Variasi Boiler [PDF]

Citation preview

EFISIENSI KETEL EKM Efficiency calculation of EKM water tube steam boiler, wich is operated at Madukismo Sugarmill, was aproximatly 60% - 65%. The datas for calculation based on operational conditions in 2014 crushing season. By. Haris Subiyantoro, Boiler In Charge Proses Pembakaran dalam Boiler Pada proses pembakaran ini dapat digambarkan dalam bentuk diagram aliran energi. Pada diagram ini menggambarkan secara grafis tentang bagaimana energi masuk dari bahan bakar diubah menjadi aliran energi dengan berbagai kegunaan dan menjadi aliran kehilangan panas serta energi. Keseimbangan



energi



total



yang



masuk



boiler



terhadap



yang



meninggalkan boiler dalam bentuk yang berbeda disebut juga dengan neraca panas. Di bawah ini merupakan gambaran berbagai kehilangan yang terjadi untuk pembangkitan steam.



Gambar 1. Kerugian pada Boiler



2



Gambar 2. Neraca Energi Boiler Kehilangan energi ada yang tidak dapat dihindarkan dan ada pula yang dapat dihilangkan. Tujuan dari pengkajian energi adalah supaya kerugian dapat diperkecil sehingga dapat meningkatkan efisiensi energi. 1. Perhitungan Efisiensi Ketel Uap Secara Langsung Perhitungan efisiensi secara langsung menggunakan teori efisiensi termis (Thermal Effisensi) dari proses Siklus Rankine. Perhitungan efisiensi ketel uap Kesselbau Neumark pada PT. Madubaru didasarkan pada rekapan data dari PT. Madubaru , diambil sample data-data pada proses pengoprasian ketel uap pada tanggal 26 Agustus 2014 adalah sebagai berikut: Diketahui konsumsi tebu adalah 32638 kuintal/hari atau 3263800 kg untuk mengoprasikan 5 ketel uap Kesselbau Neumark. Ampas tebu yang



3



dihasilkan dari proses penggilingan tebu adalah 30% dari jumlah konsumsi tebu. Tekanan yang dihasilkan dari ketel adalah 12,95 kg/cm2. Suhu uap yang keluar adalah 325oC. Sedangkan untuk ketel uap Kesselbau Neumark nomor 1, mass flowrate uap adalah 363 ton/hari. Kandungan sukrosa yang terdapat dalam ampas adalah 3,153% dan kandungan zat kering dalam ampas adalah 51,617%. Kondisi air masuk ketel adalah suhu 80oC . Nilai hsteam dapat dicari dengan menggunakan tabel superheated steam saat suhu 325oC dan tekanan 12,95 kg/cm2. Dengan melakukan interpolasi didapat nilai hsteam yaitu 3099,7 kJ/kg atau 740,527 kkal/kg. Sedangkan nilai hwater dapat dicari dengan menggunakan tabel saturated water saat suhu 80oC yaitu bernilai 334,86kJ/kg atau 80 kkal/kg. Berikut ini adalah perhitungan efisiensi ketel uap Kesselbau Neumark nomor 1 dengan asumsi bahan bakar yang digunakan hanya ampas tebu: Efisiensi ketel uap dapat dirumuskan sebagai energi yang dihasilkan ketel dibagi dengan energi yang masuk ketel (bahan bakar). Maka yang perlu dihitung adalah energi yang masuk dan energi yang dihasilkan ketel dengan rumus sebagai berikut: η=



Energi yang masuk ketel dirumuskan sebagai berikut: Qin = LHV fuel x m fuel



Sedangkan LHV (Low Heating Value) untuk bahan bakar ampas tebu di rumuskan sebagai berikut: LHV=4250-10s-48w



4



Energi yang dihasilkan ketel dirumuskan sebagai berikut: Qout=msteam x (hsteam – hwater)



