Karya Akhir MEKANISME PROSES PEMANASAN AIR DI DALAM BOILER DENGAN MEMPERGUNAKAN HEATER TAMBAHAN UNTUK EFISIENSI PEMBAKARAN. Nama : HELMON SIHOMBING

Karya Akhir MEKANISME PROSES PEMANASAN AIR DI DALAM BOILER DENGAN MEMPERGUNAKAN HEATER TAMBAHAN UNTUK EFISIENSI PEMBAKARAN O L E H Nama : HELMON SIHOMBING Nim

: 035203039

PROGRAM DIPLOMA – IV TEKNOLOGI INSTRUMENTASI PABRIK FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2009

Helmon Sihombing : Mekanisme Proses Pemanasan Air Di Dalam Boiler Dengan Mempergunakan Heater Tambahan Untuk Efisiensi Pembakaran, 2010.

MEKANISME PROSES PEMBAKARAN DI DALAM BOILER DENGAN MEMPERGUNAKAN HEATER TAMBAHAN UNTUK EFISIENSI PEMBAKARAN OLEH :

Nama : HELMON SIHOMBING Nim

: 035203039

Disetujui oleh : Pembimbing Karya Akhir

Ir. ZULKARNAEN PANE Nip : 19570720 1983031 001

Pelaksana Harian Ketua Program Diploma – IV Teknologi Instrumentasi Pabrik Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara

Prof. Dr. Ir. USMAN BA’AFAI NIP : 19461022 1973021 001 PROGRAM DIPLOMA – IV TEKNOLOGI INSTRUMENTASI PABRIK FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2009


ABSTRAK Pada proses pemanasan air, air yang berasal dari raw water (air tanah) tidak langsung dibakar didalam boiler. dalam hal ini digunakan peralatan instrumen Deaerator dan economizer yang berfungsi untuk pemanasan awal sebelum dibakar didalam boiler. Fungsi deaerator dan economizer ini adalah sebagai komponen pembantu untuk memanaskan air sebelum dibakar didalam boiler. Apabila pemanasan air langsung dilakukan didalam boiler maka akan membutuhkan waktu yang cukup lama dan menggunakan bahan bakar yang cukup banyak sehingga proses produksi tidak efektif


KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, atas berkah dan rahmatnya sehingga penulis dapat menyelesaikan karya akhir ini. Tidak lupa pula penulis ucapkan ribuan terima kasih kepada Ayahanda Antonius Mangatur Sihombing dan Ibunda Romauli Damanik serta kakanda Helen Sihombing, adindan Rimbun Sihombing, dan adinda Helmi Mariance Sihombing tercinta yang tak pernah letih mengasuh, membesarkan, memberi dukungan moral maupun materil dan selalu menyertai Ananda dengan do’a sampai Ananda menyelesaikan Karya Akhir Ini. Dan tak luput pula penulis mengucapkan ribuan terima kasih kepada calon pendamping hidup saya Veronika Dora Lina Pandiangan, SH yang senantiasa mendampingi,

memberikan semangat dan dorongan nya melalui cinta dan kasih

sayangnya dan selalu menyertai saya dengan do’a sampai saya menyelesaikan Karya Akhir. Dalam proses penyusunan karya akhir ini, penulis telah mendapat bimbingan dan arahan dari berbagai pihak, maka untuk bantuan yang di berikan baik materil, spiritual, informasi maupun administrasi. Oleh karena itu sepantasnya penulis mengucapakan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Bapak Prof. Dr. Ir. Armansyah Ginting M.Eng. selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. 2. Alm. Bapak Ir. Nasrul Abdi MT. 3. Bapak Prof. Dr. Ir. Usman Ba’afai, selaku P.J.S ketua Jurusan Teknik Elektro. 4. Bapak Rahmat Fauzi, ST, MT selaku sekretaris Jurusan Teknik Elektro. Helmon Sihombing : Mekanisme Proses Pemanasan Air Di Dalam Boiler Dengan Mempergunakan Heater Tambahan Untuk Efisiensi Pembakaran, 2010.

5. Bapak Ir. Zulkarnaen Pane. selaku dosen pembimbing dalam penyusunan karya akhir ini. 6. Bapak Ir. Satria Ginting selaku Dosen Wali. 7. Rekan-rekan mahasiswa Jurusan Teknologi Instrumentasi Pabrik angkatan 2003 yang telah banyak membantu penulis.

Akhir kata tak ada gading yang tak retak, karena keterbatasan waktu dan kemampuan, penyusun menyadari bahwa dalam pembuatan Karya Akhir ini masih terdapat banyak kekurangan maupun kesalahan. Untuk itu penyususn membuka diri atas segala kritik dan saran yang bersifat membangun agar dapat di diskusikan dan di pelajari bersama demi kemajuan wawasan ilmu pengetahuann teknologi. Semoga karya akhir ini dapat bermanfaat bagi kita semua.

Medan, November 2009

Penyusun


DAFTAR ISI

ABSTRAK ...................................................................................................

i

KATA PENGANTAR .................................................................................

ii

DAFTAR ISI ................................................................................................

iv

DAFTAR GAMBAR ...................................................................................

vii

DAFTAR TABEL ........................................................................................

ix

BAB I PENDAHULUAN.............................................................................

1

I.1.

Pendahuluan .....................................................................................

1

I.1.1. Deaerator .......................................................................

2

I.1.1.1 Economizer ..................................................................

3

I.2.

Tujuan Karya Akhir ...........................................................................

4

I.3.

Rumusan Masalah ..............................................................................

5

I.4.

Batasan Masalah ................................................................................

5

I.5.

Metode Penulisan...............................................................................

5

I.6.

Sistematika Penulisan ........................................................................

6

BAB II LANDASAN TEORI .....................................................................

8

II.1

Teori Dasar ........................................................................................

8

II.2.

Diagram fase steam............................................................................

12

II.3.

Kualitas steam ...................................................................................

14

II.4.

Sistem Distribusi Steam .....................................................................

14

II.5.

Pipa – Pipa .........................................................................................

19

II.5.1. Bahan Pipa ..............................................................................

19


II.5.2 Tata Letak Pemipaan ................................................................

19

II.6.

Strainers.............................................................................................

20

II.7.

Filter ..................................................................................................

23

II.8.

Pemisah/Separator .............................................................................

25

II.9.

Ventilasi udara ...................................................................................

27

II.10. Pemanfaatan Kembali Kondensat .......................................................

30

II.11

Jenis – Jenis Boiler Uap .....................................................................

32

II.11.1 Fire Tube Boiler .....................................................................

32

II.11.2 Water Tube Boiler ..................................................................

32

II.11.3 Boiler Paket ............................................................................

34

II.11.4 Boiler Pembakaran dengan Fluidized Bed (FBC) ....................

35

II.11.5 Atmospheric Fluidized Bed Combustion (AFBC) Boiler.........

37

II.11.6 Pressurized Fluidized Bed Combustion (PFBC) Boiler ...........

38

II.11.7 Atmospheric Circulating Fluidized Bed Combustion Boilers (CFBC) ......................................................................

38

II.11.8 Stoker Fired Boilers ................................................................

39

II.11.8.1 Spreader stokers .......................................................

40

II.11.8.2 Chain-grate atau traveling-grate stoker .....................

40

II.11.9 Pulverized Fuel Boiler ............................................................

41

II.11.10 Boiler Limbah Panas .............................................................

43

II.11.11 Boiler Pemanas Fluida Termis ..............................................

44

BAB III MEKANISME PERUBAHAN AIR MENJADI UAP DI DALAM BOILER ...................................................................

45


III.1

Proses Pemanasan Air ........................................................................

45

III.2

Keterpasangan alat deaerator..............................................................

51

III.2.1 Data Teknis Deaerator .............................................................

53

III.3

Keterpasangan Peralatan Pada Economizer ........................................

55

III.4

Data Teknis Boiler .............................................................................

57

III.5

Data Teknis Generator .......................................................................

58

BAB IV MEKANISME KERJA DEAREATOR DAN EKONOMIZER ...........................................................................

58

IV.1. Deaerator Dan Economizer Sebagai Instrument Pembantu Dalam Pemanasan Air ........................................................................ IV.2

58

Mekanisme Deaerator Dan Economizer Merupakan Instrument Pendukung .......................................................................

61

Analisa Performasi Dari Deaerator dan Economizer ...........................

64

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN........................................................

75

V.1.

Kesimpulan........................................................................................

75

V.2.

Saran .................................................................................................

75

DAFTAR PUATAKA ..................................................................................

76

IV.3


DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Deaerator .................................................................................

4

Gambar 2.1 Kurva Steam Jenuh ..................................................................

13

Gambar 2.2 Diagram Fase Entalpi Suhu ......................................................

14

Gambar 2.3 Contoh Sirkuit Steam ...............................................................

17

Gambar 2.4 Instalasi Pemipaan Steam .........................................................

21

Gambar 2.5 Strainer Jenis-Y ........................................................................

22

Gambar 2.6 Strainer Jenis-Keranjang/basket ................................................

22

Gambar 2.7 Penggunaan untuk Steam atau Gas ...........................................

23

Gambar 2.8 Penggunaan untuk Cairan .........................................................

23

Gambar 2.9 Aliran Turun Secara Vertikal ....................................................

24

Gambar 2.10 Filter In-line Horizontal............................................................

26

Gambar 2.11 Separator Tipe Baffle ...............................................................

28

Gambar 2.12 Ujung Ventilasi Udara Otomatis Utama....................................

30

Gambar 2.13 Sebuah Sirkuit Steam dan Kondensat .......................................

32

Gambar 2.14 Fire Tube Boiler .......................................................................

33

Gambar 2.15 Water Tube Boiler ....................................................................

34

Gambar 2.16 Boiler Paket .............................................................................

36

Gambar 2.17 Atmospheric Circulating Fluidized Bed Combustion Boilers (CFBC) ........................................................................

39

Gambar 2.18 Spreader Stoker Boiler .............................................................

40

Gambar 2.19 Traveling Grate Boiler..............................................................

41

Gambar 2.20 Pembakaran Tangensial untuk Bahan Bakar Halus ...................

42

Gambar 2.21 Boiler Limbah Panas ................................................................

43


Gambar 2.22 Boiler Pemanas Fluida Termis ..................................................

45

Gambar 3.1 Diagram Block Proses ..............................................................

48

Gambar 3.2 Kurva Steam Jenuh ..................................................................

53

Gambar 3.3 Konstruksi Deaerator................................................................

51

Gambar 3.4 Sootblower ............................................................................... Gambar 3.5 Ash Handling Sistem................................................................ Gambar 4.1 Mekanisme kerja Deaerator dan Economizer ............................

52

Gambar 4.2 Penampang Economizer ...........................................................

54

Gambar 4.3 Grafik Penggunaan Economizer ...............................................

57


DAFTAR TABEL

Tabel 2.1

Perbandingan Steam, Air Panas,Fluida Minyak ........................

10

Tabel .41

Penghematan Deareator dan Ekonomizer..................................

75


BAB I PENDAHULUAN

I.1 Pendahuluan Didalam suatu pabrik yang mempunyai system pembangkit tenaga listrik (Power Plant) terutama pada pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) sangat banyak menggunakan

peralatan

instrumentasi

sebagai

komponen

vital

dalam

pengoperasiannya. Untuk itu peralatan tersebut harus dapat menghasilkan hasil pengukuran dengan baik dan akurat. Pada prosesnya, PLTU menggunakan air sebagai bahan baku yang dibakar didalam boiler dan menghasilkan steam (Uap) untuk memutar turbin dan generator sehingga dapat menghasilkan listrik Boiler uap atau boiler adalah pesawat atau bejana yang disusun untuk mengubah air menjadi uap dengan jalan pemanasan, dimana energi kimia diubah menjadi energi panas. Karena panas yang diperlukan untuk membuat uap air ini didapat dari hasil pembakaran, maka boiler harus mempunyai dapur sebagai tempat pembakar. Dimana boiler uap terdiri dari drum yang tertutup pada ujung serta pangkal nya dan dalam perkembangannya dikenal dengan boiler pipa api dan boiler pipa air. Konstruksi boiler uap berhubungan dengan sifat yang dimiliki oleh air terutama uap serta peristiwa yang terjadi pada pembentukan uap. Naiknya temperature air terjadi karena adanya panas yang diberikan nyala api terhadap air melalui dinding boiler yang berisikan gas panas hasil pembakaran. Akibat pemberian panas secara terus menerus maka akan terbentuk gelembung-gelembung uap yang bergerak keatas permukaan. Hal ini akibat perbedaan berat jenis antara uap air dan air, selanjutnya air pun turun, begitulah bersirkulasi secara terus menerus selama terjadi nya pembakaran bahan baker masih berlangsung. Helmon Sihombing : Mekanisme Proses Pemanasan Air Di Dalam Boiler Dengan Mempergunakan Heater Tambahan Untuk Efisiensi Pembakaran, 2010.

Pada boiler pipa air, dimana air mengalir didalam pipa-pipa, sedangkan pemanasan air itu dilakukan oleh gas asap dinding-dinding pipa bagian luar. Konstruksi dari boiler ini mempunyai beberapa kelompok pipa-pipa, pada boiler yang sudah modern pipa-pipa airnya ditempatkan juga pada dinding dapur. Pipa-pipa air ini terutama dari pipa baja yang berdinding tipis dan dipasang miring atau tegak dan mempunyai garis tengah yang kecil. Kemiringan dari pipa-pipa ini minimum 15%. Boiler pipa air ini lebih tepat untuk tekanan-tekanan uap yang besar, karena ukuran bagian-bagian boiler yang kecil dan dinding-dinding dapat dikatakan tidak ada sama sekali.

