BAB I

PENDAHULUAN

Boiler dapat didefinisikan sebagai alat yang digunakan untuk merebus air dengan

tujuan untuk memproduksi uap. Definisi ini masih sangat umum dan seiring berjalannya

waktu, para ilmuan telah banyak merumuskan pengertian boiler berdasarkan hasil penelitian

mereka. Secara sains, boiler merupakan alat yang digunakan untuk mengkonversikan

energi kimia dalam bentuk bahan bakar menjadi energi panas dalam bentuk uap. Selain itu,

ada juga yang mendefinisikan bahwa boiler mengkonversikan energi panas dalam bentuk

gas panas menjadi energi panas dalam bentuk uap. Bentuk awal dari boiler ini dikenal

sebagai ketel (pemanas air). Saat ini, boiler lebih dikenal sebagai pembangkit tenaga uap.

Industri cepat yang berkembang di seluruh dunia menyebabkan pembangkit tenaga uap

dengan kapasitas besar sangat dibutuhkan.

Menurut Colin Frayne dalam bukunya yang berjudul Boiler Water Treatment

Principles, boiler lebih lanjut diklasifikasikan menurut desain, keluaran, rasio tekanan, dan

aplikasi meskipun tidak semuanya memenuhi klasifikasi tersebut.

Boiler, baik pembangkit air panas atau pembangkit uap memungkinkan didesain

untuk tanah, lokomotif, ataupun tugas kelautan baik bersifat portable (bisa dibawa

kemana-mana) atau stationer (tetap).

Desainnya biasanya diberikan dalam bentuk package boilers (paket/dirakit di pabrik

lalu diinstalasikan di lapangan), job-built boilers (sepenuhnya dibangun di pabrik),dan

dibangun langsung di lapangan.

Boiler dapat beroperasi dibawah atau diatas tekanan kritis.

Boiler dapat langsung dibakar ataupun tidak langsung dibakar. Energi yang tersedia

merancang perhitungan untuk metode pembakaran yang bervariasi yang

menggunakan bahan bakar fosil, limbah, proses residual, sisa panas, dan produk

yang dihasilkan.

Boiler dapat digunakan untuk pemanasan air dalam bejana, pemanasan ruangan,

limbah panas, dan pemulihan limbah kimia. Baik desain fire tube dan water tube

boiler biasanya digunakan untuk penerapan pemulihan panas (heat recovery)

Menurut beliau, sejauh ini fire tube (FT) dan water tube (WT) boiler yang sering

diaplikasikan pada sektor industri besar di seluruh dunia. Bahkan, pemakaiannya tidak

terbatas pada satu jenis tipe saja, melainkan pemakaian sekaligus dalam skala yang besar

pula. Maka dari itu, penulis akan mengeksplor lebih dalam lagi perbedaan antara kedua tipe

boiler ini berdasarkan karakteristik yang dimilikinya pada bab berikutnya.

BAB II

PENGEMBANGAN TEORI

Secara umum, boiler terdiri dari dua sistem dasar. Salah satu sistem adalah sistem

uap air, yang juga biasa disebut sebagai pesisir/tepi (waterside) boiler. Pada waterside, air

dimasukkan dan dipanaskan dengan pemindahan melalui tabung air (water tube/WT),

dikonversikan menjadi uap setelah itu meninggalkan sistem sebagai uap. Sebagai deskripsi

awal, skema ini dapat menjelaskan cara kerja sistem boiler untuk menghasilkan uap air.

Gambar 1. Diagram dasar sistem kerja boiler

II.1 Komponen Boiler

Gambar 2. Komponen-komponen boiler

II.1.1 Tungku Pembakaran (Furnace)

Ruang bakar melepaskan panas dan menjadi sistem transfer panas. Ada 3T yang

dibutuhkan pada proses pembakaran dalam tungku pembakaran, yaitu waktu (time), suhu

(temperature), dan turbulensi (turbulence).

