BAB IV Dasar Teori Perhitungan Efisiensi Boiler
4.1 Neraca Panas Proses pembakaran dalam boiler dapat digambarkan dalam bentuk diagram alir energi. Diagram ini menggambarkan secara grafis tentang bagaimana energi masuk dari bahan bakar diubah menjadi aliran energi dengan berbagai kegunaan dan menjadi aliran kehilangan panas dan energi. Panah tebal menunjukan jumlah energi yang dikandung dalam aliran masingmasing.
Gambar 4.1 diagram neraca energi boiler Neraca panas merupakan keseimbangan energi total yang masuk boiler terhadap yang meninggalkan boiler dalam bentuk yang berbeda. Gambar berikut memberikan gambaran berbagai kehilangan yang terjadi untuk pembangkitan steam.
Kehilangan panas karana gas
Kehilangan panas karena steam dalam gas
BOILER Bahan bakar
Kehilangan panas karena kandungan air dalam bahan bakar Kehilangan panas karena bahan yang tidak terbakar dalam residu Kehilangan panas karena kandungan air dalam udara
Kehilangan panas karena radiasi dan kehilangan yang tidak terhitung Panas dalam steam
Gambar 4.2 rugi-rugi pada boiler Kehilangan energi dapat dibagi kedalam kehilangan yang tidak dapat dihindarkan dan kehilangan yang dapat dihindarkan. Tujuan dari pengkajian energi adalah agar rugi-rugi/kehilangan dapat dihindari, sehingga dapat meningkatkan efisiensi energi. Rugi-rugi yang dapat diminimalisasi antara lain: Kehilangan gas cerobong: –
Udara berlebih (diturunkan hingga ke nilai minimum yang tergantung dari teknologi burner, operasi (kontrol), dan pemeliharaan).
–
Suhu gas cerobong (diturunkan dengan mengoptimalkan perawatan (pembersihan), beban; burner yang lebih baik dan teknologi boiler).
Kehilangan karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam cerobong dan abu (mengoptimalkan operasi dan pemeliharaan; teknologi burner yang lebih baik).
Kehilangan dari blowdown (pengolahan air umpan segar, daur ulang kondensat)
Kehilangan kondensat (manfaatkan sebanyak mungkin kondensat) Kehilangan konveksi dan radiasi (dikurangi dengan isolasi boiler yang lebih baik) 4.2 Nilai Pembakaran Bahan Bakar
Bahan bakar adalah zat kimia yang apabila direaksikan dengan oksigen (02) akan menghasilkan sejumlah kalor. Bahan bakar dapat berwujud gas, cair, maupun padat. Selain itu, bahan bakar merupakan suatu senyawa yang tersusun atas beberapa unsur seperti karbon (C), hidrogen (H), belerang (S), dan nitrogen (N). Kualitas bahan bakar ditentukan oleh kemampuan bahan bakar untuk menghasilkan energi. Kemampuan bahan bakar untuk menghasilkan energi ini sangat ditentukan oleh 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. Dikenal dua jenis pembakaran (ESM, Tambunan, Fajar H Karo 1984:33), yaitu: 1. Nilai Kalor Pembakaran Tinggi Nilai kalor pembakaran tinggi atau juga dikenal dengan istilah High Heating Value (HHV) adalah nilai pembakaran dimana panas pengembunan air dari proses pembakaran ikut diperhitungkan sebagai panas dari proses pembakaran. Dirumuskan dengan: HHV = 7986C + 33575(H - O/8) + 2190S…………………………(4.1a) 2. Nilai Kalor Pembakaran Rendah Nilai kalor pembakaran rendah atau juga dikenal dengan istilah 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)……………………………………...(4.1b) Dimana Mm merupakan kelembaban bahan bakar.
