 4.2 Konsumsi Bahan Bakar .............................................................................. 45 4.3 Produksi steam oleh Boiler basuki ............................................................. 46 4.4 Rasio Boiler Basuki .................................................................................... 47 4.5 Efisiensi Energi ........................................................................................... 48 4.6 Kehilangan panas pada Gas Buang............................................................. 49 4.7 Kehilangan Panas Akibat H2 dalam Bahan Bakar ...................................... 50 4.8 Kehilangan Panas Akibat Kandungan Air dalam Bahan Bakar ................. 51 4.9 Kehilangan panas karena kadar air dalam udara ........................................ 53 4.10 Kehilangan Panas Total ............................................................................ 55 4.11 Input Data Komponen .............................................................................. 56 4.12 Laju Eksergi pada Pipa ............................................................................. 61 4.13 Eksergi Masuk Total pada Boiler ............................................................. 63 4.14 Irreversibilitas Komponen Boiler Basuki ................................................. 65 4.15 Efisiensi Eksergi Komponen Boiler ......................................................... 67 4.16 Kenaikan Massa Steam pada Steam Header dan Efisiensi Sistem ........... 77
xv
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran
Halaman
1.
Data Record Harian Bulan Januari 2016 ..................................................... 83
2.
Rekap Bulanan Data Record Februai 2015 hingga Januari 2016 ............... 113
3.
Pengajuan Judul Skripsi .............................................................................. 125
4.
Daftar Kegiatan Seminar Proposal Skripsi ................................................. 126
5.
Surat Permohonan Izin Penelitian .............................................................. 128
6.
Surat Permohonan Izin Menyusun Skripsi ................................................. 129
xvi
DAFTAR SIMBOL
Simbol cp
Keterangan Kalor jenis (cp gas diasumsikan = cp udara = 1,0048 J/kg0C) Energi kimia bahan bakar Destruksi eksergi Eksergi bahan bakar Eksergi produk Eksergi kimia Eksergi fisik
h0 ha = h1
Entalpi sistem Entalpi panas pada air umpan (feed water) (btu/lb)
hf
Entalpi pembakaran bahan bakar
hg
Entalpi panas pada uap (Steam) (btu/lb)
hk
Entalpi lingkungan
hM
Entalpi moisture
hr1
Entalpi uap memasuki pemanas ulang
hr2
Entalpi uap meninggalkan pemanas ulang
hsat
Entalpi uap saturasi
hsup
Entalpi uap meninggalkan pemanas lanjut
Hf
Nilai bakar bahan bakar (btu/lb)
HHV mg
Nilai tertinggi dari bahan bakar (KJ/kg bahan bakar) Massa gas (kg) Laju massa bahan bakar (kg/h) Laju massa uap (massflow)
Q
Jumlah panas/kalor yang hilang (KJ/kg bahan bakar)
Qat
Panas yang terkandung dalam abu dan terak (kkal)
Qg
Panas pada gas buang (kkal)
QCH
Panas dalam bahan bakar (kkal)
QM
Panas yang terkantung dalam moisture (kkal) xvii
s0
Entropi sistem
sk
Entropi lingkungan
tg
Suhu flue gas (0C)
tsup
Suhu pada pemanas lanjut (0C)
tu
Suhu uap air (0C)
T0
Suhu lingkungan (0C)
Wf
Berat bahan bakar yang dibakar (kg)
Ws
Berat uap yang dihasilkan (kg) Efisiensi eksergi Efisiensi thermal
xviii
