Memahami Boiler Uap: Dasar-dasar dan Aplikasi

Dasar-dasar Boiler Uap

Boiler uap adalah wadah tertutup di mana air dipanaskan dalam kondisi yang terkontrol untuk mengubahnya menjadi uap. Boiler pada dasarnya adalah heat exchanger di mana panas ditransfer ke air. Ini juga terkadang disebut steam generator. Energi termal untuk memanaskan air disuplai oleh bahan bakar (Gas, cair atau padat) atau oleh energi limbah yang tersedia dari berbagai proses industri. Kadang-kadang energi surya juga digunakan untuk produksi uap. Uap yang dihasilkan di boiler dapat bertekanan rendah, medium atau 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 sebanyak mungkin energi termal ke air yang terkandung dalam boiler. Energi panas ditransfer oleh konduksi, konveksi dan radiasi. Persentase relatif dari setiap itu bergantung pada jenis boiler, permukaan transfer panas yang dirancang dan bahan bakar yang mempelopori pembakaran.

Jenis Boiler

Ada terutama dua jenis boiler. Mereka adalah fire tube boiler dan water tube boiler.

Fire tube boiler terdiri dari sejumlah tabung di mana gas panas dilewatkan. Tabung gas panas ini direndam dalam air, dalam wadah tertutup. Dalam boiler ini satu wadah tertutup atau cangkang berisi air, melalui tabung gas panas dilewatkan. Tabung gas panas ini memanaskan air dan mengubah air menjadi uap dan uap tetap berada di wadah yang sama. Fire tube boiler biasanya digunakan untuk kapasitas uap yang relatif kecil dan tekanan uap rendah hingga medium. Boiler ini kompakt, konstruksi packaged dan lebih murah.

Water tube boiler adalah jenis boiler di mana air dipanaskan di dalam tabung dan gas panas melingkarinya. Ini berlawanan dengan fire tube boiler. Dalam boiler ini, feed water boiler mengalir melalui tabung dan masuk ke drum boiler. Air yang tertirrasi dipanaskan oleh gas pembakaran dan diubah menjadi uap di ruang vapor di drum. Boiler ini digunakan ketika permintaan uap dan persyaratan tekanan uap tinggi seperti dalam kasus boiler yang diperlukan untuk memenuhi kebutuhan uap untuk proses industri serta untuk pembangkit listrik. Fitur water tube boiler meliputi (i) persediaan draft yang dipaksa, diinduksi dan seimbang yang membantu meningkatkan efisiensi pembakaran (ii) toleransi yang lebih rendah terhadap kualitas air sehingga diperlukan pabrik pengolahan air, dan (iii) tingkat efisiensi termal yang lebih tinggi.

Komponen Sistem Boiler

Komponen utama sistem boiler adalah pabrik pengolahan air, pemanas feed water boiler, deaerator, pompa feed, economizer, superheater, attemperator, sistem uap, kondensor dan pompa kondensat. Selain itu, ada serangkaian kontrol untuk memantau aliran air dan uap, aliran bahan bakar, aliran udara dan penambahan perawatan kimia. Skematis diagram alir pabrik boiler ditunjukkan dalam Fig 1

Fig 1 Schematic of boiler plant flow diagram

Secara luas sistem boiler terdiri dari sistem feed water, sistem uap dan sistem bahan bakar. Sistem feed water menyediakan air yang telah diolah ke boiler dan mengaturnya secara otomatis untuk memenuhi permintaan uap. Sistem uap mengumpulkan dan mengontrol uap yang dihasilkan di boiler. Uap diarahkan melalui sistem piping ke titik penggunaan. Sistem bahan bakar mencakup semua peralatan yang digunakan untuk menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas yang diperlukan. Peralatan yang diperlukan bergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan.

Sistem Feed Water

Feed water adalah air yang diumpankan ke boiler yang diubah menjadi uap. Dua sumber feed water adalah kondensat atau uap tercondensasi yang dikembalikan dari proses dan air makeup yang merupakan air yang telah diolah dari pabrik pengolahan air. Komponen utama sistem feed water adalah sebagai berikut.

Pemanas feed water – Efisiensi boiler ditingkatkan dengan ekstraksi panas limbah dari uap yang sudah dipakai untuk memanaskan feed water boiler. Pemanas adalah heat exchanger jenis shell dan tube dengan feed water di sisi tabung dan uap di sisi cangkang. Kondensat dikembalikan ke tangki penyimpanan kondensat atau kolam kondensat panas.

Deaerators – Feed water seringkali memiliki oksigen terlarut pada tingkat yang tidak diinginkan, yang berasal dari kebocoran udara dari kondensor, seal pompa, atau dari kondensat itu sendiri. Oksigen dikeluarkan secara mekanis dalam deaerator. Deaerator bekerja berdasarkan prinsip bahwa oksigen semakin larut seiring dengan kenaikan suhu. Ini dilakukan dengan melewatkan uap melalui feed water.

