LNG Melalui Peningkatan Efisiensi Pembakaran pada Boiler

Iriany / Jurnal Teknologi Proses 5(2) Juli 2006: 151 – 155

159

Jurnal Teknologi Proses Media Publikasi Karya Ilmiah Teknik Kimia

5(2) Juli 2006: 156 – 162 ISSN 1412-7814

Konservasi Energi di Kilang Gas Alam Cair/LNG Melalui Peningkatan Efisiensi Pembakaran pada Boiler Darmansyah Dalimunthe Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara, Medan 20155

Abstrak Kilang Liquid Natural Gas (LNG) adalah salah satu industri pengilangan yang banyak menggunakan energi dalam proses produksinya. Salah satu peralatan pada kilang LNG yang banyak menggunakan energi adalah boiler. Efisiensi peralatan ini selalu berubah sesuai bahan operasi. Inefisiensi terjadi karena banyaknya kemungkinan kehilangan panas pembakaran, padahal apabila efisiensi pembakaran ini bisa ditingkatkan, dapat menurunkan konsumsi energi yang pada akhirnya akan menurunkan pula biaya produksi sehingga akan meningkatkan laba perusahaan. Sesuai dengan kebijakan pemerintah di bidang energi bahwa secara bertahap harga energi baik harga bahan bakar minyak maupun harga listrik pada saatnya akan mencapai pada harga ekonominya dalam arti bahwa pemerintah tidak akan memberikan subsidi lagi kepada harga energi. Oleh karena itu sudah saatnyalah industri yang pada proses produksinya banyak menggunakan energi mulai menjalankan konservasi energi, salah satunya adalah kilang LNG dengan melakukan peningkatan efisiensi pembakaran kepada boiler melalui penurunan ekses udara dan pemanfaatan panas buangan. Penelitian tentang peningkatan efisiensi pembakaran pada boiler dilakukan pada salah satu kilang LNG. Dari hasil penelitian menunjukkan bahwa pada potensi penghematan energi melalui penurunan ekses udara hingga menjadi 15%, yang bisa meningkatkan efisiensi boiler hingga 85%, serta pemanfaatan panas buangan. Kata kunci: konservasi energi, LNG,boiler

Pendahuluan Salah satu kebijakan pemerintah dalam bidang energi adalah konservasi energi yang telah dituangkan dalam KEPPRES No. 41 Tahun 1991 di mana semua pengguna energi hendaknya melakukan konservasi. Konservasi energi merupakan salah satu langkah kebijakan energi yang perlu mendapatkan prioritas dalam upaya mengatasi masalah keterbatasan sumbar daya energi dengan memanfaatkan energi secara lebih efisien. Dari segi kemudahan pelaksanaannya, dibanding dengan langkahlangkah yang lain, maka konservasi energi relatif memerlukan waktu yang lebih singkat dalam memperoleh hasil, dan memiliki nilai

ekonomis dalam penghematan biaya energi, sehingga konservasi energi dipandang sangat bermanfaat. Menurut US Department of Energy, konservasi energi adalah penggunaan sumber-sumber energi secara efisien. Sedangkan menurut United Environmental Protection, konservasi energi adalah langkah-langkah atau upaya yang ditujukan untuk memperoleh keuntungan sosioekonomi per setiap unit energi yang dikonsumsi. Sementara menurut sumber lain, konservasi energi adalah penggunaan sumber-sumber energi secara lebih efisien. Walaupun didefinisikan secara berbeda-beda, tetapi makna dan tujuan konservasi pada dasarnya adalah sama.

Darmansyah Dalimunthe / Jurnal Teknologi Proses 5(2) Juli 2006: 156 – 162

Kebijakan konservasi bertujuan memelihara kelestarian sumber daya energi di mana penggunaannya harus secara bijaksana bagi tercapainya keseimbangan antara pembangunan, pemerataan dengan mempertimbangkan lingkungan hidup.

160

potensi penghematan energi yang cukup besar diperoleh dari boiler.

