TESIS (TM ) STUDI NUMERIK KARAKTERISTIK ALIRAN DAN PEMBAKARAN TANGENTIALLY FIRED PULVERIZED-COAL BOILER

(1)

TESIS (TM 142501)

STUDI NUMERIK KARAKTERISTIK ALIRAN

DAN PEMBAKARAN

TANGENTIALLY FIRED PULVERIZED-COAL

BOILER 660MWe

DENGAN PENAMBAHAN VARIASI INJEKSI OXY-FUEL

PADA UDARA PEMBAKARAN

FANNY EKA CANDRA NRP 2112 204 812 DOSEN PEMBIMBING

Dr. Wawan Aries Widodo, ST., MT.

PROGRAM MAGISTER

BIDANG KEAHLIAN REKAYASA ENERGI JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA

(2)

TESIS (TM 142501)

NUMERICAL STUDY OF FLOW AND COMBUSTION

CHARACTERISTICS IN 660MWe TANGENTIALLY FIRED

PULVERIZED-COAL BOILER

WITH INJECTION VARIATION OF OXY-FUEL ADDITION

IN COMBUSTION AIR

FANNY EKA CANDRA NRP 2112 204 812 ADVISOR

Dr. Wawan Aries Widodo, ST., MT.

MASTER PROGRAM ENERGY ENGINEERING

MECHANICAL ENGINEERING DEPARTEMENT FACULTY OF INDUSTRIAL TECHNOLOGY

SEPULUH NOPEMBER INSTITUTE OF TECHNOLOGY SURABAYA

(3)

KATA PENGANTAR

Alhamdulillah segala puji dan syukur kehadirat Allah SWT, Tuhan

semesta alam yang selalu memberi kasih sayang tiada tara pada penulis hingga mampu menyelesaikan Tesis ini dengan judul "Studi Numerik Karakteristik Aliran dan Pembakaran Tangentially Fired Pulverized-Coal Boiler 660 MWe dengan Penambahan Variasi Jumlah Oxy-Fuel Pada Udara Pembakaran". Tesis ini merupakan salah satu syarat akademis untuk kelulusan mahasiswa Program Studi Magister Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS ) Surabaya.

Keberhasilan penulisan Tesis ini tentu tidak lepas dari bantuan berbagai pihak. Untuk itu penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:

1. Kedua orang tua tercinta yang senantiasa memberi dukungan dan doa 2. Istriku tercinta Dyan Kartika Sari dan calon anak lelakiku, terima kasih

buat kesabaran, motivasi, dukungan dan doa-doanya selama ini.

3. Bapak Dr. Wawan Aries Widodo, ST., MT., selaku dosen pembimbing yang telah banyak membantu dan memberikan ide-ide segar, ilmu dan motivasinya hingga terselesaikan penulisan Tesis ini.

4. Dr. Ir. Atok Setiyawan, M.Eng., Sc., Dr. Bambang Sudarmanta, ST., MT., Dr. Bambang Arip D., ST., MSc., Eng., selaku dosen penguji yang memberi banyak arahan dan masukan serta kritikan yang sangat membangun.

5. Bapak-bapak dan ibu-ibu dosen pengajar, seluruh staf dan karyawan Teknik Mesin FTI ITS Surabaya.

6. Seluruh jajaran direksi PT. PJB Services yang telah memberikan kesempatan kepada penulis untuk belajar dan menuntut ilmu di Teknik Mesin FTI ITS Surabaya.

7. PT. PJB UBJOM Paiton, seluruh rekan-rekan, staf dan management yang telah banyak membantu dalam pengumpulan data-data penunjang Tesis.

(4)

8. Rekan-rekan angkatan I program beasiswa PT. PJB. Services, bidang keahlian Rekayasa Energi Teknik Mesin FTI ITS

9. Seluruh keluarga besar di Madiun, Blitar dan Jakarta.

10. Semua pihak yang tidak bisa penulis sebutkan satu per satu yang telah membantu kelancaran penyusunan Tesis ini.

Kekurangan atau kesalahan tentu masih ada, namun bukan suatu yang disengaja, hal tersebut semata-mata disebabkan karena kekhilafan dan keterbatasan yang dimiliki. Oleh karena itu, kritik dan saran yang membangun sangat diharapkan demi kesempurnaan Tesis ini.

Akhir kata, semoga Tesis ini dapat bermanfaat bagi pembaca serta dapat memberikan sumbangsih bagi perkembangan ilmu pengetahuan.

Surabaya, 26 Januari 2015

Penulis

(5)

(6)

STUDI NUMERIK KARAKTERISTIK ALIRAN DAN

PEMBAKARAN TANGENTIALLY FIRED PULVERIZED-

COAL BOILER 660MWe

DENGAN PENAMBAHAN VARIASI INJEKSI OXY-FUEL

PADA UDARA PEMBAKARAN

Nama Mahasiswa : Fanny Eka Candra

NRP : 2112 204 812

Jurusan : Teknik Mesin FTI-ITS

Pembimbing : Dr. Wawan Aries Widodo, ST., MT.

ABSTRAK

Studi kasus pada PLTU Paiton Unit 9 daya terpasang 660 MWe tipe tangentially fired pulverized-coal boiler berbahan bakar Low Rank Coal (LRC). Salah satu upaya untuk memaksimalkan proses pembakaran batubara di dalam boiler adalah dengan penambahan injeksi oksigen murni (oxy-fuel) hasil dari produksi H2 plant terhadap udara pembakaran. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui karakteristik pembakaran di dalam boiler dengan penambahan oxy-fuel.

Penelitian diawali dengan pemodelan boiler 3D menggunakan perangkat lunak meshing komersial yang digunakan untuk membuat geometri test section, meshing dan untuk menentukan domain pemodelan. Untuk simulasi aliran dan pembakaran menggunakan perangkat lunak Computational Fluid Dinamic (CFD) komersial yang terdiri dari beberapa tahap yaitu setting mode turbulensi, material, injection, operating condition, boundary condition, solution, initialize, dan monitor residual. Model turbulen yang akan digunakan adalah k-ɛ standard, material yang digunakan adalah lignite. Boundary condition pada inlet digunakan velocity inlet, sedangkan pada outlet digunakan pressure outlet. Injeksi oxy-fuel akan dilakukan pada sisi secondary air inlet dengan 3 variasi, yaitu OF25 (25 % vol O2), OF27 (27 % vol O2), OF29 (29 % vol O2) berdasar pada penelitian Chen, dkk (2011) dan Al-Abbas, dkk (2010).

Hasil dari simulasi numerik ini adalah dengan menggunakan injeksi oxy-fuel pada udara pembakaran terjadi peningkatan temperatur sekitar 50o C hingga 200 oC pada masing-masing kasus pada area furnace outlet. Temperatur paling rendah pada area boiler outlet terjadi pada kasus IV (OF29) yaitu 347 oC. Dari temperatur yang diukur dari area furnace outlet hingga boiler outlet kasus IV (OF29) mempunyai perbedaan paling besar yaitu 1036 oC. Kandungan CO2 paling tinggi terdapat pada kasus IV (OF29) sebesar 18,75%. Hal tersebut dapat mengindikasikan bahwa pada kasus IV (OF29) terjadi proses pembakaran yang paling baik dibandingkan dengan kasus lainnya.

Kata kunci : Tangentially fired pulverized-coal boiler, pembakaran, low rank coal, oxy-fuel.

(7)

(halaman ini sengaja dikosongkan)

(8)

NUMERICAL STUDY OF FLOW AND COMBUSTION

CHARACTERISTICS

IN 660MWe TANGENTIALLY FIRED PULVERIZED-COAL

BOILER

WITH INJECTION VARIATION OF OXY-FUEL ADDITION

IN COMBUSTION AIR

Name : Fanny Eka Candra

NRP : 2112 204 812

Major : Mechanical Engineering-ITS

Supervisor : Dr. Wawan Aries Widodo, ST., MT.

ABSTRACT

Case studies on tangentially fired pulverized-coal boiler at Paiton Unit 9 660 MWe Power Plant using Low Rank Coal (LRC). One effort to maximize the coal combustion process in the boiler is the use of oxy-fuel technology, which is addition of pure oxygen for combustion air. Pure oxygen is obtained from H2 plant production. This study aims to investigate the characteristics of combustion in the boiler with addition of oxy-fuel.

The study begins with the boiler 3D modeling using commercial meshing software used to create the test section geometry, meshing and to determine the domain modeling. Flow and combustion simulation is use Computational Fluid Dynamics (CFD) commercial software consisting of several stages of turbulence setting mode, materials, molding, operating condition, boundary condition, solution, initialize, and monitor residual. Turbulent models is used k-ɛ standard, material is used lignite. Boundary condition at the inlet used inlet velocity, whereas the use of pressure outlet outlet. Oxy-fuel injection will be injection on the secondary air side inlet with 3 variations, OF25 (25 vol% O2), OF27 (27 vol% O2), OF29 (29 vol% O2), based on the research of Chen, et al (2011) and Al -Abbas, et al (2010).

