STUDI NUMERIK KARAKTERISTIK ALIRAN GAS-SOLID
DAN PEMBAKARAN
TANGENTIALLY FIRED
PULVERIZED-COAL BOILER
315 MWe DENGAN
VARIASI SUDUT
TILTING
DAN NILAI KALOR
BATUBARA
(STUDI KASUS PLTU PACITAN UNIT 1)
RAKHMAT HIDAYAT NRP 2112 204 804
DOSEN PEMBIMBING
Dr. Ir. Atok Setiyawan, M.Eng, Sc.
PROGRAM MAGISTER
BIDANG KEAHLIAN REKAYASA ENERGI JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA
NUMERICAL STUDY OF GAS-SOLID FLOW AND
COMBUSTION CHARACTERISTICS IN 315 MWe
TANGENTIALLY FIRED PULVERIZED-COAL BOILER
WITH TILTING ANGLE VARIATION AND CALORIFIC
VALUE OF COAL
(CASE STUDY OF PLTU PACITAN UNIT 1)
RAKHMAT HIDAYAT NRP 2112 204 804
ADVISOR
Dr. Ir. Atok Setiyawan, M.Eng, Sc.
MASTER PROGRAM ENERGY ENGINEERING
MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT FACULTY OF INDUSTRIAL TECHNOLOGY
SEPULUH NOPEMBER INSTITUTE OF TECHNOLOGY SURABAYA
PULVERIZED-COAL BOILER
315MWe
DENGAN VARIASI SUDUT
TILTING
DAN NILAI KALOR
BATUBARA
(STUDI KASUS PLTU PACITAN UNIT 1)
Nama Mahasiswa : Rakhmat Hidayat
NRP : 2112204804
Jurusan : Teknik Mesin FTI-ITS
Pembimbing : Dr. Ir. Atok Setiyawan, M.Eng,Sc
ABSTRAK
MWeTANGENTIALLY FIRED PULVERIZED-COAL BOILER
WITH TILTING ANGLE VARIATION AND CALORIFIC
VALUE OF COAL
(CASE STUDY OF PLTU PACITAN UNIT 1)
Name : Rakhmat Hidayat
NRP : 2112204804
Major : Mechanical Engineering Department, ITS Advisor : Dr. Ir. Atok Setiyawan, M.Eng,Sc
ABSTRACT
Segala puji bagi Allah SWT yang telah memberikan petunjuk dan
kekuatan sehingga kami dapat menyelesaikan tesis yang berjudul “Studi Numerik Karakteristik Aliran Gas-Solid dan Pembakaran pada Tangentially Fired Pulverized-Coal Boiler 315MWe Dengan Variasi Sudut Tilting dan Nilai Kalor Batubara (Studi Kasus PLTU Pacitan Unit 1)”.
Penyusunan tesis ini merupakan persyaratan kelulusan Program Studi S-2
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik Industri, Institut Teknologi Sepuluh
Nopember Surabaya. Penulis menyadari keberhasilan penulisan tesis ini mendapat
dukungan dan bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, pada kesempatan ini
penulis menyampaikan banyak terima kasih kepada pihak-pihak yang telah
mendukung dan membantu dalam penulisan tesis ini, antara lain kepada :
1. Dr. Ir. Atok Setiyawan, M.Eng,Sc. selaku dosen pembimbing tesis.
2. Prof. Ir. Sutardi, M.Sc. PhD, selaku Koordinator S-2 Jurusan Teknik
Mesin.
3. Dr. Wawan Aries Widodo, ST., MT,. Dr. Bambang Sudarmanta, ST., MT.,
Dr. Bambang Arif D., ST., M.Sc.Eng, selaku dosen penguji tesis penulis.
4. PT PJBServices yang memberikan beasiswa dan kesempatan tugas belajar
S2.
5. Siti Nailin, istri tercinta yang selalu memberi dukungan dan semangat
untuk segera lulus.
6. Faiza dan Zhafira tersayang yang selalu menjadikan semangat untuk
segera lulus.
7. Bapak dan Ibu yang selalu memanjatkan doa demi keberhasilan penulis
dalam menjalani kehidupan.
8. Segenap Dosen dan Karyawan Jurusan Teknik Mesin.
9. Rekan-rekan S-2 Jurusan Teknik Mesin.
tesis ini bermanfaat bagi semua.
Surabaya, Januari 2015
Halaman
Halaman Judul ... i
Kata Pengantar ... ii
Abstrak ... iv
Daftar Isi ... viii
Daftar Tabel ... x
Daftar Gambar ... xi
BAB 1 PENDAHULUAN... 1
1.1 Latar Belakang... 1
1.2 Perumusan Masalah ... 2
1.3 Batasan Masalah ... 2
1.4 Tujuan Penelitian ... 3
1.5 Manfaat Penelitian ... 3
BAB 2 KAJIAN PUSTAKA ... 5
2.1 Boiler ... 5
2.1.1Furnace... 5
2.1.2.Burner ... 5
2.1.3.Tilting Burner... 7
2.1.4.Heat Exchanger ... 8
2.2 Bahan Bakar dan Teori Pembakaran ... 9
2.2.1 Bahan Bakar ... 9
2.2.2 Teori Pembakaran ... 11
2.3 Studi Numerik CFD ... 14
2.3.1 Pemodelan dengan Menggunakan Metode Numerik ... 16
2.3.2 Penelitian Terdahulu ... 22
3.3 Pemodelan dan Simulasi ... 34
3.4 Rancangan Simulasi ... 49
BAB 4 ANALISA DAN PEMBAHASAN... 55
4.1Grid Independence Test ... 55
4.2 Validasi Analisa Numerik ... 56
4.3 Analisa AliranGas-Solid ... 57
4.3.1. AnalisaVector Velocity Magnitude ... 57
4.3.2. Analisa KontourVelocity Magnitude... 60
4.3.3. AnalisaParticle Track ... 64
4.4 Analisa Pembakaran ... 66
4.4.1. Analisa Kontour Temperatur ... 67
4.4.2. Analisa Kontour Fraksi Massa O2 ... 74
4.4.3. Analisa Kontour Fraksi Massa CO2... 77
4.4.4. Analisa Kontour Fraksi Massa NOx ... 80
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ... 85
5.1 Kesumpulan ... 85
5.2 Saran ... 86
DAFTAR PUSTAKA ... 87
LAMPIRAN 1 :Appendix of Boiler Performance Test Report for Unit 1... 89
LAMPIRAN 2 : Result of Heat Transfer Performance Calculation Boiler... 92
LAMPIRAN 3 :Report of Coal Analysis... 94
LAMPIRAN 4 :Report of Coal Analysis... 95
LAMPIRAN 5 :Report of Analysis... 96
LAMPIRAN 6 :Coal Analys... 97
LAMPIRAN 7 : Perhitungan Beban PanasHeat Exchanger... 98
Tabel 2.1 Klasifikasi Batubara Berdasarkan Ranking ... 9
Tabel 2.2 Komposisi Udara Kering ... 13
Tabel 3.1 Model Numerik yang Digunakan... 39
Tabel 3.2Setup Heat Exchanger... 40
Tabel 3.3 Reaksi-Reaksi Pembakaran Batubara pada Simulasi... 41
Tabel 3.4Setup Point PropertiesInjeksi Batubara ... 42
Tabel 3.5Properties Combusting ParticleBatubara LRC ... 43
Tabel 3.6Setup Porous Media Heat Exchanger Boiler... 44
Tabel 3.7Setup Mass Flow Inlet... 45
Tabel 3.8HeatfluxdanTemperaturepadaWall Boiler... 46
Tabel 3.9 Rancangan Data Hasil Simulasi ... 48
Tabel 3.10Coal AnalysisLRC dan MRC di PLTU Pacitan ... 49
Tabel 3.11 TemperaturFlue GasBoiler ... 51
Tabel 3.12 DataPerformance TestPLTU Pacitan Unit #1... 52
Tabel 3.13 SetupPoint Properties Injeksi Batubara untuk Variasi Sudut Tilting... 53
Tabel 3.14 SetupMass Flow InletpadaY-Component... 53
Tabel 3.15 PropertiesCombusting Particle... 54
Gambar 2.1 Ilustrasi Pembakaran pada Boiler... 6
Gambar 2.2 IlustrasiTilting Burner... 7
Gambar 2.3 Skema Proses Pembakaran Partikel Batubara ... 12
Gambar 2.4Velocity Magnitudepada Boiler ... 23
Gambar 2.5 Distribusi Temperatur pada Boiler ... 24
Gambar 2.6 Distribusi Fraksi Massa O2dan CO2... 24
Gambar 2.7 Distribusi Fraksi Massa NOx ... 25
Gambar 2.8 Prediksi ProfilFlow ... 26
Gambar 2.9 Profil Prediksi dan Kondisi Nyata Temperatur pada Pusat Furnace... 27
Gambar 2.10 Contour Prediksi Fraksi Oksigen pada Vertical Central Cross-Section ... 28
Gambar 2.11VectorKecepatan dan Distribusi Temperatur padaFurnace... 29
Gambar 2.12 Lintasan Partikel Batubara ... 30
Gambar 3.1Flowchart Rencana Penelitian ... 33
Gambar 3.2 Boiler PLTU Pacitan Tampak Samping... 35
Gambar 3.3 GeometriBurnerpadaCornerPLTU Pacitan... 35
Gambar 3.4 Geometri Sudut Burner Terhadap Dinding Boiler PLTU Pacitan... 36
Gambar 3.5 Hasil Meshing Boiler ... 37
Gambar 3.6 Domain Simulasi Boiler ... 38
Gambar 3.7 Skema Surface Yang Akan Dianalisa ... 48
Gambar 3.8 Skema Posisi Alat Ukur Temperatur... 50
Gambar 4.1 GrafikGrid Indepence Test... 56
Gambar 4.2 Grafik Validasi Hasil Simulasi dengan Data Operasional ... 56
Gambar 4.3 Vector Velocity Magnitude pada Penampang Vertikal pada Boiler dengan Batubara LRC... 58
Gambar 4.4 Kontour Kecepatan pada Boiler dengan Batubara LRC ... 61
Gambar 4.7 Kontour Temperatur pada Boiler... 68
Gambar 4.8 Pengaruh Perubahan SudutTiltingTerhadap Temperatur ... 70 Gambar 4.9 Kontour Temperatur pada SudutTilting0o... 72 Gambar 4.10 Pengaruh Perubahan Nilai Kalor Batubara Terhadap
Temperatur ... 73
Gambar 4.11 Kontour Fraksi Massa O2... 75
Gambar 4.12 Fraksi Massa O2 pada Boiler Dengan Batubara LRC dan
MRC ... 76
Gambar 4.13 Kontour Fraksi Massa CO2... 78
Gambar 4.14 Fraksi Massa CO2 pada Boiler Dengan Batubara LRC dan
MRC ... 80
Gambar 4.15 Kontour Fraksi Massa NOx ... 81
Gambar 4.16 Fraksi Massa NOx pada Boiler Dengan Batubara LRC dan
Ansys Fluent 13 Theory Guide. Ansys Inc., Southpointe, 275 Technology Drive, Canonburg, PA 15317, USA; 2010.
