STUDI NUMERIK KARAKTERISTIK ALIRAN GAS-SOLID DAN PEMBAKARAN PADA TANGENTIALLY FIRED PULVERIZED-COAL BURNER DENGAN VARIASI SUDUT TILTING

(1)

STUDI NUMERIK KARAKTERISTIK ALIRAN GAS-SOLID

DAN PEMBAKARAN PADA

TANGENTIALLY FIRED

PULVERIZED-COAL BURNER

DENGAN VARIASI SUDUT

TILTING

Atok Setiyawan(1)*_{& Rakhmat Hidayat}(2)

Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)1,2)(10 pt)1,2)

Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia Phone: 062-31-5992941, Fax: 062-31-5992941

E-mail: atok_s@me.its.ac.id;atok.setiyawan@gmail.com1)

Abstrak

Tangentially fired pulverized-coal boiler yang terpasang pada PLTU Pacitan Unit #1, dilengkapi

dengan dilengkapi fasilitas tilting burner yang berfungsi mengatur arah lidah api/fireball. Perubahan arah burner ini mengakibatkan fire-ball bergerak ke atas maupun ke bawah mengikuti pergerakan arah burner. Studi numerik ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh pengaturan sudut tilting dengan menggunakan batubara low rank coal (LRC) terhadap kecepatan aliran gas-solid, distribusi

temperatur, distribusi fraksi massa CO2dan distribusi fraksi massa NOx. Studi numerik tangentially

fired pulverized-coal boiler dengan variasi sudut tilting ini dilakukan untuk beban 100% MCR

dengan menggunakan batubara LRC.

Proses simulasi menggunakan software Gambit versi 2.4.6 untuk membangun geometri dan menentukan domain dari sistem pembakaran dan software Ansys Fluent 13.0. Model yang dipilih

untuk simulasi numerik ini adalah: turbulensi yang digunakan adalah k-ε standart. Variasi sudut

tilting yang disimulasikan adalah mulai dari - 30o, -15o, 0o, +15o sampai dan +30o terhadap garis horizontal.

Hasil studi simlasi numerik dari variasi tilting pada Tangentially fired pulverized-coal boiler adalah perubahan sudut tilting pada burner boiler berpengaruh secara signifikan terhadap distribusi temperatur gas buang yang melintasi komponen-komponen peralatan heat exchanger di dalam boiler dan besaran temperatur gas buang yang keluar dari cerobong. Menaikkan sudut tilting

cenderung akan menaikkan temperature gas buang, dimana dengan sudut tilting +30o, temperatur

outlet gas buang out let furnace dan inlet Re-Heater masing-masing sebesar 40oC dan 70oC bila

dibandingkan dengan sudut tilting 0o.

(2)

Pendahuluan

Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) Pacitan Unit #1 dan #2 berkapasitas masing-masing 315 MW, menggunakan Tangentially

fired pulverized-coal boiler yang dilengkapi

dengan fasilitas tilting burner yang berfungsi

mengatur arah dan ketinggian lidah

api/fireball. Boiler tersebut didesain

menggunakan batu bara low rank yang

mempunyai rentang nilai kalor antara 3900 –

4500 kCal/kg. Namun demikian dalam kenyataannya, pasokan batu bara dari PT

PLN mempunyai nilai kalor antar 4.200 –

5.200 kCal/kg, sehingga efektifitas dari titling

burner perlu dianalisa dan dievaluasi.

Beberapa peneliti telah melakukan

simulasi numerik terkait dengan proses

pembakaran batu bara pada boiler

tangentially fired. Ravinda, et.al[1]melakukan pada one-through boiler untuk mendapatkan signifikansi dan pengaruh dari parameter-parameter pengontrol pada re-heat steam, dimana slah satu parameter yang diuji adalah

burner angle (tilting). Astoni, et.al[2],

melakukan studi numerik dan simulasi pada

tangentially fired boiler berkapasitas 800

MW berbahan bakar batu bara untuk memprediksi karakterstik pembakaran. Choi et.al.[3], melakukan studi numerik pada

tangentially pulverized coal boiler untuk

mendapatkan pola-pola distribusi

temperature, spesies, emisi NOx dan besaran vector kecepatan dengan menggunakan

model turbulensi RNG k-ɛ. Fan et.al. [4]

mensimulasikan perbandingan standard k-ɛ

model dan RNG k-ɛ model pada proses

pembakaran batu bara pada tangiantially fired

furnace boiler.

