Vol. 2 No. 2 (2021) Agustus 2021

## ANALISIS PEMBAKARAN PADA BOILER KAPASITAS 260 TON/JAM DENGAN MENGGUNAKAN BAHAN BAKAR GAS ANALYSIS COMBUSTION A BOILER WITH CAPACITY OF 260 TON/HOUR USING GAS FUEL
B. Pakpahan*, C. Silalahi, D. Gultom, E. Sihombing, J. Simanjuntak, L. Munthe, P. Panjaitan, R. Lubis
*Jurusan Teknik Mesin, Program Studi Teknik Konversi Energi, Politeknik Negeri Medan
Jl. Almamater No.1, Padang Bulan, Kec. Medan Baru, Kota Medan, Sumatera Utara 20155 Email korespondensi: beautypakpahan07@gmail.com

## ABSTRAK
Gas alam adalah semua jenis bahan bakar yang berbentuk gas yang termasuk golongan bahan bakar fosil. Salah satu penggunaan gas alam yang tersedia di Indonesia adalah sebagai bahan bakar utama untuk boiler pada pembangkit listrik tenaga uap (PLTU). Gas alam yang berasal dari ladang gas mengandung hingga 75%-98% metana yang mengandung nilai kalor terendah atau low  heating  value (LHV)  36,600  kJ  /  Nm 3 -54,400  kJ  /  Nm 3 .  Pada  Pembangkit  Listrik Tenaga  Uap  (PLTU)  unit  4  di  PT  PLN  (Persero)  Unit  Pelaksana  Pembangkitan  Belawan menggunakan bahan bakar gas sebagai bahan bakar pada boiler nya yang secara aktual untuk menghasilkan  uap  260.000  kg/jam  dengan  bahan  bakar  gas  dengan  temperatur  air  umpan 100 dengan  tekanan  kerja  60  bar  dan temperatur  uap  lanjut  500 dengan  efisiensi boiler 78% menghabiskan bahan bakar 114.600,192 kg/jam atau sama dengan 114,6 ton/jam.
Keywords : Gas alam, boiler , pembakaran, dan laju bahan bakar

## ABSTRACT
Coal, crude oil, and natural gas are all considered fossil fuels because they were formed from the  buried  remains  of  plants  and  animals  that  lived  millions  of  years  ago.  Natural  gas  in Indonesia is as the main fuel for boilers in steam power plants (PLTU). Natural gas from gas fields  contains  up  to  75%  -98%  methane  which  contains  the  lowest  heating  value  (LHV)  of 36,600 kJ / Nm 3 -54,400 kJ / Nm 3 . At unit 4 Steam Power Plant (PLTU) at PT PLN (Persero) the  Belawan  Power  Plant  Executing  Unit  uses  natural  gas  as  fuel  in  its  boiler  to  actually produce 260,000 kg / hour of steam with gas fuel with feed water temperature of 100 with 60 bar working pressure and a further vapor temperature of 500 with a boiler efficiency of 78% consuming 114,600,192 kg / hour of fuel or equal to 114.6 tons/hour.
Keywords: Natural gas, boiler, combustion and fuel rate

## PENDAHULUAN
Gas alam  adalah semua jenis  bahan bakar  yang berbentuk gas, biasanya bahan bakar gas ini termasuk  golongan  bahan  bakar  fosil.  Gas  alam  berasal  dari tambang  gas  atau  minyak  juga. Metana  adalah  komponen  utama  gas  alam.  Hal  ini  disertai  dengan  beberapa  hidrokarbon lainnya  dan  gas  tidak  mudah  terterbakar.  Gas  dari  ladang  gas  mengandung  hingga  75-98% metana.  Gas  alam  yang  berasal  dari ladang  minyak  mengandung  30-70%  metana.  Gas  alam
memiliki nilai pemanasan yang tinggi. Lebih rendah nilai kalor (LHV) adalah 36,600-54,400 kJ / Nm 3 (Triyatno J., 2018; Yohana, E dan Askhabulyamin, 2012).
Adapun jenis-jenis gas pada umumnya yaitu gas bumi atau gas alam, gas tanus kokas, gas produser, dan gas air atau gas biru. Dari semua jenis-jenis gas tersebut gas yang dipakai untuk pembakaran pada boiler adalah gas alam atau gas bumi atau yang lebih dikenal dengan natural gas yang sudah diregasifikasi (Manunggal dan Slameto, 2019). Pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) unit 4 di PT PLN (Persero) Unit Pelaksana Pembangkitan Belawan menggunakan bahan bakar gas sebagai bahan bakar pada boiler nya. Sehingga penulis mengkaji bagaimana itu proses  pembakaran  pada boiler dengan  bahan  bakar  gas  dengan  menganalisis  penggunaan bahan bakar gas.

