Studi Kasus dan Studi Banding BEJO High Temperature Jet Burner untuk Furnace Industri

1. Pendahuluan

BEJO High Temperature Jet Burner merupakan burner gas industri yang dirancang untuk menghasilkan semburan gas panas berkecepatan tinggi. Momentum semburan tersebut memperkuat sirkulasi gas di dalam furnace sehingga distribusi temperatur lebih merata, perpindahan panas berlangsung lebih cepat, dan kestabilan pembakaran dapat dipertahankan pada berbagai tingkat beban.

Berbeda dari burner konvensional yang hanya mengandalkan besarnya api, jet burner memanfaatkan kombinasi:

• pembakaran gas dan udara yang terkontrol;
• kecepatan keluar gas panas yang tinggi;
• efek entrainment atau penarikan gas furnace;
• resirkulasi internal gas panas;
• modulasi kapasitas burner;
• pengaturan rasio udara dan bahan bakar;
• sistem keselamatan burner otomatis.

Studi berikut menggunakan contoh furnace pemanasan komponen baja. Angka di bawah merupakan simulasi engineering, bukan hasil pengujian suatu pabrik tertentu. Perhitungan final harus disesuaikan dengan ukuran furnace, kapasitas produksi, temperatur operasi, jenis material, pola loading, tekanan gas, dan kondisi insulasi aktual.

2. Studi Kasus Furnace Pemanasan Komponen Baja

2.1 Kondisi Operasi

Sebuah pabrik menggunakan furnace untuk memanaskan komponen baja sebelum proses pembentukan dan heat treatment.

Data dasar yang digunakan:

Temperatur spesifik harus dikonfirmasi berdasarkan proses metalurgi. Temperatur furnace 850°C tidak otomatis sesuai untuk seluruh jenis baja atau seluruh proses heat treatment.

2.2 Dimensi Furnace

Untuk studi ini digunakan furnace dengan ukuran ruang efektif:

• panjang: 4 meter;
• lebar: 2,5 meter;
• tinggi: 2 meter.

Volume ruang furnace:

$$V=P\times L\times T$$ V=4×2,5×2=20 m3V = 4 \times 2{,}5 \times 2 = 20\ m^3V=4×2,5×2=20 m3

Luas permukaan internal perkiraan:

$$A=2(PL+PT+LT)$$ $$A=2[(4\times 2,5)+(4\times 2)+(2,5\times 2)]$$ A=2(10+8+5)=46 m2A = 2(10+8+5)=46\ m^2A=2(10+8+5)=46 m2

3. Perhitungan Kebutuhan Panas Produk

3.1 Panas untuk Menaikkan Temperatur Baja

Rumus dasar:

Q=m×Cp×ΔTQ = m \times C_p \times \Delta TQ=m×Cp​×ΔT

Keterangan:

• $Q$ = energi panas, kJ;
• $m$ = massa produk, kg;
• CpC_pCp​ = panas jenis rata-rata baja, kJ/kg·K;
• $\Delta T$ = kenaikan temperatur, K.

Karena panas jenis baja berubah terhadap temperatur, digunakan nilai rata-rata konservatif:

Cp=0,60 kJ/kg⋅KC_p = 0{,}60\ kJ/kg\cdot KCp​=0,60 kJ/kg⋅K

Maka:

Qproduk=1.000×0,60×770Q_{produk}=1.000 \times 0{,}60 \times 770Qproduk​=1.000×0,60×770 Qproduk=462.000 kJQ_{produk}=462.000\ kJQproduk​=462.000 kJ

Konversi ke kWh:

Qproduk=462.0003.600Q_{produk}=\frac{462.000}{3.600}Qproduk​=3.600462.000​ Qproduk=128,33 kWh/batchQ_{produk}=128{,}33\ kWh/batchQproduk​=128,33 kWh/batch

Jika proses pemanasan berlangsung selama dua jam:

Q˙produk=128,332\dot Q_{produk}=\frac{128{,}33}{2}Q˙​produk​=2128,33​ Q˙produk=64,17 kW\dot Q_{produk}=64{,}17\ kWQ˙​produk​=64,17 kW

Nilai tersebut baru mencakup panas yang masuk ke produk, belum memperhitungkan trolley, refractory, dinding furnace, udara pembakaran, kebocoran pintu, radiasi, dan gas buang.

