PERHITUNGAN EFISIENSI BOILER PADA INDUSTRI INDUSTRI TEPUNG TERIGU

J.Tek.Ling

Edisi Khusus

Hal. 58 - 65

Jakarta, Juli 2006

ISSN 1441 – 318X

PERHITUNGAN EFISIENSI BOILER PADA INDUSTRI INDUSTRI TEPUNG TERIGU Widiatmini Sih Winanti dan Teguh Prayudi Peneliti di Pusat Teknologi Lingkungan Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi Abstract Boiler is an enclosed vessel that consume significant amount of fuel for heating water to become heated water or steam. The hot water or steam under pressure is then usable for transferring the heat to a process. Water is a useful and inexpensive medium for transferring heat to process. One of the methods for fuel consumption efficiency in boiler operation is maintain the steam production efficiency always in high performance, therefore can utilize the energy input as much as possible to produce steam. Boiler efficiency calculation can be calculated using direct method and indirect method. Each method has its advantage and disadvantage. The results of calculation can be used as guidance for industry to improve the boiler performance to become more efficient, that can reduce fuel consumption and production cost. The result of boiler efficiency calculation in flour industry is 69.6%. This result show that the boiler performance is under good efficiency standard for boiler 85%. Key words: Boiler, efficiency, direct methods, indirect methods. 1.

PENDAHULUAN

Boiler adalah bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan ke air sampai terbentuk air panas atau steam. Air panas atau steam pada tekanan tertentu kemudian digunakan untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Air adalah media yang berguna dan murah untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Jika air dididihkan sampai menjadi steam, volume nya akan meningkat sekitar 1.600 kali, menghasilkan tenaga yang menyerupai bubuk mesiu yang mudah meledak, sehingga boiler merupakan peralatan yang harus dikelola dan dijaga dengan sangat baik.

58

Sistem boiler terdiri dari : sistem air umpan, sistem steam dan sistem bahan bakar. Sistem air umpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai dengan kebutuhan steam. Berbagai kran disediakan untuk keperluan perawatan dan perbaikan. Sistem steam mengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalam boiler. Steam dialirkan melalui sistem pemipaan ke titik pengguna. Pada keseluruhan sistem, tekanan steam diatur menggunakan kran dan dipantau dengan alat pemantau tekanan. Sistem bahan bakar adalah semua peralatan yang digunakan untuk menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan. Peralatan yang diperlukan pada sistem bahan bakar tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan pada sistem.(1)

Winanti.W,S dan T, Prayudi: 2006

Salah satu cara untuk mengefisienkan penggunaan bahan bakar pada boiler adalah dengan menjaga supaya efisiensi pembakaran bahan bakar pada boiler tetap tinggi.

2.2

Pada water tube boiler, air umpan boiler mengalir melalui pipa-pipa masuk kedalam drum. Air yang tersirkulasi dipanaskan oleh gas pembakar membentuk steam pada daerah uap dalam drum. Boiler ini dipilih jika kebutuhan steam dan tekanan steam sangat tinggi seperti pada kasus boiler untuk pembangkit tenaga.

Gas buang Steam ke Proses Cerobong

Ec on iz

Economizer m

Deaerato r Pompa

2.3 BOILER

Pemisah Blow down

BO IL

Sumber air

Bahan bakar Umpan bahan kimia

Pelunakan air

Gambar 1. Diagram skematis Sistim Boiler 2.

Ciri-ciri dari packaged boilers adalah: § Kecilnya ruang pembakaran dan tingginya panas yang dilepas menghasilkan penguapan yang lebih cepat. § Dirancang dengan transfer panas, penguapan, transfer panas konveksi dan tingkat efisiensi panas yang tinggi. § Diklasifikasikan berdasarkan jumlah pass, yang paling umum adalah unit tiga pass.

