5

II. TINJAUAN PUSTAKA

A. Pengertian Ketel Uap (Boiler)

Ketel uap merupakan bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan

ke air sampai terbentuk air panas atau steam berupa energi kerja. Air adalah media

yang berguna dan murah untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Air panas atau

steam pada tekanan dan suhu tertentu mempunyai nilai energi yang kemudian

digunakan untuk mengalirkan panas dalam bentuk energi kalor ke suatu proses.

Jika air didihkan sampai menjadi steam, maka volumenya akan meningkat sekitar

1600 kali, menghasilkan tenaga yang menyerupai bubuk mesiu yang mudah

meledak, sehingga sistem boiler merupakan peralatan yang harus dikelola dan di

jaga dengan sangat baik ( Djokosetyardjo, 1990).

Energi kalor yang dibangkitkan dalam sistem boiler memiliki nilai

tekanan, temperatur, dan laju aliran yang menentukan pemanfaatan steam yang

akan digunakan. Berdasarkan ketiga hal tersebut sistem boiler mengenal keadaan

tekanan-temperatur rendah (low pressure/LP), dan tekanan-temperatur tinggi

(high pressure/HP), dengan perbedaan itu pemanfaatan steam yang keluar dari

sistem boiler dimanfaatkan dalam suatu proses untuk memanasakan cairan dan

menjalankan suatu mesin (commercial and industrial boilers), atau

membangkitkan energi listrik dengan merubah energi kalor menjadi energi

mekanik kemudian memutar generator sehingga menghasilkan energi listrik

(power boilers). Namun, ada juga yang menggabungkan kedua sistem boiler

6

tersebut, yang memanfaatkan tekanan-temperatur tinggi untuk membangkitkan

energi listrik, kemudian sisa steam dari turbin dengan keadaan tekanan-temperatur

rendah dapat dimanfaatkan ke dalam proses industri ( Anonim, 2006).

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 dari sistem air umpan, penanganan air umpan diperlukan sebagai

bentuk pemeliharaan untuk mencegah terjadi kerusakan dari sistem steam. 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 perlatan 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 (Febrianta, 2008).

Kapasitas adalah tingkat kemampuan berproduksi secara optimum dari

sebuah fasilitas biasanya dinyatakan sebagai jumlah output pada satu periode

waktu tertentu. Pada boiler kapasitas yang di produksi adalah output steam yang

di hasilkan per jam. Untuk mengetahui kapasitas terbenbtuk dapat diketahui

dengan mengetahui berapa banyak air yang di gunakan dibagi waktu yang

digunakan pada proses pengoperasian boiler.

Entalpi adalah istilah dalam termodinamika yang menyatakan jumlah

energi internal dari suatu sistem termodinamika ditambah energi yang digunakan

7

untuk melakukan kerja. Dari tinjauan, entalpi tidak bisa diukur, namun yang bisa

dihitung adalah nilai perubahannya. Entalpi dapat diketauhi berdasarkan

temperature dan tekanan, entalpi uap (h) dapat dilihat pada tabel thermodynamics

(Cengel, 1985).

Boiler terdiri dari beberapa bagian, diantaranya :

1. Ruang Bakar

Ruang bakar adalah tempat dimana proses pembakaran berlangsung.

2. Force Dry Fan (FDF)

Force Dry Fan berfungsi untuk menghembuskan udara dari bawah

sehingga bahan bakar akan terbakar dengan sempurna dan nyala api akan

merata keseluruh bagian.

3. Secondary Fan (SDF)

Secondary Fan berfungsi untuk membantu menghembuskan udara dan

menghidupkan api dari samping.

4. Induced Draft Fan (IDF)

Induced Draff Fan berfungsi menghisap debu dari sisa pembakaran dan

membuangnya keluar melalui chimney.

5. Upper Drum

Upper Drum berfungsi untuk menyalurkan uap super heater serta

menyimpan dan mensuplai air keseluruh pipa, dimana normal air didalam

drum adalah 3,38 – 6.67 ton air.

8

6. SuperHeater

Super Heater berfungsi untuk menghilangkan air yang terbawa oleh uap

dan akan menghasilkan uap jenuh (uap kering) kemudian disalurkan ke turbin

dan siap untuk menggerakkan turbin.

7. Gelas Penduga

Gelas penduga berfungsi untuk membaca level air didalam upper drum.

8. Cerobong Asap (Chimney)

Chimney berfungsi sebagai ventilasi pembuangan panas gas buang atau

asap yang dihasilkan oleh boiler dari tungku pembakaran keluar menuju

atmosfer (Anonim, 2011).