4. Panas untuk Trolley dan Fixture

Diasumsikan trolley serta fixture memiliki massa total 500 kg. Panas jenis rata-ratanya dianggap sama dengan baja.

Qfixture=500×0,60×770Q_{fixture}=500 \times 0{,}60 \times 770Qfixture​=500×0,60×770 Qfixture=231.000 kJQ_{fixture}=231.000\ kJQfixture​=231.000 kJ Qfixture=231.0003.600=64,17 kWhQ_{fixture}=\frac{231.000}{3.600}=64{,}17\ kWhQfixture​=3.600231.000​=64,17 kWh

Dalam waktu dua jam:

Q˙fixture=32,08 kW\dot Q_{fixture}=32{,}08\ kWQ˙​fixture​=32,08 kW

Jika fixture tidak selalu kembali ke temperatur lingkungan, kebutuhan aktual dapat lebih rendah. Namun, untuk pemilihan kapasitas burner, kondisi cold start perlu tetap diperhitungkan.

5. Kehilangan Panas Dinding Furnace

Kehilangan panas melalui dinding dapat diperkirakan dengan:

Q˙wall=U×A×ΔT\dot Q_{wall}=U \times A \times \Delta TQ˙​wall​=U×A×ΔT

Asumsi:

• koefisien perpindahan panas keseluruhan U=0,35 W/m2KU = 0{,}35\ W/m^2KU=0,35 W/m2K;
• luas dinding A=46 m2A = 46\ m^2A=46 m2;
• temperatur furnace Ti=850∘CT_i = 850^\circ CTi​=850∘C;
• temperatur lingkungan To=30∘CT_o = 30^\circ CTo​=30∘C.

$$\Delta T=850-30=820K$$ Q˙wall=0,35×46×820\dot Q_{wall}=0{,}35 \times 46 \times 820Q˙​wall​=0,35×46×820 Q˙wall=13.202 W\dot Q_{wall}=13.202\ WQ˙​wall​=13.202 W Q˙wall=13,2 kW\dot Q_{wall}=13{,}2\ kWQ˙​wall​=13,2 kW

Nilai ini berlaku untuk furnace dengan insulasi yang masih baik. Refractory retak, sambungan panel terbuka, hot spot pada casing, atau insulasi tipis dapat meningkatkan kehilangan panas secara signifikan.

6. Kehilangan Panas Melalui Pintu dan Celah

Diasumsikan kehilangan panas dari pintu, lubang inspeksi, shaft, dan sambungan sebesar 10% dari beban proses langsung:

Q˙opening=10%×(Q˙produk+Q˙fixture+Q˙wall)\dot Q_{opening}=10\% \times (\dot Q_{produk}+\dot Q_{fixture}+\dot Q_{wall})Q˙​opening​=10%×(Q˙​produk​+Q˙​fixture​+Q˙​wall​) Q˙opening=0,10×(64,17+32,08+13,2)\dot Q_{opening}=0{,}10 \times (64{,}17+32{,}08+13{,}2)Q˙​opening​=0,10×(64,17+32,08+13,2) Q˙opening=10,95 kW\dot Q_{opening}=10{,}95\ kWQ˙​opening​=10,95 kW

7. Kehilangan Panas Gas Buang

Tidak seluruh energi pembakaran dapat diserap produk. Sebagian energi keluar bersama gas buang.

Untuk estimasi awal, kehilangan gas buang dan excess air ditetapkan sebesar 25 kW setelah perbaikan setting pembakaran.

Nilai aktual perlu diukur menggunakan combustion analyzer berdasarkan:

• temperatur flue gas;
• kandungan O₂;
• kandungan CO₂;
• kadar CO;
• excess air;
• jenis bahan bakar;
• temperatur udara pembakaran.

