Analisa Pengaruh Excess Air Terhadap Efisiensi Pembakaran Boiler Jenis Pulverizer Coal 230 T/H
Wildan Muholad 1) , Muhammad Hasbi 2) , Nanang Endriatno 3)
¹ ) Mahasiswa Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Halu OLeo
2’3) Dosen Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Halu Oleo Jl. H.E.A. Makadompit, Kampus Hijau Bumi Tridarma Andounohu, Kendari 93232
Email: muholad @gmail.com Article Info Abstrak Available online September 10, 2021 Untuk menghemat pemakaian batubara pada PLTU (Pembangkit Listrik Tenaga Uap), maka  perlu  meningkatkan  efisiensi boiler .  Adapun  faktor  yang  bisa  mempengaruhi efisiensi boiler diantaranya adalah : flue gas temperature, fuel specification, excess air , ambient temperature, radiation dan convection losses. Dengan mengubah nilai excess air dalam hal ini persentase oksigen (4% menjadi 4,5%) akan mempengaruhi efisiensi boiler .  Merubah  nilai excess  air juga  mengakibatkan  adanya  perubahan  daya  listrik yang  digunakan  sistem  auxiliary  pada boiler .  Perhitungan  efisiensi boiler dengan metode  langsung  dengan  pengujian  sebanyak  2  kali  pada  masing-masing  nilai persentase oksigen 4% dan 4,5. Efisiensi meningkat 0,94%, dari 80,76% menjadi 81,7% pada pengujian 1 dan meningkat 1,02%, dari 90,81% menjadi 91,83% pada pengujian II. Penggunaan daya meningkat 27,959 Kw pada pengujian 1 dan meningkat 26,663 Kw saat pengujian II.
Kata kunci : Boiler, efisiensi, excess air, PLTU

## Abstract
To save on coal consumption in PLTU (Steam Power Plant), it is necessary to increase boiler  efficiency.  The  factors  that  can  affect  boiler  efficiency  include:  flue  gas temperature,  fuel  specification,  excess  air,  ambient  temperature,  radiation  and convection losses. By changing the value of  excess air in this case the percentage of oxygen (4% to 4.5%) will affect the efficiency of the boiler. Changing the value of excess air also results in a change in the electrical power used by the auxiliary system in the boiler. Calculation of boiler efficiency with the direct method by testing 2 times on each oxygen percentage value of 4% and 4.5. Efficiency increased 0.94%, from 80.76% to 81.7% in test 1 and increased 1.02%, from 90.81% to 91.83% in test II. The power usage increased by 27.959 Kw in the 1st test and increased to 26.663 Kw in the test II.
Kata kunci : Boiler, efficiency, excess air, PLTU .
1. Pendahuluan
Untuk  menghemat  pemakaian  batubara, maka perlu meningkatkan efisiensi boiler . Adapun faktor  yang  bisa  mempengaruhi  efisiensi boiler diantaranya  adalah  : flue  gas  temperature,  fuel specification,  excess  air , ambient  temperature , radiation dan convection losses .  (Cleaver  Brooks. 2010. Boiler  Efficiency  Guide ).  Didalam  buku panduan  tersebut  dijelaskan  bahwa excess  air (O 2 % pada flue gas ) dapat berpengaruh terhadap efisiensi boiler .  Semakin  besar excess  air (O 2 %)
maka  efisiensi  akan  semakin  turun.  Begitu  juga sebaliknya  apabila excess  air dibuat  minim  maka effisiensi  semakin  naik  [1].  Hal  ini  bisa  terjadi karena  suplai  udara  yang  berkurang,  sehingga panas  yang  ada  tidak  terlalu  cepat  terbuang  ke stack .  Dalam  artian  panas  yang  ada  dapat dimanfaatkan  lebih  lama  didalam furnace untuk memnaskan air. Sehingga dimungkinkan pemakaian baatubara akan berkurang.
Dalam  penelitian  lain  juga  menjelaskan bahwa kekurangan excess air akan mengakibatkan
ENTHALPY: Jurnal Ilmiah Mahasiswa Teknik Mesin
Journal homepage: http://ojs.uho.ac.id/index.php/ENTHALPY
kebutuhkan  bahan  bakar  menjadi  lebih  banyak. Hal ini disebabkan karena pada kondisi ini bahan bakar  sulit  terbakar  sempurna  sehingga  untuk menghasilkan keluaran daya yang sama dibutuhkan bahan bakar yang lebih banyak. Hal ini juga  terjadi  pada excess  air yang  terlalu  banyak. Excess  air yang  terlalu  banyak  akan  menaikan konsumsi bahan bakar, hal ini untuk memanaskan udara lebih yang memang jumlahnya meningkat. Konsumsi  bahan  bakar  untuk  beban  100%  pada excess  air 20%  adalah  sebesar  2,559  kg/s, sedangkan  pada excess  air 50%  konsumsi  bahan bakar naik menjadi 2,578 kg/s [2].
Sedangkan  pada boiler dengan  jenis  bahan bakar  lain  yakni  gas, excess  oxygen juga berpengaruh  terhadap  efisiensi boiler .  Hal  ini berdasarkan  penelitian  sebelumnya  yang  telah dilakukan  oleh  Derry  Hanriansyah  Pratama, Ahmad  Fadli, dan Amun Amri pada 2016.  Dalam penelitianya  disimpulkan  bahwa  excess  oxygen memiliki  pengaruh  terhadap  kenaikkan  efisiensi boiler sebesar  2%  setiap  1%  penurunan excess oxygen .  Dipenelitianya  juga  dijelaskan  pengaruh konsumsi  bahan  bakar  akan  menurun  seiring dengan penurunan excess oksigen [3].
Disisi  lain  dengan  menurunkan excess  air (udara berlebih), otomatis akan mengurangi kerja dari FDF ( Forced Draft  Fan ) yang mana berfungsi untuk  mensuplai  udara  sekunder  untuk  proses pembakaran  didalam  ruang  bakar.  Karena  suplai udara dari FDF berkurang, maka kerja IDF ( Induced Draft  Fan) yang mana berfungsi untuk  membuat vacuum  pada boiler agar  udara  panas  dan  gas buang dapat dialirkan sampai ke stack /cerobong berkurang. Hal ini juga akan mengakibatkan kerja dari  PAF  ( Primary  Air  Fan )  yang  berfungsi  untuk mensuplai udara primer menuju pulverizer (mesin penghancur batubara) dan mengalirkan batubara ke dalam furnace (ruang bakar) berkurang. Karena kerja  dari  ketiga fan tersebut  berkurang,  maka daya  listrik  yang  dipakai  oleh fan-fan tersebut berkurang,  sehingga  terjadi  penghematan  daya listrik.  Tujuan  dari  penelitian  ini  adalah  untuk mengetahui  pengaruh excess  air terhadap efisiensi serta pengaruhnya terhadap penggunaan daya pada motor fan yang bekerja di boiler .