Keterangan: η = Efisiensi ketel uap Qin = Energi yang masuk ketel LHV = nilai kalor pembakaran rendah s =Kandungan sukrosa dalam ampas w = kandungan air dalam ampas m fuel = Laju aliran massa bahan bakar Qout = nilai energi yang dihasilkan oleh ketel msteam = laju aliran massa uap hsteam = entalpi uap yang dihasilkan hwater = entalpi air masuk Perhitungan: a. Low Heating Value bahan bakar (LHV) LHV = 4250-10s-48w = 4250 – (10x3,153) – (48x(100-51,617)) = 1896,086 kkal/kg b. Energi yang masuk ke dalam boiler (Qin) Qin = LHV fuel x m fuel = 1896,086 x = 15.471.113,72 kkal c. Energi yang dihasilkan ketel (Qout) Qout = msteam x (hsteam – hwater)



5



=



x (740,572-80)



= 9.990.470,88 kkal d. Nilai efisiensi Ketel Uap Kesselbau Neumark nomor 1 (η) η=



=



x 100%



= 64,57 % 2. Perhitungan Efisiensi Ketel Uap Secara Tidak Langsung Perhitungan efisiensi secara tidak langsung menggunakan teori kehilangan panas (Heat Loss Effisensi) dari operasional Ketel. 1) Bahan Bakar Ketel Uap Bahan bakar dapat berwujud gas, cair, maupun padat. Bahan bakar merupakan senyawa kimia yang akan menghasilkan sejumlah kalor apabila direaksikan dengan Oksigen (O2). Selain itu, bahan bakar juga merupakan suatu senyawa yang tersusun atas beberapa unsur seperti; Karbon (C), Hidrogen (H), Belerang (S), dan Nitrogen (N). Kemampuan bahan bakar untuk menghasilkan energi ditentukan dari kualitas bahan bakar. Tentunya kemampuan bahan bakar dapat di tentukan dari nilai bahan bakar yang didefinisikan sebagai jumlah energi yang dihasilkan pada proses pembakaran per satuan massa atau persatuan volume bahan bakar. Nilai pembakaran ditentukan oleh komposisi kandungan unsur di dalam bahan bakar. Ada dua jenis nilai kalor pembakaran, yang pertama adalah kalor pembakaran tinggi dan yang kedua adalah kalor pembakaran rendah. Kalor pembakaran tinggi dikenal juga dengan istilah HHV (High Heating Value) adalah nilai pembakaran dimana panas pengembunan air



6



dari proses pembakaran ikut diperhitungkan sebagai proses pembakaran. Dirumuskan dengan: HHV=7986C + 33575(H-/8O)+2190S



Sedangkan kalor pembakaran rendah, atau sering dikenal dengan Low Heating



Value



(LHV)



adalah



nilai



pembakaran



dimana



panas



pengembunan uap air dari hasil pembakaran tidak ikut dihitung sebagai panas dari proses pembakaran. Dirumuskan dengan: LHV = HHV – 600(9H + Mm)



1) Kebutuhan Udara Pembakaran Pembakaran merupakan proses persenyawaan bagian dari bahan bakar dengan O2 disertai dengan kalor. Pembakaran akan terjadi jika titik nyala telah dicapai oleh campuran bahan bakar dengan udara. Pembakaran yang sempurna akan terjadi apabila jumlah udara cukup memadai dalam teknik pembakarannya. Untuk mengetahui jumlah keperluan udara pada proses pembakaran harus diketahui kandungan O2 dalam udara. Komposisi unsur-unsur yangg terkandung dalam udara menurut satuan berat adalah O 2 sebanyak 23% dan N2 sebanyak 77% (STEAM it’s generation and use, Babcok and Willcox, table 4 hal 9-5) Kebutuhan udara pembakaran didefinisikan sebagai kebutuhan oksigen yang diperlukan untuk pembakaran 1kg bahan bakar secara sempurna, yang meliputi Ut (Kebutuhan udara teoritis) dan Us (Kebutuhan udara pembakaran sebenarnya (ESM. Tambunan, Fajar H karo 1984:34). Dirumuskan sebagai berikut : Ut = 11,5C + 34,5(H – O/8) + 4,32 S (kg/kgBB)