B. Perpidahan Kalor

Kalor (panas) dapat berpindah dari tempat yang bersuhu tinggi ke tempat

yang bersuhu rendah. Kalor berpindah dari benda yang bersuhu tinggi ke benda

yang bersuhu lebih rendah melalui tiga cara, yaitu : perpindahan kalor konveksi,

konduksi dan radiasi.

1. Konveksi

Konveksi adalah peristiwa perpindahan kalor (panas) melalui aliran zat

atau disertai aliran zat perantaranya.

Contoh perpindahan kalor (panas) secara konveksi antara lain :

a. Ketika kita merebus kacang hijau ketika airnya telah memdidih

maka ada pergerakan naik turun kacang hijau.

9

b. Ketika kita merebus air maka ada pergerakan air yang panas naik

dan yang dingin turun.

c. Terjadinya angin darat dan angin laut, karena adanya perbedaan

suhu di daratan dan di lautan.

Contoh perpindahan kalor secara konveksi misalnya ketika sobat hitung

masak air, ketika air mendidih terjadi perpindahan kalor dari api kompor ke panci

kemudian ke air. Perpindahan ini juga diiringi perpindahan atau bergeraknya

medium berupa air. Laju perpindahan kalor secara konveksi dapa dirumuskan :

𝑄

𝑡= 𝑕𝐴(𝑇2 − 𝑇1)…………………….………….(1)

Dimana, h adalah tetapan konveksi. Setiap benda memiliki tetapan

konveksi yang berbeda.Semakin mudah benda itu menyerap atau melepas kalor

dan memindahkannya maka semakin besar nilai tetapan ini. Adalah luas

penampang melintang dan T2-T1 adalah selisih suhu. Perpindahan panas secara

Konveksi dibagi menjadi 2, yaitu:

a) Konveksi alami

Konveksi alami adalah perpindahan kalor yang terjadi secara alami.

Contoh pemanfaatan konveksi alamiah adalah pada cerobong asap. Kertas berasap

digunakan untuk memperlihatkan arus konveksi alami udara. Udara panas dekat di

atas nyala lilin massa jenisnya lebih kecil hingga bergerak naik ke atas.

Tempatnya digantikan oleh udara dingin di sekitar nyala lilin. Terjadilah arus

konveksi udara yang membawa asap yang berasal dari kertas menuju ke cerobong

asap.

10

b) Konveksi paksa

Konveksi adalah konveksi yang terjadi dengan sengaja (dipaksakan).

Contoh pemanfaatan konveksi paksa adalah pada sistem pendidngin mobil dimana

air diedarkan melalui pipa-pipa air dengan bantuan sebuah pompa air. Panas

mesin yang tidak dikehendaki dibawa oleh sirkulasi air menuju radiator. Di dalam

sirip-sirip radiator air hangat didinginkan oleh udara dingin di sekitar radiator

yang ditarik oleh kipas angin. Air yang dingin kembali diedarkan menuju pipa-

pipa air yang bersentuhan langsung dengan blok-blok mesin yang hangat untuk

mengulang siklus berikutnya.

2. Konduksi

Konduksi yaitu perpindahan kalor melalui zat perantara, tetapi zat

perantara tersebut tidak ikut berpindah atau bergerak. Contoh perpindahan kalor

secara konduksi adalah pada kegiatan perpindahan panas dengan perantara yang

bersifat konduktor. Contoh perpindahan kalor secara konduksi antara lain :

a. Ujung logam yang dibakar ketika kita pegang pada ujung yang lainnya akan

terasa panas juga.

Secara sederhana laju perpindahan kalor bisa dirumuskan sebagai kalor

yang mengalir persatuan waktu. Laju perpidahan kalor secara koduksi dirumuskan

sebagai perkalian antara konduktivitas kalor (k) dengan luas penampang (A) dan

selisih suhu kedua titik ( T2-T1) dibagi dengan jarak kedua titik (x). Rumus laju

perpindahan kalor nya:

Q

t= kA

(T2−T1)

x……………………………………(2)

11

3. Radiasi

Radiasi yaitu perpindahan kalor tanpa zat perantara. Contoh perpindahan

kalor secara radiasi adalah :

a. Panas matahari sampai ke bumi.

b. Tubuh kita akan terasa hangat jika kita berada dekat api unggun

c. Tangan kita yang dingin jika di dekatkan dengan lampu yang

menyala akan terasa hangat.