I.1.1 Deaerator Deaerator adalah alat yang bekerja untuk membuang gas-gas yang terkandung dalam air boiler, sesudah melalui proses pemurnian air (water treatment). Selain itu deaerator juga berfungsi sebagai pemanas awal air pengisian boiler sebelum dimasukkan kedalam boiler. Deaerator bekerja berdasarkan sifat dari oksigen yang kelarutannya pada air akan berkurang dengan adanya kenaikan suhu.

Gambar I.1 Deaerator Alat deaerator ini terdiri dari dua drum dimana drum yang lebih kecil merupakan tempat pemanasan pendahuluan dan pembuangan gas-gas dari bahan air


boiler, sedangkan drum yang lebih besar adalah merupakan tempat penampungan bahan air boiler yang jatuh dari drum yang lebih kecil di atasnya.

I.1.2 Economizer Economizer dapat diartikan sebagai penghemat bahan bakar dalam proses pemanasan air pengisian pada boiler. Alat ini juga mempunyai keuntungan yang lain, dimana air pengisian (feed water) masuk kedalam boiler dengan suhu yang lebih tinggi, sehingga air boiler tidak banyak mengalami pendinginan ketika memasukkan air pengisian yang baru. Dengan demikian pembuatan uap tidak banyak terganggu. Economizer adalah sejenis alat penukar panas aliran silang dimana panas dipindahkan dari gas asap (hasil pembakaran) ke air pengisian (feed water) yang sedang masuk. Penyerapan di economizer ini juga dapat meningkatkan efisiensi boiler. Fungsi dari economizer sebagai pemanas awal feed water sebelum masuk kedalam steam drum dimana panas yang diperoleh dari gas asap diserap oleh dindingdinding pipa economizer untuk memanaskan air dalam pipa sehingga air tersebut menjadi saturated. Jadi urutan mekanisme proses cara kerja boiler adalah sebagai berikut : 1.

Air yang telah di filtrasi melalui Reverse Osmosis kemudian dialirkan ke deaerator untuk dipanaskan awal dan memisahkan logam atau mineral yang berada didalam air, dengan tujuan agar air dapat dibakar didalam boiler dan meningkatkan efisiensi air dan menghindari korosi pada pipa – pipa yang dilaluinya.

2.

Setelah diproses dideaerator kemudian air dipompakan menuju economizer

menggunakan

feeding

pump.

Pemanasan

didalam

economizer menggunakan gas buang yang berasal dari dalam boiler. Gas panas tersebut hanya di set melalui economizer sebelum dibuang melalui Helmon Sihombing : Mekanisme Proses Pemanasan Air Di Dalam Boiler Dengan Mempergunakan Heater Tambahan Untuk Efisiensi Pembakaran, 2010.

chimney. Tujuan gas panas dialirkan melalui economizer hanyalah untuk pemanasan pembantu untuk air yang akan dibakar didalam boiler. 3.

Setelah air dipanaskan melalui economizer, maka air tadi akan dialirkan ke drum boiler dengan tujuan sebagai tempat penyimpanan sementara untuk air sebelum dibakar didalam boiler.

4.

Air didalam drum boiler merupakan air yang sudah panas yang bersuhu sekitar 165 – 1800C yang akan segera dibakar didalam boiler untuk menjadikan air menuju steam.

5.

Setelah dibakar didalam boiler, air tadi berubah menjadi steam tapi belum bisa digunakan disebabkan air masih menjadi steam basah, oleh sebab itu steam basah tersebut dialirkan ke superheater dengan tujuan untuk meningkatkan suhu dah mengubah steam basah menjadi steam kering hingga dapat memutar turbin dan generator.

I.2.

Tujuan Karya Akhir Adapun tujuan dari karya akhir ini adalah 1. Untuk memenuhi syarat menyelesaikan masa studi sebagai Mahasiswa program Diploma IV Teknologi Instrumentasi Pabrik. 2. Mengetahui dan memahami mekanisme cara kerja dari boiler dan penggunaan

perangkat tambahan serta penggunaannya pada proses

pemanasan air menjadi steam.

I.3.

Rumusan Masalah • Bagaimana proses pemanasan air menjadi steam • Bagaimana cara kerja perangkat tambahan seperti dearator, ekonomizer, elektostatic precipitator sebagai komponen ekonomis dalam konsumsi energi. • Bagaimana proses aliran steam hingga memutar turbin.


I.4.

Batasan Masalah Mengingat masalah yang akan diangkat sebagai karya akhir ini mempunyai

ruang lingkup yang relatif luas, maka penulis membatasi masalah karya akhir ini pada :

I.5.

•

Hanya membahas prinsip kerja dari boiler

•

Tidak membahas perhitungan secara mendetail

Metode Penulisan Metode penulisan yang dipergunakan dalam penulisan Karya Akhir ini antara

lain sebagai berikut: 1. Dengan mempelajari teori dan pengamatan langsung di lapangan serta melakukan diskusi dengan pembimbing dilapangan dan juga operator di bagian pembangkit listrik tenaga uap. 2. Melakukan diskusi dengan Dosen Pembimbing Fakultas. 3. Dengan mencari buku-buku referensi dari beberapa pustaka dan mengambil artikel – artikel dari website yang dapat menunjang penyusunan Karya Akhir.

I.7.

Sistematika Penulisan Untuk mempermudah pembahasan dalam penulisan karya akhir ini, maka

penulis membuat suatu sistematika penulisan. Sistematika penulisan ini merupakan urutan bab demi bab termasuk isi dari sub – sub babnya. Adapun sistematika pembahasan tersebut adalah sebagai berikut :


BAB I

: PENDAHULUAN Bab ini berisi tentang latar belakang pemilihan judul, tujuan karya akhir, Tinjauan umum, rumusan dan batasan masalah, metode penulisan, dan sistematika penulisan.

BAB II

: LANDASAN TEORI Bab ini menjelaskan tentang teori-teori pembakaran air menjadi steam, teori dasar mengenai boiler dan teori alat-alat pendukung dalam proses pengontrolan pemanasan air menjadi steam.

BAB III

: MEKANISME PERUBAHAN AIR MENJADI UAP DI DALAM BOILER Bab ini berisikan penjelasan mengenai prinsip kerja, kontruksi alat, gambar keterpasangan peralatan, data teknis.

BAB IV

:MEKANISME KERJA DEAREATOR DAN EKONOMIZER SERTA ANALISA PERFORMASI DARI DEAERATOR DAN ECONOMIZER Bab ini menjelaskan mekanisme kerja deareator dan ekonomizer dan analisa penghematan penggunaan deaearator dan economizer

BAB V

: KESIMPULAN DAN SARAN Bab ini berisikan tentang kesimpulan dan saran yang dapat diambil penulis dari pengamatan dilapangan dan pada waktu penulisan karya akhir.


BAB II LANDASAN TEORI

II.1 Teori Dasar Steam merupakan bagian penting dan tidak terpisahkan dari teknologi modern. Tanpa steam, maka industri makanan kita, tekstil, bahan kimia, bahan kedokteran, daya, pemanasan dan transportasi tidak akan ada atau muncul seperti sekarang ini. Steam memberikan suatu cara pemindahan sejumlah energi yang terkendali dari suatu pusat, ruang boiler yang otomatis, dimana energi dapat dihasilkan secara efisien dan ekonomis, sampai ke titik penggunaan. Steam yang bergerak mengelilingi pabrik dianggap sama dengan transportasi dan penyediaan energi. Untuk beberapa alasan, steam merupakan komoditas yang paling banyak digunakan untuk membawa energi panas. Penggunaannya terkenal diseluruh industri untuk pekerjaan yang luas dari produksi daya mekanis sampai penggunaan proses dan pemanasan ruangan. Alasan dari penggunaan steam adalah: •

Steam dapat dengan mudah dan murah untuk didistribusikan ke titik penggunaan

•

Steam mudah dikendalikan

•

Energinya mudah ditransfer ke proses

•

Plant steam yang modern mudah untuk dikendalikan

•

Steam bersifat fleksibel Selain penggunaan steam adalah air dan fluida panas seperti minyak bersuhu

tinggi. Masing-masing metoda memiliki keuntungan dan kerugiannya, sebagaimana diperlihatkan dalam Tabel 2.1 Helmon Sihombing : Mekanisme Proses Pemanasan Air Di Dalam Boiler Dengan Mempergunakan Heater Tambahan Untuk Efisiensi Pembakaran, 2010.

Tabel 2.1 Perbandingan Steam, Air Panas, Fluida Minyak Steam

Air panas

Minyak bersuhu tinggi

Kandungan panas

Kandungan panas

Kandungan panas

tinggi

sedang. Panas jenis

buruk

Panas latennya kira-

4,19 kj/kg°c

Panas jenis seringkali

kira

1,69-2,93 kj/kg°c

2 100 kj/kg Murah

Murah

Biaya untuk

Penggunaannya

pemgolahan

hanya

Air

kadangkadang/

Mahal

Intermittent Koefisien perpindahan

Koefisiennya

Koefisiennya relatif

Panasnya baik

menengah

buruk

Diperlukan tekanan

Diperlukan tekanan

Hanya diperlukan

tinggi

tinggi untuk

tekanan

Untuk suhu yang tinggi

Suhu yang tinggi

Rendah untuk mendapatkan suhu Tinggi

Tidak diperlukan

Diperlukan pompa

Diperlukan pompa

pompa

sirkulasi

sirkulasi

Sirkulasi

Pipa-pipanya besar

Pipa-pipanya besar

Mudah untuk

Lebih rumit

Lebih rumit

Mengendalikan dengan

mengendalikan –

mengendalikan –

valve

Diperlukan valve

Diperlukan valve tiga

Dua arah

tiga arah atau

arah atau

Valve tekanan

Valve tekanan

diferensial

diferensial

Penurunan suhunya

Penurunan suhunya

Penurunan suhunya

mudah

lebih sulit

lebih sulit

Pipa-pipanya kecil


Dilakukan melalui valve Penurun suhu Diperlukan steam traps

Tidak diperlukan

Tidak diperlukan steam

steam traps

traps

Terdapat kondensat

Tidak ada

Tidak ada penanganan

yang

penanganan

kondensat

Harus ditangani

kondensat

Tidak ada flash steam

Tersedia flash steam

Tidak ada flash steam

Perlu blowdown boiler

Tidak perlu

Tidak perlu blowdown

blowdown Diperlukan pengolahan

Sedikit terjadi korosi

Korosi diabaikan

Diperlukan jaringan

Media yang dicari,

Media yang sangat

Pemipaan yang baik

Pengelasan dan

dicari,

penyambungan

Pengelasan dan

air untuk mencegah korosi

penyambungan Flens seperti biasa

Flens seperti biasa

Tidak ada resiko

Tidak ada resiko

Terdapat resiko

kebakaran

kebakaran

kebakaran

Sistemnya sangat

Sistemnya kurang

Sistemnya tidak

fleksibel

fleksibel

fleksibel

Dengan meningkatnya suhu dan air mendekati kondisi didihnya, beberapa molekul mendapatkan energi kinetik yang cukup untuk mencapai kecepatan yang membuatnya sewaktu-waktu lepas dari cairan ke ruang diatas permukaan, sebelum jatuh kembali ke cairan. Pemanasan lebih lanjut menyebabkan eksitasi lebih besar dan sejumlah molekul dengan energi cukup untuk meninggalkan cairan jadi meningkat. Dengan mempertimbangkan struktur molekul cairan dan uap, masuk akal bahwa Helmon Sihombing : Mekanisme Proses Pemanasan Air Di Dalam Boiler Dengan Mempergunakan Heater Tambahan Untuk Efisiensi Pembakaran, 2010.

densitas steam lebih kecil dari air, sebab molekul steam terpisah jauh satu dengan yang lainnya. Ruang yang secara tiba-tiba terjadi diatas permukaan air menjadi terisi dengan molekul steam yang kurang padat. Jika jumlah molekul yang meninggalkan permukaan cairan lebih besar dari yang masuk kembali, maka air menguap dengan bebasnya. Pada titik ini air telah mencapai titik didihnya atau suhu jenuhnya, yang dijenuhkan oleh energi panas. Jika tekananya tetap, penambahan lebih banyak panas tidak mengakibatkan kenaikan suhu lebih lanjut namun menyebabkan air membentuk steam jenuh. Suhu air mendidih dengan steam jenuh dalam sistem ya ng sama adalah sama, akan tetapi energi panas per satuan massa nya lebih besar pada steam. Pada tekanan atmosfir suhu jenuhnya adalah 100°C. Tetapi, jika tekanannya bertambah, maka akan ada penambahan lebih banyak panas yang peningkatan suhu tanpa perubahan fase. Oleh karena itu, kenaikan tekanan secara efektif akan meningkatkan entalpi air dan suhu jenuh. Hubungan antara suhu jenuh dan tekanan dikenal sebagai kurva steam jenuh (Gambar 2.1).

Gambar 2.1 Kurva Steam Jenuh Air dan steam dapat berada secara bersamaan pada berbagai tekanan pada kurva ini, keduanya akan berada pada suhu jenuh. Steam pada kondisi diatas kurva jenuh dikenal dengan superheated steam/ steam lewat jenuh: Helmon Sihombing : Mekanisme Proses Pemanasan Air Di Dalam Boiler Dengan Mempergunakan Heater Tambahan Untuk Efisiensi Pembakaran, 2010.

•

Suhu diatas suhu jenuh disebut derajat steam lewat jenuh

•

Air pada kondisi dibawah kurva disebut air sub- jenuh. Jika steam dapat mengalir dari boiler pada kecepatan yang sama dengan yang

dihasilkannya, penambahan panas lebih lanjut akan meningkatkan laju produksinya. Jika steam yang sama tertahan tidak meninggalkan boiler, dan jumlah panas yang masuk dijaga tetap, energi yang mengalir ke boiler akan lebih besar dari pada energi yang mengalir keluar. Energi berlebih ini akan menaikan tekanan, yang pada gilirannya akan menyebabkan suhu jenuh meningkat, karena suhu steam jenuh berhubungan dengan tekanannya.