8. Total Heat Duty Furnace

Total beban panas berguna dan kehilangan panas:

Tambahkan faktor keamanan 20%:

Q˙design=145,40×1,20\dot Q_{design}=145{,}40 \times 1{,}20Q˙​design​=145,40×1,20 Q˙design=174,48 kW\dot Q_{design}=174{,}48\ kWQ˙​design​=174,48 kW

Dengan demikian, kebutuhan burner minimum berdasarkan simulasi adalah sekitar:

175 kW\boxed{175\ kW}175 kW​

Untuk mengantisipasi cold start, variasi loading, penurunan tekanan gas, usia refractory, dan kebutuhan recovery cepat, kapasitas terpasang yang layak berada pada rentang:

200−250 kW\boxed{200-250\ kW}200−250 kW​

Konfigurasi yang dapat dipertimbangkan:

• 1 unit jet burner 250 kW; atau
• 2 unit jet burner masing-masing 125 kW.

Untuk pemerataan temperatur dan fleksibilitas operasi, dua burner sering lebih baik daripada satu burner besar, terutama pada furnace yang panjang atau memiliki distribusi beban tidak merata.

9. Perhitungan Konsumsi Gas

9.1 Sistem BEJO Jet Burner

Jika burner beroperasi pada input rata-rata 220 kW:

Vgas=Q˙burnerLHVgasV_{gas}=\frac{\dot Q_{burner}}{LHV_{gas}}Vgas​=LHVgas​Q˙​burner​​ Vgas=2209,5V_{gas}=\frac{220}{9{,}5}Vgas​=9,5220​ Vgas=23,16 Nm3/jamV_{gas}=23{,}16\ Nm^3/jamVgas​=23,16 Nm3/jam

Jika fase pemanasan berlangsung dua jam:

Vgas,batch=23,16×2V_{gas,batch}=23{,}16 \times 2Vgas,batch​=23,16×2 Vgas,batch=46,32 Nm3/batchV_{gas,batch}=46{,}32\ Nm^3/batchVgas,batch​=46,32 Nm3/batch

Pada praktiknya, burner modulating tidak selalu bekerja 100%. Setelah furnace mendekati set point, kapasitas burner akan turun. Konsumsi rata-rata aktual dapat berada di bawah hasil perhitungan maksimum tersebut.

9.2 Sistem Burner Konvensional

Kebutuhan panas ke produk dan furnace dianggap sama, yaitu 145,40 kW. Dengan efisiensi sistem lama 45%:

Q˙fuel,lama=145,400,45\dot Q_{fuel,lama}=\frac{145{,}40}{0{,}45}Q˙​fuel,lama​=0,45145,40​ Q˙fuel,lama=323,11 kW\dot Q_{fuel,lama}=323{,}11\ kWQ˙​fuel,lama​=323,11 kW

Konsumsi gas:

Vgas,lama=323,119,5V_{gas,lama}=\frac{323{,}11}{9{,}5}Vgas,lama​=9,5323,11​ Vgas,lama=34,01 Nm3/jamV_{gas,lama}=34{,}01\ Nm^3/jamVgas,lama​=34,01 Nm3/jam

Jika waktu pemanasan sistem lama 2,5 jam:

Vgas,batch,lama=34,01×2,5V_{gas,batch,lama}=34{,}01 \times 2{,}5Vgas,batch,lama​=34,01×2,5 Vgas,batch,lama=85,03 Nm3/batchV_{gas,batch,lama}=85{,}03\ Nm^3/batchVgas,batch,lama​=85,03 Nm3/batch

9.3 Potensi Penghematan

$$\Delta V=85,03-46,32$$ ΔV=38,71 Nm3/batch\Delta V=38{,}71\ Nm^3/batchΔV=38,71 Nm3/batch

Persentase penghematan simulasi:

Saving=38,7185,03×100%Saving=\frac{38{,}71}{85{,}03}\times100\%Saving=85,0338,71​×100% $$Saving=45,52\%$$

Angka tersebut merupakan hasil skenario perhitungan. Penghematan aktual tidak boleh dijanjikan tanpa baseline konsumsi, pengukuran produksi, dan combustion test sebelum serta sesudah retrofit.

10. Studi Banding Jet Burner dan Burner Konvensional

11. Perbandingan Distribusi Temperatur

Misalnya furnace lama memiliki hasil pengukuran sembilan titik:

Data tersebut adalah contoh target studi banding. Nilai sebenarnya harus diperoleh melalui temperature mapping menggunakan thermocouple terkalibrasi atau data logger.

