Dasar-dasar Ketel Uap

Dasar-dasar Ketel Uap

Ketel uap adalah wadah tertutup di mana air dipanaskan di bawah kondisi yang terkendali untuk mengubahnya menjadi uap. Boiler pada dasarnya adalah alat penukar panas dimana panas dipindahkan ke air. Hal ini juga kadang-kadang disebut pembangkit uap. Energi panas untuk memanaskan air disuplai baik oleh bahan bakar (Gas, cair atau padat) atau oleh energi limbah yang tersedia dari berbagai proses industri. Terkadang energi matahari juga digunakan untuk produksi uap. Steam yang dihasilkan dalam boiler dapat berupa tekanan rendah, tekanan sedang atau tekanan tinggi. Dalam konteks industri, uap yang dihasilkan digunakan sebagai uap proses dalam berbagai proses industri atau untuk menggerakkan turbin untuk produksi listrik. Setiap boiler dirancang untuk mentransfer energi panas sebanyak mungkin ke air yang terkandung dalam boiler. Energi panas berpindah secara konduksi, konveksi dan radiasi. Persentase relatif dari masing-masing tergantung pada jenis boiler, permukaan perpindahan panas yang dirancang dan bahan bakar yang menggerakkan pembakaran.

Pada dasarnya ada dua jenis boiler. Mereka adalah ketel pipa api dan ketel pipa air.

Ketel pipa api terdiri dari sejumlah pipa yang dilalui gas panas. Tabung gas panas ini direndam ke dalam air, dalam bejana tertutup. Dalam ketel ini satu bejana atau cangkang tertutup berisi air, yang melaluinya tabung gas panas dilewatkan. Tabung gas panas ini memanaskan air dan mengubah air menjadi uap dan uap tetap berada di bejana yang sama. Ketel pipa api umumnya digunakan untuk kapasitas uap yang relatif kecil dan tekanan uap rendah hingga sedang. Boiler ini kompak, konstruksinya dikemas dan lebih murah.

Ketel pipa air adalah jenis ketel di mana air dipanaskan di dalam tabung dan gas panas mengelilinginya. Ini adalah kebalikan dari boiler tabung api. Pada boiler ini, air umpan boiler mengalir melalui pipa-pipa dan masuk ke drum boiler. Air yang disirkulasikan dipanaskan oleh gas pembakaran dan diubah menjadi uap di ruang uap di dalam drum. Ketel ini digunakan ketika permintaan uap serta persyaratan tekanan uap tinggi seperti dalam kasus ketel yang dibutuhkan untuk memenuhi kebutuhan uap untuk proses industri serta untuk pembangkit listrik. Fitur boiler tabung air meliputi (i) ketentuan rancangan paksa, induksi dan seimbang yang membantu meningkatkan efisiensi pembakaran (ii) toleransi yang lebih rendah terhadap kualitas air sehingga diperlukan untuk instalasi pengolahan air, dan (iii) tingkat efisiensi termal yang lebih tinggi.

Komponen sistem boiler

Komponen utama dari sistem boiler adalah water treatment plant, boiler feed water heater, deaerator, feed pump, economizer, superheater, attemperator, steam system, condenser dan condensate pump. Selain itu, ada set kontrol untuk memantau aliran air dan uap, aliran bahan bakar, aliran udara, dan penambahan perlakuan kimia. Skema diagram alir pabrik boiler ditunjukkan pada Gambar 1

                                                                Gambar 1 Skema diagram alir pabrik boiler

Secara garis besar sistem boiler terdiri dari sistem air umpan, sistem steam dan sistem bahan bakar. Sistem air umpan menyediakan air olahan ke boiler dan mengaturnya secara otomatis untuk memenuhi kebutuhan uap. Sistem steam mengumpulkan dan mengontrol steam yang dihasilkan dalam boiler. Uap dialirkan melalui sistem perpipaan ke titik penggunaan. Sistem bahan bakar mencakup semua peralatan yang digunakan untuk menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas yang diperlukan. Peralatan yang dibutuhkan tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan.