Peningkatan Efisiensi Energi pada Boiler Jenis boiler

Sejalan dengan peningkatan usaha industrialisasi di Indonesia, permintaan energi terus meningkat dengan pesat. Sektor industri merupakan sektor pemakai energi terbesar, yaitu kurang lebih 40% dari total konsumsi energi komersial di Indonesia. Akan tetapi peningkatan permintaan energi ini tidak diimbangi dengan peningkatan efisiensi pemakaian energi. Hal inilah yang menjadi problema energi nasional yang perlu segera dicarikan solusinya. Sementara itu, data menunjukkan bahwa adanya indikasi potensi penghematan yang cukup besar yaitu antara 5 – 10% tanpa investasi, dan 10 –30% dengan investasi. Tujuan studi ini adalah melakukan penelitian tentang peningkatan efisiensi pembakaran pada boiler di salah satu kilang LNG. Di Indonesia, gas bumi yang diproduksi selain langsung dipergunakan sebagai bahan bakar dan diinjeksikan kembali sebagai fluida pembantu untuk mengangkat minyak ke permukaan setelah melalui pemurnian, juga diolah melalui proses kompresi menjadi bahan bakar gas seperti Liquid Petroleum Gas (LPG) maupun LNG. Di kilang gas proses kompresi tersebut mayoritas menggunakan energi gas dan sebagian minyak solar. Konsumsi gas sebagai energi berkisar antara 16 sampai dengan 18 persen volume terhadap bahan baku. Untuk melihat besarnya tingkat konsumsi energi dalam menghasilkan setiap unit produk maka digunakan perhitungan intensitas energi. Apabila diperoleh suatu nilai intensitas energi yang cukup tinggi maka perlu dikaji potensi/ peluang konservasi energi dengan melakukan survai lapangan untuk mendapatkan parameter konservasi. Dari hasil penelitian di kilang LNG ini diperoleh intensitas energi cukup tinggi dan setelah dilakukan analisis ternyata

Boiler adalah salah satu peralatan yang menggunakan energi paling intensif di suatu industri. Efisiensi peralatan ini selalu berubah sesuai beban operasi. Pada dasarnya ada dua jenis boiler yaitu: a. Boiler pipa api (Fire/shell tube boiler) Pada boiler ini air mengalir melalui shell dan menerima panas dari gas pembakaran yang mengalir melalui susunan pipa api. Tekanan operasi standar dari boiler tipe ini maksimum 250 psi (16 bar) pada umumnya berkapasitas kurang dari 7 ton/jam. Konstruksinya relatif sederhana dan kokoh, harganya relatif murah. Keuntungan menggunakan boiler ini adalah fleksibel terhadap perubahan beban secara cepat, dan kekurangannya adalah lambat dalam mencapai tekanan operasi pada awal operasi. b. Boiler pipa air (Water tube boiler) Pada boiler jenis ini air mengalir di dalam susunan pipa dan menerima panas dari luar pipa. Tekanan operasi bila lebih besar dari 24 bar atau kapasitas bisa lebih besar dari 20 MW. Cocok untuk produksi uap dalam jumlah besar dengan uap superheated. Konstruksinya utnuk beban besar, oleh karena itu harganya relatif mahal. Keuntungannya adalah pada kapasitas 10 – 20 MW bereaksi cepat terhadap perubahan beban, di samping kelembapan termal relatif lebih kecil. Inefisiensi pada boiler Inefisiensi terjadi karena banyaknya kemungkinan kehilangan panas pembakaran seperti: a. Panas yang terbawa keluar oleh gas buang tanpa uap air (dry flue gas loss) b. Panas yang terbawa keluar oleh uap air panas, termasuk panas sensible dan latent.

161

Darmansyah Dalimunthe / Jurnal Teknologi Proses 5(2) Juli 2006: 156 – 162

c. Komponen bahan bakar yang tak terbakar dan produk pembakaran tak sempurna termasuk solid ash combustible dan CO dalam gas buang. d. Kehilangan panas dari dinding boiler melalui isolasi (radiasi dan konveksi). e. Panas yang terbawa keluar bersama blowdown. Kehilangan panas pembakaran tersebut yang disebut dengan rugi-rugi panas (heat losses). Prinsip pembakaran Proses pembakaran adalah reaksi kimia antara bahan bakar dengan oksigen (O2) dari udara. Hasil pembakaran yang utama adalah karbondioksida (CO2), uap air (H2O), dan disertai energi panas. Sedangkan hasil pembakaran yang lain adalah karbonmonoksida (CO), abu (ash), NOx atau SOx, tergantung pada jenis bahan bakarnya. Reaksi kimia dari proses pembakaran adalah sebagai berikut: C + panas dari bahan bakar

