Page 1
BAB V
Dasar T or P h tungan Efi n Boi
4.1 N aca Pana
Prose pembakaran da am boi e dapa digambarkan da am bentuk diagram
a energi D agram ni menggambarkan ecara grafi entang baga mana energi
ma uk dari bahan baka diubah menjadi a ran energi dengan berbaga kegunaan dan
menjadi a ran kehi angan pana dan energi Panah eba menunjukan um ah energi
yang dikandung da am a ran ma ngma ng.
Gamba 4.1 diagram neraca energi boi e
Neraca pana merupakan ke e mbangan energi ota yang ma uk boi e
I
e i er i sie si ler
er s
s l l r t l
lir . i i s s t i
s r li i
li l s . t l j l
l li si si
r l r
s s i t l s l r
terhadap yang meninggalkan boiler dalam bentuk yang berbeda. Gambar berikut
memberikan gambaran berbagai kehilangan yang terjadi untuk pembangkitan steam.
Page 2
Kehilangan panas karana gas
Bahan bakar
BOILER
Kehilangan panas karena steam dalam gas
Kehilangan panas karena kandungan air dalambahan
Kehilangan panas karena bahan yang tidak terbakardalam
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
Page 3
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
Page 4
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:
Page 5
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:
Page 6
4.5 Karbon Yang Tidak Terbakar
– 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 masing-
masing 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%
Page 7
4.6 Karbon Aktual Yang Habis Terbakar (Ct)
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
Page 8
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 kerugian-
kerugian 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:
Page 9
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.
Page 10
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)
Page 11
Dirumuskan dengan:
Mu=Qair.ρair.F…………………………………………………….(4.8)
Dimana:
Qair = debit air (m3/jam)
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 ( ) = panas keluarpanas masukx
100%.......................................(4.9a)
Efisiensi Boiler ( ) = 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
Page 12
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
Page 13
– 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
Page 14
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
kkal/kg)
Dimana, Cp = panas jenis steam lewat jenuh/superheated steam (0,45
➢ 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.
Page 15
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.