Ansys Fluent 13 User’s Guide. Ansys Inc., Southpointe, 275 Technology Drive, Canonburg, PA 15317, USA; 2010.
Asotani, T., Yamashita, T., Tominaga, H., Uesugi, Y., Itaya, Y., dan Mori, S.
(2008), “Prediction of Ignition Behavior in a Tangentailly Fired Pulverized Coal Boiler Using CFD”,Fuel, Vol. 87, Hal 482–490.
Belosevic S., Sijercic M., Oka S., dan Tucakovic D. (2006), “Three-Dimensional Modeling of Utility Boiler Pulverized Coal Tangentially Fired Furnace”, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 49, Hal. 3371-3378. Belosevic S., Sijercic M., Tucakovic D., dan Crnomarkovic N. (2008), “A
Numerical Study of a Utility Boiler Tangentially-Fired Furnace Under
Different Operation Conditons”,Fuel, (2008)
Center of Coal Utilization Japan, (2003), Technology Transfer Project on Clean Coal Technology.
Choi, R.C., dan Kim, C.N. (2009), “Numerical Investigation on the Flow, Combustion, and NOx emission Characteristics in a 500MWe Tangentially
Fired Pulverized Coal Boiler”. Fuel,Vol. 88, Hal. 1720-1731.
Chui, H. Eddy, Gao, Haining, Majeski, Adrian, Lee, dan George K. ”Reduction Of Emissions From Coal-Based Power Generation”. Canmet Energy Technology Centre, Natural Resources Canada, Ottawa, Canada
Donfang Boiler Group, Co. Ltd.Result of Heat Transfer Performance Calculation for Boiler.
Fan J., Qian L., Ma Y., Sun P., dan Cen K. (2001) “Computational Modeling of Pulverized Coal Combustion Processes in Tangentially Fired Furnaces”, Chemical Engineering Journal, Vol. 81, Hal. 261-269.
Kumar, R.P., Raju, R.V., dan Kumar, R. N. (2013) “Effect of Parameter in Once -Trough Boiler for Controlling Reheat Steam Temperature in Supercritical
PT PLN (Persero),Basic Desin Stage PLTU 1 Jatim Pacitan (2X315 MW).
PT PLN (Persero), (2013), PLTU 1 Jatim Pacitan (2X315 MW) Project Test Report.
Speight, James G., (2005), Handbook of Coal Analysis,John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, New Jersey.
Warnatz, J., Maas, U., Dibble, R.W., (2006), Combustion 4th edition, Springer, Berlin.
bekerja di PT Tungga
penulis mulai bekerja di
Pada masa
mendapatkan pengala
Gresik dan PLTGU Mua
penulis penempatan di
Pada tahun 2010-2012
Predictive Maintenanc pendidikan S2 Teknik Me
Email : myutt_9@yaho
BIOGRAFI PENULIS
Rakhmat Hidayat dilahirkan di P
Tengah pada hari Selasa, 3 Mare
merupakan putra kedua dari pa
Hadi Susanto dan Djamiah. Penuli
dengan Siti Nailin Rochmah dan
orang putri. Penulis menempuh
formal di SD N Sruwohrejo, SMP
SMU N 1 Purworejo dan mela
Teknik Mesin Sebelas Maret
tahun 1999. Pada tahun 2005
ggal Jaya Plastics Industry, Tasikmalaya. Pa
rja di PT PJBServices hingga sekarang.
sa On Job Training (OJT) di PT PJBSe galaman di beberapa unit pembangkit, diantara
Muara Tawar, Bekasi. Setelah masa OJT sele
n di UBJOM PLTU Rembang sebagai Operato
2012 penulis bertugas ke UBJOM PLTU Pacita
nance. Pada tahun 2012 penulis diberi tugas bel knik Mesin di ITS dengan bidang keahlian rekaya
ahoo.com
di Purworejo, Jawa
Maret 1981. Penulis
pasangan Salam
nulis telah menikah
dan dikaruniai dua
puh pendidikan
SMP N 2 Butuh,
elanjutkan S1 di
t Surakarta pada
2005 penulis mulai
. Pada tahun 2008
Services, penulis
ntaranya PLTU 3-4
selesai, tahun 2009
ator Turbin Lokal.
citan sebagai Staff
belajar menempuh
1.1 Latar Belakang
PLTU Pacita
10000MW tahap I yan
Pacitan ini merupakan
Bali. Dalam pengope
anak perusahaanya ya
Pengerjaan P
Corporation (DEC) da
dibuat oleh Dongfang
tangensial dengan em
sudutnya ke atas dan
burner dapat diubah Pengaturan tilting burne boiler.
Boiler PLTU
nilai kalor 3900 kcal/kg
Batubara yang disedia
4700kcal/kg, 4900kca
kalor diluar range mengoptimalkan prose
penggunaan batubara
proses pembakaran di
permasalahan tersebut
fenomena dan karakte
alternatif analisa terse
paling kecil.
Terdapat be
menggunakan batuba
BAB 1
PENDAHULUAN
g
citan merupakan salah satu unit pembangkit
yang berlokasi di Jl Pacitan-Trenggalek Km 55
kan aset dari PT PLN dibawah naungan Unit Pe
operasionalan PLTU Pacitan, PT PLN menunj
yaitu PT PJB sebagai jasa Operasional dan Mai
n PLTU Pacitan dilakukan oleh konsorsium Dongf
) dan PT Dalle Energy. Boiler PLTU Pacita
ng Boiler Manufacturer. Boiler ini menggunaka
n empat sudut. Dimana burner pada boiler i an bawah. Fasilitas ini lebih lazim disebut tilti
ah-ubah untuk mengatur temperatur steam out burner dapat mempengaruhi proses pembaka
TU Pacitan didesain menggunakan batubara
al/kg - 4500 kcal/kg LHV (4112 kcal/kg - 4712
diakan pihak PLN mempunyai nilai kalor HH
4900kcal/kg dan 5200kcal/kg. Terdapatsupplybatuba range desain, oleh karena itu diperlukan
proses pembakaran dan mencegah terjadinya ke
ra diluarrange desain. Salah satu opsi untuk m di boiler adalah dengan mengatur sudut tilting sebut, diperlukan analisa terlebih dahulu unt
kteristik pembakaran dengan batubara yang te
rsebut, CFD merupakan solusi dengan biaya da
beberapa studi CFD yang dilakukan pada
ubara sehingga penelitian tersebut dapat dig
kit listrik program
55 Pacitan. PLTU
Pembangkit
Jawa-nunjuk salah satu
n Maintenance-nya.