O2

+ 2H2 panas dari bahan bakar

O2

→

CO2

+

2H2O

+

dari udara

→

dari udara

minimum, serta terdapatnya hasil pembakaran, seperti CO2, uap air, dan N2. Rasio udara (air ratio) dan udara berlebih/ ekses udara (excess air) Untuk menilai suatu pembakaran berlangsung efisien atau tidak, dapat diketahui melalui angka perbandingan antara jumlah udara aktual dengan jumlah udara teoretisnya yang diperlukan dalam pembakaran atau dengan melihat seberapa besar kelebihan udara aktual dari kebutuhan udara teoretisnya (dalam persen). Untuk mengetahui jumlah udara aktual harus diketahui kandungan O2 atau CO2 dalam gas buang (persen volume basis kering) melalui pengukuran., sedangkan udara teoretis dihitung dari stokiometrik. Rasio udara = ( jumlah udara pembakaran aktual) ( jumlah udara pembakaran teoritis)

=

(21) (21 − % O 2 )

...

(1) Jumlah udara aktual tergantung pada faktorfaktor berikut: a. Jenis bahan bakar dan komposisinya b. Desain ruang bakar (furnace) c. Kapasitas pembakaran atau firing rate (optimum 70 – 90 %) d. Desain dan pengaturan burner

Bahan bakar + Jumlah udara teoretis → Karbondioksida + Uap air + Nitrogen dan gas-gas lainnya (kecuali oksigen)

Hal-hal yang terjadi pada pembakaran yang tidak sempurna dapat dilihat pada Tabel 1.

Beberapa hal yang terjadi pada proses pembakaran: a. Pembakaran dengan udara kurang Pada proses ini terjadi perpindahan panas berkurang dan panas hilang karena bahan bakar berlebih serta ada bahan bakar yang tak terbakar di samping terdapat hasil pembakaran, seperti CO, CO2, uap air, O2, dan N2. b. Pembakaran dengan udara berlebih Pada proses ini terjadi perpindahan panas berkurang dan panas hilang karena udara berlebih serta hasil pembakaran, seperti CO2, uap air, O2, dan N2. c. Pembakaran dengan udara optimum Pada proses ini terjadi perpindahan panas yang maksimum dan panas yang hilang

Menghitung efisiensi boiler Efisiensi boiler dapat dihitung dengan 3 cara, yaitu: a. Metode langsung: Efisiensi (%) =

Panas berguna dalam uap × 100 Energi total dalam bahan bakar

...(2) b. Metode tak langsung Efisiensi (%) = 100 % - ∑ (Rugi - rugi) (%)

...(3) Sedangkan formula untuk menghitung efisiensi boiler dengan metode tak langsung dapat dilihat pada Tabel 2.

Darmansyah Dalimunthe / Jurnal Teknologi Proses 5(2) Juli 2006: 156 – 162

c. Metode dengan menggunakan grafik Secara praktis efisiensi boiler dapat dihitung dengan menggunakan grafik rugi-rugi panas dan ekses udara. Metodologi Penelitian Pengumpulan data 1. Data primer dikumpulkan dengan melakukan survai ke lapangan, yaitu ke kilang LNG, terutama pada peralatan boiler untuk mendapatkan parameter panas yang hilang maupun parameter pembakaran. 2. Data sekunder yang digunakan sebagai data pendukung diperoleh dari laporanlaporan yang berasal dari instansi yang terkait dan informasi lain. Analisis Analisis peningkatan efisiensi penggunaan energi di boiler menggunakan perhitungan-perhitungan sebagai berikut: 1. Efisiensi boiler = 100 % - % rugi-rugi panas 2. Rugi-rugi panas = panas yang hilang oleh gas Hasil dan Pembahasan

162

ƒ Survai dilakukan pada 8 boiler di salah satu kilang gas di Indonesia ƒ Masing-masing boiler tersebut menghasilkan uap sebesar 182.5 ton per jam ƒ Boiler bertekanan rendah 10.5 kg/cm2 ƒ Siklus yang digunakan adalah siklus tertutup, sehingga kondensat dari uap dapat dikembalikan sebanyak mungkin (80%) ƒ Blowdown (± 5 %) ƒ Temperatur gas buang boiler rata-rata 2600C ƒ O2 meter terpasang di masing-masing furnace boiler, O2 meter menunjukkan 5%, artinya ekses udara di atas 20% ƒ Konsumsi gas alam untuk energi 18.639,374.000 Cuft atau 21.808,067 MM Btu ƒ Konsumsi bahan bakar disel per tahun adalah 21,385,000 kkal ƒ Pemakaian bahan bakar total adalah setara dengan 108,516 MMCF ƒ Produksi LNG adalah setara dengan 525,495 MMCF ƒ Intensitas energi (rasio energi yang digunakan terhadap bahan baku untuk proses produksi) sebesar 20.6% ƒ Boiler feed water = 28.476 m3/hari atau 1200 M3/jam, sedangkan make up water sebesar 16,471 m3 per hari atau 685 m3/jam.

