TUNGKU DAN REFRAKTORI

Peralatan Energi Panas: Tungku dan Refraktori

TUNGKU DAN REFRAKTORI 1. PENDAHULUAN .........................................................................................1 2. JENIS-JENIS TUNGKU, REFRAKTORI DAN ISOLASI .........................6 3. PENGKAJIAN TERHADAP TUNGKU..................................................... 21 4. PELUANG EFISIENSI ENERGI ............................................................... 30 5. DAFTAR PERIKSA OPSI.......................................................................... 39 6. LEMBAR KERJA ...................................................................................... 39 7. REFERENSI............................................................................................... 39

1. PENDAHULUAN Bagian ini memperkenalkan tungku dan refraktori dan menjelaskan berbagai aspek perancangan dan operasinya.

1.1 Apakah yang dimaksud dengan tungku? Tungku adalah sebuah peralatan yang digunakan untuk melelehkan logam untuk pembuatan bagian mesin (casting) atau untuk memanaskan bahan serta mengubah bentuknya (misalnya rolling/penggulungan, penempaan) atau merubah sifat-sifatnya (perlakuan panas). Karena gas buang dari bahan bakar berkontak langsung dengan bahan baku, maka jenis bahan bakar yang dipilih menjadi penting. Sebagai contoh, beberapa bahan tidak akan mentolelir sulfur dalam bahan bakar. Bahan bakar padat akan menghasilkan bahan partikulat yang akan mengganggu bahan baku yang ditempatkan didalam tungku. Untuk alasan ini: § Hampir seluruh tungku menggunakan bahan bakar cair, bahan bakar gas atau listrik sebagai masukan energinya. § Tungku induksi dan busur/arc menggunakan listrik untuk melelehkan baja dan besi tuang. § Tungku pelelehan untuk bahan baku bukan besi menggunakan bahan bakar minyak. § Tungku yang dibakar dengan minyak bakar hampir seluruhnya menggunakan minyak tungku, terutama untuk pemanasan kembali dan perlakuan panas bahan. § Minyak diesel ringan (LDO) digunakan dalam tungku bila tidak dikehendaki adanya sulfur. Idealnya tungku harus memanaskan bahan sebanyak mungkin sampai mencapai suhu yang seragam dengan bahan bakar dan buruh sesedikit mungkin. Kunci dari operasi tungku yang efisien terletak pada pembakaran bahan bakar yang sempurna dengan udara berlebih yang minim. Tungku beroperasi dengan efisiensi yang relatif rendah (serendah 7 persen) dibandingkan dengan peralatan pembakaran lainnya seperti boiler (dengan efisiensi lebih dari 90 persen). Hal ini disebabkan oleh suhu operasi yang tinggi dalam tungku. Sebagai contoh, sebuah tungku yang

Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di - www.energyefficiencyasia.org

©UNEP 2006

1

Peralatan Energi Panas: Tungku dan Refraktori memanaskan bahan sampai suhu 1200 o C akan mengemisikan gas buang pada suhu 1200 o C atau lebih yang me ngakibatkan kehilangan panas yang cukup signifikan melalui cerobong. Seluruh tungku memiliki komponen-komponen seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1 (Carbon Trust, 1993): § Ruang refraktori dibangun dari bahan isolasi untuk menahan panas pada suhu operasi yang tinggi. § Perapian untuk menyangga atau membawa baja, yang terdiri dari bahan refraktori yang didukung oleh sebuah bangunan baja, sebagian darinya didinginkan oleh air. § Burners yang menggunakan bahan bakar cair atau gas digunakan untuk menaikan dan menjaga suhu dalam ruangan. Batubara atau listrik dapat digunakan dalam pemanasan ulang/ reheating tungku. § Cerobong digunakan untuk membuang gas buang pembakaran dari ruangan § Pintu pengisian dan pengeluaran digunakan untuk pemuatan dan pengeluaran muatan. Peralatan bongkar muat termasuk roller tables, conveyor, mesin pemuat dan pendorong tungku.

Gambar 1: Komponen-komponen Tungku (The Carbon Trust, 1993) http://www.thecarbontrust.co.uk/energy/pages/home.asp

1.2 Apa yang dimaksud dengan refraktori? 1 Bahan apapun dapat digambarkan sebagai ‘refraktori’jika bahan ini dapat bertahan terhadap abrasi atau korosi bahan padat, cair, atau gas pada suhu tinggi. Karena penggunaannya yang 1

Bagian 1.2 diambil (dengan mengedit) dari Efisiensi Energi pada Utilitas Panas, 2005 dengan ijin dari Biro Efisiensi Energi, Kementrian Daya, India


©UNEP 2006

2

Peralatan Energi Panas: Tungku dan Refraktori bervariasi dalam berbagai kondisi operasi, maka pihak manufaktur memproduksi berbagai jenis refraktori dengan berbagai sifat. Bahan-bahan refraktori dibuat dengan kombinasi dan bentuk yang bervariasi tergantung pada penggunaannya. Persyaratan-persyaratan umum bahan refraktori adalah: § Tahan terhadap suhu tinggi § Tahan terhadap Perubahan suhu yang mendadak § Tahan terhadap lelehan terak logam, kaca, gas panas, dll. § Tahan terhadap beban pada kondisi perbaikan § Tahan terhadap beban dan gaya abrasi § Menghemat panas § Memiliki koefisien ekspansi panas yang rendah § Tidak boleh mencemari bahan yang bersinggungan Tabel 1 membandingkan sifat-sifat panas bahan refraktori dengan densitas tinggi dan rendah. Tabel 1. Sifat-sifat Refraktori (The Carbon Trust, 1993) Sifat

Konduktivitas panas (W/m K) Panas jenis (J/kg K) Densitas (kg/m3)

Massa Panas Tinggi (Refraktori dengan densitas tinggi) 1,2 1000 2300

Massa Panas Rendah (Serat Keramik) 0,3 1000 130

Jenis refraktori yang digunakan tergantung pada area penggunaannya seperti boiler, tungku, kiln, oven dll., suhu dan tekanan yang dibutuhkan. Pemasangan refraktori ditunjukkan dalam Gambar 2.

Gambar 2a. Lining refraktori tungku busur/ arc (BEE, 2005)

Gambar 2b. Dinding bagian dalam refraktori dengan blok burner (BEE, 2005)

Beberapa sifat-sifat penting refraktori adalah: Titik leleh: Bahan-bahan murni meleleh dengan seketika pada suhu tertentu. Hampir kebanyakan bahan refraktori terdiri dari partikel yang terikat bersama dan memiliki suhu leleh tinggi. Pada suhu tinggi, partikel tersebut meleleh dan membentuk terak. Titik leleh refraktori adalah suhu dimana piramida uji (kerucut) gagal mendukung beratnya sendiri.


©UNEP 2006

3


Ukuran: Bentuk dan ukuran refraktori merupakan bagian dari rancangan tungku, karena hal ini mempengaruhi stabilitas struktur tungku. Ukuran yang tepat sangat penting untuk memasang bentuk refraktori dibagian dalam tungku dan untuk meminimalkan ruang antara sambungan konstruksinya. Bulk density: Bulk density merupakan sifat refraktori yang penting, yakni jumlah bahan refraktori dalam suatu vo lum (kg/m3). Kenaikan dalam bulk density refraktori akan menaikan stabilitas volum, kapasitas panas dan tahanannya terhadap penetrasi terak. Porositas: Porositas merupakan volume pori-pori yang terbuka, dimana cairan dapat menembus, sebagai persentase volum total refraktori. Sifat ini penting ketika refraktori melakukan kontak dengan terak dan isian yang leleh. Porositas yang nampak rendah mencegah bahan leleh menembus refraktori. Sejumlah besar pori-pori kecil biasanya lebih disukai daripada sejumlah kecil pori-pori yang besar. Cold crushing strength: Cold crushing strength merupakan resistansi refraktori terhadap kehancuran yang sering terjadi selama pengiriman. Hal ini hanya keterkaitan tidak langsung terhadap kinerja refraktori, dan digunakan sebagai salah satu indikator resistansi terhadap abrasi. Indikator lainnya adalah bulk density dan porositas. Kerucut pyrometric dan kerucut pyrometric eqivalen/ Pyrometric Cones Equivalent (PCE): ‘Kerefraktorian’ batu bata (refraktori) adalah suhu dimana refraktori melengkung yang disebabkan tidak dapat menahan beratnya lagi, Kerucut pyrometric digunakan di industri keramik untuk menguj i kerefraktorian batu bata (refraktori). Kerucut ini terdiri dari campuran oksida yang dikenal meleleh pada kisaran suhu yang sempit. Kerucut dengan komposisi berbagai oksida diletakkan berurutan sesuai dengan suhu lelehnya sepanjang bata refraktori dalam tungku. Tungku dibakar dan suhunya akan naik. Satu kerucut akan melengkung bersama bata refraktori. Nilai ini merupakan kisaran suhu dalam oC, dimana diatas suhu tersebut refraktori tidak dapat digunakan. Hal ini disebut suhu Kerucut Pyrometric Ekivalen (Gambar 3)

Gambar 3: Kerucut Pyrometric (Biro Efisiensi Energi, 2004) Creep pada suhu tinggi: Creep merupakan sifat yang tergantung pada waktu, yang menentukan rusaknya bentuk pada waktu dan suhu yang diberikan pada bahan refraktori dengan penekanan.


©UNEP 2006

4


Stabilitas volum, pengembangan, dan penyusutan pada suhu tinggi: kontraksi atau ekspansi refraktori dapat berlangsung selama umur pakai. Perubahan yang permanen dalam ukurannya dapat disebabkan oleh: § Perubahan dalam bentuk allotropic, yang dapat menyebabkan perubahan dalam specific gravity § Reaksi kimia, yang menghasilkan bahan baru dari specific gravity yang berubah § Pembentukan fase cair § Reaksi sintering § Penggabungan debu dan terak atau karena adanya alkali pada refraktori semen tahan api, membentuk basa alumina silikat. Hal ini biasanya teramati pada blast furnace. Ekspansi panas dapat balik: Bahan apapun akan mengembang jika dipanaskan, akan menyusut jika didinginkan. Pengembangan/ekspansi panas yang dapat balik merupakan cerminan perubahan fase yang terjadi selama pemanasan dan pendinginan. Konduktivitas panas: Konduktivitas panas tergantung pada komposisi kimia dan mineral dan kandungan silika pada refraktori dan pada suhu penggunaan. Konduktivitas biasanya berubah dengan naiknya suhu. Konduktivitas panas refraktori yang tinggi dikehendaki bila diperlukan perpindahan panas yang melalui bata, sebagai contoh dalam recuperators, regenerators, muffles, dll. Konduktivitas panas yang rendah dikehendaki untuk penghematan panas seperti refraktori yang digunakan sebagai isolator. Isolasi tambahan dapat menghemat panas namun pada saat yang sama akan meningkatkan suhu panas permukaan, sesampai diperlukan refraktori yang berkualitas lebih baik. Oleh sebab itu, atap bagian luar dari tungku dengan perapian terbuka/ tungku open hearth biasanya tidak diisolasi, karena akan menyebabkan runtuhnya atap. Refraktori yang ringan dengan konduktivitas panas yang rendah digunakan secara luas pada tungku perlakuan panas suhu rendah, sebagai contoh dalam tungku jenis batch dimana kapasitas panas struktur refraktori yang re ndah meminimalkan panas tersimpan selama siklus pemanasan dan pendinginan. Refraktori untuk isolasi memiliki konduktivitas panas yang sangat rendah. Hal ini biasanya dicapai dengan penjebakan sebagian besar udara kedalam struktur. Beberapa contohnya adalah: § Bahan yang terjadi secara alami seperti asbes merupakan isolator yang baik namun bukan merupakan satu-satunya refraktori yang baik. § Wool mineral yang tersedia yang memadukan sifat isolasi dengan resistansi yang baik terhadap panas namun bahan ini tidak kaku § Batu bata berpori yang kaku pada suhu tinggi dan memiliki konduktivitas panas rendah.


