BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Pengertian Batubara
Batu bara adalah salah satu bahan bakar fosil. Pengertian umumnya adalah batuan sedimen yang dapat terbakar, terbentuk dari endapan organik, utamanya adalah sisa-sisa tumbuhan dan terbentuk melalui proses pembatubaraan. Unsur-unsur utamanya terdiri dari karbon, hydrogen dan oksigen.Batu bara juga adalah batuan organik yang memiliki sifat-sifat fisika dan kimia yang kompleks yang dapat ditemui dalam berbagai bentuk.Analisis unsur memberikan rumus formula empiris seperti C137H97O9NS untuk bituminus dan C240H90O4NS untuk antrasit.
Gambar 2.1 Rumus bangun batubara (USGS, 2012)
Reaksi pembentukan batubara dapat diperlihatkan sebagai berikut : 5(C6H10O5) Cellulosa
C20H22O4 + 3CH4 + 8H2O + 6CO2 + CO lignit
gas metana air
(Sukandarrumidi,2006) Universitas Sumatera Utara
Pembentukan batu bara memerlukan kondisi-kondisi tertentu dan hanya terjadi pada era-era tertentu sepanjang sejarah geologi. Zaman Karbon, kira-kira 340 juta tahun yang lalu (jtl), adalah masa pembentukan batu bara yang paling produktif dimana hampir seluruh deposit batu bara (black coal) yang ekonomis di belahan bumi bagian utara terbentuk.
Pada Zaman Permian, kira-kira 270 jtl, juga terbentuk endapan-endapan batu bara yang ekonomis di belahan bumi bagian selatan, seperti Australia, dan berlangsung terus hingga ke Zaman Tersier (70 - 13 jtl) di berbagai belahan bumi lain. (Krevelen ,1993)
Coal gasification adalah sebuah proses untuk mengubah batu bara padat menjadi gas batu bara yang mudah terbakar (combustible gases), setelah proses pemurnian gas-gas ini karbon monoksida (CO), karbon dioksida (CO2), hydrogen (H), metan (CH4), dan nitrogen (N2) – dapat digunakan sebagai bahan bakar. hanya menggunakan udara dan uap air sebagai reacting-gas kemudian menghasilkan water gas atau coal gas, gasifikasi secara nyata mempunyai tingkat emisi udara, kotoran padat dan limbah terendah.
Tetapi, batu bara bukanlah bahan bakar yang sempurna. Terikat di dalamnya adalah sulfur dan nitrogen, bila batu bara ini terbakar kotoran-kotoran ini akan dilepaskan ke udara, bila mengapung di udara zat kimia ini dapat menggabung dengan uap air (seperti contoh kabut) dan tetesan yang jatuh ke tanah seburuk bentuk asam sulfurik dan nitrit, disebut sebagai hujan asam. Disini juga ada noda mineral kecil, termasuk kotoran yang umum tercampur dengan batu bara, partikel kecil ini tidak terbakar dan membuat debu yang tertinggal di coal combustor, beberapa partikel kecil ini juga tertangkap di putaran combustion gases bersama dengan uap air, dari asap yang keluar dari cerobong beberapa partikel kecil ini adalah sangat kecil setara dengan rambut manusia.
Sulfur adalah zat kimia kekuningan yang ada sedikit di batu bara, pada beberapa batu bara yang ditemukan di Ohio, Pennsylvania, West Virginia dan eastern states lainnya, sulfur terdiri dari 3 sampai 10 % dari berat batu bara, beberapa batu bara yang ditemukan di Wyoming, Montana dan negara-negara bagian sebelah barat lainnya sulfur hanya sekitar 1/100ths (lebih kecil dari 1%) dari berat batu bara. Penting bahwa sebagian besar sulfur ini dibuang sbelum mencapai cerobong asap.