Hasil survai TABEL 1: Problema yang timbul pada pembakaran dan penyebabnya Problema Kemungkinan Penyebab a. Pengoperasian sistem kontrol tidak tepat b. Tekanan suplai bahan bakar rendah 1. Excess air / ekses udara tinggi (O2 tinggi) c. Heating value bahan bakar berubah d. Viskositas bahan bahan bakar berubah a. Pengoperasian sistem kontrol tidak tepat 2. Excess rendah (O2 b. Keterbatasan fan blower rendah) c. Temperatur udara ambien bertambah a. Setting pengatur udara tidak tepat b. minyak burner rusak Pembakaran c. Distribusi udara tidak sesuai d. Penyumbatan pada burner gas e. Distribusi udara/bahan bakar tidak seimbang 3. Tingginya CO dan emisi pada boiler multi burner dari gas combustible (O2 memuaskan atau tinggi) f. Kerusakan pada refraktori throat burner g. Sistem udara overfire tidak sesuai h. Kisi-kisi pada penyala api (stoker) i. Orientasi distribusi bahan bakar pada penyala api a. Timbulnya deposit pada saluran air atau gas b. Prosedur pengolahan air yang kurang baik Perpindahan Panas Temperatur gas buang tinggi c. Pengoperasian sootblower yang kurang baik

Sistem

Darmansyah Dalimunthe / Jurnal Teknologi Proses 5(2) Juli 2006: 156 – 162

163

NO 1.

TABEL 2: Formula untuk menghitung efisiensi boiler dengan metode tak langsung Hilang panas Formula LDG K(TFG − TA ) Dry fuel gas CO 2

1a

⎡ (O 2 ) ⎤ CO 2 = ⎢1 − × (CO 2 ) maks 21 ⎥⎦ ⎣

1b

K dari tabel atau

2

(CV G )3

( H 2 O fuel + 9 H fuel ) × (588 − TA + 0.5TFG )

L H 2O

(CV G1 )

Uap air dalam gas 1

LCO CO tak terbakar

5

LRC Radiasi & konveksi L

6

LBD Rugi blowdown

7 8 9

= CVG (Tfuel – TA) × 0.47 (untuk minyak dengan preheat) K(CO) (CO) + (CO 2 )

%

1 CV G

2a

4

%

69.7 × C fuel × CV N )

CV G = CVG untuk gas

3

Nilai

LTotal Hilang panas total (Rugi-rugi) Efisiensi Excess Air / Ekses udara

100 / (CAP) dihitung dari temperatur permukaan LDG + L H 2O + LCO + LRC

(TBD − TH 2O ) × BD (100 - L) (TBD − TH 2O ) BD + (100 - BD) (660 - TH 2O ) L +BD

% % % % %

E = 100 – LTotal

%

(H 2 O fuel + 9H fuel ) × (588 − TA + 0.5TFG ) (CVG1 )

Keterangan: LDG = % panas hilang dalam gas buang kering, TFG = Temperatur gas buang (0C), L H 2O = % panas hilang uap air dalam gas buang, TA LCO LBD LRC L H 2O

= = = = =

Temperatur udara ambient (0C), % panas hilang dari CO tak terbakar, Temperatur air blowdown (0C), % panas hilang dari radiasi/konveksi, Temperatur air umpan (0C),

LBD Tfuel (O2) (CO2) CAP K CV CVG

= = = = = = = =

% panas hilang dari air blowdown, Temperatur awal bahan (0C), oksigen dalam gas buang (% volume kering), jumlah karbondioksida (% volume kering), % kapasitas output boiler, konstanta, konstanta panas yang hilang dalam gas buang kering untuk berbagai bahan bakar, konstanta panas yang hilang dalam gas buang untuk bahan bakar gas.