©UNEP 2006

5


2. JENIS-JENIS TUNGKU, REFRAKTORI DAN ISOLASI Bagian ini menerangkan jenis-jenis tungku, refraktori dan bahan isolasi yang digunakan dalam industri. Juga memberikan kriteria bagi pemilihan jenis refraktori untuk hasil yang optimal.

2.1 Jenis-jenis tungku Tungku secara luas dibagi menjadi dua jenis berdasarkan metoda pembangkitan panasnya: tungku pembakaran yang menggunakan bahan bakar, dan tungku listrik yang menggunakan listrik. Tungku pembakaran dapat digolongkan menjadi beberapa bagian seperti ditunjukkan dalam Tabel 2: jenis bahan bakar yang digunakan, cara pemuatan bahan baku, cara perpindahan panasnya dan cara pemanfaatan kembali limbah panasnya. Tetapi, dalam prakteknya tidak mungkin menggunakan penggolongan ini sebab tungku dapat menggunakan berbagai jenis bahan bakar, cara pemuatan bahan ke tungku yang berbeda, dll. Tungku yang paling umum digunakan akan dijelaskan dalam bagian berikutnya. Tabel 2. Klasifikasi tungku Metod klasifikasi Jenis bahan bakar yang digunakan

Cara pengisian bahan

Cara perpindahan panas

Jenis dan contoh Dibakar dengan minyak Dibakar dengan gas Dibakar dengan batubara Berselang (intermittent)/ Batch Berkala § Penempaan § Penggulungan ulang/ re-rolling (batch/pusher) § Pot Kontinyu § Pusher § Balok berjalan § Perapian berjalan § Tungku bogie dengan sirkulasi ulang kontinyu § Tungku perapian berputar/ rotary hearth furnace

Radiasi (tempat perapian terbuka)

Cara pemanfaatan kembali limbah panas

Konveksi (pemanasan melalui media ) Rekuperatif Regeneratif

2

2.1.1 Tungku penempaan Tungku penempaan digunakan untuk pemanasan awal bilet dan ingot untuk mencapai suhu ‘tempa’. Suhu tungku dicapai pada sekitar 1200 sampai 1250 o C. Tungku penempaan menggunakan sistim perapian terbuka dan hampir seluruh panasnya ditransmisikan oleh radiasi. Bebannya biasanya adalah 5 sampai 6 ton dengan operasi tungku 16 sampai 18 jam setiap harinya. Siklus operasi totalnya dapat dibagi menjadi (i) waktu pemanasan (ii) waktu

2

Bagian 2.1.1 hingga 2.1.3 diambil (dengan mengedit) dari Efisiensi Energi pada Utilitas Panas, 2005 dengan ijin dari Biro Efisiensi Energi, Kementrian Daya, India


©UNEP 2006

6

Peralatan Energi Panas: Tungku dan Refraktori perendaman dan (iii) waktu penempaan. Pemakaian bahan bakar yang spesifik tergantung pada jenis bahan dan jumlah ‘pemanasan ulang/ reheat’yang diperlukan. 2.1.2 Tungku re-rolling mill a) Jenis batch Tungku jenis kotak digunakan sebagai re-rolling mill jenis batch. Tungku ini terutama digunakan untuk pemanasan skrap, ingot dan bilet kecil yang beratnya 2 sampai 20 kg untuk rerolling. Bahan dimasukkan dan dikeluarkan secara manual dan hasil akhirnya berupa batang/ rod, strips, dll. Suhu operasinya sekitar 1200 o C. Siklus waktunya dapat dikategorikan lebih lanjut menjadi waktu pemanasan dan waktu re-rolling. Keluaran rata-rata dari tungku-tungku ini bervariasi dari 180 sampai 280 kg batubara/ton bahan yang dipanaskan. b) Jenis pusher kontinyu Aliran proses dan siklus operasi jenis pusher kontinyu sama dengan tungku jenis batch. Suhu operasinya sekitar 1250 o C. Umumnya, tungku ini beropeasi selama 8 sampai 10 jam dengan keluaran hasil 20 sampai 25 ton per hari. Bahan atau stok memanfaatkan kembali sebagian panasnya dalam gas buang ketika gas buang bergerak turun sepanjang tungku. Penyerapan panas oleh bahan dalam tungku tergolong lambat, tetap dan seragam diseluruh penampang dibanding dengan jenis batch. 2.1.3 Tungku pema nasan ulang yang kontinyu Dalam pemanasan ulang/ reheating yang kontinyu, stok baja membentuk aliran bahan yang kontinyu dan dipanaskan sampai mencapai suhu yang dikehendaki ketika bahan ini berjalan melalui tungku. Suhu sebatang baja naik antara 900°C dan 1250 o C, sampai bahan ini cukup lunak untuk dikempa atau digulung menjadi bentuk dan ukuran yang dikehendaki. Tungku juga harus memenuhi laju pemanasan stok yang spesifik untuk alasan metalurgi dan produktivitas. Untuk menjaga kehilangan energi pada nilai minimum, pintu masukan dan keluaran harus berukuran minimal dan dirancang untuk menghindari penyusupan udara. Tungku pemanasan ulang/ reheating kontinyu dapat dikategorikan dengan dua metoda pengangkutan bahan yang melalui tungku: § Stok dijaga bersama membentuk aliran bahan yang didorong menuju tungku. Tungku semacam ini disebut tungku jenis pusher (pendorong). § Stok ditempatkan pada perap ian yang bergerak/ moving hearth atau struktur penopang yang mengangkut baja menuju tungku. Tungkunya terdiri dari balok berjalan, perapian berjalan, tungku bogie dengan sirkulasi ulang yang kontinyu, dan tungku dengan perapian berputar (rotary hearth furnace). Tabel 3 membandingkan jenis utama tungku dengan pemanasan ulang kontinyu yang digunakan di industri.


©UNEP 2006

7


Gambar 4. Tungku jenis Pusher (pendorong)(The Carbon Trust, 1993)


©UNEP 2006

8

Peralatan Energi Panas: Tungku dan Refraktori Tabel 3. Perbandingan Tungku-tungku dengan Pemanasan Ulang Kontinyu (Diambil dari The Carbon Trust, 1993 and BEE, 2005) Jenis Tungku pusher (Gambar 4)

Tungku dengan balok berjalan (Gambar 5)

Deskripsi Ciri-ciri utamanya : § Tungku memiliki perapian padat, namun dalam banyak hal pusher digunakan untuk memuat dan mengeluarkan stok bahan yang bergerak pada (rel) “luncur”dengan bantuan air dingin. § Tungku-tungku ini biasanya memiliki perapian yang miring mengarah ke ujung pengeluaran dengan panjang 35 meter yang terbagi menjadi lima zona pada tungku dengan pembakaran dibagian puncaknya. § Pembakaran tungku oleh burners terletak pada ujung pengeluaran tungku, atau pada puncak dan/atau bagian bawah § Ujung pengeluaran tungku memiliki cerobong dengan sebuah recuperator untuk pemanfaatan kembali limbah panas. Tungku ini beroperasi sebagai berikut: § Stok ditempatkan pada daerah stasioner § Balok yang berjalan dinaikkan dari bawah untuk menaikan stok § Balok berjalan dengan stok bergerak maju § Balok berjalan direndahkan pada ujung tungku untuk me letakkan stok pada daerah stasioner § Stok dikeluarkan dari tungku dan balok berjalan kembali ke jalan masuk tungku

Keuntungan Biaya pemasangan dan perawatannya rendah (dibanding dengan tungku dengan perapian yang bergerak/ moving hearth furnace) Keuntungan dari pembakaran pada puncak dan bawah: § Pemanasan stok lebih cepat § Perbedaan suhu dalam stok rendah § Waktu tinggal stok berkurang § Panjang tungku lebih pendek (dibanding dengan tungku dengan perapian padat)

§

§

Pada mulanya suhu terbatas pada 1000 0 C namun model yang baru mampu mencapai 1100 0 C


Mengatasi banyak masalah dari tungku pusher (skid mark , penumpukan stok, pengisian/pe ngeluaran) Memungkinkan untuk memanaskan permukaan bawah dari stok menghasilkan waktu pemanasan stok yang lebih pendek dan memendekan panjang tungku dan dengan begitu mengendalikan laju panas yang lebih baik, suhu pe ngeluaran stok yang seragam dan operasi yang fleksibe l

©UNEP 2006

§

§ § § §

§ § §

Kerugian Kehilangan energi pendinginan air dari skid/ peluncur dan struktur penopang stok pada tungku pembakar bagian puncak dan bawah Pengeluaran harus disertai dengan pemasukan Ukuran/berat stok dibatasi oleh gesekan/ friksi dan kemungkinan penumpukan stok Tungku memerlukan fasilitas untuk mengosongkan keseluruhannya Penurunan kualitas oleh (a) tanda fisik oleh skid atau ‘skid mark’(b) perbedaan suhu sepanjang stok yang disebabkan oleh penopang berpendingin air pada bagian puncak dan bawah tungku pembakar Kehilangan energi yang tinggi melalui pendinginan air (dibanding dengan tungku dengan perapian berjalan) Kebanyakan tungku berada dibawah mill; hal ini dapat mengakibatkan hambatan untuk beberapa penggunaan. Kadangkala bila mekanisme operasi balok memerlukan pembakaran dari samping, akan mengakibatkan pemanasan stok yang tidak seragam

9


Jenis Tungku dengan perapian berjalan (Gambar 6)

Deskripsi Tungku ini dirancang sedemikian rupa sesampai stok berhenti pada blok refraktori yang tetap, yang meluas melalui pembukaan perapian. Stok diangkut menuju ujung pembuangan pada tahaptahap yang berlainan oleh “perapian berjalan”, sama halnya dengan tungku balok berjalan

§ § § § § §

Tungku bogie dengan sirkulasi ulang kontinyu (Gambar 7)

Tungku memiliki bentuk terowongan panjang dan sempit dengan rel didalamnya dan bekerja sebagai berikut: § Stok bahan ditempatkan pada bogie (gerobak beroda) dengan perapian refraktori § Beberapa bogie bergerak seperti sebuah kereta api yang mengelilingi seluruh panjang tungku melalui tungku § Stok dikeluarkan pada ujung pengeluaran dan bogie kembal ke ujung pengisisan tungku

