Boiler - Ketel Uap (part 1)

Boiler merupakan suatu alat yang digunakan untuk menghasilkan steam. Dimana steam merupakan kebutuhan utama pada industri-industri yang berbasis kimia. Steam dihasilkan dari proses pemanasan air melampaui titik didihnya pada tekanan tertentu. Steam yang dihasilkan digunakan sebagai media pembawa panas untuk digunakan pada alat penukar kalor (heat exchanger), reaktor, atau alat-alat lainnya.
Proses pemanasan membutuhkan bahan bakar, terdapat beberapa jenis bahan bakar yang dapat digunakan, yaitu :

1. Bahan bakar padat
Bahan bakar padat yang terdapat di bumi kita ini berasal dari zat-zat organik. Bahan bakar padat mengandung unsur-unsur antara lain : zat arang atau carbon (C), zat asam atau oksigen (O), nitrogen (N), belerang (S), abu dan air dimana kesemuanya itu terikat dalam satu persenyawaan kimia. Bahan bakar padat dapat berupa kayu, kulit kelapa (cangkang), macam-macam batu bara, meliputi turf atau peat atau lignite, batu bara coklat (brown coal), sub-bituminous, anthracite, dan lain-lain. hasil pembakaran cenderung membentuk kerak (jelaga) pada ruang bakar, jelaga ini mengurangi efisiensi perpindahan panas dan akan menutupi celah-celah rangka bakar yang akan dilalui udara pembakaran, sehingga perlu dibersihkan dalam kurun waktu tertentu.

2. Bahan bakar cair
Bahan bakar cair berasal dari minyak bumi. Minyak bumi didapat dari dalam tanah dengan jalan mengebornya di ladang-ladang minyak, dan memompanya ke atas permukaan bumi yang kemudian diolah menurut kebutuhannya masing-masing menjadi minyak bakar. Minyak bumi (crude oil) hanya digunakan sebagai minyak bakar langsung di dalam ketel-ketel uap bila sedikit sekali mempunyai kandungan-kandungan persenyawaan zat air arang dengan titik atau temperatur mendidih yang rendah. Berbagai jenis minyak bakar yaitu bensin, solar, minyak tanah dan minyak bakar lainnya dapat dijadikan sebagai minyak bakar pada ketel uap.

3. Bahan bakar gas
Di dalam tanah banyak terkandung gas bumi atau yang biasa disebut gas alam, yang timbul saat proses penambangan minyak bumi, gas tambang atau gas rawa (CH4 atau methane). Bahan bakar gas dahulu adalah sebagai bahan bakar pengganti bahan bakar cair (minyak bumi). Saat ini penggunaan gas dipandang lebih efisien, sehingga bahan bakar gas bukan lagi sebagai substituent tapi bahan bakar utama. Keuntungan-keuntungan penggunaan gas sebagai bahan bakar adalah :

• Pada umumnya boiler yang menggunakan bahan bakar hanya gas alam saja akan lebih murah dibanding dengan boiler yang menggunakan bahan bakar padat. Hal ini disebabkan karena pembakaran gas alam tidak menghasilkan abu dan jelaga, sehingga kecepatan gas asap melalui celah-celah pipa dapat diperbesar.
• Peralatan pembakar untuk gas alam jauh lebih sederhana dibandingkan dengan peralatan pembakar dari minyak bakar atau bahan bakar padat lainnya.
• Pembakaran dengan gas alam akan berlangsung lebih sempurna dibanding dengan minyak bakar atau bahan bakar padat lainnya. Pembakaran dengan gas alam tidak mengakibatkan polusi.
• Boiler yang menggunakan bahan bakar hanya gas alam saja akan lebih awet, karena gas alam tidak mengandung belerang (S), natrium (Na), dan vanadium (Va), serta tidak berjelaga.

