SISTEM PEMBANGKIT UAP(BOILER)

Hand Out Kuliah

ITK-423 UTILITAS

(Oleh : Antonius D.A. Feryanto)

JURUSAN TEKNIK KIMIA - ITENAS

Tujuan Pembelajaran Khusus (TPK)

Mahasiswa mampu menjelaskan prinsip-prinsip sistem pembangkit uap sebagai unit penyedia energi termal

BOILER

Rangkaian peralatan untuk mengubah energi kimia dalam bahan bakar menjadi energi termal atau panas laten dalam uap.

Air

Kukus (energi termal)

Gas cerobong

Bahan bakar(energi kimia)

Udara pembakaran

Proses-proses

perpindahan panas

Sub-sub peralatan pada boiler • Peralatan untuk menangani udara pembakaran fan, air filter, air dryer.• Peralatan untuk menangani bahan bakar penyerbuk, hopper, coal dryer, fuel pump• Peralatan untuk penyediaan Boiler Feed Water (BFW) demineraliser, water softener, deaerator, regulator, BFW pump• Pembakar (burner) dan tungku (furnace)• Peralatan untuk perpindahan panas

- primer : superheater, reheater, evaporator- sekunder : economizer, air-preheater

• Peralatan untuk mengendalikan emisi gas buang electronic precipitator, stack.

Kegunaan UAP/KUKUS (STEAM) dalam industri proses

• Fluida panas Heat Exchanger untuk menaikkan temperatur aliran.

• Fluida panas pada reboiler di kolom distilasi.• Fluida panas pada coil heater atau jacketed

heater , misalnya dalam pemanas tangki berpengaduk, reaktor endotermik, gas-liquid separator (flash), evaporator.

• Penggerak turbin uap untuk menghasilkan energi mekanik.

• Reaksi kimia reformasi kukus hidrokarbon (Steam reforming), hidrolisis, gasifikasi

Jenis Boiler (berdasarkan fungsinya)

• Utility Steam Generator untuk keperluan pembangkit energi listrik.

1. Supercritical water drum type, tekanan bisa lebih dari 240 bar (di atas tekanan kritik air)

2. Subcritical water drum type, tekanan 130 – 180 bar.Bahan bakar = batubara, BBM, BBGKapasitas = besar (1 – 10 juta lbm/jam)

(125 – 1250 kg/s)Listrik yang dibangkitkan = 125 – 1300 MW

• Industrial Steam Generator untuk keperluan industriTekanan = dari tekanan kecil – 105 barKapasitas = dari beberapa ratus – 1 juta lbm/jamBahan bakar = batubara (serbuk, gumpalan), BBM, BBG, kombinasi ketiganya, kadang-kadang menggunakan listrik.

Jenis Boiler (berdasarkan posisi aliran air/uap di dalamnya)

• Fire Tube Boiler (boiler buluh api)- sederhana, murah, mudah dikonstruksi- gas panas/api masuk melalui buluh-buluh pipa yang memanaskan air.- kapasitas kecil, dari beberapa ratus – 50.000 lbm/jam- menghasilkan uap jenuh (saturated)- tekanan uap maksimal 18 bar.

• Water Tube Boiler (boiler buluh air)- Kapasitas besar, hingga mencapai 3000 ton/jam- uap/air mengalir di dalam buluh-buluh pipa- tekanan uap tinggi hingga mencapai 350 bar- banyak diaplikasikan untuk pembangkit listrik tenaga uap

FIRE TUBE BOILER

WATER TUBE BOILER

Sistem Sirkulasi Air (pada water tube boiler)

• Water tube boiler terdiri atas komponen dasar

- Steam drum (drum uap)

- Mud drum (drum lumpur)

- Buluh-buluh aliran turun (downcomer)

- Buluh-buluh aliran naik (riser)

Sistem Sirkulasi Alamiahec

onom

izer

evap

orat

or

superheaterSteam drum

BFW

Superheatedsteam

Air mengalir dari steam drum ke mud drum lalu evaporator tanpa bantuan pompa. Air dapat mengalir karena adanya perbedaan Berat jenis. Semakin tinggi temperatur air (mendekati zona penguapan), maka berat jenisnya semakin ringan sehingga air di steam drum/downcomer yang densitasnya lebih besar akan mengalir secara alamiah menuju zona dimana kerapatannya lebih rendah. Driving force = perbedaan densitas