II.2 Diagram fase steam Data yang diberikan dalam tabel steam dapat juga dinyatakan dalam bentuk grafik. Gambar 2.2 memberi gambaran hubungan antara entalpi dan suhu pada berbagai tekanan, dan dikenal dengan diagram fase.

Gambar 2.2 Diagram Fase Entalpi Suhu


Ketika air dipanaskan dari 0°C sampai suhu jenuhnya, kondisinya mengikuti garis cair jenuh sampai menerima seluruh entalpi cairannya, hf, (A - B). Jika panas ditambahkan lebih lanjut, maka akan merubah fase ke steam jenuh dan berlanjut meningkakan entalpi sambil tetap pada suhu jenuhnya, hfg, (B - C). Jika campuran steam/air meningkat kekeringannya, kondisinya bergerak dari garis cair jenuh ke garis uap jenuh. Oleh karena itu pada titik tepat setengah diantara kedua keadaan tersebut, fraksi kekeringan (x) nya sebesar 0,5. Hal yang sama, pada garis uap jenuh steamnya 100 % kering. Begitu menerima seluruh entalpi penguapannya maka akan mencapai garis uap jenuh. Jika pemanas dilanjutkan setelah titik ini, suhu steam akan mulai naik mencapai lewat jenuh (C - D). Garis-garis cairan jenuh dan uap jenuh menutup wilayah dimana terdapat campuran steam/air–steam basah. Dalam daerah sebelah kiri garis cair jenuh, hanya terdapat air, dan pada daerah sebelah kanan garis uap jenuh hanya terdapat steam lewat jenuh. Titik dimana garis cairan jenuh dan uap jenuh bertemu dikenal dengan titik kritis. Jika tekanan naik menuju titik kritis maka entalpi penguapannya berkurang, sampai menjadi nol pada titik kritisnya. Hal ini menunjukkan bahwa air berubah langsung menjadi steam jenuh pada titik kritisnya. Diatas titik kritis hanya gas yang mungkin ada. Keadaan gas merupakan keadaan yang paling terdifusi dimana molekulnya hampir memiliki gerakan yang tidak dibatasi, dan volumeenya meningkat tanpa batas ketika tekanannya berkurang. Titik kritis merupakan suhu tertinggi dimana bahan berada dalam bentuk cairan. Pemberian tekanan pada suhu konstan dibawah titik kritis tidak akan mngakibatkan perubahan fase. Walau begitu, pemberian tekanan pada suhu konstan dibawah titik kritis, akan mengakibatkan pencairan uap begitu melintas dari daerah lewat jenuh/ superheated ke daerah steam basah. Titik kritis terjadi pada suhu 374,15oC dan tekanan steam 221,2


bars. Diatas tekanan ini steam disebut superkritis dan tidak ada titik didih yang dapat diterapkan.

II.3 Kualitas Steam Steam harus tersedia pada titik penggunaan : •

Dalam jumlah yang benar untuk menjamin bahwa aliran panas yang memadai tersedia untuk perpindahan panas

•

Pada suhu dan tekanan yang benar, atau akan mempengaruhi kinerja

•

Bebas dari udara dan gas yang dapat mengembun yang dapat menghambat perpindahan panas

•

Bersih, karena kerak (misal korosi atau endapan karbonat) atau kotoran dapat meningkatkan laju erosi pada lengkungan pipa dan orifice kecil dari steam traps dan valve

•

Kering, dengan adanya tetesan air dalam steam akan menurunkan entalpi penguapan aktual, dan juga akan mengakibatkan pembentukan kerak pada dinding pipa dan permukaan perpindahan panas.

II.4 Sistem Distribusi Steam Sistem distribusi steam merupakan hubungan penting antara pembangkit steam dan pengguna steam. Terdapat berbagai macam metoda untuk membawa steam dari pusat sumber ke titik penggunaan. Pusat sumber mungkin berupa ruang boiler atau pengeluaran dari plant kogenerasi. Boiler dapat menggunakan bahan bakar primer, atau boiler limbah panas yang menggunakan gas buang dari proses bersuhu tinggi, mesin- mesin atau bahkan insinerator. Apapun sumbernya, sistem distribusi steam yang efisien adalah penting untuk pemasokan steam dengan kualitas dan Helmon Sihombing : Mekanisme Proses Pemanasan Air Di Dalam Boiler Dengan Mempergunakan Heater Tambahan Untuk Efisiensi Pembakaran, 2010.

tekanan yang benar ke peralatan yang menggunakan steam. Pemasangan dan perawatan sistem steam merupakan hal penting dan harus sudah dipertimbangkan mulai tahap perancangan. Diperlukan suatu pemahaman mengenai dasar sirkuit steam atau ‘loop kondensat dan steam’. Ketika steam mengembun didalam proses, kondensat dialirankan kembali kedalam pipa suplai air boiler. Kondensat memiliki volume yang sangat kecil dibandingkan dengan steam, dan hal ini menyebabkan penurunan tekanan, yang membuat steam mengalir melalui pipa-pipa. Steam yang dihasilkan pada boiler harus dibawa melalui pipa kerja ke titik dimana energi panasnya diperlukan. Pada awalnya hanya terdapat satu atau lebih pipa utama, atau ‘saluran pipa steam’, yang membawa steam dari boiler kearah plant yang menggunakan steam. Pipa-pipa cabang yang lebih kecil membawa steam ke masing- masing peralatan. Ketika valve isolasi boiler utama (kadangkala disebut valve ‘mahkota’) dibuka, steam dengan segera melintas dari boiler menuju dan sepanjang saluran pipa steam ke titik pada tekanan rendah. Pipa kerja pada mulanya lebih dingin daripada steam, sesampai panas dipindahkan dari steam ke pipa. Udara disekitar pipa-pipa juga sebelumnya lebih dingin dari steam, kemudian pipa kerja akan mulai memindahkan panas steam ke udara.


Gambar 2.3 Contoh Sirkuit Steam Steam yang berkontak dengan pipa yang lebih dingin akan mulai mengembun dengan segera. Pada saat start-up, laju kondensasi akan berada pada nilai maksimumnya, hal ini merupakan waktu dimana terjadi perbedaan suhu yang maksimum antara steam dan pipa kerja. Laju kondensasi ini biasanya disebut ‘beban permulaan’. Begitu pipa kerja telah dihangatkan, perbedaan suhu antara steam dan pipa kerja menjadi minimal, namun kondensasi akan terjadi kaerna pipa kerja masih terus memindahkan panas ke udara sekitar. Laju kondensasi ini disebut ‘beban berjalan’. Hasil dari kondensasi (kondensat/embun) jatuh ke bagian bawah pipa dan dibawa oleh aliran steam yang dibantu oleh gaya gravitasi, karena sudut kemiringan pada saluran pipa steam dibuat diatur turun pada arah aliran steam. Kondensat kemudian harus dikeluarkan dari berbagai titik strategis pada saluran pipa steam. Ketika valve pada pipa steam yang melayani bagian plant yang menggunakan steam dibuka, steam mengalir dari sistem distribusi masuk ke plant dan terjadi lagi kontak dengan permukaan yang lebih dingin. Steam kemudian memindahkan energinya dan menghangatkan peralatan dan produk (beban permulaan), dan bila telah mencapai suhunya, pemindahan panas berlanjut ke proses (beban berjalan). Sekarang terdapat pasokan steam yang sinambung dari boiler untuk mencukupi beban terhubung dan untuk menjaga pasokan ini, harus dihasilkan steam yang lebih banyak lagi. Untuk memenuhi kebutuhan ini, dibutuhkan air yang lebih banyak (dan bahan bakar untuk memanaskan air ini) untuk dipasok ke boiler sebagai air make up yang sebelumnya sudah diuapkan menjadi steam. Kondensat yang terbentuk dalam pipa distribusi steam dan dalam peralatan proses dapat dipakai sebakai pasokan sebagai air umpan panas boiler. Kondensat harus dikeluarkan dari ruang steam, namun kondensat Helmon Sihombing : Mekanisme Proses Pemanasan Air Di Dalam Boiler Dengan Mempergunakan Heater Tambahan Untuk Efisiensi Pembakaran, 2010.

ini juga merupakan komoditi yang sangat berharga yang tidak boleh dibiarkan untuk menjadi limbah. Mengembalikan seluruh kondensat ke tangki umpan boiler akan menutup loop energi steam, dan harus dilakukan bila memungkinkan. Distribusi tekanan steam dipengaruhi oleh sejumlah faktor, dan dibatasi oleh: •

Tekanan kerja maksimum yang aman bagi boiler

•

Tekanan minimum yang diperlukan pada plant

Ketika steam melewati pipa distribusi, maka steam tidak dapat menghindari kehilangan tekanannya karena : •

Tahanan gesekan/friksi didalam pipa.

•

Kondensasi/pengembunan yang terjadi didalam pipa ketika panas dipindahkan ke lingkungan.

Oleh karena itu pada saat menentukan tekanan distribuís awal, harus ada kelonggaran untuk kehilangan tekanan ini. Satu kilogram steam pada tekanan yang lebih tinggi mempunyai volume lebih kecil dari pada pada tekanan rendah. Jadi, jika steam dibangkitkan dalam boiler pada tekanan tinggi dan didistribusikan pada tekanan yang tinggi pula, maka ukuran saluran pipa distribusi akan menjadi lebih kecil. Pembangkitan dan pendistribusian steam pada tekanan tinggi memberikan tiga keuntungan yang cukup penting: •

Kapasitas penyimpanan panas pada boiler meningkat, membantu boiler lebih efisien dalam menangani beban yang berfluktuasi, meminimalkan resiko terbentuknya steam basah dan kotor.

•

Diperlukan saluran pipa steam yang lebih kecil, sehingga biaya investasinya untuk pipa, bahan penunjang, bahan isolasi dan buruh lebih rendah.

•

Saluran pipa steam yang lebih kecil berarti biaya isolasi lebih rendah.


Pada sistem distribusi tekanan tinggi, diperlukan penurunan tekanan steam pada setiap zona atau titik penggunaan pada sistem untuk menyesuaikan dengan tekanan maksimum yang diperlukan penggunanya. Penurunan tekanan tersebut juga akan menghasilkan steam yang lebih kering pada titik penggunaan.

Komponen penting pada sistem distribusi akan dijelaskan pada bagian berikut: •

Pipa-pipa

•

Titik pengeluaran

•

Jalur cabang

•

Saringan/ strainers

•

Saringan/ filters

•

Pemisah/ separator

•

Steam traps

•

Ventilasi udara

II.5 Pipa-pipa II.5.1 Bahan pipa Pipa sistem steam biasanya dibuat dari baja karbon ANSI B 16.9 Al06. Bahan yang sama juga dapat digunakan untuk jalur kondensat, walaupun pipa tembaga lebih disukai oleh beberapa industri. Untuk saluran pipa steam lewat jenuh yang bersuhu tinggi, ditambahkan bahan campuran seperti chromium dan molybdenum untuk memperbaiki kuat tarik dan resistansi terhadap golakan pada suhu tinggi. Biasanya pipa dipasok dengan panjang 6 meter.


II.5.2 Tata Letak Pemipaan Saluran pipa steam harus dipasang dengan penurunan/slope tidak kurang dari 1:100 (turun 1 m untuk setiap 100 m), kearah aliran steam. Sudut kemiringan ini akan menjamin bahwa gravitasi, dan juga aliran steam, akan membantu pergerakan kondensat menuju titik pengeluaran dimana kondensat akan dengan aman dan efektif diambil.

Gambar 2.4 Instalasi Pemipaan Steam

II.6 Strainers Dengan semakin meningkatnya persaingan pasar, penekanan lebih banyak ditujukan pada pengurangan penghentian/downtime pabrik dan perawatan. Dalam sistem steam dan kondensat, kerusakan pabrik seringkali diakibatkan oleh kotorankotoran pada saluran pipa seperti kerak, korosi, senyawaan pada sambungan, pengelasan logam dan padatan lainnya, yang dapat masuk menuju sistem pemipaan. Strainers adalah peralatan yang menangkap padatan tersebut dalam cairan atau gas, dan melindungi peralatan dari pengaruh-pengaruh yang membahayakan, dengan begitu mengurangi waktu penghentian dan perawatan. Strainer harus dipasang pada bagian hulu pada setiap steam trap, pengukur aliran dan valve kendali.


Strainers dapat dikelompokkan kedalam dua tipe utama menurut bentuk dan susunan badannya : yakni tipe-Y dan tipe keranjang/basket. Contoh khas dari tipe strainers dapat dilihat dalam Gambar 2.5.

Gambar 2.5 Strainer Jenis-Y

Gambar 2.6 Strainer Jenis-Keranjang/basket


Untuk steam, strainer tipe-Y merupakan standar yang umum dan banyak digunakan dimana-mana. Badannya berbentuk silinder yang kompak, sangat kuat dan dapat menangani tekanan yang tinggi. Alat ini sebetulnya merupakan tangki bertekanan, dan strainer tipe-Y ini mampu menangani tekanan sampai 400 bar/g. Karena pada tekanan tersebut steam biasanya bersuhu sangat tinggi, maka untuk mengatasi hal tersebut dibuat strainers yang menggunakan bahan yang luar biasa seperti baja chrome-molybdenum. Walau terdapat berbagai pengecualian, ukuran demi ukuran, strainer tipe-Y memiliki kapasitas penanganan kotoran yang lebih rendah daripada strainer tipe keranjang, yang berarti memerlukan lebih seringnya pembersihan. Pada sistem steam, hal ini tidaklah menjadi masalah, kecuali bila tingkat korosinya tinggi, atau segera setelah commissioning ketika sejumlah besar kotoran masuk. Pada penggunaan dimana terdapat sejumlah kotoran yang signifikan, sebuah valve blowdown biasanya dapat dipasang pada tutup strainer, yang membuat strainer mampu untuk mengunakan tekanan steam untuk membersihkan, dan tanpa harus mematikan pabrik. Strainer tipe-Y pada steam horisontal atau jalur gas harus dipasang dengan pocket nya berada dalam bidang horisontal. Cara ini mencegah air terkumpul dalam pocket, membantu mencegah terbawanya tetesan air yang dapat menyebabkan erosi dan mempengaruhi proses perpidahan panas. Bentuk pocket harus mengarah turun secara tegak lurus.