The results of this numerical simulation is the combustion air temperature increased about 50 oC to 200 °C in each case in the area of the furnace outlet using oxy-fuel injection. The lowest temperature at the boiler outlet area in the case IV (OF29) is 347 °C. From the measured temperature of the furnace area to the boiler outlet is case IV (OF29) has the greatest difference is 1036 °C. CO2 content is highest in the case IV (OF29) of 18.75%. The results indicates that best combustion process is on case IV (OF29) compared occurs with the other cases.

Keyword : Tangentially fired pulverized-coal boiler, combustion, low rank coal, oxy-fuel.

(9)

(halaman ini sengaja dikosongkan)

(10)

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ... i

LEMBAR PENGESAHAN ... iii

ABSTRAK ... v

ABSTRACT ... vii

KATA PENGANTAR ... ix

DAFTAR ISI ... xi

DAFTAR GAMBAR ... xiii

DAFTAR TABEL ... xv

DAFTAR SIMBOL ... xvii

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1 1.2 Perumusan Masalah ... 2 1.3 Tujuan Penelitian ... 3 1.4 Batasan Masalah ... 3 1.5 Manfaat Penelitian ... 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Boiler ... 5

2.2 Bahan Bakar Batubara ... 5

2.3 Prinsip Pembakaran ... 6

2.3.1 Pembakaran Stoikiometri dan Non-Stoikiometri ... 7

2.3.2 Udara Pembakaran Boiler ... 7

2.3.3 Over Fire Air ... 8

2.3.4 Tangentially-Fired Pulverized Coal Combustion ... 8

2.4 Perhitungan Efisiensi Boiler ... 10

2.4.1 Metode Perhitungan Langsung (Direct Method) ... 10

2.4.2 Metode Perhitungan Tidak Langsung (Undirect Method) ... 11

2.5 Oxy-Fuel ... 14

2.6 Produksi Oksigen Industri ... 16

2.6.1 H2 Plant ... 16

2.7 Penelitian Terdahulu ... 17

BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Tahap-tahap Penelitian ... 23

3.2 Diagram Alir Penelitian ... 24

3.3 Pemodelan dan Simulasi ... 25

3.4 Tahap Preprocessing ... 25

3.5 Pembuatan Geometri dan Meshing Boiler ... 25

3.5.1 Domain Pemodelan ... 26

3.5.2 Meshing ... 26

3.6 Tahap Processing... 27

3.6.1 Model ... 27

(11)

3.6.1.1 Species ... 27

3.6.1.2 Discrete Phase Model ... 30

3.6.2 Material ... 31

3.6.3 Cell Zone Conditions ... 32

3.6.4 Operating Conditions ... 32

3.6.5 Boundary Conditions ... 32

3.6.6 Solution ... 35

3.6.7 Initialize ... 35

3.6.8 Monitor Residual ... 35

3.7 Tahap Post Processing ... 36

3.8 Rancangan Simulasi Numerik ... 36

3.9 Alokasi Waktu Penelitian ... 37

BAB IV HASIL PERHITUNGAN 4.1 Data Perhitungan ... 39

4.1.1 Data Perhitungan Indirect Method ... 39

4.2 Perhitungan ... 40

4.2.1 Perhitungan Indirect Method ... 40

4.2.2 Perhitungan Panas yang Diserap Heat Exchager ... 44

4.2.3 Perhitungan Massa Udara Pembakaran ... 49

4.3 Validasi ... 52

4.5 Grid Independency Test ... 53

4.6 Analisa Hasil Simulasi Numerik ... 55

4.6.1 Distribusi Temperatur ... 56

4.6.1.1 Distribusi Temperatur Posisi Simetri Boiler (z-center) ... 56

4.6.1.2 Distribusi Temperatur Posisi Inlet Batubara dan Furnace Outlet ... 57

4.6.1.3 Data Kuantitatif Distribusi Temperatur Posisi Inlet Batubara dan Furnace Outlet ... 59

4.6.2 Distribusi CO2 ... 63

4.6.2.1 Distribusi CO2 Posisi Simetri Boiler (z-center) ... 64

4.6.2.2 Distribusi CO2 Posisi Inlet Batubara dan Furnace Outlet ... 65

4.6.2.3 Data Kuantitatif CO2 Posisi Inlet Batubara dan Furnace Outlet ... 67

4.6.3 Distribusi Kecepatan ... 68

4.6.3.1 Distribusi Kecepatan Simetri Boiler (z-center) ... 68

4.6.3.2 Distribusi Kecepatan Posisi Inlet Batubara dan Furnace Outlet ... 69

4.6.3.3 Data Kuantitatif KecepatanPosisi Inlet Batubara dan Furnace Outlet .. 71

4.6.4 Data Kuantitatif Sisi Outlet Boiler ... 74

4.7 Diskusi ... 75

BAB IV KESIMPULAN DAN SARAN 4.1 Kesimpulan ... 77

5.2 Saran ... 78

DAFTAR PUSTAKA ... 79

LAMPIRAN ... 81

(12)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Jenis batubara ... 5

Tabel 2.2 Perbandingan teknologi pembakaran pada pembangkit listrik ... 17

Tabel 2.3 Parameter inlet air flow primary dan secondary ... 21

Tabel 3.1 Pemodelan numerik pada tangentially-fired pulverized coal boiler ... 27

Tabel 3.2 Hasil analisa batubara ultimate analysis dan proximate analysis ... 28

Tabel 3.3 Perhitungan Air Dry Basis (ADB) proximate analysis ... 28

Tabel 3.4 Perhitungan Air Dry Basis (ADB) ultimate analysis ... 28

Tabel 3.5 Komposisi volatile matter batubara ... 29

Tabel 3.6 Model discrete phase sebagai input properties bahan bakar ... 31

Tabel 3.7 Propertis batubara kondisi MCR ... 31

Tabel 3.8 Variasi jumlah udara pembakaran pada secondary air flow inlet ... 34

Tabel 3.9 Boundary condition auxiliary air inlet ... 34

Tabel 3.10 Parameter input pada rancangan simulasi ... 36

Tabel 3.11 Parameter input pada rancangan simulasi ... 36

Tabel 3.12 Alokasi waktu simulasi ... 37

Tabel 4.1 Data Operasi PLTU Paiton unit 9 ... 39

Tabel 4.2 Hasil perhitungan undirect method ... 43

Tabel 4.3 Data propertis dan perhitungan volume heat exchanger ... 44

Tabel 4.4 Data heat transfer dan heat generation rate masing-masing heat exchanger ... 48

Tabel 4.5 Mass flow rate masing-masing elevasi burner ... 51

Tabel 4.6 Perbandingan temperatur flue gas ... 63

Tabel 4.7 Data kuantitatif flue gas boiler ... 74

(13)

(halaman ini sengaja dokosongkan)

(14)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Sistem udara pembakaran boiler ...

Gambar 2.2 Ilustrasi pembakaran tangentially-fired pulverized coal burner ... 10

Gambar 2.3 Ilustrasi Direct Method ... 11

Gambar 2.4 Ilustrasi Indirect Method ... 12

Gambar 2.5 Sistem H2 plant PLTU Paiton Unit 9 ... 16

Gambar 2.6 Profil distribusi temperatur radial dengan jarak (a) 384 mm dan (b) 800 mm dari burner inlet (Chen, 2011) ... 18

Gambar 2.7 Pemodelan sistem injeksi oxy-fuel (Wall, 2009) ... 19

Gambar 2.8 Perbedaan kontur temperatur pada furnace wall pada Air case dan Oxy case (Wall, 2009) ... 20

Gambar 2.9 Perbandingan distribusi temperatur flame horizontal batubara tipe A (Wall, 2009) ... 21

Gambar 2.10 Distribusi temperatur flame dengan empat kondisi yang berbeda pada Chalmer furnace 100 KW (Al-Abbas, 2010) ... 22

Gambar 2.11 Distribusi sebaran char content of coal particles (%) dengan empat kondisi yang berbeda pada Chalmer furnace 100 KW (Al Abbas, 2010) ... 22

Gambar 3.1 Diagram alir penelitian ... 24

Gambar 3.2 Boiler PLTU Paiton Baru Unit 9 tampak samping (Harbin Power Engineering Co., Ltd., 2009) ... 25

Gambar 3.3 Meshing boiler ... 26

Gambar 3.4 Perhitungan coal calculator Fluent 13.0 ... 30

Gambar 3.5 Geometri dan susunan burner boiler PLTU Paiton Unit 9 (Harbin Power Engineering Co., Ltd., 2009) ... 30

Gambar 3.6 Boundary condition pemodelan boiler ... 33

Gambar 3.7 Penampang luasan burner boiler PLTU Paiton Unit 9 ... 33

Gambar 4.1 Ilustrasi aliran steam pada Superheater panel ... 45

Gambar 4.2 Ilustrasi aliran steam pada Reheater ... 46

Gambar 4.3 Ilustrasi aliran steam pada Superheater Finish ... 46

Gambar 4.4 Ilustrasi aliran steam pada LTSH ... 47

Gambar 4.5 Ilustrasi aliran steam pada Economizer ... 47

Gambar 4.6 Posisi pengambilan data temperatur pada boiler ... 52

Gambar 4.8 Pemodelan meshing boiler ... 54

Gambar 4.9 Data perbandingan hasil grid independency test ... 54

Gambar 4.10 Posisi pengamatan (a) penampang vertikal simetri boiler (z-center), (b) penampang horizontal inlet batubara dan furnace outlet ... 55