Sistem Sirkulasi Paksa

pompa

Air mengalir dari steam drum ke mud drum lalu evaporator dibantu oleh pompa.Pada tekanan yang tinggi, perbedaan densitas karena perbedaan temperatur menjadi tidak signifikan.Selain itu pula terdapat tahanan-tahanan gesek, sehingga driving force ini tidak cukup untuk mengalirkan air, oleh sebab itu dibutuhkan bantuan pompa.Kapasitas 130 – 3000 ton/jamTekanan kukus 115 – 165 bar

econ

omiz

er

evap

orat

or

superheaterSteam drum

BFW

Superheatedsteam

pompa

Sistem Tanpa Sirkulasi (Once-through)

Seluruh air dapat diuapkan tanpa sirkulasi internal dan dapat beroperasi pada tekana relatif tinggi.Kapasitas 130 – 4500 ton/jamTekanan kukus hingga 240 barMemerlukan air umpan yang sangat murni.

economizer

evap

orat

orsuperheater

BFW

Superheatedsteam

Perpindahan Panas pada Boiler (primer)

• Pipa-pipa evaporasi / riser- diletakkan di bagian terpanas, dekat dengan zona/sumber pembakaran- menerima panas secara konveksi dari gas panas pembakaran serta radiasi dari nyala api.

• Superheater- terdiri dari tube-tube- untuk mentransfer panas ke uap jenuh agar suhunya naik (superheated steam).- sumber panas berasal dari gas hasil pembakaran.

• Reheater- untuk memanaskan kembali uap yang keluar dari turbin tekanan tinggi sehingga mendapatkan panas lanjut sebelum masuk ke turbin tekanan rendah.- sumber panas berasal dari gas hasil pembakaran.- bentuk dan mekanimenya sama seperti superheater.

Perpindahan Panas pada Boiler (sekunder)

• Economizer- untuk memindahkan panas dari gas buang ke BFW.- berbentuk counter-current HE- setiap kenaikan 6 – 7oC BFW dalam economizer, efisiensi boiler naik 1%.

• Air-preheater- memindahkan dari gas buang ke udara pembakar sehingga udara pembakar masuk burner sudah lebih panas

Rekuperatif air-preheaterRegenerative air-preheater

Gambar Boiler

Diagram perjalanan gas pembakaran di water tube boiler

Evaporator / riser

superheater Reheater

EconomizerAir-preheater

BURNER

Ke STACK lalu dibuang ke atmosfer

BOILER CONTROL

• Pengendalian dasar- Feed water dan drum level control- Steam pressure control- Steam temperature control

Drum level sensor

Feedwater flow sensor

Steam flow sensor

Trimming signal

CO

NT

RO

LLER

Control valve

FeedWater

SteamDrum

Normal water level

Steam

Draft SystemAxial fan

Aliran paksa > Forced-draft fan (fd-fan)

memompakan udara pembakar ke dapur pembakaran

Aliran pancingan > Induced-draft fan (id-fan)

menarik udara hasil pembakaran ke cerobong

m

PQP

P

RTQ Mr

m

Contoh 4.1 hal. 173 - 177

Soal 4.2

Sebuah stasiun daya penyalaan gas 600 MWe membakar gas alam Louisiana (HHV=35,13 kJ/L pada 1 atm & 20oC; 78,8% CH4, 9,5%C2H4, 0,3%O2, 11,3%N2, dan 0,1%CO2). Laju panas instalasi tersebut adalah 9400 Btuth/kWe.jam. Analisis orsat gas asap menghasilkan: 9,09% CO2, 4,11% O2, dan 0,58% CO. Hitung:

- Perbandingan udara/bahan bakar dalam L/L dan kg/kg- Persentase kelebihan udaraBila sistem ini menggunakan dua fan aliran paksa yang

dirancang untruk memompakan udara bersuhu 50oC dan tekanan 0,92 atm dengan delta P 112 mbar dan efisiensi 80%, hitung daya kuda masing-masing fan

Perkirakan titik embun gas buang bila ia keluar pada tekanan 1 bar.

Soal 4.3

Sebuah pembangkit daya 400 MWe (efisiesi termis 37%) membakar batubara clay county, Mo., yang mempunyai fraksi kebasahan 0,12 dan fraksi abu 0,10. Analisis lubang buangan menunjukkan nilai pembakaran 582 kJ/kg buangan. Analisis orsat gas asap menunjukkan 14,91%CO2, 3,67% O2, dan 0,15% CO. Hitunglah:

a. Laju konsumsi batubara dalam ton/jamb. Koefisien pengenceran dan persen kelebihan udarac. Kapasitas fan f-d dalam ft3/menit dan kg/menit jika

kondisi atmosfer adalah ooC dan 0,92 bar.d. Kapasitas fan i-d, dalam ft3/menit dan kg/menit bila gas

buang bersuhu 260oC dan dekanan 0,85 bare. Ukuran motor dalam kW yang diperlukan untuk

mengerakkan fan-fan pada c dan d bila delta P = 50 mbar.