Gambar 2.7 Penggunaan untuk steam atau gas


Gambar 2.8 Penggunaan untuk cairan

Gambar 2.9 Aliran turun secara vertikal

Walau ada baiknya memasang strainer pada arah horisontal, tetapi hal ini tidak selalu memungkinkan, dan strainer dapat dipasang pada saluran pipa vertikal jika alirannya

turun,

dimana

kotorannya

akan

secara

alami

menuju

pocket.

Pemasangannya tidak memungkinkan pada aliran yang naik, dimana strainer harus dipasang dengan bukaan pocket menuju kebawah dan kotorannya turun dalam pipa.

II.7 Filter Filter digunakan untuk membuang partikel-partikel yang lebih kecil. Jika strainer membuang seluruh partikel yang terlihat didalam steam, partikel yang lebih kecil juga perlu dibuang, sebagai contohnya adalah dalam beberapa penggunaan berikut: Helmon Sihombing : Mekanisme Proses Pemanasan Air Di Dalam Boiler Dengan Mempergunakan Heater Tambahan Untuk Efisiensi Pembakaran, 2010.

•

Bila dilakukan injeksi steam langsung ke proses dimana kotoran dapat menyebabkan pencemaran produk. Contoh : Pada industri makanan, dan untuk sterilisasi peralatan proses dalam industri obat-obatan.

•

Dimana steam kotor akan menyebabkan penolakan produk atau hasil proses karena noda atau penumpukan partikel yang terlihat. Contoh : Mesin sterilisasi dan mesin kertas/kardus.

•

Dimana emisi partikel minimum diperlukan dari pelembab steam. Contoh : Pelembab yang digunakan dalam lingkungan “bersih”.

•

Untuk penurunan kandungan air steam, menjamin pasokan yang kering dan jenuh.

Dalam penggunaan ‘steam bersih’ seperti itu, strainer tidaklah pas dan harus digunakan filter. Filter yang digunakan dalam sistem steam biasanya terdiri dari elemen filter dari baja tahan korosi yang disinter. Proses sinteringnya menghasilkan struktur berpori yang sangat halus dalam baja tahan korosi, yang membuang berbagai partikel dari fluida yang melewatinya. Filter yang tersedia mampu membuang partikel sekecil 1/gym, sesuai dengan kebutuhan praktek yang baik yang berhubungan dengan steam untuk makanan/ culinary. Sifat pori-pori yang halus dari elemen filter akan menciptakan penurunan tekanan yang lebih besar yang melintas filter daripada yang terdapat pada strainer dengan ukuran sama, hal ini harus dipertimbangkan secara seksama ketika membuat ukuran filter. Lagipula filter mudah rusak oleh laju aliran yang berlebih, dan batas-batas dari fihak pembuatnya tidak boleh dilampaui. Jika filter diterapkan dalam penggunaan steam, separator harus dipasang pada aliran hulu filter untuk membuang berbagai tetesan kondensat yang tertahan dalam bentuk tersuspensi. Sebagai tambahan terhadap peningkatan kualitas steam, hal ini Helmon Sihombing : Mekanisme Proses Pemanasan Air Di Dalam Boiler Dengan Mempergunakan Heater Tambahan Untuk Efisiensi Pembakaran, 2010.

akan memperpanjang umur filter. Strainer tipe-Y juga harus dipasang dibagian hulu filter untuk membuang seluruh partikel besar dimana kalu tidak dipasang akan dengan cepat menyumbat filter, meningkatnya kebutuhan pembersihan dan mengur angi umur elemen filter. Dengan memasang pengukur tekanan pada sisi filter sebelah manapun, penurunan tekanan yang melintasi filter dapat diukur, yang kemudian dapat digunakan untuk mengidentifikasi saat filter memerlukan pembersihan.Sebagai alternatif terhadap hal ini adalah dengan memasang saklar tekanan pada sisi aliran bawah filter. Ketika tekanan aliran bawah berkurang dibawah tingkat yang sudah diatur sedemikian rupa, cahaya tanda bahaya akan menyala didalam ruang kendali yang memberi sinyal kepada operator yang kemudian dapat membersihkan filter.

Gambar 2.10 Filter In-line Horisontal


II.8 Pemisah/Separator Separator digunakan untuk menghilangkan tetesan air tersuspensi dari steam. Steam basah mengandung sejumlah air, dan merupakan salah satu perhatian utama pada berbagai sistem steam. Steam basah ini dapat menurunkan produktivitas pabrik dan kualitas produk, dan dapat menyebabkan kerusakan pada hampir semua item pabrik dan peralatan. Pengurasan dan trapping yang dilakukan secara hati- hati hanya dapat membuang hampir seluruh air, namun tidak untuk tetesan air yang tersuspensi dalam steam. Untuk menghilangkan tetesan air tersuspensi tersebut, dipasang pemisah/separator pada jalur pemipaan. Steam yang dihasilkan dalam boiler yang dirancang untuk menghasilkan steam jenuh pada dasarnya memang basah. Fraksi kering pada steam biasanya bervariasi tegantung dari tipe boiler, dan hampir semua tipe shell pada boiler akan menghasilkan steam dengan fraksi kering antara 95 sampai 98 %. Kandungan air dari steam yang dihasilkan oleh boiler akan terus meningkat jika terjadi priming dan pemindahan. Selalu terjadi kehilangan panas pada pipa distribusi, yang menyebabkan steam mengembun. Karena gaya gravitasi, molekul air yang mengembun akan mengendap di bagian bawah pipa membentuk sebuah lapisan air. Steam yang mengalir diatas air ini dapat meningkatkan riak-riak kecil yang dapat membesar menjadi gelombang. Ujung gelombang tersebut cenderung untuk pecah, melemparkan tetesan kondensat ke aliran steam. Keberadaan air dalam steam dapat menyebabkan sejumlah masalah: •

Air merupakan penghalang yang sangat efektif terhadap perpindahan panas, dan kehadirannya dapat menurunkan produktivitas pabrik dan kualitas produk.


•

Tetesan air yang berjalan pada kecepatan steam yang tinggi akan meng-erosi ruang valve dan sambungan- sambungan, suatu kondisi yang dikenal dengan wiredrawing. Tetesan air juga akan meningkatkan korosi.

•

Pembentukan kerak yang meningkat pada pipa dan permukaan pemanasan dari bahan pencemar terbawa dalam tetesan air.

•

Operasi yang tidak menentu dari valve pengendali dan pengukur aliran/flor meter.

•

Kegagalan valve dan pengukur aliran karena pemakaian yang cepat atau hantaman air.

Walaupun terdapat berbagai desain separator, namun pada dasarnya digunakan untuk menghilangkan kadar air yang tersuspensi dalam aliran steam, yang tidak dapat dihilangkan dengan pengurasan dan trapping steam.

Gambar 2.11 Separator Tipe Baffle


II.9 Ventilasi udara Jika udara tercampur dengan steam dan mengalir bersamaan dengannya, kantong udara akan tetap tinggal pada permukaan penukar panas dimana steam terkondensasikan. Secara perlahan, terhimpun sebuah lapisan tipis yang membentuk sebuah selimut

isolasi, yang menghalangi perpindahan panas sebagaimana

ditunjukkan dalam Gambar 2.12. Konduktivitas panas udara adalah 0,025 W/m °C, sementara nilainya untuk air adalah 0,6 W/m °C, untuk besi sekitar 75 W/m °C dan untuk tembaga sekitar 390 W/m °C. Sebuah lapisan udara dengan ketebalan hanya 1 mm memberikan resistansi terhadap aliran panas yang kurang lebih sama dengan tembaga dengan tebal 15 meter. Bilamana udara ditambahkan ke steam, kandungan panas dari volume campuran lebih rendah dari steam murni dengan volume yang sama, sehingga suhu campuran rendah. Jadi, keberadaan udara memiliki pengaruh ganda: •

Udara memberikan resistansi terhadap perpindahan panas melalui pengaruh pelapisannya

•

Udara menurunkan suhu ruang steam yang kemudian menurunkan gradien suhu yang melewati permukaan perpindahan panas

Pengaruh keseluruhannya adalah mengurangi laju perpindahan panas yang mungkin diperlukan oleh proses kritis, dan dalam kasus terburuknya mungkin dapat mencegah tercapainya suhu proses akhir yang diperlukan. Dalam beberapa proses, diperlukan suhu minimum untuk mendapatkan perubahan kimia atau fisik produk, hanya suhu minimum diperlukan bagi alat pensteril/sterilizer. Kehadiran udara pada prinsipnya merupakan masalah sebab udara akan mengakibatkan kacaunya alat pengukur tekanan, sehingga suhu tidak dapat diperkirakan dari tekanan.


Udara yang ada didalam pipa steam dan peralatan steam pada saat start-up. Bahkan jika sistem diisi dengan steam murni ketika digunakan, steam yang terkondensasikan akan menyebabkan keadaan vakum dan menarik udara ke pipa pada saat operasi berhenti. Udara dapat juga masuk ke sistem tercampur dalam air umpan. Pada suhu 80°C, air dapat larut sekitar 0,6% volume, dari udara. Tanda-tanda adanya udara adalah: •

Menurunnya hasil produksi secara berangsur -angsur pada berbagai peralatan yang dipanaskan oleh steam

•

Gelembung udara dalam kondensat

•

Korosi Cara memventilasikan udara yang paling efisien adalah dengan menggunakan

sebuah alat otomatis. Udara yang tercampur dengan steam akan menurunkan suhu campuran. Dapat digunakan alat termostatik (berdasarkan tekanan seimbang atau prinsip bimetallic) untuk memventilasikan sistem steam. Sebuah alat ve ntilasi udara yang dipasang pada suatu tangki ruang steam atau pada ujung pipa saluran steam akan terbuka ketika ada udara. Untuk pembuangan udara yang maksimal, pembuangannya harus sebebas mungkin. Sebuah pipa seringkali dipasang untuk membawa buangan ke lokasi yang aman, lebih disukai yang bukan jalur pengembalian kondensat, yang dapat membatasi kebebasan pelepasan udara dan dapat juga mendorong terjadinya korosi.


Gambar 2.12 Ujung Ventilasi Udara Otomatis Utama

Bila sebuah ventilasi udara dipasang untuk mem-bypass sebuah steam trap, maka ventilasi ini akan bertindak sebagai steam trap setelah udara diventilasikan, dan dapat juga membuang kondensat dari waktu ke waktu. Dalam kasus seperti itu perlu untuk menghubungkan ulang ventilasi udara ke jalur kondensat setelah trap. Jika jalur buangan kondensat dari sebuah trap meningkat ke tingkat yang tertinggi, jalur yang banjir akan mengganggu tekanan balik pada trap dan ventilasi udara. Kemampuan ventilasi udara dalam membuang udara jadi berkurang, terutama pada saat start-up. Hal ini sama juga bila ventilasi udara terintegrasikan didalam steam trap. Bila bentuk penggunaan ruang steam dan lokasi saluran masuk steam menyebabkan hampir semua udara meninggalkan saluran keluar kondensat, maka lebih disukai jika jalur pembuangan steam trap dan ventilasi udara tidak ditempatkan pada tempat yang tinggi.


II.10 Pemanfaatan Kembali Kondensat Seperti halnya dengan kandungan panas, kondensat pada dasarnya merupakan air suling, yang ideal untuk penggunaan air umpan boiler. Suatu sistem steam yan efisien akan mengumpulkan kondesat ini dan mengembalikannya ke deaerator, tangki umpan boiler, atau menggunakannya dalam proses lain. Hanya jika benar-benar terdapat resiko pencemaran maka kondensat tidak boleh dikembalikan ke boiler. Bahkan, memungkinkan untuk mengumpulkan kondensat dan menggunakannya sebagai air proses panas atau melewatkannya melalui sebuah alat penukar panas dimana kandungan panasnya dapat dimanfaatkan kembali sebelum air dibuang. Kondensat dibuang dari plant dan peralatan steam melalui steam traps dari tekanan yang lebih tinggi ke tekanan yang lebih rendah. Sebagai akibat dari turunnya tekanan, beberapa kondensat akan menguap kembali menjadi ‘flash steam’. Bagian steam yang akan ‘flash off’ dengan cara ini ditentukan oleh sejumlah panas yang dapat ditahan dalam steam dan kondensat. Biasanya jumlah flash steam sekitar 10% sampai 15%, tetapi dapat juga lebih dari itu. Kondensat pada tekanan 7 bar/g akan kehilangan massanya sekitar 13% bila flashing ke tekanan atmosfir, namun steam yang dihasilkan akan memerlukan ruang 200 kali lebih besar daripada kondensat darimana bahan ini dibentuk. Kondensat ini berpengaruh terhadap penghambatan jalur pembuangan trap yang berukuran lebih kecil dari yang semestinya, dan harus diperhitungkan ketika menghitung ukuran jalur tersebut. Suatu sistem pemanfaatan kembali kondensat yang efektif, mengumpulkan kondensat panas dari steam dengan menggunakan peralatan dan mengembalikannya ke sistem umpan boiler, dapat membayar dirinya sendirinya dalam jangka waktu yang sangat cepat. Gambar 2.13 memperlihatkan sebuah sirkuit steam dan kondensat yang sederhana , dengan pengembalian kondensat ke tangki umpan boiler. Helmon Sihombing : Mekanisme Proses Pemanasan Air Di Dalam Boiler Dengan Mempergunakan Heater Tambahan Untuk Efisiensi Pembakaran, 2010.