Laju penyerapan kalor yang dipancarkan secara radiasi dirumuskan sebagai

berikut :

Q

t= σeAT4………………………….……...(3)

Dengan e adalah emisivitas benda, dimana jika benda hitam mempunyai

nilai e = 1 jka benda berwarna hitam dan e bernilai 0 (nol) jika benda berwarna

putih. σ adalah konstanta Setfan-Boltzman σ = 5,67 x10 -8

C, A adalah luas

permukaan benda dan T adalah suhu dalam Kelvin (Buchori, 2013).

C. Fan

Fan digunakan dalam peningkatan efisiensi pembangkit karena fan dapat

memaksimalkan tenaga dorong pada saluran inlet bahan bakar, menghemat bahan

bakar dan membantu pembakaran agar prosesnya sempurna. Karena tanpa adanya

fan, akan sulit didapatkan efisiensi thermal dalam ketel. Selain itu, setelah proses

pencampuran serbuk bahan bakar dan udara yang dilakukan oleh fan dan dibantu

oleh dumper tetap yaitu pengatur pengaduk udara, akan dapat menimbulkan

turbulensi yaitu gerakan yang dapat menyempurnakan pencampuran bahan bakar

dan udara. Kebutuhan turbulensi untuk melakukan pencampuran bahan bakar

12

secara sempurna atau memenuhi kebutuhan akan oksigen untuk pembakaran

sempurna tidak hanya di dapat dari udara primer saja, melainkan juga di dapat

dari udara sekunder. Oleh karena itu dibutuhkan PA Fan, FD Fan, dan ID Fan,

untuk memasok udara primer dan sekunder guna proses pembakaran di dalam

boiler. FD Fan terletak pada bagian ujung saluran air intake boiler dan digerakkan

oleh motor listrik. Fan ini bekerja pada tekanan tinggi dan berfungsi menghasilkan

udara sekunder (Secondary Air) yang akan dialirkan ke dalam boiler untuk

mencampur udara dan bahan bakar dan selanjutnya digunakan sebagai udara

pembakaran pada furnace boiler. Udara yang diproduksi oleh Force Draft Fan

(FD Fan) diambil dari udara luar. Dalam perjalananya menuju boiler, udara

tersebut dinaikkan suhunya oleh secondary air heater (pemanas udara sekunder)

agar proses pembakaran bisa terjadi di boiler.

Hal yang harus diperhatian pada FD Fan adalah :

1. FD fan akan beroperasi hingga dua tahun non – stop, sehingga konstruksinya

harus dapat diandalkan dan bebas perawatan selama masa pakai.

2. Mempunyai efisiensi yang tinggi, karena boiler selalu bekerja dalam kondisi

yang bervariasi maka kinerja FD fan juga disesuaikan dengan kondisi kerja

boiler.

3. FD fan harus stabil karena keadaan tekanan yang bervariasi dan masa pakai

FD fan tersebut sehingga FD fan harus tetap dapat mengontrol aliran udara ke

boiler selama masa kerjanya.

13

4. FD fan harus mempunyai proteksi terhadap dirinya sendiri, dalam hal ini

berarti FD fan harus dapat memutuskan arus saat kerja lebih dan mengatur

kinerja motor FD fan tersebut.

ID Fan berfungsi untuk mempertahankan pressure pada furnace boiler dan

bekerja pada tekanan atmosfir rendah karena digunakan untuk menghisap gas dan

abu sisa pembakaran pada boiler untuk selanjutnya dibuang melalui stack.

Sebelum gas dan abu sisa pembakaran dibuang, terlebih dahulu dilewatkan pada

electrostatic precipitator agar bisa mengurangi presentase polusi udara yang

dihasilkan dari sisa pembakaran tersebut. Perlakuan terhadap ID fan sama dengan

FD fan, tetapi yang membedakan adalah kinerja ID fan di suhu yang tinggi karena

ID fan mensirkulasikan gas hasil pembakaran dan FD fan hanya bekerja di suhu

atmosfer biasa, sehingga ID fan mempunyai sistem pendinginan dengan air dan

radiator untuk mencegah overheating.

PA Fan, FD Fan, dan ID Fan mempunyai bentuk yang hampir sama,

tetapi dapat dilihat perbedaannnya dari letak dan fungsi masing-masing. Fan

sangat penting untuk menjaga kestabilan kinerja suatu sistem. Komponennya

terdiri dari fan itu sendiri, motor listrik, sistem penggerak, saluran atau pemipaan,

peralatan pengendali aliran, dan peralatan penyejuk udara (filter, kumparan

pendingin, penukar panas, dll). Ketiga fan tersebut membantu proses kerja

komponen-komponen lain seperti Furnace Boiler (ruangan yang berisi pipa-pipa

boiler yang digunakan untuk tempat pembakaran) (Naibaho, 1998).