Dongfang Electric
itan didesain dan
unakan pembakaran
r ini dapat diatur
ilting. Tilting pada outlet reheater. karan batubara di
ra dengan rentang
4712 kcal/kg HHV).
HV 4200kcal/kg,
ubara dengan nilai
n analisa untuk
kerusakan akibat
uk mengoptimalkan
ilting burner. Dari untuk mengetahui
tersedia. Sebagai
a dan resiko yang
da boiler dengan
acuan. T. Asotani, dkk (2008)
bahan bakar batubara tange pembakaran pada boiler.
memprediksi terbentuknya
boiler pulverized coal. Jianr tangensial dengan bahan ba
Fan, dkk (2001) membandi
k-ε model. Ravindra, dkk (2013) untuk mengetahui paramete
steam. Salah satu parameter
1.2 Perumusan Masalah
Penelitian ini berisi
boiler yang bertujuan untuk
dengan adanya perubahan sudut
dengan menggunakan bahan
HHV dan membandingkan
rank coal(MRC) dengan ni
1.3 Batasan Masalah
Untuk menganalisa
masalah yang diambil dalam
1. Simulasi pembakara
kapasitas terpasang 315
2. Data analisa batuba
pembuatan model si
pada tanggal 7 Mare
3. Software yang dig Gambit 2.4.6, seda Fluent 13.0.
(2008) melakukan simulasi pada boiler 40MW
tangentailly fired untuk memprediksi ka r. Zhou Hao, dkk (2002) melakukan simul
ya ash deposit akibat penggunaan tilting burne ianren Fan, dkk (2001) melakukan simulasi pa
n bakar batubara dengan kapasitas 600MW dima
ndingkan penggunaan standard k-ε model den dkk (2013) melakukan penelitian pada once-throug
eter-parameter yang mempengaruhi pengontrol
ter tersebut adalahtilting burner.
risi mengenai studi CFD untuk simulasi pemba
untuk mengetahui fenomena dan karaktestik pe
n sudut tilting burner pada boiler PLTU Pacita han bakar batubara LRC dengan nilai kalor 4700
an dengan menggunakan bahan bakar batubar
nilai kalor 5200 kcal/kg HHV.
alisa permasalahan diatas, terdapat beberapa
lam penelitian ini, diantaranya :
karan dilakukan pada boiler PLTU Pacitan #1
g 315 MWe.
tubara dan data operasional yang digunaka
l simulasi adalah data performace test PLTU P 7 Maret 2013 dengan beban 100% MCR.
digunakan pada tahapan pembuatan geomet
dangkan untuk tahapan simulasi menggunaka
40MWe dengan
karakteristik
ulasi untuk
burner pada si pada boiler
ana Jianren
dengan RNG hrough boiler ontrolan reheat
mbakaran di
pembakaran
citan unit #1
4700 kcal/kg
bara medium
apa batasan
n #1 dengan
unakan pada
Pacitan #1
etri adalah
4. Simulasi dila
menggunakan
transport, dan m 5. Heat flux yan
berdasarkan h superheaterda 6. Mass flow rat
berdasarkan da
7. Diameter batuba
sesuai persyara
8. Unsur yang ad
9. Unsursulfurpa 10. Arah sudutburne
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan dilakuka
pembakaran serta
tangentially fired pul batubara Low Rank C Rank Coal (MRC) de terdiri dari :
1. Mengetahui ke
fraksi massa
menggunakan ba
2. Mengetahui p
superheater da
3. Mengetahui de
masukreheate LRC dan MRC
4. Mengetahui sudut
digunakan untuk
dilakukan berdasarkan kondisi steady time kan model turbulensi k-ε standard, model pem , dan model radiasi di nonaktifkan (off).
yang terjadi pada waterwall tube, superheate heat flux yang diterima air dan uap air da danreheater.
rate batubara dan udara yang digunaka n dataperformace test.
atubara yang diinputkan pada simulasi sudah
aratan minimal operasi.
ada padafixed carbonbatubara diasumsikan ha urpada batubara diabaikan.
burnerterhadap pada arah horizontal sesuai dat
tian
lakukan penelitian ini adalah untuk mengetahui
karakteristik aliran gas-solid hasil pem pulerized-coal boiler dengan beban 315 MWe ank Coal (LRC) dengan nilai kalor 4700 kcal/k
dengan nilai kalor 5200 kcal/kg dan variasi sudut
kecepatan aliran gas-solid, distribusi temper
ssa O2, CO2 dan NOx pada berbagai sudut
kan batubara LRC dan MRC.
pengaruh sudut tilting terhadap penggunaan
dan desuperheater reheater.
deviasi distribusi temperatur aliranflue gas out ater pada berbagai suduttiltingdengan mengguna n MRC.
sudut tilting yang sesuai berdasarkan jenis untuk mendapatkan pembakaran paling sempurn
e based, dengan mbakaran species
ater dan reheater r dalam walltube,
unakan di simulasi
sudah dalam kondisi
n hanyacarbon.
data desain.
tahui karakteristik
pembakaran pada
MWe menggunakan
al/kg dan Medium sudut tilting yang
peratur, distribusi
sudut tilting dengan
aan desuperheater
outlet furnacedan nggunakan batubara
nis batubara yang
1.5 Manfaat Penelitian
Dengan adanya pe
PLTU Pacitan #1, dapat dia
1. Mengetahui fenome
burnerdengan batub 2. Dengan mengetahui
untuk memprediksi
digunakan dan mem
danreheater.
3. Dengan mengetahui
mencegah kerugian a
penelitian mengenai simulasi pembakaran pa
diambil manfaatnya sebagai berikut :
ena dan karakteristik pembakaran dengan var
tubara LRC dan MRC.
hui aliran partikel batubara pada boiler dapat di
ksi sudut tilting yang sesuai dengan jenis batuba emprediksi penggunaan desuperheater pada supe
ahui distribusi temperatur dapat digunaka
n akibat panas berlebih yang diterima olehtube
n pada boiler
variasi tilting
pat digunakan
batubara yang
superheater
unakan untuk
2.1 Boiler
Boiler merup
merubahnya menjadi
memutar turbin dimana
di boiler terjadi di furnac pembakaran. Energi ha
air sebagai fluida kerj
2.1.1. Furnace
Furnace atau oleh waterwall tube. Disinilah terjadinya n
Perubahan energi kim
terdapat lidah api yang
2.1.2.Burner
Burner merupa untuk dibakar di furna menghasilkan pembak
tipe burner yang dapa bakar dan udara yang
lidah api.
Berdasarkan
dapat dibedakan :
a. Boiler dengan
b. Boiler dengan pe
c. Boiler pembaka
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
rupakan alat yang digunakan untuk memana
di fase uap. Pada PLTU uap panas tersebut di
ana poros turbin dikopel dengan generator listr
di furnace, dimana burner mensuplai bahan ba i hasil pembakaran digunakan untuk memanaska
kerja pada PLTU.
tau ruang bakar merupakan bagian dari boile
ube. Pada furnace terjadi proses pembakaran da a nyala api dari bahan bakar yang bercampur
kimia menjadi energi panas terjadi di furnace. P ang keluar dariburner.
erupakan pensuplai bahan bakar dan udara k
furnace. Geometri burner didesain sedemiki bakaran yang paling optimal. Pada beberapa de
dapat memberikan efek swirl pada fluida yang di ng keluar dari burnerakan terbakar dan membe
an arah semburan lidah api (flame) dalam ruang
gan pembakaran arah dinding depan (Front-fired gan pembakaran arah depan belakang (
Opposed-akaran arah tangensial (Tangentially-fired)
anaskan air dan
but digunakan untuk
istrik. Pembakaran
n bakar dan udara
naskan air dan uap
boiler yang dibatasi
n dari bahan bakar.
pur dengan udara.
e. Padafurnace ini
a ke dalam boiler
ikian rupa untuk
desain boiler, ada
g dialirkan. Bahan
bentuk semburan
uang bakar, boiler
Pada tangentially-lebih corner, dimana setiap boiler. Apabila dibaut garis
dalam satulayer akan mem yang nantinya menjadi fire pembakaran terjadi di teng
pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1.