## METODE PENELITIAN
Spesifikasi  alat  dan  bahan  bakar  pada boiler yang  akan  dibahas  pada  tugas  akhir  ini  sesuai dengan data yang terdapat pada PLTU UPK Belawan Unit 4 pada Gambar 1. sebagai berikut (Sulzer, Manual Book: General Remarks, 1991):
Merek : Sulzer Jenis : boiler pipa air ( water tube boiler ). Temperatur Uap : 500 Kapasitas Boiler : 260 Ton uap/Jam Temperatur Air Pengisi Boiler : 80 - 100 Temperatur Udara : 30 at inlet boiler Bahan Bakar : Liquid Natural Gas (LNG) Listrik : 50 Hz, 3 Phase, 220/380 Volt Tekanan Kerja : 60 Bar Efisiensi Boiler : 78%
Gambar 1. Boiler pada PLTU Unit Pembangkitan Belawan Sumber: PT PLN (Persero) UPK Belawan, 2019)

## Data bahan bakar
Ada  berbagai  jenis  bahan  bakar  yang  sering  dijumpai  di  berbagai  pembangkit  yaitu  berupa bahan  bakar  padat  (contohnya  batu  bara,  kayu  dan  lain-lain),  bahan  bakar  cair  (contohnya minyak)  dan  bahan  bakar  gas  (Budi  S.  N.  2014).  Sedangkan  bahan  bakar  yang  digunakan pada boiler di  PLTU  UPK  Belawan  Unit  4  adalah  gas  dengan  jenis Liquified  Natural Gas (LNG)  dengan  jumlah  kandungan  unsur  yang  dapat  dilihat  dari  Tabel  1  (PT  PLN  (Persero) UPK Belawan, 2019).
Tabel 1 persentase kandungan unsur Liquified Natural Gas (LNG) Unsur Rumus Kimia Jumlah (%) Methane CH 4 90.2627 Ethane C 2 H 6 3.90950 Propane C 3 H 8 1.12620 I-Butane C 4 H 10 0.2619 N-Butane C 4 H 10 0.3127 Neo-Pentane C 5 H 12 0.0000 I-Pentane C 5 H 12 0.1112 N-Pentane C 5 H 12 0.0597 Nitrogen N 2 0.6212 Karbon Dioksida CO 2 3.3100 Hidrogen Sulfida H 2 S 0.0000 Hidrogen H 2 O 0.0000 Hexane C 6 H 14 0.0000 Heptane C 7 H 16 0.0000 Octane C 8 H 18 0.0000 Nonane C 9 H 20 0.0000 Decane C 10 H 22 0.0000

## Kebutuhan Bahan Bakar
Banyaknya  bahan  bakar  yang  dibutuhkan  untuk  menghasilkan  uap  dapat  diperoleh  dengan persamaan sebagai berikut (Triyatno. J., 2018):
̇ ̇
(1)
Dimana:
̇ = laju pemakaian bahan bakar [kg/jam] ̇ = kapasitas produksi uap [kg/jam]
= entalpi air umpan [kJ/kg] = entalpi uap panas lanjut [kJ/kg]
= efisiensi boiler

