studi numerik karakteristik aliran gas …dengan dilengkapi fasilitas tilting burner yang berfungsi...

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)

Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-11

STUDI NUMERIK KARAKTERISTIK ALIRAN GAS-SOLIDDAN PEMBAKARAN PADA TANGENTIALLY FIRED

PULVERIZED-COAL BURNERDENGAN 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 IndonesiaPhone: 062-31-5992941, Fax: 062-31-5992941

E-mail: [email protected];[email protected])

AbstrakTangentially fired pulverized-coal boiler yang terpasang pada PLTU Pacitan Unit #1, dilengkapidengan dilengkapi fasilitas tilting burner yang berfungsi mengatur arah lidah api/fireball. Perubahanarah burner ini mengakibatkan fire-ball bergerak ke atas maupun ke bawah mengikuti pergerakanarah burner. Studi numerik ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh pengaturan sudut tiltingdengan menggunakan batubara low rank coal (LRC) terhadap kecepatan aliran gas-solid, distribusitemperatur, distribusi fraksi massa CO2 dan distribusi fraksi massa NOx. Studi numerik tangentiallyfired pulverized-coal boiler dengan variasi sudut tilting ini dilakukan untuk beban 100% MCRdengan menggunakan batubara LRC.

Proses simulasi menggunakan software Gambit versi 2.4.6 untuk membangun geometri danmenentukan domain dari sistem pembakaran dan software Ansys Fluent 13.0. Model yang dipilihuntuk simulasi numerik ini adalah: turbulensi yang digunakan adalah k-ε standart. Variasi suduttilting yang disimulasikan adalah mulai dari - 30o, -15o, 0o, +15o sampai dan +30o terhadap garishorizontal.

Hasil studi simlasi numerik dari variasi tilting pada Tangentially fired pulverized-coal boiler adalahperubahan sudut tilting pada burner boiler berpengaruh secara signifikan terhadap distribusitemperatur gas buang yang melintasi komponen-komponen peralatan heat exchanger di dalamboiler dan besaran temperatur gas buang yang keluar dari cerobong. Menaikkan sudut tiltingcenderung akan menaikkan temperature gas buang, dimana dengan sudut tilting +30o, temperaturoutlet gas buang out let furnace dan inlet Re-Heater masing-masing sebesar 40oC dan 70oC biladibandingkan dengan sudut tilting 0o.

Kata Kunci—sudut tilting, tangentially fired pulverized-coal boiler, low rank, coal combustion.

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-11

Pendahuluan

Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU)Pacitan Unit #1 dan #2 berkapasitas masing-masing 315 MW, menggunakan Tangentiallyfired pulverized-coal boiler yang dilengkapidengan fasilitas tilting burner yang berfungsimengatur arah dan ketinggian lidahapi/fireball. Boiler tersebut didesainmenggunakan batu bara low rank yangmempunyai rentang nilai kalor antara 3900 –4500 kCal/kg. Namun demikian dalamkenyataannya, pasokan batu bara dari PTPLN mempunyai nilai kalor antar 4.200 –5.200 kCal/kg, sehingga efektifitas dari titlingburner perlu dianalisa dan dievaluasi.

Beberapa peneliti telah melakukansimulasi numerik terkait dengan prosespembakaran batu bara pada boilertangentially fired. Ravinda, et.al[1] melakukanpada one-through boiler untuk mendapatkansignifikansi dan pengaruh dari parameter-parameter pengontrol pada re-heat steam,dimana slah satu parameter yang diuji adalahburner angle (tilting). Astoni, et.al[2],melakukan studi numerik dan simulasi padatangentially fired boiler berkapasitas 800MW berbahan bakar batu bara untukmemprediksi karakterstik pembakaran. Choiet.al.[3], melakukan studi numerik padatangentially pulverized coal boiler untukmendapatkan pola-pola distribusitemperature, spesies, emisi NOx dan besaranvector kecepatan dengan menggunakanmodel turbulensi RNG k-ɛ. Fan et.al. [4]mensimulasikan perbandingan standard k-ɛmodel dan RNG k-ɛ model pada prosespembakaran batu bara pada tangiantially firedfurnace boiler.

Studi numerik dan simulasi fokus padapengaruh sudut tilting burner untuk batu baralow rank coal (LRC) terhadap karakteristikaliran gas-solid, dan pembakaran sertadistribusi temperatur pada tangentially firedboiler.

Metode Dan Perangkat SimulasiData-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) validasisimulasi dengan data operasional pada bebanfull load sebesar 315 MW, (c) Software yangdigunakan pada tahapan pembuatangeometri adalah Gambit 2.4.6, sedangkanuntuk tahapan simulasi menggunakan AnsysFluent 13.0, (d) kondisi steady timebased, model turbulensi k-ε standard,model pembakaran species transport, danmodel radiasi di nonaktifkan (off), (e) variasisudut tilting burner mulai dari – 30o sampaidengan 30o dengan interval 15o.