§

Tungku dengan perapian berputar (Gambar 8)

Jenis tungku yang baru-baru ini dikembangkan adalah yang menyusul tungku bogie. Dinding dan atap tungku tetap stasioner sementara perapian bergerak dalam suatu lingkaran pada bingkai penggulung, membawa stok. Gas yang sudah dipanaskan bergerak dalam arah yang berlawanan dengan perapian dan gas-gas buang dibuang dekat pintu pengisian. Suhunya dapat mencapai 1300 o C

§


Keuntungan Kesederhanaan rancangan Kemudahan dalam pendirian konstruksinya Kemampuan dalam melayani ukuran stok yang berlainan (dalam batasan-batasan) Kehilangan energi pendinginan air dapat diabaikan Dapat dikosongkan Penandaan fisik stok minimal

Cocok untuk stok kompak yang bervariasi ukuran dan geometrisnya

§

§ § §

§

Cocok untuk stok yang bervariasi ukuran dan geometrisnya Mengurangi kehilangan panas penyimpanan dibanding dengan tungku bogie

©UNEP 2006

§ §

Kerugian Suhu yang melintas stok tidak seragam sebab bagian bawah stok tidak dapat dipanaskan dan ruangruang kecil diantara stok membatasi pemanasan bagian sisi-sisinya. Ruang-ruang besar diantara stok dapat mengurangi sebagian kekurangan ini. Namun hal ini dapat meningkatkan waktu tinggal stok sampai mencapai beberapa jam, yang mempengaruhi fleksibilitas dan hasil dari tungku Stok dalam bogie harus mengalami siklus pemanasan dan pendinginan dan pemanasan lagi Kehilangan panas tangki penyimpan melalui pemanasan dan pendinginan bogies Penutup sil untuk celah diantara bogies dan shell tungku yang tidak mencukupi, kesulitan dalam membuang kerak, dan kesulitasn dalam pembakaran yang melintas perapian yang sempit yang disebabkan oleh bentuk tungku yang panjang dan sempit Rancangannya lebih rumit dengan bentuk annular dan perapian yang memutar Kemungkinan masalah logistik dalam tata letak beberapa rolling mills dan penempaan disebabkan dekatnya lokasi dengan posisi pengisian dan pembuangan

10



©UNEP 2006

11


Gambar 5. Tungku dengan Balok Berjalan (The Carbon Trust 1993)

Gambar 6. Tungku dengan Perapian Berjalan (The Carbon Trust 1993)


©UNEP 2006

12


Gambar 7. Tungku Bogie dengan Sirkulasi ulang yang Kontinyu (The Carbon Trust, 1993)

Gambar 8. Tungku dengan Perapian Berputar (The Carbon Trust, 1993)


©UNEP 2006

13


2.2 Jenis-jenis refraktori

3

Refraktori dapat digolongkan berdasarkan komposisi kimianya, pengguna akhir dan metoda pembuatannya sebagaimana diperlihatkan dibawah ini. Tabel 4. Klasifikasi Refraktori berdasarkan komposisi kimianya (Diambil dari Gilchrist) Metoda klasifikasi Contoh Komposisi kimia ASAM, yang siap bergabung Silika, Semisilika, Aluminosilikat dengan basa BASA, terutama yang Magnesit, Khrom- magnesit, Magnesit-chromit, Dolomit mengandung oksida logam yang tahan terhadap basa NETRAL, yang tidak Batu bata tahan api, K hrom, Alumina Murni bergabung dengan asam ataupun basa Khusus Karbon, Silikon Karbid, Zirkon Pengguna Akhir Blast furnace casting pit Metoda pembuatan Proses kempa kering, fused cast, cetakan tangan, pembentukan normal, ikatan dengan pembakaran atau secara kimiawi, tidak dibentuk (monolitik, plastik, ramming mass, gunning castable, penyemprotan)

2.2.1 Refraktori sementahan api Batubata tahan api merupakan bentuk yang umum dari bahan refraktori. Bahan ini digunakan secara luas dalam industri besi dan baja, metalurgi non besi, industri kaca, kiln barang tembikar, industri semen, dan masih banyak yang lainnya. Refraktori semen tahan api, seperti batu bata tahan api, semen tahan api silika dan refraktori tanah liat alumunium dengan kandungan silika (SiO 2) yang bervariasi sampai mencapai 78 persen dan kandungan Al2O 3 sampai mencapai 44 persen. Tabel 5 memperlihatkan bahwa titik leleh (PCE) batu bata tahan api berkurang dengan meningkatnya bahan pencemar dan menurunkan Al2 O3 . Bahan ini seringkali digunakan dalam tungku, kiln dan kompor sebab bahan tersebut tersedia banyak dan relatif tidak mahal. Tabel 5. Sifat-sifat batu bata tahan api (BEE, 2005) Jenis batu bata Persentase Persentase SiO2 Al2 O3 Super Duty High Duty Menengah

49-53 50-80 60-70

40-44 35-40 26-36

Persentase kandungan lainnya 5-7 5-9 5-9

PCE o C

1745-1760 1690-1745 1640-1680

3

Bagian 2.2 diambil (dengan mengedit) dari Efisiensi Energi pada Utilitas Panas, 2005 dengan ijin dari Biro Efisiensi Energi, Kementrian Daya, India.


©UNEP 2006

14

Peralatan Energi Panas: Tungku dan Refraktori High Duty (Silika) Low Duty

65-80 60-70

18-30 23-33

3-8 6-10

1620-1680 1520-1595

2.2.2 Refraktori alumina tinggi Refraktori silikat alumina yang mengandung lebih dari 45 persen alumina biasanya dikatakan sebagai bahan-bahan alumina tinggi. Konsentrasi alumina berkisar dari 45 sampai 100 persen. Penerapan refraktori alumina tinggi meliputi perapian dan batang as tungku hembus, kiln keramik, kiln semen, tangki kaca dan wadah tempat melebur berbagai jenis logam. 2.2.3 Batu bata silika Batu bata silika (atau Dinas) merupakan suatu refraktori yang mengandung paling sedikit 93 persen SiO 2. Bahan bakunya merupakan batu yang berkualitas. Batu bata silika berbagai kelas memiliki penggunaan yang luas dalam tungku pelelehan besi dan baja dan industri kaca. Sebagai tambahan terhadap refraktori jenis multi dengan titik fusi yang tinggi, sifat penting lainnya adalah ketahanannya yang tinggi terhadap kejutan panas (spalling) dan kerefraktoriannya. Sifat batu bata silika yang terkemuka adalah bahwa bahan ini tidak melunak pada beban tinggi sampai titik fusi terdekati. Sifat ini sangat berlawanan dengan beberapa refraktori lainnya, contohnya bahan silikat alumina, yang mulai berfusi dan retak pada suhu jauh lebih rendah dari suhu fusinya. Keuntungan lainnya adalah tahanan flux dan stag, stabilitas volum dan tahanan spalling tinggi. 2.2.4 Magnesit Refraktori magnesit merupakan bahan baku kimia, yang mengandung paling sedikit 85 persen magnesium oksida. Tersusun dari magnesit alami (MgCO3 ). Sifat-sifat refraktori magnesit tergantung pada konsentrasi ikatan silikat pada suhu operasi. Magnesit kualitas bagus biasanya dihasilkan dari perbandingan CaO-SiO 2 yang kurang dari dua dengan konsentrasi ferrit yang minimum, terutama jika tungku yang dilapisi refraktori beroperasi pada kondisi oksidasi dan reduksi. Perlawanan terak sangat tinggi terutama terhadap kapur dan terak yang kaya dengan besi. 2.2.5 Refraktori Khromit Dibedakan dua jenis refraktori khromit: § Refraktori Khrom- magnesit, yang biasanya mengandung 15-35 persen Cr2 O 3 dan 42-50 persen MgO. Senyawa-senayawa tersebut dibuat dengan kualitas yang bermacam- macam dan digunakan untuk membentuk bagian-bagian kritis pada tungku bersuhu tinggi.Bahan tersebut dapat tahan terhadap terak dan gas yang korosif dan memiliki sifat refaktori yang tinggi. § Refraktori Magnesit-khromit, yang mengandung paling sedikit 60 persen MgO dan 8-18 persen Cr2 O3 . Bahan tersebut cocok untuk pelayanan pada suhu paling tinggi dan untuk kontak dengan terak/slag yang sangat dasar yang digunakan dalam peleburan baja. Magnesitkhromit biasanya memiliki tahanan spalling yang lebih baik daripada khrom- magnesit. 2.2.6 Refraktori Zirkonia Zirkonium dioksida (ZrO 2) merupakan bahan polymorphic. Penting untuk menstabilkan bahan ini sebelum penggunaannya sebagai refraktori, yang dicapai dengan mencampurkan sejumlah kecil kalsium, magnesium dan cerium oksida, dll. Sifatnya tergantung terutama pada derajat stabilisasi, jumlah penstabil/stabiliser dan jumlah bahan baku orisinalnya. Refraktori zirkonia


©UNEP 2006

15

Peralatan Energi Panas: Tungku dan Refraktori memiliki kekuatan yang sangat tinggi pada suhu kamar, yang dicapai sampai suhu setinggi 15000 C. Oleh karenanya bahan tersebut berguna sebagai bahan konstruksi bersuhu tinggi dalam tungku dan kiln. Konduktivitas panas zirkonium dioksid lebih rendah dari kebanyakan refraktori oleh karena itu bahan ini digunakan sebagai refraktori isolasi suhu tinggi. Zirkonia memperlihatkan kehilangan panas yang sangat rendah dan tidak bereaksi dengan logam cair, dan terutama berguna untuk pembuatan wadah tempat melebur logam pada refraktori dan tempat lainnya untuk keperluan metalurgi. Tungku kaca menggunakan zirkonia sebab bahan ini tidak mudah basah oleh kaca yang meleleh dan tidak mudah bereaksi dengan kaca. 2.2.7 Refraktori oksida (Alumina) Bahan refraktori alumina yang terdiri dari alumunium oksida dengan sedikit kotoran dikenal sebagai alumina murni. Alumina merupakan satu dari bahan kimia oksida yang dikenal paling stabil. Bahan ini secara mekanis sangat kuat, tidak dapat larut dalam air, steam lewat jenuh, dan hampir semua asam inorganik dan alkali. Sifatnya membuatnya cocok untuk pembentukan wadah tempat melebur logam untuk fusi sodium karbonat, sod ium hidroksida dan sodium peroksida. Bahan ini memiliki tahanan tinggi dalam oksidasi dan reduksi pada kondisi atmosfir. Alumina digunakan dalam industri dengan proses panas. Alumina yang sangat berpori digunakan untuk melapisi tungku dengan suhu operasi sampai mencapai 1850o C. 2.2.8 Monolitik Refraktori monolitik adalah sebuah cetakan tunggal dalam pembentukan peralatan, seperti sendok besar seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 9. Refraktori ini secara cepat menggantikan refraktori jenis kovensional dalam banyak digunakan termasuk tungku-tungku industri. Keuntungan utama monolitik adalah: § Penghilangan sambungan yang merupakan titik kelemahan § Metoda penggunaannya lebih cepat § Tidak diperlukan keakhlian khusus untuk pemasangannya § Mudah dalam penanganan dan pengangkutan § Cakupan yang lebih baik untuk mengurangi waktu penghentian dalam perbaikan § Cakupannya sungguh mengurangi tempat penyimpanan dan menghilangkan bentuk khusus § Penghematan panas § Tahanan spalling yang lebih baik § Stabilitas volum yang lebih besar Penempatan monolitik menggunakan berbagai macam metoda, seperti ramming, penuangan, gunniting, penyemprotan, dan sand slinging. Ramming memerlukan tool yang baik dan kebanyakan digunakan pada penggunaan dingin dimana penggabungan bahan merupakan hal yang penting. Dikarenakan semen kalsium aluminat merupakan bahan pengikat, maka bahan ini harus disimpan secara benar untuk mencegah penyerapan kadar air. Kekuatannya mulai berkurang setelah 6 sampai 12 bulan.


