PROSES KERJA FIRE TUBE BOILER (MESIN UAP) DENGAN BERBAHAN BAKAR PADAT

PROSES KERJA FIRE TUBE BOILER (MESIN UAP) DENGAN BERBAHAN BAKAR PADAT

A. Ketel uap (Boiler)
Boiler adalah bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan ke air sampai terbentuk air panas atau steam. Air panas atau steam pada tekanan tertentu kemudian digunakan untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Air adalah media yang berguna dan murah untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Jika air dididihkan sampai menjadi steam, volumnya akan meningkat sekitar 1.600 kali, menghasilkan tenaga yang menyerupai bubuk mesiu yang mudah meledak, sehingga boiler merupakan peralatan yang harus dikelola dan dijaga dengan sangat baik.

Sistem boiler terdiri dari sistem air umpan, sistem steam dan sistem bahan bakar. Sistem air umpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai dengan kebutuhan steam. Berbagai kran disediakan untuk keperluan perawatan dan perbaikan. Sistem steam mengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalam boiler. Steam dialirkan melalui sistem pemipaan ke titik pengguna. Pada keseluruhan sistem, tekanan steam diatur menggunakan kran dan dipantau dengan alat pemantau tekanan. Sistem bahan bakar adalah semua peralatan yang digunakan untuk menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan. Peralatan yang diperlukan pada sistem bahan bakar tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan pada sistem. Air yang disuplai ke boiler untuk diubah menjadi steam disebut air umpan. Dua sumber air umpan adalah: (1) Kondensat atau steam yang mengembun yang kembali dari proses dan (2) Air makeup (air baku yang sudah diolah) yang harus diumpankan dari luar ruang boiler dan plant proses. Untuk mendapatkan efisiensi boiler yang lebih tinggi, digunakan economizer untuk memanaskan awal air umpan.
Gambar 1 Intalasi pada Boiler Pipa Api Bahan Bakar Padat
Gambar 2 Boiler
Bagian-Bagian Pada Boiler
Gambar 3 Bagian-Bagian Pada Boiler Pipa Api Bahan Bakar Padat
Bagian-Bagian Pada Boiler Batubara :
1. Main Feedwater Check Valve
2. Water Level Gauges
3. Float-operated Level Switch (Single Switch)
4. Float-operated Level Switch (Multiple Switches)
5. Boiler Blowdown Valve
6. Main Steam Stop Valve
7. Isolating Valve for Steam Pressure Gauge
8. Steam Pressure Controller
9. Safety Valves
10. Air Release Valve
11. Manhole
12. Inspector’s Test-cock
13. Inspection Cover
14. Steam Pressure Gauge
15. Control Panel
16. Manufacturer’s Detail Plate
17. Rear Access door
18. Outlet Duct c/w ID Damper
19. Feedpump
20. Lifting Lugs
21. Ladder
22. Soot Blowers
23. Stoker
24. Rear Smoke Box
25. Rear Peephole
B. Menyalakan Boiler
Bahan bakar batubara diangkat dengan menggunakan coal conveyor sebanyak 1 ton untuk pemakaian bahan bakar rata-rata selama 1 jam (1 ton/jam). Feed Hopper dipasang lebih tinggi dari boiler itu sendiri. Feed hopper ini berfungsi sebagai tempat penampungan harian. Dari feed hopper ini batubara akan turun secara gravitasi menuju stoker. Pada feed hopper ini dipasang 2 buah limit switch yang dipasang secara seri gunanya untuk kontrol pengisian otomatis. Artinya jika kedua limit switch atas dan bawah sudah tidak tertutup oleh batubara maka elevator akan berjalan secara otomatis, apabila level switch yang atas sudah tertutup oleh batubara maka pengisian akan berhenti.