JENIS BOILER

Berbagai jenis boiler yang digunakan dalam industri adalah: Fire tube boiler, Water tube boiler, Paket boiler, Fluidized bed combustion boiler, Atmospheric fluidized bed combustion boiler, Pressurized fluidized bed combustion boiler, Circulating fluidized bed combustion boiler, Stoker fired boiler, Pulverized fuel boiler, Boiler pemanas limbah (Waste heat boiler) dan and Pemanas fluida termis (1) 2.1

Paket Boiler

Disebut boiler paket sebab sudah tersedia sebagai paket yang lengkap. Pada saat dikirim ke pabrik, hanya memerlukan pipa steam, pipa air, suplai bahan bakar dan sambungan listrik untuk dapat beroperasi. Paket boiler biasanya merupakan tipe shell and tube dengan rancangan fire tube dengan transfer panas baik radiasi maupun konveksi yang tinggi.

BU Burner RN

Water Tube Boiler

2.4. Boiler Pembakaran Fluidized Bed (FBC)

Fire Tube Boiler

dengan

Pembakaran dengan fluidized bed (FBC) memiliki kelebihan dibanding sistim pembakaran yang konvensional karena rancangan boiler yang kompak, fleksibel terhadap bahan bakar, efisiensi pembakaran yang tinggi dan berkurangnya emisi polutan yang merugikan seperti SOx dan NOx. Dapat digunakan bahan bakar batubara kualitas rendah, limbah industri dan komersial,

Pada fire tube boiler, gas panas melewati pipa-pipa dan air umpan boiler ada didalam shell untuk dirubah menjadi steam. Fire tube boilers biasanya digunakan untuk kapasitas steam yang relative kecil dengan tekanan steam rendah sampai sedang.

Perhitungan Efisiensi Boiler......J. Tek. Ling. PTL-BPPT. Edisi khusus: 58-65

.

59

sekam padi, bagas & limbah pertanian lainnya. Kisaran suhu operasinya cukup luas antara 840oC – 950 oC dengan kapasitas antara 0.5 T/jam sampai lebih dari 100 T/jam.

membakar berbagai kualitas batubara, respon yang cepat terhadap perubahan beban muatan, penggunaan suhu udara pemanas awal yang tinggi dll. 2.7

To

Boiler Limbah Panas

Boiler ini beroperasi dengan memanfaatkan limbah panas yang tersedia dalam pabrik, seperti gas panas dari berbagai proses, gas buang dari turbin gas dan mesin diesel. 3.

PENGKAJIAN EFISIENSI BOILER

Oi

Pengkajian efisiensi boiler dilakukan untuk mengevaluasi Kinerja boiler

Gambar 2. Jenis Paket Boiler 3 Pass, bahan bakar minyak

3.1

2.5

Beberapa faktor yang mempengaruhi kinerja boiler adalah:

Stoker Fired Boilers

Stokers diklasifikasikan menurut metode pengumpanan bahan bakar ke tungku dan oleh jenis grate nya. Klasifikasi utamanya adalah spreader stoker dan chain-gate atau traveling-gate stoker. Jenisnya antara lain Spreader stokers dan chain-grate atau travelinggrate stoker 2.6

Pulverized Fuel Boiler

Kebanyakan boiler stasiun pembangkit tenaga yang berbahan bakar batubara menggunakan batubara halus, dan banyak boiler pipa air di industri yang lebih besar juga menggunakan batubara yang halus. Teknologi ini berkembang dengan baik dan diseluruh dunia terdapat ribuan unit dan lebih dari 90 persen kapasitas pembakaran batubara merupakan jenis ini. Sistim keuntungan

60

Evaluasi Kinerja Boiler

ini memiliki banyak seperti kemampuan

§ § § § §

Efisiensi boiler Rasio penguapan/ evaporation ratio Pengerakan pada permukaan transfer panas Perawatan yang kurang baik Kualitas dan kandungan air bahan bakar

Uji efisiensi boiler dapat membantu dalam menemukan penyimpangan efisiensi boiler dari efisiensi terbaik dan target area permasalahan untuk tindakan perbaikan. a.

Neraca Panas

Proses pembakaran dalam boiler dapat digambarkan dalam bentuk diagram alir energi, seperti terlihat pada gambar 2. Neraca panas merupakan keseimbangan energi total yang masuk boiler terhadap yang meninggalkan boiler dalam bentuk yang berbeda. Gambar 3.


berikut memberikan gambaran berbagai kehilangan yang terjadi untuk pembangkitan steam.

§

b.

c.