©UNEP 2006

16


Gambar 9. Pelapisan Monolitik untuk Ladel

2.3 Bahan-bahan isolasi4 Bahan-bahan isolasi sangat mengurangi kehilangan panas yang melalui dinding. Isolasi dicapai dengan memberikan sebuah lapisan bahan yang memiliki konduktivitas panas rendah antara permukaan panas dibagian dalam tungku dan permukaan luar, jadi menjaga suhu permukaan luar tetap rendah. Bahan-bahan isolasi dapat dikelompokkan sebagai berikut : § Batu bata isolasi § Castables isolasi § Serat keramik § Kalsium silikat § Pelapis keramik Bahan-bahan isolasi memiliki konduktivitas yang rendah terhadap pori-porinya sementara kapasitas panasnya tergantung pada bulk density dan panas jenisnya. Bahan isolasi udara terdiri dari pori-pori yang sangat kecil dan diisi oleh udara, yang memiliki konduktivitas panas sangat rendah. Panas berlebih merugikan seluruh bahan isolasi, namun pada suhu berapa hal ini terjadi sangat bervariasi. Oleh karena itu pemilihan bahan isolasi harus didasarkan pada kemampuannya menahan konduktivitas panas dan pada suhu tertinggi dimana bahan ini maí z dapat bertahan. Salah satu bahan isolasi yang paling banyak digunakan adalah diatomite, juga dikenal dengan kiesel guhr, yang terdiri dari sejumlah massa kerangka tanaman air yang sangat kecil yang terendapkan ribuan tahun didasar lautan dan danau. Komposisi kimianya adalah silika yang tercemari oleh lempung dan bahan organik. K isaran luas dari refraktori isolasi dengan perpaduan luas yang sekarang sudah tersedia. Tabel 6 memperlihatkan sifat fisik penting dari beberapa refraktori isolasi.

4

. Bagian 2.3 diambil (dengan mengedit) dari Efisiensi Energi pada Utilitas Panas, 2005 dengan ijin dari Biro Efisiensi Energi, Kementrian Daya, India.


©UNEP 2006

17

Peralatan Energi Panas: Tungku dan Refraktori Tabel 6. Sifat-sifat fisik bahan-bahan isolasi (BEE, 2005) Persen porositas

Bulk density (kg/m3 )

1000

Kekuatan remuk kondisi dingin (kg/cm2 ) 270

52

1090

0,014

800

110

77

540

0,030 0,028 0,040

1500 1500-1600 1400

260 300 400

68 66 65

560 910 830

Jenis

Konduktivitas Panas pada suhu 400 oC

Suhu aman maksimum (o C)

Kualitas Padatan Diatomite Kualitas penyerapan Diatomite Tanah lempung Alumina Tinggi Silika

0,025

2.3.1 Castables dan beton Pelapisan monolitik bagian tungku dapat dibangun dengan penuangan isolasi refraktori dari beton, dan penggunaan agregat ringan ke tempat yang pantas untuk disambung. Penggunaan lainnya adalah dasar gerbong kiln terowongan yang digunakan di industri keramik. Bahanbahannya sama dengan bahan isolasi yang digunakan untuk pembuatan refraktori, kecuali betonnya mengandung semen Portland atau semen alumina tinggi. 2.3.2 Serat keramik Serat keramik merupakan bahan isolasi massa panas yang rendah, yang merombak rancangan tungku sistim pelapisan. Serat keramik dibuat dengan cara pencampuran dan pelelehan alumina dan silika pada suhu 1800 – 2000o C, dan mematahkan aliran lelehan dengan menghembuskan udara bertekanan atau menjatuhkan aliran lelehan ke cakram berputar membentuk serat keramik lepasan atau dalam kumpulan yang besar. Serat dalam jumlah besar digunakan untuk memproduksi berbagai produk isolasi termasuk selimut/mantel, bilah/ strip, vernis dan modul jangkar, kertas, papan dan potongan yang dibentuk vakum, tali, felt basah, semen mastik, dll. Serat biasanya dihasilkan dalam dua jenis suhu terga ntung pada kandungan Al2 O3 . Produk yang baru adalah ZrO2 yang ditambahkan serat alumino-silikat, yang membantu mengurangi tingkat penyusutan dan oleh karenanya membuat serat cocok untuk suhu yang lebih tinggi. Suhu operasi kontinyu yang direkomendasikan untuk serat-serat diberikan dalam Tabel 7.

Tabel 7. Suhu operasi kontinyu yang direkomendasikan untuk serat-serat (BEE, 2005) Al2O3 SiO2 ZrO2 o 1150 C 43 –47 persen 53 –57 persen 1250o C 1325o C

52 –56 persen 33 –35 persen

44 –48 persen 47 –50 persen

17 –20 persen

Serat keramik biasanya dihasilkan dalam bentuk wool ukuran besar dan dijahitkan ke mantel dengan masa jenis yang bervariasi berkisar dari 64 sampai190 kg/m3 . Produk-produk yang diubah dan lebih dari 40 jenis berbeda dibuat dari mantel untuk memenuhi berbagai permintaan.


©UNEP 2006

18

Peralatan Energi Panas: Tungku dan Refraktori Karakteristik serat keramik merupakan kombinasi yang luar biasa dari sifat-sifat refraktori dan bahan isolasi tradisional. a) Konduktivitas panas yang lebih rendah Dikarenakan konduktivitas panas yang rendah (0,1 kKal/m per jam per o C pada 600 o C untuk mantel dengan massa jenis 128 kg/m3 ) maka memungkinkan untuk membuat lapisan yang lebih tipis dengan efisiensi panas yang sama dengan refraktori konvensional. Sebagai hasil dari lapisan yang lebih tipis, volum tungku menjadi lebih besar. Lapisan ini 40 persen lebih efektif daripada batu bata isolasi kualitas baik dan 2,5 kali lebih baik dari asbes. Serat keramik merupakan bahan isolasi yang lebih baik dari kalsium silikat.. b) Ringan Massa jenis rata-rata serat keramik adalah 96 kg/m3. Nilai ini sepersepuluh berat batu bata isolasi dan sepertiga berat papan asbes/kalsium silikat. Untuk tungku yang baru, penyangga struktur bangunan dapat berkurang 40 persen. c) Penyimpan panas yang lebih rendah Lapisan serat keramik menyerap sedikit panas disebabkan masa jenisnya yang lebih rendah. Oleh karena itu tungku dapat dipanaskan dan didinginkan pada laju yang lebih cepat. Biasanya panas yang disimpan dalam sistim pelapisan serat keramik berkisar antara 2700 - 4050 kKal/m2 (1000 – 1500 Btu/Ft2 ) dibandingkan terhadap sistim pelapisan secara konvensional yang berkisar 54200-493900 kKal/m2 (20000 –250000 Btu/Ft2 ). d) Tahan terhadap goncangan panas Pelapis serat keramik menahan goncangan panas karena matrik yang berpegas. Hal ini juga menjadikan siklus pemanasan dan pendinginan lebih cepat, dengan demikian memperbaiki kemampuan dan produktivitas tungku. e) Tahan kimia Serat keramik menahan hampir seluruh serangan kimia dan tidak dipengaruhi oleh hidrokarbon, air dan steam yang ada dalam gas buang. f) Pegas mekanik Gaya pegas mekanik yang tinggi dari serat keramik memungkinkan untuk membuat tungku berlapis serat di luar pabrik, mengirimnya ke lokasi dalam bentuk rakitan tanpa resiko rusak. g) Biaya pemasangan yang rendah Dikarenakan serat keramik merupakan proses yang sudah distandarisasi, maka tidak diperlukan keakhlian khusus. Pelapis serat tidak memerlukan waktu pengeringan atau waktu curing dan tidak terdapat resiko retak atau spalling bilamana dipanaskan setelah pemasangan. h) Mudah dalam perawatan Dalam hal kerusakan fisik, bagian serat keramik yang rusak dapat dengan segera dibuang dan diganti dengan yang baru. Seluruh bagian panel dapat dipasang sebagian terlebih dahulu untuk pemasangan cepat dengan waktu penghentian yang minimal. i) Mudah dalam penanganan


©UNEP 2006

19

Peralatan Energi Panas: Tungku dan Refraktori Seluruh bentuk produk mudah ditangani dan hampir seluruhnya dapat dengan cepat dipotong oleh pisau atau gunting. Produk yang dibentuk oleh vakum memerlukan pemotongan dengan menggunakan gergaji/band saw. j) Efisiensi panas Efisiensi panas sebuah tungku yang dilapisi dengan serat keramik diperbaiki dalam dua cara. Pertama, konduktivitas panas yang rendah dari serat keramik me njadikan lapisan lebih tipis dan oleh karena itu tungkunya dapat menjadi lebih kecil. Kedua, respon cepat serat keramik terhadap perubahan suhu juga me njadikan pengendalian distribusi suhu yang lebih akurat dalam tungku. Keuntungan lain yang diberikan oleh serat keramik adalah: § Tungkunya ringan § Pekerjaan fabrikasi bajanya sederhana § Waktu penghentian pabriknya sedikit § Produktivitas meningkat § Kapasitas tambahan § Biaya perawatan rendah § Umur layanan yang lebih panjang § Efisiensi panas lebih tinggi § Responnya lebih cepat 2.3.3 Pelapisan emisivitas yang tinggi Emisivitas (yakni ukuran kemampuan bahan untuk menyerap dan meradiasikan panas) seringkali dianggap sebagai sifat fisik yang sudah melekat yang biasanya tidak berubah (contoh lainnya adalah masa jenis, panas jenis dan konduktivias panas). Walau begitu, perkembangan pelapis dengan emisivitas tinggi me njadikan emisivitas bahan meningkat. Pelapis dengan emisivitas tinggi diterapkan pada permukaan interior tungku. Gambar 10 memperlihatkan bahwa emisivitas berbagai bahan isolasi berkurang denga n meningkatnya suhu proses. Keuntungan pelapis dengan emisivitas tinggi adalah bahwa emisivitas kurang lebih konstan.