Lingkaranfire-ball motionyang akan bergerak ball tersebut. Hal ini akan dinding ruang pembakaran.
dihasilkan cenderung kecil
bakar sehingga akan mengur
efek fire-ball, waktu terba lebih sesuai untuk bahan ba
Namun kekurangan dari me
pembakaran miskin dan ka
mengakibatkan ketidakstabi
ally-fired boiler mempunyai empat, enam, dela tiap burner membentuk sudut tertentu terhada
ris memanjang ke pusat furnace, garis-garis da embentuk lingkaran imajiner. Lingkaran imajim
ire-ball bila terjadi proses pembakaran, sehingga ngah furnace. Ilustrasi berbagai tipe boiler di
2.1. Ilustrasi Pembakaran pada Boiler (CCUJ, 200
ballpadatangentially-fired boilerakan membent ak ke atas sebagai akibat turbulensi yang tejadi
kan mengurangi terjadinya erosi dan overheat an. Keuntungan lainnya dari metode ini adalah
cil dan heat flux akan lebih merata pada dindi ngurangi kegagalan akibatthermal stress. Deng
bakar untuk bahan bakar menjadi lebih lama
n bakar yang proses pembakarannya lama seperti
metode ini adalah terdapatnya zona di boiler ya
kaya. Bila terjadi gangguan pada burner y abilan lingkaranfire-ball.
delapan, atau
dap dinding
s dari burner ajimer inilah
hingga proses
ditampilkan
, 2003)
bentukvortex di pada fire-rheating pada ah NOxyang
dinding ruang
ngan adanya
ma sehingga
rti batubara.
yang terjadi
2.1.3.Tilting Burner
Pada tangent burner memungkinka bersamaan pada satu
pergerakan posisi fi penyerapan jumlah pa
karena itu, tilting burn reheater dan superhe lebih rendah dari yan
menaikkan temperatur
steam hot reheat terl untuk mengurangi pe
penggunaan spray air tilting maka penyer dikondisikan. Pada sa
penggunaan tilting le steam drum yang sesua
Gambar 2.2.
Gamba er
angentially-fired boiler dilengkapi fasilitas tilting nkan untuk digerakkan ke arah atas maupun
tu grup aktuator. Perubahan arah tilting burner fire-ball di dalam furnace, sehingga ter h panas di waterwall tube, superheater dan ng burner biasa digunakan untuk mengatur te
rheater (Ravindra, 2013). Ketika temperatur st yang seharusnya, maka tilting dapat diarahka atur steam hot reheat, begitu juga sebaliknya terlalu tinggi maka tilting burner dapat diara penyerapan panas pada reheater. Hal ini da air desuperheater, karena dengan melakukan p yerapan panas di area superheater dan da saat boiler dalam kondisi sliding pressure
lebih dominan untuk mendapatkan temperat
sesuai operisional. . Ilustrasi tilting burner di
bar 2.2 IlustrasiTilting Burner(Ravindra, 2013
ting burner, yaitu upun bawah secara
burner akan membuat terjadi perubahan
dan reheater. Oleh temperatur pada
ur steam hot reheat hkan keatas untuk
ya jika temperatur
arahkan ke bawah
dapat mengurangi
n perubahan sudut
reheater dapat ssure atau start-up, ratur dan tekanan
ditampilkan pada
2.1.4.Heat Exchanger
Air dan uap air yan
pipa-pipa tersebut disusun m
untuk mendapatkan panas
adalah waterwall tube, roof superheater, platen supe superheater dan low tempe beban panas yang berbeda-be
Pada waterwalltube kembali menuju kesteam drum karena itu diasumsikan tida
Sehingga beban panas yang
= ̇ ℎ dengan :
Q = energi panas yang di ̇ =mass flowair yang ℎ = beda enthalpi air-u
Dinding waterw diasumsikan temperatur di
fluida didalamwaterwalltube Padaheat exchang fluida, sehingga beban pana
= ̇ ∆
dengan :
Q = energi panas yang di ̇ =mass flowair/uap a
= panas spesifik air/ ∆ = beda temperatur ai
yang dipanaskan di boiler mengalir didalam ban
susun menjadi suatu heat exchangerdan diposisika as yang dibutuhkan. Kelompok susunan pipa
roof superheater, steam cool, economizer, pane superheater, medium reheater, final reheat peratur superheater. Setiap heat exchanger m a-beda.
ltube yang berisi air mengalir dari steam drum drum,terjadi perubahan fase dari cair menjadi tidak terjadi perubahan temperatur air di wate
ng terjadi dapat dihitung menggunakan persama
= ̇ ℎ
ng diterima (Watt)
̇ ang melewatiwaterwall tube(kg/s)
ℎ ir-uap air pada tekanansteam drum(J/kg)
rwalltube mempunyai tebal 6 mm, sehingg diluar dinding waterwalltube samadengan t ltube.
hangerselain waterwall tube tidak terjadi perub nas yang terjadi dihitung menggunakan persam
= ̇ ∆
ng diterima (Watt)
̇ uap air yang melewatiheat exchanger(kg/s) ir/uap air (J/kg-oK)
∆ ur air/uap air keluar-masukheat exchanger(oK)
banyak pipa,
sikan tertentu
pipa tersebut
panel division heater, final mempunyai
drum dan adi gas, oleh
aterwalltube.
n temperatur
rubahan fase
samaan 2.2.
= ̇ ∆ (2.2)
̇
2.2 Bahan Bakar dan
Pada furnace bakar. Ketika terjadi
(bahan bakar dan oksi
menjadi produk reaksi
2.2.1. Bahan Bakar
Pada bahan b
ikatan kimia yang kom
fasenya, yaitu bahan
contoh bahan bakar pa
mempunyai beberapa
ditampilkan pada Tabe
Tabel 2.1 Klasifikasi B
Coal R
Sumber : ASTM D388
dan Teori Pembakaran
urnace terjadi proses pembakaran, yaitu reaksi di pembakaran, ikatan-ikatan dalam molekul-m
oksigen dalam udara) terputus dan atom-atom
ksi (flue gas).
ar
n bakar terkandung energi kimia, energi ini te
komplek. Bahan bakar dapat dikelompokka
han bakar padat, cair dan gas. Batubara merup
r padat yang banyak paling digunakan pada boi
pa jenis menurut kandungan material dan nilai
abel 2.1.
si Batubara Berdasarkan Ranking
oal Rank
dmmf dmmf m
Meta-Anthracite ≥ 98 < 2
Anthracite 92 - 98 2 - 8
Semi-Anthracite 86 - 92 8 - 14
Low Volatile Bituminous 78 - 86 14 - 22
Med. Volatile Bituminous 69 - 78 22 - 31
High Volatile A Bituminous < 69 > 31
High Volatile B Bituminous < 69 > 31 7225,62
High Volatile C Bituminous < 69 > 31 6391,73
High Volatile C Bituminous > 31 5836,04
Subbituminous A Coal 5836,04
Subbituminous B Coal 5279,64
Subbituminous C Coal 4612,81
Lignite A 3501,43
Lignite B
388-12, 1998
ksi oksidasi bahan
kul-molekul reaktan
-atom membentuk
ni tersimpan dalam
pokkan berdasarkan
upakan salah satu
da boiler. Batubara
ai kalornya seperti
GCV Limits
Kcal/kg moisture mmf
≥7781,31 7225,62–7781,31 6391,73–7225,62 5836,04–6391,73 5836,04–6391,73 5279,64–5836,04 4612,81–5279,64 3501,43–4612,81
Keempat kelas bat
kategori yaitu hi rank coal (LRC). Anthracitie masuk masuk dalam kategori MR
masuk ke kategori LRC.
Batubara yang aka
kadar apa saja yang terkandung
dibagi menjadi dua jenis yai
1. Proximate analysis Proximate analysi volatile matter dan fixed carbon Moisture didefinisikan se didefinisikan sebagai suatu
matterdidefinisikan sebaga Fixed carbondidefiniskan se
Terdapat beberapa
yang terbentuk dari tumbuh
Terdapat berbagai macam
batubara, antara lain ASTM
tetapi tidak ada metode yan
air pada batubara karena ter
Ash mempunyai ka sebagai hasil perubahan ki
Berbagai perubahan yang t
hilangnya karbon dioksida
oxide, terbentuknya oksida (Warnatz, 2006).