Sebelum menuju stoker, pengisian batubara pada stoker diatur oleh swinging chute agar batubara yang lembut/halus dan kasar bisa bercampur baik sehingga mudah terbakar dengan sempurna. Swinging chute ini digerakan oleh sebuah motor kecil yang dilengkapi dengan shear pin untuk pengamanan motor penggeraknya bila terjadi kemacetan.
Pastikan bahwa permukaan air dalam boiler cukup. Sebaiknya sebelum memulai penyalaan boiler semua alat penunjang pembakaran dicoba, seperti ID Fan, FD Fan, stoker, pompa-pompa dan lain-lain. Bilamana semua berjalan dengan baik baru kita boleh memulai menyiapkan penyalaan boiler.
Langkah-langkah penyalaan sebagai berikut :
a. Buka venting valve diatas boiler.
b. Jalankan Stoker secara manual.
c. Atur pembukaan guillotine door 100 mm.
d. Buka coal door beberapa saat dan jatuhkan batubara ke atas chain grate kira-kira sepanjang 500 – 750 mm.
e. Hentikan putaran stoker apabila batubara sudah berada di belakang guillotine door + (300 mm).
f. Naikan guillotine door menjadi 180 mm.
g. Sisipkan potongan-potongan kayu pada batubara.
h. Sisipkan serpihan karton atau tatal diantara potongan-potongan kayu.
i. Nyalakan serpihan karton atau tatal dengan hanya menggunakan korek api.
j. Bilamana potongan kayu sudah ikut menyaka atau membara coal door boleh dibuka.
k. Turunkan guillotine door menjadi 100 sampai 140 mm.
l. Hidupkan ID Fan dengan posisi ID inverter minimum.
m. Perhatikan apakah batubara menyala dengan baik dan lubang intai di belakang boiler. Kita juga dapat melihat dari lubang di depan atas stoker.
n. Bilamana batubara sudah terlihat menyala selebar stoker hidupkan FD Fan dengan posisi hand minimum dan ID Fan sebaliknya pada posisi auto.
o. Perhatikan arah jarum hitam photohelic harus berada pada posisi yang ditentukan.
p. Bilamana api sudah mulai membesar jalankan stoker secara hand minimum.
q. Tingkatkan pembakaran dengan perlahan-lahan dengan menaikkan kecepatan stoker dan FD Fan. Harap diperhatikan jangan sampai batubara yang menyala bergerak terlalu cepat menjauhi guillotine door. Apabila terlihat api terlalu jauh dari guillotine door hentikan sementara stoker motor dan jalankan kembali apabila api sudah terlihat lagi dekat guillotine door.
r. Bila api terlihat baik naikkan FD Fan speed dan ID Fan speed secara bertahap. Apabila ID Fan pada posisi auto maka anda hanya tinggal menambah FD Fan speed saja.
s. Bila keadaan ini bisa bertahan pindahkan switch ID speed dan FD speed keposisi auto. Naikan ketebalan batubara secara bertahap sampai 150 mm.
t. Tutup Venting valve bila uap terlihat keluar dari valve tersebut.
u. Lakukan blowdown sesekali agar temperatur air dalam boiler merata.
Bila keadaan ini bisa dipertahankan biarkan ID Fan speed,FD Fan speed dan stoker dalam keadaan auto sampai tekanan boiler naik secara perlahan-lahan. Sebaiknya tidak menaikan tekanan uap dalam boiler terlalu cepat untuk menghindari material stress. Buka perlahan-lahan main steam valve bila tekanan yang diinginkan hampir tercapai.
C. Pembakaran
Batubara diumpankan ke ujung grate baja yang bergerak. Ketika grate bergerak sepanjang tungku, batubara terbakar sebelum jatuh pada ujung sebagai abu. Diperlukan tingkat keterampilan tertentu, terutama bila menyetel grate, damper udara dan baffles, untuk menjamin pembakaran yang bersih serta menghasilkan seminimal mungkin jumlah karbon yang tidak terbakar dalam abu. Hopper umpan batubara memanjang di sepanjang seluruh ujung umpan batubara pada tungku. Sebuah grate batubara digunakan untuk mengendalikan kecepatan batubara yang diumpankan ke tungku dengan mengendalikan ketebalan bed bahan bakar. Ukuran batubara harus seragam sebab bongkahan yang besar tidak akan terbakar sempurna pada waktu mencapai ujung grate.