Gambar 4.11 Kontur distribusi temperatur pada posisi penampang vertikal simetri boiler (z-center) ... 56

(15)

Gambar 4.12 Kontur distribusi temperatur penampang horizontal posisi inlet batubara dan furnace outlet ... 58 Gambar 4.13 Grafik perbandingan average temperature penampang horizontal

posisi inlet batubara dan furnace outlet ... 59 Gambar 4.14 Gambar posisi pengambilan data sebaran temperatur pada elevasi

coal F ... 11 Gambar 4.15 Grafik sebaran temperatur pada posisi x-center dan z-center

coal F ... 61 Gambar 4.16 Grafik perbandingan average temperature penampang SH finish

outlet, LTSH outlet dan economizer ... 62 Gambar 4.17 Kontur distribusi CO2 pada posisi penampang vertikal simetri

boiler (z-center) ... 64 Gambar 4.18 Ilustrasi pergerakan partikel batubara dari coal burner A ... 65 Gambar 4.19 Kontur distribusi CO2 penampang horizontal posisi inlet batubara

dan furnace outlet ... 66 Gambar 4.20 Grafik perbandingan average CO2 penampang horizontal posisi

inlet batubara dan furnace outlet... 67 Gambar 4.21 Kontur distribusi kecepatan pada posisi penampang vertikal simetri boiler (z-center) ... 68 Gambar 4.22 Kontur distribusi kecepatan penampang horizontal posisi inlet

batubara dan furnace outlet ... 70 Gambar 4.23 Vektor distribusi kecepatan penampang horizontal posisi coal A

dan furnace inlet pada kasus I ... 70 Gambar 4.24 Grafik perbandingan average kecepatan penampang horizontal

posisi inlet batubara dan furnace outlet ... 71 Gambar 4.25 Grafik perbandingan average density penampang horizontal posisi

inlet batubara dan furnace outlet... 72 Gambar 4.26 Grafik perbandingan kecepatan penampang SH finish outlet,

LTSH outlet dan economizer ... 73 Gambar 4.27 Grafik perbandingan density penampang SH finish outlet, LTSH

outlet dan economizer ... 74

(16)

DAFTAR SIMBOL

Mms = steam flow rate (t/h)

Hfw = enthalpy feed water (kJ/kg)

Hhr = enthalpy hot reheat (kJ/kg)

Hcr = enthalpy cold reheat (kJ/kg)

mbb = fuel firing rate (kCal)

GCV = Gross Calorofic Value

m = mass of dry flue gas in kg/kg of fuel Tf = flue gas temperature (°C)

Ta = ambient temperature in (°C)

Cp = specific heat of flue gas in kCal/kg°C

H2 = Hidrogen

M = Moisture in fuel on 1 kg basis

AAS = actual mass of air supplied per kg of fuel

Humidity ratio = 0,019 kg of water/kg of dry air (dari diagram mollier, dengan temperatur ambient (wet bulb)

= 32 oC CO = Karbon Monoksida (%) = 7 ppm = 0,000007 % CO2 = Karbon Dioksida (%) C = Karbon kg / kg of fuel Vm = wind velocity in m/s Ts = surface temperature (K) Ta = ambient temperature (K)

ABoiler = total surface area boiler (m2)

q = Heat transfer (w) q" = Heat flux (W/m2) O2 = Oksigen (%) H2 = Hidrogen (%) N2 = Nitrogen (%) xvii

(17)

S = Sulfur (%)

𝑞𝑞′′′ = Heat generation (W/m³)

𝑚𝑚̇𝑠𝑠𝑡𝑡𝑒𝑒𝑎𝑎𝑚𝑚 = Mass flow rate steam (Kg/s) 𝐶𝐶𝑝𝑝𝑠𝑠𝑡𝑡𝑒𝑒𝑎𝑎𝑚𝑚 = Specific heat (Kcal/kg) Δ𝑇𝑇 = Selisih temperatur (⁰C)

𝐴𝐴 = Luas permukaan (m²)

𝑉𝑉𝑜𝑜𝑙𝑙 = Volume heat exchanger (m³)

AW = Atomic Weight (g/mol)

DAF = Dry Ash Free (%)

ADB = Air Dry Basis

VM = Volatile Matter (%)

(18)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) Paiton Baru Unit 9 merupakan salah satu pembangkit listrik yang termasuk dalam Proyek Percepatan Difersivikasi Energi (PPDE) 10.000 MW tahap I yang dicanangkan pemerintah untuk memenuhi kebutuhan listrik di Indonesia. PLTU Paiton Baru Unit 9 mempunyai daya terpasang 1x660 MW dengan bahan bakar utama batu bara. Dalam proses produksi listrik di PLTU Paiton Baru Unit 9 digunakan beberapa peralatan utama, yaitu : boiler, turbin dan generator. Disamping beberapa peralatan utama tersebut juga digunakan beberapa peralatan bantu, antara lain : water treatment plant, H2 plant dan lain-lain.

Didalam proses pembangkitan tenaga listrik terdapat proses pembakaran air menjadi uap (steam) yang terjadi di ruang bakar (furnace) boiler. Diperlukan suatu proses pembakaran yang baik agar energi panas yang dihasilkan dapat ditransfer ke peralatan heat exchanger yang ada di dalam furnace. Hal-hal yang perlu diperhatikan untuk menghasilkan proses pembakaran yang baik antara lain : Air Fuel Ratio (AFR), pencampuran AFR yang baik serta waktu yang cukup untuk pembakaran yang sempurna. Jumlah O2 tertentu diperlukan untuk menghasilkan suatu pembakaran yang baik.

PLTU Paiton Baru Unit 9 mempunyai unit peralatan bantu yaitu H2

plant. Fungsi utama dari peralatan ini adalah untuk memproduksi H2 dalam jumlah tertentu sebagai pendingin bearing turbin. H2 murni didapatkan dari pemisahan secara kimia dari H2O, dalam hal ini yang digunakan adalah air

desalination dari air laut. Pemisahan secara kimiawi dari H2O ini akan

menghasilkan H2 dan O2 dengan kemurnian masing-masing 99,97% dan 99,12% (Design Manual of Paiton Thermal Power Plant, 2009). H2 murni akan ditampung sedangkan O2 murni dibuang ke udara bebas. Dari ide inilah penelitian dilakukan dengan memanfaatkan O2 murni yang dibuang tersebut digunakan

(19)

sebagai campuran udara pembakaran di boiler. Teknologi ini disebut dengan oxy-fuel.

Beberapa penelitian terdahulu terhadap penggunaan oxy-fuel telah dilakukan menggunakan pemodelan numerik, diantaranya adalah Chen,dkk

(2011) melakukan penelitian mengenai konsep dasar pembakaran menggunakan

oxy-fuel baik secara ekperimen, perhitungan, simulasi dan pemodelan numerik dari penelitian sebelumnya. Hasil yang didapat dari penelitian tersebut bahwa penggunaan teknologi oxy-fuel dapat meningkatkan efisiensi baik dari sisi teknis (30.6%) maupun ekonomis (867 $/kW). Dari penggunaan oxy-fuel didapatkan peningkatan temperatur pembakaran sekitar 50-100 oC dibandingkan dengan menggunakan udara biasa.

Wall, dkk (2009) melakukan penelitian terhadap pilot-scale furnace

menggunakan oxy-fuel dengan tujuan untuk mengurangi kandungan CO2 pada emisi gas buang dari pembangkit listrik berbahan bakar batubara. Dari penelitiannya didapatkan bahwa karakteristik flame dari oxy-fuel memiliki jangkauan yang lebih panjang dan area panas yang lebih luas.

Selanjutnya Al-Abbas, dkk (2010) melakukan penelitian dengan simulasi numerik, pemodelan secara 3D dilakukan terhadap Loy Yang Power Plant 550 MW. Hasil yang didapat dari penelitian tersebut adalah adanya peningkatan laju pembakaran batubara akibat dari penambahan O2 murni sebanyak 29% pada udara pembakaran. Kesimpulannya adalah dengan penambahan O2 murni sebanyak 29% pada udara pembakaran tersebut cocok digunakan pada kasus pembakaran dalam boiler baik secara aerodimanis maupun termodinamika.