Pemerataan temperatur yang lebih baik dapat memberikan manfaat:

• kualitas produk lebih konsisten;
• mengurangi produk terlalu panas;
• mengurangi produk kurang matang;
• menurunkan reject;
• mengurangi kebutuhan pemanasan ulang;
• mempercepat cycle time;
• memperpanjang umur fixture;
• meningkatkan kestabilan proses.

12. Efek High-Velocity Jet terhadap Perpindahan Panas

Laju perpindahan panas konveksi dinyatakan dengan:

Q˙=hA(Tg−Ts)\dot Q=hA(T_g-T_s)Q˙​=hA(Tg​−Ts​)

Keterangan:

• $h$ = koefisien perpindahan panas konveksi;
• $A$ = luas permukaan produk;
• TgT_gTg​ = temperatur gas;
• TsT_sTs​ = temperatur permukaan produk.

Kecepatan gas yang lebih tinggi cenderung meningkatkan bilangan Reynolds:

Re=ρvDμRe=\frac{\rho vD}{\mu}Re=μρvD​

Peningkatan Reynolds memperkuat turbulensi. Pada banyak kondisi, kenaikan turbulensi dapat meningkatkan bilangan Nusselt dan koefisien konveksi $h$.

Hubungan sederhananya:

Nu=CRemPrnNu=CRe^mPr^nNu=CRemPrn

Kemudian:

h=Nu⋅kDh=\frac{Nu\cdot k}{D}h=DNu⋅k​

Artinya, jet burner tidak hanya menghasilkan temperatur tinggi. Kecepatan gas juga membantu meningkatkan perpindahan panas konveksi ke permukaan material.

Namun, kecepatan terlalu tinggi tanpa perhitungan dapat menyebabkan:

• erosi refractory;
• api tidak stabil;
• tekanan furnace terlalu positif;
• panas terlalu banyak keluar melalui exhaust;
• oksidasi produk meningkat;
• noise tinggi;
• flame impingement.

Karena itu, kapasitas burner, diameter outlet, tekanan udara, posisi pemasangan, dan bukaan exhaust harus dihitung sebagai satu sistem.

13. Estimasi Biaya Operasional

13.1 Burner Konvensional

Konsumsi gas:

85,03 Nm3/batch85{,}03\ Nm^3/batch85,03 Nm3/batch

Biaya gas per batch:

$$85,03\times Rp7.000$$ $$=Rp595.210/batch$$

Pada tiga batch per hari:

$$Rp595.210\times 3$$ $$=Rp1.785.630/hari$$

Untuk 300 hari:

$$Rp\mathrm{1.785.630}\times 300$$ $$=Rp535.689.000/tahun$$

13.2 BEJO Jet Burner

Konsumsi gas:

46,32 Nm3/batch46{,}32\ Nm^3/batch46,32 Nm3/batch

Biaya per batch:

$$46,32\times Rp7.000$$ $$=Rp324.240/batch$$

Biaya harian:

$$Rp324.240\times 3$$ $$=Rp972.720/hari$$

Biaya tahunan:

$$Rp972.720\times 300$$ $$=Rp291.816.000/tahun$$

13.3 Potensi Penghematan Tahunan

$$Saving=Rp\mathrm{535.689.000}-Rp\mathrm{291.816.000}$$ Saving=Rp243.873.000/tahun\boxed{Saving=Rp243.873.000/tahun}Saving=Rp243.873.000/tahun​

14. Estimasi Investasi Retrofit

Contoh estimasi awal:

Harga tersebut hanya ilustrasi. Penawaran final ditentukan setelah survey, engineering, pemilihan kapasitas, merek komponen, panjang piping, lokasi proyek, dan lingkup pekerjaan.