Sistem air umpan

Air umpan adalah air yang disuplai ke boiler yang diubah menjadi uap. Dua sumber air umpan adalah kondensat atau uap yang terkondensasi yang dikembalikan dari proses dan air rias yang merupakan air yang diolah dari instalasi pengolahan air. Komponen utama sistem air umpan adalah sebagai berikut.

Pemanas air umpan – Efisiensi boiler ditingkatkan dengan ekstraksi panas buangan dari uap bekas untuk memanaskan air umpan boiler. Pemanas adalah penukar panas tipe shell and tube dengan air umpan di sisi tabung dan uap di sisi shell. Kondensat dikembalikan ke tangki penyimpanan kondensat atau sumur panas kondensat.

Deaerator – Air umpan sering kali memiliki oksigen terlarut di dalamnya pada tingkat yang tidak diinginkan, yang berasal dari kebocoran udara dari kondensor, segel pompa, atau dari kondensat itu sendiri. Oksigen dihilangkan secara mekanis dalam deaerator. Deaerator bekerja berdasarkan prinsip bahwa oksigen semakin berkurang kelarutannya saat suhu dinaikkan. Ini dilakukan dengan melewatkan uap melalui air umpan.

Penghemat – Penghemat adalah tahap terakhir dari sistem air umpan. Mereka dirancang untuk mengekstrak nilai panas dari gas buang untuk memanaskan uap dan meningkatkan efisiensi boiler. Mereka adalah penukar panas tabung bersirip sederhana. Penghemat air umpan mengurangi kebutuhan bahan bakar dengan mentransfer panas dari gas buang ke air yang masuk.

Sistem uap

Sistem steam terdiri dari steam dan mud drum, tabung boiler, superheater, attemperator, dan sistem kondensat.

Steam dan mud drum – Steam drum adalah drum bagian atas dari water tube boiler dimana terjadi pemisahan air dan steam. Steam drum berisi elemen internal untuk pemasukan air umpan, injeksi kimia, penghilangan blow down, kontrol level, dan pemisahan air steam. Air umpan masuk ke steam drum dari economizer. Uap mengalir keluar dari bagian atas drum melalui pemisah uap. Outlet uap biasanya lepas landas dari drum ini ke drum yang lebih rendah dengan satu set tabung riser dan down comer. Drum bawah yang disebut drum lumpur adalah tangki di bagian bawah boiler yang menyamakan distribusi air ke tabung pembangkit dan mengumpulkan padatan seperti garam yang terbentuk dari kekerasan dan silika.

Tabung boiler – Tabung boiler dibuat dari baja karbon berkekuatan tinggi. Tabung dilas untuk membentuk dinding tabung yang kontinu. Biasanya lebih dari satu bank tabung digunakan. Tabung adalah yang paling rentan terhadap kegagalan karena masalah aliran atau masalah deposisi korosi.

Superheater- Uap ketika meninggalkan boiler jenuh karena berada dalam kesetimbangan dengan air pada tekanan dan suhu boiler. Tujuan dari superheater adalah untuk menghilangkan semua kadar air dari uap dengan menaikkan suhu uap di atas titik jenuhnya. Superheater menambahkan energi ke uap keluar boiler. Energi tambahan menaikkan suhu dan kandungan panas uap di atas titik jenuh. Uap super panas memiliki volume spesifik yang lebih besar.

Attemperators – Attemperator mengontrol tingkat superheat. Attemperation adalah proses desuperheating parsial steam dengan mengontrol injeksi air ke dalam aliran steam superheated. Biasanya air umpan boiler digunakan untuk temperatur.

Sistem kondensat – Kondensat dari berbagai sistem penukar panas dikembalikan ke boiler sebagai bagian dari air umpan. Namun kondensat harus dipantau secara ketat untuk pH dan masuknya oksigen dan perawatan kondensat yang tepat harus diterapkan.