Seperti kita ketahui unsur utama yang mempengaruhi pembakaran adalah udara dan bahan bakar ( batubara ). Sempurna/baik tidaknya suatu pembakaran sangat dipengaruhi oleh rasio udara dan batubara. Sangat sulit untuk menentukan rasio tersebut pada bahan bakar padat seperti batubara dimana kandungan dan ukurannya tidak selalu sama. Jadi kita harus juga menyesuaikan kondisi batubara yang kita bakar. Berikut adalah uraian dan beberapa patokan untuk mencapai pembakaran yang sempurna.
Pada keadaan batubara yang cukup baik ( normal )
- Abu yang keluar dari ash conveyor berwarna putih kecoklatan, atau dengan kata lain carbon habis teroksidasi jadi tidak ada sisa batubara yang tidak terbakar atau arang.
Gambar 4 Abu Sisa Pembakaran
- Kadar Oksigen dalam gas buang biasanya antara 4 – 9 %, sedang pada keadaan batubara banyak yang halus biasanya oksigen (O2) akan naik karena oksigen (O2) tidak berkurang banyak untuk beroksidasi dengan karbon yang ada pada batubara melainkan langsung terbuang/terhisap, biasanya temperatur gas buangnya juga turun.
Ini menyebabkan juga sisa pembakaran masih hitam, artinya masih banyak karbon yang seharusnya terbakar tapi langsung jatuh ke ash conveyor. Pada keadaan ini sebaiknya tidak menaikan guillotine door atau ketebalan batubara. Sebab udara akan semakin sulit menembus lapisan batubara sehingga bisa berakibat pembakaran jadi lebih buruk. Jika perlu guillotine door bahkan diturunkan dan kecepatan stoker juga diturunkan untuk memberi kesempatan batubara terbakar lebih baik.
Pengaturan yang tepat mengenai kecepatan stoker, ketebalan batubara dan jumlah udara pembakar akan bisa kita capai dengan pengalaman. Pada pembakaran yang baik biasanya api terlihat agak tegak dengan tidak terlalu banyak batubara yang meloncat.
Jangan merubah FD speed terlalu besar (bila tidak perlu) karena terlalu banyak udara pembakar/kelebihan udara akan menurunkan efisiensi boiler. Gejala kurang udara pembakar bisa ditandai dengan turunnya persentasi oksigen (O2) sampai dibawah 4 % dan rantai stoker terasa lebih panas.
Bila rantai stoker terlalu panas segera turunkan guillotine door. Sebagai pedoman untuk memperbaiki rasio bahan bakar dan udara adalah dengan merubah (menaikan/menurunkan) jumlah udara dengan cara menambah atau mengurangi FD Fan speed, atau bisa juga dengan merubah (menambah/mengurangi) batubara dengan cara menaikan atau menurunkan ketebalannya atau menambah atau mengurangi kecepatan stokernya.
Gambar 5 Pembakaran dalam Boiler Batubara Pipa Api
Gambar 6 Tempat pembakaran pada Boiler pipa api
Keadaan batubara juga sangat menentukan hasil pembakaran. Baik kalorinya maupun ukuran dari batubara itu. Sebaiknya batubara mempunyai kelembaban yang cukup, artinya tidak terlalu kering tetapi juga tidak terlalu basah. Dengan ini dimaksudkan agar batubara yang halus bisa menempel pada atau melapisi batubara yang lebih besar. Jadi pada waktu masuk dan berada diatas stoker tidak mudah terbang tertiup angin dan sekaligus membantu batubara yang lebih besar jadi mudah terbakar dan stoker speed bisa lebih tinggi.