Satu cara untuk membersihkan batu bara adalah dengan cara mudah memecah batu Universitas Sumatera Utara
bara ke bongkahan yang lebih kecil dan mencucinya. Beberapa sulfur yang ada sebagai
bintik kecil di batu bara disebut sebagai "pyritic sulfur " karena ini dikombinasikan dengan besi menjadi bentuk iron pyrite, selain itu dikenal sebagai "fool's gold” dapat dipisahkan dari batu bara. Secara khusus pada proses satu kali, bongkahan batu bara dimasukkan ke dalam tangki besar yang terisi air , batu bara mengambang ke permukaan ketika kotoran sulfur tenggelam. Fasilitas pencucian ini dinamakan "coal preparation plants" yang membersihkan batu bara dari pengotor-pengotornya. (Geankoplis,2003)
Tidak semua sulfur bisa dibersihkan dengan cara ini, bagaimanapun sulfur pada batu bara adalah secara kimia benar-benar terikat dengan molekul karbonnya, tipe sulfur ini disebut "organic sulfur," dan pencucian tak akan menghilangkannya. Beberapa proses telah dicoba untuk mencampur batu bara dengan bahan kimia yang membebaskan sulfur pergi dari molekul batu bara, tetapi kebanyakan proses ini sudah terbukti terlalu mahal, ilmuan masih bekerja untuk mengurangi biaya dari prose pencucian kimia ini.
Kebanyakan pembangkit tenaga listrik modern dan semua fasilitas yang dibangun setelah 1978 — telah diwajibkan untuk mempunyai alat khusus yang dipasang untuk membuang sulfur dari gas hasil pembakaran batu bara sebelum gas ini naik menuju cerobong asap. Alat ini sebenarnya adalah "flue gas desulfurization units," tetapi banyak orang menyebutnya "scrubbers" — karena mereka men-scrub (menggosok) sulfur keluar dari asap yang dikeluarkan oleh tungku pembakar batu bara. (Smith,1959)
2.1.1
Materi pembentuk batu bara
Hampir seluruh pembentuk batu bara berasal dari tumbuhan. Jenis-jenis tumbuhan pembentuk batu bara dan umurnya menurut Diessel (1981) adalah sebagai berikut: a. Alga, dari Zaman Pre-kambrium hingga Ordovisium dan bersel tunggal. Sangat sedikit endapan batu bara dari perioda ini. b. Silofita, dari Zaman Silur hingga Devon Tengah, merupakan turunan dari alga. Sedikit endapan batu bara dari perioda ini. c. Pteridofita, umur Devon Atas hingga Karbon Atas. Materi utama pembentuk batu bara berumur Karbon di Eropa dan Amerika utara. Tetumbuhan tanpa bunga dan biji, berkembang biak dengan spora dan tumbuh di iklim hangat. d. Gimnospermae, kurun waktu mulai dari Zaman Permian hingga Kapur Tengah. Tumbuhan heteroseksual, biji terbungkus dalam buah, semisal pinus, mengandung kadar getah (resin) tinggi. Jenis Pteridospermae seperti gangamopteris dan glossopteris adalah penyusun utama batu bara Permian seperti di Australia, India dan Afrika.
Universitas Sumatera Utara
e. Angiospermae, dari Zaman Kapur Atas hingga kini. Jenis tumbuhan modern, buah yang menutupi biji, jantan dan betina dalam satu bunga, kurang bergetah dibanding gimnospermae
sehingga,
secara
umum,
kurang
dapat
terawetkan.
(Wahyudiono,2003)
2.2 Batu bara di Indonesia
Di Indonesia, endapan batu bara yang bernilai ekonomis terdapat di cekungan Tersier, yang terletak di bagian barat Paparan Sunda (termasuk Pulau Sumatera dan Kalimantan), pada umumnya endapan batu bara ekonomis tersebut dapat dikelompokkan sebagai batu bara berumur Eosen atau sekitar Tersier Bawah, kira-kira 45 juta tahun yang lalu dan Miosen atau sekitar Tersier Atas, kira-kira 20 juta tahun yang lalu menurut Skala waktu geologi.
Batu bara ini terbentuk dari endapan sisa tumbuhan dan fosil pada iklim purba sekitar khatulistiwa yang mirip dengan kondisi kini. Beberapa diantaranya tegolong kubah gambut yang terbentuk di atas muka air tanah rata-rata pada iklim basah sepanjang tahun. Dengan kata lain, kubah gambut ini terbentuk pada kondisi dimana mineral-mineral anorganik yang terbawa air dapat masuk ke dalam sistem dan membentuk lapisan batu bara yang berkadar abu dan sulfur rendah dan menebal secara lokal. Hal ini sangat umum dijumpai pada batu bara Miosen. Sebaliknya, endapan batu bara Eosen umumnya lebih tipis, berkadar abu dan sulfur tinggi. Kedua umur endapan batu bara ini terbentuk pada lingkungan lakustrin, dataran pantai atau delta, mirip dengan daerah pembentukan gambut yang
terjadi
saat
ini
di
daerah
timur
Sumatera
dan
sebagian
besar
Kalimantan.(Sukandarrumidi,2006)
Kualitas batubara adalah sifat fisika dan kimia dari batubara yang mempengaruhi potensi kegunaannya. Kualitas batubara ditentukan oleh maseral dan mineral matter penyusunnya, serta oleh derajat coalification (rank).