Us = Ut (1+α) (kg/kgBB)



7



2) Gas Asap Gas asap merupakan senyawa-senyawa hasil dari reakasi pembakaran. Reaksi pembakaran akan menghasilkan gas baru, udara lebih dari sejumlah energi. (ESM. Tambunan, Fajar H karo 1984:34). Berat gas asap teoriti(Gt) dirumuskan sebagai berikut: Gt = Ut + (1 – A)(kg/kgBB)



Gas asap yang terjadi, terdiri dari hasil reaksi atas pembakaran unsurunsur bahan bakar dengan O2 dari udara seperti CO2,H2O,SO2, Unsur N2 dari udara yang tidak ikut bereaksi. Sisa kelebihan udara dari reaksi pembakaran sebelumnya diketahui 1 kg C menghasilkan 3,66 kg CO 2, 1 kg S menghasilkan 1,996 kg SO2, 1 kg H menghasilkan 8,9836 kg H2O. Maka untuk menghitung berat gas asap pembakaran perlu dihitung dulu masingmasing komponen gas asap tersebut (Ir. Syamsir A. Muin, Pesawatpesawat Konversi Energi 1 (Ketel Uap) 1988:196): Berat CO2



=



3,66 C kg/kg



Berat SO2



=



2 S kg/kg



Berat H2O



=



9 H2 kg/kg



Berat N2



=



77% Us kg/kg



Berat O2



=



23% Ut



Dari data diatas maka didapatkan jumlah gas asap atau Gs (Berat gas asap): Gs = W CO2 + W SO2 + W H2O + W N2 + W O2 Atau: Gs = Us + (1 – A) (kg/kg BB)



8



Sedangkan untuk menentukan komposisi dari gas asap didapatkan: Kadar gas = (W gas tersebut/ W total gas) x 100% Selama proses proses pembakaran, juga akan terbentuk solid refuse (Msr) dimana Msr ini terdiri dari abu refuse (Ar), dan karbon refuse (Cr). (ESM. Tambunan, Fajar H karo 1984:34) Perhitungan refuse didapatkan rumus:



Maka karbon yang tidak terbakar dalam terak (Cr) adalah: Cr=100%-Ar Sehingga massa refuse (Mr) yang terjadi tiap jamnya adalah: Mr=Cr.mbb (kg/jam)



3)



Karbon Aktual yang Habis Terbakar (Ct) Panas yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar dalam dapur ketel tidak seluruhnya digunakan untuk membentuk uap, karena sebagian panas tersebut ada juga yang hilang (ESM. Tambunan, Fajar H karo 1984:34). Adapun rumus karbon aktual yang habis terbakar, yaitu:



Panas yang hilang dari pembakaran bahan bakar dalam dapur ketel merupakan kerugian-kerugian kalor yang diantaranya adalah seperti di bawah ini. a) Kerugian Kalor Karena Bahan Bakar (Q1)



9



Kerugian kalor karena bahan bakar ini desebabkan karena adanya kandungan air dalam bahan bakar, dimana besarnya dapat dirumuskan sebagai berikut :



b) Kerugian Kalor Karena Hidrogen (Q2)



Kerugian kalor karena kandungan hidrogen yang terdapat pada bahan bakar, kerugian ini disebabkan karena kandungan unsur hidrogen (H) dalam bahan bakar yang bila terbakar akan bereaksi dengan oksigen dari udara dan berbentuk uap air (H2O). Besarnya kerugian ini dapet dirumuskan dengan:



c) Kerugian Kalor untuk Penguapan Air (Q3)



Kerugian kalor untuk menguapkan air yang terdapat dalam udara pembakarn dikarenakan udara yang masuk kedalam ruangan pembakaran belum kering dan masih mengandung air, maka terdapat panas yang hilang untuk menguapkan air yang terkandung dalam udara tersebut. Besarnya kerugian kalor ini dapat dirumuskan dengan:



d) Kerugian Kalor karena Pembakaran tidak Sempurna (Q4)