## Boiler
Boiler atau  ketel  uap  merupakan  gabungan yang  kompleks  dari  pipa-pipa  penguapan ( waterwall ),  pemanas  lanjut  ( superheater ), pemanas air ( economiser ) dan pemanas udara (air heater).  Pipa-pipa  penguapan  ( waterwall )  dan pemanas  lanjut  ( superheater )  mendapat  kalor
langsung  dari  proses  pembakaran  bahan  bakar, sedangkan  pemanas  air  ( economiser )  dan pemanas  udara  ( air  heater )  mendapat  kalor  dari sisa  gas  hasil  pembakaran  sebelum  dibuang  ke atmosfer  [4]. Boiler pada  umumnya  dapat diklasifikasikan  dalam  berbagai  jenis.  Ada  yang diklasifikasikan  berdasarkan  pipa  (pipa  air  dan pipa api) [5], berdasarkan pressure, dan ada juga yang diklasifikasikan berdasarkan metode (proses) pembakaranya (tipe stocker, Combustion fluidized bed, pulverized coal , dan lain-lain). Pada boiler tipe pulverized coal dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Boiler tipe Pulverized Coal [6]
Pada boiler pulverized coal biasanya menggunakan roll mill dalam proses penghancuran  batubaranya.  Adapun  bentuk  roll mill bisa dilihat pada gambar 2 dibawah ini.
Gambar 2. Boiler tipe Pulverized Coal [7]