1.2 Perumusan Masalah

Boiler di PLTU Paiton Baru Unit 9 dengan beban 660 MW menggunakan tangentially fired combustion dengan desain bahan bakar low rank coal yang mempunyai 6 elevasi burner. Berangkat dari ide untuk memanfaatkan O2 murni produk dari H2 plant ke dalam proses pembakaran boiler, ditambah dengan

beberapa literatur dan referensi yang ada, maka perlu dilakukan analisa secara

(20)

numerik pemodelan 3D pada boiler PLTU Paiton Baru Unit 9 untuk mengetahui fenomena yang terjadi. Hal-hal yang perlu dianalisa adalah sebagai berikut:

1. Bagaimana fenomena pembakaran yang terjadi di dalam furnace boiler kondisi operasi saat ini

2. Bagaimana fenomena pembakaran yang terjadi di dalam furnace boiler dengan penambahan O2 murni terhadap udara pembakarannya

3. Apa pengaruhnya dengan penambahan O2 murni terhadap udara pembakaran.

1.3 Tujuan Penelitian

Adapun tujuan dari penelitian dengan simulasi pemodelan boiler ini dibagi menjadi dua bagian, yaitu:

1. Tujuan umum:

− Mengetahui karakteristik aliran, perpindahan panas dan komposisi flue gas pada pengoperasian PLTU Paiton Baru Unit 9 dengan penambahan kandungan O2 murni dalam udara pembakarannya menggunakan perangkat lunak Computational Fluid Dinamic (CFD) komersial.

2. Tujuan khusus:

− Mengetahui dan membandingkan distribusi temperatur dari masing-masing kondisi pengoperasian.

− Mengetahui dan membandingkan kadar gas buang CO2, CO dan O2 yang dihasilkan dari masing-masing kondisi pengoperasian.

− Mengetahui jumlah injeksi oxy-fuel yang paling optimal untuk mendapatkan kondisi pembakaran yang paling baik.

1.4 Batasan Masalah

Batasan masalah yang diambil dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Aliran diasumsikan steady. 2. Aliran bersifat turbulen.

(21)

3. Penelitian dilakukan pada Tangentially Fired Boiler PLTU Paiton Baru Unit 9 beban 660 MW.

4. Boiler beroperasi pada kondisi MCR (Maximum Continous Rate)

5. Data operasi yang diambil adalah data sekunder, yaitu data performance test tanggal 3-7 Mei 2012.

6. Bahan bakar yang digunakan adalah batubara jenis low rank coal dengan propertis hasil pengujian PT. SUCOFINDO Surabaya tanggal 12-18 Mei 2012.

7. Peralatan heat exchanger dimodelkan sebagai porous medium menggunakan heat generation, sedangkan pada water wall menggunakan heat flux.

8. Temperatur injeksi oxy-fuel ke dalam furnace diasumsikan sama dengan temperatur secondary air.

9. Model turbulen yang digunakan adalah k-ɛ standard.

10. Data lain yang diperlukan diambil dari literatur lain yang dianggap relevan.

1.5 Manfaat Penelitian

Manfaat yang ingin diperoleh dari penelitian ini adalah:

1. Mampu menggambarkan karakteristik aliran, perpindahan panas dan komposisi flue gas dari furnace boiler PLTU Paiton Baru Unit 9 dari hasil simulasi

2. Memperoleh variasi komposisi penambahan O2 murni pada udara pembakaran yang dapat menghasilkan distribusi temperatur yang paling baik

(22)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Boiler

Untuk menghasilkan steam yang dapat menggerakkan turbin diperlukan adanya boiler. Boiler merupakan bejana tertutup dimana didalamnya terjadi proses pembakaran bahan bakar dan oksigen yang terbakar pada temperatur yang mencukupi sehingga terbentuk energi kalor. Energi kalor tersebut digunakan untuk untuk memanaskan uap yang terdapat pada heat exchanger menjadi steam. Steam yang dihasilkan digunakan untuk memutar turbin yang dikopel dengan generator sehingga dapat menghasilkan energi listrik.

Bagian pada boiler dibagi menjadi dua yaitu bagian furnace dan bagian back pass. Bagian furnace merupakan tempat terjadinya pembakaran dengan susunan burner tertentu sesuai model pembakaran yang dipakai pada boiler.

2.2. Bahan Bakar Batubara

Bahan bakar solid alam yang paling banyak digunakan saat ini adalah batubara. Batubara dapat diklasifikasikan berdasarkan rank dan grade. Rank (tingkatan) batubara didasarkan pada nilai kalor dan prosentase fixed carbon. Berdasarkan tingkatannya batubara dibagi menjadi tiga, yaitu: low-rank coal (lignite), medium-rank coal (subbituminous dan bituminous) dan high-rank coal (anthracite).

Tabel 2.1. Jenis batubara

Class Group Heating Value

(kJ/ kg) (kcal/kg)

Anthracite Anthracite 32.600 - 34.000 7750 - 8100 Semianthracite 26.700 - 32.600 6350 - 7750 Bituminous

High volatile A bituminous ≥ 32.600 ≥ 7750 High volatile B bituminous 30.200 - 32.600 7200 - 7750

High volatile C bituminous 26.700 - 30.200 6350 - 7200 Subbituminous

Subbituminos A 24.400 - 26.700 5800 - 6350 Subbituminos B 22.100 - 24.400 5250 - 5800 Subbituminos C 19.300 - 22.100 4600 - 5250

(23)

Lignite Lignite A 14.700 - 19.300 3500 - 4600

Lignite B ≤ 14.700 ≤ 3500

Sumber : American Standard for Testing and Materials,1981

2.3. Prinsip Pembakaran

Proses reaksi pembakaran merupakan reaksi kimia dimana bahan bakar dan oksigen terbakar secara bersamaan yang menghasilkan panas dan produk hasil pembakaran. Elemen penting pada reaktan dalam proses pembakaran adalah carbon dan hydrogen. Pembakaran dikatakan sempurna bila semua carbon yang terkandung dalam bahan bakar habis terbakar menjadi karbon dioksida, semua hydrogen terbakar menjadi uap air.

Bahan bakar + udara → hasil pembakaran + panas

Parameter yang sering digunakan dalam memberikan kuantifikasi jumlah udara dan bahan bakar dalam sebuah proses pembakaran adalah rasio udara-bahan bakar (Air-Fuel Ratio, AFR). Rasio ini dapat dituliskan dalam basis molar maupun basis massa.

AFR = _{massa bahan bakar}massa udara = mol udara x BM_{mol udara x BM}udara udara

Pembakaran merupakan proses oksidasi bahan bakar yang disertai produk panas. 79% kandungan udara tanpa oksigen merupakan nitrogen. Nitrogen merupakan kandungan terbesar dalam udara, akan tetapi dalam proses pembakaran tidak mengalami proses kimia. Pada temperatur yang cukup tinggi, 2200F (1204oC) nitrogen akan membentuk senyawa nitrit oksida (NOx) dan nitrogen oksida (NO) yang menjadi sumber polusi (Babcock & Wilcox, 2005).

Jumlah oksigen tertentu pada sejumlah bahan bakar tertentu diperlukan untuk menjamin suatu pembakaran yang sempurna dengan tambahan sejumlah udara (udara berlebih) yang disebut dengan excess air. Excess air diperlukan karena pencampuran udara dan bahan bakar biasanya tidak dapat 100% sempurna. Walau demikian, terlalu banyak excess air dapat mengakibatkan kehilangan panas dan efisiensi. Tidak seluruh panas dari bahan bakar dapat diserap oleh peralatan penukar panas.

(24)

2.3.1 Pembakaran Stoikiometri dan Non-Stoikiometri

Pembakaran sempurna (stoikiometri) adalah proses pembakaran dimana seluruh bahan bakar teroksidasi menjadi karbondioksida. Pembakaran terjadi jika bahan bakar akan terbakar bersama dengan oksidiser, yaitu udara. Kebanyakan bahan bakar termasuk batubara biasanya mengandung elemen karbon (C), hidrogen (H), oksigen (O2) dan nitrogen (N2). Tujuan dari stoikiometri ini adalah untuk mengetahui secara pasti berapa banyak jumlah udara yang dibutuhkan sebagai oksida bahan bakar untuk menjadi hasil pembakaran, yaitu karbon dioksida (CO2), uap air (H2O) dan nitrogen (N2).

Reaksi pembakaran stoikiometri adalah:

2 CxHy+ �2x+ y₂� + (O2+ 3,76 N2) →2x CO2+ y H2O+3,76 �2x+ y₂� N2 (2.1) Pembakaran tidak sempurna (non-stoikiometri) adalah pembakaran dimana tidak semua karbon teroksidasi menjadi karbondioksida, melainkan menjadi karbonmonoksida. Hal ini dapat disebabkan oleh pengontrolan temperatur, turbulensi, dan waktu penyalaan yang kurang tepat. Pembakaran non-stoikiometri ini akan menghasilkan polutan seperti CO dan NOx. Pengaruh utama dari pembakaran non-stoikiometri adalah dapat menurunkan efisiensi boiler.

2.3.2 Udara Pembakaran Boiler

Pada PLTU sistem udara pembakaran dibagi menjadi 2 bagian, yaitu primary air dan secondary air. Kebutuhan kedua sistem udara tersebut secara kontinyu dipenuhi oleh unit kipas tekan paksa (force draft fan). Fan ini digerakkan oleh motor listrik, dengan pengaturan jumlah aliran udara dilakukan pada sisi inlet oleh damper secara variabel. Udara pembakaran ini dialirkan menuju furnace melalui wind box, dimana sebelumnya udara akan dipanaskan terlebih dahulu pada sistem air preheater. Air preheater mengambil panas dari aliran gas buang keluaran dari furnace. Ilustrasi sistem pembakaran boiler ini dapat dilihat pada gambar 2.1.

