boiler/ketel

1

BoilerBoiler/Ketel/KetelThermal Systems/Boilers

Muhammad Rio Rizky SaputraTeknik Mesin

Universitas Gunadarma

2

Apa yang disebut Boiler?

• Suatu bejana/ tanki yang menggunakan air untuk mengalirkan panas dari pembakaran menjadi energi kerja

• Air, jika dipanaskan menjadi uap, volumnya naik sekitar 1,600 kali

• Pada tekanan tertentu, air panas atau uap air/ steam dapat dialirkan kedalam suatu proses

3

MATERI

Pendahuluan

Jenis boiler

Pengkajian boiler

Peluang efisiensi energi

4

PendahuluanPendahuluanPendahuluanPendahuluan

BURNERBURNERWATER WATER

SOURCESOURCE

BRINEBRINE

SOFTENERSSOFTENERSCHEMICAL FEEDCHEMICAL FEED

FUELFUELBLOW DOWN BLOW DOWN SEPARATORSEPARATOR

VENTVENT

EXHAUST GASEXHAUST GASSTEAM TO STEAM TO PROCESSPROCESS

STACKSTACK

BOILERBOILER

ECO-ECO-NOMI-NOMI-ZERZER

5

• Fire Tube Boiler• Water Tube Boiler• Packaged Boiler• FBC Boiler• Spreader Stoker Boiler• Chain- or Traveling Grate

Boiler

• Atmospheric Fluidized Bed Combustion

• Pressurized Fluidized Bed Combustion

• Atmospheric Circu-lating Fluidized Bed Combustion

• Pulverized Fuel Boiler• Waste Heat Boiler

Apa saja jenis-jenis Boilers ?Apa saja jenis-jenis Boilers ?

6

Jenis BoilerJenis BoilerJenis BoilerJenis Boiler

Fire Tube Boiler• Kapasitas steamnya

relatif kecil (12,000 kg/jam)

• Tekanan steamnya dari rendah sampai sedang (18 kg/cm2)

• Menggunakan bahan bakar cair, gas atau padat

7

Water Tube Boiler

• Digunakan untuk kapasitas steam yang besar dan tekanan tinggi

• Kapasitasnya antara 4,500 – 120,000 kg/jam

• Toleransinya rendah terhadap kualitas air sehingga perlu pengolahan air yang baik

8

Packaged Boiler

Oil Burner

To Chimney

• Package yang lengkap hanya membutuhkan pipa steam, air, bahan bakar dan sambungan listrik.

• Memungkinkan untuk transfer panas yang tinggi, penguapan tinggi, transfer panas konveksi yang tinggi dan tingkat efisiensi panas tinggi

• Diklasifikasikan berdasarkan jumlah pass

9

Fluidized Bed Combustion (FBC) Boiler

• Dapat dipakai untuk pembakaran suhu 840° – 950° C dengan kapasitas antara 0,5 T/jam sampai 100 T/jam

• Dapat menggunakan bahan bakar batubara kualitas rendah, limbah industri dan komersial, sekam padi, bagas dan limbah pertanian.

• Keuntungan lainnya: fleksibilitas bahan bakar, efisiensi pembakaran tinggi dan emisi udaranya rendah (SOx & NOx)

10

Waste Heat Boiler

• Menggunakan pemanas limbah panas pada suhu medium dan tinggi

• Dapat digunakan tambahan burner dengan bahan bakar tambahan jika kebutuhan steam lebih banyak dari yang dapat dibangkitkan oleh limbah

• Dapat memanfaatkan gas buang dari gas turbin dan mesin disel

11

PengkajianPengkajian BoilerBoilerPengkajianPengkajian BoilerBoiler

Evaluasi Kinerja

• Faktor yang mempengaruhi kinerja boiler:-Efisiensi-Evaporation ratio/ rasio penguapan-Pembakaran yang kurang baik-Permukaan transfer panas yang mengerak

