Types of Boilers.

Technological progress has had a significant impact on human activities, especially in the industrial sector. Various kinds of technological developments are carried out to facilitate human performance, so at this time there are many types of industrial tools that have the same purpose but have different ways of working, including boilers. After the previous post, we discussed the definition of a boiler and its main parts, this time we will try to review the types of boilers and their advantages and disadvantages.

What is a boiler?

The boiler is a closed vessel-shaped device that is used to heat water to produce steam (steam), the heat from the combustion of fuel in the boiler will be transferred to the water medium flowing in the pipes, when the water temperature has reached a certain temperature it will occur evaporation. So we can interpret that a boiler is a tool used to make steam, as we know steam can be used to drive a turbine in a power plant and function as a temperature controller in a petroleum distillation column.

Before we discuss further boiler technology at this time, it would be nice if we first knew the type of boiler that was first used. This boiler is called a Pot Boiler or Hycock Boiler which has the simplest form in history and was first introduced in the 18th century. This boiler has a large volume of water but can only produce steam at low pressure, using wood and coal as fuel. that’s a little explanation of the ancient boiler that was successful in its time.

FIRE TUBE STEAM Boiler Types

types can be distinguished from various things such as characteristics, working methods, pipe type, and the fuel used. Each type of boiler has its own advantages and disadvantages, as we have described below:

Type Based on Tube-Type (Pipe):

Fire Tube Boiler

This boiler has two parts in it, namely the tube section which is where the combustion occurs, and the barrel/barrel which contains the fluid. This type of fire tube boiler has the characteristics of producing a low amount of steam and limited capacity.

Working Principle: The ignition process occurs in the pipe and the heat generated is delivered directly into the boiler filled with water.

Pros: The installation process is quite easy and does not require special settings, does not require a large area, and has a low cost.

Disadvantages: Has a combustion chamber that is difficult to reach when cleaning, has a low steam capacity, and is less efficient because a lot of heat is wasted.

Water Tube.

Has a construction that is almost the same as the type of fire pipe, this type also consists of a pipe and a barrel, the only difference being that the side of the pipe is filled with water while the side of the barrel is where the combustion takes place. The characteristic of this type is that it produces a relatively large amount of steam.

Working Principle: The ignition process occurs on the outside of the pipe, so the heat will be absorbed by the water flowing in the pipe.

Pros: It has a large steam capacity, and a relatively higher efficiency value, and the furnace is easy to reach when cleaning.

Disadvantages: The initial investment cost is quite expensive, requires a large area, and requires additional components in terms of water treatment.

By Type of Fuel

Solid Fuel

This type of boiler uses solid fuels such as wood, and coal, with characteristics such as relatively cheaper fuel prices and more efficiency when compared to electric boilers.

Working Principle: Heating comes from the combustion of solid fuels or it can be a mixture of several solid fuels (coal and wood) assisted by oxygen.

Pros: Fuel is easy to obtain and cheaper.

Disadvantages: Burning residue is difficult to clean.

Oil Fuel (Oil Fuel)

This type has fuel from the petroleum fraction, with the characteristics of having more expensive combustion raw materials, but has a better efficiency value when compared to the others.

Working Principle: Heating from the combustion of a mixture of liquid fuels (kerosene, diesel, residue) with oxygen and a heat source.

Pros: It has little combustion residue so it is easy to clean and the raw materials are easy to get.

Disadvantages: It has expensive raw material prices and has an expensive construction.

Gas Fuel (Gaseous Fuel)

Has a type of gas fuel with the characteristics of cheaper raw materials and better efficiency values when compared to other types of fuel.

Working Principle: Combustion that occurs due to a mixture of gas fuel (LNG) with

Jenis Boiler Berdasarkan Konstruksi dan Bahan Bakar

Boiler dapat dibedakan berdasarkan konstruksi pressure part dan jenis bahan bakar yang digunakan. Berdasarkan konstruksinya, dua desain yang paling umum adalah fire tube boiler dan water tube boiler.

Sementara itu, berdasarkan sumber energinya, boiler dapat menggunakan bahan bakar padat, minyak, gas, listrik, atau kombinasi beberapa bahan bakar.

