Siklus Udara Dan Gas [PDF]

Citation preview

SISTEM UDARA DAN FLUE GAS



I. Klasifikasi (Jenis) Boiler Ditinjau dari bahan bakar yang digunakan, maka boiler dapat dibedakan menjadi :  Boiler Batubara  Boiler Minyak  Boiler gas  Boiler nuklir atau Reaktor nuklir Jenis boiler batubara masih dapat dibedakan berdasarkan proses pembakarannya, yaitu boiler dengan pembakaran batubara bubuk (PF boiler) dan boiler dengan pembakaran batubara curah (chain grate boiler). Perbedaan antara boiler Batubara dengan boiler minyak atau gas adalah pada peralatan dan sistem penanganan dan pembakaran bahan bakar serta limbah abunya. Boiler batubara mempunyai peralatan bantu yang lebih banyak dan lebih komplek dibanding boiler minyak atau gas. Boiler gas merupakan boiler yang paling sederhana peralatan bantunya. II. Ruang Bakar Ruang bakar adalah bagian dari boiler yang berfungsi untuk tempat berlangsungnya proses pembakaran antara bahan bakar dan udara. Udara dalam jumlah yang sesuai harus bercampur dengan bahan bakar untuk proses pembakaran. Bila jumlah udara yang diberikan tidak cukup, maka pembakaran yang sempurna tidak akan tercapai. Tetapi jumlah udara yang terlalu banyak juga akan menurunkan efisiensi. Udara yang berlebihan akan menaikkan kerugian gas panas ke cerobong. Untuk mengurangi kerugian thermal dan pembakaran tidak sempurna, perbandingan (ratio) bahan bakar-udara harus selalu dikontrol. Fungsi dari udara Pembakaran adalah untuk bersama dengan bahan bakar melakukan proses pembakaran didalam ruang bakar boiler (furnace). Proses pembakaran berlangsung terus menerus selama boiler beroperasi, pasokan udara pembakaranpun harus dilakukan secara kontinyu. Sementara itu, secara simultan, produk gas hasil pembakaran juga harus dikeluarkan secara terus menerus dari cerobong. Guna mendapatkan pasokan udara yang kontinyu, maka dibutuhkan adanya aliran. Untuk menghasilkan aliran, dibutuhkan adanya perbedaan tekanan. Fan dan cerobong berfungsi untuk menciptakan aliran udara dan gas buang. Gabungan dari fan dan cerobong menghasilkan perbedaan tekanan yang diperlukan untuk membuat aliran.



Sistem pengaturan tekanan ruang bakar (furnace pressure) biasa disebut draft untuk menyatakan tekanan statik didalam furnace dimana proses pembakaran bahan bakar berlangsung. A. Natural Draft (Tekanan Alami) Tekanan alami tercipta oleh efek cerobong dan perbedaan kerapatan antara gas panas hasil pembakaran dan udara sekeliling yang lebih dingin. Hasilnya adalah tekanan negatif atau tekanan alami pada sisi masuk cerobong. Gas buang dari ruang bakar boiler keluar ke cerobong karena tekanan alami. Tidak ada fan yang digunakan untuk membuat perbedaan tekanan. Penggunaan tekanan alami terbatas pada rancangan boiler kapasitas kecil.



B. Forced Draft (Tekanan Paksa) Forced draft adalah bila tekanan statik boiler dijaga diatas tekanan atmosfir. Boiler dengan sistem tekanan seperti ini sering disebut Pressurized boiler (boiler tekanan positif). Forced draft fan digunakan untuk menjaga tekanan udara didalam boiler diatas tekanan atmosfir. Udara luar dihembuskan masuk kedalam ruang bakar yang sekaligus mendorong gas panas hasil pembakaran ke arah cerobong. Sistem tekanan paksa dapat mengakibatkan kebocoran udara dan bahan bakar keluar dari boiler bila pintu pengamatan (observation door), lubang sootblower, dan pintu masuk (acces door) tidak mempunyai sistem perapat yang baik. Gas buang dari ruang bakar keluar ke atmosfir melalui cerobong karena tekanannya lebih besar dari tekanan atmosfir. Boiler dengan tekanan ruang bakar positif banyak digunakan untuk pembakaran dengan bahan bakar minyak.