Efisiensi Boiler

Efisiensi termis boiler adalah energi panas masuk yang digunakan secara efektif untuk menghasilkan steam

Stoch St berlebih Udara Exc G terbakar iomet Tidak ac Un a ess bur

L

Metode langsung dalam menentukan fisiensi boiler(1)

Dikenal juga sebagai ‘metode input-output’ karena metode ini hanya memerlukan keluaran/output (steam) dan panas masuk/input (bahan bakar) untuk evaluasi efisiensi. Efisiensi ini dapat dievaluasi dengan menggunakan persamaan:

Gas buang Stokiometrik

BAHAN BAKAR FUE MASUK

Metode Tidak Langsung: efisiensi merupakan perbedaan antara kehilangan dan energi yang masuk.

ST STEAM EA KELUAR

Efisiensi Boiler (η) = Panas masu k x 100....(1) Panas keluar

Abu dan bagian bahan bakar yang tidak terbakar

Konvek si

Q x (hg - hf) Efisiensi Boiler (η) =

. Gambar 3. Diagram neraca -energi (2) boiler

Dimana § hg – Entalpi steam jenuh dalam kkal/kg steam § hf – Entalpi air umpan dalam kkal/kg air

12.7 %Kehilangan panas karena gas 8.1 % buang kering Kehilangan panas karena

1.7 % steam dalam gas buang

100 % BOILER Bahan bakar

x 100....(2) q x GCV

0.3 % 2.4 % 1.0 % 73.8 %

Kehilangan panas karena kandungan air dalam bhn bakar Kehilangan panas karena kandungan air dalam udara Kehilangan panas karena bahan yang tidak terbakar dalam residu Kehilangan panas karena radiasi dan kehilangan yang tidak terhitung

Panas dalam Steam

Gambar 4. Berbagai kehilangan pada produksi stem(1) Ada dua metode pengkajian efisiensi boiler:

Parameter yang dipantau untuk perhitungan efisiensi boiler dengan metode langsung adalah: § Jumlah steam yang dihasilkan per jam (Q) dalam kg/jam § Jumlah bahan bakar yang digunakan per jam (q) dalam kg/jam § Tekanan kerja (dalam kg/cm2(g)) dan suhu lewat panas (oC), jika ada § Suhu air umpan (oC) § Jenis bahan bakar dan nilai panas kotor bahan bakar (GCV) dalam kkal/kg bahan bakar Keuntungan metode langsung

§

Metode Langsung: energi yang terkandung dalam steam dibandingkan dengan energi yang terkandung dalam bahan bakar boiler.

§ §

Efisiensi boiler dapat segera dievaluasi Memerlukan sedikit parameter untuk perhitungan


.

61

§ §

Memerlukan sedikit instrumen untuk pemantauan Mudah membandingkan rasio penguapan dengan data benchmark

Kerugian metode langsung § §

Tidak memberikan petunjuk kepada operator tentang penyebab dari efisiensi masing-masing sistim Tidak menghitung berbagai kehilangan pada berbagai tingkat efisiensi

3.1.4 Metode tidak langsung dalam menentukan efisiensi boiler(3)(4) Standar acuan untuk Uji Boiler di Tempat dengan menggunakan metode tidak langsung adalah British Standard, BS 845:1987 dan USA Standard ASME PTC-4-1 Power Test Code Steam Generating Units.

Data yang diperlukan untuk perhitungan efisiensi boiler secara tidak langsung adalah: § Analisis ultimate bahan bakar (H2, O2, S, C, kadar air, kadar abu) § Persentase O2 atau CO2 dalam gas buang § Suhu gas buang dalam oC (Tf) § Suhu ambien (Ta) dan kelembaban udara dalam kg/kg udara kering § GCV bahan bakar dalam kkal/kg § Persentase bahan yang dapat terbakar dalam abu (untuk bahan bakar padat) § GCV abu dalam kkal/kg (untuk bahan bakar padat) Prosedur perhitungan efisiensi boiler metode tidak langsung adalah sebagai berikut: Tahap 1: Menghitung kebutuhan udara teoritis

Metode tidak langsung juga dikenal dengan metode kehilangan panas. Efisiensi dapat dihitung dengan mengurangkan bagian kehilangan panas dari 100 sebagai berikut:

= [(11,43 x C) + {34,5 x (H2 – O2/8)} + (4,32 x S)]/100 kg/kg bahan bakar ....(4)

Efisiensi boiler (n) = 100 - (i + ii + iii + iv + v + vi + vii) ............................................(3)

persen O2 x 100 = -------------------- ...................(5) (21 – persen O2)

Dimana kehilangan yang terjadi dalam boiler adalah kehilangan panas yang diakibatkan oleh: i. Gas cerobong yang kering ii. Penguapan air yang terbentuk karena H2 dalam bahan bakar iii. Penguapan kadar air dalam bahan bakar iv. Adanya kadar air dalam udara pembakaran v. Bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu terbang/ fly ash vi. Bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu bawah/ bottom ash vii. Radiasi dan kehilangan lain yang tidak terhitung 62

Tahap 2: Menghitung persen kelebihan udara yang dipasok (EA)

Tahap 3: Menghitung massa udara sebenarnya yang dipasok/ kg bahan bakar (AAS) = {1 + EA/100} x udara teoritis .............(6) Tahap 4: Memperkirakan kehilangan panas i.

seluruh

Persentase kehilangan panas yang diakibatkan oeh gas buang yang kering = m x Cp x (Tf-Ta) x 100 ---------------------------- ...............(7) GCV bahan bakar


Total abu/ Kg bahan bakar x GCV abu bwh x 100 = --------------------------------------------------------------- (12) GCV bahan bakar

m = (massa has il pembakaran kering / kg bahan bakar) + (massa N2 dalam bahan bakar pada basis 1 kg) + (massa N2 dalam massa udara pasokan yang sebenarnya). Cp = Panas jenis gas buang (0,23 kkal/kg )

vii. Persen kehilangan panas karena radiasi dan kehilangan lain yang tidak terhitung Tahap 5: Menghitung efisiensi boiler dan rasio penguapan boiler

ii. Persen kehilangan panas karena penguapan air yang terbentuk karena adanya H2 dalam bahan bakar

Dihitung juga rasio penguapan yaitu kilogram steam yang dihasilkan per kilogram bahan bakar yang digunakan.

9 x H2 {584+Cp (Tf-Ta)} x 100 =---------------------------------------- ....(8) GCV bahan bakar

Keuntungan metode tidak langsung

Dimana,H2 = persen H2 dalam 1 kg bahan bakar Cp = panas jenis steam lewat jenuh/superheated steam (0,45 kkal/kg)

§

iii. Persen kehilangan panas karena penguapan kadar air dalam bahan bakar

Kerugian metode tidak langsung § §

M{584+ Cp (Tf-Ta)} x 100 = ------------------------------- .........(9) GCV bahan bakar Dimana, M – persen kadar air dalam 1 kg bahan bakar iv. Persen kehilangan panas kadar air dalam udara

Dapat diketahui neraca bahan dan energi yang lengkap untuk setiap aliran, yang dapat memudahkan dalam mengidentifikasi opsi-opsi untuk meningkatkan efisiensi boiler.

4.

Perlu waktu lama Memerlukan fasilitas lengkap untuk analisis

laboratorium

METODOLOGI PENELITIAN

Metodologi pengkajian boiler dilakukan dengan melakukan pengukuran lapangan secara langsung, data analisis laboratorium dan/atau pengambilan data operasi boiler, baik data harian, mingguan maupun bulanan.

karena

AAS x kelembaban x Cp (T f -T a)} x 100

= ------------------------------------------(10) GCV bahan bakar

Data-data tersebut kemudian dipakai untuk melakukan perhitungan efisiensi boiler, baik secara langsung maupun tidak langsung menggunakan persamaa-persamaan tersebut diatas.

v. Persen kehilangan panas karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu terbang/ fly ash Total abu /kg bahan bakar x GCV abu x 100 =---------------------------------------------------------- .......(11) GCV bahan bakar

Kemudian dilakukan analisis hasil perhitungan untuk menentukan kinerja boiler dan untuk memberikan rekomendasi untuk perbaikan kinerja boiler.

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


.

63

5.