Fire Tube Boiler

Fire tube boiler merupakan boiler yang mengalirkan gas panas hasil pembakaran melalui bagian dalam tube. Air berada di luar tube tetapi masih di dalam shell boiler.

Konstruksinya umumnya terdiri dari:

Shell atau badan boiler
Furnace
Fire tube atau smoke tube
Tube sheet
Combustion chamber
Steam space
Burner
Front dan rear door
Chimney

Prinsip Kerja Fire Tube Boiler

Proses pembakaran terjadi di dalam furnace. Gas panas kemudian melewati fire tube dan memindahkan panas melalui dinding tube menuju air di dalam shell.

Setelah menerima panas, air mencapai titik didih dan menghasilkan steam. Steam terkumpul pada bagian atas shell sebelum dialirkan menuju steam header atau peralatan proses.

Kelebihan Fire Tube Boiler

Konstruksi relatif sederhana
Proses instalasi lebih mudah
Umumnya tersedia dalam bentuk package boiler
Tekanan steam relatif stabil
Cocok untuk beban steam yang konstan
Pengoperasian relatif mudah
Biaya investasi kompetitif pada kapasitas kecil hingga menengah
Dapat menggunakan burner gas, minyak, atau dual fuel

Kekurangan Fire Tube Boiler

Kandungan air relatif besar
Waktu pembentukan steam lebih lama
Respons terhadap perubahan beban relatif lambat
Dimensi dan berat meningkat pada kapasitas besar
Tekanan dan kapasitas memiliki batas desain
Pembersihan bagian tertentu dapat membutuhkan pembukaan front atau rear door

Fire tube boiler tidak selalu menghasilkan steam dalam jumlah rendah. Tersedia fire tube boiler industri dengan kapasitas beberapa ton steam per jam. Kapasitas aktual bergantung pada desain, tekanan kerja, heating surface, dan produsen.

Water Tube Boiler

Water tube boiler merupakan boiler yang mengalirkan air dan campuran air–steam melalui bagian dalam tube. Gas panas hasil pembakaran mengalir di luar tube.

Konstruksinya dapat terdiri dari:

Steam drum
Water drum
Upper dan lower header
Water tube
Furnace
Mud drum
Superheater
Economizer
Air preheater
FD fan dan ID fan

Prinsip Kerja Water Tube Boiler

Proses pembakaran terjadi di furnace. Panas dari flame dan gas pembakaran diserap oleh water tube.

Air yang menerima panas bersirkulasi menuju steam drum. Di dalam steam drum, steam dipisahkan dari air. Air kembali bersirkulasi, sedangkan steam dialirkan menuju proses atau superheater.

Kekurangan Water Tube Boiler

Investasi awal relatif lebih tinggi
Sistem kontrol lebih kompleks
Membutuhkan kualitas air yang lebih ketat
Memerlukan operator berpengalaman
Perawatan tube dan drum membutuhkan prosedur khusus
Beberapa desain membutuhkan area instalasi lebih besar

Water treatment menjadi bagian penting karena pembentukan kerak di dalam tube dapat menghambat sirkulasi dan menyebabkan overheating.

Perbandingan Fire Tube dan Water Tube Boiler

Parameter	Fire Tube Boiler	Water Tube Boiler
Fluida di dalam tube	Gas panas	Air dan steam
Air berada di	Dalam shell, di luar tube	Di dalam tube
Kapasitas steam	Kecil hingga menengah, tersedia juga kapasitas besar tertentu	Menengah hingga sangat besar
Tekanan kerja	Rendah hingga menengah	Dapat mencapai tekanan tinggi
Kandungan air	Relatif besar	Relatif kecil
Pembentukan steam	Lebih lambat	Lebih cepat
Respons perubahan beban	Relatif lambat	Relatif cepat
Kualitas air	Tetap perlu dikontrol	Membutuhkan kontrol lebih ketat
Kompleksitas	Relatif sederhana	Lebih kompleks
Investasi	Kompetitif	Relatif lebih tinggi

Jenis Boiler Berdasarkan Bahan Bakar

Solid Fuel Boiler

Solid fuel boiler menggunakan bahan bakar padat, seperti:

Batubara
Kayu
Wood chip
Serbuk gergaji
Cangkang sawit
Palm kernel shell
Sekam padi
Pellet biomassa
Limbah padat tertentu

Prinsip Kerja

Bahan bakar padat dimasukkan ke dalam furnace dan dibakar menggunakan udara pembakaran. Sistem dapat menggunakan fixed grate, moving grate, chain grate, reciprocating grate, atau fluidized bed.