Sedapat mungkin pembakaran dilaksanakan dengan ketebalan yang seminimal mungkin tetapi kecepatan setinggi mungkin. Arti ketebalan setipis mungkin disini misalnya beban pemakaian cukup dengan 140 mm maka kita tidak perlu membuka sampai 200 mm, hal ini untuk menghindari agar boiler tidak terlalu sering modulasi atau bahkan mati karena tekanan sudah tercapai atau terlewati untuk menghindari timbulnya asap yang tebal.
Sedangkan kecepatan stoker secepat mungkin dimaksudkan untuk menghindari klingker melekat terlalu banyak di refractoy arch dan juga api yang dihasilkan bisa lebih panjang sehingga memberi kesempatan asap yang terbentuk dibagian awal pembakaran terbakar lebih baik sehingga asap yang keluar dari cerobong tipis. Dengan catatan hasil pembakaran tetap baik atau batubara habis terbakar menjadi abu.
D. Minimalisasi pembakaran yang tidak sempurna
Pembakaran yang tidak sempurna dapat timbul dari kekurangan udara atau kelebihan bahan bakar atau buruknya pendistribusian bahan bakar. Hal ini nyata terlihat dari warna atau asap, dan harus segera diperbaiki.
Pada pembakaran batubara, karbon yang tidak terbakar dapat merupakan kehilangan yang besar. Hal ini terjadi pada saat dibawa oleh grit atau adanya karbon dalam abu dan dapat mencapai lebih dari 12 persen dari panas yang dipasok ke boiler. Ukuran bahan bakar yang tidak seragam dapat juga menjadi penyebab tidak sempurnanya pembakaran. Pada chain grate stokers, bongkahan besar tidak akan terbakar sempurna, sementara potongan yang kecil dan halus apat menghambat aliran udara, sehingga menyebabkan buruknya distribusi udara. Pada sprinkler stokers, kondisi grate stoker, distributor bahan bakar, pengaturan udara dan sistem pembakaran berlebihan dapat juga mempengaruhi kehilangan karbon. Meningkatnya partikel halus pada batubara juga meningkatkan kehilangan karbon.
E. Pengendalian udara berlebih
Udara berlebih diperlukan pada seluruh praktek pembakaran untuk menjamin pembakaran yang sempurna, untuk memperoleh variasi pembakaran dan untuk menjamin kondisi cerobong yang memuaskan untuk beberapa bahan bakar. Tingkat optimal udara berlebih untuk efisiensi boiler yang maksimum terjadi bila jumlah kehilangan yang diakibatkan pembakaran yang tidak sempurna dan kehilangan yang disebabkan oleh panas dalam gas buang diminimalkan. Tingkatan ini berbeda-beda tergantung rancangan tungku, jenis burner, bahan bakar dan variabel proses.
Pengendalian udara berlebih pada tingkat yang optimal selalu mengakibatkan penurunan dalam kehilangan gas buang, untuk setiap penurunan 1 persen udara berlebih terdapat kenaikan efisiensi kurang lebih 0,6 persen. Berbagai macam metode yang tersedia untuk mengendalikan udara berlebih :
• Alat analisis oksigen portable dan draft gauges dapat digunakan untuk membuat pembacaan berkala untuk menuntun operator menyetel secara manual aliran udara untuk operasi yang optimum. Penurunan udara berlebih hingga 20 persen adalah memungkinkan.
• Metode yang paling umum adalah penganalisis oksigen secara sinambung dengan pembacaan langsung ditempat, dimana operator dapat menyetel aliran udara. Penurunan lebih lanjut 10 – 15% dapat dicapai melebihi sistem sebelumnya.
• Alat analisis oksigen sinambung yang sama dapat memiliki pneumatic damper positioner yang dikedalikan dengan alat pengendali jarak jauh, dimana pembacaan data tersedia di ruang kendali. Hal ini membuat operator mampu mengendalikan sejumlah sistem pengapian dari jarak jauh secara serentak.