C. Induced Draft (Hisap Paksa) Pada sistem Induced draft tekanan statik boiler dijaga dibawah tekanan atmosfir. Aplikasi seperti ini sering disebut boiler tekanan negatif. Gas buang dibuang lebih cepat daripada udara masuk sehingga menghasilkan tekanan negatif didalam boiler. Gas panas hasil pembakaran dihisap oleh induced draught fan (IDF), sekaligus menghisap udara luar masuk kedalam ruang bakar. Boiler sistem ini hanya menggunakan Induced draft fan untuk membuat perbedaan tekanan yang diperlukan agar terjadi aliran udara dan gas buang. Didalam aplikasi ini bila terjadi kebocoran, maka udara luar masuk kedalam boiler.



D. Balanced Draft (Tekanan Seimbang) Apabila tekanan boiler sama dengan nol berarti boiler menggunakan sistem Balanced Draft. Hal ini berarti tekanan statik adalah sama dengan tekanan atmosfir pada titik tertentu didalam boiler. Untuk boiler yang besar, balanced draft kenyataannya dibawah tekanan atmosfir. Draft dijaga sedikit dibawah tekanan atmosfir agar tidak ada bahan bakar dan panas yang bocor keluar boiler. Sistem balanced draft menggunakan forced draft fan dan



induced draft fan untuk mempertahankan tekanan ruang bakar yang sesuai. Dalam aplikasi ini gas bekas dibuang sedikit lebih cepat dibanding udara masuk. Forced draft dan induced draft fan dikendalikan untuk mempertahankan tekanan ruang bakar sebesar -50 sampai dengan -100 kPa.



Gambar 1. Furnace Pressure Boiler dengan tekanan natural draft dan induced draft ruang bakar negatif



jarang



digunakan karena kurang ekonomis. Sedangkan boiler dengan tekanan balanced draft (seimbang) banyak digunakan oleh boiler dengan bahan bakar Batubara. III. Sistem udara Udara berfungsi untuk proses pembakaran bahan bakar sehingga disebut udara pembakaran. Sistem udara pada boiler batubara pada umumnya terdiri dari 2 macam, yaitu udara primer (primary air) dan udara sekunder (secondary air). Namun pada sebagian boiler ada yang menerapkan 3 macam; selain yang dua tersebut ditambah lagi yaitu udara tersier (tertiary air).







Udara Primer (primary air). Seperti diketahui bahwa pada boiler batubara, untuk mendapatkan efisiensi pembakaran



yang baik, bongkahan batubara harus digiling menjadi bubuk halus didalam pulverizer. Setelah menjadi serbuk halus, baru dialirkan melalui pipa-pipa ke burner-burner batubara. Untuk mengalirkan serbuk batubara dari pulverizer ke burner diperlukan media transportasi. Adapun media yang digunakan adalah udara yang dihembuskan Primary Air Fan (PAF), udara ini dikenal dengan istilah udara primer (primary air). Disamping sebagai sarana transportasi serbuk batubara, udara primer juga berfungsi untuk mengeringkan batubara didalam pulverizer. Guna memenuhi fungsi ini, maka temperatur udara primer harus cukup tinggi untuk menguapkan air dari batubara. Untuk mengontrol temperatur udara, dipasang damper tempering yang berfungsi untuk mengalirkan udara dingin agar bercampur dengan udara panas. Campuran udara panas dan dingin ini menghasilkan total aliran udara primer sehingga diperoleh temperatur akhir campuran udara dan bubuk batubara sesuai yang diinginkan yang mengalir ke burner. Temperatur ini (mill outlet temperature) biasanya dijaga antara 60 – 70 0C. Mill outlet temperature yang lebih tinggi dari setting akan menyebabkan overheating dan dapat mengakibatkan explosive didalam pulveriser atau pipa batubara bubuk. Sementara apabila mill outlet temperature yang lebih rendah dibawah setting, dapat menyebabkan pembakaran yang tidak sempurna dan penyumbatan pipa bubuk batubara. Karena itu pada umumnya sistem ini dilengkapi dengan pemanas udara (Air Preheater). Pemanas ini menggunakan gas bekas sebagai media pemanas. 