15. Perhitungan Payback Period

Rumus:

Payback=InvestasiPenghematan tahunanPayback=\frac{Investasi}{Penghematan\ tahunan}Payback=Penghematan tahunanInvestasi​ Payback=Rp470.000.000Rp243.873.000Payback=\frac{Rp470.000.000}{Rp243.873.000}Payback=Rp243.873.000Rp470.000.000​ $$Payback=1,93tahun$$

Dengan demikian, estimasi simple payback:

±23 bulan\boxed{±23\ bulan}±23 bulan​

Perhitungan tersebut belum memasukkan manfaat tambahan berupa:

• peningkatan kapasitas produksi;
• penurunan reject;
• pengurangan rework;
• pengurangan downtime;
• peningkatan kualitas produk;
• pengurangan waktu pemanasan;
• potensi perpanjangan umur refractory.

Apabila manfaat produksi dimasukkan, periode pengembalian investasi dapat menjadi lebih singkat.

16. Analisis Kenaikan Produktivitas

Sistem lama:

• pemanasan: 2,5 jam;
• loading dan unloading: 0,5 jam;
• total cycle time: 3 jam.

BEJO Jet Burner:

• pemanasan: 2 jam;
• loading dan unloading: 0,5 jam;
• total cycle time: 2,5 jam.

Produktivitas dalam operasi 15 jam:

Nlama=153=5 batchN_{lama}=\frac{15}{3}=5\ batchNlama​=315​=5 batch Nbaru=152,5=6 batchN_{baru}=\frac{15}{2{,}5}=6\ batchNbaru​=2,515​=6 batch

Potensi peningkatan kapasitas:

6−55×100%=20%\frac{6-5}{5}\times100\%=20\%56−5​×100%=20%

Dengan kapasitas 1.000 kg/batch, tambahan produksi teoritis mencapai:

$$1.000kg/hari$$

Realisasinya tetap bergantung pada kapasitas upstream, downstream, tenaga kerja, loading system, dan jadwal produksi.

17. Konfigurasi Sistem yang Direkomendasikan

17.1 Burner

• dua unit BEJO High Temperature Jet Burner;
• kapasitas masing-masing sekitar 125 kW;
• total kapasitas terpasang 250 kW;
• sistem modulating;
• turndown disesuaikan kebutuhan operasi;
• ignition otomatis;
• flame monitoring UV atau ionization sesuai desain.

17.2 Gas Train

Gas train minimum terdiri dari:

• manual isolation valve;
• gas filter;
• pressure regulator;
• low gas pressure switch;
• high gas pressure switch;
• double safety shut-off valve;
• valve proving system;
• pressure gauge;
• vent atau relief sesuai desain;
• flexible connection yang sesuai;
• test point.

17.3 Sistem Udara Pembakaran

• combustion-air blower;
• air filter;
• damper atau control valve;
• servo motor;
• air pressure switch;
• flexible connection;
• pressure tapping;
• balancing valve apabila satu blower melayani beberapa burner.

17.4 Burner Management System

Burner Management System sebaiknya menangani:

• emergency stop;
• pengecekan false flame;
• pre-purge;
• konfirmasi tekanan udara;
• ignition trial;
• pembukaan pilot valve;
• pembuktian pilot flame;
• pembukaan main gas valve;
• pembuktian main flame;
• modulasi temperatur;
• high-temperature trip;
• gas-pressure trip;
• flame-failure trip;
• alarm dan lockout;
• manual reset;
• post-purge bila diperlukan.

18. Urutan Operasi Burner

Tahap 1: Permissive

Burner hanya diizinkan start jika:

• emergency stop normal;
• tekanan gas normal;
• blower tersedia;
• air pressure switch sehat;
• temperatur sensor normal;
• furnace pressure normal;
• tidak terdapat false flame;
• pintu furnace dalam posisi aman;
• valve proving selesai;
• peralatan downstream siap.

Tahap 2: Pre-Purge

Blower mengalirkan udara untuk membilas ruang furnace. Volume purge dan waktunya harus memenuhi standar desain serta risk assessment.

Tahap 3: Ignition

Ignition transformer menghasilkan percikan, kemudian pilot gas dibuka. Flame detector harus membuktikan adanya pilot flame dalam waktu aman.

Tahap 4: Main Flame

Setelah pilot terbukti, main gas valve dibuka. Api utama harus terdeteksi dan stabil.

Tahap 5: Modulation

Controller mengatur kapasitas burner berdasarkan temperatur furnace atau temperatur produk.