## Excess Air
Sesuai  dengan  artinya  yakni  udara  berlebih. Excess air dalam proses pembakaran juga berarti
udara berlebih/tambahan yang disuplai ke burner untuk  menciptakan  pembakaran  sempurna. Excess air disuplai ke burner karena boiler tanpa udara  suplai  berlebih  atau  bisa  dikatakan kelebihan  bahan  bakar  ( fuel  rich )  dalam pengoperasianya berpotensi menimbulkan bahaya. Bahaya disini adalah dapat menimbulkan CO dan meningkatkan NOx dalam gas buang. Hal ini  terjadi  karena  pembakaran  yang  tidak sempurna.  Namun excess  air juga  bisa  menjadi kerugian  apabila  terlalu  besar,  karena  udara panas yang seharusnya memanaskan air didalam pipa terlalu cepat meninggalkan furnace sehingga panas  terbuang  percuma  ke stack [1]. Besaran excess  air tiap  pembakaran  tergantung  pada jenis bahan bakar yang digunakan. dibawah ini adalah tabel jenis bahan bakar beserta optimum excess air [8].
Tabel 1. Excess air dan O 2 Optimum pada gas buang berbagai bahan bakar [8] Bahan Bakar Optimum excess air (%) Optimum O2 stack (%) Batubara 20-25 4-4,5 Biomass 20-40 4-6 Stocker firing 25-40 4,5-6,5 BBM 25-40 1-3 Gas bumi /LPG 5-10 1-2 Black Liquor 5-10 1-2

## Proses Terjadinya Pembakaran
Pembakaran  (combustion)  juga  disebut  juga sebagai  chemical  reaction  (reaksi  kimia)  antara bahan bakar (fuel) dan oksigen. Dilain kedua hal ini ada 3 persyaratan yang harus dipenuhi agar terjadi proses pembakaran. Adapun 3 syarat yang harus dipenuhi antara lain:
1. Bahan bakar
2. Oksigen
3. Three Ts ( Time, Temperature and Tuebulence ) Ketiga  hal  ini  biasa  disebut  segitiga  api. Proses pembakaran didalam boiler ada 2 hal yang pendukung lain selain bahan bakar. Yang pertama adalah primary air (membantu terbakarnya bahan bakar)  dan secondary  air yang  membuat  aliran udara  pembakaran  menjadi  turbulen.  Gambar  3 dibawah  ini  adalah  gambar  kondisi  pembakaran sempurna.
Gambar 3. Kondisi pembakaran [9].

## Efisiensi boiler
Pada  umumnya  ada  2  metode  dalam menghitung  efisiensi  pada boiler .  Yang  pertama adalah metode langsung ( direct method ) dan yang kedua  adalah  metode  tidak  langsung  ( indirect method ) [10].
Direct  method (metode  langsung)  Adalah metode  dimana  energi  fluida  kerja  (air  dan  uap) dibandingkan  dengan  energi  bahan  bakar (batubara) saja, tanpa memperdulikan energi lain yang  hilang.  Perhitungan  metode  langsung  ini dapat digambarkan pada Gambar 4.
Gambar 4. Perhitungan Efisiensi direct method [10]
Rumus efisiensi boiler metode langsung :
Boiler Efficiency = heat output heat input x100                  (1)
𝐵𝑜𝑖𝑙𝑒𝑟 Efficiency = Q x (h g −h f ) q x GCV x100
Dimana : Q = steam flow rate kg/h hg = steam enthalpy (kcal/kg) hf = feed water enthalpy (kcal/kg) q = fuel flow rate kg/h GCV = Gross Calorific Value (kcal/kg)
Daya Listrik
Daya listrik bisa dihitung dengan mengalikan tegangan dengan arus listrik. Adapun rumus untuk mencari daya listrik adalah sebagai berikut  :
P = V x I x √3  x cos cos phi                                (2)
Dimana: P = daya listrik (watt) V = tegangan (volt) I = arus (ampere) Cos phi = faktor daya tiap motor √(3) = karena menggunakan 3 phase

## 2. Metode Penelitian
Penelitian  dalam  tugas  akhir  ini  mulai dilaksanakan  pada  bulan  Oktober  2020  sampai dengan  bulan  Januari  2021.  Sumber  data  yang digunakan  dalam  penelitian  ini  adalah  data operasional  harian  PLTU  Moramo  unit  1  yang diperoleh  langsung  dari  data Distributed  Control System  (DCS) selama  unit  beroperasi  dan  data hasil analisa nilai kalori batubara dari laboratorium.