Sistem bahan bakar

Sistem umpan bahan bakar memainkan peran penting dalam kinerja boiler. Fungsi utama mereka termasuk transfer bahan bakar ke boiler dan mendistribusikan bahan bakar di dalam boiler untuk mempromosikan pembakaran yang seragam dan sempurna. Jenis bahan bakar mempengaruhi fitur operasional sistem bahan bakar. Sistem umpan bahan bakar membentuk komponen yang paling signifikan dari sistem boiler. Bahan bakar harus disiapkan untuk pembakaran dan diangkut ke boiler. Sistem pembakaran adalah untuk memastikan stabilitas nyala api pada berbagai laju aliran dengan menciptakan kondisi yang menguntungkan untuk pengapian bahan bakar dan membangun kondisi aerodinamis yang memastikan pencampuran yang baik antara udara pembakaran primer dan bahan bakar. Burner adalah elemen utama untuk sistem pembakaran yang efektif.

Efisiensi ketel uap

Dalam ketel uap beberapa kehilangan energi terjadi yang meliputi pembakaran tidak sempurna, kehilangan radiasi yang terjadi dari ketel uap yang mengelilingi dinding, panas yang dibawa oleh gas buang dll. Efisiensi ketel uap memberikan indikasi kerugian ini. Efisiensi ketel uap adalah persentase total panas yang dikeluarkan oleh uap keluar dari total panas yang disuplai oleh bahan bakar seperti yang diberikan di bawah ini.

Efisiensi ketel uap meliputi efisiensi termal, efisiensi pembakaran &efisiensi bahan bakar hingga efisiensi uap. Efisiensi ketel uap bergantung pada banyak faktor yang mencakup ukuran ketel, jenis ketel, desain ketel, dll.

Klasifikasi ketel uap

Berdasarkan desain dan konstruksinya, ketel uap terutama diklasifikasikan sebagai berikut.

Ketel bahan bakar bubuk – Sebagian besar pembangkit listrik tenaga batu bara dan ketel pipa air industri menggunakan batu bara bubuk. Teknologi ini berkembang dengan baik, dan menyumbang lebih dari 90% dari kapasitas berbahan bakar batubara. Batubara digiling menjadi bubuk halus, sehingga kurang dari 2% adalah +300 mikron (?m) dan 70-75% di bawah 75 mikron untuk batubara bituminus. Batubara bubuk dihembuskan dengan sebagian udara pembakaran ke dalam boiler melalui serangkaian nozel burner. Udara sekunder dan tersier juga dapat ditambahkan. Pembakaran berlangsung pada suhu dari 1300-1700 derajat C, sangat tergantung pada kadar batubara. Waktu tinggal partikel dalam boiler biasanya 2 sampai 5 detik, dan partikel harus cukup kecil agar pembakaran sempurna terjadi selama waktu ini. Sistem ini memiliki banyak keunggulan seperti kemampuan untuk membakar batubara dengan kualitas yang bervariasi, respon yang cepat terhadap perubahan beban, penggunaan suhu udara pra panas yang tinggi, dll.

Ketel pembakaran unggun terfluidisasi – Dalam ketel pembakaran unggun terfluidisasi (FBC), sistem pembakaran dirancang berdasarkan pembakaran unggun terfluidisasi. Ini memiliki keunggulan signifikan dibandingkan sistem pembakaran konvensional dan menawarkan banyak manfaat seperti desain boiler yang ringkas, fleksibilitas bahan bakar, efisiensi pembakaran yang lebih tinggi, dan pengurangan emisi polutan berbahaya seperti SOx dan NOx. Bahan bakar yang dibakar dalam boiler ini termasuk batu bara, limbah pencucian, sekam padi, ampas tebu, dan limbah pertanian lainnya.