Studi numerik dan simulasi fokus pada pengaruh sudut tilting burner untuk batu bara

low rank coal (LRC) terhadap karakteristik

aliran gas-solid, dan pembakaran serta distribusi temperatur pada tangentially fired

boiler.

Metode Dan Perangkat Simulasi

Data-data, kondisi dan asumsi yang digunakan dalam studi numerik adalah: (a)

batu bara dengan nilai kalor 4.700 kCal/kg (Low Rank Calorie-LRC), (b) validasi simulasi dengan data operasional pada beban

full load sebesar 315 MW, (c) Software yang

digunakan pada tahapan pembuatan

geometri adalah Gambit 2.4.6, sedangkan untuk tahapan simulasi menggunakan Ansys

Fluent 13.0, (d) kondisi steady time based, model turbulensi k-ε standard,

model pembakaran species transport, dan model radiasi di nonaktifkan (off), (e) variasi

sudut tilting burner mulai dari – 30o sampai

dengan 30odengan interval 15o.

Gambar 1, menunjukkan skema konstruksi dari tangentially fired pulverized-coal boiler buatan Dongfang. Konstruksi boiler tersebut dijadikan acuan untuk pembuatan model

geometri dan domain menggunakan

software GAMBIT 2.4.6 – proses

pre-processing.

Gambar 1. Skematik boiler PLTU Pacitan

(Dongfang Boiler Group Co, Ltd, 2007)

Gambar 2 memperlihatkan konstruksi dari empat burner yang terpasang pada

(3)

masing-masing sudut boiler. Pada Gambar tersebut ditunjukkan bahwa sudut tilting burner dapat dirubah dengan tujuan untuk merubah arah dari lidah api/fire ball, sehingga distribusi temperatur di dalam furnace, dan temperatur gas buang yang melewati perangkat penukar kalor, utamanya super heater, re-heater dapat diatur sehingga target temperatur uap lanjut yang akan masuk turbin dapat terpenuhi.

Gambar 2. Geometri sudut burner terhadap dinding boiler (Dongfang Boiler Group Co,

Ltd, 2007)

Skema surface yang akan diamati

pada simulasi ini ditampilkan pada

Gambar 3. Dari hasil simulasi diperoleh data

contour velocity, contour temperature, vector velocity, particle track dan fraksi

massa O2, NOx, dan CO2didalam boiler.

Gambar 3. Skema permukaan yang akan dianalisa.

Hasil Dan Analisa

Hasil validasi simulasi numerik terhadap data-data operasional dapat dilihat pada Gambar 4. Deviasi nilai hasil numerik dan

data operasional untuk setiap titik

pengukuran di boiler adalah rata-rata sebesar 4,54%.

Ganbar 4. Hasil validasi hasil simulasi numeric dengan data operasional.

Vektor kecepatan aliran fluida dalam

boiler diperlukan untuk menganalisa

pergerakan partikel batubara yang

terbawa udara pembakaran dan sekaligus

mengindikasikan terjadinya kesempurnaan proses pembakaran (Gambar 5). Pada sudut

tilting yang kebawah (-30o dan -15o), maka

pusaran api (fire ball)berada di bottom ash

hopper dan vektor kecepatan tertinggi ada di

sekitar bagian bawah sampai pertengahan dari furnace.

Gambar 5. Vector kecepatan pada Penampang Vertikal pada Boiler

Dengan menaikkan sudut tilting ke atas

(0o sampai + 30o), pusaran api bergerak

keatas sehingga vektor kcepatan tertinggi berada di pertengan sampai unjung out let sisi furnace. Pergerakan vektor kecepatan ke

(4)

atas tersebut mengikuti hukum momentum dimana pada saat tilting ke bawah maka akan ada tumbukan antara gas hasil pembakaran dengan aliran udara dan pulverized coal yang diinjeksikan oleh burner pada level yang diatas.