Gambar 2.13 Sebuah Sirkuit Steam dan Kondensat II.11 Jenis-jenis Boiler Uap II.11.1 Fire Tube Boiler Pada fire tube boiler, gas panas melewati pipa-pipa dan air umpan boiler ada didalam shell untuk dirubah menjadi steam. Fire tube boilers biasanya digunakan untuk kapasitas steam yang relative kecil dengan tekanan steam rendah sampai sedang. Sebagai pedoman, fire tube boilers kompetitif untuk kecepatan steam sampai 12.000 kg/jam dengan tekanan sampai 18 kg/cm2. Fire tube boilers dapat menggunakan bahan bakar minyak bakar, gas atau bahan bakar padat dalam operasinya. Untuk alasan ekonomis, sebagian besar fire tube boilers dikonstruksi sebagai “paket” boiler (dirakit oleh pabrik) untuk semua bahan bakar.


Gambar 2.14 Fire Tube Boiler

II.11.2 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.


Karakteristik water tube boilers sebagai berikut: •

Forced, induced dan balanced draft membantu untuk meningkatkan efisiensi pembakaran

•

Kurang toleran terhadap kualitas air yang dihasilkan dari plant pengolahan air.

•

Memungkinkan untuk tingkat efisiensi panas yang lebih tinggi.

Gambar 2.15 Water Tube Boiler II.11.3 Boiler Paket 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. Ciri-ciri dari packaged boilers adalah: •

Kecilnya ruang pembakaran dan tingginya panas yang dilepas menghasilkan penguapan yang lebih cepat.


•

Banyaknya jumlah pipa yang berdiameter kecil membuatnya memiliki perpindahan panas konvektif yang baik.

•

Sistem forced atau induced draft menghasilkan efisiensi pembakaran yang baik.

•

Sejumlah lintasan/pass menghasilkan perpindahan panas keseluruhan yang lebih baik.

•

Tingkat efisiensi thermisnya yang lebih tinggi dibandingkan dengan boiler lainnya. Boiler tersebut dikelompokkan berdasarkan jumlah pass nya–yaitu berapa kali

gas pembakaran melintasi boiler. Ruang pembakaran ditempatkan sebagai lintasan pertama setelah itu kemudian satu, dua, atau tiga set pipa api. Boiler yang paling umum dalam kelas ini adalah unit tiga pass/lintasan dengan dua set fire-tube/pipa api dan gas buangnya keluar dari belakang boiler.

Gambar 2.16 Boiler Paket


II.11.4 Boiler Pembakaran dengan Fluidized Bed (FBC) Pembakaran dengan fluidized bed (FBC) muncul sebagai alternatif yang memungkinkan dan memiliki kelebihan yang cukup berarti dibanding sistem pembakaran yang konvensional dan memberikan banyak keuntungan–rancangan boiler yang kompak, fleksibel terhadap bahan bakar, efisiensi pembakaran yang tinggi dan berkurangnya emisi polutan yang merugikan seperti SOx dan NOx. Bahan bakar yang dapat dibakar dalam boiler ini adalah batubara, barang tolakan dari tempat pencucian pakaian, sekam padi, bagas & limbah pertanian lainnya. Boiler fluidized bed memiliki kisaran kapasitas ya ng luas yaitu antara 0.5 T/jam sampai lebih dari 100 T/jam. Bila udara atau gas yang terdistribusi secara merata dilewatkan keatas melalui bed partikel padat seperti pasir yang disangga oleh saringan halus, partikel tidak akan terganggu pada kecepatan yang rendah. Begitu kecepatan udaranya berangsur-angsur naik, terbentuklah suatu keadaan dimana partikel tersuspensi dalam aliran udara–bed tersebut disebut “terfluidisasikan”. Dengan kenaikan kecepatan udara selanjutnya,

terjadi pembentukan

gelembung, turbulensi yang kuat, pencampuran cepat dan pembentukan permukaan bed yang rapat. Bed partikel padat menampilkan sifat cairan mendidih dan terlihat seperti fluida-“bed gelembung fluida/bubbling fluidized bed”. Jika partikel pasir dalam keadaan terfluidisasikan dipanaskan hingga ke suhu nyala batubara, dan batubara diinjeksikan secara terus menerus ke bed, batubara akan terbakar dengan cepat dan bed mencapai suhu yang seragam. Pembakaran dengan fluidized bed (FBC) berlangsung pada suhu sekitar 8400C hingga 9500C. Karena suhu ini jauh berada dibawah suhu fusi abu, maka pelelehan abu dan permasalahan yang terkait didalamnya dapat dihindari. Suhu pembakaran yang lebih rendah tercapai disebabkan tingginya koefisien perpindahan panas sebagai akibat pencampuran cepat dalam Helmon Sihombing : Mekanisme Proses Pemanasan Air Di Dalam Boiler Dengan Mempergunakan Heater Tambahan Untuk Efisiensi Pembakaran, 2010.

fluidized bed dan ekstraksi panas yang efektif dari bed melalui perpindahan panas pada pipa dan dinding bed. Kecepatan gas dicapai diantara kecepatan fluidisasi minimum dan kecepatan masuk partikel. Hal ini menjamin operasi bed yang stabil dan menghindari terbawanya partikel dalam jalur gas.

II.11.5 Atmospheric Fluidized Bed Combustion (AFBC) Boiler Kebanyakan boiler yang beroperasi untuk jenis ini adalah Atmospheric Fluidized Bed Combustion (AFBC) Boiler. Alat ini hanya berupa shell boiler konvensional biasa yang ditambah dengan sebuah fluidized bed combustor. Sistem seperti telah dipasang digabungkan dengan water tube boiler/boiler pipa air konvensional. Batubara dihancurkan menjadi ukuran 1–10 mm tergantung pada tingkatan batubara dan jenis pengumpan udara ke ruang pembakaran. Udara atmosfir, yang bertindak sebagai udara fluidisasi dan pembakaran, dimasukkan dengan tekanan, setelah diberi pemanasan awal oleh gas buang bahan bakar. Pipa dalam bed yang membawa air pada umumnya bertindak sebagai evaporator. Produk gas hasil pembakaran melewati bagian super heater dari boiler lalu mengalir ke economizer, ke pengumpul debu dan pemanas awal udara sebelum dibuang ke atmosfir.

II.11.6 Pressurized Fluidized Bed Combustion (PFBC) Boiler Pada tipe Pressurized Fluidized bed Combustion (PFBC), sebuah kompresor memasok udara Forced Draft (FD), dan pembakarnya merupakan tangki bertekanan. Laju panas yang dilepas dalam bed sebanding dengan tekanan bed sehingga bed yang dalam digunakan untuk mengekstraksi sejumlah besar panas. Hal ini akan meningkatkan efisiensi pembakaran dan peyerapan sulfur dioksida dalam bed. Steam dihasilkan didalam dua ikatan pipa, satu di bed dan satunya lagi berada diatasnya. Gas Helmon Sihombing : Mekanisme Proses Pemanasan Air Di Dalam Boiler Dengan Mempergunakan Heater Tambahan Untuk Efisiensi Pembakaran, 2010.

panas dari cerobong menggerakan turbin gas pembangkit tenaga. Sistem PFBC dapat digunakan untuk pembangkitan kogenerasi (steam dan listrik) atau pembangkit tenaga dengan siklus gabungan/combined cycle. Operasi combined cycle (turbin gas & turbin uap) meningkatkan efisiensi konversi keseluruhan sebesar 5 hingga 8%.

II.11.7 Atmospheric Circulating Fluidized Bed Combustion Boilers (CFBC) Dalam sistem sirkulasi, parameter bed dijaga untuk membentuk padatan melayang dari bed. Padatan diangkat pada fase yang relatif terlarut dalam pengangkat padatan, dan sebuah down-comer dengan sebuah siklon merupakan aliran sirkulasi padatan. Tidak terdapat pipa pembangkit steam yang terletak dalam bed. Pembangkitan dan pemanasan berlebih steam berlangsung di bagian konveksi, dinding air, pada keluaran pengangkat/riser. Boiler CFBC pada umumnya lebih ekonomis daripada boiler AFBC, untuk penerapannya di industri memerlukan lebih dari 75–100 T/jam steam. Untuk unit yang besar, semakin tinggi karakteristik tungku boiler CFBC akan memberikan penggunaan ruang yang semakin baik, partikel bahan bakar lebih besar, waktu tinggal bahan penyerap untuk pembakaran yang efisien dan penangkapan SO2 yang semakin besar pula, dan semakin mudah penerapan teknik pembakaran untuk pengendalian NOx daripada pembangkit steam AFBC.


Gambar 2.17 Atmospheric Circulating Fluidized Bed Combustion Boilers (CFBC) II.11.8 Stoker Fired Boilers Stokers diklasifikasikan menurut metode pengumpanan bahan bakar ke tungku dan oleh jenis grate nya. Klasifikasi utama nya adalah spreader stoker dan chain-gate atau traveling-gate stoker. II.11.8.1 Spreader stokers Spreader stokers memanfaatkan kombinasi pembakaran suspensi dan pembakaran grate. Batubara diumpankan secara kontinyu ke tungku diatas bed pembakaran batubara. Batubara yang halus dibakar dalam suspensi; partikel yang lebih besar akan jatuh ke grate, dimana batubara ini akan dibakar dalam bed batubara yang tipis dan pembakaran cepat. Metode pembakaran ini memberikan fleksibilitas yang baik terhadap fluktuasi beban, dikarenakan penyalaan hampir terjadi secara Helmon Sihombing : Mekanisme Proses Pemanasan Air Di Dalam Boiler Dengan Mempergunakan Heater Tambahan Untuk Efisiensi Pembakaran, 2010.

cepat bila laju pembakaran meningkat. Karena hal ini, spreader stoker lebih disukai dibanding jenis stoker lainnya dalam berbagai penerapan di industri.

Gambar 2.18 Spreader Stoker Boiler

II.11.8.2 Chain-grate atau traveling-grate stoker Batubara diumpankan ke ujung grate baja yang bergerak. Ketika grate bergerak sepanjang tungku, batubara terbakar sebelum jatuh pada ujung sebagai abu. Diperlukan tingkat keterampilan tertentu, terutama bila menyetel grate, damper udara dan baffles, untuk menjamin pembakaran yang bersih serta menghasilkan seminimal mungkin jumlah karbon yang tidak terbakar dalam abu. Hopper umpan batubara memanjang di sepanjang seluruh ujung umpan batubara pada tungku. Sebuah grate batubara digunakan untuk mengendalikan kecepatan batubara yang diumpankan ke tungku dengan mengendalikan ketebalan bed bahan bakar. Ukuran batubara harus seragam sebab bongkahan yang besar tidak akan terbakar sempurna pada waktu mencapai ujung grate.


Gambar 2.19 Traveling Grate Boiler

II.11.9 Pulverized Fuel Boiler Kebanyakan boiler stasiun pembangkit tenaga yang berbahan bakar batubara menggunakan batubara halus, dan banyak boiler pipa air di industri yang lebih besar juga menggunakan batubara yang halus. Teknologi ini berkembang dengan baik dan diseluruh dunia terdapat ribuan unit dan lebih dari 90% kapasitas pembakaran batubara merupakan jenis ini. Untuk batubara jenis bituminous, batubara digiling sampai menjadi bubuk halus, yang berukuran +300 micrometer (μm) kurang dari 2% dan yang berukuran dibawah 75 microns sebesar 70-75%. Harus diperhatikan bahwa bubuk yang terlalu halus akan memboroskan energi penggilingan. Sebaliknya, bubuk yang terlalu kasar tidak akan terbakar sempurna pada ruang pembakaran dan menyebabkan kerugian yang lebih besar karena bahan yang tidak terbakar. Batubara bubuk dihembuskan


dengan sebagian udara pembakaran masuk menuju plant boiler melalui serangkaian nosel burner.

Gambar 2.20 Pembakaran tangensial untuk bahan bakar halus

Udara sekunder dan tersier dapat juga ditambahkan. Pembakaran berlangsung pada suhu dari 1300 - 1700°C, tergantung pada kualitas batubara. Waktu tinggal partikel dalam boiler biasanya 2 hingga 5 detik, dan partikel harus cukup kecil untuk pembakaran yang sempurna. Sistem ini memiliki banyak keuntungan seperti kemampuan membakar berbagai kualitas batubara, respon yang cepat terhadap perubahan beban muatan, penggunaan suhu udara pemanas awal yang tinggi dll. Salah satu sistem yang paling populer untuk pembakaran batubara halus adalah pembakaran tangensial dengan menggunakan empat buah burner dari keempat sudut untuk menciptakan bola api pada pusat tungku.

II.11.10 Boiler Limbah Panas Dimanapun tersedia limbah panas pada suhu sedang atau tinggi, boiler limbah panas dapat dipasang secara ekonomis. Jika kebutuhan steam lebih dari steam yang dihasilkan menggunakan gas buang panas, dapat digunakan burner tambahan yang menggunakan bahan bakar. Jika steam tidak langsung dapat digunakan, steam dapat Helmon Sihombing : Mekanisme Proses Pemanasan Air Di Dalam Boiler Dengan Mempergunakan Heater Tambahan Untuk Efisiensi Pembakaran, 2010.

dipakai untuk memproduksi daya listrik menggunakan generator turbin uap. Hal ini banyak digunakan dalam pemanfaatan kembali panas dari gas buang dari turbin gas dan mesin diesel.