(25)

Gambar 2.1 Sistem udara pembakaran boiler

Sistem primary air memenuhi 30% dari total jumlah udara pembakaran di dalam boiler. Fungsi utamanya adalah sebagai pembawa partikel batubara (pulverized transportation) dari pulverizer menuju coal burner di dalam boiler. Sistem ini dilakukan oleh unit Primary Air Fan (PA Fan) dengan kecepatan aliran udara ditentukan sebesar 21-28 m/s (Babcock and Wilcox, 2005), sesuai dengan kemampuan aliran udara membawa partikel batubara dengan standar 200 mesh.

Sistem secondary air dilakukan oleh unit Force Draft Fan (FD Fan) untuk memenuhi sekitar 70% dari seluruh kebutuhan udara pembakaran. Sistem secondary air dibagi menjadi 3 bagian dalam transportasinya menuju wind box, yaitu sistem SOFA (Separated Over Fire Air), sistem oil burner dan secondary air wind box. Sekitar 10% dari seluruh jumlah udara secondary air dialirkan melalui SOFA.

2.3.2 Over Fire Air

Pembakaran dengan menggunakan overfire air adalah proses pembakaran pada primary combustion zone menggunakan suplai udara pembakaran yang kurang dari udara teoritis yang diperlukan. Kekurangan

(26)

kebutuhan udara tersebut diinjeksikan ke dalam ruang pembakaran melalui overfire air.

Overfire air yang sering digunakan pada boiler adalah Separated Overfire Air (SOFA). SOFA menggunakan windbox yang terpisah dengan windbox burner, port overfire air terpisah beberapa jarak dengan susunan burner utama boiler.

Kurang terkontrolnya udara yang diinjeksikan pada overfire air dapat mengakibatkan peningkatan CO serta karbon yang tak terbakar pada fly ash pada boiler berbahan bakar batubara. Akibatnya akan berpengaruh terhadap efisiensi dari boiler itu sendiri. Penggunaan overfire air yang terlalu banyak akan mengakibatkan temperatur pembakaran pada furnace lebih rendah, sedangkan penggunaan overfire air yang terlalu sedikit akan dapat mengakibatkan overheating.

2.3.4 Tangentially-Fired Pulverized Coal Combustion

Tangentially-fired pulverized coal combustion merupakan salah satu metode pembakaran batubara di dalam boiler. Metode ini menggunakan empat, atau lebih corner yang dilalui oleh batubara dan udara pembakaran. Pembakaran menggunakan burner pada tiap corner pada beberapa level ketinggian boiler. Bahan bakar dan udara dihembuskan kedalam boiler melalui sudut boiler yang diarahkan membentuk suatu lingkaran dipusat boiler. Ilustrasi pembakaran tangensial dapat dilihat pada gambar 2.2. Keuntungan dari penggunaan tangentially-fired pulverized coal combustion ini antara lain (Sa'adiyah, 2013):

− Pencampuran bahan bakar dan udara yang efisien sehingga pembakaran yang terjadi hampir sempurna dan distribusi temperatur lebih rata.

− Heat flux yang seragam di dinding ruang pembakaran sehingga kegagalan akibat tingginya tegangan termal dapat diminimalkan. − Aliran udara dan bahan bakar dapat diarahkan baik keatas maupun

bawah, sehingga dapat memvariasikan panas yang diserap dinding ruang pembakaran serta mengontrol suhu pada superheater.

(27)

− Vortex motion pada tengah furnace meminimalisasi terjadinya erosi dan local-overheating pada dinding furnace.

− Emisi NOx yang dihasilkan lebih rendah dari proses pembakaran lainnya.

− Carbon Loss lebih rendah dan dapat digunakan untuk proses pembakaran bahan bakar yang memiliki nilai kalor rendah.

Gambar 2.2 Ilustrasi pembakaran tangentially-fired pulverized coal burner

2.4. Perhitungan Efisiensi Boiler

Perhitungan efisiensi boiler berdasar pada American Society of Mechanical Engineers (ASME) PTC 4.1. Ada dua metode yang digunakan untuk menghitung efisiensi boiler, yaitu metode langsung (Direct Method) dan metode tidak langsung (Indirect Method).

2.4.1 Metode Perhitungan Langsung (Direct Method)

Metode perhitungan langsung adalah perhitungan efisiensi dengan membandingkan nilai output dengan input. Energi yang didapat dari fluida kerja (air dan steam) dibandingkan dengan energi terkandung dalam bahan bakar boiler. Keuntungan metode ini adalah dapat dengan cepat menghitung efisiensi boiler, diperlukan sedikit parameter perhitungan dan membutuhkan sedikit instrumen

(28)

pengukurannya. Kekurangannya adalah tidak memberikan petunjuk secara langsung penyebab dari rendahnya efisiensi serta tidak dapat menghitung berbagai kerugian yang berpengaruh terhadap tingkat efisiensi.

Gambar 2.3 Ilustrasi Direct Method

Perhitungan Direct Method menggunakan rumusan berikut: Boiler Efficiency (%) = heat output

heat input x100%

η = 𝑀𝑀𝑚𝑚𝑚𝑚[�𝐻𝐻𝑚𝑚𝑚𝑚−𝐻𝐻𝑓𝑓𝑓𝑓�+(𝐻𝐻ℎ𝑟𝑟−𝐻𝐻𝑐𝑐𝑟𝑟)]

𝑚𝑚𝑏𝑏𝑏𝑏𝑥𝑥𝑥𝑥𝑥𝑥𝑥𝑥 x 100% 2.4.2. Metode Perhitungan Tidak Langsung (Undirect Method)

Metode Indirect Method (Heat Loss) adalah metode perhitungan efisiensi boiler secara akurat dengan memperhitungkan seluruh kemungkinan adanya kerugian atau losses dalam evaluasi efisiensi boiler. Metode ini menggunakan cara dengan mengurangkan efisiensi boiler dengan kerugian-kerugian yang mungkin terjadi pada boiler.

η = 100 - (L1 + L2 + L3 + L4 + L5 + L6 + L7 + L8) (2.2) Dimana : L1 : Heat loss due to heat dry flue gas

L2 : Heat loss due to hydrogen in fuel L3 : Heat loss due to moisture in fuel (H2O) L4 : Heat loss due to moisture in air (H2O) L5 : Heat loss due to partial convention of CO

L6 : Heat loss due to surface radiation and convention 11

(29)

L7 : Heat loss due to unburnt in fly ash L8 : Heat loss due to unburnt in bottom ash

Gambar 2.4 Ilustrasi Indirect Method

Perhitungan kerugian-kerugian di atas, dinyatakan sebagai berikut: 1. Heat Losses

a) Heat loss in dry flue gas (L₁)

Besar % heat loss in dry flue gas (L1) dihitung dengan rumus:

L1 = m x C_{GCV of fuel}p x (Tf- Ta)

x 100

(2.3)

b) Heat loss due to formation of water from H2 in fuel (L2)

Besar % heat loss due to formation of water from H2 in fuel (L2) dihitung

dengan rumus:

L2 = 9 x H2 x [584+ C_{GCV of Fuel}P(Tf- Ta)]

x 100

(2.4)

c) Heat loss due to moisture in fuel (L3)

Besar % heat loss due to moisture in fuel (L3) dihitung dengan rumus: L3 = M x [584+ CP(Tf- Ta)]

GCV of Fuel

x 100

(2.5)

(30)

d) Heat loss due to moisture in air (L4)

Besar % heat loss due to moisture in air (L4) dihitung dengan rumus: L4 = AAS x humidity ratio x CP(Tf- Ta)

GCV of Fuel

x

100 (2.6)

e) Heat loss due to partial convention of CO (L5)

Besar % heat loss due to partial convention of CO (L5) dihitung dengan rumus:

L5 = _{% CO+(% CO}%CO x C

2)a x

5744

GCV of fuel x 100 (2.7)

f) Heat loss due radiation and convection (L6)

Besar heat loss due radiation and convection (L6) dihitung dengan rumus:

L6= �0.548×�(Ts⁄55.55)4-(Ta⁄55.55)4�+1.957×(Ts-Ta)1.25×�196.85V_68.9m+68.9�

×

Aboiler

ṁfuel×GCV (2.8)

g) Heat loss due to unburnt in fly ash (L7)

Besar % heat loss due to unburnt in fly ash (L7) dihitung dengan rumus: L7 = Total ash collected /kg of fuel burnt x GCV of fly ash x 100

GCV of fuel (2.9)

h) Heat loss due to unburnt in bottom ash GCV of bottom ash (L8)

Besar % Heat loss due to unburnt in bottom ash GCV of bottom ash (L8) dihitung dengan rumus:

L8 = Total ash collected /kg of fuel burnt x GCV of bottom ash x 100

GCV of fuel (2.10)