F. Uap Bertekanan (Steam) yang Dihasilkan Boiler
Pertama-tama gas panas hasil pembakaran batubara mengalir dalam lorong api (furnace) ditiup dengan FD Fan dengan kecepatan motor rata-rata 1050 rpm menuju kearah ruang pembalik (reversal chamber) dengan dihisap oleh ID Fan dengan kecepatan motor rata-rata 1440 rpm dengan suhu gas pembakaran 1600°C dengan kecepatan stoker rata-rata sebesar 10 m/jam. Batubara ini akan habis terbakar sebanyak 88 – 93% dengan kadar abu antara 7 – 12%. Abu sisa pembakaran batubara tersebut akan jatuh dari stoker oleh gaya gravitasi menuju bottom ash dengan suhu sekitar 1200°C. Karena suhu sisa abu pembakaran batubara tersebut sangat panas untuk diterima langsung oleh bottom ash conveyor, oleh karena itu bottom ash conveyor tersebut direndam dengan air agar abu bottom ash suhunya menurun dan bottom ash conveyor tidak cepat rusak karena suhu yag sangat panas tersebut.
Kedua gas panas dari reversal chamber masuk ke dalam pipa-pipa api (laluan kedua) dengan suhu antara 800 – 850°C menuju k edepan yaitu ke lemari api depan (front smoke box).
Ketiga dari front smoke box masuk ke dalam pipa-pipa api (laluan ketiga) dengan suhu 350°C menuju ke belakang yaitu ke rear smoke box yang selanjutnya menuju cerobong dengan malalui grit arrester dan ID Fan. Di dalam grit arrester gas panas yang terhisap oleh ID Fan ini mengandung partikel-partikel kecil batubara yang berterbangan sebesar butiran pasir dan terhisap ke dalam pipa-pipa api dari laluan pertama sampai dengan laluan ketiga dan kemudian akan terjatuh diruang grit arrester dan akan ditampung oleh bak penampungan. Dan sisa karbon hasil pembakaran tersebut yang menuju cerobong asap (Exhaust gas),tetapi tidak langsung dibuang begitu saja, tetapi sisa hasil karbon tersebut disemprot (spray) dengan air agar kandungan asap gas buang tidak terlalu pekat dan tidak menimbulkan polusi udara, dan suhu sisa hasil pembakarannya dalam keadaan normal antara 220 – 230°C dengan kadar oksigen (O2) antara 4 – 9% dan kadar karbondioksida (CO2) rata-rata 13%. Kemudian uap bertekanan yang dihasilkan boiler batubara tersebut didistribusikan menuju bagian produksi dengan suhu 210 – 212°C dengan tekanan steam maksimal 19 bar yang digunakan untuk memasak ban (curing) dan untuk menggerakan mesin. Total uap bertekanan yang dihasilkan oleh boiler tersebut dalam 1 jam proses kerja maksimal adalah 21000 lbs/jam dengan pemakaian bahan baku air rata-rata 10 m3 dengan kecepatan rata-rata10 m3/jam, dengan menggunakan bahan bakar batubara rata-rata 1 ton/jam.