Gambar 2.21 Boiler Limbah Panas

II.11.11 Boiler Pemanas Fluida Termis Saat ini, pemanas fluida termis telah digunakan secara luas dalam berbagai penerapan untuk pemanasan proses tidak langsung. Dengan menggunakan fluida petroleum sebagai media perpindahan panas, pemanas tersebut memberikan suhu yang konstan. Sistem pembakaran terdiri dari sebuah fixed grate dengan susunan draft mekanis. Pemanas fluida thermis modern berbahan bakar minyak terdiri dari sebuah kumparan ganda, konstruksi tiga pass dan dipasang dengan sistem jet tekanan. Fluida termis, yang bertindak sebagai pembawa panas, dipanaskan dalam pemanas dan disirkulasikan melalui peralatan pengguna. Disini fluida memindahkn panas untuk Helmon Sihombing : Mekanisme Proses Pemanasan Air Di Dalam Boiler Dengan Mempergunakan Heater Tambahan Untuk Efisiensi Pembakaran, 2010.

proses melalui penukar panas, kemudian fluidanya dikembalikan ke pemanas. Aliran fluida termis pada ujung pemakai dikendalikan oleh katup pengendali yang dioperasikan secara pneumatis, berdasarkan suhu operasi. Pemanas beroperasi pada api yang tinggi atau rendah tergantung pada suhu minyak yang kembali yang bervariasi tergantung beban sistem. Keuntungan pemanas tersebut adalah: •

Operasi sistem tertutup dengan kehilangan minimum dibanding dengan boiler steam.

•

Operasi sistem tidak bertekanan bahkan untuk suhu sekitar 2500C dibandingkan kebutuhan tekanan steam 40 kg/cm2 dalam sistem steam yang sejenis.

•

Penyetelan kendali otomatis, yang memberikan fleksibilitas operasi.

•

Efisiensi termis yang baik karena tidak adanya kehilangan panas yang diakibatkan oleh blowdown, pembuangan kondensat dan flash steam. Faktor ekonomi keseluruhan dari pemanas fluida termis tergantung pada

penerapan spesifik dan dasar acuannya. Pemanas fluida thermis berbahan bakar batubara dengan kisaran efisiensi panas 55-65% merupakan yang paling nyaman digunakan dibandingkan dengan hampir kebanyakan boiler. Penggabungan peralatan pemanfaatan kembali panas dalam gas buang akan mempertinggi tingkat efisiensi termis selanjutnya.


Gambar 2.22 Boiler Pemanas Fluida Termis


BAB III MEKANISME PERUBAHAN AIR MENJADI UAP DI DALAM BOILER

III.1 Proses pemanasan air 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 murah untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Jika air dididihkan sampai menjadi steam, volumenya 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 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 steam 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 steam disebut air umpan. Dua sumber air umpan adalah: kondensat atau steam yang mengembun yang kembali dari proses dan air make up (air baku yang sudah diolah) yang harus diumpankan dari luar ruang boiler dan plant proses. Untuk mendapatkan efisiensi boiler yang lebih Helmon Sihombing : Mekanisme Proses Pemanasan Air Di Dalam Boiler Dengan Mempergunakan Heater Tambahan Untuk Efisiensi Pembakaran, 2010.

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

Tahap 1 Steam sisa yang berasal dari steam yang memutar turbin langsung dikembalikan ke deaerator untuk memanaskan kembali air yang terdapat pada deaerator tank. Sisa steam ini langsung mengalir disebabkan perbedaan tekanan dan massa jenis air dan steam, karena perbedaan massa jenis itu lah steam cenderung menuju ke massa jenis yang lebih besar yaitu air. Sirkulasi pada stage ini terus menerus seperti itu.

•

Tahap 2 Sisa steam hasil pemutar turbin jatuh ke condenser (proses pendinginan). Pada tahap ini pedinginan steam sisa dibantu oleh air laut. Setelah melalui proses pendinginan ini, steam berubah menjadi air kembali kemudian di alirkan ke LPH (Low Pressure Heater) untuk dipanaskan kembali. Setelah dari LPH air yang hampir panas tadi di alirkan lagi ke deaerator untuk pemanasan lanjut. setelah dipanaskan di deaerator air panas tadi tidak langsung di alirkan ke economizer, tetapi air di alirkan terlebih dahulu ke HPH (High Pressure Heater) untuk dipanaskan lebih dan setelah itu barulah dialirkan ke economizer. Bantuan beberapa heater pada stage 2 ini hanyalah suatu langkah pemeliharaan instrument dimana telah disetting


sedemikian rupa untuk penjagaan. Selain itu juga bisa digunakan sebagai safety jika ada dari salah satu system dari stage-stage tadi mengalami kerusakan, selain itu tahap demi tahap ini memang tergantung dari jenis turbin yang digunakan. Dari komponen lain diluar sistem pemanasan air terdapat Chemical Tank yang berfungsi sebagai tempat dibuatnya suatu larutan kimia untuk pemeliharaan pipa-pipa dan instrument-instrument yang lain. Setelah larutan kimia dibuat lalu dialirkan ke deaerator dan ke beberapa instrument lain seperti drum boiler untuk dicampurkan dengan air dan kemudian kembali kedalam proses pemanasan air. Gambar dibawah ini adalah gambar diagram proses pemanasan air menjadi steam hingga memutar turbin dan menghasilkan energi listrtik.

Gambar 3.1 : Diagram Block Proses Keterangan gambar :

-

Line Hitam proses pemanasan air menjadi steam

-

Line Biru proses stage 1

-

Line Merah proses stage 2

Dengan meningkatnya suhu dan air mendekati kondisi didihnya, beberapa molekul mendapatkan energi kinetik yang cukup untuk mencapai kecepatan yang membuatnya sewaktu-waktu lepas dari cairan ke ruang diatas permukaan, sebelum jatuh kembali ke cairan. Pemanasan lebih lanjut menyebabkan eksitasi lebih besar dan Helmon Sihombing : Mekanisme Proses Pemanasan Air Di Dalam Boiler Dengan Mempergunakan Heater Tambahan Untuk Efisiensi Pembakaran, 2010.

sejumlah molekul dengan energi cukup untuk meninggalkan cairan jadi meningkat. Dengan mempertimbangkan struktur molekul cairan dan uap, masuk akal bahwa densitas steam lebih kecil dari air, sebab molekul steam terpisah jauh satu dengan yang lainnya. Ruang yang secara tiba-tiba terjadi diatas permukaan air menjadi terisi dengan molekul steam yang padat. Jika jumlah molekul yang meninggalkan permukaan cairan lebih besar dari yang masuk kembali, maka air menguap dengan bebasnya. Pada titik ini air telah mencapai titik didihnya atau suhu jenuhnya, yang dijenuhkan oleh energi panas. Jika tekananya tetap, penambahan lebih banyak panas tidak mengakibatkan kenaikan suhu lebih lanjut namun menyebabkan air membentuk steam jenuh. Suhu air mendidih dengan steam jenuh dalam sistim ya ng sama adalah sama, akan tetapi energi panas per satuan massa nya lebih besar pada steam. Pada tekanan atmosfir suhu jenuhnya adalah 100°C. Tetapi, jika tekanannya bertambah, maka akan ada penambahan lebih banyak panas yang peningkatan suhu tanpa perubahan fase. Oleh karena itu, kenaikan tekanan secara efektif akan meningkatkan entalpi air dan suhu jenuh. Hubungan antara suhu jenuh dan tekanan dikenal sebagai kurva steam jenuh (Gambar 3.2).

Gambar 3.2 Kurva Steam Jenuh Air dan steam dapat berada secara bersamaan pada berbagai tekanan pada kurva ini, keduanya akan berada pada suhu jenuh. Steam pada kondisi diatas kurva jenuh dikenal dengan superheated steam/steam lewat jenuh:


•

Suhu diatas suhu jenuh disebut derajat steam lewat jenuh.

•

Air pada kondisi dibawah kurva disebut air sub- jenuh.

Jika steam mengalir dari boiler pada kecepatan yang sama dengan yang dihasilkannya, penambahan panas lebih lanjut akan meningkatkan laju produksinya. Jika steam yang sama tertahan tidak meninggalkan boiler, dan jumlah panas yang masuk dijaga tetap, energi yang mengalir ke boiler akan lebih besar dari pada energi yang mengalir keluar. Energi berlebih ini akan menaikan tekanan, yang pada gilirannya akan menyebabkan suhu jenuh meningkat, karena suhu steam jenuh berhubungan dengan tekanannya. Dalam hal ini pembakaran air didalam boiler

adalah, air yang melalui

economizer yang telah melalui pemanasan didalamnya dialirkan ke drum boiler (penampungan steam) dan kemudian dibakar di dalam boiler untuk dipanaskan lebih lanjut hingga menjadi steam basah. Suhu didalam boiler ini adalah sekitar 400oC459oC. Pembakaran menggunakan bahan bakar batu bara dan dibantu dengan udara untuk menjaga kestabilan pembakaran didalam coumbution system.

Sistem

pengendalian pembakaran menghubungkan antara pengendalian input panas ke boiler dengan rasio udara/bahan bakar yang masuk ruang pembakaran. Sistem pengendalian ini harus dapat menjamin jumlah udara yang tersedia mencukupi untuk pembakaran sejumlah bahan bakar secara efisien tanpa menimbulkan smoke dan dengan minimum discharge particulate dari cerobong. Setelah proses didalam boiler ini, aliran steam lalu dilanjutkan ke Superheater untuk menjadi kan steam kering, suhu steam saat itu sekitar 520oC–600oC dan siap untuk memutar turbin.


III.2 Keterpasangan alat Deaerator Seperti yang disebutkan pada konstruksi deaerator, peletakkan deaerator tidaklah dipatokkan, akan tetapi tergantung pada posisi komponen sistem keseluruhan dan juga tergantung pada konstruksi pabrik itu sendiri. Dalam hal ini, peletakkan deaerator bersamaan dengan komponen-komponen lainya seperti, boiler, control room, turbin, generator dan instrument lainya didalam satu gedung dengan tujuan penghematan dan efisiensi biaya dan tempat. Berikut instrument pada deaerator. a. Vent Condensor Condensor uap ini berfungsi untuk mengkondensasi gas-gas serta mengumpulkan gas-gas tersebut sebelum dikeluarkan ke atmosfer. Bagian dalam dari vent kondensor terbuat dari bahan stainless steel. Gas-gas yang sudah terpisahkan dari air akan keluar ke atmosfer melalui jalur vent. Katub didalam jalur ini harus dibuka sedikit sehingga pengeluaran gas tersebut dapat dilihat dengan keluarnya asap dari jalur vent. b. Tray ( sekat-sekat ) Tray yang terdapat pada deaerator berfungsi sebagai media pemanas, tempat saringan dan juga sebagai tempat memperluas ruangan kondensasi uap. c. Liquid level gas / gelas duga Gelas penduga digunakan untuk mengetahui tinggi rendahnya permukaan air yang ada didalam tangki deaerator. Prinsip kerja alat ini adalah dengan bejana berhubungan. Garis tengah nya kira-kira 20mm dan panjangnya 300mm.


d. Termometer Termometer ditempatkan pada storage tank dari deaerator. Termometer pada storage tank tersebut akan bersesuaian dengan tekanan operasi dari uap. Jika dibutuhkan termometer dapat juga ditambahkan pada jalur pemasukan uap. e. Pressure gauge Pembacaan pada pressure gauge ini menunjukkan besar tekanan uap didalam unit. Pressure gauge ini ditempatkan pada jalur pemasukkan uap yang diperlengkapi dengan kran. f. Transmitter electro Transmitter electro fungsinya sama dengan termometer untuk mengukur suhu. Tetapi perbedaannya pada alat ini terdapat cara pembacaanya. g. Control Valve Control valve ini disebut juga kran / katub control. Dimana alat ini banyak dipakai dalam pipa-pipa yang dilalui air. Control valve ini dapat digolongkan atas dua jenis yaitu analog dan digital.


Gambar 3.3 Konstruksi Deaerator

III.2.1 Data Teknis Deaerator Spinning Membrane Deaerator Specification and Type

: 50

Design Pressure

: 0.2 Mpa

Design Temperature

: 300o C

Effective Volume Of Water Tank

: 25 m3

Total Weight

: 7250 Kg

Rated Output

: 50 t/h

Production No.

: 16605-347

Operation Pressure

: 0.02 Mpa

Operation Temperature

: 104o C

Operation Medium

: Steam & Boiler

Testing Pressure

: 0.3 Mpa

Manufacture Date

: 2006/02


Qingdao Changlong Power Equipment Co, LTD The People’s Republic China Feeding Pump •

Centrifugal Pump

Type

: DG45-80x7

Capacity

: 45 m3/n

Head

: 560 m

NPSH

:6m

Shaft Power

: 124.8 kW

Speed

: 2950 rpm

Efficiency

: 55%

Delivery Date

: 06.2

Series No.

: 06000811

Shenyang Noi Pump Manufacturing Works The People’s Republic China

•

3 Phase Induction Motor

Frame

: 1L315M2-2B3

Serial No.

: 7366

Power

: 160 kW

Speed

: 2980 rpm

Voltage

: 380 V

Efficiency

: 95.6 %

Power Factor

: 0.92

Weight

: 1160 Kg


Rating

: SI

Insulation

:F

Shandong Huali Electric Motor Group Co, LTD

III.3 Keterpasangan Peralatan Pada Economizer Konstruksi economizer adalah berdasarkan tipenya, ada tipe economizer yang tidak menyatu dengan boiler, dan ada juga economizer yang menyatu dengan boiler. Perbedaan kedua nya hanyalah pada peletakkan tempat pada penyusunan komponen dalam suatu pabrik. Pada economizer yang dihubungkan langsung dengan boiler, dan terpasang langsung saat dikeluarkan dari pabrikan nya. Dalam hal ini, spesifikasi alatnya bukan lah dari type economizer melainkan type dari boiler itu sendiri yaitu boiler recovery atau bisa juga disebut boiler economizer. Adapun bagian-bagian dari economizer adalah sebagai berikut: 1. Soot blower Soot blower yang terlihat pada gambar berikut ini adalah suatu peralatan mekanis yang digunakan untuk pembersihan bagian ketel seperti pada economizer dari endapan-endapan abu (ash) yang lengket pada pipapipa economizer. Soot blower mengarahkan alat pembersih melalui mulut pipa ( nozzle ) pada abu yang lengket pada pipa-pipa economizer. Soot blower juga mencegah penyumbatan gas asap yang lewat.