Gambar 10. Emisivitas Bahan Refraktori pada Berbagai Suhu (BEE, 2005) Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di - www.energyefficiencyasia.org

©UNEP 2006

20

Peralatan Energi Panas: Tungku dan Refraktori Emisivitas tungku yang beroperasi pada suhu tinggi adalah 0,3. Dengan menggunakan pelapis beremisivitas tinggi nilai ini akan naik mencapai 0,8, mengakibatkan naiknya perpindahan panas melalui radiasi. Manfaat lain dari pelapisan dengan emisivitas tinggi dalam ruang tungku adalah pemanasan yang seragam dan memperpanjang umur refraktori dan komponen logam seperti pipa radian dan elemen pemanas. Untuk tungku intermittent atau dimana diperlukan pemanasan cepat, penggunaan pelapis seperti itu akan menurunkan penggunaan bahan bakar atau daya 25 – 45 persen.

3. PENGKAJIAN TERHADAP TUNGKU Bagian ini menjelaskan berbagai metoda dan teknik yang digunakan untuk menentukan jumlah kehilangan dari tungku dan metoda untuk melakukan pengkajian kinerja tungku.

3.1 Kehilangan panas yang mempengaruhi kinerja tungku Idealnya, seluruh panas yang dimasukkan ke tungku harus digunakan untuk memanaskan muatan atau stok. Namun demikian dalam prakteknya banyak panas yang hilang dalam beberapa cara sebagaimana ditunjukkan dalam Gambar 11.

TUNGKU FURNACE

Panas masuk

Panas dalam stok

Kehilangan lain

Permukaan/dinding tungku

Pembukaan dalam tungku

Hidrogen dalam bahan bakar

Kadar air dalam bahan bakar

Gas buang

Gambar 11. Kehilangan Panas dalam Tungku Kehilangan panas dalam tungku tersebut meliputi (BEE, 2005 and US DOE, 2004): § Kehilangan gas buang: merupakan bagian dari panas yang tinggal dalam gas pembakaran dibagian dalam tungku. Kehilangan ini juga dikenal dengan kehilangan limbah gas atau kehilangan cerobong.


©UNEP 2006

21

Peralatan Energi Panas: Tungku dan Refraktori § § §

§ §

Kehilangan dari kadar air dalam bahan bakar: bahan bakar yang biasanya mengandung kadar air dan panas digunakan untuk menguapkan kadar air dibagian dalam tungku. Kehilangan dikarenakan hidrogen dalam bahan bakar yang mengakibatkan terjadinya pembentukan air Kehilangan melalui pembukaan dalam tungku: kehilangan radiasi terjadi bilamana terdapat bukaan dalam penutup tungku dan kehilangan tersebut dapat menjadi cukup berarti terutama untuk tungku yang beroperasi pada suhu diatas 540°C. Kehilangan yang kedua adalah melalui penyusupan udara sebab draft tungku/ cerobong menyebabkan tekanan negatif dibagian dalam tungku, menarik udara melalui kebocoran atau retakan atau ketika pintu tungku terbuka. Kehilangan dinding tungku/permukaan, juga disebut kehilangan dinding: sementara suhu dibagian dalam tungku cukup tinggi, panas dihantarkan melalui atap, lantai dan dinding dan dipancarkan ke udara ambien begitu mencapai kulit atau permukaan tungku. Kehilangan lainnya: terdapat beberapa cara lain dimana panas hilang dari tungku, walupun menentukan jumlah tersebut seringkali sulit. Beberapa diantaranya adalah: − Kehilangan panas tersimpan: bila tungku mulai dinyalakan maka struktur dan isolasi tungku juga dipanaskan, dan panas ini hanya akan meninggalkan struktur lagi jika tungku dimatikan. Oleh karena itu kehilangan panas jenis ini akan meningkat dengan jumlah waktu tungku dihidup-matikan. − Kehilangan selama penanganan bahan: peralatan yang digunakan untuk memindahkan stok melalui tungku, seperti belt conveyor, balok berjalan, bogies, dll. juga menyerap panas. Setiap kali peralatan meninggalkan tungku mereka akan kehilangan panasnya, oleh karena itu kehilangan panas meningkat dengan sejumlah peralatan dan frekuensi dimana mereka masuk dan keluar tungku − Kehilangan panas media pendingin: air dan udara digunakan untuk mendinginkan peralatan, rolls, bantalan dan rolls, dan panas hilang karena media tersebut menyerap panas. − Kehilangan dari pembakaran yang tidak sempurna: panas hilang jika pembakaran berlangsung tidak sempurna sebab bahan bakar atau partikel yang tidak terbakar menyerap panas akan tetapi panas ini tidak disimpan untuk digunakan − Kehilangan dikarenakan terjadinya pembentukan kerak.

3.2 Instrumen untuk mengkaji kinerja tungku 5 Efisiensi tungku dihitung setelah pengurangan berba gai kehilangan panas. Dalam rangka untuk mencari efisiensi dengan menggunakan metoda tidak langsung, berbagai parameter harus diukur seperti pemakaian minyak tungku setiap jam, keluaran bahan, jumlah udara berlebih, suhu gas buang, suhu tungku pada berbagai zona, dan yang lain-lainnya. Tangga l untuk beberapa parameter dapat diperoleh dari catatan produksinya sementara yang lainnya harus diukur dengan instrumen pemantau khusus. Tabel 8 memberi daftar instrumen yang diperlukan untuk mengukur parameter-parameter tersebut.

5

Bagian 3.2 diambil (dengan mengedit) dari Efisiensi Energi pada Utilitas Panas, 2005 dengan ijin dari Biro Efisiensi Energi, Kementrian Daya, India.


©UNEP 2006

22

Peralatan Energi Panas: Tungku dan Refraktori Tabel 8. Instrumen untuk Pengukuran Kinerja Tungku (BEE, 2005) Parameter yang diukur

Lokasi pengukuran

Suhu zona soaking tungku (pemanasan ulang tungku) Suhu gas buang

Zona soaking dan dinding tepi

Suhu gas buang Tekanan perapian tungku dalam zona pemanasan Oksigen dalam gas buang

Suhu billet

Dalam saluran dekat ujung pembuangan, dan jalan masuk ke rekuperator Setelah rekuperator Dekat ujung pengisian dan sisi dinding diatas perapian Dalam saluran dekat ujung pembuangan Portable

Intrumen yang diperlukan Termokopel Pt/Pt-Rh dengan indikator dan perekam Termokopel Chromel Alummel dengan indikator Hg dalam termomete r baja

Nilai yang diperlukan 1200-1300o C

Pengukur tekanan rendah bentuk cincin

+0,1 mm of` Wc

Pemantau efisiensi bahan bakar untuk oksigen dan suhu Pyrometer infra merah atau pyrometer optik

5% O2

700o C maks.

300o C (maks)

-

3.3 Penghitungan kinerja tungku Efisiensi tungku meningkat bila persentase panas yang dipindahkan ke stok atau beban dibagian dalam tungku meningkat. Efisiensi tungku dapat dihitung dengan dua cara, sama halnya dengan boiler: metoda langsung dan metoda tidak langsung. Kedua metoda tersebut diterangkan dibawah ini. 3.3.1 Metoda langsung Efisiensi tungku dapat ditentukan dengan mengukur jumlah panas yang diserap oleh stok dan membaginya dengan jumlah total bahan bakar yang dipakai.

Efisiensi termal tungku =

Panas dalam stok Panas dalam bahan bakar yang dipakai untuk pemanasan stok

Jumlah panas (Q) yang akan dipindahkan ke stok dapat dihitung dengan persamaan ini: Q = m x C p (t1 –t2) Dimana, Q = Besarnya panas stok dalam kKal m = Berat stok dalam kg C p= Panas jenis stok rata-rata dalam kKal /kg o C t1 = Suhu akhir stok dalam o C t2 = Suhu stok mula- mula sebelum masuk tungku dalam o C


©UNEP 2006

23

Peralatan Energi Panas: Tungku dan Refraktori Contoh perhitungan diberikan pada bagian 3.3.3. 3.3.2 Metoda tidak langsung Efisiensi tungku dapat juga ditentukan melalui metoda tidak langsung, mirip dengan evaluasi efisiensi boiler. Prinsipnya sederhana: kehilangan panas d ikurangkan dari panas yang dipasok ke tungku. Berbagai jenis kehilangan panas digambarkan dalam Gambar 11. Effisiensi panas untuk tungku industri yang umum diberikan dalam Tabel 9. Tabel 9. Effisiensi panas untuk tungku industri yang umum (BEE 2005) Jenis tungku Efisiensi panas (persen) 1) Tungku dengan Suhu Rendah a. 540 –980 o C (Jenis batch) 20-30 o b. 540 –980 C (Jenis kontinyu) 15-25 c. Coil Anneal (Bell) jenis radian 5-7 d. Strip Anneal Muffle 7-12 2) Tungku dengan Suhu Tinggi a. Pusher, Rotary 7-15 b. Penempaan batch 5-10 3) Kiln Kontinyu a. Hoffman 25-90 b. Terowongan 20-80 4) Oven a. Oven dengan pembakaran tidak langsung (20 o C –370 o C) 35-40 o o b. Oven dengan pembakaran langsung (20 C –370 C) 35-40 Contoh perhitungan dengan menggunakan metoda tidak langsung akan diberikan dalam bagian berikutnya. 3.3.3 Contoh perhitungan efisiensi tungku Hitung efisiensi tungku pemanas ulang dengan pembakaran menggunakan minyak dengan metoda langsung dan tidak langsung menggunakan data dibawah ini. Suhu operasi: Suhu gas buang keluar setelah pemanas awal: Suhu ambien: Suhu udara yang diberi pemanasan awal: Specific gravity bahan bakar minyak: Pemakaian bahan bakar minyak rata-rata: Nilai kalor minyak: Persentase O2 rata-rata dalam gas buang: Kadar air dalam 1 kg bahan bakar minyak: H2 dalam 1 kg bahan bakar minyak: Udara teoritis yang diperlukan untuk membakar 1 kg minyak:

1340o C 750oC 40o C 190oC 0,92 400 liter /jam = 400 x 0,92 =368 kg/jam 10000 kKal/kg 12 persen 0,15 kg 0,1123 kg 14 kg


©UNEP 2006

24

Peralatan Energi Panas: Tungku dan Refraktori Berat stok: Panas jenis bilet: Ketebalan dinding tungku (D): Saluran keluar ekstraksi bilet (X): Suhu permukaan rata-rata zona pemanasan dan soaking Suhu permukaan rata-rata area selain zona pemanasan dan soaking : Luas area zona pemanasan dan soaking: Luas area selain zona pemanasan dan soaking:

6000 kg/jam 0,12 kKal/kg/0C 460 mm 1mx1m 122 o C 80 oC 70,18 m2 12,6 m2

Perhitungan dengan metoda langsung Panas yang masuk sebesar 400 liter per jam. Specific gravity bahan bakar digunakan untuk merubah besaran diatas menjadi kg. Oleh karena itu: 400 l/jam x 0,92 kg/l = 368 kg/jam Panas yang keluar dihitung sebagai berikut: = m x Cp x ? T = 6000 kg x 0,12 x (1340 –40) = 936000 kKal Efisiensinya adalah = (panas masuk/panas keluar ) x 100 = [(936000 / (368 x 10000)] x 100 = 25,43 persen Perkiraan kehilangan panas 100% –25% = 75% Metoda tidak langsung Kehilangan panas yang berbeda dihitung seperti dibawah ini. a) Kehilangan panas dalam gas buang Udara berlebih (EA) = O 2 persen/ (21 –O2 persen) = 12 / (21 –12) = 133 % Massa udara yang dipasokkan = (1 + EA/100) x Udara teoritis = (1+ 1,13) x 14 = 32,62 kg/kg bahan bakar minyak


©UNEP 2006

25


% Kehilangan panas dalam gas buang =

m x Cp x ? T x 100 GCV bahan bakar

Dimana, m = berat gas buang (udara + bahan bakar) = 32,62 + 1,0 = 33,62 kg/kg minyak C p = panas jenis ? T = perbedaan suhu % Kehilangan panas = {33,62 x 0,24 x (750 –40)} x 100 = 57,29% 10000 b) Kehilangan panas dari kadar air dalam bahan bakar

% Kehilangan panas dari kadar air dalam bahan bakar = M x {584 + Cp (Tf –Tamb)} x 100 GCV bahan bakar

Dimana, M = kg kadar air dalam 1 kg bahan bakar minyak Tfg = Suhu gas buang, 0 C Tamb = Suhu ambien, 0 C GCV = Nilai Kalor Kotor bahan bakar, kKal/kg % Kehilangan panas = 0,15 x {584 + 0,45 (750 –40)} x 100 = 1,36% 10000 c) Kehilangan dikarenakan hidrogen dalam bahan bakar % Kehilangan panas karena hidrogen dalam 9 x H2 x {584 + Cp (Tf –Tamb)} x 100 bahan bakar = GCV bahan bakar

Dimana, H2 = kg H2 dalam1 kg bahan bakar minyak (= 0,1123 kg/kg bahan bakar minyak ) % Kehilangan panas = 9 x 0,1123 x {584 + 0,45 (750 –40)} x 100 = 9,13% 10000


©UNEP 2006

26

Peralatan Energi Panas: Tungku dan Refraktori d) Kehilangan panas dikarenakan bukaan pada tungku

(Faktor radiasi black body x emissivitas x % Kehilangan panas dari bukaan area bukaan) x 100 pada tungku = Jumlah minyak x GCV minyak

Faktor radiasi yang melewati bukaan dan radiasi black body dapat dicapai dari grafik standar seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 12 dan Gambar 13. § Faktor radiasi (mengacu ke Gambar 12) = 0,71 § Radiasi black body pada1340 0 C (mengacu ke Gambar 13) = 36 kKal/kg/cm2/jam § Area bukaan adalah 100 cm x 100 cm = 10000 cm2 § Emisivitas = 0,8 % Kehilangan panas dari bukaan tungku = 36 x 0,8 x 0,71 x 10000 x 100 = 5,56% 368 x 10000

Gambar12. Faktor radiasi untuk Pelepasan panas melalui Bukaan relatif terhadap Kualitas Panas yang Dilepas dari Black Body yang Sempurna (BEE, 2005)


©UNEP 2006

27


Gambar 13. Radiasi Black Body pada Berbagai Suhu (BEE, 2005) e) Kehilangan panas melalui kulit tungku Untuk menentukan kehilangan panas yang melalui kulit tungku, pertama kehilangan panas melalui atap dan sisi dinding dan melalui area lain harus dihitung secara terpisah. i). Kehilangan panas melalui atap/langit-langit dan dinding (=zona pemanasan dan soaking): § Total suhu permukaan rata-rata = 122oC o § Kehilangan panas pada 122 C (Mengacu ke Gambar 14) = 1252 kKal /m2 jam § Total area zona pemanasan + soaking = 70,18 m2

Kehilangan panas melalui atap tungku = Kehilangan panas dari atap dan dinding Luas atap dan dinding Total kehilangan panas = 1252 kKal / m2 jam x 70,18 m2 = 87865 kKal/jam ii) Kehilangan panas dari area selain zona pemanasan dan soaking § Total suhu permukaan rata-rata = 80 oC o § Kehilangan panas pada 80 C (Mengacu ke Gambar14) = 740 kKal / m2 jam § Total area = 12,6 m2


©UNEP 2006

28


Kehilangan panas melalui area lainnya =

Kehilangan panas dari atap dan area lainnya Luas area lainnya

Total kehilangan panas = 740 kKal / m2 jam x 12,6 m2 = 9324 kK al/jam

% Kehilangan panas melalui kulit (Kehilangan panas i + kehilangan panas ii) x 100 tungku = GCV minyak x Jumlah minyak per jam

% Kehilangan panas melalui kulit tungku = (87865 kKal/jam + 9324 kKal/jam) x 100 = 2,64% 10000 kKal/kg x 368 kg/jam f) Kehilangan yang tidak terhitung Kehilangan yang tidak terhitung tidak dapat dihitung kecuali jika kehilangan jenis lainnya diketahui. Efisiensi tungku Dengan menjumlahkan kehilangan-kehilangan a sampai f memberikan kehilangan total: a) Kehilangan gas buang = 57,29 % b) Kehilangan dikarenakan kadar air dalam bahan bakar = 1,36 % c) Kehilangan dikarenakan H2 dalam bahan bakar = 9,13 % d) Kehilangan dikarenakan bukaan dalam tungku = 5, 6 % e) Kehilangan melalui kulit tungku = 2,64 % Total kehilangan = 75,98 % Efisiensi tungku d ihitung melelui metoda tidak langsung = 100 –75,98 = 24,02%


©UNEP 2006

29


Gambar 14. Kehilangan Panas dari Langit-langit, Dinding dan Perapian Tungku (BEE, 2005)

4. PELUANG EFISIENSI ENERGI Bagian ini menjelaskan berbagai peluang penghematan energi dalam tungk u.6 Ukuran efisiensi energi untuk industri dengan tungku adalah: 1. Pembakaran sempurna dengan udara berlebih yang minimum 2. Distribusi panas yang benar 3. Operasi pada suhu tungku yang optimum 4. Menurunkan kehilangan panas dari bukaan tungku 5. Mempertahankan jumlah draft tungku yang benar 6. Penggunaan kapasitas yang optimum 7. Pemanfaatan kembali limbah panas gas buang 8. Kehilangan refraktori yang minimum 9. Penggunaan lapisan keramik 10. Pemilihan refraktori yang benar

4.1 Pembakaran sempurna dengan udara berlebih yang minimal Jumlah panas yag hilang dalam gas buang (kehilangan cerobong) tergantung pada jumlah udara berlebih. Untuk mencapai pembakaran bahan bakar yang sempurna dengan jumlah udara yang minimum, penting untuk mengendalikan perembesan udara, mempertahankan tekanan udara pembakaran, kualitas bahan bakar dan memantau jumlah udara berlebih. Terlalu banyak udara berlebih akan menurunkan suhu nyala api, suhu tungku dan laju pemanasan. Udara berlebih yang terlalu sedikit akan mengakibatkan kenaikan komponen ya ng tidak terbakar dalam gas-gas buang 6

Bagian 4 diambil (dengan mengedit) dari Efisiensi Energi pada Utilitas Panas, 2005 dengan ijin dari Biro Efisiensi Energi, Kementrian Daya, India


©UNEP 2006

30

Peralatan Energi Panas: Tungku dan Refraktori yang diangkut melalui cerobong dan hal ini juga mengakibatkan kehilangan kerak yang lebih banyak. Mengoptimalkan udara pembakaran merupakan ukuran yang paling menarik dan ekonomis untuk penghematan energi. Potensi penghematannya lebih tinggi jika suhu tungku tinggi. Perbandingan udara (=jumlah udara aktual /jumlah udara pembakaran teoritis) memberikan indikasi udara berlebih. Jika tungku pemanas ulang tidak dilengkapi dengan pengendali perbandingan udara/bahan bakar otomatis, maka perlu secara berkala untuk mengambil sampel gas dalam tungku dan mengukur kandungan oksigennya dengan alat analisis gas (gas analyzer).

4.2 Distribusi panas yang benar Tungku harus dirancang untuk menjamin bahwa pada waktu tertentu, stok dipanaskan secara merata sampai suhu yang dikehendaki dengan jumlah bahan bakar yang minimum. Bilamana burner digunakan untuk membakar tungku, hal berikut harus diyakinkan untuk distribusi panas yang benar: § Nyala jangan tersentuh atau terhalangi oleh berbagai benda padat. Halangan menyebabkan partikel bahan bakar mengalami de-atomisasi yang mempengaruhi pembakaran dan menyebabkan asap hitam. Jika nyala mengenai stok maka kehilangan kerak akan meningkat. Jika nyala mengenai refraktori, produk dari pembaka ran tidak sempurna dapat mengendap dan bereaksi dengan unsur pokok refraktori pada suhu tinggi. § Nyala api berbagai burner harus tetap tersendiri untuk masingmasing burner sebab penggabungan nyala api menyebabkan pembakaran yang tidak sempurna. Sebaiknya penyalaan burners pada sisi yang berlawanan bergantian. § Nyala burner cenderung berjalan bebas dalam ruang pembakaran tepat diatas bahan. Untuk sehingga, sumbu aksis burner pada tungku kecil tidak pernah diletakkan paralel dengan perapian akan tetapi selalu membentuk sudut keatas namun nyala tidak boleh mengahantam atap. § Burner yang lebih besar akan menghasilkan nyala yang lebih panjang, dimana akan menyulitkan untuk mengisi muatan kedalam dinding tungku. Semakin banyak burner dengan kapasitas yang lebih kecil akan menjamin distribusi panas didalam tungku yang lebih baik dan juga meningkatkan umur tungku. § Pada tungku yang kecil yang menggunakan minyak tungku, sebuah burner dengan nyala yang panjang dan berwarna kuning keemasan akan meningkatkan pemanasan ya ng seragam. Akan tetapi nyala tidak boleh terlalu panjang sebab panas akan hilang jika nyala mencapai cerobong atau pintu tungku.

4.3. Operasi pada suhu tungku yang optimal Penting untuk mengoperasikan tungku pada suhu optimalnya. Suhu operasi berbagai tungku diberikan dalam Tabel 10. Operasi pada suhu yang terlalu tinggi menyebabkan kehilangan panas, oksidasi berlebihan, de-karbonisasi dan tekanan pada refraktori. Pengendalian otomatis terhadap suhu tungku lebih disukai untuk mencegah kesalahan manus ia.


