DESAIN HEI ENERGY IGNITER UNTUK BAHAN BAKAR GAS

3BAB I PendahuluanBab ini berisi latar belakang, rumusan masalah, tujuan,lingkup kerja, dan sistematika laporan dari tugas akhir.BAB II Tinjauan PustakaBab ini berisi tentang teori-teori yang mendasari penelitian.Teori – teori tersebut diantaranya meliputi proses pembakaran,proses pembentukan fouling, prinsip kerja ignitor, high energyignitor dan flame detector.BAB III Metodologi PenelitianPada bab ini dijelaskan tentang langkah-langkah dantahapan penelitian dimulai dari mengetahui kondisi ignitor danpermasalahan pada ignitor.BAB IV Analisis Data dan PembahasanBab ini menunjukkan data beserta analisis dan pembahasanyang telah diperoleh selama pengerjaan penelitian.BAB V Kesimpulan dan SaranBab ini memaparkan kesimpulan dan saran terkait dengantugas akhir yang telah dilaksanakan.

Halaman ini sengaja dikosongkan4

5BAB IITINJAUAN PUSTAKA2.1Proses PembakaranPembakaran dapat diartikan sebagai reaksi kimia berantaiantara oksigen dengan elemen yang mudah terbakar (combustibleelement). Rekayasa konversi energi memanfaatkan proses pembakaran terjadi pada pembangkitan tenaga listrik, kendaraan bermotor, dan kebutuhan-kebutuhan lainnya. Untuk mendapatkanproses pembakaran yang sempurna, syarat-syarat yang diperlukanadalah sebagai berikut:a. Kualitas dan kuantitas udara (oksigen) yang disupply kebahan bakar cukup.b. Oksigen dan bahan bakar benar-benar tercampur.c. Campuran bahan bakar-udara terjaga di atas temperaturepengapiannya.d. Volume furnace cukup luas sehingga memberikan waktuyang cukup bagi campuran bahan bakar-udara untuk terbakarsempurna.Setiap bahan bakar memiliki spesifikasi tertentu sehinggamemerlukan rasio bahan bakar dan udara yang berbeda-bedatergantung dengan persamaan reaksi pembakaran. Reaksi pembakaran dapat dilihat pada persamaan berikut. Reaksi pembakaran bahan bakar dan udara dapat terjadi jikasyarat-syarat kimia berikut terpenuhi :a. Terjadi kombinasi yang ideal antara dua atau lebih reaktanberdasarkan rasio stoikiometrik.b. Massa reaktan harus sama dengan massa hasil reaksi(memenuhi hokum kekekalan massa).c. Senyawa kimia terbentuk dari elemen-elemen kombinasidengan hubungan massa yang tetap.

6d. Formasi dari senyawa yang menghasilkan panas (reaksieksotermik) ataupun yang membutuhkan panas (reaksiendotermik), berdasarkan atas perubahan energy bebas darireaksi.2.2 Proses Pembentukan FoulingSeperti yang telah banyak diteliti, permasalahan yang palingbanyak terjadi pada operasi adalah pembentukan fouling. Padaignitor terbentuk fouling sebagai akibat dari pembakaran bhanbakaran tidak sempurna. Idealnya, pembakaran sempurna hanyaakan menghasilkan karbon dioksida dan air.Adapun faktor-faktor yang menyebabkan tingkat foulingadalah: Injektor dengan pola spray bahan bakar yang kurang baik Rasio bahan bakar-udara yang tidak tepat Filter udara tersumbat sehingga meningkatkan rasiobahan bakar-udaraDibawah ini merupakan Gambar 1 skema proses pembakaranGambar 1 skema proses pembakaranPartikel fouling yang merupakan 98 persen karbon biasanyadianggap berbentuk bulat. Ukuran untuk sebagian besar partikelhanya sekitar 0,03 mikron dan biasanya akan terkumpul danmembentuk partikel yang lebih besar. Fouling yang terbentukpada daerah kaya bahan bakar akan teroksidasi di dalam flameketika bercampur dengan oksigen yang belum terbakar. Sehinggakonsentrasi fouling dapat dijelaskan dengan persamaan berikut.