## Proses pembakaran
Pembakaran dapat terjadi apabila terdapat oksigen yang kontak langsung dengan bahan bakar, serta  temperatur  bahan  bakar  dapat  diebabkan  oleh  tekanan  atau  reaksi  kimia  yang menghasilkan panas. Kecepatan pembakaran dan efisiensi pembakaran akan tergantung pada 3T, yaitu (Sinaga, R.D., 2015):
1. Time (Waktu)
Setiap  reaksi  kimia  memerlukan  waktu  tertentu  untuk  pembakaran  bahan  bakar  harus diusahakan tetap berada pada zona pembakaran di dalam ruang bakar pada waktu yang cukup seluruh bahan bakar akan terbakar dengan sempurna.
2. Temperatur
Agar  proses  pembakaran  suatu  zat  dapat  terjadi,  maka  temeratur  dari  zat  tersebut  harus berada pada suatu harga tertentu yang cukup untuk memulai terjadinya proses pembakaran.
3. Turbulensi Oksigen di dalam udara yang dialirkan ke ruang bakar ada kemungkinan dapat langsung mengalir  ke  cerobong  tanpa  kontak  dengan  bahan  bakar.  Hal  semacam  ini  dapat dihindari dengan cara memusarkan aliran udaranya. Turbulensi udara akan membentuk percampuran  yang  baik  antara  udara  dan  bahan  bakar  sehingga  akan  diperoleh  proses pembakaran yang sempurna.

## Reaksi pembakaran
Reaksi pembakaran yang terjadi pada boiler adalah (Sinaga, R.D., 2015):
1. Reaksi pembakaran dengan menggunakan gas metana adalah
CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O + 37.705,49 kJ/m 3 (2)
2. Reaksi pembakaran dengan menggunakan gas hidrogen adalah H 2 O + 0,5O 2 H 2 O +12.079,17 kJ/m 3 (3) 3. Reaksi pembakaran dengan menggunakan bahan bakar karbon dioksida CO 2 + 0,5O 2 CO 2 + 11.945.04 kJ/m 3 (4) 4. Reaksi pembakaran dengan menggunakan bahan bakar hidrogen sulfida H 2 S + 0,5O 2 SO 2 + H 2 O +23.957,14kJ/m 3 (5)

## Nilai kalor
Nilai kalor yang terjadi pada boiler adalah (Syamsir A. M., 1988):
1. Nilai Kalor ( Heating Value ) pada Bahan Bakar Gas Nilai  panas  (kalor)  dapat  didefenisikan  sebagai  energi  panas  yang  dilepaskan  pada waktu terjadi oksidasi unsur-unsur kimia yang terdapat dalam bahan bakar.  Nilai kalor itu sendiri terbagi atas dua bagian yaitu:
2. Nilai Kalor Tertinggi ( High Heating Value atau HHV)
Kalor  yang dihasilkan oleh pembakaran sempurna satu satuan berat bahan bakar padat atau  cair,  atau  satuan  volume  bahan  bakar  gas,  pada  tekanan  dan  temperatur  yang konstan,  apabila  air  yang  mula-mula  berwujud  cair  setelah  pembakaran  kembali menjadi cair
HHV = 33950.C + 144200 + 9400.S (6) 3. Nilai Kalor Terendah ( Low Heating Value atau LHV)
Merupakan  nilai  kalor  bahan  bakar  tanpa  panas  laten  yang  berasal  dari  pengembunan uap  atau  air  yang  sama  besarnya  dengan  nilai  kalor  tertinggi  dikurangi  kalor  yang diperlukan  oleh  air  yang  terkandung  dalam  bahan  bakar  dan  air  yang  terbentuk  dari pembakaran LHV = HHV – 2400 (H 2 O + 9H 2 ) (7)
Namun untuk bahan bakar gas sendiri telah diketahui jumlah nilai LHV ( Low Heating Value ) atau nilai kalor terendah dan juga HHV ( High Heating Value ) atau nilai kalor tertinggi pada bahan bakar gas, hal ini dapat dilihat pada Tabel 2 (Syamsir A. M, 1988).
Tabel 2 Komposisi bahan bakar gas dalam % volume
Fuel H 2 CO CH 4 C 2 H 4 CO 2 N 2 HHV Kkal/m 3 LHV Kkal/m 3 Coal gas 27 7 48 13 3 2 7630 6920 Town gas 55 14 23 2.5 2 3.5 4670 4170 Coke ovengas 50 8 29 4 2 7 5100 4600 Blast furnace gas 4 28 - - 8 60 9700 900 Producer gas 6 23 3 0.2 5 62 1200 1150

## Kebutuhan Energi Panas
Kebutuhan  energi  panas  keluar  pada boiler dapat  dihitung  dengan  persamaan  8  sebagai berikut (Sinaga, R.D., 2015):
Q B = m u ( h u – h a ) (8)
Dimana: m u
= laju air umpan h u = entalpi spesifik keluar boiler h a = entalpi spesifik masuk boiler