Pembakaran bahan bakar berupa gas :
Pembakaran bahan bakar yang berupa gas, yang hampir keseluruhannya terdiri dari karbon (C) dan hidrogen (H), mula-mula berlangsung sebagai berikut : yang dimulai dengan menguraikan gas-gas hingga menghasilkan komponen-komponen dari gas air (CO dan H2), bila kondisi oksigen (O2) mencukupi. Hal ini dapat diikuti dengan mudah pada pembakar bunsen (bunsen burner). Dengan penyetelan yang tepat pengaliran udara pembakar, maka gas yang keluar dari bunsen akan menarik sejumlah udara primer yang cukup untuk penguraian gas-gas menjadi CO2 dan H2O. Jika aliran udara pembakaran terganggu maka pembakaran tidak akan sempurna, ditandai dengan munculnya karbon berupa partikel-partikel kecil berwarna hitam yang melayang-layang di dalam bunga api.

Pembakaran bahan bakar cair :
Sebelum pembakaran yang sebenarnya berlangsung, maka terlebih dahulu bahan bakar cair tersebut diuapkan dan diuraikan menjadi gas-gas (pengkabutan). Bahan bakar cair umumnya terdiri dari karbon C dan hidrogen H saja. Dalam hal ini, karena kandungan hidrogen H yang cukup tinggi, maka pada saat penguraian dengan temperatur yang cukup tinggi, karbon C dan hidrogen H, lama masih dalam keadaan terikat. Untuk selanjutnya, sejumlah kecil karbon C akan terurai pada temperatur yang kira-kira sama atau di atas temperatur reaksi, sehingga dengan demikian pada pembakaran bahan bakar cair, dapat dicapai bentuk bunga api yang hampir-hampir sempurna, seperti halnya pada pembakaran bahan bakar berupa gas.
Panas yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar dan udara, dipindahkan kepada air, uap ataupun udara, melalui bidang yang dipanaskan (heating surface) dengan tiga cara, yaitu :

• Perpindahan panas secara pancaran (radiasi) adalah perpindahan panas antara suatu benda ke benda lainnnya dengan jalan melalui gelombang elektromagnetis tanpa tergantung ada tidaknya media atau zat di antara benda yang menerima pancaran panas tersebut. Dalam hal ini api pembakaran tidak bersentuhan dengan bidang yang akan dipanasi. Panas pembakaran merambat melalui gelombang elektromagentis memanasi heating surface.
• Perpindahan panas secara aliran (konveksi) adalah perpindahan panas yang dilakukan oleh molekul-molekul suatu fluida (cair ataupun gas). Molekul-molekul fluida tersebut dalam gerakannya melayang-layang membawa sejumlah panas. Pada saat molekul bersentuhan dengan pipa atau dinding boiler maka panasnya akan dibagikan sebagian. Bila pergerakan molekul-molekul disebabkan perbedaan temperatur maka disebut konveksi bebas (free convection), jika disebabkan kekuatan mekanis (karena dipompa atau dihembus dengan fan) maka disebut konveksi paksa (forced convection).
• Perpindahan panas secara rambatan (konduksi) adalah perpindahan panas dari satu bagian benda padat ke bagian lain dari benda padat yang sama, atau ke benda padat yang lain karena persinggungan fisik (menempel) tanpa terjadinya perpindahan molekul-molekul dari benda padat itu sendiri. Di dalam dinding boiler panas akan dirambatkan oleh molekul-molekul dinding boiler sebelah luar yang berbatasan dengan api, menuju molekul-molekul dinding boiler sebelah dalam yang berbatasan dengan air, uap atau udara. Perambatan panas melalui benda padat menempuh jarak yang terpendek.

Boiler dapat diklasifikasikan menjadi tiga golongan utama :

• Boiler pipa api (fire tube boiler) :Yaitu boiler pipa api dan gas asap yang digunakan untuk memanasi air dan uap, akan melalui silinder api, lorong-lorong api dan pipa-pipa ataupun tabung-tabung api (fire cylinder, fire duct, fire pipes dan fire tubes), yang dibagian luarnya terdapat air atau uap.
• Boiler pipa air (water tube boiler) :Yaitu ketel-ketel air atau uap di dalam pipa-pipa atau tabung-tabung yang dipanasi oleh api atau asap di bagian luarnya. .