Umumnya, untuk menentukan kualitas batubara dilakukan analisa kimia pada batubara yang diantaranya berupa analisis proksimat dan analisis ultimat. Analisis proksimat dilakukan untuk menentukan jumlah air (moisture), zat terbang (volatile matter), karbon padat (fixed carbon), dan kadar abu (ash), sedangkan analisis ultimat dilakukan untuk menentukan kandungan unsur kimia pada batubara seperti : karbon, hidrogen, oksigen, nitrogen, sulfur, unsur tambahan dan juga unsur jarang. Universitas Sumatera Utara
Kualitas batubara ditentukan dengan analisis batubara di laboraturium, diantaranya adalah analisis proksimat dan analisis ultimat. Analisis proksimat dilakukan untuk menentukan jumlah air, zat terbang, karbon padat, dan kadar abu, sedangkan analisis ultimat dilakukan untuk menentukan kandungan unsur kimia pada batubara seperti : karbon, hidrogen, oksigen, nitrogen, sulfur, unsur tambahan dan juga unsur jarang. Kualitas batubara ini diperlukan untuk menentukan apakah batubara tersebut menguntungkan untuk ditambang selain dilihat dari besarnya cadangan batubara di daerah penelitian.
2.3
Sumberdaya batu bara
Potensi sumberdaya batu bara di Indonesia sangat melimpah, terutama di Pulau Kalimantan dan Pulau Sumatera , sedangkan di daerah lainnya dapat dijumpai batu bara walaupun dalam jumlah kecil dan belum dapat ditentukan keekonomisannya, seperti di Jawa Barat, JawaTengah , Papua, dan Sulawesi.
Di Indonesia, batu bara merupakan bahan bakar utama selain solar (diesel fuel) yang telah umum digunakan pada banyak industri, dari segi ekonomis batu bara jauh lebih hemat dibandingkan solar, dengan perbandingan sebagai berikut: Solar Rp 0,74/kilokalori sedangkan batu bara hanya Rp 0,09/kilokalori, (berdasarkan harga solar industri Rp. 6.200/liter).
Dari segi kuantitas batu bara termasuk cadangan energi fosil terpenting bagi Indonesia. Jumlahnya sangat berlimpah, mencapai puluhan milyar ton. Jumlah ini sebenarnya cukup untuk memasok kebutuhan energi listrik hingga ratusan tahun ke depan. Sayangnya, Indonesia tidak mungkin membakar habis batu bara dan mengubahnya menjadi energis listrik melalui PLTU. Selain mengotori lingkungan melalui polutan CO2, SO2, NOx dan CxHy cara ini dinilai kurang efisien dan kurang memberi nilai tambah tinggi. Batu bara sebaiknya tidak langsung dibakar, akan lebih bermakna dan efisien jika dikonversi menjadi migas sintetis, atau bahan petrokimia lain yang bernilai ekonomi tinggi. Dua cara yang dipertimbangkan dalam hal ini adalah likuifikasi (pencairan) dan grasifikasi (penyubliman) batu bara.
Membakar batu bara secara langsung (direct burning) telah dikembangkan teknologinya secara continue, yang bertujuan untuk mencapai efisiensi pembakaran yang Universitas Sumatera Utara
maksimum, cara-cara pembakaran langsung seperti: fixed grate, chain grate, fluidized bed,
pulverized, dan lain-lain, masing-masing mempunyai kelebihan dan kelemahannya. (Sukandarrumidi,2006)
2.4
Jenis-jenis Batubara
Berdasarkan tingkat proses pembentukannya yang dikontrol oleh tekanan, panas dan waktu, batu bara umumnya dibagi dalam lima kelas: antrasit, bituminus, sub-bituminus, lignit dan gambut. a) Antrasit adalah kelas batu bara tertinggi, dengan warna hitam berkilauan (luster) metalik, mengandung antara 86% - 98% unsur Karbon (C) dengan kadar air kurang dari 8%.