Kerugian kalor karena pembakaran yang tidak sempurna yaitu gas CO yang terdapat dalam gas asap menunjukkan bahwa sebagian bahan bakar ada yang terbakar tidak sempurna. Hal ini terjadi karena kekurangan udara atau distribusi udara yang kurang baik. Kerugian kalor akibat dari pembakaran yang tidak sempurna ini dapat dirumuskan dengan:



10



e) Kerugian Kalor Karena Unsur Karbon (Q5)



Kerugian kalor karena unsur karbon ini sebab terdapat unsur karbon yang tidak ikut terbakar dalam sia pembakaran. Kerugian ini dapat dirumuskan dengan:



f) Kerugian cerobong (Q6) Kerugian cerobong ini disebabkan oleh gas asap yang meninggakan cerobong masih mengandung energi tinggi. Kerugian cerobong dapat dirumuskan dengan:



g) Kerugian Kalor karena Radiasi dll (Q7) Kerugian kalor karena radiasi dan lain-lain terjadi akibat penghantaran dan pemancaran panas dari peralatan ketel, bisa pada badan ketel dan lain-lain. Besarnya kerugian ini dirumuskan dengan:



Apabila kerugian kalor diatas dinyatakan dalam prosentase, maka persamaannya adalah sebagai berikut:



.



11



Rumus Perhitungan Efisiensi Ketel Uap (η) dengan diketahuinya kerugian-kerugian kalor dari hasil pembakaran pada suatu ketel, maka dapat dihitung efisiensi dari ketel tersebut, yang besarnya dirumuskan dengan:



η= Rumus Perhitungan Kapasitas Produk Ketel Uap (



4)



)



Perhitungan kapasitas produksi ketel uap didapatkan rumus sebagai berikut:



Berikut ini adalah rincian rumus-rumus dari penjabaran diatas yang ditulis dalam bentuk tabel: No



Rumus



Keterangan



1



HHV



7986C



+



33575(H-O/8)



2



LHV



2190S HHV – 600(9H+Mm)



3



Ut



11,5C + 34,5 (H-O/8) + 4,32S



+



(kg/kgBB) 4



Us



Ut(1+α)



Gt



LHV = Low Heating Value Ut



= Kebutuhan udara teoristis



Us = Kebutuhan udara pembakaran sebenarrya Gt = Berat gas asap teoriti Gs = Berat gas asap



(kg/kgBB) 5



HHV = High Heating Value



Ut + (1-A)



(kg/kgBB)



A = Kandungan abu dalam bahan bakar (ahs) Ar = Prosentase solid refuse dalam abu Cr = Kaelembaban bahan bakar



6 Gs



W CO2 + W SO2 + W H2O + W



(kg/kgBB)



N2 + W O 2 Atau Us + (1-A)



mbb = massa bahan bakar Us =massa udara pembakaran sebenarnya Msr = massa solid refuse Mr = massa refuse



12 7



W CO Ar



= 3,66 C kg/kg



W SO2 = 2 S kg/kg W H2O = 9 H2 kg/kg



8



Cr



100% - Ar



W N2



= 77% Us kg/kg



W O2



= 23% Ut



(kg/kgBB) Q1 = kerugian kalor karena kelembaban bahan 9



Mr



Cr.mbb



bakar



(kg/jam)



Q2 =



10



bahan bakar



C1



Q3 = kerugian kalor untuk penguapan air dalam



(kg/kgBB) 11



udara pembakaran Q4 = kerugian kalor karena pembakaran tidak



Q1 (kJ/kg/BB)



kerugian kalor karena hidrogen dalam



sempurna …



Q5 = kerugian kalor karena ada unsur karbon



12



Q2



yang



tidak



(kJ/kg) Q3



pembakaran



13 14



(kJ/kg/BB) Q4



terbakar dalam sisa



Q6 = kerugian cerobong Q7 = kerugian kalor karena radiasi Qn = rugi-rugi kalor = Prosentase rugi-rugi kalor



15



Q5 (kJ/kg/BB)