%

Pembahasan Dilihat dari besarnya intensitas energi, yaitu 20.6% merupakan suatu nilai intensitas yang cukup besar untuk industri gas alam cair. Sebagai gambaran, kilang minyak yang dioperasikan di Indonesia rata-rata mempunyai intensitas antara 5 – 7% refinery fuel per crude intake. Memang hal ini tidak bisa dibandingkan secara langsung begitu saja karena berbagai faktor dan kondisi setempat yang berbeda, tetapi setidaknya dapat dipakai sebagai gambaran. Melihat tingginya intensitas menunjukkan bahwa terdapat ketidakefisienan pemakaian energi, dengan demikian terdapat potensi penghematan energi yang cukup besar bila dapat menurunkan intensitas energinya. Berdasarkan data yang diperoleh, terlihat adanya ekses udara yang cukup besar, yaitu di atas 20%, serta konsumsi energi yang cukup besar, yaitu sebesar 108,516 MMCF dibandingkan produksi yang dihasilkan, yaitu sebesar 525,495 MMCF. Salah satu penyebabnya mungkin banyaknya panas yang hilang pada saat proses pembakaran untuk menghasilkan uap. Untuk itu, perlu dilihat proses pembakaran pada boilernya. Melalui perhitungan efisiensi boiler dapat diperkirakan besarnya ekses udara, panas yang terbuang, dan tingkat efisiensi boilernya. Perhitungan efisiensi boiler dilakukan dengan menggunakan metode tak langsung sebagai berikut: Efisiensi boiler = 100 % - rugi-rugi panas Rugi-rugi panas dicari dengan menggunakan grafik rugi-rugi panas dan ekses udara untuk bahan bakar gas alam. a. b. c. d. e.

Data yang digunakan untuk menghitung adalah sebagai berikut: Bahan bakar yang digunakan: gas alam Temperatur gas buang: 2600C Temperatur ambien: 300C Kandungan oksigen: 5% Hilang panas radiasi blowdown dan CO tak terbakar: 5 %

Dengan mengacu pada nilai kalor dari gas alam dan temperatur ambien 200C, dengan nilai kandungan O2 sebesar 5%, diperoleh nilai ekses udara sebesar 29% dan nilai kandungan CO2 sebesar 9%. Berdasarkan teori untuk bahan bakar gas ekses udara cukup 10–15%. Oleh karena itu, ekses udara sebesar 29% termasuk besar. Oleh karena temperatur ambien sebesar 300C, maka beda temperatur gas buang 2600C – 30 C = 2300C. Beda temperatur ini sama untuk temperatur gas buang 2500C dengan ambien 200C. Oleh karena itu, hilang panas oleh gas buang sesuai dengan garis temperatur 2500C adalah sebesar 24%, dengan demikian: 0

Efisiensi boiler = 100 % - (24 % + 5 %) = 71 %. Dibandingkan dengan tingkat efisiensi boiler di atas 80%, maka boiler tersebut termasuk kurang efisien. Kesimpulan Berdasarkan perhitungan dan analisis data, diperoleh hasil sebagai berikut:

ƒ Konsumsi energi cukup besar, yaitu setara 108,516.15 MMCF dibandingkan total produksi, yaitu setara 525,495 MMCF atau intensitas energi cukup besar 20.6% ƒ Ekses udara cukup besar, yaitu 29% ƒ Kehilangan panas oleh gas buang sebesar 24% ƒ Efisiensi boiler sebesar 71% termasuk kurang efisien ƒ Ketidakefisienan boiler, kemungkinan disebabkan oleh akses udara yang cukup besar serta kehilangan panas oleh gas buang, untuk itu efisiensi boiler perlu ditingkatkan lagi hingga mencapai tingkat efisiensinya. Saran Karena ketidakefisienan boiler tersebut, kemungkinan disebabkan oleh ekses udara yang cukup besar, serta hilangnya panas pada gas buang, maka ekses udara harus ditekan sampai menjadi 15% (untuk bahan bakar gas akses udara cukup 10–15%). Hal ini dapat dikendalikan dari ruang kontrol dengan mengatur O2 sebesar 3 %. Sedangkan panas yang terbuang disarankan untuk ditingkatkan efisiensinya dengan memanfaatkan panas buangan tersebut, misalnya untuk cogeneration. Daftar Pustaka Albert Thumann, PE, C.E.M. & Paul Mehta, D. Handbook of Energi Engineering. 1995. The Fairmont Press, Inc. Linburn, GA 30247. USA. Annonimous. 1987. Combustion of Gas, Gas Engineers Handbook, Industrial Pers Inc. Conforth, J.R. 1992. Combustion Engineering and Gas Utilisation. E & FN Spon, an imprint of Chapman & Hall. London, UK. Sirait J.K. 2001. Konservasi Energi pada Boiler, Konsep dan Teori. Jakarta.