-Perawatan yang kurang baik

-Kualitas bahan bakar yang kurang baik dan

kandungan air

12

Neraca panas

Diagram alir energi menerangkan bagaimana energi berubah dari bahan bakar menjadi energi yang digunakan, panas dan panas yang hilang

StochiometricExcess AirUn burnt

FUEL INPUTSTEAM

OUTPUT

Stack Gas

Ash and Un-burnt parts of Fuel in Ash

Blow DownConvection & Radiation

13

Neraca panas

Keseimbangan total energi masuk boiler dengan energi keluar boiler dengan bentuk berbeda

Panas dalam Steam

BOILER

Panas hilang dalam gas buang kering

Panas hilang dari H2 pada gas buang

Panas hilang karena kadar air dalam bahan bakar

Panas hilang didalam bahan tidak terbakar di residu

Panas hilang karena kadar air di udara

Panas hilang karena radiasi dan yang tidak terhitung

12.7 %

8.1 %

1.7 %

0.3 %

2.4 %

1.0 %

73.8 %

100.0 %

Bahan bakar

73.8 %

14

Neraca panas

Tujuan dari Produksi Bersih adalah untuk meningkatkan efisiensi energi dengan mengurangi kehilangan yang dapat dihindarkan,

yaitu:

- Kehilangan pada cerobong asap (udara berlebih, suhu gas buang)

- Kehilangan dari bahan bakar yang tidak terbakar

- Kehilangan dari blow down

- Kehilangan kondensat

- Konveksi and radiasi

15

Control of excess air in relation to flue gas compositionControl of excess air in relation to flue gas composition

The % of CO2 and O2 % in flue gas for a bituminous coal in relation to the excess air

% CO% CO22 % Excess Air% Excess Air % O% O22

18.6 0 0

16 16 2.8

14 33 5

12 55 7.7

10 86 10.1

8 132 12.2

6 210 14.4

16

Stack gas concentrations vs. EfficiencyStack gas concentrations vs. Efficiency

FuelFuel Target Flue Gas Target Flue Gas ConcentrationsConcentrations

Excess AirExcess Air EfficiencyEfficiency

OxygenOxygen Carbon DioxideCarbon Dioxide

Natural Gas 1- 2 11.9 – 12.3 5 – 10 % 85. 2 – 85.4 %

Fuel Oil 2 – 3 15.4 -15.8 10 – 15 % 89.0 – 89.2 %

Coal (Stoker) 3.5 - 5 17.2 – 17.4 20 – 30 % 81.0 – 82.0 %

Coal (Pulverized)

3 – 3.5 - 15 – 20 % 85.0 – 86.5 %

17

Pengkajian BoilerPengkajian BoilerPengkajian BoilerPengkajian Boiler

Dry flue gas lossDry flue gas loss•Ts = stack temperature 0C•Ta = ambient temperature 0C•%CO2 = % CO2 in stack

Percentage dry flue gas loss = K (Ts – Ta) X 100 % CO2

Value of KFuel Oil = 0.53Coal = 0.64Natural Gas = 0.40L.P.G = 0.43

18


ExampleExample : :

In a 12 t/hr oil fired boiler the operating parameters are as followsStack temperature = 240 0C% CO2 in flue gas = 8 %

Percentage dry flue gas loss = K (Ts – Ta) X 100 % CO2

= 0.53 (240 – 30) X 100 8

= 13.91 %

19


Example:The fuel oil consumption in the boiler is 23 tonnes / day.

By adjusting air fuel ratio the CO2 % in flue gases increases to 13.5 %. Calculate fuel oil savings achieved.