II.1.2 Kipas (Fans)

Kipas biasanya terdiri dari dua bagian, yaitu induced draft fan (ID fan) dan force draft

fan (FD fan). Fungsi fan ini biasanya digunakan untuk proses pendinginan (cooling tower).

ID fan maksudnya adalah kipas diletakkan di tempat keluarnya angin sehingga angin yang

keluar lebih banyak dari angin yang masuk. Kipas jenis ini lebih stabil dari FD fan karena

pada kondisi dingin dapat mencegah terjadinya es. Sementara, FD fan maksudnya adalah

kipas yang diletakkan di tempat masuknya angin sehingga angin yang masuk lebih banyak

dari yang keluar. Kipas jenis ini kurang stabil karena dapat menghasilkan es yang dapat

merusak sistem walaupun dapat bekerja pada tekanan statis yang tinggi.

II.1.3 Windbox

Windbox berperan untuk mendistribusikan udara tambahan ke pembakar. Bagian ini

memungkinkan untuk memiliki pengatur redaman untuk menciptakan turbulensi dalam

menyempurnakan proses pembakaran.

II.1.4 Penukar Kalor Gas Buang (Flue Gas Heat Exchanger)

Secara umum, bagian ini berfungsi untuk mengurangi kerugian panas (heat loss)

yang ditimbulkan oleh sistem atau memperbaiki efisiensi boiler. Dengan kata lain, bagian ini

berperan dalam proses pendinginan mesin akibat sistem bekerja pada suhu dan

temperature yang tinggi.

II.1.5 Pemanas udara awal pembakaran (Combustion Air Preheater)

Gambar 3. Scheme of Combustion Air Preheater

CAP merupakan salah satu tipe penukar panas (heat exchanger). Dari gambar

dapat dilihat sebelum gas buang meninggalkan boiler, gas buang tersebut melalui pemanas

udara awal. Karena suhu gas buang lebih tinggi dari udara pembakaran, panas tersebut

dipindahkan ke udara pembakaran dengan cara konveksi ke CAP. Transfer panas ini

mampu mendinginkan gas buang dan dengan demikian mengurangi kerugian kalor serta

mengurangi temperature udara ketika dikeluarkan melalui cerobong. Konsekuensi logis yang

diperoleh dari adanya CAP ini adalah mengurangi kebutuhan bahan bakar dalam

menghasilkan panas yang dibutuhkan dalam sistem atau meningkatkan efisiensi bahan

bakar.

II.1.6 Economizer

Gambar 4. Economizer

Salah satu device yang biasa digunakan untuk penukar kalor adalah economizer.

Economizer memanaskan feedwater (penyuplai air) untuk memperbaiki efisiensi boiler dan

mengurangi kerugian kalor pada cerobong gas buang. Peningkatan kalor pada feedwater

mengurangi kebutuhan akan bahan bakar dan udara pembakaran. Dari gambar terlihat, gas

buang meninggalkan boiler menuju economizer dimana hal ini terhubung ke permukaan

penukar kalor dalam bentuk tabung air. Karena suhu gas buang lebih tinggi dari air, gas

buang didinginkan, sementara itu terjadi peningkatan suhu pada air. Tipe penukar kalor

seperti ini sering digunakan untuk boiler yang berukuran besar.

II.1.7 Superheater

Superheater berperan untuk menambahkan panas pada uap. Hal ini bertujuan untuk

mengurangi embun yang terdapat pada uap sehingga menghasilkan kualitas uap seperti

yang diinginkan. Tingkat kekeringan uap menjadi faktor yang menentukan kualitas uap itu

sendiri (dalam persen). Ketika tidak ada embun pada uap, kualitas uap dinyatakan pada

skala 100 persen.

II.1.8 Boiler Drums

Gambar 5. Boiler Drum

Boiler biasanya terdiri dari drum atas, atau drum air atau drum uap dan drum bawah.