2. Ultimate analysis Ultimate analysis Hydrogen, Oksigen dan N termasuk organic carbon sebagai mineral carbonat.
batubara diatas dapat dikelompokkan lagi me
al (HRC), medium rank coal (MRC) dan low k dalam kategori HRC, bituminous dan sub-bi MRC sedangkan lignite yang berkalori palin
kan digunakan perlu dilakukan analisa untuk m
ndung didalamnya dan berapa nilainya. Analisa
s yaitu :
sis
analysis coal adalah suatu pengujian dari moist carbon yang ditentukan dengan suatu metode sebagai air yang terkandung dalam batuba
atu zat sisa hasil dari pembakaran batubara
gai gas danvaporyang terbawa selama proses n sebagai fraksinonvaltilepada batubara. pa bagian dari batubara yang mengandung air.
buh-tumbuhan mempunyai kadar air yang rela
am metode untuk mengetahui kandungan a
TM D-1412, ASTM D-2961 dan ASTM D-317
ang benar-benar dapat menentukan besarnya ka
terlalu kompleknya ikatan air pada batubara.
i kandungan terbesar oksida dan sulfat. Ash kimia pada kandungan mineral selama prose
g terjadi termasuk hilangnya air dari silicate da dari carbonate minerals, oksidasi iron pyri oksida sulfur sebagai dasar untuk magnesium da
sis didapat dengan menentukan persen berat Nitrogen yang berada dalam batubara. Carbon on pada substansi batubara dan carbon yan at. Hydrogen yang terkandung pada batubara
menjadi tiga
ow rank coal sub-bituminous paling rendah
uk mengetahui
lisa batubara
oisture, ash, ode tertentu.
tubara. Ash ara. Volatile es pyrolysis.
air. Batubara
elatif tinggi.
n air dalam
-3173. Akan
a kandungan
sh terbentuk oses ashing. ate minerals, pyrite ke iron dan calsium
rat Carbon, arbon disini ang muncul
hydrogensebagai mine Nitrogen diasumsikan
dalam batubara terdapa
sebagai inorganic sulf
Nilai kalor
dengan membakar se
dengan kondisi terte
Calorific Value (GCV Perbedaan dari GCV
air yang dihasilkan se
NCV adalah diasum
sepenuhnya terkondensa
2.2.2. Teori Pembakar
Pada proses
yang terkandung da
menghasilkan panas be
penting pada reaktan
Pembakaran dikataka
bahan bakar habis te
menjadi uap air sepert
2 C H + 2x + (O + 3,76 N ) → 2x CO + y H O + 3,76 2x + N
Proses pemba
batubara, pembakaran
pyrolisis, batubara ter karbon yang disebut c pembakaran volatile, tersusun dari senyaw
dapat bereaksi ulang
ineral organicdanhydrogen yang berupa air kan berada dalam bentuk organic matrix pada b
dapat dalam 3 bentuk, yaitu sebagai campuran
sulfides (FeS2) dan sebagai inorganic sulfates (N
or (calorific value) batubara adalah panas y sejumlah batubara pada bom kalorimeter de
rtentu. Nilai kalor batubara biasa disebutkan
CV) atau HHV dan Net Calorific Value (NC V dan NCV adalah pada GCV diasumsikan ba
n selama pembakaran semuanya terkondensasi,
sumsikan air terpisah dengan produk pem
kondensasi.
akaran
oses pembakaran diperlukan adanya bahan bak
dalam udara pembakaran. Proses pem
s bersamaan dengan terbentuknya hasil pemba
ktan dalam proses pembakaran adalah carbon akan sempurna bila semua carbon yang ter s terbakar menjadi karbon dioksida, semua hydroge
erti ditampilkan pada persamaan reaksi 2.3
2 C H + 2x + (O + 3,76 N ) → 2x CO + y H O + 3,76 2x + N
mbakaran batubara terbagi menjadi 3 tahap, y
ranvolatile dan pembakarancoke (Warnatz, 2006) terpisah komposisi volatile dan komposisi ba but coke. Tahap ini terjadi diatas temperatur 600 le, komposisi volatile akan terbakar dalam fa awa CH4, H2, CO, HCN dan lain-lain. Senya
g membentuk tar. Proses kimia selanjutnya ya
ir dalam batubara.
da batubara. Sulfur
puran organic sulfur,
s (Na2SO4, CaSO4)
s yang dihasilkan
r dengan oksigen
kan dalam Gross (NCV) atau LCV.
n bahwa semua uap
si, sedangkan pada
pembakaran tanpa
bakar dan oksigen
pembakaran akan
bakaran. Elemen
arbon dan hydrogen. terkandung dalam
hydrogen terbakar
2 C H + 2x + (O + 3,76 N ) → 2x CO + y H O + 3,76 2x + N (2.3)
p, yaitu : pyrolisis , 2006). Pada tahap
bagian yang kaya
600 oK. Pada tahap
fase gas. Volatile yawa-senyawa ini
volatile ke permukaan parti Proses terakhir pembakaran
kandungan carbon yang ti
Karbon dipermukaan partike
proses pembakaran cokekom proses pembakaran ditampi
terjadi pada pembakarancok
+ →
+ 0,5 → 2
+ → 2
2 + → 2
Gambar 2.3 Skema Prose
Dalam reaksi pem
Force Draft Fan (FDF) da digunakan sebagai secondary primary air. Pada boiler de sebagai media pembawa ba
pembakaran yang disuplai
kandungan oksigen dalam uda
artikel batubara, kemudian menguap kemudian
ran batubara adalah pembakaran coke, coke m g tinggi, mempunyai tekanan penguapan yan
tikel dioksidasi menjadi CO oleh gas CO2 atau
komposisi yang tidak dapat terbakar disebut ash pilkan pada Gambar 2.3. Mekanisme reaksi ki
cokeditampilkan pada persamaan reaksi 2.4–2.7.
+ →
+ 0,5 → 2
+ → 2
2 + → 2
oses Pembakaran Partikel Batubara (J. Warnatz
pembakaran di boiler, udara pembakaran sedi
dan Primary Air Fan (PAF). Output udara dary air, sedangkan output dari PAF digunaka r dengan bahan bakar batubara, primary air di a batubara dari pulverizer menuju ke furnac suplai ke boiler terkandung berbagai unsur selain
udara kering ditampilkan pada Tabel 2.2.
udian terbakar.
mempunyai
ang rendah.
tau O2. Pada
but ash. Skema ksi kimia yang
–2.7.
+ → (2.4)
+ 0,5 → 2 (2.5)
+ → 2 (2.6)
2 + → 2 (2.7)
natz, 2006)
diakan oleh
ra dari FDF
akan sebagai
Tabel
proses pembakaran ti
tinggi nitrogen akan m
(NO) yang menjadi sum
NOX merupa
keluar dari combustor perlahan-lahan NO ak
terbentuknya NOX a
thermal terjadi bila
seperti ditampilkan pa
+ →
Mekanisme
sehingga pada saat pr
bahan bakar yang m
pembakarannya akan
dominan dalam bentuk H
Pada proses
dibutuhkan untuk ter
memberikan kuantifika
pembakaran adalah r
dapat dituliskan dalam
bel 2.2 Komposisi Udara Kering
Komponen Fraksi Mol (%)
itrogen 78,08
ksigen 20,95
rgon 0,93
arbon dioksida 0,03
eon, Helium, Metana dll 0,01
umber : Moran, 2006
erupakan kandungan terbesar dalam udara, aka
tidak mengalami proses kimia. Pada tempera
n membentuk senyawa nitrit oksida (NOx) dan
di sumber polusi.
upakan emisi yang berasal dari molekul NO
bustor, kadar NO diatas 90% dan NO2 dibawah 10% akan teroksidasi membentuk NO2(CCUJ, 2003)
ada dua, yaitu secara thermal dan fuel. Me la molekul N2 teroksidasi sehingga terbentuk
n pada persamaan reaksi 2.8.
+ →
e fuel, terjadi bila dalam fuel terdapat kandunga proses pembakaran akan terbentuk NO. Batub
mengandung unsur N didalamnya sehingga
an menghasilkan NO. Kandungan unsur N
ntuk HCN dan NH3(Choi, 2009).
oses pembakaran perlu diperhitungkan jumlah
terbakar sempurna. Parameter yang sering di
ifikasi jumlah udara dan bahan bakar dalam
h rasio udara-bahan bakar (Air-Fuel Ratio, A lam basis molar maupun basis massa.