14

D. Pembakaran

Pembakaran merupakan reaksi kimia cepat antara oksigen dan bahan bakar

pada suhu tertentu, yang disertai pelepasan suatu kalor. Berdasarkan kondisinya,

pembakaran dibagi menjadi tiga, yaitu; pembakaran spontan, pembakaran

sempurna dan pembakaran parsial. Sebelum proses pembakaran berlangsung,

terlebih dahulu bahan bakar dinaikkan suhunya hingga titik bakarnya tercapai

(flash point). Penguraian dan oksidasi dimulai pada suhu yang rendah ke suhu

tinggi. Jika bahan bakar mengandung unsur oksigen dan zat penguap (volatile

matter) yang tinggi maka suhu penguraian dan oksidasi akan semakin rendah.

Terdapat bermacam-macam jenis pembakaran diantaranya adalah sebagai

berikut :

1.Pembakanaran sempurna

Pembakaran sempurna, reaktan akan terbakar dengan oksigen,

menghasilkan sejumlah produk yang terbatas. Ketika hidrokarbon yang terbakar

dengan oksigen, maka hanya akan dihasilkan gas karbon dioksida dan uap air.

Namun kadang kala akan dihasilkan senyawa nitrogen dioksida yang merupakan

hasil teroksidasinya senyawa nitrogen di dalam udara. Salah satu indikasi bahwa

pembakaran dikatakan sempurna adalah apabila dalam reaksi pembakaran tersebut

tidak terbentuk gas carbon monoksida (CO). Pada pembakaran sempurna seluruh

karbon terbakar habis membentuk gas CO2

dan seluruh hidrogen terkonversi

menjadi uap air (H2O). Pembakaran sempurna hampir tidak mungkin tercapai

pada kehidupan nyata.

15

2. Pembakaran tidak sempurna

Pembakaran tidak sempurna umumnya terjadi ketika tidak tersedianya

oksigen dalam jumlah yang cukup untuk membakar bahan bakar sehingga

dihasilkannya karbon dioksida dan air. Pembakaran yang tidak sempurna

menghasilkan zat-zat seperti carbon dioksida, carbon monoksida, uap air dan

carbon. Pembakaran yang tidak sempurna sangat sering terjadi, walaupun tidak

diinginkan, karena carbon monoksida merupakan zat yang sangat berbahaya bagi

manusia. Kualitas pembakaran dapat ditingkatkan dengan perancangan media

pembakaran yang lebih baik dan optimisasi proses.

3. Pembakaran lambat

Smouldering merupakan bentuk pembakaran yang lambat, bertemperatur

rendah, dan tidak berapi, yang dipertahankan oleh panas ketika oksigen

menyerang permukaan dari bahan bakar pada fasa yang terkondensasi.

Pembakaran ini dapat dikategorikan sebagai pembakaran yang tidak sempurna.

Contoh pembakaran ini adalah inisiasi kebakaran yang dikarenakan rokok, dan

sisa kebakaran hutan yang masih menghasilkan hawa panas.

Reaksi pembakaran menghasilkan zat-zat yang tidak diinginkan seperti

CO2, CO, dan jelaga. Rekasi pembakaran sempurna akan menghasilkan CO

2, hal

ini terjadi bila suplai oksigen diberikan berlebih. Sebaliknya bila reaksi oksidasi

bahan bakar kekurangan oksigen maka akan terjadi reaksi pembakaran tidak

sempurna yang menghasilkan CO dan jelaga. CO lebih berbahaya dari CO2

sehingga pembentukannya perlu dihindari. Pembakaran yang tidak efisien juga

akan menghasilkan keluaran energi yang rendah serta boros bahan bakar.

16

Proses pembakaran biomassa, 80% energi yang dilepaskan dalam bentuk

gas yang mudah terbakar dan sisanya dalam bentuk carbon. Oleh karena itu,

selama proses pembakaran sangat penting untuk mempertahankan agar oksigen

dapat selalu dijaga dalam kontak dengan bahan bakar dan gas-gas yang terbentuk

ketika pembakaran berlangsung pada suhu penyalaannya. Kontak yang baik antara

bahan bakar dengan oksigen akan menghasilkan proses pembakaran secara cepat

dan komplit, sehingga diperoleh efisiensi pembakaran yang relatif tinggi.