Rugi-rugi pada Boiler• DGL (Dry Gases Losses)

Rugi-rugi yang panas terbawa sebagai panas sensibel gas buang.

• ML (Moisture Losses)Rugi-rugi akibat panas yang terkandung dalam uap air di gas buang.

• MCAL (Moisture Combustion Air Losses)Rugi-rugi akibat panas yang terkandung dalam uap air dalam udara pembakaran.

)( reffgfgfg TTxxCpmDGL Mfg = laju alir massa gas cerobongCpfg = kapasitas panas gas cerobongTfg = temperatur gas cerobongTref = temperatur referensi

)( )9( air reffguap -TTxxCpMHML H = fraksi hidrogenM = kadar air dalam bahan bakarCpuap = kapasitas panas uap airTfg = temperatur gas cerobongTref = temperatur referensi

BIASANYA DIABAIKAN dengan ASUMSI UDARA yang digunakan Untuk proses pembakaran KERING !!

• ICL (Incomplete Combustion Losses)Rugi-rugi akibat pembakaran tak sempurna (terutama karena terbentuknya gas CO)

• UCL (Uncombustion Carbon Losses)Rugi-rugi akibat sebagian karbon dalam bahan bakar tidak terbakar.

• RUL (Radiation and Un-accounted Losses)Rugi-rugi akibat adanya panas yang lolos lewat dinding boiler

COfg xHVxOxNxCOxCO

xCOxmICL

)232()228()28()244(

28

Carbonrtakterbaka xHVCUCL

HVCO = nilai kalor CO (kJ/kg)

HVC = nilai kalor karbon (kJ/kg)

Biasanya 3 – 5% dari energi masuk

EFISIENSI BOILER

• Metode input-output

• Metode ASME

%100bakarbahan dalam kimia energi

uapan menghasilkuntuk dipakai yang panasxboiler

%100) uap x

xHHVm

hx (hm

bahanbakarbhnbakar

BFWuapboiler

%100

panas rugi-rugijumlah x

xLHVm

xLHVm

bhnbakar

bhnbakarboiler

Contoh Soal :

1000 kg/jam batubara dengan nilai kalor 30000 kJ/kg dibakar dalam sebuah tungku pembakaran boiler untuk menghasilkan uap jenuh 6 bar. Jika diketahui efisiensi boiler 75%, tentukan jumlah uap yang dihasilkan oleh boiler ini (dalam kg/jam). (Entalphi BFW 420 kJ/kg).

Contoh Soal :Sebuah boiler tua menggunakan bahan bakar batubara. Analisis batubara tersebut menunjukkan hasil sebagai berikut:

C = 57,7% N = 1% H = 3,7% S = 3,3% A = 16,5% M = 12% O = 5,8% HHV = 26000 Btu/lb

Diketahui : HHV C = 32778 kJ/kg HHV CO = 10110 kJ/kgCp rata-rata CO2 = 1,216 kJ/kg oC Cp rata-rata CO = 1,175 kJ/kg oCCp rata-rata H2O (uap) = 2,089 kJ/kg oC Cp rata-rata O2 = 1,016 kJ/kg oC Cp rata-rata N2 = 1,175 kJ/kg oC air = 2400 kJ/kg

Sementara itu, flue gas analysis memberikan hasil : CO2=13% CO=1% O2=7% dan N2=79%.

Komposisi C dalam sisa pembakaran sebesar 20% dan temperatur gas buang 200oC. Rugi-rugi karena radiasi diperkirakan 3% dan udara pembakaran dianggap tidak mengandung air. Hitunglah efisiensi boiler tersebut?

Soal 4.4Pada waktu percobaan sebuah ketel Babcock & Wilcox 510 hp,

diperoleh data-data berikut:Laju batubara = 995,8 kg/jamLaju buangan = 185,4 kg/jamPersen bahan dapat terbakar dalam buangan = 22,84%Analisis ultimate bahan bakar: C=60,31 H=4,06 O=6,71 N=1,13

S=5,23 A=22,56Analisis orsat gas buang: 10,58% CO2 8,41%O2 dan 0,23%COHitung:(a) efisiensi ketel bila 1 daya kuda ketel adalah 33.500 Btu/jam(b) Persen kelebihan udara© massa flyash yang keluar melalui cerobong asam dalam

kg/jam