2. Perhitungan lain yang menunjang perhitungan efisiensi Boiler (Indirect Method)

a) Theoretical air requirement

Theoretical air required for complete combution dihitung dengan rumus: 13

(31)

Theoretical air = 4.31 �8

3𝑥𝑥 + 8 �𝐻𝐻 − 𝑂𝑂

8� + 𝑆𝑆� kg 100kg fuel� (2.11) b) Excess air supplied (EA)

Besarnya excess air dihitung dengan rumus: EA = 𝑂𝑂2%

21−𝑂𝑂2% 𝑥𝑥 100 (2.12)

c) Actual mass of air supllied (AAS)

Besar massa udara yang dibutuhkan untuk proses pembakaran di furnace boiler dapat dihitung dengan rumus:

AAS = �1 + ₁₀₀𝐸𝐸𝐸𝐸� 𝑥𝑥 theoretical air (2.13) d) Actual mass of dry flue gas

Besar dari mass of dry flue gas dihitung dengan rumus:

Mass of dry flue gas = Mass of CO2 + Mass of N2 content in the

fuel + Mass of N2 in the combution air supllied

+ mass of axygen in flue gas

2.5. Oxy-Fuel

Pembakaran oxy-fuel merupakan teknologi pembakaran dengan menggunakan oksigen murni sebagai pengganti udara pembakaran. Saat ini oxy-fuel merupakan teknologi yang paling efektif dalam pengontrolan konsentrasi CO2 pada emisi gas buang. Dalam berbagai kasus penelitian dan ekperimen teknologi oxy-fuel dapat meningkatkan efisiensi pembakaran dan pada sisi ekonomis dapat menurunkan biaya operasional pada kasus pembakaran coal pulverized (Chen, dkk, 2011).

Jumlah kandungan CO2 pada emisi gas buang dapat digunakan sebagai indikasi baik tidaknya kualitas suatu pembakaran. Sebagai ilustrasi digunakan persamaan sederhana oksidasi karbon adalah sebagai berikut:

C + 1₂O2 → CO2 + heat (2.14)

Dari persamaan 2,14 tersebut maka dapat dinyatakan bahwa semakin tinggi kandungan O2 maka kandungan CO2 yang dihasilkan juga semakin tinggi,

(32)

pengikatan unsur C juga semakin banyak. Dengan penambahan oksigen murni pada udara pembakaran diharapkan terjadi peningkatan penangkapan unsur karbon dalam bahan bakar menjadi CO2.

Udara pembakaran sebagian besar terdiri dari nitrogen sejumlah 78%, sisanya adalah oksigen sebanyak 21% dan 1% merupakan unsur-unsur lain yang jumlahnya dihitung dalam mole fraction, atau sama dengan jumlah volume udara secara total. Unsur N dalam proses pembakaran tidak berguna, dalam berbagai kasus sifatnya dapat merugikan proses pembakaran itu sendiri (Al-Abbas, dkk, 2010). Sifat dari nitrogen antara lain: menyerap panas dari hasil pembakaran sehingga dapat menurunkan temperatur, serta dapat mengencerkan hasil dari produk pembakaran. Dengan penggunaan teknologi oxy-fuel diharapkan dapat menekan jumlah kandungan nitrogen dalam produk hasil pemmbakaran. Sebagai contoh pada pembakaran terhadap metana, dimana digunakan perbandingan antara penggunaan udara biasa (21% O2 volume udara) dan penambahan oksigen murni (25% O2 volume udara), dinyatakan dalam persamaan stoikiometri berikut:

CH4 + 2 (O2 + 3,76 N2) → CO2 + 2 H2O + 7,52 N2 (2.14) Bahan bakar + Udara (21% vol O2)

CH4 + 2 (O2 + 3 N2) → CO2 + 2 H2O + 6 N2 (2.15)

Bahan bakar + Udara (25% vol O2)

Pada persamaan persamaan 2.14 jumlah nitrogen yang dihasil lebih besar dibandingkan dengan persamaan 2.15, unsur nitrogen yang ikut dipanaskan juga lebih besar. Dari persamaan diatas dapat disimpulkan bahwa dengan penggunaan teknologi oxy-fuel dimungkinkan bahwa temperatur yang dicapai menjadi lebih tinggi dibandingkan dengan penggunaan udara biasa, karena semakin sedikit unsur nitrogen yang ikut dipanaskan. Oleh karena itu konsumsi bahan bakar maupun udara pembakarannya juga dapat dikurangi jumlahnya sebagai penghematan (Wall, dkk, 2009 dan Al-Abbas, dkk, 2010).

(33)

2.6. Produksi Oksigen Industri

Dalam dunia industri pembangkit listrik penggunaan gas hidrogen sebagai media pendingin banyak digunakan, misalnya sebagai cooling system pada poros turbin dan generator. Hidrogen juga merupakan media pendingin yang terbaik di antara air, udara, nitrogen bahkan helium (Widiasanti, 2012). Sebagai penghasil gas hidrogen pada pembangkit listrik dilengkapi dengan peralatan bantu H2 plant.

2.6.1. H2 Plant

Prinsip dasar kerja dari H2 plant ini adalah sebagai pemisah hidrogen dan

oksigen melalui proses elektrolisis dari air murni yang didapatkan dari air demin (demin water). Air demin merupakan hasil pemurnian dari air laut melalui proses desalination.

Gambar 2.5 Sistem H2 plant PLTU Paiton Unit 9 (Hebei electric Power Equipment factory, 2008)

Skema kerja dari H2 Plant PLTU Paiton Unit 9 ditunjukkan pada gambar

2.5. Dua bagian utama H2 Plant adalah hydrogen generator dan power supply.

Hydrogen generator merupakan generator penghasil gas hidrogen, dimana di dalam alat ini terjadi proses elektrolisis. Sedangkan power supply merupakan

Blue pipelines and arrowhead :

oxygen flow direction

Orange pipelines and arrowhead :

hydrogen flow direction

Grey pipeline and arrowhead:

flow direction of recycle lye

Green pipeline and arrowhead :

flow direction of destiled water

(34)

peralatan yang berfungsi sebagai penghasil energi listrik ke generator yang mengubah inputan arus AC menjadi arus DC. Hasil dari pemisahan hidrogen dan oksigen ditampung dalam sebuah separator. Dari separator hidrogen akan ditampung kembali dalam sebuah vessel tank yang bekerja secara otomatis berdasarkan kebutuhan pressure pada cooling system. Sedangkan pada separator oksigen hasil dari pemisahan yaitu berupa gas oksigen akan di venting ke atmosfer.

2.7 Penelitian Terdahulu

Chen, dkk (2011), dalam penelitiannya dijelaskan bahwa teknologi

pembakaran menggunakan oxy-fuel dalam dunia pembangkit listrik bahan bakar batubara merupakan hal yang baru yang perlu dikembangkan lebih lanjut. Hal ini bertujuan untuk meningkatkan efisiensi dari boiler baik dari segi teknis maupun ekonomis. Penelitian difokuskan terhadap beberapa kasus pembakaran boiler dengan bahan bakar batubara yang mempunyai kandungan CO2 yang tinggi (CO2-rich).

Diuraikan dalam penelitiannya mengenai teknologi oxy coal cumbustion berdasarkan dari beberapa ekperimen, perhitungan, simulasi dan pemodelan numerik yang pernah dilakukan dari penelitian terdahulu. Perbandingannya dapat dilihat pada tabel berikut 2.2:

Tabel 2.2 Perbandingan teknologi pembakaran pada pembangkit listrik Performance Supercritical PC

a SCb_PC-oxyfuel _IGCCc

w/o capturef_{w/ capture}f _w/capturef _{w/o capture}f _{w/ capture}f Generating efficiency 38.5% 29.3% 30.6% 38.4% 31.2% Capital Cost ($/kWe)e 1330 2140 (1314)d _1900(867)d ₁₄₃₀ ₁₈₉₀

COE (c/kWh)e _4.78 _7.69 _6.98 _5.13 _6.52

Cost of CO2($/t)e 40.4 30.3 24.0

a PC: pulverized coal. b SC: supercritical.

c IGCC: Integrated gasification combined cycle.

d Figures in parenthesis are the expected capital cost for retrofits.

e Based on design studies done between 2000 & 2004, a period of cost stability, updated to 2005$ using CPI inflation rate. f w/ (with) or w/o (without) carbon capture treatment.

Sumber: Chen, 2011

(35)

Dari perbandingan tersebut dapat diketahui bahwa penggunaan oxy-fuel walaupun tanpa carbon capture tratment memiliki efisiensi yang paling baik baik dari sisi teknis (30.6%) maupun ekonomis (867 $/kW). Data diambil dari beberapa pembangkit listrik bahan bakar batubara di China dan Amerika selama kurun waktu 1960 - 2010. Kesimpulannya adalah bahwa teknologi oxy-fuel merupakan cara yang paling baik dalam hal carbon capture pada pembangkit listrik bahan bakar batubara. Kandungan nitrogen yang lebih rendah pada udara pembakaran (akibat kandungan oksigen yang tinggi) dapat mengurangi kemungkinan terbentuknya NOx.