HASIL DAN PEMBAHASAN

a.

Perhitungan Efisiensi Secara Langsung

Boiler

Hasil kehilangan panas masing dihitung menggunakan:

Data dan pengukuran yang didapatkan adalah: tekanan steam 10 kg/cm2, kapasitas produksi steam 39.800 kg/jam dan jumlah air umpan boiler 3.683 kg/jam. Dari data tekanan steam, dapat diketahui entalpi steam jenuh (hg ) dan entalpi air (Hf) dari table steam. Efisiensi boiler dapat dihitung menggunakan persamaan (2) berikut: Q x (hg – hf) Efisiensi Boiler (?) =

x 100 %

q x GCV 39.800 x (663 – 85) Efisiensi (?) =

§ Jumlah udara berlebih (pers.4) = 62 % § Jumlah udara aktual umpan boiler = 22,4 kg udara/ kg bahan bakar.

x 100 % 3.403 x 10.000

masing-

§ Pers. (7). Kehilangan panas karena gas kering cerobong = 11,7% § Pers. (8). Kehilangan panas karena H2 dalam bahan bakar = 7,36 % § Pers. (9). Kehilangan karena air dalam bahan bakar = 6,82 % § Pers. (10). Kehilangan panas karena air dalam udara = 0,53 % § Kehilangan panas radiasi = 2% § Total kehilangan panas = 28,41% Efisiens i boiler hasil perhitungan tidak langsung = 100 – 28,41 = 71,59%

Efisiensi Boiler (?) = 67,6% b.

Perhitungan Efisiensi Secara Tidak Langsung

Boiler

Data lebih lengkap yang didapat dari hasil kajian adalah sebagai berikut: §

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

§ § § § § §

GCV Minyak bakar: 10.000 kkal/kg Persentase Oksigen: 8 persen Persentase CO2: 9 persen Suhu gas buang (Tf): 247 0C Suhu ambien (Ta): 30 0C Kelembaban udara: 0,024 kg/kg udara kering (5)

Dengan menggunakan persamaan (3) sampai dengan persamaan (12) dilakukan perhitungan efisiensi boiler secara tidak langsung dan didapatkan hasil perhitungan sebagai berikut: § Pers. (3) Kebutuhan udara teoritis = 13,82 kg udara/ kg bahan bakar

64

Rasio penguapan: =10.000 x 0,7159/ (663-85) = 12,38 6.

KESIMPULAN

Dari hasil perhitungan diatas terlihat bahwa efisiensi boiler berada dibawah standar kinerja yang baik 85%, demikian pula rasio penguapannya dibawah standar rasio penguapan yang diharapkan untuk bahan bakar minyak solar yaitu 13. 7.

SARAN

Beberapa saran untuk meningkatkan efficiency pembakaran adalah sebagai berikut: § Perlu dilakukan pengkajian lebih lanjut pada gas buang cerobong untuk menentukan udara berlebih yang tepat untuk kesempurnaan pembakaran § Pemantauan suhu cerobong untuk dapat diturunkan suhunya dengan perawatan dan pembersihan yang baik dari jelaga yang terbentuk, § Pengecekan pada burner untuk kesempurnaan pembak aran.


§ Pemanfaatan kembali kondensat untuk meningkatkan suhu umpan dan efisiensi air dan bahan bakar. § Memanfaatkan blowdown/ kondensat untuk memanaskan udara pembakaran.

2.

Winanti, W.S., 2006, Boiler dan Pemanas Fluida Termis, Pelatihan Produksi Bersih untuk Efisiensi Energi, BPP Teknologi. 3. British Standard, BS 845:1987 4. USA Standard ASME PTC-4-1 Power Test Code Steam Generating Units. 5. Perry, R.H, Green, D., 1984, Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, hal. 12-5, 6th Ed., Mc. Graw Hill International Editions.

DAFTAR PUSTAKA 1. Uited Nation Environmental Program (UNEP), Boiler and Thermic Fluid Heater, Energy Efficiency Guide for Industry in Asia, www.energy efficiencyasia.org.


.

65

PERHITUNGAN EFISIENSI BOILER PADA INDUSTRI INDUSTRI TEPUNG TERIGU

Recommend Documents