## Efisiensi Boiler
Efisiensi boiler adalah perbandingan antara energi panas masuk  yang digunakan secara efektif untuk menghasilkan steam dengan supplai panas. (Syamsir A. M, 1988). Efisiensi adalah suatu tingkatan  kemampuan  kerja  dari  suatu  alat.  Sedangkan  efisiensi  pada boiler adalah  suatu prestasi kerja atau tingkat unjuk  kerja boiler yang  didapatkan dari  perbandingan antara energi yang  dipindahkan  atau  diserap  oleh  fluida  kerja  di  dalam boiler dengan  masukan  kimia  dari bahan bakar. Untuk tingkat efisiensi pada boiler efisiensinya berkisar antara 70% hingga 90% menggunakan persamaan 9 sebagai berikut (Alifiyah I.I., 2010; Djokosetyardjo, M.J., 1987):
= ̇ x 100% (9)

## HASIL DAN PEMBAHASAN Perhitungan Laju Pemakaian Bahan Bakar
Berdasarkan  data  yang  didapat  dari  PT  PLN  (Persero)  UPK  Belawan  maka  data  yang diperoleh dari lapangan antara lain:
̇ = 260.000 [kg/jam] = 78% T air umpan = 100 = 419,1 [kJ/kg] T uap panas lanjut = 500 P = 60 Bar = 3421 [kJ/kg]
Maka  laju  pemakaian  bahan  bakar  pada boiler dapat  dihitung  sebagai  berikut  (Klein  dan Alvarado, 1995):
̇ ̇
=
= 114.600,192 kg/jam = 114,6 ton/jam
Jadi  secara aktual  untuk  menghasilkan  uap  260.000  kg/jam  dengan  bahan  bakar gas  dengan temperatur  air  umpan  100 dengan  tekanan  kerja  60  bar  dan  temperatur  uap  lanjut  500 dengan  efisiensi boiler 78%  menghabiskan  bahan  bakar  114.600,192  kg/jam  atau  sama dengan 114,6 ton/jam.
Jumlah Panas Masuk pada Boiler T air umpan  = 100 ̇
= 114.600,192 kg/jam Maka: Q in = ̇ LHV = 114.600,192 kg/jam = 793.033.328,64 kJ/kg
Jumlah Panas Keluar pada Boiler
̇ = 260.000 [kg/jam]
= 419,1 [kJ/kg] (nilai entalpi didapat dari tabel uap super panas) = 3421 [kJ/kg] (nilai entalpi didapat dari tabel uap super panas) Maka:
Q B = ̇ ( = 260.000 [kg/jam] (3421 [kJ/kg] - 419,1 [kJ/kg]) = 780.494.000 kJ/kg
Efisiensi Boiler
= ̇ x 100% =
= 98,42 %

## Kebutuhan Udara Pembakaran
Komposisi udara terdiri dari kandungan nitrogen, dan oksigen dengan komposisi pada Tabel 4 sebagai berikut:
Tabel 4 Komposisi udara (Syamsir, M.A., 1988) No Komposisi % Massa % Volume 1 Oksigen (O 2 ) 23 21 2 Nitrogen (N 2 ) 77 79
Unsur-unsur kandungan bahan bakar yang terbakar yaitu:
1. Reaksi pembakaran metana
CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O + 37.705,49 kJ/m 3
Dengan  persentase  90,2627  volume  gas  metana  maka  kalor  yang  dihasilkan  dari pembakaran 1 m 3 gas metana adalah 37.705,49 x 0,902627 = 34.034 kJ
2. Reaksi pembakaran hidrogen
H 2 O + 0,5O 2 H 2 O +12.079,17 kJ/m 3
Dengan  prsentase  1,82%  volume  gas  hidrogen,  maka  kalor  yang  dihasilkan  dari pembakaran 1 m 3 gas hidrogen adalah
12.097,17 x 0.0182 = 219,84 kJ
3. Reaksi pembakaran karbon dioksida
CO 2 + 0,5O 2 CO 2 + 11.945.04 kJ/m 3
Dengan  persentase  3,310%  volume  karbon  dioksida,  maka  kalor  yang  dihasilkan  dari pembakaran 1 m 3 gas karbon dioksida adalah
11.945,04 x 0,0331 = 395,38 kJ
4. Reaksi pembakaran hidrogen sulfida
H 2 S + 0,5O 2 SO 2 + H 2 O +23.957,14kJ/m 3
Dengan  persentase  0%  volume  karbon  dioksida,  maka  kalor  yang  dihasilkan  dari pembakaran 1 m 3 gas hidrogen sulfida adalah 23.957,14 x 0 = 0 kJ Nilai kalor total yang dihasilkan dari pembakaran 1 m3 gas alam adalah Q total  = 34.034 kJ + 219,84 kJ + 395,38 kJ = 34.649,220 kJ

