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.

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)

BOILER

Bahan bakar

Panas dalam steam

Kehilangan panas karena radiasi dan kehilangan yang tidak terhitung

Kehilangan panas karena kandungan air dalam udara

Kehilangan panas karena bahan yang tidak terbakar dalam residu

Kehilangan panas karena kandungan air dalam bahan bakar

Kehilangan panas karena steam dalam gas buang

Kehilangan panas karana gas buang kering

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 → S O2

Untuk pembakaran belerang diperlukan

32 kgO2

32 kgS→

1 kgO2

kgS

Dalam pembakaran belerang dihasilkan SO2 sebanyak:

64 kgSO 2

32 kgS→

2 kgO2

kgS

2. Zat Karbon terbakar menurut:

C+O2→ C O2

12 kgC+32 kgO2→ 44 kgC O2

Dalam pembakaran karbon diperlukan:

32 kgO2

32 kgC→

2,66 kgO2

kgC

Dalam pembakaran karbon dihasilkan CO2 sebesar:

44 kgC O2

12 kgC→

3,66 kgC O2

kgC

3. Hidrogen terbakar menurut:

H 2+12

O2→ H 2O

2 kg H 2+16 kgO2 →18 kg H 2O

Maka:

16 kgO2

2 kg H 2

→8kgO 2

kg H 2

Pembakaran H2 menghasilkan H2O sebanyak:

18 kg H 2O

2kg H 2

→9 kg H 2 O

kg H 2

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 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:

b. 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 . A

M sr

× 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 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=M m .(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=9 H y(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=U s . M v .0,6(t g−t a)……………………………………………(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=CO

CO2+CO×10160 C1……………………………………………(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=14540 M r Cr

M bb

……………………………………………….............(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=G s .C p ( t g−t a )………………………………………………....(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¿=

Qn

LHV×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 total )

LHV×100 %

= 100 %−(Q1+Q 2+Q3+Q 4+Q5+Q6+Q7)……………………..(4.7)

(w. Culp, Archie. Jr.1989:211)

4.8 Rumus Perhitungan Kapasitas Produksi Ketel Uap (Mu)

Dirumuskan dengan:

M u=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 masuk

x 100%.......................................(4.9a)

Efisiensi Boiler () = Q(hg−h f )q× LHV

x 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×C p ×(T f−T a)×100

LHV

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 × H 2× {584+Cp (T f −T a )}×100

LHV

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+C p(T f −T a)×100

LHV

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 kelembabanxC p (T f −T a)}× 100

LHV

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

¿ Totalabu per kgbahan bakar yang terbakar ×GCV abuterbang × 100LHV

Persen kehilangan panas karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu

bawah/ bottom ash

¿ Totalabu terkumpul per kgbahan 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.