Panas hasil pembakaran diserap oleh heating surface untuk menghasilkan air panas atau steam.

Kelebihan

Dapat memanfaatkan bahan bakar lokal
Harga bahan bakar tertentu relatif kompetitif
Dapat menggunakan limbah biomassa
Cocok untuk operasi dengan kebutuhan panas besar
Mengurangi ketergantungan pada bahan bakar minyak

Kekurangan

Menghasilkan abu dan residu
Membutuhkan sistem fuel handling
Membutuhkan ash handling
Memerlukan ruang penyimpanan bahan bakar
Pengendalian pembakaran lebih kompleks
Kualitas bahan bakar dapat berubah
Emisi partikulat perlu dikendalikan
Pembersihan furnace dan tube lebih sering

Efisiensi tidak hanya ditentukan oleh jenis bahan bakar. Kadar air biomassa, excess air, desain furnace, kebersihan tube, dan heat recovery sangat memengaruhi hasil aktual.

Oil-Fired Boiler

Oil-fired boiler menggunakan bahan bakar cair hasil pengolahan minyak atau bahan bakar lain dengan karakteristik sejenis.

Jenis bahan bakarnya dapat berupa:

High Speed Diesel
Light fuel oil
Marine diesel oil
Heavy fuel oil
Residu
Waste oil yang telah diproses dan memenuhi persyaratan

Prinsip Kerja

Bahan bakar dipompa menuju burner, diberi tekanan, kemudian dikabutkan melalui nozzle. Campuran kabut bahan bakar dan udara dinyalakan untuk menghasilkan flame.

Untuk heavy fuel oil, sistem biasanya memerlukan:

Fuel heater
Viscosity controller
Transfer pump
Circulation pump
Supply dan return line
Fuel filter
Temperature controller

Kelebihan

Sistem pembakaran relatif kompak
Kapasitas burner mudah dikendalikan
Waktu start relatif cepat
Cocok untuk sistem otomatis
Penyimpanan bahan bakar lebih mudah dibandingkan bahan bakar padat
Residu padat lebih sedikit dibandingkan pembakaran batubara atau biomassa

Kekurangan

Harga bahan bakar dapat berfluktuasi
Membutuhkan fuel storage tank
Berisiko mengalami tumpahan minyak
Nozzle dan filter membutuhkan perawatan
Heavy oil memerlukan pemanasan
Deposit jelaga tetap dapat terbentuk
Emisi dipengaruhi kualitas bahan bakar dan penyetelan burner

Efisiensi boiler minyak tidak selalu lebih tinggi daripada semua jenis boiler lain. Efisiensi ditentukan oleh desain boiler, excess air, temperatur gas buang, kualitas atomisasi, dan kebersihan heating surface.

Gas-Fired Boiler

Gas-fired boiler menggunakan bahan bakar gas, seperti:

Natural gas
CNG
LNG setelah proses regasifikasi
LPG
Biogas yang telah diproses

Prinsip Kerja

Gas dialirkan melalui gas train menuju burner. Di dalam burner, gas dicampur dengan udara pembakaran pada rasio yang sesuai, kemudian dinyalakan menggunakan ignition system.

Sistem gas train dapat mencakup:

Manual shut-off valve
Gas filter
Pressure regulator
Low-gas pressure switch
High-gas pressure switch
Double safety shut-off valve
Valve-proving system
Pressure gauge
Flexible connection

Kelebihan

Pembakaran relatif bersih
Deposit jelaga lebih sedikit
Kontrol modulasi lebih mudah
Tidak membutuhkan fuel atomization
Tidak membutuhkan pemanasan bahan bakar
Maintenance sisi pembakaran relatif lebih ringan
Cocok untuk sistem otomatis
Temperatur dan tekanan dapat dikontrol secara stabil

Kekurangan

Membutuhkan suplai gas yang stabil
Memerlukan gas train dan perangkat keselamatan
Kebocoran gas dapat menyebabkan kebakaran atau ledakan
CNG membutuhkan pressure reduction system
LPG membutuhkan tank atau cylinder manifold
LNG membutuhkan fasilitas penyimpanan dan regasifikasi
Harga gas bergantung pada lokasi dan kontrak pasokan

Electric Boiler

Electric boiler menggunakan elemen pemanas listrik atau electrode untuk memanaskan air.