Udara Sekunder (secondary air). Peralatan yang berada dalam sistem udara adalah Forced draft fan (FDF), air heater,



dan windbox. FD fan berfungsi sebagai pemasok udara pembakaran, dimana udara ini diambil dari atmosfir. Udara berasal dari atmosfir dihisap oleh FD fan dan dialirkan ke air preheater. Air preheater berfungsi untuk memanaskan udara pembakaran dengan menggunakan gas buang. Udara panas dari air heater kemudian masuk ke dalam windbox yang berfungsi untuk mendistribusikan udara pembakaran ke masing-masing burner agar terjadi proses pembakaran yang sempurna. Udara sekunder pada boiler batubara sama halnya dengan udara pembakaran (combustion air) pada boiler berbahan bakar minyak. Fungsi udara sekunder adalah memasok kebutuhan udara untuk proses pembakaran yang sempurna didalam ruang bakar. Didalam ruang bakar udara sekunder bertemu dengan campuran antara udara primer dengan serbuk batubara sehingga terjadi proses pembakaran yang sempurna. Gas-gas bekas hasil pembakaran kemudian dihisap keluar dari ruang bakar oleh ID Fan.







Udara Tersier (tertiary air). Pada beberapa rancangan boiler, udara sekunder dibagi lagi untuk keperluan tambahan



turbulensi, diambil dari sebagian udara sekunder. Udara ini disebut udara tersier yang diarahkan pada sudut yang tajam atau bahkan tegak lurus terhadap nyala api dan membuat turbulensi terjadi lebih lanjut. Karena itu tugasnya seperti udara sekunder ditambah dengan tugas lain untuk mengontrol nyala api atau sebagai pengatur posisi nyala api. Aliran campuran bahan bakar dan udara primer harus dipusarkan ketika melalui burner. Turbulensi berikutnya diperoleh ketika campuran kontak dengan udara sekunder yang berpusar dengan udara tersier. Gambar 2. Air and Gas System



IV. Sistem Gas



Pencampuran udara dan bahan bakar yang bereaksi dalam proses pembakaran menghasilkan panas pada gas buang (flue gas) dan produk lain seperti abu (bottom ash & fly ash). Gas buang ini mengalir dari furnace menuju cerobong di dalam saluran gas buang melalui superheater, reheater , economizer, air heater, electrostatic precipitator dan induced draft fan (IDF) yang selanjutnya dibuang ke atmosfir.



Gambar 3. Siklus gas buang Peralatan yag termasuk dalam sistem gas buang meliputi Air heater (AH), Electrostatic Precipitator (EP), dan induced draft fan (IDF). 4.1. Air Heater Air heater berfungsi sebagai pemanas udara pembakaran dengan memanfaatkan panas gas buang, sehingga temperatur udara pembakaran dapat mencapai + 300 oC untuk menghasilkan pembakaran yang lebih sempurna.



Gambar 4. Air heater



Gambar 5. Air heater tipe rotary (regenerative air heater)



Gambar 5. elemen air heater



4.2. Precipitator (Electro Static Precipitator)



Electrostatic Precipitator (EP) berfungsi untuk menangkap abu dan debu yang terbawa dalam gas sebelum dibuang ke atmosfir.



Gambar 6. Electrostatic precipitator Abu (Bottom Ash) yang diproduksi saat proses pembakaran akan jatuh ke bagian bawah boiler dan dikeluarkan dari boiler menggunakan bottom ash extractor. Debu (fly ash) sangat halus sehingga dapat terbawa oleh gas buang menuju cerobong ke udara luar. Debu ini merupakan material yang dapat menimbulkan polusi udara, oleh karenanya debu keluar harus diusahakan sekecil mungkin jumlahnya. Salah satu jenis peralatan yang bertugas untuk menangkap debu menuju cerobong tersebut dikenal dengan nama Electrostatic Precipitator (Gambar.6) yang dapat menangkap debu dari dalam gas buang sebanyak lebih dari 99% atau kadar debu dalam gas buang hanya tinggal 0,4 g/Nm3. Gas buang mengalir melalui medan Electrostatic yang dihasilkan oleh pasangan Electroda arus DC bertegangan tinggi (50 KV - 70 KV). Discharge Electrodes atau Emitter Electrodes biasanya berupa kawat-kawat logam yang dipasang tegak, digantung pada insulator, dipasang dicelah-celah plat yang berfungsi sebagai Collecting Electrodes.