Penelitian selanjutnya dilakukan terhadap pembakaran menggunakan air fired dan oxy-fuel. Pada kasus oxy-fuel dilakukan tiga variasi dari kandungan oksigen murni. Variasi udara yang diinjeksikan ke dalam ruang bakar adalah: Air fired (udara), OF25 (25% vol O2 ), OF27 (27% vol O2) dan OF29 (29% vol O2). Sebagai contoh udara yang dinjeksikan kedalam ruang bakar adalah OF25, artinya kondisi udara tersebut mempunyai konsentrasi oksigen sebanyak 25% dari total seluruh udara pembakaran, dimana pada kondisi air fired konsentrasi oksigen hanya sebanyak 21%. Pada kondisi OF27 dan OF29 maka konsentrasi oksigen yang terdapat pada udara pembakaran adalah sebanyak 27% dan 29%.

Gambar 2.6 Profil distribusi temperatur radial dengan jarak (a) 384 mm dan (b) 800 mm dari burner inlet (Chen, 2011)

(36)

Dari hasil simulasi kedua pembakaran tersebut mempunyai gradien yang sama, tetapi dengan penggunaan oxy-fuel temperatur pembakaran mempunyai nilai yang lebih tinggi sekitar 50 - 100 O_{C. Penelitian dilakukan terhadap Vertical} Combustor Research Facility (VCRF) 0.3 MW yang fokus pada lignite-fired oxy-fuel flame.

Wall, dkk (2009) melakukan penelitian dengan simulasi numerik

terhadap pilot-scale furnace menggunakan oxy-fuel dengan tujuan untuk mengurangi kandungan CO2 pada emisi gas buang dari pembangkit listrik berbahan bakar batubara. Penelitian tersebut menggunakan injeksi O2 murni sebanyak 27% terhadap total kebutuhan udara pembakaran di dalam boiler. Pemodelan sistem injeksi oxy-fuel disumsikan melalui air system dari udara pembakaran menuju furnace, baik primary air maupun secondary air. Skema pemodelan sistem injeksi oxy-fuel dapat dilihat pada gambar 2.7.

Gambar 2.7 Pemodelan sistem injeksi oxy-fuel (Wall, 2009)

Dari hasil simulasi, kontur distribusi temperatur di furnace wall pada oxy case hasilnya lebih tinggi daripada kondisi iar fired. Heat flux pada kondisi

(37)

fuel secara total di furnace wall juga lebih besar dibandingkan dengan air case, dinyatakan dalam W/m2_._{Visualisasi hasil simulasi dapat dilihat pada gambar 2.8.}

Analisa juga dilakukan terhadap karakteristik distribusi temperatur pada surface flame area burner b. Karakteristik distribusi temperatur flame dari kondisi oxy-fuel memiliki jangkauan yang lebih panjang dan area panas yang lebih luas dibandingkan dengan kondisi air fired. Hasil visual simulasi dapat dilihat pada gambar 2.9.

Gambar 2.8 Perbedaan kontur temperatur pada furnace wall pada Air case dan Oxy case (Wall, 2009)

b b

(38)

Gambar 2.9 Perbandingan distribusi temperatur flame horizontal batubara tipe A area burner b (Wall, 2009)

Al-Abbas, dkk (2010), melakukan penelitian dengan metode numerik

terhadap Chalmer's furnace 100 KW. Seperti pada penelitian Chen, dkk (2011), penelitian ini mempelajari tentang pengaruh oxy-fuel terhadap pembakaran di boiler menggunakan 4 variasi udara pembakaran, yaitu udara pembakaran biasa dan tiga variasi oxy-fuel. Tiga variasi oxy-fuel tersebut adalah: OF25 (25% vol O2), OF27 (27% vol O2) dan OF29 (29% vol O2). Inlet air flow primary dan secondary pada burner dapat dilihat pada tabel 2.3. Jumlah udara pembakaran yang digunakan disesuakan dengan jumlah oksigen total pada kondisi air fired yang digunakan sebagai validasi simulasi.

Tabel 2.3 Parameter inlet air flow primary dan secondary air

Inlet flow field parameters Combustion cases

Air OF25 OF27 OF29 Primary register Volume flow rate (m3/h) 34.87 28.94 26.85 25.11

Mean velocity (m/s) 7.966 6.612 6.134 5.737 Angular velocity (rad/s) 433.293 359.615 333.645 312.052 Secondary register Volume flow rate (m3/h) 81.37 67.54 62.65 58.59 Mean velocity (m/s) 4.995 4.146 3.845 3.596 Angular velocity (rad/s) 41.14 34.152 31.673 29.608 Sumber : Al-Abbas, 2010

Dari hasil penelitian didapatkan bahwa distribusi flame temperatur pada pembakaran dengan menggunakan udara biasa dan OF25 karakteristiknya hampir serupa, tetapi pada pembakaran menggunakan OF27 dan OF29 terjadi

Air fired Oxy-fuel

b-b

(39)

peningkatan temperatur flame di area burner. Visual hasil simulasi pada gambar 2.10.

Gambar 2.10 Distribusi temperatur flame dengan empat kondisi yang berbeda pada Chalmer furnace 100 KW (Al-Abbas, 2010) Hasil lain yang didapatkan adalah adanya sebaran kandungan char content pada OF27 dan OF29 lebih merata dan luas jangkauannya. Visual hasil simulasi dapat dilihat pada gambar 2.11.

Gambar 2.11 Distribusi sebaran char content of coal particles (%) dengan empat kondisi yang berbeda pada Chalmer furnace 100 KW (Al Abbas, 2010)

(40)

23

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1 Tahap-tahap Penelitian

Secara garis besar metodologi untuk menyelesaikan penelitian simulasi pembakaran boiler dengan oxy-fuel di PLTU Paiton Baru Unit 9 menggunakan CFD adalah sebagai berikut:

 Studi Literatur

Studi literatur dilakukan dengan mengumpulkan informasi baik dari jurnal, e-book, maupun hasil penelitian terdahulu yang berkaitan dengan tema tesis. Selain itu juga dilakukan dengan mencari literatur lain yang berkaitan dengan tema tesis

 Studi Kasus

Kasus dan permasalahan yang terjadi didapatkan dari survei maupun dari pengalaman pekerjaan di PLTU Paiton Baru Unit 9. Tujuan utama dari studi kasus ini adalah untuk mengetahui permasalahan yang terjadi.

 Pengumpulan Data

Pengumpulan data dilakukan baik data primer maupun sekunder di PLTU Paiton Baru Unit 9. Data-data ini meliputi desain peralatan boiler, data operasi dan data performance test.

 Melakukan Pemodelan dan Simulasi

Dalam tahap ini dilakukan pemodelan dengan menggunakan

software Gambit 2.4.6, sedangkan simulasi menggunakan software Ansys Fluent 13.0. Pada tahap ini akan dibagi menjadi tiga bagian proses, yaitu preprocessing, solver dan postprocessing. Penelitian ini dititik beratkan untuk

mengetahui distribusi temperatur pembakaran di furnace boiler.

 Penyusunan Laporan

Hasil dari tahap ini adalah laporan akhir penyusunan tesis yang berisi pendahuluan, tinjauan pustaka, metodologi penelitian, analisa dan pembahasan, serta kesimpulan dan saran dari penelitian yang dilakukan.

(41)

24

3.2 Diagram Alir Penelitian

Diagram alur penelitian yang dilakukan seperti ditunjukkan pada gambar 3.1. Adapun proses studi literatur dan studi kasus telah dijelaskan pada sub bab 3.1, sedangkan proses selanjutnya akan dijabarkan pada sub bab selanjutnya.

(42)

25

3.3 Pemodelan dan Simulasi

Pada penelitian ini akan dilakukan simulasi numerik pembakaran pada boiler PLTU Paiton Unit 9 dengan variasi udara pembakaran dalam boiler yang digunakan. Hasil penelitian akan membandingkan kondisi pembakaran pada boiler dari beberapa variasi tersebut. Validasi dilakukan terhadap kondisi operasi aktual.

3.4 Tahap Preprocessing

Tahap pre-processing merupakan tahap awal untuk menganalisa pemodelan CFD. Dalam tahap ini terdiri dari pembuatan geometri, pembuatan

meshing, dan penentuan domain.

3.5 Pembuatan Geometri dan Meshing Boiler

Proses pembuatan geometri boiler menggunakan software Gambit 2.4.6. Gambar boiler PLTU Paiton Baru Unit 9 ditunjukkan pada gambar3.2 berikut ini.

Gambar 3.2 Boiler PLTU Paiton Baru Unit 9 tampak samping (Harbin Power Engineering Co., Ltd., 2009)

(43)

26

3.5.1 Domain Pemodelan

Pembuatan domain pemodelan terdiri dari mass flow inlet untuk primary

& secondary air noozle dan Separated Over Fire Air (SOFA), dijelaskan lebih

lanjut pada sub bab 3.6.5. Coal injection dimodelkan sebagai mass flow inlet, dijelaskan lebih lanjut pada sub bab 3.6.1.2. Heat exchanger akan dimodelkan sebagai porous media yang sebelumnya telah dibuat menjadi potongan volume sesuai pembagian heat exchanger, sedangkan waterwall-tube pada dinding

furnace dimodelkan sebagai wall yang memiliki heat flux. Domain pemodelan

boiler secara detail akan dibahas pada sub bab berikutnya.