Kelebihan

Tidak menghasilkan gas buang di lokasi penggunaan
Tidak membutuhkan burner
Tidak membutuhkan chimney
Kontrol temperatur akurat
Kebisingan rendah
Desain sangat kompak
Efisiensi konversi pada titik penggunaan tinggi

Kekurangan

Membutuhkan kapasitas listrik besar
Biaya operasi dipengaruhi tarif listrik
Memerlukan panel dan kabel berkapasitas tinggi
Penambahan daya listrik dapat membutuhkan investasi besar
Elemen pemanas dapat mengalami kerak
Tetap memerlukan proteksi tekanan, temperatur, dan level air

Dual Fuel Boiler

Dual fuel boiler menggunakan burner yang dapat beroperasi dengan dua jenis bahan bakar, misalnya:

Natural gas dan HSD
CNG dan HSD
LPG dan solar
Heavy oil dan gas

Sistem dual fuel memberikan cadangan bahan bakar ketika salah satu sumber energi tidak tersedia.

Kelebihan

Keandalan suplai energi lebih tinggi
Operasi dapat dilanjutkan saat pasokan gas terganggu
Pengguna dapat memilih bahan bakar berdasarkan biaya
Cocok untuk proses yang tidak boleh berhenti

Kekurangan

Harga burner dan gas train lebih tinggi
Sistem kontrol lebih kompleks
Memerlukan dua sistem bahan bakar
Membutuhkan ruang tambahan
Commissioning harus dilakukan pada kedua bahan bakar

Studi Kasus Pemilihan Bahan Bakar Boiler 2,5 Ton/Jam

Sebuah pabrik makanan membutuhkan steam sebesar 2.500 kg/jam pada tekanan kerja 10 barg. Pabrik sedang membandingkan tiga pilihan bahan bakar:

HSD
Natural gas
Biomassa

Data Perhitungan

Asumsi yang digunakan:

Parameter	Nilai
Kapasitas steam	2.500 kg/jam
Tekanan operasi	10 barg
Temperatur feedwater	80°C
Entalpi steam	±2.782 kJ/kg
Entalpi feedwater	±335 kJ/kg
Selisih entalpi	±2.447 kJ/kg
Jam operasi	8 jam/hari
Hari operasi	300 hari/tahun

Menghitung Kebutuhan Panas Steam

$Q = 2.500 \times 2.447$ $Q = 6.117.500 kJ/jam$

Konversi ke kilowatt:

$Q = 3.6006.117.500$ $Q \approx 1.699 kW$

Kebutuhan panas yang diterima air adalah sekitar 1,70 MW.

Opsi HSD

Dengan asumsi efisiensi boiler 88%:

$I n p u t = 0 , 881.699$ $I n p u t \approx 1.931 kW$

Jika nilai kalor HSD sekitar 36 MJ/liter:

$Ko n s u m s i = 36 MJ/liter 6.951 , 6 MJ/jam$ $Ko n s u m s i H S D \approx 193 liter/jam$

Evaluasi HSD

Sistem kompak
Start-up cepat
Pengaturan kapasitas mudah
Membutuhkan tangki bahan bakar
Biaya operasional sangat dipengaruhi harga HSD
Nozzle dan filter memerlukan perawatan

Opsi Natural Gas

Dengan asumsi efisiensi boiler 90%:

$I n p u t = 0 , 901.699$ $I n p u t \approx 1.888 kW$

Jika nilai kalor natural gas sekitar 35 MJ/Nm³:

$Ko n s u m s i = 356.796 , 8$ $Ko n s u m s i g a s \approx 194 Nm^{3} / jam$

Evaluasi Natural Gas

Pembakaran lebih bersih
Deposit pada tube lebih sedikit
Burner modulating dapat digunakan
Membutuhkan tekanan dan flow gas yang stabil
Memerlukan gas train
Nilai investasi dipengaruhi ketersediaan jaringan gas