4.3 Kebutuhan Udara Pembakaran
Pembakaran adalah proses persenyawaan bagian dari bahan bakar dengan O2 dengan disertai kalor. Pembakaran akan terjadi jika titik nyala telah dicapai oleh campuran bahan bakar dengan udara. Di dalam teknik pembakaran diperlukan jumlah udara yang memadai (udara berlebih) sehingga pembakaran yang terjadi akan sempurna. Untuk mengetahui jumlah keperluan udara pada proses pembakaran harus diketahui kandungan O2 dalam udara. Komposisi unsur-unsur yang terkandung dalam udara menurut satuan berat (buku STEAM it’s generation and use, Babcok and Willcox, table 4 hal 9-5) adalah: –
02 sebanyak 23%
–
N2 sebanyak 77%
Reaksi pembakaran yang terjadi dapat dinyatakan dalam satu satuan berat molekul. Maka reaksi pembakaran dari unsur-unsur bahan bakar adalah sebagai berikut: 1. Zat Belerang terbakar menurut: S+O2→SO2
Untuk pembakaran belerang diperlukan 32kgO232kgS→1kgO2kgS
Dalam pembakaran belerang dihasilkan SO2 sebanyak: 64kgSO232kgS→2kgO2kgS
2. Zat Karbon terbakar menurut: C+O2→CO2 12kgC+32kgO2→44kgCO2
Dalam pembakaran karbon diperlukan: 32kgO232kgC→2,66kgO2kgC
Dalam pembakaran karbon dihasilkan CO2 sebesar:
44kgCO212kgC→3,66kgCO2kgC
3. Hidrogen terbakar menurut: H2+12O2→H2O 2kgH2+16kgO2→18kgH2O
Maka: 16kgO22kgH2→8kgO2kgH2
Pembakaran H2 menghasilkan H2O sebanyak: 18kgH2O2kgH2→9kgH2OkgH2
Kebutuhan udara pembakaran didefinisikan sebagai kebutuhan oksigen yang diperlukan untuk pembakaran 1 kg bahan bakar secara sempurna (ESM. Tambunan, Fajar H karo 1984:34), yang meliputi: a. Kebutuhan udara teoritis (Ut):
Ut = 11,5C + 34,5(H – O/8) + 4,32 S (kg/kgBB)……………………(4.2a) b. Kebutuhan udara pembakaran sebenarnya/aktual (Us):
Us = Ut (1+α) (kg/kgBB)…………………………………………….(4.2b)
4.4 Gas Asap Reaksi pembakaran akan menghasilkan gas baru, udara lebih dari sejumlah energi. Senyawa-senyawa yang merupakan hasil dari reaksi pembakaran disebut gas asap. (ESM. Tambunan, Fajar H karo 1984:34) a. Berat gas asap teoriti (Gt) Gt = Ut + (1 – A)(kg/kgBB)………………………………………..(4.3a) Dimana A = kandungan abu dalam bahan bakar (ash) Gas asap yang terjadi terdiri dari:
–
Hasil reaksi atas pembakaran unsur-unsur 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 CO2 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, Pesawat-pesawat 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 perhitungan di atas maka akan didapatkan jumlah gas asap: Berat gas asap (Gs) = W CO2 + W SO2 + W H2O + W N2 + W O2 Atau: a. Berat gas asap sebenarnya (Gs) Gs = Us + (1 – A) (kg/kg BB)………………………………………(4.3b) Untuk menentukan komposisi dari gas asap didapatkan: Kadar gas = (W gas tersebut / W total gas) x 100%
4.5 Karbon Yang Tidak Terbakar
Dari proses pembakaran selama terbentuk gas-gas asap, juga akan terbentuk solid refuse (Msr) dimana solid refuse ini terdiri dari abu refuse (Ar), dan karbon refuse (Cr). (ESM. Tambunan, Fajar H karo 1984:35) Persamaannya adalah: mbb + Us = Gs + Msr………………………………………...…(4.4a) sedangkan dari perhitungan refuse didapatkan persamaan: Msr . Ar = mbb . A Atau Ar=mbb.AMsr×100%....................................................................(4.4b)
Maka karbon yang tidak terbakar dalam terak (Cr) adalah: Cr = 100% - Ar…………………………………………………(4.4c) Sehingga massa refuse (Mr) yang terjadi tiap jamnya adalah: Mr = Cr.mbb (kg/jam)…………………………………………..(4.4d) Dimana: mbb =
massa bahan bakar
Us
=
massa udara pembakaran sebenarnya (kg/kgBB)
Gs
=
berat gas asap sebenarnya (kg/kgBB)
Msr =
massa solid refuse (kg/kgBB)
Ar
prosentase solid refuse dalam abu
A
=
=
prosentase abu dalam bahan bakar
4.6 Karbon Aktual Yang Habis Terbakar (Ct)
Panas yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar dalam dapur ketel tidaklah seluruhnya digunakan untuk membentuk uap, karena sebagian panas tersebut ada yang hilang. (ESM. Tambunan, Fajar H karo 1984:35). Panas yang hilang dari pembakaran bahan bakar dalam dapur ketel merupakan kerugiankerugian kalor yang diantaranya adalah sebagai berikut: a. Kerugian kalor karena bahan bakar (Q1)
Kerugian ini disebabkan karena adanya kandungan air dalam bahan bakar, dimana besarnya dapat dirumuskan sebagai berikut: Q1=Mm.(hg-hf)………………………………………………….(4.6a)
Dimana: Q1
= kerugian kalor karena kelembaban bahan bakar (btu/lb BB)
Mm
= prosentase kelembaban bahan bakar
hg
= entalpi uap super panas pada temperatur gas buang (btu/lb)
hf
= entalpi pada temperatur udara ruang (btu/lb)
b. Kerugian kalor karena hidrogen (H) yang terdapat dalam bahan bakar (Q2)
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 dirumuskan dengan: Q2=9Hy(hg-hf)………………………………………………….(4.6b)
Dimana Hy = prosentase hidrogen dalam bahan bakar. c. Kerugian kalor untuk menguapkan air yang terdapat dalam udara pembakaran
(Q3) Karena udara yang masuk ke dalam ruangan pembakaran tidak 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:
Q3=Us.Mv.0,6(tg-ta)……………………………………………(4.6c)
Dimana: Us
= berat udara pembakaran sebenarnya (lb/lb BB)
Mv
= prosentase penguapan udara masuk dapur dikalikan dengan nilai kelembaban udara pada temperatur ruang.