Biomasa dipanasi, kandungan air di dalam bahan bakar sedikit demi

sedikit mulai menguap pada suhu antara 90 s.d 100 °C. Kandungan air yang

dilepaskan dari bahan bakar biomasa tersebut kemudian mengalir keluar bersama

dengan gas buang melalui cerobong. Pada suhu antara 140 s.d 400 °C terjadi

proses devolatilisasi yang akan melepaskan gass.dgas pembentuk unsur biomassa

(volatile). Gas tersebut kemudian dioksidasi dengan udara sekunder dan akan

melepaskan kalor hingga suhunya mencapai 800 s.d 1.026 °C. Proses pembakaran

tersebut terjadi secara sinambung mengikuti ketiga reaksi di atas. Sebagaimana

diketahui bahwa pembakaran adalah proses oksidasi dimana oksigen diberikan

dengan mengikuti rasio udara berlebih terhadap massa bahan bakar agar diperoleh

reaksi pembakaran yang komplit. Reaksi utama dari proses pembakaran antara

karbon dengan oksigen akan membentuk carbon monoksida (CO) dan carbon

dioksida (CO2). Carbon dioksida merupakan produk pembakaran yang memiliki

temperatur rendah. Oksidasi carbon monoksida ke carbon dioksida hanya dapat

terbentuk jika memiliki sejumlah oksigen yang seimbang. Kandungan CO yang

17

tinggi mengindikasikan proses pembakaran tidak komplit dan ini harus seminimal

mungkin dihindari, karena:

1. CO adalah gas yang dapat dibakar. Kandungan CO yang tinggi akan

menghasilkan efisiensi pembakaran yang rendah.

2. Dapat menyebabkan gangguan bau (odour).

3. Bila konsentrasi gas CO sangat tinggi mempunyai resiko yang tinggi bagi

makhuk hidup dan lingkungan sekitarnya.

Boiler di pabrik kelapa sawit, pada umumnya menggunakan tungku

pembakaran jenis fixeds bed. Pada tungku ini, distribusi bahan bakar ke dalam

ruang pembakaran dilakukan secara overfeed. Udara pembakaran dialirkan

melalui dua buah saluran udara, yaitu saluran udara primer (primary air) yang

terletak di bagian bawah grate dan saluran udara sekunder (secondary air) yang

terletak pada dinding bagian atas grate di sisi kiri dan kanan dinding.

Tungku pembakaran jenis fixeds bed merupakan tungku pembakaran

biomassa menggunakan grate dengan model alas tetap atau tidak bergerak. Di

mana bahan bakar yang akan dibakar ditumpuk di atas alas dasar (bed) tungku

pembakaran, pada tungku pembakaran fixeds bed terdapat susunan logam secara

memanjang yang berfungsi sebagai alas dasar bahan bakar. Material logam yang

mempunyai lubang dengan jarak tertentu tersebut berguna untuk memasukkan

udara dari bagian bawah tungku pembakaran. Jumlah bukaan lubang udara pada

alas dasar (bed) tungku pembakaran antara 20 s.d 40 % dari total luas area grate.

Pabrik kelapa sawit, proses pengumpanan bahan bakar pada umum dilakukan

dengan kombinasi dua cara tersebut di atas, yaitu secara mekanis dan manual.

18

Kebanyakan prosedur pengisian bahan bakar ke dalam ruang pembakaran

dilakukan dengan mengandalkan “feeling” dari seorang operator berdasarkan

indikator tekanan presure gauge boiler. Apabila tekanan kerja boiler turun maka

diberikan umpan bahan bakar secara banyak dan apabila bahan bakar yang

diumpankan berlebih maka operator boiler yang berada di bagian bawah akan

mengeluarkan sebagian bahan bakar yang berada di dalam boiler tersebut. Cara

pengisian bahan bakar yang dilakukan tanpa mempertimbangkan aspek

stoikiometri (memenuhi prinsip kesetimbangan campuran antara bahan bakar dan

udara) dapat menurunkan efisiensi pembakaran (karena boros bahan bakar).

Proses pembakaran tidak sempurna yang diindikasikan dengan konsumsi bahan

bakar yang boros akan memberikan dampak lain yang tidak kalah penting, yaitu

penurunan kualitas lingkungan akibat peningkatan emisi pembakaran di udara

(Woodruff, 1981).

E. Bahan Bakar

Agar kualitas uap yang dihasilkan dari ketel uap sesuai dengan yang

diinginkan/dibutuhkan maka dibutuhkan sejumlah panas untuk menguapkan air

tersebut, dimana panas tersebut diperoleh dari pembakaran bahan bakar di ruang

bakar ketel. Dimana bahan bakar yang digunakan oleh boiler adalah berupa shell

dan fibre kelapa sawit.

Shell adalah sejenis bahan bakar padat yang berwarna hitam berbentuk

seperti batok kelapa dan agak bulat, terdapat pada bagian dalam pada buah kelapa

sawit yang diselubungi oleh fibre.