Gambar 7 Perpindahan Panas dan Temperatur yang Melalui Boiler [1]
G. Efisiensi Boiler
Efisiensi boiler didefinisikan sebagai persen energi panas masuk yang digunakan secara efektif pada steam yang dihasilkan. Kehilangan energi dan peluang efisiensi energi dalam boiler dapat dihubungkan dengan pembakaran, perpindahan panas, kehilangan yang dapat dihindarkan, konsumsi energi yang tinggi untuk alat-alat pembantu, kualitas air dan blowdown. Untuk mengetahui efisiensi boiler batubara untuk jenis ini dapat dihitung berdasarkan data-data yang terdapat dari boiler tersebut. Untuk mengetahui efisiensi tersebut dapat dilihat seperti rumus dibawah ini :
Panas Keluar
Efisiensi Boiler () = x 100
Panas Masuk
Q x (hg –hf)
Efisiensi Boiler () = x 100
Q x GCV
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)
 Jenis bahan bakar dan nilai panas kotor bahan bakar (GCV) dalam kkal/kg bahan bakar
Dimana
 hg : Entalpi steam jenuh dalam kkal/kg steam
 hf : Entalpi air umpan dalam kkal/kg air
Data yang digunakan untuk menghitung efisiensi boiler batubara adalah sebagai berikut :
 Jenis boiler : Berbahan bakar batubara
 Jumlah steam (kering) yang dihasilkan : 10 TPJ
 Tekanan steam (gauge) / suhu : 10 kg/cm2 (g)/ 2100CC
 Jumlah pemakaian batubara : 1,1 TPJ
 Suhu air umpan : 850C
 GCV batubara : 6300 kkal/kg
 Entalpi steam pada tekanan 10 kg/cm2 : 665 kkal/kg (jenuh)
 Entalpi air umpan : 85 kkal/kg
Q x (hg –hf)
Efisiensi Boiler () = x 100
Q x GCV
10 x (665 – 85)
Efisiensi Boiler () = x 100 = 83,694 persen
1,1 x 6300
Persentase kehilangan energi dapat dibagi kedalam kehilangan yang tidak dapat dihindarkan. Persentase kehilangan energi ini merupakan sisa dari persentase efisiensi boiler itu sendiri. Tujuan dari produksi bersih pengkajian energi harus mengurangi kehilangan yang dapat dihindari, dengan meningkatkan efisiensi energi.
Dimana kehilangan yang terjadi dalam boiler adalah kehilangan panas yang diakibatkan oleh:
• Gas cerobong yang kering
• Penguapan air yang terbentuk karena H 2 dalam bahan bakar
• Penguapan kadar air dalam bahan bakar
• Adanya kadar air dalam udara pembakaran
• Bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu terbang/ fly ash
• Bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu bawah/ bottom ash
• Radiasi dan kehilangan lain yang tidak terhitung
H. Blowdown Boiler
Jika air dididihkan dan dihasilkan steam, padatan terlarut yang terdapat dalam air akan tinggal di boiler. Jika banyak padatan terdapat dalam air umpan, padatan tersebut akan terpekatkan dan akhirnya akan mencapai suatu tingkat dimana kelarutannya dalam air akan terlampaui dan akan mengendap dari larutan. Diatas tingkat konsentrasi tertentu, padatan tersebut mendorong terbentuknya busa dan menyebabkan terbawanya air ke steam. Endapan juga mengakibatkan terbentuknya kerak di bagian dalam boiler, mengakibatan pemanasan setempat menjadi berlebih dan akhirnya menyebabkan kegagalan pada pipa boiler.
Oleh karena itu penting untuk mengendalikan tingkat konsentrasi padatan dalam suspensi dan yang terlarut dalam air yang dididihkan. Hal ini dicapai oleh proses yang disebut blowing down, dimana sejumlah tertentu volume air dikeluarkan dan secara otomatis diganti dengan air umpan. Dengan demikian akan tercapai tingkat optimum total padatan terlarut (TDS) dalam air boiler dan membuang padatan yang sudah rata keluar dari larutan dan yang cenderung tinggal pada permukaan boiler. Blowdown penting untuk melindungi permukaan penukar panas pada boiler. Walau demikian, blowdown dapat menjadi sumber kehilangan panas yang cukup berarti, jika dilakukan secara tidak benar.
Pengendalian blowdown boiler yang baik dapat secara signifikan menurunkan biaya perlakuan dan operasional yang meliputi:
• Biaya perlakuan awal lebih rendah
• Konsumsi air make-up lebih sedikit
• Waktu penghentian untuk perawatan menjadi berkurang
• Umur pakai boiler meningkat
• Pemakaian bahan kimia untuk pengolahan air umpan menjadi lebih rendah.