tg
= temperatur gas buang (0F)
ta
= temperatur ruang (0F)
d. Kerugian kalor karena pembakaran yang tidak sempurna (Q4)
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 pembakaran yang tidak sempurna ini dirumuskan dengan: Q4=COCO2+CO×10160C1……………………………………………(4.6d)
Dimana: CO
= prosentase gas CO dalam asap
CO2
= prosentase gas CO2 dalam asap
C1
= karbon actual yang habis terbakar (lb/lb BB)
e. Kerugian kalor karena terdapat unsur karbon yang tidak ikut terbakar dalam sisa
pembakaran (Q5) Kerugian ini dapat dirumuskan dengan: Q5=14540MrCrMbb……………………………………………….............
(4.6e) Dimana: Mr
= massa refuse (lb/jam)
Cr
= prosentase karbon yang tidak terbakar dalam refuse
Mbb
= laju aliran massa bahan bakar (lb/jam)
f. Kerugian cerobong (Q6)
Kerugian cerobong ini disebabkan oleh gas asap yang meninggalkan cerobong masih mengandung energi tinggi.
Kerugian cerobong dirumuskan dengan: Q6=Gs.Cptg-ta………………………………………………....(4.6f)
Dimana: Gs
= berat gas asap sebenarnya (kg/kg)
tg
= temperatur gas buang (0K)
ta
= temperatur udara ruang (0K)
Cp
= panas jenis rata-rata dari gas asap (kJ/kg0K)
g. Kerugian kalor karena radiasi dan lain-lain (Q7)
Terjadi akibat penghantaran dan pemancaran panas dari peralatan ketel, misalnya pada badan ketel dan lain-lain. Besarnya kerugian ini dirumuskan dengan: Q7=4%.LHV…………………………………………………….…(4.6g)
Apabila rugi-rugi kalor tersebut di atas dinyatakan dalam prosentase, maka persamaannya adalah sebagai berikut: Qn*=QnLHV×100%................................................................................(4.6h)
Dimana Qn merupakan rugi-rugi kalor dari Q1 sampai Q7
4.7 Rumus Perhitungan Efisiensi Ketel Uap Dengan diketahuinya kerugian-kerugian kalor dari hasil pembakaran pada suatu ketel, maka dapat dihitung efisiensi dari ketel tersebut, yang besarnya dirumuskan: η = LHV-rugi2 totalLHV×100% = 100%-(Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7)……………………..(4.7) (w. Culp, Archie. Jr.1989:211)
4.8 Rumus Perhitungan Kapasitas Produksi Ketel Uap (Mu)
Dirumuskan dengan: Mu=Qair.ρair.F…………………………………………………….(4.8)
Dimana: = debit air (m3/jam)
Qair
ρair= massa jenis air (kg/m3) F = faktor koreksi terhadap kotoran dan endapan
4.9 Perhitungan Efisiensi Berdasarkan Neraca Kalor Dikenal juga sebagai ‘metode input-output’ karena kenyataan bahwa metode ini hanya memerlukan keluaran/output (steam) dan panas masuk/input (bahan bakar) untuk evaluasi efisiensi. Efisiensi ini dapat dievaluasi dengan menggunakan rumus: Efisiensi
Boiler
(η )
=
panas
keluarpanas
masukx
100%.......................................(4.9a) Efisiensi Boiler (η ) = Q(hg-hf)q×LHVx 100%............................................ (4.9b) 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 (0C), jika ada
–
Suhu air umpan (0C) Dimana:
–
hg
= Entalpi
steam jenuh dalam kkal/kg steam
–
hf = Entalpi air umpan dalam kkal/kg air
– 4.10 Rumus Perhitungan Efisiensi Boiler Menurut ASME
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. Metode tidak langsung juga dikenal dengan metode kehilangan panas. Efisiensi dapat dihitung dengan mengurangkan bagian kehilangan panas dari 100 sebagai berikut: Efisiensi boiler (n) = 100 - (i + ii + iii + iv + v + vi + vii) 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 Kehilangan yang diakibatkan oleh kadar air dalam bahan bakar dan yang
disebabkan oleh pembakaran hidrogen tergantung pada bahan bakar, dan tidak dapat dikendalikan oleh perancangan. Data yang diperlukan untuk perhitungan efisiensi boiler dengan menggunakan metode tidak langsung adalah: –
Analisis ultimate bahan bakar (H2, O2, S, C, kadar air, kadar abu)
–
Persentase oksigen atau CO2 dalam gas buang
–
Suhu gas buang dalam 0C (Tf)
–
Suhu ambien dalam 0C (Ta) dan kelembaban udara dalam kg/kg udara kering
–
Nilai kalor bahan bakar dalam kkal/kg
–
Persentase bahan yang dapat terbakar dalam abu (untuk bahan bakar padat) Prosedur rinci untuk perhitungan efisiensi boiler menggunakan metode tidak
langsung diberikan dibawah. Biasanya, manager energi di industri lebih menyukai prosedur perhitungan yang lebih sederhana.