Gambar 7. Electrostatic Precipitator Pada waktu melalui medan Electrostatik butir-butir debu akan terionisasi akibat effek korona sehingga dapat ditarik/ditangkap oleh collecting electrode. Debu yang menempel pada collecting electrode secara berkala dirontokkan dengan cara menggetarkan atau mengetuk (rapping) collecting electrode. Debu yang jatuh akan terkumpul didalam ash hopper dan selanjutnya dibuang melalui fly ash system. 4.3. Sootblower Fungsi soot blower adalah untuk membersihkan abu atau jelaga yang menempel pada bagian boiler yang dilewati gas buang. Hasil reaksi pembakaran bahan bakar dan udara selain api dan gas panas adalah abu dan jelaga. Abu ini terbawa gas dan akan menempel pada pipa-pipa dan saluran yang dilewati gas buang sehingga menimbulkan slaging dan fouling (pengotoran). Apabila hal pengotoran ini dibiarkan menempel pada pipa-pipa (peralatan pemindah panas) akan menghambat perpindahan panas dari gas ke air, uap atau udara yang dipanaskan. Oleh karena itu abu dan jelaga ini harus dibersihkan dan dibuang. Bagian yang di soot blowing adalah: 1



• Pipa-pipa dinding ruang bakar



2



• Pipa-pipa superheater



3



• Pipa-pipa reheater



4



• Pipa-pipa economiser



5



• Elemen-elemen air heater Soot blower dioperasikan pada saat boiler beroperasi (on load cleaning) dengan



menggunakan media uap atau udara.



Gambar 8. Soot blower V. Fan System Pada Boiler Fan adalah suatu peralatan yang berfungsi untuk mengalirkan udara atau gas pada tekanan yang relatif sedang.



Fan berfungsi untuk mensuplai udara secara kontinyu ke



boiler. Menurut aliran udara, fan dibedakan menjadi dua, yaitu :  Fan aksial Fan aksial disebut juga propelar atau blower. Dapat mengalirkan udara akibat aksi lift dari gerakan dan bentuk sudu. Aliran udara searah dengan poros. Berdasarkan sudunya fan aksial dapat dikelompokkan menjadi 3 macam, yaitu :  C-wheel – Sudu (blades) dapat diatur ketika fan running  A-wheel – Sudu hanya dapat diatur pada saat fan berhenti (STOP)  K-wheel – Sudu tidak dapat diatur (fix blades)  Fan radial Fan radial dapat mengalirkan gas akibat gaya sentrifugal. Prisipnya hampir sama dengan pompa sentrifugal. Gaya sentrifugal dibangkitkan oleh putaran sudu – sudu (impeler) yaitu Udara atau gas yang masuk ke pusat impeller (kipas) dan digerakkan secara radial ke sekelilingnya. Impeller yang dipasang dalam casing dirancang untuk menjamin perubahan maksimum energi kinetik ke energi tekanan. Jika impeller fan diputar, udara yang berada diantara sudu – sudu digerakkan keluar dan akibatnya gaya sentrifugal meninggalkan rotor pada kecepatan yang ditentukan oleh hubungan antara kecepatan ujung sudu dengan kecepatan udara relatif terhadap sudu – sudu.



Fan System pada Boiler terbagi menjadi 3, yaitu Forced Draft Fan (FD Fan), Induced Draft Fan (ID Fan), dan Primary Air Fan (PA Fan). Terdapat 2 unit FD Fan, ID Fan, dan PA Fan. Ketiganya merupakan jenis Fan Aksial. 1.



Forced Draft Fan (FDF) Boiler balanced draft ataupun pressurized memerlukan Forced Draf Fan (FD fan). Pada



boiler pressurized FD fan diperlukan untuk memasok udara pembakaran ke ruang bakar, kemudian membuang atau mendorong gas pembakaran melewati boiler dan keluar melalui cerobong.



Pada boiler balanced draft, FD fan diperlukan untuk memasok udara



pembakaran ke ruang bakar. Sedangkan untuk membuang atau menarik gas pembakaran (gas buang) melewati boiler dan keluar melalui cerobong digunakan ID fan. FD fan tidak dapat start sampai ID fan jalan, FD fan di interlock dengan ID fan sehingga bila ID fan trip, FD fan akan trip. Type Fan yang digunakan adalah axial fan dengan single variable moving blade. Pengaturan flow dilakukan dengan variasi sudut variable moving blade, sudu dapat diatur antara -30O sampai dengan +25O. Pengaturan sudut variable moving blade dilakukan dengan sistem control oil.