19

Bakar shell ini terdapat berbagai unsur kimia antara lain : Carbon (C),

Hidrogen (H2), Nitrogen (N2), Oksigen (O2) dan Abu. Dimana unsur kimia yang

terkandung pada shell mempunyai persentase (%) yang berbeda jumlahnya.,

bahan bakar shell ini setelah mengalami proses pembakaran akan berubah menjadi

arang, kemudian arang tersebut dengan adanya udara pada dapur akan terbang

sebagai ukuran partikel kecil yang dinamakan peatikel pijar. Pemakaian shell ini,

bila terlalu banyak dari fibre akan menghambat proses pembakaran akibat

penumpukan arang dan nyala api kurang sempurna, dan jika shell digunakan

sedikit, panas yang dihasilkan akan rendah.karena shell apabila dibakar akan

mengeluarkan panas yang besar. Fibre adalah bahan bakar padat yang bebentuk

seperti rambut, apabila telah mengalami proses pengolahan berwarna coklat muda,

fibre ini terdapat dibagian kedua dari buah kelapa sawit setelah kulit buah kelapa

sawit didalam fibre dan daging buah sawit minyak CPO terkandung.

Panas yang dihasilkan fibre jumlahnya lebih kecil dari yang dihasilkan

oleh shell, oleh karena itu perbandingan lebih besar fibre dari pada shell,

disamping fibre lebih cepat habis menjadi abu apabila dibakar, pemakaian fibre

yang berlebihan akan berdampak buruk pada proses pembakaran karena dapat

menghambat proses perambatan panas pada pipa water wall, akibat abu hasil

pembakaran beterbangan dalam ruang dapur dan menutupi pipa water wall,

disamping mempersulit pembuangan dari pintu ekspansion door (Pintu keluar

untuk abu dan arang) akibat terjadinya penumpukan yang berlebihan (Cristian

2013).

20

F. Efisiensi Boiler

Efisiensi adalah suatu tingkatan kemampuan kerja dari suatu alat.

Sedangkan efisiensi pada boiler adalah prestasi kerja atau tingkat unjuk kerja

boiler yang didapatkan dari perbandingan antara energi yang dipindahkan atau

diserap oleh fluida kerja didalam boiler dengan masukan energi kimia dari bahan

bakar. Untuk tingkat efisiensi pada boiler atau keteluap tingkat efisiensinya

berkisar antara 70% hingga 90%.

Terdapat dua metode pengkajian efisiensi boiler :

1. Metode Langsung

Metode langsung adalah energi yang didapat dari fluida kerja (air dan

steam) dibandingkan dengan energi yang terkandung dalam bahan bakar boiler.

Keuntungan metode langsung :

a. Efisiensi boiler dapat segera dievaluasi

b. Memerlukan sedikit parameter untuk perhitungan

c. Memerlukan sedikit instrumen untuk pemantauan

d. Mudah membandingkan rasio penguapan dengan data benchmark

Kerugian metode langsung :

a. Tidak memberikan petunjuk kepada operator tentang penyebab dari efisiensi

masing-masing system.

21

b. Tidak menghitung berbagai kehilangan yang berpengaruh pada berbagai

tingkat efisiensi.

Efisiensi ini dapat dievaluasi dengan persamaan :

η = 𝑚𝑢×(𝑕𝑢−𝑕𝑎 )

𝑚𝑏𝑏×𝐿𝐻𝑉× 100………………………(4)

Dimana :

Η = efisiensi boiler (% )

𝑚𝑢 = jumlah steam yang dihasilkan per jam (kg/jam)

𝑚𝑏𝑏 = jumlah bahan bakar yang digunakan per jam (kg/jam)

𝑕𝑢 = entalpi uap(tabel thermodynamics, Cengel) (kJ/kg)

𝑕𝑎 = entalpi air (tabel thermodynamics, Cengel) (kJ/kg)

LHV = nilai kalor bahan bakar cangkang (kJ/kg)

Untuk menghitung massa uap,massa bahan bakar, LHV dan HHV dapat diketahui

dengan langkah-langkah sebagai berikut :

a. Menghitung volume air yang diuapkan dengan persamaan:

𝑉𝑎 =𝐴𝑑𝑟𝑢𝑚 . 𝑡𝑎𝑖𝑟 …...............................................( 5 )

Dimana :

𝐴𝑑𝑟𝑢𝑚 = luas penampang drum

𝑡𝑎𝑖𝑟 = tinggi air yang digunakan saat proses penguapan

𝑉𝑎 =𝐴𝑑𝑟𝑢𝑚 . 𝑡𝑎𝑖𝑟

b. Menghitung massa air yang diuapkan dengan persamaann :