3.5.2 Meshing

Bidang atau volume yang diisi oleh fluida dibagi menjadi elemen-elemen kecil (meshing) sehingga kondisi batas dan beberapa paremeter yang diperlukan dapat diaplikasikan. Meshing volume menggunakan hexahedral dan polyhedral. Visual meshing boiler pada masing-masing potongan dapat dilihat pada gambar 3.4.

Gambar 3.3 Meshing boiler

c

b

a

a. y = 19m b. y = 32m Coal d c. y = 53m polyhedral polyhedral hexahedral 26 3.5.1 Domain Pemodelan

3.5.2 Meshing

c

b

a

a. y = 19m b. y = 32m Coal d c. y = 53m polyhedral polyhedral hexahedral 26 3.5.1 Domain Pemodelan

3.5.2 Meshing

c

b

a

a. y = 19m b. y = 32m Coal d c. y = 53m polyhedral polyhedral hexahedral

(44)

27

3.6 Tahap Processing

Langkah selanjutnya setelah membuat geometri dan penentuan boundary

condition adalah processing. Proses ini dilakukan menggunakan software Ansys

Fluent 13.1, yang terdiri dari beberapa tahap, yaitu: model, material, injection,

operating condition, boundary condition, solution, initialize dan residual.

3.6.1 Model

Secara umum model numerik yang digunakan untuk menyelesaikan pemodelan ini dapat dilihat pada tabel 3.1.

Tabel 3.1 Pemodelan numerik pada tangentially-fired pulverized coal boiler

Model Keterangan Dasar Pemilihan

Multiphase Off Penelitian dilakukan terhadap aliran flue gas yang dihasilkan dari proses pembakaran

Energy equation On Penelitian mencakup perpindahan panas secara konveksi dan radiasi

Turbulence k-ε Standar Sesuai untuk aliran turbulensi tanpa swirl, merujuk pada penelitian Al-Abbas, dkk (2010)

Radiation Off

---Heat exchanger Off Heat exchanger dimodelkan berupa porous medium yang memiliki heat flux pada cell zone condition.

Species Species transport, Reaction

Spesies kimia yang diinjeksikan mempunyai reaksi pembakaran yang telah didefinisikan pada material yang digunakan.

Discrete phase model

On Mendefinisikan injeksi untuk inlet batubara

Solidification Off

---Acoustic Off

---Eulerian wall film Off

---3.6.1.1 Species

Species model yang digunakan berupa Species Transport, Reaction,

untuk mixture material digunakan sesuai dengan coal analysis data operasi, ditampilkan pada tabel 3.2.

(45)

28

Tabel 3.2 Hasil analisa batubara Ultimate analysis dan Proximate analysis

Ultimate Analysis Proximate Analysis

Material Unit As Riceived (AR) Material Unit Dry Ash Free_(DAF)

Volatile %wt 34,1 Carbon %wt 72,6

Fix Carbon %wt 30,8 Hydrogen %wt 5,2

Ash %wt 4,4 Oxygen %wt 20,5

Moisture %wt 30,7 Nitrogen %wt 1,1

Sulfur %wt 0,06

Sumber: Report of Analysis, Sucofindo,2012

Merujuk pada penelitian Karampinis, dkk (2011), injeksi bahan bakar batubara dimodelkan sebagai Gas Phase Reaction menggunakan coal calculator dalam CHONS, dengan asumsi volatile molecular weight batubara 30 (kg/kgmol). Perhitungan persamaan reaksi dilakukan dengan menggunakan Air Dry Basis (ADB). Konversi ultimate analysis dan proximate analysis menjadi ADB ditampilkan pada tabel 3.3 dan 3.4 berikut:

Tabel 3.3 Perhitungan Air Dry Basis (ADB) priximate analysis

Proximate AR Formula ADB

Volatile 34,1 AR x 100 100 - TM% 43,2 Fixed C 30,8 AR x 100 100 - TM% 39,0 Ash 4,4 AR x 100 100 - TM% 5,6 T. Moisture 30,7 100 - (V + FC + TM)% _12,28 Total 100 -- 100,00

Tabel 3.4 Perhitungan Air Dry Basis (ADB) ultimate analysis

Ultimate DAF Formula ADB

C 72,6 DAF x ( 100 - TM% - Ash%)ADB 59,60

H 5,2 DAF x ( 100 - TM% - Ash%)ADB 4,27

O 20,5 DAF x ( 100 - TM% - Ash%)ADB 16,83

N 1,1 DAF x ( 100 - TM% - Ash%)ADB 0,90

(46)

29

Berdasar perhitungan pada tabel 3.3 dan 3.4 perhitungan komposisi volatile batubara dengan basis air dry ditampilkan pada tabel 3.5 berikut:

Tabel 3.5 Komposisi volatile matter batubara

Ultimate Analysis AW (i)

(g/mol) ADB

(ii) Volatile(iii) (%) Volume(iv) (%) C 12,001 (59,6 - 39) 0,478 1,1941 H 1,008 4,27 0,099 2,9414 O 15,99 16,83 0,390 0,7310 N 14,007 0,90 0,021 0,0448 S 32,06 0,49 0,011 0,0106

Keterangan : (i)Atomic Weight

(ii)

Air Dry Basis hasil Ultimate Analysis

(iii)

Volatile Matter dalam wt % = ADB %VM

(iv)

Volume dalam molecular fraction dengan asumsivolatile molecular weight batubara 30 (kg/kgmol);mole % = ADB x 30 %

AW

Dari tabel 3.5 maka komposisi batubara yang dinyatakan dalam vol_coal menjadi C1,19H2,94O0,73N0,0448S0,0106

Pemodelan reaksi pembakaran menggunakan metode Two-step Reaction dinyatakan dengan persamaan berikut:

vol_coal +_V_O₂O₂ → _VCO₂CO₂+_VH₂_OH₂O+_VSO₂SO₂+_VN₂N₂ (3.1) C + 1

2O2 → CO2 (3.2)

Dengan substitusi vol_coal kedalam persamaan 3.1 dan 3.2 maka persamaan reaksi pembakaran batubara yang digunakan adalah

C1,19H2,94O0,73N0,0448+0,97O2→ 1,19CO +1,47H2O+0,0224N2+0,0106SO2 (3.3)

CO + 0,5 O2 → CO2 .(3.4)

Hasil perhitungan coal calculator dari persamaan 3.3. dan 3.4 dapat dilihat pada gambar 3.4.

(47)

30

Gambar 3.4 Perhitungan coal calculator Fluent 13.0

3.6.1.2 Discrete Phase Model

Proses input bahan bakar batubara ke dalam boiler menggunakan model injeksi berupa mass flow inlet. Terdapat 6 elevasi dimana masing-masing terdiri dari 4 burner pada tiap corner. Geometri burner boiler dapat dilihat pada gambar 3.6 berikut:

Gambar 3.5 Geometri burner boiler PLTU Paiton Unit 9 (Harbin Power Engineering Co., Ltd., 2009)

30

(48)

31

Batubara diinjeksikan dengan sudut tilting 0⁰ dan dengan kecepatan angkut 21,87 m/s, ketentuan sesuai dengan desain OEM boiler (≤ 19 m/s). Sudut

yaw pada corner 1 dan 3 adalah 43o, sedangkan pada corner 2 dan 4 adalah 46o. Ketentuan dalam penginjeksian batubara dapat dilihat pada tabel 3.6.

Tabel 3.6 Model discrete phase sebagai input properties bahan bakar

Model Keterangan Dasar Pemilihan

Injection Type Group Distribusi batubara saat memasuki furnace berupa kelompok dari partikel melalui sebuah nozzle dengan luasan tertentu

Particle Type Combusting Reaksi yang terjadi pada partikel yang diinjeksikan berupa pembakaran

Material Coal Particle Fluent database (sesui hasil perhitungan coal calculator)

Diameter Distribution

Rossin Ramier Distribusi diameter partikel batubara tidak memiliki nilai yang tetap

Temperature (K) 339.49 Data PLTU (lampiran 1)

Total Flow Rate (terlampir) Data PLTU (lampiran 1)

Min Diameter (m) 7.00E-05

Fluent database Max Diameter (m) 0.0002

Mean Diameter (m) 0.000134

Spread Diameter (m) _4.52

3.6.2 Material

Properties material dari batubara yang digunakan sebagai input dapat dilihat pada tabel 3.7. Sesuai dengan kondisi aktual data batubara menggunakan propertis dari lignite coal.

Tabel 3.7 Propertis batubara kondisi MCR

Fluent combusting particle

matrials Coal particle Sumber

Density (kg/m3) 1350 www.engineeringtoolbox.com

Cp (j/kg K) 1399 www.engineeringtoolbox.com

Vaporation Temperature (K) 423.15 Ansys Fluent v.13 tutorial Volatile Component Fraction