Dalam industri-industri besar, boiler yang dimiliki biasanya terdiri dari keduanya. Pemanasan

tabung memulai proses sirkulasi alami air. Biasanya, untuk penggunaan boiler yang lebih

besar, ditambahkan pompa untuk membantu proses sirkulasi. Sirkulasi air menyebabkan

terjadinya efek pendinginan sehingga tabung tetap berada pada kondisi kelebihan panas.

II.2 Fire Tube Boiler (FT Boiler)

FT boiler adalah sebuah boiler yang mengkonversikan panas dari pembakaran

bahan bakar dalam tungku pembakaran menjadi uap. Proses pembakaran menggunakan

gas panas/api yang mengelilingi/mengepung tabung yang berisi air di dalam sistem. Pada

FT boiler, gas panas melewati pipa-pipa dan air umpan boiler ada di dalam tabung untuk

dirubah menjadi uap. FT boiler biasanya digunakan untuk kapasitas uap yang relative kecil

dengan tekanan uap rendah sampai sedang. Sebagai pedoman, FT boiler kompetitif untuk

kecepatan uap sampai 12.000 kg/jam dengan tekanan sampai 18 kg/cm2. FT boiler dapat

menggunakan bahan bakar minyak, gas atau bahan bakar padat dalam operasinya. Untuk

alasan ekonomis, sebagaian besar FT boiler dikonstruksi dalam bentuk package (dirakit oleh

pabrik seperti yang dijelaskan sebelumnya.

FT boiler secara umum cocok untuk :

Bahan bakar yang bersih, seperti minyak dan gas. Bahan bakar yang kotor dapat

menyebabkan pembusukan dan erosi karena bahan bakar ikut berproses ketika

sistem dijalankan.

Kapasitas pada ukuran yang kecil dapat mencapai 35 tph, dibatasi oleh ukuran

tabung boiler.

Suhu yang dimiliki superheater relative kecil, kira-kira 50oC.

Pada tekanan rendah dapat mencapai dibawah 25 atm dibatasi oleh pengontrol

tekanan pada tabung.

FT boiler ini terkenal dalam proses industri untuk kebutuhan uap yang kecil meskipun :

Standar keamanan yang buruk yang melekat pada desainnya.

Efisiensi kalor lebih kecil dari boiler yang lain atau dengan kata lain terjadi banyak

heat loss ketika sistem dijalankan untuk menghasilkan uap.

Kurang ramah lingkungan, sebab utamanya adalah ukurannya yang padat, harga

pembuatannya murah, dan pengerjaannya yang cepat.

Gambar 6. Fire Tube Boiler

II.2.1 Jenis FT Boiler Modern

Semua boiler yang modern, khususnya boiler paket horizontal dan vertical terkenal

pada eranya masing-masing. Untuk paket horizontal, FT boiler ini dasarnya diturunkan dari

desain skotch marine boiler pembakaran dalam. Mulai terkenal pada tahun 1960-an karena

tingkat fleksibilitas, harga yang terjangkau, dan efisiensi boiler yang relative baik.

Tipe aliran gas pada boiler ini adalah cross sectional atau saling berpotongan dan

diperlihatkan pada gambar selanjutnya.

Begitu juga dengan paket vertical, tipe ini dipakai secara luas untuk menghasilkan

uap yang kecil pula. Sudah dipakai lebih dari 50 tahun yang lalu, hampir sama dengan paket

horizontal.

Gambar 7. Tipe aliran cross sectional

II.2.1.1 Skema Paket Horizontal FT Boilers

Gambar 8 Proses kerja paket horizontal boilers

II.2.1.2 Skema Paket Vertikal FT Boilers

Gambar 9. Proses Kerja Paket Vertikal FT Boiler

II.3 Water Tube Boiler (WT Boiler)