Tahap 1: Menghitung kebutuhan udara teoritis = [(11,43 x C) + {34,5 x (H2 – O2/8)} + (4,32 x S)]/100 kg/kg bahan bakar
Tahap 2: Menghitung persen kelebihan udara yang dipasok (EA) =persen O2×100(21-persen O2)
Tahap 3: Menghitung massa udara sebenarnya yang dipasok/ kg bahan bakar (AAS) = {1 + EA/100} x udara teoritis Tahap 4: Memperkirakan seluruh kehilangan panas ➢ Persentase kehilangan panas yang diakibatkan oeh gas buang yang kering =m×Cp×(Tf-Ta)×100LHV
Dimana, m = massa gas buang kering dalam kg/kg bahan bakar 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 gas buang (kkal/kg ) ➢ Persen kehilangan panas karena penguapan air yang terbentuk karena adanya
H2 dalam bahan bakar =9×H2×584+CpTf-Ta×100LHV
Dimana,H2 = persen H2 dalam 1 kg bahan bakar
Cp = panas jenis steam lewat jenuh/superheated steam (0,45 kkal/kg) ➢ Persen kehilangan panas karena penguapan kadar air dalam bahan bakar =M{584+Cp(Tf-Ta)×100LHV
Dimana, M – persen kadar air dalam 1 kg bahan bakar Cp = panas jenis steam lewat jenuh/superheated steam (kkal/kg) ➢ Persen kehilangan panas karena kadar air dalam udara =AAS×faktor kelembabanxCp(Tf-Ta)}×100LHV
Dimana, Cp = panas jenis steam lewat jenuh/superheated steam (0,45 kkal/kg) ➢ Persen kehilangan panas karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu
terbang/ fly ash =Total
abu
per
kg
bahan
bakar
yang
terbakar×GCV
abu
terbang×100LHV ➢ Persen kehilangan panas karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu
bawah/ bottom ash =Total abu terkumpul per kg bahan bakar yang terbakar×GCV abu bawahLHV ➢ persen kehilangan panas karena radiasi dan kehilangan lain yang tidak
terhitung Kehilangan radiasi dan konveksi aktual sulit dikaji sebab daya emisifitas permukaan yang beraneka ragam, kemiringan, pola aliran udara, dll. Pada boiler yang relatif kecil, dengan kapasitas 10 MW, kehilangan radiasi dan yang tidak terhitung dapat mencapai 1 hingga 2 persen nilai kalor kotor bahan bakar, sementara pada boiler 500 MW nilainya 0,2 hingga 1 persen. Kehilangan dapat diasumsikan secara tepat tergantung pada kondisi permukaan.
Tahap 5: Menghitung efisiensi boiler dan rasio penguapan boiler Efisiensi boiler (n) = 100 - (i + ii + iii + iv + v + vi + vii) Rasio Penguapan = Panas yang digunakan untuk pembangkitan steam/ panas yang ditambahkan ke steam Rasio penguapan yaitu kilogram steam yang dihasilkan per kilogram bahan bakar yang digunakan. Contohnya adalah:
Boiler berbahan bakar batubara: 6 (yaitu 1 kg batubara dapat menghasilkan 6 kg steam)
Boiler berbahan bakar minyak: 13 (yaitu 1 kg batubara dapat menghasilkan 13 kg steam) Walau demikian, rasio penguapan akan tergantung pada jenis boiler, nilai
kalor bahan bakar dan efisiensi.