78,08 20,95 0,93 0,03 0,01
, akan tetapi dalam
eratur yang cukup
dan nitrogen oksida
O dan NO2. Saat
h 10% akan tetapi
2003). Mekanisme
Mekanisme secara
ntuk molekul NO
+ → (2.8)
ndungan unsur N,
tubara merupakan
ngga dalam proses
N pada batubara
lah oksigen yang
digunakan dalam
am sebuah proses
= =
Dalam pembakaran
oksigen yang cukup untuk
hidrogen dan sulfur yang
disebut udara teoritis. Dal
muncul dalam produk pemba
jumlah udara teoritis dalam
sempurna. Kelebihan udara
pencampuran udara dan ba
sempurna. Efek negatif da
yang terbawa oksigen bersa
2.3 Studi Numerik CFD
Computational F memprediksi aliran fluida, pe
yang berhubungan dengan
dimana pengendaliannya m
(Governing equation) da persamaan Navier-Stokes. D penelitian yang masih aktif
dari persamaanReynold-Ave Simulasi numerik pa
persamaan-persaman fisik y
1. Persamaan konserva
Bentuk umum per
danincompressibledapat di
+ ∇ ( ⃗) =
= =
ran diperlukan jumlah minimum udara yang me
ntuk pembakaran sempurna terhadap semua
ng terdapat dalam bahan bakar. Kebutuhan
alam kondisi ini, tidak terdapat oksigen be
mbakaran. Dalam aplikasi industri, diperlukan
dalam proses pembakaran untuk menjamin pe
ara ini disebut excess air. Excess air diperluka bahan bakar dalam burner biasanya tidak da
dari excess air adalah terserapnya energi pe rsama produk pembakaran.
FD
Fluid Dynamics (CFD) merupakan ilm da, perpindahan panas, perpindahan massa, dan
gan pemecahan menggunakan persamaan m
menggunakan proses numerik. Persamaan pe
dalam dinamika fluida newtonian dikenal s. Dalam mereduksi bentuk persamaan tersebut tif dikembangkan, terutama pada problematika
Averaged Navier-Stokes(RANS).
ik pada proses pembakaran di boiler PLTU mem
k yang mengatur proses yang terjadi difurnace.
rvasi massa
persamaan konservasi massa untuk aliran com t dituliskan sebagai berikut :
+ ∇ ( ⃗) =
= = (2.9)
memberikan
ua karbon,
n udara ini
bebas yang
ukan lebih dari
pembakaran
lukan karena
dapat 100%
pembakaran
ilmu yang
dan fenomena
n matematik
n pengendali
nal sebagai
but, menjadi
ka turbulensi
embutuhkan
urnace.
compressible
dengan :
Sm = massa yang di ρ = density,
t = waktu,
⃗ = vector kecep
2. Persamaan kons
Persamaan um
( ⃗) + ∇ ∙ ( ⃗ ⃗) = −∇p + ∇ ∙ (τ) + ⃗ + ⃗
dengan :
ρ = density,
t = waktu,
⃗ = vector kecep p = tekanan stati τ = tegangan tensor
⃗ = percepatan gr ⃗ =external body
3. Persamaan keke
Persamaan um
( ) + ∇ [ ⃗( + )] = − ⃗ ∑ ℎ +
dengan :
Sh = sumber ener ρ = density,
t = waktu,
⃗ = vector kecep E = energi potensi
hj = entalphi spesi
Jj = difusi flux spe
g ditambahkan,
⃗ cepatan total,
n konservasi momentum
n umum kekekalan momentum dapat dituliskan se
( ⃗) + ∇ ∙ ( ⃗ ⃗) = −∇p + ∇ ∙ (τ) + ⃗ + ⃗
⃗ cepatan total,
n static,
τ n tensor,
⃗ n gravitasi
⃗ body force,
n kekekalan energi
n umum kekekalan energi dapat dituliskan sebag
( ) + ∇ [ ⃗( + )] = − ⃗ ∑ ℎ +
ergi yang berasal dari reaksi, radiasi, perpindaha
⃗ cepatan total,
potensial dan energi kinetik,
spesies,
spesies ⃗
skan sebagai berikut:
( ⃗) + ∇ ∙ ( ⃗ ⃗) = −∇p + ∇ ∙ (τ) + ⃗ + ⃗ (2.11)
⃗
τ ⃗ ⃗
bagai berikut:
( ) + ∇ [ ⃗( + )] = − ⃗ ∑ ℎ + (2.12)
ndahan panas
2.3.1. Pemodelan dengan
1. Model Turbulensi
Model turbulensi y
• Spalart-Allmaras : M persamaan, yang meme
turbulen. Model ini dide
• Standart K-ε: Model ini flow. Pemodelan ini turbulence kinetic energy
• RNG K-ε : Pemodelan Model ini mirip den
penyempurnaan. Penam
Adanya efekswirlpada
• Reliazable K-ε: Pemode model Standart K-ε. P viskositas turbulen.
• Standart K-ω : Pemod model untuk memecahk
model transport untuk rate (ε). Pemodelan ini bilangan Re rendah. P
dari aliran laminar menuj
• SST K-ω : Pemodelan penyempurnaan dari St aliran yang lebih luas d
• RSM : Reynold Stress model RSM mendekat
untuk tegangan reynold
ini menggunakan 5 p
turbulensi lainnya.
gan Menggunakan Metode Numerik
bulensi
nsi yang digunakan dalam penyelesaian CFD anta
Merupakan model turbulensi dengan sat
mecahkan sebuah persamaan transport untuk didesain secara khusus untukaerospace.
l ini hanya valid untuk pemodelan denganfully ni didasarkan pada persamaan model transport nergy(k) dandissipation rate(ε).
an ini sering juga disebut Renormalization G dengan Standart K-ε, dengan penambahan
nambahan persamaan ε untuk rapidly straine pada turbulen, sehingga aliranswirlinglebih akur
odelan ini merupakan salah satu bentuk penye
. Pemodelan ini menyediakan alternatif form
modelan yang menggunakan dua persamaan
ahkan K-ω. Pemodelan ini didasarkan pada p
uk turbulence kinetic energy (k) dan specific di n ini juga dapat digunakan untuk aliran yang
h. Pemodelan ini juga dapat menampilkan transi
enuju aliran turbulen.
an Shear Stress Transport K- ω (SST K-ω) m Standart K-ω. Pemodelan ini lebih akurat unt s dariStandart K-ω.
ress Model merupakan pemodelan paling teliti kati RANS dengan menyelesaikan persamaan
nold bersama-sama dengan persamaan laju disipa
5 persamaan transport, lebih banyak dibandi
ntara lain :
satu model
uk viskositas
ully turbulent ransport untuk
on Group K-ε. han beberapa
rained flows. kurat.
yempurnaan
rmula untuk
an transport
da persamaan
c dissipation ng memiliki
ansisi aliran
) merupakan
untuk kelas
liti di fluent, an transport
sipasi. Model
2. Model Spe
Model spesie
• Spesies Transport transport spesie konservasi yang
masing-masing
dimodelkan denga
ataupunparticle surf
• Non-premixed Com bakar dan pengoksi
Pemodelan turbul
persamaantransport masing-masing
masing-masing spe
• Premixed Combust pengoksidasi dica
Reaksi terjadi pada
dan produk hasi
membentang dan be
• Partially Premixe Non-premixed Com Partially Premixe bahan bakar tak se
• Combustion PDF kimia hingga ting
tepat, spesies kine
nyala api dan pen
3. ModelDisc Pemodelkan
model. Dengan meng Spesies
sies yang digunakan dalam penyelesaian CFD a
ransport : Species transport memodelkan penc sies kimia dengan menggunakan penyelesa
g mendeskripsikan konveksi, difusi dan reka
komponen. Reaksi kimia multiple simul ngan reaksi kimia yang berupa reaksivolumetri le surface.
d Combustion : Pada model non-premixed com goksidasi memasuki zona reaksi dalam aliran
urbulensi dari nyala api untuk model ini
ransportsatu atau dua skalar (fraksi campuran). P spesies tidak digunakan namun persama
spesies didapat dari prediksi fraksi campuran.
bustion : Pada model premixed combustion, ba dicampur terlebih dahulu sebelum masuk ke zona
pada zona pembakaran yang memisahkan reakt
hasil pembakaran. Model ini menghasilkan n
dan berubah bentuk akibat turbulensi.
ixed Combustion : Model ini merupakan pengg d Combustion dan Premixed Combustion. Siste ixed Combustionyaitu pencampuran api denga k seragam.
DF Transport : Model ini digunakan untuk pe ingkat dalam turbulent flame. Dengan mekanism kinetik seperti CO dan NOx dapat dikendalikan,
engapian dapat diprediksi.
iscrete Phase
kan partikel bahan bakar dapat menggunakan
ngaktifkan discrete phase model dapat diatur
D antara lain :
pencampuran dan
esaian persamaan
ekasi kimia untuk
multaneous dapat etric,wall surface
combustion, bahan ran yang berbeda.
ini menggunakan
. Persamaan untuk
maan konservasi
n.
, bahan bakar dan
zona pembakaran.
aktan tak terbakar
n nyala api yang
ggabungan model
istem pembakaran
ngan pencampuran
uk pemodelan efek
nisme kimia yang
kan, serta habisnya
berhubungan untuk mengeta
pemodelandiscrete phasete
• Interaksi berisi param ditambah yang kontiny
phase memungkinkan kontinyu. Update DP perhitungan untuk seg
model, cocok digunaka Phase Interaction per frekwensi dimana par
diperbaharui.