WT boiler adalah sebuah device yang mengkonversikan panas dari pembakaran

bahan bakar dalam pusat tungku pembakaran yang terbuka untuk membangkitkan air panas

atau uap )sering terjadi pada tekanan, suhu, dan kapasitas keluaran yang tinggi. Pada WT

boiler, air umpan pada boiler mengalir pada pipa-pipa ke dalam drum. Air yang tersirkulasi

dipanaskan oleh gas pembakar membentuk uap dalam drum. Boiler ini dipilih jika kebutuhan

uap dan tekanan uap sangat tinggi seperti pada kasus boiler pembangkit tenaga. WT boiler

yang sangat modern dirancang dengan kapasitas uap antara 4500-12000 kg/jam, dengan

tekanan sangat tinggi. Banyak WT boiler yang dikonstruksi secara paket jikan digunakan

bahan bakar minyak dan gas. Untuk WT boiler yang menggunakan bahan bakar yang padat,

tidak umum dirancang secara paket.

Perbedaan yang mencolok antara WT dan FT boiler adalah pemanasan yang

dibutuhkan oleh WT boiler jauh lebih besar dari FT karena harus memproduksi uap dalam

jumlah yang cukup besar. Selain itu, pemanasan permukaan tabung pada WT lebih dominan

di luar/pada dinding tabung sementara pemanasa pada FT lebih dominan di dalam tabung

WT boiler menyediakan konstruksi dengan kapasitas, tekanan, fleksibilitas yang lebih

besar dikarenakan subdivisi bagian tekanan dan untuk menyusun kembali komponen-

komponen dengan variasi konfigurasi yang luas. Sebagai hasilnya, keluaran uap

kemungkinan dibawah 1500 lb/hr sampai beberapa juta lb/hr.

Aturan utamanya adalah WT boiler lebih aman dari ledakan dibanding FT boiler

karena drum tidak dibuka untuk pembakaran yang dapat meradiasikan panas. Jika tabung

pecah, setidaknya masih ada volume air yang relatif kecil yang terkonversi menjadi uap.

Karenanya, WT boiler membutuhkan beberapa operator yang handal untuk mengoperasikan

sistem ini dan benar-benar menguasai setiap proses kerjanya.

Karakteristik umum yang dimiliki oleh WT boiler adalah :

Kapasitas dari 5 tph sampai 4500 tph.

Tekanan uap berada pada range 3,5 sampai 320 bar

Suhu uap sampai pada fase saturasi kira-kira 620oC

Memiliki induced, forced, dan balanced draft untuk meningkatkan efisiensi

pembakaran.

Kurang toleran terhadap kualitas air yang berasal dari tempat pengolahan air.

Memungkinkan untuk tingkat efisiensi panas yang lebih tinggi.

Gambar 10. Skema WT Boiler

BAB III

KESIMPULAN

Perbedaan yang paling mencolok dari water tube boiler dan fire tube boiler adalah

posisi air dan pembakar pada sistem dan tabung. WT boiler menempatkan air di dalam

tabung sementara pembakar (api/gas panas) berada di luar tabung di dalam sistem. Prinsip

kerjanya adalah perpindahan panas secara konveksi, yaitu pembakar memanaskan

permukaan tabung hingga air mengalami fase saturasi atau menghasilkan uap. FT boiler

menempatkan air pada sistem (di luar tabung) sementara pembakar yang berupa api/gas

panas dialirkan melalui pipa, memanaskan air yang mengepung tabung tersebut hingga

mengalami fase saturasi.

Selain itu, perbedaan yang lain yang mencolok diantara keduanya adalah kapasitas

uap yang dihasilkan oleh WT boiler jauh lebih besar dibandingkan dengan FT boiler

berdasarkan pertimbangan-pertimbangan yang telah dijelaskan sebelumnya.

DAFTAR PUSTAKA

Frayne, Collin. 2002. Boiler Water Treatment Principles. New York : Chemical Publishing

Co.Inc

Rayaprolu Kumar. 2009. Boilers for Power and Process. New York : Taylor and Francis

Group

Gilman, G.F. 2005. Boiler Control Systems Engineering. USA : The Instrumentation,

Systems, and Automation Society