7Dimana m adalah massa, indeks s adalah emisi fouling, sfadalah pembentukan fouling dan soadalah oksidasi fouling.Sementara itu pembentukan fouling dipengaruhi oleh tekanan,temperatur dan equivalence ratio. Laju pembentukan diaturdengan asumsi reaksi uap bahan bakar orde satusebagaiberikut Oksidasi fouling dihitung dengan mengasumsikan reaksiorde dua antara foulingdan oksigen sebagai berikut,Dengankcal/kmol,kcal/kmol,kcal/kmol dankcal/kmol adalah konstanta-konstanta yang ditentukan dengan menyesuaikan pengukuran fouling pada flue gas. Perlu diperhatikanbahwahasil yang didapatkan bergantung pada konstanta-konstantayang dipakai sehingga memerlukan analisis yang cermat dalammenentukannya.Secara umum, konsumsi bahan bakar dan karakteristik emisiditentukan oleh equivalent ratio pembakaran. Injeksi bahan bahanbakar bertekanan tinggi diperlukan karena dapat menghematbahan bakar di bawah keadaan stoikiometri dan dengan demikianakan mengurangi fouling. Sementara itu swirl ratio yang tinggiakan menyebabkan konsumsi bahan bakar meningkat, walaupunjuga mengurangi fouling.Tidak diragukan lagi bahwa permasalahan yang paling umumdalam boiler berbahan bakar batu bara adalah pembentukan

8deposit di ruang bakar dan permukaan konveksi. Selama prosespembakaran, fly ash terbentuk dan akan mengurangi permukaanperpindahan panas boiler, yang akhirnya mengakibatkan turunnyakapasitas dan biaya pemeliharaan yang cukup tinggi.Partikel-partikel deposit ini memerlukan energi tertentudalam pergerakannya dari tengah boiler ke daerah dinding dimanabanyak terdapat peralatan-peralatan pendukung. Pada akhirnya,deposit yang terbentuk ini juga akan mempengaruhi nozzleburner, spark dan komponen-komponen lainnya.Dengandemikian desain dan konstruksi peralatan-peralatanpendukung ini harus sedemikian rupa sehingga dapat bertahandari pengendapan deposit ini.Perlu untuk diperhatikan bahwa, hal-hal yang harus dipenuhidalam desain burner equipment adalah,a. Dapat mengatomasi bahan bakar secara optimalb. Jet harus sesuai dengan keperluan pencampuran bahan bakardan udara secara sempurna untuk pembakaranc. Mempunyai kestabilan proses atomisasi dalam range yangcukup lebard. Meminimumkan udara sisa pada semua daerah operasie. Terdapat akses untuk perbaikan sehingga akan menghematbiaya pemeliharaan.2.3 Ignition2.3.1 Prinsip IgnitionMenurut W.Maly dalam Jose & Sreenath (2015) terdapatempat fase dalam proses ignition/ pengapian, yaitu:a.b.c.d.Pre-BreakdownBreakdownArcGlow

9Pada fase pre-breakdown, nilai impedansi pada air sparkgap sangat besar. Dengan nilai tegangan yang cukup, diatastegangan threshold menyebabkan kondisi breakdown dimana elektron mengalir dari katoda ke anoda. Jika teganganjatuh nilainya cukup, maka elektron mendapat energi untukmembentuk reaksi ionisasi. Penambahan konsentrasi elektron dan ion akan mengurangi nilai impedansi pada airspark gap, sehingga terjadi aliran arus dari katoda ke anoda,hal ini yang dinamakan fase breakdown. Ketika sudah memasuki atau tercapai fasa breakdown, arus akan men-ingkatsecara simultan sehingga energi yang dikirimkan ke sparkmeningkat untuk membentuk arc. Waktu yang di-butuhkanuntuk mencapai fase breakdown dalam satuan nano second.Hasil samping pembakaran seperti karbon (fouling) padaspark gap dapat menurunkan kemampuan dielekrikkapasitor dalam mengirimkan enegi ke spark. Skema prosesignition dapat dilihat pada Gambar 2.Gambar 2. Skematik Diagram untuk Ignition2.3.2 Multiple Spark Plug IgnitionsMenurut Yamamoto dalam Jose & Sreenath (2015),menggunakan multiple spark plug yang disusun seperti Gambar3 akan menghasilkan flame pada posisi tengah dan mengelilingi