Forced Draft Fan



FD Fan Oil System



Sistem pelumasan pada bearing motor menggunakan grease, sedangkan untuk bearing fan menggunakan oil. Suplai minyak untuk control oil dan lube oil disuplai oleh oil pump, ada 2 unit – 1 operasi dan 1 stand by. Tekanan untuk control oil 1,5 Mpa dan untuk lube oil 0,5 Mpa. Biasanya FD fan digerakkan dengan motor listrik dengan kecepatan yang konstan. Pada sistem pressurized FD fan harus menghasilkan tekanan yang lebih tinggi dari pada dalam sistem balanced draft, sehingga motor listrik nya lebih besar dan lebih bertenaga sekalipun total aliran udaranya sama.



2. Induced Draft Fan (IDF) IDF digunakan dalam boiler balanced draft untuk menarik gas buang melewati permukaan pemindah panas di boiler dan saluran pembuang. Gas ini selanjutnya didorong ke atosfir melalui cerobong. Jenis Fan adalah Axial Fan dengan stationary blade. Secara sepintas bentuk dan ukuran IDF serupa dengan FDF. Namun IDF menangani gas panas dan dilengkapi dengan inlet damper yang dapat di adjust untuk mengontrol jumlah gas yang ditanganinya. Kapasitas ID fan umumnya lebih besar dari FD fan untuk suatu unit. Ukuran fan ini harus cukup untuk menangani aliran gas pada laju pembakaran maksimum boiler, ditambah kemungkinan masuknya kebocoran udara pada air heater.



Kebocoran pada air heater



selalu dari udara masuk ke sisi gas sehingga meningkatkan jumlah gas yang melalui ID fan.



Induced Draft Fan



ID Fan Oil System



Sistem pendingin untuk bearing Fan menggunakan sistem Air Cooled yang dilayani oleh 2 unit cooling Fan, juga dilengkapi dengan fasilitas oil injection. Oil injection dilakukan secara berkala dalam jangka waktu tertentu oleh pihak maintenance. Sedangkan untuk pendingin bearing motor menggunakan oil system. Oil system tersusun atas 2 unit pompa sirkulasi (kapasitas 2x100%), tanki penampung, 2 buah filter dan 2 unit oil cooler.



3.



Primary Air Fan (PAF) PAF atau fan udara primer mempunyai dua fungsi, yaitu memberikan udara ke mill



pulveriser dengan temperatur yang sesuai untuk mengeringkan batu bara bubuk (pf) agar tidak mengumpal dan membawa nya melalui pipa ke burner. Aliran udara primer yang panas masuk mill mempunyai kecepatan yang tinggi sehingga partikel-partikel bubuk batubara yang halus masuk dalam arus udara, mengalir melalui clasifier, masuk ke pipa dan membawanya ke burner. Tipe fan adalah axial fan dengan variable double moving blade. Pengaturan flow dilakukan dengan variasi sudut moving blade menggunakan control oil. Kedua moving blade digerakkan dengan satu kontrol, range control -36O sampai dengan +20O. Damper harus mengontrol jumlah batubara dan udara yang dikirim ke burner. Bila damper tidak membuka dengan cukup ketika output batubara naik, kemungkinan udara tidak cukup untuk menyapu atau membawa bubuk batubara dari mill. Bila hal ini terjadi, maka batubara bubuk tidak terbawa secepat aliran batubara dari feeder ke mill sehingga menimbulkan overload pada mill. Hal ini dapat menyebabkan mill menjadi vibrasi dan trip motor nya.



Primary Air Fan Oil System



Oil system mensuplai minyak untuk pelumasan bearing fan dan bearing motor dan untuk control oil penggerak moving blade. Tekanan control oil 2,8 Mpa dan tekanan lubricating oil 0,08 Mpa. Sistem pendingin minyak menggunakan pompa yang terpisah dengan pompa suplai, yaitu dengan oil circulating pump cooler. Pompa ini akan START saat temperatur minyak dalam tanki mencapai 450C dan akan STOP jika temperatur telah turun hingga ≤400C.