𝑚𝑎 = p . V………………………………………………..( 6 )

22

Dimana :

𝑚𝑎 = massa air yang diuapkan (kg)

p = massa jenis air (kg/liter)

V = volume air yang diuapkan (liter)

c. Menghitung laju aliran uap dengan persamaan:

𝑚 𝑢 = 𝑚𝑎

𝑡………………………………………………….( 7 )

Dimana :

𝑚 𝑢 = laju alir uap (kg/jam)

𝑚𝑎 = masa air (kg)

t = waktu (jam)

d. Menghitung laju aliran bahan bakar dengan persamaan :

𝑚 𝑏𝑏 = 𝑚𝑏𝑏

𝑡…………………………………………………( 8 )

Dimana :

𝑚 𝑏𝑏 = lajur alir bahan bakar (kg/jam)

𝑚𝑏𝑏 = masa bahan bakar (kg)

𝑡 = waktu (jam)

e. Menghitung nilai kalor tertinggi highest heating value ( HHV ) pada

cangkang dengan persamaan :

HHV = 33.950 x ( C ) + 144.200 ( H2 - 𝑂2

8 )+ 9.400 ( S )….( 9 )

Dimana :

HHV = Highest Heating Value ( kj/kg )

C = Unsur Carbon cangkang ( % )

H2 = Unsur Hidrogen cangkang (% )

O2 = Unsur Oksigen cangkang ( % )

S = Unsur Sulfurcangkang ( % )

23

f. Nilai kalor terendah Lowest heating value (LHV) pada cangkang dengan

persamaan :

LHV = HHV - 2400 ( H2O + 9 ( H

2 )………………….( 10 )

Dimana :

LHV = Lowest Heating Value (kj/kg)

HHV = Highest Heaving Value (kj/kg)

H2O = Unsur Hidrodioksida ( % )

H2 = Unsur Hidrogen ( % )

2. Metode tak Langsung

Efisiensi merupakan perbedaan antara kehilangan danenergi yang masuk

metode ini dapat dievaluasi dengan persamaan :

(n) = 100 - (i + ii + iii + iv + v + vi + vii)……………...( 11 )

Dimana kehilangan yang terjadi dalamboiler adalah kehilangan panas

yang diakibatkan oleh:

a. Gas cerobong yang kering

b. Penguapan air yang terbentuk karena 𝐻2 dalam bahan bakar

c. Penguapan kadar air dalam bahan bakar

d. Adanya kadar air dalam pembakaran

e. Bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu terbang (fly ash)

f. Bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu bawah (bottom ash)

g. Radiasi dan kehilangan lain yang tak terhitung

24

Data yang diperlukan untuk perhitungan efisiensi boiler secara tifak

langsung adalah :

a. Analisis ultimate bahan bakar (H2O

2, S, C, kadar air, kadar abu)

b. Persentase O2 atau CO

2 dalam gas buang

c. Suhu gas buang dalam °C (Tf)

d. Suhu ambient (Ta) dan kelembaban udara dalam kg/kg udara kering

LHV bahan bakar dalam kkal/kg

e. Persentase bahan yang dapat terbakar dalam abu (untuk bahan bakar

padat)

f. GCV abu dalam kkal/kg (untuk bahan bakar padat)

Prosedur perhitungan efisiensi boiler metode tidak langsung adalahsebagai

berikut:

Tahap 1: Menghitung kebutuhan udarateoritis

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

Tahap 2: Menghitung persentasi kelebihan udara yang dipasok (EA) dengan

persamaan :

EA = % 𝑂2×1𝑂𝑂

(21− % 𝑂2)………….………………….……..( 12 )

Dimana :

EA = Kelebihan udara yang dipasok ( % )

𝑂2 = Unsur 𝑂2( % )

25

Tahap 3: Menghitung massa udarasebenarnya yang dipasok/ kg bahanbakar

dengan persamaan :

AAS = {1 + EA/100} x udara teoritis…….……….( 13 )

Dimana :

AAS = Massa udara yang dipasok sebenarnya (kg udara/kg bahan bakar)

EA = Udara berlebih yang dipasok ( % )

Tahap 4: Memperkirakan seluruhkehilangan panas

i. Persentase kehilangan panas yang diakibatkan oeh gas buang yang kering

dengan persamaan :

Qgbk= 𝑚 × 𝐶𝑝× (𝑇𝑓−𝑇𝑎 )×100

𝐺𝐶𝑉 𝑏𝑎𝑕𝑎𝑛 𝑏𝑎𝑘𝑎𝑟………………………………( 14 )

Dimana :