16



Q6



17



(kJ/kg/BB) Q7



hg = Entalpi uap super panas pada temperatur gas buang (btu/lb) hf



(kJ/kg/BB)



(btu/lb)



18 . 19



Qn



= entlpi pada temperatur udara ruang



Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7



Hy = prosentase hidrogen dalam bahan bakar Mv = prosentase penguapan udaramasuk dapur dikalikan dengan nilai kelembaban



20



η



udara pada temperatur ruang tg = temperatur gas buang (oF)



13 ta = temperatur ruang (oF)



21 Mu (kg/jam)



C1



= karbon aktual yang habis terbakar (lb/lb/BB)



Cr = karbon yang tidak terbakar dalam refuse Cp



= panas jenis rata-rata dari gas asap (kJ/kgoK)



Mu = kapasitas produksi ketel uap Qair = debit air (m3/jam) ρair = massa jenis air (kg/m3) F



=faktor koreksi terhdap kotoran dan endapan



Perhitungan: 1. Spesifikasi Ketel Uap di PT. Madu Baru Merek



:



Kesselbau Neumark



Negara pembuat



:



Jerman



Model / Type



:



UL 3200



No. Seri



:



45928



Tahun



:



1955



Kapasitas uap maksimal



:



3200 kg/jam



Bahan bakar



:



Kayu



Tekanan maksimal



:



19.2 kg/cm2



Luas Pemanas



:



440 m²



Temperatur air masuk ketel



:



1030C / 2150F



Temperatur gas buang pada cerobong



:



3250C



Temperatur udara luar



:



300C



Tekanan udara luar



:



1 atm



2. Data Ketel Uap di PT. Madu Baru Bahan bakar yang digunakan adalah kayu dengan komposisi sebagai berikut (Huhtinen, 2005): a. Karbon (C) b. Hidrogen (H) c. Oksigen (O)



: : :



15% 6% 42%



14



d. e. f. g.



Nitrogen (N) : Belerang (S) : Abu/ash (A) : Kelembaban/moisture (Mm):



0.1% 0. 05% 1.08% (Dwi, Tekat Cahyono, dkk) 40%



Dari data operasional kebutuhan bahan bakar untuk ketel uap, tiap jam nya rata-rata memerlukan 1200kg/jam (Mbb = 210 kg/jam). Sedangkan debit airnya rata-rata 50m3/24 jam atau 2,083m3/jam. 3. Perhitungan Pembakaran a. Nilai Pembakaran Bahan Bakar (HHV) HHV = 7986C + 33575(H - O/8) + 2190S =(7986 x 0,15) + 33575 (0,06 -



) + (2190 x 0,0005)



=1.450.808 kcal/kgBB =6074,531 kJ/kg a. Nilai Pembakaran Rendah (LHV) LHV = HHV – 600(9H+Mm) =1.450.808 – 600 ((9x0,06) x 0,4) = 1450,808 – 564 =886,808 kcal/kgBB b. Kebutuhan Udara Bahan Bakar 1) Kebutuhan Udara Teoritis (Ut) Ut =11,5C + 34,5 (H-O/8) + 4,32S =(11,5x0,15) + (34,5 x 0,0075) + (4,32 x 0,0005) =1,725 + 0,25875 + 0,00216 =1,98591 kg/kg 2) Kebutuhan Udara Pembakaran Sebenarnya (Us) Us = Ut(1+α) = 1,98591 (1+0,18) =1,98591 x 1,18 =2,343kg/kg c. Perhitungan Gas Asap 1) Berat Gas Asap Teoritis (Gt) Gt = Ut + (1-A) = 1,98591 + (1-0,0108) = 2,97511 + 0,9892



15



= 2,97511 kg/kgBB 2) Berat Gas Asap Hasil Pembakaran W SO2 = 2S = 2 x 0.0005 = 0.001 kg/kg W CO2 = 3.666 C = 3.666 x 0,15 = 0.5499 kg/kg W H2O = 9 x H2 = 9 x 0.06 = 0.54 kg/kg W O2 = (23% x 18% )Ut = 0.23 x 0.18 x 1.198591 = 0.04962 kg + 0,01 = 0.596 kg/kg W N2 = 77% x 2.343374 = 1.8 kg/kg Dari data di atas maka didapatkan berat gas asap (basah) sebenarnya (Gs) Gs