10dinding dalam combustion chamber. Kelebihan penyusunan sparkplug seperti Gambar 3 adalah mengurangi flame travel distanceyang menyebabkan waktu pembakaran yang lebih singkat, dapatdigunakan untuk high compression ratio, meningkatkan efisiensibahan bakar, meng-urangi emisi hydrocarbon karena mengurangiquench area dan mengurangi partial burn pada high air fuel ratio,juga mem-persingkatkan delay ignition dan mengurangi emisiNOx.Gambar 3. Multiple Spark Plug Ignitions2.3.3 High Energy Ignitor (HEI)High energy ignitor (HEI) kadang disebut high energyelectric ignitor (HEEI) dan high energy spark ignitor (HESI)tergolong dalam kelas 3 spesial ignitor yang menggunakan highenergy untuk memantik bahan bakar pada semua kondisi operasi.HEI mempunyai kelebihan dibandingkan dengan teknologi lamayang konvensional pada pengunaan energi yang dipakai padaspark. HEI mengeluarkan 2 sampai 5 percikan perdetik dengandaya yang berbeda-beda tergantung desain dari pabrikan masingmasing. Umunya, saat ini tipe HEI yang ada di pasaran memancarkan energi per spark berkisar antara 2-20 joule. Hal inibertujuan agar HEI dapat berfungsi pada saat bahan bakar gasatau minyak mengandung moisture dan dapat menghilangkanfouling yang terbentuk pada spark.Total energi yang dikluarkan ignitor akan digunakan sebagaipemicu pembakaran. Energi yang disimpan dan dilepaskan oleh

11kapasitor dalam bentuk sinyal pulsa, dapat dihitung dengan rumussederhana sebagai berikut :E ½ CV2(5)Dimana ;E Energi yang dikeluarkan spark (J)C Kapasitansi (Farad)V Tegangan (Volt)Gambar 4. Skema dari ignitor elektrikPada bagian ignitor, spark terpasang bersebelahan denganflame detector/sensor api. Bagian ini yang paling terkena suhutinggi karena terekspos langsung dengan pembakaran dari spark,sehingga keduanya memerlukan desain dengan material yangbagus guna menjaga kestabilan proses pembakaran dan menghemat biaya pemeliharaan. Berikut ini adalah contoh ignitordengan desain yang lebih unggul.Gambar 5.Contoh ignitor dengan desain yang lebih unggul

12Sistem yang dijabarkan dalam Gambar 6 di atas mempunyaikeunggulan utama yang dapat terus berada pada posisi penyalaandengan hanya spark yang dapat ditarik mundur. Adapunkeunggulan-keunggulan minor lainnya adalah bahwa konstruksinya menggunakan stainless steel sehingga tahan jikaterekspos panas tinggi (daerah kaya bahan bakar adalah daerahdengan panas tinggi), kemudian ujung spark dapat membersihkan diri sendiri sehingga cukup aman dari pembentukanfouling. Contoh lain tipe ignitor HEI (high energy ignition) dapatdilihat pada Gambar 6 berikut ini.Gambar 6. Tipe ignitor HEI (High Energy Ignitor)Beberapa industri kadang tidak dapat mengontrol kualitasbahan bakar yang digunakan mengingat lebih mendesaknya halhal seperti pasokan kepada pelanggan, lokasi bahkan factorekonomi. Untuk tipe industri yang beroperasi seperti ini tipe-tipepemantik berenergi sangat sesuai karena dapat membakar baiklight sampai heavy oil dalam range yang lebar. Tipe ignitortersebut dapat beroperasi pada 2 spark per detiknya, juga dapatmembersihkan dirinya sendiri dari fouling pembakaran, dan tetapmenyala pada kondisi bahan bakar dan udara tercampur denganair. Kelebihan-kelebihan lain diantaranya adalah mempersingkatwaktu instalasi pemasangan dan proses start up, sertamempersingkat waktu pemeliharaan karena komponenkomponennya mudah untuk diganti.