## Alat dan Bahan Pendukung Penelitian
Jenis data yang dibutuhkan dalam penelitian ini adalah jenis data kuantitatif dan kualitatif dari PLTU  Moramo.  Untuk  mendapatkan  data perhitungan digunakan alat-alat sebagai berikut : a. Tahap  pengumpulan  data  operasi  yang  akan digunakan dalam penelitian, dengan mengklasifikasikan data sesuai dengan tahapan formulasi perhitungan, tujuannya agar data dapat diinput sesuai kebutuhan dan lebih spesifik.  Data  yang  diambil  bersumber  dari data  operasi  unit  satu  melalui Distributed Control  System  (DCS) .  Tampilan  layar DCS untuk  pengambilan  data  dapat  dilihat  pada Gambar 5.
Gambar 5. Display DCS PLTU Moramo b. Menentukan nilai entalpi yang melalui aplikasi SteamTab ,  dengan  cara  menginput  nilai tekanan  dan  temperature  yang  akan  dicari. Tampilan  pada  aplikasi  steamTab  bisa  dilihat pada Gambar 6.
Gambar 6. Aplikasi SteamTab
c. Data yang diinput berasal dari 2 sumber yaitu data operasi dan perhitungan manual (analisa kalori batubara) [11].
d. Pengambilan  data  dilakukan  sebanyak  2  kali (yakni saat excess air O2 4% dan 4,5%).
e. Kemudian dilanjutkan menghitung nilai efisiensi boiler dengan  metode  langsung menggunakan rumus (1).
f. Selanjutnya menghitung daya dari tiap-tiap fan yang bekerja menggunakan rumus (2).
g. Data dimasukan ke dalam tabulasi excel untuk disajikan  dalam  bentuk  grafik  Melalui  data grafik  hasil  perhitungan,  penulis  menganalisa pengaruh  perubahan excess  air terhdap efisiensi boiler dan juga pengaruhnya terhadap daya motor fan .
h. Dari  hasil  analisis  melalui  grafik,  kemudian dapat  ditarik  kesimpulan  dari  penelitian  yang dilakukan.
i. Ulangi langkah a-h untuk pengujian ke-2.

## 3. Hasil dan Pembahasan
Setelah  dilakukan  perhitungan  efisiensi boiler dengan  metode  langsung  dan  perhitungan daya  listrik  dari  data  masing-masing  pengujian. Maka  didapatkan  data  seperti  yang  tertera  pada tabel 2. dibawah ini.
Tabel 2. Data hasil perhitungan efisiensi Parameter 4% O2 4,5% O2 pengujian 1 80.76% 81.7% pengujian 2 90.81% 91.83%
Dari  tabel  diatas  dapat  dilihat  data  hasil perhitungan efisiensi dari pengujian 1 dan 2 saat nilai oksigen 4% dan 4.5%. Efisiensi dari pengujian keduanya  sama-sama  menunjukan  peningkatan saat nilai oksigen pada fluegass dinaikan dari 4% menjadi 4,5%. Saat pengujian 1 didapat  efisiensi sebesar  80,76%  pada  4%  oksigen  dan  efisiensi meningkat  menjadi  81,7%  pada  4,5%.  Hal  ini berlaku  juga  pada  pengujian  2,  yakni  didapat efisiensi  90,81%  pada  4%  oksigen  dan  efisiensi meningkat menjadi 91,83 pada 4,5% oksigen. Dari data  tabel  diatas  bila  dibuat  grafik  akan  seperti Gambar 7.
Gambar 7. Grafik efisiensi pengujian 1 dan pengujian 2
Setelah  dilakukan  perhitungan  daya  dari tiap-tiap fan , dan hasil dari perhitungan daya tiap fan tersebut  dijumlahkan,  maka  akan  dilihat adanya  perbedaan  yang  cukup  besar  antara oksigen  4%  dan  4,5%  pada  masing-masing pengujian yang telah dilakukan. Hasil perhitungan ditampilkan pada tabel 3.
Tabel 3. Data hasil perhitungan efisiensi Parameter 4% O2 4,5% O2 Pengujian 1 (kilowatt) 1148 1173 Pengujian 2 (kilowatt) 1128 1152
Dari  data  tabel  diatas,  maka  didapat  data pada pengujian  1  konsumsi daya meningkat  saat nilai O2  pada flue gass 4% dari  1148537.21 watt menjadi  1173760.932  watt  pada  nilai  4,5%  O2 pada  flue  gass,  atau  jika  dihitung  selisihnya sebesar  25223,72245  watt  =  25,223  Kw.  Pada pengujian  2  daya total dari fan - fan yang  bekerja juga  meningkat  dari  1257350,85    watt  menjadi 1284013,794  watt,  atau  jika  dihitung  selisihnya sebesar 23949,73778 watt = 23,949 Kw. Dari data tersebut  jika  dibuat  grafik  akan  terlihat  pada Gambar 8.
Gambar 8. Grafik efisiensi pengujian 1 dan pengujian 2