=W CO2 + W SO2 + W H2O + W N2 + W O2 = 0,001 + 0,5499 + 0,54 + 0,596 + 1,8 =3,48 kg/kgBB



Atau: Gs



= Us + (1-A) = 2,343 + (1-0,00108) = 3,33 kg/kgBB



d. Kalor Jenis Asap Menurut Eflita Yohana, dkk panas jenis rata-rata gas asap kering, umumnya dianggap sebagai panas jenis udara, yakni 0,24 kcal/kg°C. 0,24 kcal/kg°C = 1.00272 kJ/kg°C. e. Perhitungan Karbon yang Tidak Terbakar 1) Massa solid refuse (Msr) Msr = (mbb+Us)-Gs =(210+2,343)-3,33 =209,01kg/kgBB 2) Prosentase solid refuse abu (Ar) Ar



=



16



= = 1,085 % 3) Karbon yang tidak terbakar dalam terak Cr = 100% - 1,085% = 98,9% = 0,99 kg/kgBB 4) Massa refuse tiap jam Mr = Cr.mbb = 0,99 x 210 = 207,9 kg/jam f. Karbon Aktual yang Habis Terbakar C1 = = = =



0,140199 kg/kgBB



g. Kerugian Kalor Karena Kelembaban Bahan Bakar (Q1) Kerugian ini disebabkan karena adanya kandungan air di dalam bahan bakar, harga hg dan hf di peroleh: hg = entalpi uap super panas pada temperatur gas buang T = 325oC = 707oF 1 atm, atau 2364,62 btu/lb hf = entalpi pada temperatur udara luar T = 30oC = 86oF, atau 54 btu/lb Q1



Q1*



= Mm x (hg-hf) = 0,4 (2364,62-54) = 924,248 btu/lbBB = 2151,623 kJ/kgBB = =



= 9,3 % h. Kerugian Kalor untuk dalam Bahan Bakar (Q2)



Menguapkan Hidrogen yang Terdapat



17



Q2



Q2*



= = (9 x0,06 ) (2310,62-54) = 0,54 x 231062 = 1247,7341 kkal = 2.904,69 kJ/kgBB = 12,5%



i. Kerugian Kalor untuk Menguapkan Air dalam Udara Pembakaran (Q3) Dengan mengasumsikan bahwa udara yang diserap oleh blower masuk ke dalam ruang bakar mengalami penguapan sebesar 70 %. T = 300oC atau 860oF diperoleh berat air dalam udara kering 0,027586 (Steam Air And Gas Power, Williams Servens) maka, Q3 = =



2,3433 x 0,7 x 0,027586 x



0,6 ( 617 – 86) = 1,45 btu/lbBB = 3,35 kJ/kgBB Q3*= 0,15 % j. Kerugian karena Pembakaran Tidak Sempurna Q4 = = = 0,5 x (10160 x 0,140199) = 0,5 x 1.424,42 kJ/kg Q4*= 3% k. Kerugian karena Terdapatnya Unsur Karbon yang tidak Ikut Terbakar dalam Sisa Pembakaran (Q5) Q5 =



=



Q5*



= 1.177,74 kJ/kgBB = 5%



18



l. Kerugian Cerobong (Q6) Q6 =



Q6*



= 3,33 x 1,00272 (598 – 303)K = 988 kJ/kgBB = 4,2 %



m. Kerugian karena Radiasi dll (Q7) Q7 = 4% LHV = 4% x 23072,59 =992,9 kJ/kgBB Q7* = 4% 4. Perhitungan Efisiensi Ketel Uap η = 100% - Qn% = 100% - (Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7)% = 100% - (9,3+12,5+0,15+3+5+4,2+4)% = 100% - 38,15% = 61,85% ====== *** ======