Qgbk = kehilangan panas gas buang kering ( % )

m = ( massa hasil 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 steam lewat jenuh / superheated steam ( kj/kg )

Tf = Temperature fluida ( °C )

Ta = Temperature air ( °C )

GCV = Gross Calorific Value ( kj/kg )

26

ii.Persen kehilangan panas karena adanya penguapan air yang terbentuk karena

adanya H2 dalam bahan bakar dengan persamaan :

Qpa = 9 × 𝐻2 584 + 𝐶𝑝 𝑇𝑓−𝑇𝑎 ×100

𝐺𝐶𝑉 𝑏𝑎𝑕𝑎𝑛 𝑏𝑎𝑘𝑎𝑟………………………( 15 )

Dimana :

Qpa = Kehilangan panas penguapan air ( % )

𝐻2 = Persen 𝐻2 dalam 1 kg bahan bakar ( % )

Cp = Panas jenis steam lewat jenuh / superheated steam ( kj/kg )

Tf = Temperature fluida ( °C )

Ta = Temperature air ( °C )

GCV = Gross Calorific Value ( kj/kg )

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

dengan persamaan :

q kabb= 𝑀 584 + 𝐶𝑝 𝑇𝑓−𝑇𝑎 ×100

𝐺𝐶𝑉 𝑏𝑎𝑕𝑎𝑛 𝑏𝑎𝑘𝑎𝑟…………………….. ( 16)

Dimana :

Qkabb = kehilangan panas kadar air bahan bakar ( % )

M = Persen kadar air dalam 1kg bahan bakar ( % )

Cp = Panas jenis steam lewat jenuh / superheated steam ( kj/kg )

Tf = Temperature fluida ( °C )

Ta = Temperature air ( °C )

GCV = Gross Calorific Value ( kj/kg )

27

iv.Persen kehilangan panas karena kadar air dalam udara dengan persamaan :

Q kadu = 𝐴𝑆𝑆 ×𝑘𝑒𝑙𝑒𝑚𝑏𝑎𝑏𝑎𝑛 × 𝑇𝑓−𝑇𝑎 ×100

𝐺𝐶𝑉 𝑏𝑎𝑕𝑎𝑛 𝑏𝑎𝑘𝑎𝑟……………………….(17 )

Dimana :

Qkadu = Kehilangan panas kadar air dalam udara ( % )

ASS = Massa udara dipasok sebenarnya ( kg udara/kg bahan bakar )

Tf = Temperature fluida ( °C )

Ta = Temperature air ( °C )

GCV = Gross Calorific Value ( kj/kg )

v.Persen kehilangan panas karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu

terbang ( fly ash ) dengan persamaan :

Qfa = 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑎𝑏𝑢 ÷𝑘𝑔𝑏𝑎 𝑕𝑎𝑛𝑏𝑎𝑘𝑎𝑟 ×𝐺𝑉𝐶𝑎𝑏𝑢𝑎𝑡𝑎𝑠 × 100

𝐺𝑉𝐶𝑏𝑎 𝑕𝑎𝑛𝑏𝑎𝑘𝑎𝑟……….….( 18 )

Dimana :

Qfa = kehilangan panas fly ash ( % )

GCV = Gross Calorific Value ( kj/kg )

vi.Persen kehilangan panas karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu

bawah ( bottom ash ) dengan persamaan :

Qba = 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑎𝑏𝑢 ÷𝑘𝑔𝑏𝑎 𝑕𝑎𝑛𝑏𝑎𝑘𝑎𝑟 ×𝐺𝑉𝐶𝑎𝑏𝑢𝑏𝑎𝑤𝑎 𝑕× 100

𝐺𝑉𝐶𝑏𝑎 𝑕𝑎𝑛𝑏𝑎𝑘𝑎𝑟…………….( 19 )

Dimana :

Qba = kehilangan panas bottom ash ( % )

GCV = Gross Calorific Value ( kj/kg )

28

vii. Persen kehilangan panas karena radiasi dan kehilangan panas yang tidak

terhitung

Tahap 5 : Menghitung efisiensi boiler dan rasio penguapan boiler

Dihitung juga rasio penguapan yaitu kg steam yang dihasilkan per kg

bahan bakar yang digunakan.

Keuntungan metode tidak langsung

a. Dapat diketahui neraca bahan dan energi yang lengkap untuk setiap aliran,

yang dapat memudahkan dalam mengidentifikasi opsi-opsi untuk

meningkatkan efisiensi boiler.

Kerugian metode tidak langsung

a. Perlu waktu lama.

b. Memerlukan fasilitas laboratorium lengkap untuk analisis (Agung, 2007)