## KESIMPULAN
Berdasarkan analisis terhadap pembakaran pada boiler dengan menggunakan bahan bakar gas, maka penulis dapat mengambil kesimpulan sebagai berikut:
1. Prinsip  kerja  pada boiler pada  PLTU  Unit  Pembangkitan  Belawan  yaitu  dengan memanfaatkan  panas  yang  dihasilkan  di  ruang  bakar  ( furnace )  pada  fluida  kerja.  Air sebagai awal fluida kerja yang dipanaskan hingga temperatur tertentu hingga mencapai uap  kering  ( superheat  steam )  melalui  berbagai  tahap  yang  bersirkulasi  didalam  pipa- pipa boiler bahkan sampai pada boiler drum secara tertutup.
2. Secara  aktual  untuk  menghasilkan  uap  260.000  kg/jam  dengan  bahan  bakar  gas liquefied natural gas (LNG ) dengan temperatur air umpan 100 dengan tekanan kerja 60  bar  dan  temperatur  uap  lanjut  500 dengan  efisiensi boiler 78%  menghabiskan bahan bakar 114.600,192 kg/jam atau sama dengan 114,6 ton/jam

## UCAPAN TERIMAKASIH
Penulis  mengucapkan  terima  kasih  atas  dukungan  yang  diberikan  oleh  Politeknik  Negeri Medan  (POLMED).  Penulis  juga  mengucapkan  terima  kasih  pada  dosen  pembimbing  Dr. Arridina  Susan  Silitonga,  S.T.,  M.Eng.  yang  telah  banyak  memberikan  pelatihan  dan bimbingan tentang penulisan jurnal ini.

## REFERENSI
Alifiyah I.I., 2010, Analisis efisiensi sistem pembakaran pada boiler di PLTU unit III PT PJB UP  Gresik dengan metode statistical process control (SPC) dalam perhitungan efisiensi boiler , Surabaya
Budi S. N. 2014. Pemanfaatan LNG sebagai sumber energi di Indonesia dalam pendahuluan ,
PT Cipta Reka Mandiri, Jakarta
Djokosetyardjo, M.J., 1987, Ketel Uap, Pradnya Paramita, Jakarta Klein dan Alvarado, 1995, Property Table and Charts , ASHRAE Trans
Manunggal,  B.P.,  Slameto.  2019.  Studi  Sistem  Bahan  Bakar  Gas  Pada  Superheater  Untuk Pengembangan  Bahan  Bakar  Alternatif.  Jurnal  Teknik  Energi.  Vol.  9,  No.1.  64-72, POLBAN
PT  PLN  (Persero)  UPK  Belawan,  2019,  Buku  Panduan  Tenaga  Uap.  PUSDIKLAT  PLN. Medan
Sinaga, R.D., 2015. Analisis pemakaian air heater terhadap peningkatan efisiensi boiler Unit 3 PT.PLN (Persero) Sektor Belawan dalam tinjauan umum boiler , Medan Sulzer, Manual Book: General Remarks, 1991, Type: TTMC 150 – 4, PT.PLN (Persero) Unit Pembangkitan Belawan
Syamsir, M.A., 1988, Pesawat-Pesawat Konversi Energi I (Ketel Uap) , Rajawali Pers. Jakarta Triyatno.  J.,  2018,  Perbandingan  Penggunaan  Gas  Alam  Terhadap  LPG  Dalam  Memenuhi Kebutuhan Rumah Tangga di  Bontang,  Al Ulum Sains dan Teknologi, Vol.4, No.1, 14- 20. UNISKA
Yohana,  E  dan  Askhabulyamin,  2012,  Perhitungan  efisiensi  dan  konversi  dari  bahan  bakar solar  ke  gas  pada boiler Ebara  HKL  1800  KA  dalam perumusan  dan  efisiensi  ketel , Semarang