Opsi Biomassa

Dengan asumsi efisiensi boiler 78%:

$I n p u t = 0 , 781.699$ $I n p u t \approx 2.178 kW$

Jika nilai kalor biomassa sekitar 15 MJ/kg:

$Ko n s u m s i = 157.840 , 8$ $Ko n s u m s i bi o ma ss a \approx 523 kg/jam$

Evaluasi Biomassa

Harga bahan bakar dapat lebih kompetitif
Dapat memanfaatkan limbah produksi
Membutuhkan gudang bahan bakar
Membutuhkan fuel dan ash handling
Memerlukan kontrol kadar air bahan bakar
Menghasilkan abu dan partikulat
Respons perubahan beban lebih lambat

Perbandingan Hasil

Parameter	HSD	Natural Gas	Biomassa
Efisiensi asumsi	88%	90%	78%
Konsumsi maksimum	±193 liter/jam	±194 Nm³/jam	±523 kg/jam
Waktu start-up	Cepat	Cepat	Relatif lambat
Residu padat	Rendah	Sangat rendah	Tinggi
Kebutuhan area	Sedang	Relatif kecil	Besar
Sistem fuel handling	Sederhana	Gas train	Kompleks
Fleksibilitas beban	Baik	Sangat baik	Sedang
Biaya investasi	Menengah	Menengah	Relatif tinggi
Maintenance furnace	Sedang	Relatif rendah	Tinggi

Hasil Rekomendasi

Natural gas direkomendasikan apabila pasokan, tekanan, dan harga gas di lokasi pabrik tersedia secara stabil. Sistem ini memberikan pengaturan kapasitas yang baik dan kebutuhan pembersihan yang relatif rendah.

HSD dapat dipertimbangkan sebagai bahan bakar utama apabila jaringan gas belum tersedia atau sebagai bahan bakar cadangan melalui burner dual fuel.

Biomassa lebih sesuai apabila pabrik memiliki sumber bahan bakar padat dengan harga kompetitif, area penyimpanan yang mencukupi, dan tenaga operator untuk menangani fuel serta ash handling.

Kesimpulan Studi Kasus

Pemilihan jenis boiler dan bahan bakar tidak boleh hanya berdasarkan harga unit. Evaluasi harus memasukkan:

Kebutuhan steam
Tekanan kerja
Harga energi
Ketersediaan bahan bakar
Jam operasional
Efisiensi boiler
Kebutuhan area
Biaya maintenance
Pengelolaan emisi
Keandalan suplai
Waktu pengembalian investasi

Untuk proses yang tidak boleh berhenti, penggunaan dual fuel burner gas–HSD dapat menjadi pilihan karena memberikan fleksibilitas sekaligus cadangan bahan bakar.

Types of Boilers.

What is a boiler?

FIRE TUBE STEAM Boiler Types

Fire Tube Boiler

By Type of Fuel

Oil Fuel (Oil Fuel)

Jenis Boiler Berdasarkan Konstruksi dan Bahan Bakar

Fire Tube Boiler

Prinsip Kerja Fire Tube Boiler

Kelebihan Fire Tube Boiler

Kekurangan Fire Tube Boiler

Water Tube Boiler

Prinsip Kerja Water Tube Boiler

Kelebihan Water Tube Boiler

Kekurangan Water Tube Boiler

Perbandingan Fire Tube dan Water Tube Boiler

Jenis Boiler Berdasarkan Bahan Bakar

Solid Fuel Boiler

Prinsip Kerja

Kelebihan

Kekurangan

Oil-Fired Boiler

Prinsip Kerja

Kelebihan

Kekurangan

Gas-Fired Boiler

Prinsip Kerja

Kelebihan

Kekurangan

Electric Boiler

Kelebihan

Kekurangan

Dual Fuel Boiler

Kelebihan

Kekurangan

Studi Kasus Pemilihan Bahan Bakar Boiler 2,5 Ton/Jam

Data Perhitungan

Menghitung Kebutuhan Panas Steam

Opsi HSD

Evaluasi HSD

Opsi Natural Gas

Evaluasi Natural Gas

Opsi Biomassa

Evaluasi Biomassa

Perbandingan Hasil

Hasil Rekomendasi

Kesimpulan Studi Kasus