Gambar 6. Kontur Velocity pada Penampang Vertical pada Boiler

Kontur kecepatan seperti yang disajikan pada Gambar 6, memiliki kecenderungan yang sama dengan vektor kecepatan pada Gambar 5, dimana posisi kecepatan solid-gas yang tinggi ditentukan oleh sudut tilting. Semakin tinggi sudut tilting maka kecepatan solid-gas yang besar juga cenderung naik, sedangkan sudut tilting yang rendah terjadi tumbukan antara aliran solid-gas dengan udara-pulverized coal yang keluar dari burner sehingga akan menurunkan momentum.

Gambar 6.Lintasan Partikel Batubara pada

Boiler dengan Penampang Vertical

Analisa particle track digunakan

untuk menganalisa aliran partikel batu

bara didalam boiler. Aliran partikel batu

bara ini sangat menentukan distribusi

temperature karena adanya proses

pembakaran dari batu bara di dalam furnace. Hasil pengambilan particles track tersaji pada Gambar 6. Perubahan sudut

tilting burner akan mempengaruhi

karakteristik lintasan batu bara di dalam

furnace boiler yang pada akhirnya juga

mempengaruhi proses pembakarannya. Untuk tilting burner dengan sudut

negatif sampai dengan 0o (nozzle burner

mengarah ke bawah - horizontal), terlihat bawah aliran partikel ke arah bottom ash

hopper sehingga proses pembakaran sudah

terjadi didaerah ini. Hal ini juga

dikonfirmasi dengan Gambar 4 dan 7. Sedangkan pada sudut titling positif, aliran partikel tidak ada yang mengalir pada ash

bottom hopper, sehingga proses

pembakaran paling cepat terjadi di sekitar burner dan karena waktu tinggal partikel didalam furnace demikian pendek, maka pada saat meninggalkan out let furnace, masih ada partikel yang belum terbakar.

Gambar 7 menunjukkan kontur

temperatur dari penampang vertikal dari

boiler. Sudut tilting burner sangat

mempengaruhi distribusi temperatur di dalam furnace dan di dalam super heater,

maupun re-heater. Pada sudut tilting -30o,

temperatur tinggi terkonsentrasi pada as

bottom hopper dan disekitar burner sedangkan semakin dinaikkan sudut tilting

burner terjadi pergeseran distribusi

temperatur mengarah ke atas, bahkan pada

sudut tilting yang postif (+ 30o) temperatur

gas yang tinggi masih terjadi disisi out let pada furnace, hal ini menandakan bahwa masih teejadi proses pembakaran di luar dari furnace.

(5)

Gambar 7. Kontur temperaturPenampang

Vertical Pada Boiler Dengan Batubara

LRC 600 800 1000 1200 1400 -30 -15 0 15 30

Temp Outlet Furnace Temp Inlet Re-Heater

Te m pe ra tu r ( oC ) Sudut Tilting (o₎

Gambar 8. Distribusi temperature pada sisi outlet furnace dan inlet Re-Heater.

Sudut tilting juga sangat berpengaruh terhadap perubahan temperatur sisi out let furnace dan sisi inlet Re-Heater. Pada

sudut titling, pada –30o, temperatur outlet

furnace dan inlet re-heater masing-masing

sebesar sekitar 1230odan 925o, sedangkan

pada sudut +30o, meningkat cukup tinggi

dengan masing-masing sebesar sekitar

1310odan 1230o- (Gambar 8). Temperatur

ini sangat mempengaruhi pembentukan

temperatur uap lanjut yang akan

dihasilkan oleh boiler.

Karakteristik pembakaran dari

pulverized coal dengan variasi sudut tilting dapat dilihat pada Gambar 8, 9 dan 10. Proses pembakaran merupakan proses yang rumit dan melibatkan banyak

parameter yang saling

antagonis/berkompetitif.