Economizers – Economizers adalah tahap terakhir dari sistem feed water. Mereka dirancang untuk mengekstrak nilai panas dari gas buang untuk memanaskan uap dan meningkatkan efisiensi boiler. Mereka adalah heat exchanger tabung sirip sederhana. Pemanas feed water mengurangi kebutuhan bahan bakar dengan mentransfer panas dari gas buang ke air masuk.

Sistem Uap

Sistem uap terdiri dari drum uap dan lump, tabung boiler, super heater, attemperator, dan sistem kondensat.

Drum uap dan lump – Drum uap adalah drum atas dari water tube boiler di mana pemisahan air dan uap terjadi. Drum uap mengandung elemen internal untuk entri feed water, injeksi kimia, pengeluaran blow down, kontrol level, dan pemisahan air uap. Feed water masuk ke drum uap dari economizer. Uap keluar dari atas drum melalui pemisah uap. Keluaran uap biasanya diambil dari drum ini ke drum bawah dengan sekumpulan tabung riser dan down comer. Drum bawah yang disebut lump drum adalah tangki di dasar boiler yang menyamakan distribusi air ke tabung generating dan mengumpulkan solid seperti garam yang terbentuk dari kekerasan dan silika.

Tabung boiler – Tabung boiler terbuat dari carbon steel berkuat tahan tinggi. Tabung diweld untuk membentuk dinding tabung kontinu. Biasanya lebih dari satu bank tabung digunakan. Tabung paling rentan terhadap kegagalan karena masalah aliran atau masalah deposit korosi.

Superheater- Uap saat meninggalkan boiler adalah saturated karena berada dalam kesetimbangan dengan air pada tekanan dan suhu boiler. Tujuan superheater adalah untuk menghapus semua kandungan kelembaban dari uap dengan meningkatkan suhu uap di atas titik saturasi. Superheater menambahkan energi ke uap keluar boiler. Energi tambahan meningkatkan suhu dan konten panas uap di atas titik saturasi. Uap superheated memiliki specific volume yang lebih besar.

Attemperators – Attemperators mengontrol tingkat superheat. Attemperation adalah proses desuperheating parsial uap dengan injeksi kontrol air ke dalam aliran uap superheated. Biasanya feed water boiler digunakan untuk attemperation.

Sistem kondensat – Kondensat dari berbagai sistem heat exchanger dikembalikan ke boiler sebagai bagian dari feed water. Namun kondensat harus dipantau dengan ketat untuk pH dan masuknya oksigen dan perawatan kondensat yang tepat harus diterapkan.

Sistem Bahan Bakar

Sistem pakan bahan bakar memainkan peran kritis dalam kinerja boiler. Fungsi utamanya termasuk transfer bahan bakar ke dalam boiler dan distribusi bahan bakar di dalam boiler untuk mempromosikan pembakaran yang seragam dan lengkap. Jenis bahan bakar mempengaruhi fitur operasional sistem bahan bakar. Sistem pakan bahan bakar membentuk komponen paling signifikan dari sistem boiler. Bahan bakar harus disiapkan untuk pembakaran dan diangkut ke boiler. Sistem pembakaran harus memastikan stabilitas nyala dalam rentang laju aliran yang luas dengan menciptakan kondisi yang menguntungkan untuk ignisi bahan bakar dan menetapkan kondisi aerodinamis yang memastikan campuran yang baik antara udara pembakaran primer dan bahan bakar. Burner adalah elemen pusat untuk sistem pembakaran yang efektif.

Efisiensi Boiler Uap

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

Efisiensi boiler uap termasuk efisiensi termal, efisiensi pembakaran & efisiensi bahan bakar ke uap. Efisiensi boiler uap bergantung pada banyak faktor yang termasuk ukuran boiler, jenis boiler, desain boiler dll.

Klasifikasi Boiler Uap

Berdasarkan desain dan konstruksi, boiler uap terutama diklasifikasikan sebagai berikut.

Pulverized fuel boiler – Sebagian besar stasiun pembangkit listrik bakar batu bara dan boiler water tube industri menggunakan serbuk batu bara. Teknologi ini sudah berkembang baik, dan mencakup lebih dari 90 % kapasitas bakar batu bara. Batu bara digiling menjadi bubuk halus, sehingga kurang dari 2 % adalah +300 mikron (?m) dan 70-75 % di bawah 75 mikron untuk batu bara bituminous. Serbuk batu bara ditiup dengan sebagian udara pembakaran ke dalam boiler melalui serangkaian nozel burner. Udara sekunder dan tersier juga dapat ditambahkan. Pembakaran terjadi pada suhu 1300-1700 derajat C, tergantung besarnya pada grade batu bara. Waktu tinggal partikel dalam boiler biasanya 2 hingga 5 detik, dan partikel harus cukup kecil agar pembakaran lengkap telah terjadi selama waktu ini. Sistem ini memiliki banyak keuntungan seperti kemampuan untuk membakar batu bara kualitas yang bervariasi, respons cepat terhadap perubahan beban, penggunaan suhu udara panah yang tinggi dll.