Gambar 2.1 Batubara Jenis Antrasit b) Bituminous mengandung 68 - 86% unsur Karbon (C) dan berkadar air 8-10% dari beratnya. Kelas batu bara yang paling banyak ditambang di Indonesia, tersebar di pulau sumatera, kalimantan dan sulawesi.
Gambar 2.2 Batubara Jenis Bituminous c) Sub-bituminus mengandung sedikit Karbon dan banyak air, dan oleh karenanya menjadi sumber panas yang kurang efisien dibandingkan dengan bituminus.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.3 Batubara Jenis Sub-bituminous d) Lignit atau batu bara coklat adalah batu bara yang sangat lunak yang mengandung air 35-75% dari beratnya.
Gambar 2.4 Batubara Jenis Lignit e) Gambut, berpori dan memiliki kadar air di atas 75% serta nilai kalori yang paling rendah.
Gambar 2.5 Batubara Jenis Gambut 2.5
Kualitas batubara
Batubara yang diperoleh dari penambangan pasti mengandung pengotor (impurities) . Keberadaan pengotor ini diperparah dengan kenyataan bahwa tidak mungkin memilih batubara yang bersih dan terbebas dari mineral. Penambangan dalam jumlah besar selalu menggunakan alat-alat berat seperti bulldoser,backhole,tractor,dan lainnya.
Impurities terbagi menjadi dua jenis yaitu :
Universitas Sumatera Utara
1. Inherent Impurities Merupakan pengotor bawaan yang terdapat pada batubara. Batubara yang sudah dicuci (washing) yang di kecilkan ukuran butirannya (crushing) kemudian dibakar dan menyisakan abu. Pengotor ini merupakan pengotor bawaan pada saat pembentukan batubara, pengotor tersebut dapat berupa gipsum (CaSO42H2O), anhidrit (CaSO4) , pirit (FeS2), silika (SiO2) dapat pula berbentuk tulang-tulang binatang (diketahui dari senyawasenyawa fosfor dari analisis abu) . Pengotor bawaan ini tidak mungkin dihilangkan sama sekali , tetapi dapat dikurangi dengan cara pembersihan . Proses ini dikenal dengan tenologi batubara bersih. 2. External impurities Merupakan pengotor yang berasal dari luar , timbul pada saat proses penambangan Dalam menentukan mutu / kualitas batubara perlu diperhatikan beberapa hal : a) Heating Value (HV) ( Calorific Value / Nilai kalor) Dinyatakan dengan kkal/Kg , banyaknya jumlah kalori yang dihasilkan batubara tiap satuan berat (dalam kilogram). b) Moisture Content (kandungan lengas / air) Batubara dengan jumlah lengas tinggi akan memerlukan lebih banyak udara primer untuk mengeringkan batubara tersebut agar suhu batubara pada saat keluar dari gilingan tetap, sehingga hasilnya memiliki kualitas yang terjamin. Jenis air sulit untuk dilepaskan tetapi dapat dikurangi, dengan cara memperkecil ukuran butir batubara (Wahyudiono,2006).