©UNEP 2006

31

Peralatan Energi Panas: Tungku dan Refraktori Tabel 10. Suhu Operasi Berbagai Tungku Tungku Pemanas Ulang Slab 1200oC Tungku Rolling Mill 1200oC Tungku batang untuk Sheet 800o C Mill Tungku annealing jenis bogie 650o C –750o C

4.4. Mencegah kehilangan panas melalui bukaan Panas dapat hilang oleh radiasi langsung melalui bukaan tungku, seperti pemasukan, keluaran ekstraksi dan lubang pengintip pada dinding atau langitlangit. Panas juga hilang dikarenakan perbedaan tekanan antara bagian dalam tungku dan lingkungan ambien yang mengakibatkan gas pembakaran merembes keluar melalui bukaan. Akan tetapi hampir seluruh panas hilang jika udara di luar menyusup ke tungku, sebab disamping kehilangan panas penyusupan ini juga menyebabkan suhu jadi tidak seimbang dibagian dalam tungku dan stok dan bahkan dapat menyebabkan teroksidasinya bilet. Oleh karena itu penting untuk menjaga bukaan sekecil mungkin dan mengencangkannya. Cara efektif lainnya dalam mengurangi kehilangan panas melalui bukaan tungku adalah dengan membuka pintu tungku lebih jarang dan untuk jangka waktu yang sesingkat mungkin (opsi lainnya dijelaskan pada item 4.5). Kehilangan panas ini sekitar 1 persen dari jumlah total panas yang dihasilkan dalam tungku, jika tungku dikendalikan dengan benar.

Bagian 3.3.3 sudah menjelaskan satu cara perhitungan kehilangan panas melalui bukaan. Namun satu cara alternatif untuk menghitung kehilangan panas adalah dengan persamaan sebagai berikut:

Dimana, Q = kehilangan panas T = suhu absolut (K) a = faktor untuk radiasi total A = Luas bukaan, m2 H = waktu (jam) Contoh, sebuah tungku pemanas ulang dengan suhu 1340 oC, ketebalan dinding 460 mm (X) dan ukuran pintu 1 meter tiggi kali 1 meter lebar. D/X = 1/0,460 = 0,71, dan dalam Gambar 12 nilai ini berkesesuaian dengan faktor untuk total radiasi 0,71. Oleh karena itu kehilangan panas dari bukaan adalah:


©UNEP 2006

32


4.5. Pengendalian draft tungku Jika terdapat tekanan negatif dibagian dalam tungku, udara dapat merembes melalui retakan dan bukaan dan mempengaruhi pengendalian perbandingan udara-bahan bakar. Hal ini pada gilirannya dapat menyebabkan logam tidak mencapai suhu yang dikehendaki atau suhunya tidak seragam, yang akan mempengaruhi proses berikutnya seperti penempaan dan penggulungan/ rolling. Pemakaian bahan bakar dan laju peno lakan produk akan meningkat. Pengujian yang dilakukan terhadap tungku kedap udara menunjukan perembesan udara mencapai 40 persen. Untuk menghindari ini, tekanan yang sedikit positif harus dicapai dibagian dalam tungku (sebagai tambahan terhadap pengukuran yang disebutkan dalam 4.4). Akan tetapi perbedaan tekanan tidak boleh terlalu tinggi sebab hal ini dapat menyebabkan eksfiltrasi. Sementara hal ini merupakan masalah yang lebih kecil dari perembesan, eksfiltrasi masih dapat menyebabkan nyala keluar dari tungku, pemanasan berlebihan terhadap refraktori yang menyebabkan umur batu bata berkurang, meningkatkan perawatan tungku, dan membakar habis saluran-saluran dan peralatan. Oleh karena itu manajemen yang benar terhadap perbedaan tekanan antara bagian dalam dan luar tungku penting untuk meminimalkan kehilangan panas dan dampak yang merugikan pada produk.

4.6. Penggunaan kapasitas optimum Salah satu faktor yang sangat penting yang mempengaruhi efisiensi tungku adalah bebannya. Hal ini termasuk jumlah bahan yang ditempatkan dalam tungku, susunan bagian dalam tungku dan waktu tinggal dibagian dalam tungku. a) Beban optimal Jika tungku diberi beban dimana bagian panas total tersedia yang akan diambil oleh beban ternyata lebih kecil maka akan menghasilkan efisiensi yang rendah. Pembebanan berlebih dapat mengakibatkan beban tidak terpanasi dengan benar didalam jangka waktu yang diberikan. Terdapat beban khusus dimana tungku akan beroperasi pada efisiensi maksimum, yakni dimana jumlah bahan bakar per kg bahannya merupakan yang terkecil. Beban ini biasanya didapatkan dengan pencatatan berat bahan pada setiap pengisian, waktu yang terpakai untuk mencapai suhu yang benar, dan jumlah bahan bakar yang digunakan. Tungku harus diberi muatan pada beban yang op timum sepanjang waktu, walaupun dalam prakteknya hal ini tidak selalu memungkinkan. b) Susunan beban yang optimal Pemberian beban bahan ke perapian tungku harus disusun sehingga: § Bahan menerima jumlah radiasi maksimum dari permukaan panas ruang pemana san dan


©UNEP 2006

33


§ §

nyala. Gas-gas panas disrikulasikan secara efisien disekitar permukaan bahan penerima panas Stok tidak diletakkan dalam posisi berikut: − Dalam lintasan langsung ke burner atau dimana pergeseran nyala mungkin akan terjadi − Dalam area yang mungkin akan merintangi atau menghalangi sistim buangan tungku − Dekat ke berbagai pintu bukaan dimana kemungkinan akan berkembang titik -titik dingin

c) Waktu tinggal beban yang optimum Pemakaian bahan bakar dijaga pada nilai yang minimum dan kualitas produknya yang terbaik jika beban hanya tinggal dibagian dalam tungku sampai beban ini memiliki sifat fisik dan metalurgi yang dikehendaki. Kadang-kadang jadwal pengisian dan produksi tidak berkesesuaian dengan kapasitas tungku. Jika hal ini merupakan kasus maka: § Beban lebih tinggi atau lebih rendah daripada beban optimum § Waktu tinggal lebih lama atau lebih pendek daripada waktu tinggal ideal, Waktu tinggal yang berlebihan akan meningkatkan oksidasi permukaan bahan yang mengakibatlkan penolakan terhadap produk. Laju oksidasi tergantung pada waktu, suhu, dan juga kandungan oksigen bebasnya. § Suhu dinaikkan untuk memperpendek waktu tinggal. Semakin tinggi suhu kerja maka makin tinggi pula kehilangan per unit waktunya. Keseluruhan diatas merupakan pemborosan bahan bakar dan kadangkala menurunkan kualitas produk. Oleh karena itu, penting untuk melakukan koordinasi antara operator tungku, personil produksi dan perencanaan. Penggunaan tungku yang optimum dapat direncanakan pada tahap perancangan, dengan memilih jenis (batch, kontinyu) dan ukurannya yang paling cocok dengan jadwal produksi. Efisiensi keseluruhan untuk tungku jenis kontinyu akan meningkat dengan penguatan panas dari aliran limbah gas. Jika hanya digunakan tungku jenis batch, perencanaan hati- hati terhadap beban adalah penting. Tungku harus diisi ulang sesegera mungkin agar dapat menggunakan panas dari residu tungku.

4.7. Pemanfaatan kembali limbah panas dari gas buang tungku Dalam berbagai tungku industri, produk pembakaran meninggalkan tungku pada suhu yang lebih tinggi dari suhu stok. Gas buang membawa 35 sampai 55 persen panas yang masuk ke tungku melalui cerobong. Makin tinggi jumlah udara berlebih dan suhu gas buang, makin tinggi pula jumlah limbah panas yang tersedia. Walau demikian, tujuan utamanya harus meminimalkan jumlah limbah panas yang dihasilkan melalui tindakan konservasi energi. Pemanfaatan kembali limbah panas harus dipertimbangkan hanya jika konservasi energi lebih lanjut tidak memungkinkan.


©UNEP 2006

34

Peralatan Energi Panas: Tungku dan Refraktori Limbah panas dalam gas buang dapat dimanfaatkan kembali untuk pemanasan awal muatan (stok, beban), pemanasan awal udara pembakaran atau untuk proses-proses lainnya sebagaimana dijelaskan dibawah. a) Pemanasan awal muatan Bila bahan baku diberi pemanasan awal oleh gas buang sebelum ditempatkan dalam tungku pemanasan, jumlah bahan bakar yang diperlukan untuk memanaskan bahan baku tersebut dalam tungku jadi berkurang. Dikarenakan bahan baku biasanya berada pada suhu kamar, maka bahan tersebut dapat dipanaskan secara berkecukupan dengan menggunakan gas buang bersuhu tinggi untuk mengurangi laju pemakaian bahan bakar. b) Pemanasan awal udara pembakaran Telah sekian lama, gas bahan bakar hanya digunakan untuk pemanasan awal udara pembakaran untuk boiler yang besar, tungku pemanas logam dan kiln suhu tinggi. Namun saat ini pemanasan awal dengan menggunakan panas dari gas buang juga digunakan terhadap boiler yang kompak dan tungku industri yang kompak. Berbagai macam peralatan tersedia untuk memanfaatkan kembali limbah panas. Rekuperator eksternal merupakan yang paling umum, namun teknik yang lain juga digunakan seperti burner dengan penguatan sendiri. Contoh, sebuah rekuperator modern yang menggunakan gas keluaran dari tungku bersuhu 1000°C dapat memanaskan awal udara pembakaran sampai lebih 500 o C, yang menghasilkan penghematan energi sampai 30 persen dibanding dengan menggunakan udara pembakaran yang dingin menuju tungku. Dikarenakan volum udara pembakaran meningkat bila udara diberi pemanasan awal, maka perlu untuk mempertimbangkan hal ini bila melakukan modifikasi diameter saluran udara dan blower. Harus dicatat bahwa pemanasan awal gas pembakaran dari minyak dengan massa jenis tinggi dengan yang mengandung sulfur tinggi dapat mengakibatkan penyumbatan oleh debu atau sulfida, korosi atau meningkatnya oksida nitrogen. c) Penggunaan limbah panas sebagai sumber panas untuk proses-proses lain Proses lain (untuk menghasilkan steam atau air panas oleh sebuah boiler limbah panas) Suhu gas yang keluar dari tungku dapat setinggi 400- 600 °C, bahkan setelah panasnya dimanfaatkan kembali dari gas tersebut untuk pemanasan awal muatan atau udara pembakaran. Satu kemungkinannya adalah memasang sebuah boiler limbah panas untuk menghasilkan steam atau air panas dari panas ini, terutama bila sejumlah besar steam atau air panas diperlukan dalam pabrik. Kadang-kadang gas yang terbuang dapat digunakan untuk maksud pemanasan pada peralatan lain, namun hanya jika jumlah panas, kisaran suhu, waktu operasi dll cocok untuk keperluan ini. Pemakaian bahan bakar sangat dapat dikurangi. Satu contoh yang ada adalah penggunaan gas yang terbuang dari tungku quenching sebagai sumber panas dalam tungku pengeras/ tempering.