132.3.4 Kelas IgnitorMenurut standart NFPA 85, ignitor dibagi menjadi beberapakelas sebagai berikut :a. Ignitor kelas 1, adalah tipe ignitor yang dipasang untukmemantik input bahan bakar yang menuju burner danmembantu pengapian pada semua kondisi operasi lightoffburner. Peletakan dan kapasitasnya memenuhi kebutuhan akanignition energy, umumnya kapasitasnya diatas 10 % dari totalinput burner.b. Ignitor kelas 2, adalah ignitor yang dipasang untuk memantikinput bahan bakar yang menuju burner dan juga digunakanuntuk membantu pengapian saat kondisi operasi low load.Kapasitasnya berkisar diantara 4 sampai 10 % dari total bahanbakar burner.c. Ignitor kelas 3, adalah ignitor kecil yang dipasang terutamauntuk fuel gas dan fuel oil burner untuk memantik input bahanbakar yang menuju burner pada kondisi lightoff. Umunyakapasitasnya dibawah 4 % dari total bahan bakar burner.d. Ignitor kelas 3 spesial adalah tipe ignitor yang menggunakantipe high energy ignitor (HEI), tipe ini mampu memantiksecara langsung bahan bakar utama burner.2.4 Flame DetectorFlame Detector adalah alat yang digunakan untuk mendeteksiadanya flame/api. Pada dasarnya untuk mendeteksi adanyaflame/api dapat digunakan dua metode yaitu, pendekatan elektrikproperties dan pendekatan UV/IR pro-perties. Pada metodependekatan elektrik properties digunakan sensor thermocouple.Prisip kerjanya ketika thermocouple ter-kena panas, maka akanmenghasilkan arus. Aliran arus ter-sebut merupakan hasil reaksiionisasi pada flame. Reaksi ionisasi dapat dijelaskan padapersamaan reaki sederhana berikut,

14Pada metode pendekatan UV/IR properties bekerja denganmendeteksi besarnya nilai radiasi elektromagnetik UV dan IRyang ditimbulkan flame. Emisi UV dihasilkan dari reaksi ionisasidan merupakan bagian dari reaksi pembakaran bahan bakar.Emisi UV yang terbesar terdapat pada fasa pembakaran awalyang terjadi di nozzle, oleh karena itu untuk mendapatkan responpembacaan yang cepat dan akurat, maka peletakan sensor harusberada di dalam nozzle. Detektor yang digunakan untukmendeteksi emisi UV adalah gas avalanche detector. Prinsipkerja gas avalanche detector menggunakan prinsip photoelectric,yakni ketika beda potensial diberikan pada kedua elektrodadetektor dan foton UV menumbuk elektroda negatif, makaterdapat elektron yang mengalir ke elektroda positif. Elektrontersebut akan bertumbukan dengan molekul gas, maka akanmenghasilkan elektron lain, sede-mikian seterusnya sampaitegangan dan arus berada pada kondisi threshold. Sedangkandetektor untuk IR menggunakan sensor pyroelectric yang akanmembaca intensitas radiasi IR dari panas yang dihasilkan olehflame. Skema prinsip kerja detektor UV dapat dilihat padaGambar 7 berikut.Gambar7. Skema Detektor UVReliabiliti flame detector bias ditingkatkan dengan menggunakan sensor yang mempunyai reliabiliti yang lebih baik padasetiap sensor ataupun vote dan menambah diversiti sensor yang

15bisa mensensing adanya flame pada spektrum yag lebih luasmisalnya mengunakan IR sampai UV sensor.Gambar 8. Spektrum flame detector

Halaman ini sengaja dikosongkan16

17BAB IIIMETODOLOGI3.1 Skema Diagram Alir PenelitianSecara umum tahap-tahap pengerjaan tugas akhir inidirangkum pada diagram alir berikut ini.MulaiPerhitungan energy yangdibutuhkan oleh ignitor padapembakaran boilerMenghitung EfisiensiPenggunaan IgnitorKesimpulan dan SaranPembuatan LaporanSelesaiGambar 3.2 Skema diagram alir penelitian