Dalam boiler ini, pembakaran unggun terfluidisasi (FBC) terjadi pada sekitar 840 hingga 950 derajat C. Karena suhu ini jauh di bawah suhu fusi abu, pencairan abu dan masalah terkait dapat dihindari. Temperatur pembakaran yang lebih rendah dicapai karena koefisien perpindahan panas yang tinggi karena pencampuran yang cepat dalam unggun terfluidisasi dan ekstraksi panas yang efektif dari unggun melalui tabung perpindahan panas di dalam unggun dan dinding unggun. Kecepatan gas dipertahankan antara kecepatan fluidisasi minimum dan kecepatan entrainment partikel. Ini memastikan operasi unggun yang stabil dan menghindari masuknya partikel dalam aliran gas. Ada tiga jenis boiler unggun terfluidisasi. Mereka adalah (i) boiler pembakaran unggun terfluidisasi atmosfer (AFBC), (ii) boiler pembakaran unggun terfluidisasi sirkulasi atmosfer (CFBC), dan (iii) boiler pembakaran unggun terfluidisasi bertekanan (PFBC).

Boiler pembakaran unggun terfluidisasi atmosfer – Pada boiler jenis ini, batubara dihancurkan dengan ukuran 1 – 10 mm tergantung pada peringkat batubara, jenis bahan bakar yang diumpankan ke ruang bakar. Udara atmosfer, yang bertindak baik sebagai fluidisasi dan udara pembakaran, disampaikan pada tekanan, setelah dipanaskan oleh gas bahan bakar buang. Tabung di tempat tidur yang membawa air umumnya bertindak sebagai evaporator. Produk gas pembakaran melewati bagian pemanas super dari boiler yang mengalir melewati economizer, pengumpul debu, dan pemanas awal udara sebelum dibuang ke atmosfer.

Boiler pembakaran unggun terfluidisasi sirkulasi atmosfer – Dalam sistem sirkulasi, parameter unggun dijaga sedemikian rupa untuk mendorong elutriasi padatan dari unggun. Elutriasi adalah proses di mana partikel halus dilakukan dari unggun terfluidisasi karena laju aliran fluida yang melewati unggun. Partikel diangkat dalam fase yang relatif encer dalam padatan riser, dan down-comer dengan siklon menyediakan jalur kembali untuk padatan. Tidak ada tabung pembangkit uap yang dibenamkan di tempat tidur. Pembangkitan dan pemanasan super uap terjadi di bagian konveksi, dinding air dan di pintu keluar riser. Boiler CFBC umumnya lebih ekonomis daripada boiler AFBC untuk aplikasi industri yang membutuhkan lebih dari 75 – 100 ton/jam steam.

Boiler pembakaran unggun terfluidisasi bertekanan – Dalam boiler ini kompresor memasok udara paksa dan ruang bakar adalah bejana tekan. Laju pelepasan panas di unggun sebanding dengan tekanan unggun dan karenanya unggun dalam digunakan untuk mengekstraksi panas dalam jumlah besar. Hal ini meningkatkan efisiensi pembakaran dan penyerapan sulfur dioksida di tempat tidur. Uap dihasilkan dalam dua bundel tabung, satu di tempat tidur dan satu di atasnya. Gas buang panas menggerakkan turbin gas pembangkit listrik. Sistem PFBC dapat digunakan untuk kogenerasi (uap dan listrik) atau pembangkit listrik siklus gabungan. Operasi siklus gabungan (turbin gas &turbin uap) meningkatkan efisiensi konversi secara keseluruhan sebesar 5 hingga 8%.

Ketel limbah panas – Di mana pun limbah panas tersedia pada suhu sedang atau tinggi, ketel limbah panas dipasang untuk menghasilkan uap secara ekonomis. Uap dapat diturunkan dalam satu set generator turbin uap dan daya yang dihasilkan darinya. Ini banyak digunakan dalam pemulihan panas dari gas buang.