Kontur fraksi dari O2 ditunjukkan

pada Gambar 8. Kontur ini akan

menunjukkan ketersediaan O2 dan bisa

juga mengindikasikan proses dan tingkat kesempurnaan pembakaran yang terjadi di

dalam furnace boiler bilamana

sedang/sudah terjadi proses pembakaran.

Baik pada sudut tilting negative (-30o)

maupun positif (+30o), di sekitar ash

bottom hoper mempunyai fraksi O2 yang

sama-sama rendah. Namun rendahnya

fraksi O2 tersebut disebakan oleh

fenomena yang berbeda. Bila pada sudut tilting yang negatif sudah terjadi proses

pembakaran sehingga ketersediaan O2

akan menipis sebaliknya pada sudut yang postif, karena injeksi udara dan pulverized

coal mengarah keatas maka tidak ada O2

yang mengarah ke ash bottom hopper.

Gambar 8. Kontur fraksi O2Penampang

Vertical Pada Boiler

Gambar 9, mendiskrpsikan kontur dari gas

CO2 yang ada di dalam boiler. Secara

umum pada proses pembakaran kontur

CO2 dan O2 merupakan kebalikannya,

dimana pada campuran udara-bahan bakar yang relative sama, maka bila ketersedian

O2 menipis maka pembentukan CO2 akan

meningkat yang mengindikasikan

kesempurnaan pembakaran. Hal ini juga terjadi pada proses pembakaran pulverized

coal didalam boiler yang mana variasi

sudut tilting signifikan untuk

pembentukan CO2. Terbentuknya CO2

terbesar terjadi pada lokasi di sekitar out-let furnace yang mana proses pembakaran sebagian besar dari pulverized coal sudah

(6)

dikonfirmasi dengan distribusi temperatur (Gambar 7).

Gambar 9. Kontur fraksi CO2Penampang

Vertical Pada Boiler

Salah satu hasil pembakaran yang perlu mendapatkan perhatian karena bersifat

polutif adalah NOx. Gambar 9,

memperlihatkan kontur NOx dari hasil simulasi numerik. Pembentukan emisi NOx sangat dipengaruhi oleh temperature tinggi

dan ketersediaan O2 di dalam proses

pembakaran.

Gambar 10. Kountur fraksi NOX

Penampang Vertical Pada Boiler

Kecuali sudut tilting –30o, secara

umum pembentukan NOx pada proses

pembakaran pulverized coal di dalam

furnace boiler adalah identik dengan hanya sedikit variasi distribusinya.

Kesimpulan

Pengaturan sudut tilting burner pada

tangentially fired pulverized-coal boiler

PLTU Pacitan Unit #1berpengaruh signifikan

utamanya terhadap distribusi temperatur gas buang dan particles trace. Dua parameter tersebut sangat penting untuk diketahui untuk mendapatkan system operasional boiler yang efektif dan efisien. Pengaturan sudut tilting sangat penting bilamana diggunakan jenis batu bara yang berbeda-beda, yang sekaligus

akan mengatur tingkat kesempurnaan

pembakaran dan distribusi temperatur gas buang di super-heater dan re-heater.

Menaikkan sudut tilting cenderung akan menaikkan temperature gas buang, dimana dengan sudut tilting +30o, temperatur outlet gas buang out let furnace dan inlet Re-Heater masing-masing sebesar 40oC dan 70oC bila dibandingkan dengan sudut tilting 0o_.

Referensi

[1] Kumar, Ravindra P., Ramchandra R.V. &

Ravi K.N., [2013],”Effect of Parameters

in Once- Through Boiler for Controlling

Re-heat Steam Temperature in

Supercritical Power Plants”, Research

Journal of Engineering Sciences, Vol. 2 (1), 27-34, January.

[2] Astoni. T., Yamashita T., Tominaga T., Uesegi Y., Itaya Y. & Mori S.,

[2008],”Prediction of Ignition Behaviour

in a Tangentially Fired Pulverized Coal

Boiler Using CFD”, Fuel, Vol. 87, p.

482-90.