Gambar 3.4 Sootblower 2. Ash handling Dalam membantu dan menjaga agar economizer tetap dalam kondisi baik, maka economizer dilengkapi dengan alat pembantu seperti ash handling seperti gambar III.6 berikut, yang berfungsi untuk menangkap abu yang telah dibersihkan oleh soot blower.

Gambar 3.5 Ash Handling System


III.4 Data Teknis Boiler •

Steam Boiler Model

: UG-40/3.82-M2

Total Heating Surface

: 12077 ft2

Nominal Capacity

: 88185 lb/hr

Manufacturing license Number

: 20102009

Nominal Steam Temperature

: 842 oF

Product No.

: 04149

Max. Design Steam Capacity

: 97003 lb/hr

Max. Allowable Working Pressure

: 554 psig

Manufacturing license class

:A

Inspection Mark

: CS

Date

: 2004/05

Manufacturing Wuxi Huaguang Boiler Co, LTD Wuxi Boiler Woks Supervised by Boiler and Pressure Vessel Safety Inspection Center Jiangsu Province.

III.5 Data Teknis Generator Engine

: 360 KW s/d 745KW

Generator

: CAT 3508TA package. Diesel open skid-mounted, low Hrs.

Main switch Board

: Disesuaikan dengan kebutuhan distribusi konsumsi listrik.


BAB IV MEKANISME KERJA DEAERATOR DAN EKONOMIZER

IV.1 Deaerator Dan Economizer Sebagai Instrument Pembantu Dalam Pemanasan Air.

Gambar 4.1 Mekanisme kerja Deaerator dan Economizer

Penggunaan deaerator dan economizer sebagai instrument pembantu dalam pemanasan air sebelum air dibakar didalam boiler. Air yang didapat dari raw water yang telah di treatment hingga sesuai dengan standar yang tentukan dialirkan ke deaerator dengan tujuan pemisahan gas-gas terlarut dalam air dan memisahkan mineral-mineral yang terdapat didalam air guna menjaga seluruh pipa yang dilewati agar terhindar dari korosi. Selain itu juga, didalam deaerator air tersebut tadi mengalami proses pemanasan awal yang dipanaskan oleh steam sisa yang berasal dari turbin. Fungsi dari deaerator telah dijelaskan pada bab-bab sebelumnya yaitu sebagai Helmon Sihombing : Mekanisme Proses Pemanasan Air Di Dalam Boiler Dengan Mempergunakan Heater Tambahan Untuk Efisiensi Pembakaran, 2010.

pemisah gas-gas terlarut dalam air dan memanaskan air umpan boiler sebelum dibakar didalam boiler. Economizer adalah alat pemindah panas berbentuk tubular yang digunakan untuk memanaskan air umpan boiler sebelum masuk ke steam drum. Istilah economizer diambil dari kegunaan alat tersebut, yaitu untuk menghemat penggunaan bahan bakar dengan mengambil panas gas buang sebelum dibuang ke atmosfir. Sebuah economizer dapat dipakai untuk memanfaatkan panas gas buang untuk pemanasan awal air umpan boiler. Setiap penurunan suhu gas buang melalui economizer atau pemanas awal terdapat 1% penghematan bahan baker dalam boiler. Setiap kenaikan suhu air umpan melalui economizer atau kenaikan

suhu udara

pembakaran melalui pemanas awal udara, terdapat 1% penghematan bahan bakar dalam boiler. Kinerja economizer ditentukan oleh fluida yang mempunyai koefisien perpindahan panas yang rendah yaitu gas. Kecepatan perpindahan panas dapat ditingkatkan dengan cara meningkatkan koefisien perpindahan panas total dengan cara mengatur susunan tubing/properti fin dan meningkatkan luas kontak perpindahan panas. Respon yang dihasilkan oleh economizer adalah efektifitas perpindahan panas dan biaya operasi. Efektifitas perpindahan panas adalah besarnya energi yang dapat terambil dari total jumlah energi yang dapat diserap. Semakin besar efisiensi perpindahan panas pada economizer, maka panas gas sisa yang terambil akan semakin banyak. Semakin besar efektivitas perpindahan panas yang terjadi, maka alat tersebut semakin efisien. Biaya operasi economizer ditentukan oleh tenaga fan dan tenaga pompa. Fan digunakan untuk mengalirkan udara pembakaran ke boiler melalui economizer. Semakin banyak loop dan semakin rumit susunan tubing pada economizer maka tenaga fan yang dibutuhkan semakin besar. Pompa digunakan untuk mengalirkan air umpan boiler ke steam drum Helmon Sihombing : Mekanisme Proses Pemanasan Air Di Dalam Boiler Dengan Mempergunakan Heater Tambahan Untuk Efisiensi Pembakaran, 2010.

melalui economizer. Semakin panjang dan semakin banyak loop pada economizer, maka tenaga pompa yang dibutuhkan semakin besar. Respon yang optimum diperoleh menggunakan perancangan faktor yang mempengaruhi kinerja economizer sebagai berikut : a. Diameter luar tubing, yaitu besarnya diameter tube yang digunakan dalam menyusun economizer. Semakin besar diameter tube akan mengakibatkan efektifitas perpindahan panas semakin berkurang. b. Transversal spacing, yaitu menyatakan jarak antar tube sejajar ke arah lebar economizer. Semakin lebar jarak antar tube mengakibatkan proses induksi panas dalam economizer semakin berkurang, sehingga efektifitas perpindahan panas menurun. c. Kerapatan fin, yaitu banyaknya fin tiap inci yang dapat disusun untuk menggabungkan beberapa tube dalam economizer. Semakin banyak fin yang tersusun akan mengakibatkan perpindahan panas tidak efektif karena jarak antar tube yang semakin jauh.


Gambar 4.2 Penampang Economizer

IV.2 Mekanisme Deaerator Dan Economizer Merupakan Instrument Pendukung Didalam deaerator ini air akan diapanaskan hingga suhu 100–105oC yang pada awalnya air bersuhu 30–50oC. setelah melalui proses pemanasan awal kemudian air dialirkan ke economizer untuk diapanaskan kembali hingga level 150–160oC dimana pemanasan didalam economizer menggunakan gas buang dari pembakaran didalam boiler atau chain grate sebelum gas itu dibuang melalui chimney atau cerobong. Setelah diapanaskan lanjut didalam economizer, air dialirkan ke drum boiler sebelum air dibakar didalam boiler guna penyimpanan. Kemudian air dibakar didalam boiler hingga pada suhu 400–459oC, pada saat ini wujud air sudah berubah menjadi steam sepenuhnya. Tetapi pada level ini air belum bisa digunakan untuk memutar turbin, oleh sebab itu setelah pada level ini air yang berubah menjadi steam dialirkan ke superheater guna meningkatkan suhu steam itu sendiri hingga pada level 500–600oC. Steam pada level ini telah siap untuk memutar turbin dan memutar Helmon Sihombing : Mekanisme Proses Pemanasan Air Di Dalam Boiler Dengan Mempergunakan Heater Tambahan Untuk Efisiensi Pembakaran, 2010.

generator hingga menghasilkan listrik. Sisa steam yang memutar turbin tadi akan kembali dialirkan ke deaerator guna untuk pemanasan awal air didalamnya, begitulah seterusnya siklus penggunaan deaerator dan economizer sebagai instrument pendukung dalam pemanasan air hingga menjadi steam. Kita ketahui fungsi deaerator adalah untuk membuang gas-gas yang terkandung dalam air umpan boiler, sesudah melalui proses pemurnian air (water treatment). Selain itu deaerator juga berfungsi sebagai pemanas awal air pengisian boiler sebelum dimasukkan kedalam boiler. Deaerator bekerja berdasarkan sifat dari oksigen yang kelarutannya pada air akan berkurang dengan adanya kenaikan suhu. Jika air dari water treatment langsung dibakar didalam boiler, maka akan menyebabkan korosi hebat karena air tersebut masih mengandung gas-gas yang dapat menyebabkan korosi dan sebagainya. Begitu juga, apabila air tersebut dibakar langsung didalam boiler maka tidak menutup kemungkinan akan menggunakan bahan bakar yang tidak sedikit, disebabkan karena air yang berasal dari water treatment hanyalah bersuhu 30–50oC dan dibakar didalam boiler dengan target suhu air menjadi steam sebesar 400oC keatas. Dari contoh kecil diatas terlihat jelas bahwa pemanasan awal air sangat berguna untuk penghematan bahan bakar. Begitu juga dengan economizer, walau hanya perangkat tambahan, kegunaan alat ini bisa meng-efisiensikan proses kerja boiler. Dimana kita ketahui pembakaran air didalam economizer ini hanya memanfaatkan gas buang dari hasil pembakaran didalam boiler dengan tidak menambah bahan bakar untuk memanaskan air didalamnya. Memang tidak hanya deaerator dan economizer saja yang merupakan heater perndukung, melainkan banyak heater-heater yang lain yang bisa juga digunakan didalam suatu sistem industri yang membuat air menjadi steam dalam hal ini PLTU. Helmon Sihombing : Mekanisme Proses Pemanasan Air Di Dalam Boiler Dengan Mempergunakan Heater Tambahan Untuk Efisiensi Pembakaran, 2010.

Gambar 4.3 Grafik penggunaan economizer Grafik

diatas

menunjukkan keuntungan

dan kerugian

menggunakan

economizer sebagai pemanasan awal. Jelas terlihat tanpa menggunakan economizer maka efisiensi kerja boiler menurun, dalam artian tanpa pemanasan yang dibantu oleh economizer, boiler harus bekerja lebih lama dalam pembuatan steam dan selain itu boiler akan memerlukan bahan bakar yang lebih banyak untuk mencapai panas suhu steam yang telah ditentukan. Selain itu juga, apabila boiler tetap dipaksakan bekerja lebih maka akan lebih cepat merusak pipa-pipa didalam boiler itu sendiri. Apabila telah terjadi seperti ini maka suatu pabrik akan mengalami kerugian yang sangat besar dalam operasional boiler karena pemakaian bahan bakar yang terlalu banyak dan ketahanan suatu alat akan cepat menurun dan harus mengganti peralatan tersebut. Namun apabila suatu boiler menggunakan economizer dan beberapa heater pemanas pembantu lainnya didalam proses pemanasan air sebelum dibakar, maka akan lebih meningkatkan efisiensi dari kerja boiler itu sendiri, karena suhu air sebelum dibakar Helmon Sihombing : Mekanisme Proses Pemanasan Air Di Dalam Boiler Dengan Mempergunakan Heater Tambahan Untuk Efisiensi Pembakaran, 2010.

didalam boiler sudah cukup tinggi, berarti pemanasan air menjadi steam didalam boiler tidak memakan waktu lama dan tidak menggunakan bahan bakar yang banyak untuk mencapai standar suhu yang telah ditentukan, maka biaya operasional dapat lebih di efisienkan dan secara tidak langsung dapat menguntungkan bagi pabrik. Selain itu maintenance atau perawatan dari peralatan atau pergantian peralatan dapat dilaksanakan lebih lama. Jelas terlihat bahwa dengan menggunakan boiler economizer dapat meningkatkan kapasitas boiler dan juga dapat mengefisiensikan pembakaran air menjadi steam didalam boiler hingga penghematan bahan bakar yang cukup jauh perbedaannya jika boiler tanpa economizer.

IV.3 Analisa performansi dari deareator dan economizer Kehilangan energi dapat dibagi kedalam kehilangan yang tidak atau dapat dihindarkan. Tujuan dari Produksi Bersih atau pengkajian energi harus mengurangi kehilangan yang dapat dihindari, dengan meningkatkan efisiensi energi. Kehilangan berikut dapat dihindari atau dikurangi : 1. Kehilangan gas cerobong: -

Udara berlebih (diturunkan hingga ke nilai minimum yang tergantung dari teknologi burner, operasi (kontrol), dan pemeliharaan).

-

Suhu gas cerobong (diturunkan dengan mengoptimalkan perawatan (pembersihan), beban burner yang lebih baik dan teknologi boiler).

2. Kehilangan karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam cerobong dan abu 3. (mengoptimalkan operasi dan pemeliharaan; teknologi burner yang lebih baik).