c) Ash Content (Kandungan abu) Komposisi batubara bersifat heterogen ,apabila batubara dibakar maka senyawa organik yang ada akan di ubah menjadi senyawa oksida yang berukuran butiran dalam bentuk abu. Abu dari sisa pembakaran inilah yang dikenal sebagai ash content. Abu ini merupakan kumpulan dari bahan – bahan pembentuk batubara yang tidak dapat terbakar, atau yang di oksidasi oleh oksigen . Bahan sisa dalam bentuk padatan ini antara lain senyawa SiO2 , Al2O3, TiO2 , Mn3O4 , CaO, Fe2O3 , MgO , K2O , Na2O, P2O, SO3 dan oksida unsur lainnya. d) Sulfur Content (kandungan belerang) Belerang yang terdapat pada batubara dalam bentuk senyawa organik dan arorganik, dalam senyawa anorganik dapat dijumpai dalam bentuk mineral pirit (FeS2 bentuk kristal kubus) , markasit (FeS2 bentuk kristal orthorombik) atau dalam bentuk sulfat. Sedangkan belerang organik terbentuk selama terjadinya proses coalification . (Krevelen, 1993)
Universitas Sumatera Utara
e) Volatile matter ( bahan mudah menguap ) Kandungan Volatile matter mempengaruhi kesempurnaan pembakaran dan intensitas nyala api. f) Fixed Carbon Didevinisikan sebagai material yang tersisa , setelah berkurangnya moisture , volatile matter dan ash. Hubungan ketiganya sebagai berikut: Fixed Carbon (%) = 100% - Moisture Content – Ash Content Fixed Carbon = 100 – Volatile Matter (%) g) Hardgrove Grindability Index (HGI) Suatu bilangan yang menunjukkan mudah atau sukarnya batubara di giling atau di gerus menjadi bentuk serbuk. Butiran paling halus < 3 mm sedangkan yang paling kasar sampai 50 mm. h) Ash Fusion Character of coal Kualitas batubara adalah sifat fisika dan kimia dari batubara yang mempengaruhi potensi kegunaannya. Kualitas batubara ditentukan oleh maseral dan mineral matter penyusunnya, serta oleh derajat coalification (rank). Umumnya, untuk menentukan kualitas batubara dilakukan analisa kimia pada batubara yang diantaranya berupa analisis proksimat dan analisis ultimat. Analisis proksimat dilakukan untuk menentukan jumlah air (moisture), zat terbang (volatile matter), karbon padat (fixed carbon), dan kadar abu (ash), sedangkan analisis ultimat dilakukan untuk menentukan kandungan unsur kimia pada batubara seperti : karbon, hidrogen, oksigen, nitrogen, sulfur, unsur tambahan dan juga unsur jarang.
Kualitas batubara ditentukan dengan analisis batubara di laboraturium, diantaranya adalah analisis proksimat dan analisis ultimat. Analisis proksimat dilakukan untuk menentukan jumlah air, zat terbang, karbon padat, dan kadar abu, sedangkan analisis ultimat dilakukan untuk menentukan kandungan unsur kimia pada batubara seperti : karbon, hidrogen, oksigen, nitrogen, sulfur, unsur tambahan dan juga unsur jarang.
Kualitas batubara ini diperlukan untuk menentukan apakah batubara tersebut menguntungkan untuk ditambang selain dilihat dari besarnya cadangan batubara di daerah penelitian.
Untuk menentukan jenis batubara, digunakan klasifikasi American Society Universitas Sumatera Utara
for Testing and Material (ASTM, 1981, op cit Wood et al., 1983)(Tabel 5.2).
Klasifikasi ini dibuat berdasarkan jumlah karbon padat dan nilai kalori dalam basis dry, mineral matter free (dmmf). Untuk mengubah basis air dried (adb) menjadi dry, mineral matter free (dmmf) maka digunakan Parr Formulas (ASTM, 1981, op cit Wood et al., 1983) : dimana : FC = % karbon padat (adb) VM = % zat terbang (adb) M = % air total (adb) A = % Abu (adb) S = % sulfur (adb) Btu = british termal unit = 1,8185*CV adb 2.6
Nilai Kalori Batubara
Kalor adalah suatu bentuk energi yang diterima oleh suatu benda yang menyebabkan benda tersebut berubah suhu atau wujud bentuknya. Kalor berbeda dengan suhu, karena suhu adalah ukuran dalam satuan derajat panas. Kalor merupakan suatu kuantitas atau jumlah panas baik yang diserap maupun dilepaskan oleh suatu benda.
Dari sisi sejarah kalor merupakan asal kata caloric ditemukan oleh ahli kimia perancis yang bernama Antonnie laurent lavoiser (1743 - 1794). Kalor memiliki satuan Kalori (kal) dan Kilokalori (Kkal). 1 Kalori sama dengan jumlah panas yang dibutuhkan untuk memanaskan 1 gram air naik 1 derajat celcius. (http://organisasi.org/pengertian_definisi_kalor_dan_teori_kalor_umum_dasar_kuantitas_j umlah_panas_pendidikan_ilmu_sains_fisika_via_internet_gratis)
2.7
Metode Standar Analisis Batubara
Metode standar adalah suatu cara analisis dan pengujian baik dari ketelitian, kesederhanaan peralatan , maupun dari aspek-aspek lainnya. Metode ini kemudian dibakukan untuk digunakan sebagai pedoman atau standar analisis dan pengujian. Prosedur baku ini disesuaikan dengan keadaan dan sifat batubara di negara yang bersangutan. Oleh karena cara analisis yang berbeda-beda , maka International Organization for Standardization (ISO) telah berusaha mengembangkan cara yang dapat dipakai di seluruh dunia.