Percentage dry flue gas loss = 0.43(240 – 30) X 100 13.5

= 8.24 %Percentage reduction in stack losses = 13.91 – 8.24 = 5.67 %Annual Fuel Oil Savings = 23 x .0567 =1.30 T/day or

= 1.30 x 330 = 430.3 T /yr

Annual Monetary Savings = 430.3 x 300 = 129105 US $

20


Evaporation RatioJumlah kg steam yang diproduksi untuk setiap kg bahan bakar

Data Benchmrk

Bahan BakarBahan Bakar Efisiensi Efisiensi BoilerBoiler

Evaporation Evaporation RatioRatio

Oil Fired Boiler 85 + 1 % 13.3 + 0.5

Coal Fired Boiler 82 + 1 % 7 + 0.5

Natural Gas Boiler 88 + 1 % 10,5 + 0.5

Rice Husk Boiler (FBC)

80 + 1 % 3.8 + 0.2

21


Efisiensi Boiler

Efisiensi panas boiler adalah persentase dari energi panas masuk yang efektif digunakan secara untuk membangkitkan steam

Perhitungan Efisiensi Boiler

Metoda Langsung

Metoda Tidak Langsung

22


hg - entalpi steam jenuh dalam kcal/kg steam

hf - entalpi air umpan dalam kcal/kg of air

Efisiensi Boiler : Metoda Langsung

Efisiensi boiler (η) =Panas Keluar

Panas Masukx 100

Q x (hg – hf)

q x GCVx 100=

Parameter yang dipantau: - Jumlah steam yang dibangkitkan per jam (Q) kg/jam- Jumlah bahan bakar yang digunakan per jam (q) kg/jam- Tekanan kerja (dalam kg/cm2(g)) dan suhu superheat (oC), jika ada - Suhu air umpan (oC) - Jenis bahan bakar, gross calorific value bahan bakar (GCV) dalam

kcal/kg

23


Kelebihan:- Staf dapat segera mengevaluasi efisiensi boiler - Dibutuhkan hanya sedikit parameter untuk perhitungan - Butuh sedikit peralatan untuk pemantauan - Mudah untuk membandingkan evaporation ratio dengan

benchmark

Kerugian:- Tidak memberikan gambaran pada operator tentang

efisiensi dari masing-masing sistim - Tidak menghitung kehilangan untuk berbagai tingkatan

efisiensi

Efisiensi Boiler : Metoda Langsung

24


Type of boiler : Coal fired Quantity of steam generated : 8 TPH Steam pressure/ temp : 10 kg/cm2 / 180 0C Quantity of coal consumed : 1.8 TPH Feed water temperature : 850 C GCV of coal : 4000 kCal/kgEnthalpy of steam at 10 kg/cm2 pressure : 665 kCal/kg Enthalpy of feed water : 85 kCal/kg

Boiler efficiency (η) : 8 x1000x (665– 85)) X 100 1.8 x 1000x4000

: 64.4 %

Boiler Efficiency Example

25


Efisiensi boiler (η) = 100 – (i+ii+iii+iv+v+vi+vii)Efisiensi boiler (η) = 100 – (i+ii+iii+iv+v+vi+vii)

Efisiensi Boiler : Metoda Tidak Langsung

Prinsip kehilangannya adalah:i) Gas buang kering

ii) Penguapan air yang terbentuk dari H2 di bahan bakar

iii) Penguapan kadar air di bahan bakar

iv) Kadar air didalam udara pembakaran

v) Bahan bakar yang tidak terbakar di fly ash

vi) Bahan bakar yang tidak terbakar di bottom ash

vii) Radiasi dan kehilangan lain yang tak terhitung

26


Efisiensi Boiler : Metoda Tidak LangsungMembutuhkan data perhitungan:

• Analisis ultimate dari bahan bakar (H2, O2, S, C, kadar air, kadar abu)

• Persentase oksigen atau CO2 didalam gas buang

• Suhu fuel gas dalam ◦C (Tf)

• Suhu ambien dalam◦C (Ta) and humiditi udara dalam kg/kg udara kering

• GCV bahan bakar dalam kcal/kg

• Persentase bahan mudah menguap dalam abu (untuk bahan bakar padat)

• GCV abu dalam kcal/kg (untuk bahan bakar padat)