183.2 Kondisi Ignitor ExistingIgnitor existing merupakan produk ABB Series 80 dual fuel(gas and oil) side Ignitor with IFM Sistem And Air FlowPermissive.Spesifikasi sistem ignitor untuk bahan bakar gas adalahsebagai berikut :Tabel 1. Spesifikasi sistem ignitor untuk natural gasKaloriFlowInlet Press2.250.000Kcal/h( 10xBtu/h)283/h0.84 Kg/c(10.000 Scfh)(12 psig)Sedangkan spesifikasi sistem ignitor untuk Light Oil (HSD)and Atomizing Air adalah sebagai berikut :Tabel 2. Spesifikasi sistem ignitor untuk Light Oil (HSD)dan Atomizing Air (ASTM Standart For Fuel Oil, D396, Gradeno. 2)KaloriFlowInlet PressAutomizing2.250.0000 0.26/ 14Kg/Kcal/hh (70 gph) (200 psig)(10 xBtu/h)FlowPress27.2/h(16 Scfm)5.6Kg/(80 Psig)Spesifikasi power ignitor dapat dilihat pada Tabel 3 dibawahini.

19Tabel 3. Spesifikasi power ignitorTegangaFrekuensArusniMax.110 - 120VAC50/60 Hz17 AmpKeteranganMaximumtrialtimecurrent5 Amp.Ignitorholdingcurrent whenon is 1 ampmaksimum.3.3 Permasalahan Ignitor ExistingBerdasarkan histori kegagalan ignitor di sites dapat dirangkumsebagai berikut, yaitu :a. Iginitor start remote sering gagal, sehingga harus start darilokal.b. Pengapian langsung gagal ketika udara ada sedikit kandunganair (moisture).c. Selector switch start lokal sering rusak.d. Busi dan flame rod yang kotor tidak bisa start. Ketika gagalstart, maka flame rod dan busi harus dibersihkan dan hal inimenambah waktu start up. Tidak ada indikasi penyebabkegagalan start ignitor, troubleshooting dilakukan trial anderror.e. Rasio antara HSD dan udara dilakukan secara trial dan error,tidak ada komposisi yang fix. Idealnya, penambahan danpengurangan flow pengapian dilakukan pada rasio yang tetapantara HSD dan udara untuk mencapai pengapian yangsempurna.

20f. Pemasangan nozzle tip harus tepat, jika tidak maka pengapianakan gagal.3.4 Akar PermasalahanBerdasarkan permasalahan di atas dan berdasarkan NFPA85, maka akar permasalahan kenapa boiler gagal dihidupkandapat diuraikan pada Gambar 9. Dalam studi ini, kegagalankarena kondisi operasi yang abnormal diabaikan, sehingga hanyaLoss of flame yang akan dibicarakan dalam pembahasanberikutnya.Gambar 9. Akar Permasalahan Kegagalan BoilerLoss of flame bisa disebabkan karena kegagalan padapenyalaan/ignition atau karena kegagalan flame detector untukmendeteksi status menyala atau tidak. Secara rinci penyebabkegagalan “Loss of flame” dapat dilihat pada Gambar 10. PadaGambar 10 Sistem power dan sistem kontrol bisa diasumsikanmasih dalam keadaan baik, sehingga akar permasalahanmengerucut menjadi dua, yaitu pada spark dan flame detector.Oleh sebab itu studi ini akan membahas alternatif perawatansistem lama dan alternative lain yaitu penggantian sistem spark

21dan flame detector atau sistem ignitor dari sisi kelayakan operasi,finansial, dan analisa risiko.Gambar 10. Akar Permasalahan Loss of Flame

22Halaman ini sengaja dikosongkan

BAB IVEVALUASI TEKNOLOGI DAN PEMECAHANMASALAH4.1 Evaluasi teknologiHampir semua teknologi ignitor saat ini adalah HEI, dimanamenggunakan energy yang tinggi yang mampu untuk mem

HEI dan Flame Detector Coen. 31 Gambar 14. HEI, dan Flame Detector Forney . 32 Gambar 15. Struktur HEI dan Flame Detector FPS. 32 . xxi Halaman ini sengaja dikosongkan . Dalam mendesain HEI sudah dilengkapi flame detector / scanner untuk mendeteksi adany