Di dunia perbatubaraan, pada dasarnya terdapat dua jenis standar, yakni standar nasional dan standar international. Universitas Sumatera Utara
2.7.1 Standar Internasional
Standar internasional dikeluarkan oleh International Organization for Standardization (ISO) , yang tujuannya menggantikan standar nasional yang ada. Dalam standar ISO sudah tercantum prosedur penentuan standar tersebut, apakah untuk hard coal, coal, brown coal and lignites, atau untuk bahan bakar secara umum (fuel). Beberapa standar ISO untuk batubara : ISO 589-1981
Hard Coal –Determination of total moisture
ISO 501-1981
Coal –Determination of the crucible swelling number
ISO 1015-1975
Brown Coals and Lignites- Determination of moisture content: Direct volumetric method
ISO 1015-1976
Solid mineral fuels – Determination of gross calorific value by the calorimeter bomb method, and calculation of net calorific value.
2.7.2 Standar Nasional Indonesia (SNI)
Sampai saat ini telah dikeluarkan beberapa standar untuk penentuan parameter batubara Indonesia. Standar tersebut dikeluarkan oleh Dewan Standar Nasional dengan nama Standar Nasional Indonesia (SNI) .Standar yang dibuat dengan mnterjemahkan standarstandar ISO. (Bayuseno,2005)
2.8 Klasifikasi batubara a. Jenis anthrancite : Warna hitam , sangat mengkilat ,kompak, kandungan karbon sangat tinggi , nilai kalori sangat tinggi, kandungan air , abu dan sulfur sangat sedikit. b. Jenis bituminous / subbituminous coal : Warna hitam mengkilat, kurang kompak, kandungan karbon relatif tinggi, nilai kalori tinggi, kandungan air, abu, sulfur sedikit. c. Jenis Lignite (brown coal) : Warna hitam , sangat rapuh, kandungan karbon sedikit, nilai kalori rendah , kandungan air, abu, dan sulfur tinggi.
2.8.1
Universitas Sumatera Utara
Klasifikasi Batubara berdasarkan nilai kalorinya :
a. Batubara tingkat tinggi (high rank),meliputi meta anthracite, anthracite dan semi anthracite b. Batubara tingkat menengah (moderate rank) meliputi low volatile , bituminos coal, high volatile coal. c. Batubara tingkat rendah (low rank) meliputi sub bituminous coal lignite.
2.9 Analisis Batubara
Pada prinsipnya dikenal dua jenis pengujian analisis buntuk kualitas batubara yaitu Analisis
Prosikmat
(Proximate
analysis)
dan
Analisis
Ultimate
(Ultimate
Analysis/Elemental Analysis) 1.
Analysis Proksimat , meliputi analisis
a.
Moisture Content
b.
Ash Content
c.
Volatile Metter
d.
Fixed Carbon
e.
Total Sulfur
f.
Gross Calorific Value
g.
Hardgrove Grindability Index
2.
Analisis Ultimat , meliputi analisis
a.
Carbon Content
b.
Hidrogen Content
c.
Oxygen Content
d.
Nitrogen Content
e.
Sulfur Content
3.
Analisis Steaming Coal
a.
Niai Kalori
b.