Fluidized bed combustion boiler – Dalam boiler fluidized bed combustion (FBC) sistem pembakaran dirancang berdasarkan fluidized bed combustion. Ini memiliki keuntungan signifikan dibandingkan sistem pembakaran konvensional dan menawarkan manfaat yang beragam seperti desain boiler yang kompakt, fleksibilitas bahan bakar, efisiensi pembakaran yang lebih tinggi dan pengurangan emisi polutan beracun seperti SOx dan NOx. Bahan bakar yang dibakar dalam boiler ini meliputi batu bara, sisa cuci, sekam padi, bagasse dan limbah pertanian lainnya.

Dalam boiler ini, fluidized bed combustion (FBC) terjadi pada suhu sekitar 840 hingga 950 derajat C. Karena suhu ini jauh di bawah suhu leleh abu, lelehnya abu dan masalah terkait dihindari. Suhu pembakaran yang lebih rendah dicapai karena koefisien transfer panas yang tinggi karena campuran yang cepat dalam fluidized bed dan ekstraksi panas yang efektif dari bed melalui tabung transfer panas dalam bed dan dinding bed. Kecepatan gas dipertahankan antara kecepatan fluidisasi minimum dan kecepatan penangkapan partikel. Ini memastikan operasi bed yang stabil dan menghindari penangkapan partikel dalam aliran gas. Ada tiga jenis boiler fluidized bed. Mereka adalah (i) boiler atmospheric fluidized bed combustion (AFBC), (ii) boiler atmospheric circulating fluidized bed combustion (CFBC), dan (iii) boiler pressurized fluidized bed combustion (PFBC).

Boiler atmospheric fluidized bed combustion – Dalam tipe boiler ini batu bara dihancurkan menjadi ukuran 1 – 10 mm tergantung pada rank batu bara, jenis bahan bakar yang diumpankan ke ruang pembakaran. Udara atmosfer, yang bertindak sebagai udara fluidisasi dan pembakaran, diirim pada tekanan, setelah dipanaskan terlebih dahulu oleh gas buang bahan bakar. Tabung dalam bed yang membawa air biasanya bertindak sebagai evaporator. Produk gas pembakaran melewati bagian super heater boiler melewati economizer, pengumpul debu dan air preheater sebelum dibuang ke atmosfer.

Boiler atmospheric circulating fluidized bed combustion – Dalam sistem circulating parameter bed dipertahankan untuk mempromosikan elutriasi padatan dari bed. Elutriation adalah proses di mana partikel halus dibawa keluar dari fluidized bed karena laju aliran fluida yang melewati bed. Partikel diangkat dalam fase relatif encap dalam riser padatan, dan down-comer dengan cyclone menyediakan jalur kembali untuk padatan. Tidak ada tabung generasi uap yang direndam dalam bed. Generasi dan superheating uap terjadi di bagian konveksi, water walls dan di exit riser. Boiler CFBC umumnya lebih ekonomis daripada boiler AFBC untuk aplikasi industri yang memerlukan lebih dari 75 – 100 ton/jam uap.

Boiler pressurized fluidized bed combustion – Dalam boiler ini kompresor menyuplai udara draft yang dipaksa dan combustor adalah wadah tekanan. Laju pembebasan panas dalam bed proporsional dengan tekanan bed dan oleh karena itu bed dalam digunakan untuk mengekstrak jumlah panas yang besar. Ini meningkatkan efisiensi pembakaran dan penyerapan sulfur dioxide dalam bed. Uap dihasilkan di dua bundel tabung, satu dalam bed dan satu di atasnya. Gas buang panas menggerakkan gas turbine pembangkit listrik. Sistem PFBC dapat digunakan untuk cogeneration (uap dan listrik) atau pembangkit listrik combined cycle. Operasi combined cycle (gas turbine & steam turbine) meningkatkan efisiensi konversi keseluruhan sebesar 5 hingga 8 %.

Waste heat boiler – Di mana pun panas limbah tersedia pada suhu medium atau tinggi, boiler panas limbah dipasang untuk menghasilkan uap secara ekonomis. Uap dapat diturunkan dalam unit turbin uap-generator dan daya dihasilkan darinya. Ini digunakan secara luas dalam pemulihan panas dari gas buang.