Tahap 6: Shutdown

Ketika set point tercapai atau proses selesai, suplai gas ditutup. Sistem dapat menjalankan post-purge sesuai kebutuhan desain.

19. Parameter Commissioning

Tidak ada satu angka O₂ yang dapat diterapkan secara universal. Setting harus disesuaikan dengan jenis gas, temperatur proses, konstruksi burner, furnace pressure, dan hasil pengukuran emisi.

20. Risiko jika Jet Burner Tidak Dirancang dengan Benar

Burner Terlalu Besar

Dampaknya:

• burner sering hidup-mati;
• temperatur overshoot;
• konsumsi bahan bakar tidak stabil;
• refractory mengalami thermal shock;
• umur valve dan ignition system berkurang.

Burner Terlalu Kecil

Dampaknya:

• target temperatur tidak tercapai;
• burner bekerja terus pada high fire;
• waktu pemanasan terlalu lama;
• kapasitas produksi turun;
• tidak tersedia cadangan kapasitas.

Posisi Burner Salah

Dampaknya:

• flame impingement;
• hot spot;
• produk mengalami oksidasi;
• refractory terkikis;
• sirkulasi gas panas tidak merata.

Exhaust Terlalu Besar

Dampaknya:

• panas cepat terbuang;
• konsumsi gas meningkat;
• temperatur sulit tercapai;
• furnace menjadi terlalu negatif.

Exhaust Terlalu Kecil

Dampaknya:

• furnace pressure positif;
• gas panas keluar dari pintu;
• lingkungan kerja berbahaya;
• flame stability terganggu.

21. Keunggulan BEJO Jet Burner

• menghasilkan high-velocity flame;
• meningkatkan sirkulasi gas panas;
• membantu pemerataan temperatur;
• mempercepat heat-up time;
• mendukung kontrol modulating;
• sesuai untuk proses temperatur tinggi;
• dapat diintegrasikan dengan PLC dan HMI;
• mendukung alarm serta interlock keselamatan;
• dapat disesuaikan dengan dimensi furnace;
• tersedia layanan engineering dan commissioning;
• dapat digunakan untuk retrofit sistem lama.

22. Kekurangan dan Batasan

BEJO Jet Burner tetap memiliki beberapa batasan:

• investasi awal lebih tinggi;
• membutuhkan blower dan gas train yang tepat;
• commissioning harus dilakukan oleh teknisi kompeten;
• noise dapat lebih tinggi;
• refractory di sekitar burner harus tahan temperatur dan kecepatan gas;
• tekanan furnace harus dikendalikan;
• tidak boleh dipilih hanya berdasarkan temperatur api;
• kualitas gas dan kestabilan tekanan memengaruhi performa;
• membutuhkan maintenance berkala pada nozzle, burner block, sensor, valve, dan blower.

Jet burner bukan solusi otomatis untuk semua furnace. Keberhasilannya ditentukan oleh keseluruhan sistem, bukan burner saja.

23. Kesimpulan Studi Kasus

Berdasarkan simulasi furnace kapasitas 1.000 kg baja per batch, kebutuhan kapasitas burner berada di sekitar 175 kW setelah memasukkan kehilangan panas dan faktor keamanan. Kapasitas terpasang yang direkomendasikan adalah sekitar 200–250 kW.

Konfigurasi dua unit BEJO High Temperature Jet Burner 125 kW dapat memberikan distribusi panas dan fleksibilitas modulasi yang lebih baik daripada satu burner besar.

Hasil studi banding simulasi menunjukkan:

Angka tersebut merupakan estimasi berdasarkan asumsi. Jaminan performa hanya dapat ditentukan setelah survey, heat balance, pemetaan temperatur, pemeriksaan tekanan gas, dan pengukuran konsumsi aktual.

Konsultasi Engineering

PT Indira Mitra Boiler melayani:

• survey furnace;
• perhitungan heat load;
• pemilihan kapasitas jet burner;
• desain gas train;
• panel Burner Management System;
• modifikasi refractory;
• instalasi burner;
• setting rasio udara dan gas;
• combustion analysis;
• temperature mapping;
• testing dan commissioning.

PT Indira Mitra Boiler
Sales Ratman Bejo
WhatsApp: 0813-8866-6204