4. Kehilangan dari blowdown (pengolahan air umpan segar, daur ulang kondensat) 5. Kehilangan kondensat (manfaatkan sebanyak mungkin kondensat) 6. Kehilangan konveksi dan radiasi (dikurangi dengan isolasi boiler yang lebih baik) Efisiensi termis boiler didefinisikan sebagai “persen energi (panas) masuk yang digunakan secara efektif pada steam yang dihasilkan.” Efisiensi ini dapat dievaluasi dengan menggunakan rumus:

Efisiensi Boiler (η ) =

Efisiensi Boiler (η ) =

Panas Keluar ×100% Panas Masuk Q × ( hg − h f ) q × GCV

×100%

Parameter yang dipantau untuk perhitungan efisiensi boiler adalah: -

Jumlah steam yang dihasilkan per jam (Q) dalam kg/jam

-

Jumlah bahan bakar yang digunakan per jam (q) dalam kg/jam

-

Tekanan kerja (dalam kg/cm2(g)) dan suhu lewat panas (0C), jika ada

-

Suhu air umpan ( 0C)

-

Jenis bahan bakar dan nilai panas kotor bahan bakar (GCV) dalam kkal/kg bahan bakar

Dimana -

hg = Entalpi steam jenuh dalam kkal/kg steam

-

hf = Entalpi air umpan dalam kkal/kg air


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

Gas cerobong yang kering

-

Penguapan air yang terbentuk karena H2 dalam bahan bakar

-

Penguapan kadar air dalam bahan bakar

-

Adanya kadar air dalam udara pembakaran

-

Bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu terbang/ fly ash

-

Bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu bawah/ bottom ash

-

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 adalah: -

Analisis ultimate bahan bakar (H2, O2, S, C, kadar air, kadar abu)

-

Persentase oksigen atau CO2 dalam gas buang

-

Suhu gas buang dalam 0C (Tf)

-

Suhu ambien dalam 0C (Ta) dan kelembaban udara dalam kg/kg udara kering

-

GCV bahan bakar dalam kkal/kg

-

Persentase bahan yang dapat terbakar dalam abu (untuk bahan bakar padat)

-

GCV abu dalam kkal/kg (untuk bahan bakar padat) Prosedur rinci untuk perhitungan efisiensi boiler adalah sebagai berikut :

Tahap 1: Menghitung kebutuhan udara teoritis

Kebutuhan Udara = [(11,43 x C ) + {34,5 x ( H 2 − O2 / 8)} + (4,32 x S )] / 100 kg / kg bahan bakar

Tahap 2: Menghitung persen kelebihan udara yang dipasok (EA) Helmon Sihombing : Mekanisme Proses Pemanasan Air Di Dalam Boiler Dengan Mempergunakan Heater Tambahan Untuk Efisiensi Pembakaran, 2010.

EA =

persen O2 x 100 (21 − persen O2 )

Tahap 3: Menghitung massa udara sebenarnya yang dipasok/kg bahan bakar (AAS)

AAS = {1 + EA / 100} x udara teoritis Tahap 4: Memperkirakan seluruh kehilangan panas - Persentase kehilangan panas yang diakibatkan oeh gas buang yang kering

% kehilangan panas gas buang ker ing =

m x Cp x (Tf − Ta ) x 100 GCV bahan bakar

Dimana m=

massa gas buang kering dalam kg/kg bahan bakar

m=

(massa hasil pembakaran kering / kg bahan bakar) + (massa N2 dalam bahan bakar

pada basis 1 kg) + (massa N2 dalam massa udara pasokan yang

sebenarnya). Cp =

Panas jenis gas buang (0,23 kkal/kg )

- Persen kehilangan panas karena penguapan air yang terbentuk karena adanya H2 dalam bahan bakar % persen kehilangan panas H 2 dalam bahan bakar =

9 x H 2 {584 + Cp (Tf − Ta )} x 100 GCV bahan bakar

Dimana H2 = persen H2 dalam 1 kg bahan bakar Cp =

panas jenis steam lewat jenuh/superheated steam (0,45 kkal/kg)

- Persen kehilangan panas karena penguapan kadar air dalam bahan bakar

% kehilangan panas akibat penguapan =

M {584 + Cp (Tf − Ta )} x 100 GCV bahan bakar

Dimana, Helmon Sihombing : Mekanisme Proses Pemanasan Air Di Dalam Boiler Dengan Mempergunakan Heater Tambahan Untuk Efisiensi Pembakaran, 2010.

M=

persen kadar air dalam 1 kg bahan bakar

Cp =


- Persen kehilangan panas karena kadar air dalam udara

% kehilangan panas =

AAS x faktor kelembaban x Cp (Tf − Ta )} x 100 GCV bahan bakar

Dimana Cp =


- Persen kehilangan panas karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam fly ash %=

total abu yang terkumpul / kg bahan bakar yang terbakar x GCV fly ash x 100 GCV bahan bakar

- Persen kehilangan panas karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu bawah/ bottom ash %=

total abu terkumpul / kg bahan bakar terbakar x GCV bottom ash x 100 GCV bahan bakar

- Persen kehilangan panas karena radiasi dan kehilangan lain yang tidak terhitung Kehilangan radiasi dan konveksi aktual sulit dikaji sebab daya emisifitas permukaan yang beraneka ragam, kemiringan, pola aliran udara, dll. Pada boiler yang relatif kecil, dengan kapasitas 10 MW, kehilangan radiasi dan yang tidak terhitung dapat mencapai 1 hingga 2 persen nilai kalor kotor bahan bakar, sementara pada boiler 500 MW nilainya 0,2 hingga 1 persen. Kehilangan dapat diasumsikan secara tepat tergantung pada kondisi permukaan. Tahap 5: Menghitung efisiensi boiler dan rasio penguapan boiler Helmon Sihombing : Mekanisme Proses Pemanasan Air Di Dalam Boiler Dengan Mempergunakan Heater Tambahan Untuk Efisiensi Pembakaran, 2010.

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

Persentase kehilangan panas yang diakibatkan oeh gas buang yang kering

ii =

Persen kehilangan panas karena penguapan air yang terbentuk karena adanya H2 dalam bahan baker

iii =

Persen kehilangan panas karena penguapan kadar air dalam bahan baker

iv =

Persen kehilangan panas karena kadar air dalam udara

v=

Persen kehilangan panas karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam fly ash

vi =

Persen kehilangan panas karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu bawah/ bottom ash

vii =

Persen kehilangan panas karena radiasi dan kehilangan lain yang tidak terhitung

Rasio Penguapan = Panas yang digunakan untuk pembangkitan steam/ panas yang ditambahkan ke steam Rasio penguapan yaitu kilogram steam yang dihasilkan per kilogram bahan bakar yangdigunakan. Contohnya adalah: -

Boiler berbahan bakar batubara: 6 (yaitu 1 kg batubara dapat menghasilkan 6 kg steam)

-

Boiler berbahan bakar minyak: 13 (yaitu 1 kg batubara dapat menghasilkan 13 kg steam) Walau demikian, rasio penguapan akan tergantung pada jenis boiler, nilai

kalor bahan bakar dan efisiensi. Contoh -

Jenis boiler: Berbahan bakar minyak


-

Analisis ultimate minyak bakar C: 84 persen H2: 12,0 persen S: 3,0 persen O2: 1 persen

-

GCV Minyak bakar: 10200 kkal/kg

-

Persentase Oksigen: 7 persen

-

Persentase CO2: 11 persen

-

Suhu gas buang (Tf): 220 0C

-

Suhu ambien (Ta): 27 C

-

Kelembaban udara: 0,018 kg/kg udara kering

0

Tahap 1: Mengitung kebutuhan udara teoritis = [(11,43 x C) + [{34,5 x (H2 – O2/8)} + (4,32 x S)]/100 kg/kg minyak bakar = [(11,43 x 84) + [{34,5 x (12 – 1/8)} + (4,32 x 3)]/100 kg/kg minyak bakar = 13,82 kg udara/kg minyak bakar

Tahap 2: Menghitung persen udara berlebih yang dipasok (EA) Udara berlebih yang dipasok (EA) = (O2 x 100)/(21-O2) = (7 x 100)/(21-7) = 50 % Tahap 3: Menghitung massa udara sebenarnya yang dipasok / kg bahan bakar (AAS) AAS/kg bahan bakar = [1 + EA/100] x Udara Teoritis (AAS) = [1 + 50/100] x 13,82 = 1,5 x 13,82 Helmon Sihombing : Mekanisme Proses Pemanasan Air Di Dalam Boiler Dengan Mempergunakan Heater Tambahan Untuk Efisiensi Pembakaran, 2010.

= 20,74 kg udara/kg minyak bakar

Tahap 4: Memperkirakan seluruh kehilangan panas i. Persentase kehilangan panas karena gas kering cerobong

% kehilangan panas gas buang ker ing =

m x Cp x (Tf − Ta ) x 100 GCV bahan bakar

m = massa CO2 + massa SO2 + massa N2 + massa O2

0,84 x 44 0,03 x 64 20,74 x 77 + + (0,07 x 32) 12 32 100 m = 21,35 kg / kg bahan bakar

m=

21,35 x 0,23 x (220 − 27) x 100 10200 = 9,29 %

=

21,35 x 0,23 x (220 – 27) ii. Kehilangan panas karena penguapan kadar air karena adanya H2 dalam bahan bakar 9 x H 2 {584 + 0,45 (Tf − Ta )} GCV bahan bakar 9 x 12 {584 + (220 − 27)} = 10200 = 7,10 % =

dimana H2 = persen H2 dalam bahan bakar iii. Kehilangan panas karena kadar air dalam udara AAS x kelembaban x 0,45 x (Tf − Ta ) GCV bahan bakar 20,74 x 0,018 x 0,45 (220 − 27 = 10200 = 0,317 % =


iv. Kehilangan panas karena radiasi dan kehilangan lain yang tidak terhitung Untuk boiler kecil diperkirakan kehilangan mencapai 2 %

Tahap 5: Menghitung efisiensi boiler dan rasio penguapan boiler Efisiensi boiler (n) = 100 - (i + ii + iii + iv + v + vi + vii) i. Kehilangan panas karena gas buang kering : 9,29 % ii. Kehilangan panas karena penguapan air yang terbentuk karena adanya H2 dalam bahan bakar : 7,10 % iii. Kehilangan panas karena kadar air dalam udara : 0,317 % iv. Kehilangan panas karena radiasi dan kehilangan lain yang tidak terhitung :2% = 100- [9,29+7,10+0,317+2] = 100 – 17,024 = 83 % (perkiraan) Rasio penguapan = Panas yang digunakan untuk pembangkitan steam/ panas yang ditambahkan ke steam = 10200 x 0,83 / (660-60) = 14,11 Bandingkan dengan rasio penguapan untuk boiler yang berbahan bakar minyak = 13. Sedangkan keterpasangan deareator dapat menghemat energi sebesar 37,5 %. Hal ini menyebabkan nilai dari Kehilangan panas karena penguapan kadar air karena adanya H2 dalam bahan bakar berubah menjadi : 9 x H 2 {584 + 0,45 (Tf − Ta )} GCV bahan bakar 9 x 37,5{584 + (220 − 27)} = 10200 = 25,7 % =


Sedangkan ketepasangan economizer dapat menghemat energi sebesar 4 % – 10 %. Hal ini akan menyebabkan nilai dari persen kehilangan panas karena penguapan kadar air dalam bahan bakar M {584 + Cp (Tf − Ta )} GCV bahan bakar 4 {584 + 0,23 (220 − 27)} = 10200 = 44,21%

% kehilangan panas akibat penguapan =

Hal ini pastinya akan merubah nilai efisiensi dan rasio penguapan dari boiler akan berubah. Efisiensi boiler (n) = 100 - (i + ii + iii + iv + v + vi + vii) i. Kehilangan panas karena gas buang kering : 9,29 % ii. Kehilangan panas karena penguapan air yang terbentuk karena adanya H2 dalam bahan bakar : 25,7% iii. Kehilangan panas karena kadar air dalam udara : 0,317 % iv. persen kehilangan panas karena penguapan kadar air dalam bahan baker 44,21%

iv. Kehilangan panas karena radiasi dan kehilangan lain yang tidak terhitung : 2 % = 100- [9,29+25,7+0,317+44,21+2] = 100 – 81,517 = 18,483 % Rasio penguapan = Panas yang digunakan untuk pembangkitan steam/ panas yang ditambahkan ke steam = 10200 x 0,18 / (660-60) = 3,06


Secara skala besar penghematan keterpasangan deareator dan economizer dapat dari table di bawah ini : Tabel IV.1 tabel penghematan deareator dan ekonomizer Penjelasan

Sebelum

Setelah

Pembakaran Minyak Yang Disimpan Per jam

-

11,418kg

Energi Yang Dikembalikan Per jam

-

1,975kw

Temperatur Pembakaran Gas

250 °C

157 °C

Temperatur Hembusan Udara

103 °C

140 °C

Karbon Dioksida Yang Dikurangi / 345 jam

-

7,009 ton

Untuk kapasitas Boiler 45 ton/jam,


BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

V.1 Kesimpulan 1. Pemanasan didalam economizer adalah dengan menggunakan gas buang dari sisa pembakaran dari dalam boiler. Berarti penambahan instrument ini tidak merugikan pabrik karena pemanasan didalam nya dengan mengoptimalkan sisa-sisa dalam pengoperasian dalam suatu boiler, selain itu juga dapat lebih meningkatkan efisiensi dari kerja boiler itu sendiri. 2. Deaerator merupakan tangki yang juga berfungsi untuk mengeluarkan gas-gas yang terlarut di dalam air ( oksigen dan karbon dioksida ). Untuk hal ini diperlukan suhu ± 115 ºC dan injeksi uap harus dengan tekanan 3 Kg/Cm2.

V.2 Saran 1. Kinerja economizer sangat sensitif terhadap faktor noise temperatur feedwater. Hal ini dikarenakan bila temperatur feedwater tidak baik maka akan mengakibatkan biaya operasi meningkat.


DAFTAR PUSTAKA

1. Vademecum Teknik & Teknologi Kelapa Sawit, Penerbit PTPN – 4 2. Pembangkitan Energi Listrik, Djiteng Marsudi.Penerbit Erlangga, 2005. 3. Heat and Mass Transfer, Frank M. White. University Of Rhode is Island. 1988 4. Instrument dan Proses Kontrol, Ir.Mansyur,Msi 5. Instrumentasi Pabrik I, Mansyur, (Medan : PTKI,2004). 6. Termochimica & Tray Deaerators, ( www.deaerator.it ). 7. Economizer Maintenance, ( www.boilereconomizer.com )


Karya Akhir MEKANISME PROSES PEMANASAN AIR DI DALAM BOILER DENGAN MEMPERGUNAKAN HEATER TAMBAHAN UNTUK EFISIENSI PEMBAKARAN. Nama : HELMON SIHOMBING

Recommend Documents