27


Efisiensi Boiler : Metoda Tidak Langsung

Keuntungan:- Didapat neraca masa dan neraca panas lengkap untuk

setiap aliran, yang dapat mempermudah identifikasi opsi untuk meningkatkan efisiensi boiler

Kerugian:- Membutuhkan banyak waktu- Membutuhkan fasilitas lab yang lengkap untuk analisis

28


• Mengontrol tingkat konsentrasi padatan didalam air yang dididihkan

• Proses “blowing down” mengeluarkan air dan mengganti dengan air umpan

• Menjaga total dissolved solids (TDS) pada tingkat optimal

• Jumlah blow down yang diperlukan untuk mengontrol padatan dalam air boiler dihitung sbb.:

Blow Down Boiler

Blow down (%) = TDS air umpan x % Air make up

Maks. TDS diijinkan di Boiler-TDS Air Umpan

29


Konduktivitas sebagai indikator

A) Intermittent- Kran dibuka secara manual untuk menurunkan TDS- Membutuhkan penambahan jumlah air umpan yang besar dalam

waktu singkat- Sejumlah besar energi panas hilang

B) Kontinyu- Menjamin TDS konstan dan kemurnian steam dengan

penggantian konstan air boiler jenuh.- Ada kenergi panas yang hilang tapi dapat dimanfaatkan kembali- Umum pada boiler tekanan tinggi

Blow Down Boiler

30

Mengontrol Suhu Cerobong• Jika suhu > 200°C terdapat potensi untuk

pemanfaatan panas buangan

Peluang Efisiensi EnergiPeluang Efisiensi EnergiPeluang Efisiensi EnergiPeluang Efisiensi Energi

Memanaskan Awal Air Umpan dengan Economizers

• Setiap kenaikan suhu umpan boiler sebesar 6°C, akan meningkatkan efisiensi boiler sebesar 1%

Pemanasan Awal Udara Pembakaran• Untuk meningkatkan 1% efisiensi boiler, suhu

udara pembakaran harus dinaikkan 20°C

31

Pembakaran tidak sempurna• Dapat disebabkan kurangnya suplai

udara, kelebihan bahan bakar atau kurang baiknya distribusi bahan bakar.


Kontrol Udara Berlebih• Diperlukan untuk menjamin kesempurnaan

pembakaran

• Pembakaran sempurna membutuhkan jumlah udara berlebih yang tepat

32


Kontrol Blow Down Otomatis

Meminimalkan Kehilangan Panas karena Radiasi dan Konveksi

• Kehilangan panas ini terjadi pada melalui dinding boiler

• Dapat diturunkan dengan memperbaiki isolasi

• Pada konduktivitas dan pH boiler yang tertentu

33


Menurunkan Tekanan Steam

Mengurangi kerak dan jelaga

• Setiap kenaikan suhu cerobong sebesar 22oC, efisiensi boiler turun 1 %.

• 3 mm jelaga dapat meningkatkan konsumsi bahan bakar sekitar 2.5 %

• Makin rendah tekanan steam maka suhu jenuh steam juga makin rendah, sehingga kebutuhan bahan bakar berkurang

34


Memaksimalkan Beban Boiler

Kontrol Variasi Kecepatan untuk Fan, Blower and Pompa• Penggunaan damper untuk beban boiler yang bervariasi

sebaiknya diganti dengan menggunakan VSD (Variable Speed Drive)

• Jika beban optimum boiler hanya 65 % dari beban maksimum, dapat dilakukan penggabungan sehingga beban boiler maksimum

35


Penggantian Boiler

• Layak dilakukan jika boiler yang ada sudah tua dan

tidak efisien; tidak memungkinkan untuk diganti

bahan bakarnya dengan bahan bakar yang lebih

efisien; ukurannya terlalu kecil atau terlalu besar

dari kebutuhan; dan tidak dirancang untuk kondisi

beban ideal

36

TERIMA KASIH

boiler/ketel

Engineering