• Particle Treatment me steadyatauunsteady.
• Drag Parameter memung menghitung keseimban
partikel bola halus.
a) Spherical drag law (smooth spheres). b) Non spherical drag
memiliki bentuk ya
c) Stokes-Cunningham particles.
d) High-Mach Numbe tambahan untuk m
dari 0,4 atau bilang
e) Dynamic drag law Dynamic law han digunakan bersama
f) Dense Discrete Phas volume daridiscre
etahui perhitungan fase diskrit dari suatu partike
eterdapat beberapa penyelesaian yaitu :
ameter yang digunakan untuk melakukan pe
inyu dan diskrit aliran fase. Interaction with c nkan perhitungan ditambah dari fase diskrit
PM Sources Every Flow Interaction memung egi sumber partikel untuk setiap iterasi discre unakan untuk simulasi unsteady. Number of C
per DPM Iteration memungkinkan untuk m partikel dilacak dan sumber Discrete Phase
memberi opsi untuk memilih kondisi partike
.
mungkinkan pengaturan drag law yang digunaka bangan gaya pada partikel bola mengasumsika
drag law, partikel diasumsikan sebagai partikel bol s).
drag law, partikel diasumsikan bukan bol uk yang identik.
ngham drag law, partikel diasumsikan sebagai sub
ber drag law, mirip dengan Spherical drag law uk memperhitungkan partikel bilangan Mach le
ngan Reynold lebih besar dari 20.
law, Menghitung pengaruh dari droplet di hanya digunakan untuk droplet brake up mode
maunsteady tracking.
Phase Model drag law, model ini dapat digun screte phase modeltelah dihitung.
rtikel. Untuk
perhitungan
h continuous it dan fase
mungkinkan
screte phase Continuous uk mengontrol
hase Model
tikel apakah
unakan dalam
sikan bahwa
l bola halus
bola, namun
i sub-micron
drag law, dengan h lebih besar
t distortion, model yang
4. Model Inj
Model tipe inj
• Single Injection : masing-masing kondi
• Group Injection: lebih dari kondisi
• Cone Injection: D (injeksi yang dise
tipe yaituhollow c
• Surface Injection partikel dari perm
menggunakan item
• The Plain Orific melalui nozel, t
membentuk tetesa
• The Pressure Sw melalui nozel yan (central swirl cham swirl dan menge muncul dari luba
ligamen dan tete
pembakaran baha
injection spark-igni mengalir ke fully formation,sheet brak
• The Flat Fan At Atomizer Model, pusaran (swirl). P (flat liquid sheet)
• The Air Blast Atom Swirl Atomizer M
Injeksi
injeksi yang digunakan dalam penyelesaian CF
on : Digunakan apabila ingin memasukkan nila kondisi awal.
on: Digunakan apabila ingin memasukkan nilai kondisi awal.
: Digunakan apabila ingin mendefinisikanspray disemprotkan mengerucut). Untuk cone injecti ow cone injectiondansolid cone injection.
tion : Digunakan apabila ingin mendefinisi rmukaan zona atau permukaan yang telah didef
n item dalam menu permukaan.
rifice Atomizer Model : Digunakan apabila par , terbentuk sebuah pancaran kemudian mem
esan butiran (droplet).
Swirl Atomizer Model : Tipe injeksi ini mem yang dikenal sebagai swirl port ke dalam ruan chamber). Cairan berputar-putar mendorong ngembangkan inti udara hampa (hollow air core ubang sebagai lembaran tipis, yang tidak stabil
etesan. Pressure-swirl atomizer sangat luas di bahan bakar cair dalam turbin gas, oil furnac
-ignition automobil. Transisi dari aliran injektor ully developed spray dapat dibagi menjadi tiga
et brakeupdan atomisasi.
Atomizer Model : Tipe ini mirip dengan The odel,tetapi injeksi ini membuatflat sheetdan tida
). Pada cairan muncul lubang tipis seperti lemba
et) yang memecah menjadi tetesan (droplet).
Atomizer Model: Tipe ini merupakan variasi da r Model, perbedaan antara kedua injeksi ini a
n CFD antara lain :
nilai tunggal untuk
lai untuk satu atau
spray cone injection ction terdapat dua
nisikan pelepasan
definisikan dengan
partikel dipercepat
emecah sehingga
empercepat cairan
uang pusat pusaran
ong dinding ruang
r core). Kemudian bil, putus menjadi
digunakan untuk
urnaces dan direct-ktor internal yang
iga langkah : film
he Pressure Swirl idak menggunakan
baran cairan datar
blast atomizer model ke diperlukan karena be
digunakan dalamair bl
• The Effervescent Atom cairan diresapi dengan su
propelan. Sebagai volat fase. Perubahan fase y
dengan sudut dispersi le
cairan sangat panas dibua
Modelparticle type
• Massless Particle : Sebua mengikuti aliran dan
partikel tersebut tidak
yang diberikan diatasny
• Inert Particle : Sebuah tetesan atau gelembung)
pemanasan atau pendin
• Droplet Particle :Dropl gas fase kontinyu ya
maupun pendinginan di
tersedia apabila perpind
spesies kimia aktif ata
modelaktif.
• Combusting Particle mempunyai keseimban
devolatilisasi dan reaksi
dari combusting partic juga bisa memasukka
dengan memilih opsi
memasukkan bahan ya
bahan partikel dimulai
l ketebalan lembar diatur secara langsung. Ha berbagai mekanisme pembentukan lemba
r blast atomizer model.
tomizer Model : Atomisasi effervescent adala n superpanas (sehubungan dengan kondisi hilir
olatile liquid keluar dari nozzle, dengan cepa se yang cepat ini memecah aliran menjadi but
si lebar. Model ini juga berlaku untuk kasus-kasus di
s dibuang.
typeyang digunakan dalam injeksi di CFD antar Sebuah partikel tak bermassa adalah elemen di
n suhu fasa kontinyu. Karena tidak memili
dak memiliki sifat fisik yang terkait, dan tidak
snya.
buah partikel lembam adalah elemen fase diskrit
bung) yang mematuhi keseimbangan gaya dan tunduk
ndinginan.
roplet particle adalah butiran/tetesan cairan da yang mematuhi keseimbangan gaya dan pe
n diikuti dengan penguapan dan pendidihan. Dropl pindahan panas sedang dimodelkan dan setida
atau non-premixed atau partially premixed co
le : Combusting particle adalah partikel pa bangan gaya dan pemanasan/pendinginan dii
aksi permukaan heterogen. Akhirnya, bagiannon particle dikenakan pemanasan inert. Pada tipe pa sukkan penguapan material dengan combusting opsi wet combustion. Hal ini memungkinka yang menguap dan mendidih sebelum devolati
ulai. Combusting type tersedia ketika perpindaha
Hal tersebut
baran yang
dalah injeksi
hilir) cair atau
pat berubah
butiran kecil
kasus dimana
ntara lain :
n diskrit yang
iliki massa,
dak ada gaya
skrit (partikel,
n tunduk pada
dalam aliran
n pemanasan
Droplet type idaknya dua
d combustion
padat yang
diikuti oleh
non-volatile partikel ini
busting particle kinkan untuk
volatilisasi dari
sedang dimodelka
pembakaran
non-• Multicomponent partikel tetesan. P
yang karena kom
proses, harus dim
dalam satu persa
menentukan densi
material type.
5. PorousMe Model porous single phasemaupun plat berlubang,distribut geometri karena susun
komponen yang dimode
yang berpori, dimana
dan dapat juga merepr
Porous medi persamaan standar ali
viscous loss dan inert efek inertial loss pada tank, efek permeabili saja. Persamaan pada
∇ = − ∑ | |
dengan :
=pressure, = faktorinertial = kecepatan,
odelkan dan setidaknya tiga spesies kimia akt
non-premixedaktif.
nt Particle : sebuah partikel multikomponen a n. Pertikel-partikel ini mengandung lebih dari
kompleksitas menugaskan partikel keseluruha
dimodelkan yang mengintegrasikan semua prose
ersamaan. Digunakan volume weighted mix densitas partikel campuran bila memilih part
Media
porous media dapat digunakan pada berbagai per upunmultiphase, termasuk pada aliran melaluipac
stributor dantube bank. Hal ini memudahkan da susunan kerumitan desain dan adanya kesa
modelkan.Porous media didefinisikan sebagai na fluida yang melewati porous media berkur epresentasikan perpindahan panas.
edia dimodelkan dengan penambahan sumber
aliran fluida. Sumber momentum berasal dari
nertial loss. Pada aliran dengan kecepatan tingg pada porous media.. Untuk pemodelan plat berl
bilitas dapat diabaikan dan hanya menggunak
daporousmedia ditampilkan pada persamaan 2.13.