©UNEP 2006

35


4.8. Meminimalkan kehilangan pada kulit tungku Sekitar 30 sampai 40 persen bahan bakar yang digunakan dalam tungku yang intermittent atau tungku kontinyu digunakan untuk me make-up panas yang hilang melalui kulit/permukaan atau dinding tungku. Besarnya kehilangan pada dinding tergantung pada: § Emisivitas dinding § Konduktivitas panas refraktori § Ketebalan dinding Terlepas dari apakah tungku itu beroperasi secara kontinyu atau hanya intermittent. Terdapat beberapa cara untuk meminimalkan kehilangan panas melalui kulit tungku: § Pemilihan bahan refraktori yang cocok § Penambahan ketebalan dinding § Pemasangan batu bata isolasi. Suhu dinding bagian luar dan kehilangan panas dinding komposit sangat rendah untuk dinding batu bata tahan api dan isolasi dibandingkan dengan dinding dengan ketebalan sama yang mengandung hanya batu bata refraktori. Alasannya adalah bahwa batu bata isolasi memiliki konduktivitas yang sangat rendah. § Perencanaan waktu operasi tungku. Untuk hampir seluruh tungku kecil, jangka waktu operasi bergantian dengan jangka waktu diam/idle. Bila tungku mati, panas yang diserap oleh refraktori selama operasi secara perlahan menghambur melalui radiasi dan konveksi dari permukaan dingin dan melalui aliran udara melalui tungku. Bila tungku dihidupkan lagi, diperlukan bahan bakar tambahan untuk memanaskan refraktori lagi. Jika tungku dioperasikan secara kontinyu selama 24 jam dalam 3 hari, hampir seluruh panas yang disimpan dalam refraktori hilang. Akan tetapi jika tungku dioperasikan 8 jam per hari seluruh panas yang tersimpan tidak akan hilang. Untuk tungku dengan dinding batu bata tahan api dan tebal 350 mm, diperkirakan bahwa selama 16 jam tungku itu dimatikan hanya 55 persen panas tersimpan dalam refraktori dihamburkan dari permukaan dinginnya. Oleh karena itu, perencanaan yang hati- hati terhadap jadwal operasi tungku dapat mengurangi kehilangan panas dan menghemat bahan bakar. Jumlah kehilangan panas (Q) dari kulit tungku merupakan jumlah dari konveksi alami dan radiasi panas. Sebagai tambahan terhadap metoda yang dijelaskan pada bagian 3.3.3, dapat juga digunakan persamaan berikut::

Dimana, Q = Jumlah panas yang dilepas (kKal/jam) a = faktor yang berkenaan dengan arah permukaan konveksi alami langitlangit = 2,8, dinding sisi = 2,2, perapian = 1,5


©UNEP 2006

36

Peralatan Energi Panas: Tungku dan Refraktori tl = suhu permukaan dinding tungku bagian luar (°C), berdasarkan rata-rata sebanyak mungkin pengukuran untuk mengurangi batas kesalahan t2 = suhu udara disekitar tungku (°C) E = emisivitas permukaan dinding tungku bagian luar Bagian pertama dari persamaan memberikan kehilangan panas melalui konveksi alami, dan bagian kedua kehilangan panas melalui radiasi. Gambar 14 memperlihatkan hubungan antara suhu permukaan bagian luar dan jumlah panas yang lepas dihitung dengan rumus ini. Sebuah contoh perhitungan kehilangan panas dari permukaan tungku adalah sebagai berikut: Sebuah tungku pemanas ulang memiliki langitlangit, dinding sisi dan perapian dengan luas permukaan masingmasing 20 m2 , 50 m2 dan 20 m2 . Suhu rata-rata permukaan terukur masingmasing 80°C, 90°C dan 100°C. Berdasarkan Gambar 14, jumlah panas yang lepas dari langitlangit, dinding sisi dan perapian per unit area masingmasing adalah 650 kKal/m2 jam, 720 kKal/m2 jam dan 730 kKal/m2 jam. Oleh karena itu, jumlah total panas yang lepas Q = kehilangan melalui langitlangit + kehilangan melalui dinding sisi + kehilangan melalui perapian = (650 x 20) + (720 x 50) + (730 x 20) = 13000 + 36000 +14600= 63.600 kKal/jam

Gambar 15. Hubungan antara Suhu Permukaan dan Jumlah Kehilangan Panas (BEE, 2005)


©UNEP 2006

37


4.9 Penggunaan pelapis keramik (pelapis dengan emisivitas tinggi) Pelapis keramik dalam ruang tungku menaikan perpindahan panas dengan cepat dan efisien, merata dan memperpanjang umur refraktori. Emisivitas refraktori konvensional berkurang dengan bertambahnya suhu dimana untuk pelapis keramik kenaikan ini hanya sedikit. Sifat yang terkemuka ini telah dieksploitasi dengan me nggunakan pelapis keramik dalam isolasi permukaan yang panas. Pelapis keramik merupakan pelapis dengan emisivitas tinggi dan memiliki umur yang panjang pada suhu mencapai 1350o C. Terdapat dua jenis pelapis keramik: pelapis yang digunakan untuk pelapisan bahan logam, dan pelapis yang digunakan untuk pelapisan bahan refraktori. Pelapis tidak beracun, tidak mudah terbakar dan berdasar air/ water base. Digunakan pada suhu kamar, disemprotkan dan kering oleh udara dalam waktu kurang dari lima menit. Pelapis menjadikan bahan mempertahankan sifat-sifat mekanik dan metalurgi yang dirancangnya. Pemasangannya cepat dan dapat diselesaikan selama masa penghentian pabrik. Penghematan energi sebesar 8 –20 persen telah dilaporkan tergantung jenis tungku dan kondisi operasinya. Pelapis dengan emisivitas tinggi ini dijelaskan lebih lanjut pada bagian 2.3.3.

4.10 Pemilihan refraktori Pemilihan refraktori bertujuan untuk memaksimalkan kinerja tungku, kiln atau boiler. Pabrik pembuat tungku atau pengguna harus mempertimbangkan hal-hal berikut dalam pemilihan refraktori: § Jenis tungku § Jenis muatan logamnya § Keberadaan terak/slag § Area penggunaan § Suhu kerja § Tingkat abrasi dan dampaknya § Beban struktur tungku § Tekanan karena tingginya suhu pada struktur dan fluktuasi suhu § Kesesuaian bahan kimia terhadap lingkungan tungku § Perpindahan panas dan konservasi bahan bakar § Pertimbangan biaya


©UNEP 2006

38


5. DAFTAR PERIKSA OPSI Sulit untuk membuat sebuah daftar periksa untuk opsi umum bagi tungku, sebab opsi untuk meningkatkan efisiensi energi bervariasi diantara tungku. Akan tetapi opsi-opsi utama yang dapat diterapkan ke hampir seluruh tungku adalah: §

Periksa perembesan udara: gunakan pintu atau tirai udara

§

Pantau O2 /CO2 /CO dan kendalikan udara berlebih sampai ke tingkat yang optimal

§

Tingkatkan rancangan burner, pengendali pembakaran dan instrumentasi

§

Pastikan bahwa ruang pembakaran tungku berada pada tekanan yang sedikit positif

§

Gunakan serat keramik untuk operasi batch

§

Sesuaikan beban dengan kapasitas tungku

§

Retrofit dengan alat untuk memanfaatkan kembali panas

§

Selidiki waktu siklus dan kurangi

§

Sediakan pengendali suhu

§

Pastikan nyala api tidak menyentuh stok

6. LEMBAR KERJA Tidak terdapat lembar kerja yang dikembangkan untuk tungku dan refraktori

7. REFERENSI Bureau of Energy Efficiency, Ministry of Power, India. Energy Efficiency in Thermal Utilities. 2005 Department of Coal, Government of India. Coal and Industrial Furnaces. 1985 Petroleum Conservation Resource Association, Ministry of Petroleum, Government of India. Fuel Economy in furnaces and Waste heat recovery. www.pcra.org The Carbon Trust. Energy Efficiency Office, UK Government. Good Practice Guide 76 – Continuous Steel Reheating Furnaces: Specification Design and Equipment. 1993. www.thecarbontrust.co.uk/energy/pages/home.asp Trinks, W. Industrial Furnaces (Vol-2). John Wiley and Sons Inc, New York, 1925 Gilchrist J. D. Fuels, Furnaces and Refractories, Pergamon Press, 1977 Vladimir B Ginzburg, Flat Rolling Fundamentals, provided by Marcel Dekker through the Google Books Partner Program William L Roberts, Hot Rolling of Steel, provided by Marcel Dekker through the Google Books Partner Program


©UNEP 2006

39

Peralatan Energi Panas: Tungku dan Refraktori United Nations Industrial Development Organization (UNIDO) and Ministry of International Trade and Industry (MITI), Japan. Output of seminar on energy conservation in iron and steel industry. 1992 UA Department of Energy (US DOE), Waste Heat reduction & Recovery for Improving Furnace efficiency, Productivity & Emissions Performance. 2004 http://eereweb.ee.doe.gov/industry/bestpractices/pdfs/35876.pdf Copyright: Copyright © United Nations Environment Programme (year 2006) This publication may be reproduced in whole or in part and in any form for educational or non-profit purposes without special permission from the copyright holder, provided acknowledgement of the source is made. UNEP would appreciate receiving a copy of any publication that uses this publication as a source. No use of this publication may be made for resale or any other commercial purpose whatsoever without prior permission from the United Nations Environment Programme.

Hak cipta: Hak cipta © United Nations Environment Programme (year 2006) Publikasi ini boleh digandakan secara keseluruhan atau sebagian dalam segala bentuk untuk pendidikan atau keperluan nonprofit tanpa ijin khusus dari pemegang hak cipta, harus mencantumkan sumber yang membuat. UNEP akan menghargai pengiriman salinan dari setiap publikasi yang menggunaan publikasi ini sebagai sumber. Tidak diijinkan untuk menggunakan publikasi ini untuk dijual belikan atau untuk keperluan komersial lainnya tanpa ijin khusus dari United Nations Environment Programme.

Disclaimer: This energy equipment module was prepared as part of the project "Greenhouse Gas Emission Reduction from Industry in Asia and the Pacific" (GERIAP) by the National Productivity Council, India. While reasonable efforts have been made to ensure that the contents of this publication are factually correct and properly referenced, UNEP does not accept responsibility for the accuracy or completeness of the contents, and shall not be liable for any loss or damage that may be occasioned directly or indirectly through the use of, or reliance on, the contents of this publication, including its translation into other languages than English. This is the translated version from the chapter in English, and does not constitute an official United Nations publication.

Disclaimer: Modul peralatan energi ini dibuat sebagai bagian dari proyek “Penurunan Emisi Gas Rumah Kaca dari Industri di Asia dan Pasifik/ Greenhouse Gas Emission Reduction from Industry in Asia and the Pacific” (GERIAP) oleh Badan Produktivitas Nasional, India. Sementara upaya-upaya masih dilakukan untuk menjamin bahwa isi dari publikasi ini didasarkan fakta-fakta yang benar, UNEP tidak bertanggung-jawab terhadap ketepatan atau kelengkapan dari materi, dan tidak dapat dikenakan sangsi terhadap setiap kehilangan atau kerusakan baik langsung maupun tidak langsung terhadap penggunaan atau kepercayaan pada isi publikasi ini


©UNEP 2006

40

TUNGKU DAN REFRAKTORI

Recommend Documents