## 4. Kesimpulan
Dengan  merubah  persentase  O 2 pada fluegass,  akan  mempengaruhi  efisiensi boiler
(dihitung  dengan  metode  langsung).  Pada pengujian  1  efisiensi boiler meningkat  sebesar 0,94%,  dari  80,76%  menjadi  81,7%  saat persentase  O2  pada  flue  gass  dinaikan  dari  4% menjadi 4,5%.  Pada pengujian 2  terjadi kenaikan efisiensi  sebesar  1,02%,  dari  90,81%  menjadi 91,83% saat persentase O2 pada flue gass dinaikan dari 4% menjadi 4,5%. Pada pengujian 1 konsumsi daya listrik meningkat saat nilai O2 pada flue gass 4%  dari  1148537.21  watt  menjadi  1173760.932 watt  pada  nilai  4,5%  O2  pada fluegass ,  atau  jika dihitung  selisihnya  sebesar  25223,72245  watt  = 25,223 Kw. Pada pengujian 2 daya total dari fan- fan yang bekerja juga meningkat dari 1257350,85 watt menjadi 1284013,794 watt, atau jika dihitung selisihnya sebesar 23949,73778 watt = 23,949 Kw Hal  ini  bisa  terjadi  karena  kinerja fan meningkat untuk mensuplai udara lebih banyak agar tercapai persentase oksigen pada fluegass yang lebih besar (dari 4% manjadi 4,5%). Hal ini bisa terjadi karena kinerja  fan  meningkat  untuk  mensuplai  udara lebih  banyak  agar  tercapai  persentase  oksigen pada  fluegass  yang  lebih  besar  (dari  4%  manjadi 4,5%).
Dengan menaikan nilai oksigen dengan range tertentu  akan  meningkatkan  efisiensi boiler ,  tapi disisi  lain  hal  ini  juga  akan  mempengaruhi konsumsi  daya  listrik  karena  kerja  dari fan juga meningkat untuk mensuplai udara yang dibutuhkan.

## Daftar Pustaka
[1] C. Brooks, Boiler Efficiency Guide, 2010.
[2]   M.  E.  Simanjuntak,  "Pengaruh Excess  air Terhadap  Kinerja  PLTU  Berkapasitas  12,5 MW  Dengan  Beban  Bervariasi  Sebuah Simulasi  Termodnamika  Menggunakan Software  Cycle  Tempo  Versi  5.0,"  Vols. eISSN 2477-6041, 2019.
[3]   D.  H.  Pratama,  A.  F.  and  A.  A.  ,  "Analisa Pengaruh Perbandingan Debit Bahan Bakar Gas  Dengan  Udara  Pembakaran  Terhadap Efisiensi Boiler di  PT.  CHEVRON  PACIFIC INDONESIA," . JOM FTEKNIK, vol. Volume 3 , p. No.1, 2016.
[4]   B.  &.  Wilcock,  STEAM  Its  Generation  and Use 41st ed, Ohio: The Babcock And Wilcox Company, 2005.
80.76
81.7 90.81 91.83 75 80 85 90 95 4% O2 4.5% O2 Ef isi en si (%) pengujian 1 pengujian 2 1148 1173 1128 1152 1100 1120 1140 1160 1180 4% O2 4.5% O2 D ay a lis tr ik (kW ) pengujian 1 pengujian 2
[5]   Industrial Technologies Program, Improving Steam  System  Performance,  Washington  : U.S Depsrtment of Energy, 2004.
[6]   A.  R.  Mallick,  Practical Boiler Operation Engineering  and  Power  Plant.,  New  Delhi: PHI Learning Private Limited, 2014.
[7]   K. Rayaprolu, Boiler s for Power and Process, Boca Raton: Boca Raton : CRC Press, 2009.
[8]   S.  Winarto,  "Penghematan  Energi  Pada Sistem Boiler ," Forum Teknologi , vol. 04, p.
2, 2014.
[9]   W. and J. P. Susanto, "Peningkatan Efisiensi Pembakaran Pada Boiler Melalui Penerapan Produksi Bersih," 2008.
[10]  Bereau, Energy Performance Assessment of Boiler , Bereau of Energy Efficiency, 2003.
[11]  DSSP POWER KENDARI, "Coal Supply From Dcs  to  Bunker,"  Dssp  Power  Kendari, kendari, 2020.