∇ = − ∑ | |
rtial resistant, n,
aktif atau model
n adalah campuran
ri satu komponen,
uruhan untuk satu
proses yang relevan
ixing law untuk particle-mixture
permasalahan pada
packed beds,filter, n dalam pembuatan
kesamaan bentuk
gai sebuah volume
kurang tekanannya
ber momentum ke
dari 2 bagian, yaitu
nggi, memberikan
berlubang dan tube unakan inertial loss
n 2.13.
ρ = density,
= viskositas kinemat
Nilai C2 aliran pada
didapat menggunakan persa
=
dengan :
Ap = Luas areaporousm Af = Total luas area ber
C = 0,98, konstanta va
2.3.2. Penelitian Terdahu
Choi, dkk (2009)
500Mwe. Boiler yang di
pulverized-coal fired dan m Model solver yang diguna
digunakan adalah RNG K-ε.
Data aktual dari pe
simulasi adalah velocity magni emisi NOx.
atik,
pada tube bank yang dimodelkan dengan porous rsamaan :
=
porousmedia yang tegak lurus arah aliran berlubang tegak lurus arah aliran
variasi bilangan Reynold dan rasio D/t
ahulu
2009) melakukan penelitian pada boiler denga
g digunakan adalah boiler dengan tipe tange n mempunyai 6 elevasi burner (A, B, C, D, E
gunakan adalah SIMPLE dan model turbule
-ε.
pembangkit kemudian disimulasikan, yang di
magnitude, distribusi temperatur, distribusi spe
porous media
= (2.14)
ngan beban
tangentially , E, dan F).
bulensi yang
didapat dari
Gambar 2.
Pada Gamba
di area furnace boil terlihat lebih aktif da
terbentuknya fire-ball pada saat aliran kelua
tinggi sehingga sampa
F kecepatan aliran me
r 2.4Velocity Magnitudepada Boiler (Choi, 2009)
bar 2.4, ditampilkan distribusi kecepatan dan v
boiler. Distribusi kecepatan yang berdekatan
daripada didaerah lainnya. Pada vector ke
ball. Aliran membentuk tangensial dan kecepat keluar dari burner. Pada section A, B dan C ke
pai ke pusat pembakaran, sedangankan padase n menurun sehingga tidak sampai ke pusat pemba
2009)
n vector kecepatan
an dengan burner
kecepatan terlihat
patan aliran tinggi
kecepatan aliran
Gambar 2.5 Dist
Pada Gambar 2.5,
furnace. Flue gas keluar m menurun karena terserap w Temperatur tertinggi terliha
Gambar 2.6 Distr
istribusi Temperatur pada Boiler (Choi, 2009)
2.5, terlihat temperatur flue gas tinggi di dae r menuju ke oulet boiler, temperatur flue gas waterwalltube, superheater, reheater dan ec ihat padasectionC, disini diprediksikan terbentuk
stribusi Fraksi Massa O2dan CO2(Choi, 2009) 2009)
daerah pusat
gas semakin economizer. ntuk NOx.
Pada Gamba
massa O2 relatif le
berseberangan dengan O
dan semakin tinggi di
Gam
Konsentrasi
konsentrasi tertinggi pa
tinggi dan aktifitas pe
ppm. Laju terbentukn
temperatur dan fuel-o berada dalamflame.
Zhuo, dkk
deposit ash pada ash dapat digunakan untuk
tangensial. Tilting me horizontal sehingga
bar 2.6, terlihat distribusi fraksi massa O2 da
lebih tinggi di bagian tepi furnace. Fraksi gan O2, dimana fraksi massa CO2tinggi di daera
dioutletboiler.
ambar 2.7 Distribusi Fraksi Massa NOx (Choi,
si massa NOx ditampilkan pada Gambar
i pada tengah boiler dimana didaerah tersebut t
s pembakaran terjadi. Diprediksikan konsentrasi
uknya fuel NOx dan thermal NOx sangat t l-oxygen ratio pembakaran, oleh karena itu ter
.
dkk (2002) melakukan penelitian tentang predi
ash hopper ketika menggunakan tilting burner untuk mengatur temperaturreheat steampada boi
mengatur arah burner udara dan bahan bakar ga memungkinkan fire ball dapat bergerak na
dan CO2. Fraksi
raksi massa CO2
erah pusatfurnace
hoi, 2009)
bar 2.7, dimana
but temperatur lebih
asi maksimum 225
t tergantung pada
terbentuknya NOx
rediksi terjadinya
rner. Tilting burner boiler pembakaran
kar terhadap garis
Model solver yang diguna
digunakan adalah RNG K-ε.
Gambar 2.8
Pada Gambar 2.8
dengan kondisi tilting hor bawah. Ketika tilting diar hopper, aliran ini dapat m hopper. Ketika tilting diara ke bawah.
gunakan adalah SIMPLE dan model turbule
-ε.
r 2.8 Prediksi ProfilFlow(Zhuo, 2002)
2.8 terlihat aliran pada furnace, pada gambar a horizontal, pada gambar b kondisi tilting diar diarahkan ke bawah, terjadi pusaran diatas bot
t membawa oksigen dan solid partikel ke bot arahkan semakin ke bawah maka pusat pusaran
bulensi yang
r a, prediksi
diarahkan ke
Gambar 2.9 Profil P
Pada Gamba
temperatur pada pusa
zona furnace bagian pembakaran bergerak k
l Prediksi dan Kondisi Nyata Temperatur pada P (Zhuo, 2002)
bar 2.9, ditampilkan profil prediksi dan
pusat furnace. Ketika tilting diarahkan ke bawah, an bawah meningkat, hal ini merupakan impl
ak ke bawah.
a Pusat Furnace
dan kondisi nyata
ah, temperatur di
Gambar 2.10ContourPr
Pada Gambar 2.10
potongan pusat boiler. Pada
kondisitiltingmengarah ke oksigen difurnacebagian ba
Asotani, dkk (2002)
penyalaan pada boiler tange berkapasitas 40MWe. Fenom
langkah yaitu devolatilisasi
dari kestabilan api. Karakte
boiler dan kondisi operasi
Prediksi Fraksi Oksigen padaVertical Central C Section(Zhuo, 2002)
2.10 menggambarkan prediksi distribusi oksi
da gambar (a) kondisitiltinghorizontal, pada ga ke bawah. Ketikatiltingdiarahkan ke bawah, kon n bawah turun.
2002), melakukan penelitian tentang prediksi
ngentially-fired pulverized coal. Boiler yang di enomena pembakaran batubara dapat dibagi m
sasi dan pembakaranchar. Penyalaan adalah fak kteristik penyalaan tergantung pada tipe batuba
asi. Simulai yang digunakan adalah FLUENT ral
Cross-oksigen pada
da gambar (b)
h, konsentrasi
diksi bentuk
g digunakan
i menjadi 2
aktor krusial
ubara, desain
model turbulensi k-ε
random walk model. Asotani, dkk
merepresentasikan pe
umumnya sulit untuk
fired boiler karena temperatur ditunjukka
Gambar 2.11 Vec
Pada Gamba
membentuk fire-ball yang dilepas bervariasi
-ε standar dan metode lagrangian, particle t l.
dkk (2002), menggunakan distribusi rosin
perbedaan-perbedaan diameter partikel ba
uk mengamati kondisi penyalaan khususnya pa
na keterbatasan konstruksi. Distribusi kece
ukkan pada Gambar 2.11.
ector Kecepatan dan Distribusi Temperatur pad (Asotani, 2008)
mbar 2.11 terlihat bahwa aliran dari burne ball di pusat furnace. Distribusi temperatur menunj
riasi terhadap tinggifurnace.
e tracking dengan
osin ramler untuk
batubara. Pada
pada tangentially cepatan gas dan
padaFurnace
Gambar 2.12 L
Pada Gambar 2.12
burner. Terlihat jelas bahw yang bergerak berputar-puta
atas boiler melalui pusatfurnac bagian atas tidak dapat menc
fire-ball, akibatnya waktu pa dan menjadi tidak dapat terba
12 Lintasan Partikel Batubara (Asotani, 2008)
2.12 ditunjukkan lintasan patikel batubara da
hwa banyak partikel batubara dari burner pali utar di bagian bawah boiler kemudian menuju
furnace. Dengan kata lain, partikel batubara da encapai pusatfurnace dan hanya berputar diba u partikel tersebut di dalam boiler menjadi lebi
erbakar sempurna.
dari setiap
aling bawah
nuju ke bagian
dari burner dibagian luar