Ash Content
2.10
Pengertian Boiler
Boiler 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
Universitas Sumatera Utara
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. 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 sistem 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 dari proses dan (2) Air makeup (air baku yang sudah diolah) yang harus diumpankan dari lua r 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. Sampai dengan saat ini secara umum dikenal dua macam jenis boiler yaitu Fire Tube Boiler (Boiler Tabung Api) dan Water Tube Boiler (Boiler Tabung Air). Water tube boiler mempunyai efisiensi yang lebih tinggi daripada fire tube boiler, khususnya yang membutuhkan panas tinggi atau tekanan tinggi, oleh karena itu boiler jenis ini banyak digunakan oleh industri yang dalam prosesnya membutuhkan tekanan tinggi.(Elonka,1982) 2.11
Nilai Steam Boiler
Steam boiler adalah peralatan yang sangat umum dalam industri, terutama karena daya uapnya
sangat berguna. Biasanya digunakan untuk uap dalam industri termasuk
melakukan kerja mekanik (misalnya mesin uap menggerakan semacam mesin), pemanas, menghasilkan Vacuums (melalui penggunaan "eductors uap"), dan peningkatan proses kimia (misalnya menubah gas alam menjadi hidrogen dan karbon dioksida).Proses mengubah air menjadi uap sangat sederhana, memanaskan air sampai mendidih. Siapa pun yang pernah rebus sepanci air untuk memasak tahu bagaimana proses ini bekerja. Membuat uap terus-menerus, bagaimanapun, adalah sedikit lebih rumit. Variabel penting untuk mengukur dan pengendalian dalam boiler kontinu adalah level air di dalam "uap drum" (di atas vessel dalam tabung air boiler). Dalam rangka keamanan dan efisiensi untuk Universitas Sumatera Utara
menghasilkan aliran kontinu uap, kita harus memastikan drum uap tidak berjalan pada air
yang terlalu rendah atau terlalu tinggi. Jika tidak ada cukup air dalam drum, tabung air berjalan dalam keadaan kering dan terbakar oleh api. Jika terlalu banyak air dalam drum, air cair dapat terbawa bersama dengan aliran uap, menyebabkan masalah penurunan uap. Nilai steam ini dikenal dengan satuan ‘Bar’. (http://instrumentasi-a-kontrol/industrial-instrumentation/69-example-steamboilerpart1.html)
2.12
Dasar Teori Boiler 1. Boiling Proses pemanasan air untuk mendapatkan steam merupakan proses yang sangat umum dilakukan oleh manusia. Secara termodinamika, cukup dengan menaikkan suhu air tersebut hingga mencapai titik yang diinginkan, hal ini dibutuhkan energy untuk menaikkan suhu atau merubah fase dari fase liquid menjadi fase gas. Contoh yang sederhana mengenai ini adalah alat kettle boiler. Faktor teknis dan ekonomi yang sangat diperhatikan untuk menghasilkan steam dengan tekanan yang diinginkan adalah seberapa kecil energi yang dibutuhkan untuk mendapatkan steam yang sesuai.
2. Pressure (Tekanan) Tekanan merupakan faktor penting dalam proses boiler. Tekanan proses yang diinginkan harus dijaga untuk menjamin kebutuhan steam sesuai tekanan yang dibutuhkan. 3. Temperature (Suhu) Temperatur adalah panas kerja dalam boiler. Temperatur ini berbanding lurus dengan tekanan yang dihasilkan. Temperatur dan tekanan ini juga yang mencerminkan steam yang dihasilkan. Secara umum ada dua jenis steam yang dihasilkan: Saturated steam Temperature yang dihasilkan segaris dengan tekanan Superheated steam Temperatur yang dihasilkan sesuai dengan design yang direncanakan pada boiler. 4. Kapasitas Kapasitas adalah kemampuan boiler untuk menghasilkan uap dalam satuan berat per waktu. Untuk mendapatkan kapasitas boiler, harus mengetahui effisiensi dari boiler dan jumlah bahan bakar yang digunakan.
Kalor yang diberikan bahan bakar x effisiensi = Kalor yang diterima fluida untuk menjadi uap
Universitas Sumatera Utara
M DH = h (W) HV Keterangan: M = Kapasitas, Kg/Jam DH = Perbedaan entalphy keluar dan masuk, Kcal/Kg h = Effisiensi, % W = Berat Bahan Bakar, Kg/Jam HV = Heating Value, Kcal/Kg untuk fiber : 2340 Kcal/kg untuk shell : 3480 Kcal/kg 5 Efisiensi Efisiensi merupakan suatu ukuran efektifitas panas, suatu ukuran persentase berapa banyak steam yang dihasilkan dalam setiap jumlah bahan bakar yang terbakar (Loucks, 1942).
2.13
Water Tube Boiler
Pada water tube boiler, air umpan boiler mengalir melalui pipa-pipa masuk kedalam drum. Air yang tersirkulasi dipanaskan oleh gas pembakar membentuk steam pada daerah uap dalam drum. Boiler ini dipilih jika kebutuhan steam dan tekanan steam sangat tinggi seperti pada kasus boiler untuk pembangkit tenaga.
Water tube boiler yang sangat modern dirancang dengan kapasitas steam antara 4.500-12.000 kg/jam, dengan tekanan sangat tinggi. Banyak water tube boilers yang dikonstruksi secara paket jika digunakan bahan bakar minyak bakar dan gas. Untuk water tube yang menggunakan bahan bakar padat, tidak umum dirancang secara paket. 2.13.1 Karakteristik water tube boilers sebagai berikut :
a. Forced, induced dan balanced draft membantu untuk meningkatkan Efisiensi pembakaran b. Kurang toleran terhadap kualitas air yang dihasilkan dari plant pengolahan air. c. Memungkinkan untuk tingkat efisiensi panas yang lebih tinggi.
2.14
Paket Boiler
Universitas Sumatera Utara
Disebut boiler paket sebab sudah tersedia sebagai paket yang lengkap. Pada saat dikirim ke
pabrik, hanya memerlukan pipa steam, pipa air, suplai
bahan
bakar dan
sambungan listrik untuk dapat beroperasi. Paket boiler biasanya merupakan tipe shell and tube dengan rancangan fire tube dengan transfer panas baik radiasi maupun konveksi yang tinggi. (Jhon,W 1918)
Gambar 2.6 Jenis Paket Boiler (Spirax Sarco)
Ciri-ciri dari packaged boilers adalah: a. Kecilnya
ruang
pembakaran
dan
tingginya
panas
yang
dilepas
menghasilkan penguapan yang lebih cepat. b . Banyaknya jumlah pipa yang berdiameter kecil membuatnya memiliki perpindahan panas konvektif yang baik
2.15
Neraca Panas
Proses dalam boiler tidak lepas dari penyusunan neraca panas. Proses pembakaran dalam boiler dapat digambarkan dalam gambar neraca energi. Energi masuk dari proses pembakaran bahan bakar diubah menjadi energi yang bisa digunakan untuk untuk berbagai kebutuhan. Dalam proses ini pasti ada kehilangan energi.
Neraca panas merupakan keseimbangan energi masuk dan yang keluar. Berikut ilustrasi proses termodinamika.
Universitas Sumatera Utara
Sebagai contoh, berikut gambaran kehilangan energi yang mungkin dalam proses boiler dengan menggunakan bahan bakar batu bara.
Kehilangan energi dalam proses bisa dikategorikan kehilangan yang bisa dihindari dan yang tidak dapat dihindari. Pengkajian energi harus mengurangi kehilangan yang dapat dihindari, dengan meningkatkan efisiensi energi. Kehilangan dapat diminimalisasi: a)
Kehilangan panas di gas cerobong. Udara berlebih diturunkan hingga batas udara minimum dibutuhkan. Suhu gas cerobong dioptimalkan dengan pemeliharaan yang baik, teknologi boiler yang baik ,dan lain-lain.
b)
Kehilangan karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam ruang pembakaran, mengoptimalkan operasi dan pemeliharaan.
c)
Kehilangan waktu blowdown, pengolahan air umpan yang baik dan daur ulang kondensat.
d)
Kehilangan kondensat.
e)
Kehilangan konveksi dan radiasi ke lingkungan, dikurangi dengan mengisolasi boiler dengan baik.(Reklaitis,G.V 1942)
2.16
Pengolahan Air Umpan Boiler
Memproduksi steam yang berkualitas tergantung pada pengolahan air yang benar untuk mengendalikan kemurnian steam, endapan dan korosi. Sebuah boiler merupakan bagian dari sistim boiler, yang menerima semua bahan pencemar dari sistim didepannya. Kinerja boiler, efisiensi, dan umur layanan merupakan hasil langsung dari pemilihan dan pengendalian air umpan yang digunakan dalam boiler.
Jika air umpan masuk ke boiler, kenaikan suhu dan tekanan menyebabkan komponen air memiliki sifat yang berbeda. Hampir semua komponen dalam air umpan dalam keadaan terlarut. Walau demik ian, dibawah kondisi panas dan tekanan hampir seluruh komponen terlarut keluar dari larutan sebagai padatan partikuat, kadang-kadang dalam bentuk Kristal dan pada waktu yang lain sebagai bentuk amorph. Jika kelarutan komponen spesifik dalam air terlewati, maka akan terjadi pembentukan kerak dan endapan. Air boiler harus cukup bebas dari pembentukan endapan padat supaya terjadi perpindahan panas yang cepat dan efisien dan harus tidak korosif terhadap logam boiler. (Elonka,1982) Universitas Sumatera Utara