Gambar 1, menunjukkan skema konstruksidari tangentially fired pulverized-coal boilerbuatan Dongfang. Konstruksi boiler tersebutdijadikan acuan untuk pembuatan modelgeometri dan domain menggunakansoftware GAMBIT 2.4.6 – proses pre-processing.

Gambar 1. Skematik boiler PLTU Pacitan(Dongfang Boiler Group Co, Ltd, 2007)

Gambar 2 memperlihatkan konstruksi dariempat burner yang terpasang pada masing-


KE-11

masing sudut boiler. Pada Gambar tersebutditunjukkan bahwa sudut tilting burner dapatdirubah dengan tujuan untuk merubah arahdari lidah api/fire ball, sehingga distribusitemperatur di dalam furnace, dan temperaturgas buang yang melewati perangkat penukarkalor, utamanya super heater, re-heater dapatdiatur sehingga target temperatur uap lanjutyang akan masuk turbin dapat terpenuhi.

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

Ltd, 2007)Skema surface yang akan diamati

pada simulasi ini ditampilkan padaGambar 3. Dari hasil simulasi diperoleh datacontour velocity, contour temperature,vector velocity, particle track dan fraksimassa O2, NOx, dan CO2 didalam boiler.

Gambar 3. Skema permukaan yang akandianalisa.

Hasil Dan AnalisaHasil validasi simulasi numerik terhadap

data-data operasional dapat dilihat padaGambar 4. Deviasi nilai hasil numerik dandata operasional untuk setiap titikpengukuran di boiler adalah rata-rata sebesar4,54%.

Ganbar 4. Hasil validasi hasil simulasinumeric dengan data operasional.

Vektor kecepatan aliran fluida dalamboiler diperlukan untuk menganalisapergerakan partikel batubara yangterbawa udara pembakaran dan sekaligusmengindikasikan terjadinya kesempurnaanproses pembakaran (Gambar 5). Pada suduttilting yang kebawah (-30o dan -15o), makapusaran api (fire ball)berada di bottom ashhopper dan vektor kecepatan tertinggi ada disekitar bagian bawah sampai pertengahandari furnace.

Gambar 5. Vector kecepatan pada PenampangVertikal pada Boiler

Dengan menaikkan sudut tilting ke atas(0o sampai + 30o), pusaran api bergerakkeatas sehingga vektor kcepatan tertinggiberada di pertengan sampai unjung out letsisi furnace. Pergerakan vektor kecepatan ke


KE-11

atas tersebut mengikuti hukum momentumdimana pada saat tilting ke bawah maka akanada tumbukan antara gas hasil pembakarandengan aliran udara dan pulverized coal yangdiinjeksikan oleh burner pada level yangdiatas.

Gambar 6. Kontur Velocity pada PenampangVertical pada Boiler

Kontur kecepatan seperti yang disajikanpada Gambar 6, memiliki kecenderunganyang sama dengan vektor kecepatan padaGambar 5, dimana posisi kecepatan solid-gas yang tinggi ditentukan oleh sudut tilting.Semakin tinggi sudut tilting maka kecepatansolid-gas yang besar juga cenderung naik,sedangkan sudut tilting yang rendah terjaditumbukan antara aliran solid-gas denganudara-pulverized coal yang keluar dari burnersehingga akan menurunkan momentum.

Gambar 6. Lintasan Partikel Batubara padaBoiler dengan Penampang Vertical

Analisa particle track digunakanuntuk menganalisa aliran partikel batubara didalam boiler. Aliran partikel batu

bara ini sangat menentukan distribusitemperature karena adanya prosespembakaran dari batu bara di dalamfurnace. Hasil pengambilan particles tracktersaji pada Gambar 6. Perubahan suduttilting burner akan mempengaruhikarakteristik lintasan batu bara di dalamfurnace boiler yang pada akhirnya jugamempengaruhi proses pembakarannya.

Untuk tilting burner dengan sudutnegatif sampai dengan 0o (nozzle burnermengarah ke bawah - horizontal), terlihatbawah aliran partikel ke arah bottom ashhopper sehingga proses pembakaran sudahterjadi didaerah ini. Hal ini jugadikonfirmasi dengan Gambar 4 dan 7.Sedangkan pada sudut titling positif, aliranpartikel tidak ada yang mengalir pada ashbottom hopper, sehingga prosespembakaran paling cepat terjadi di sekitarburner dan karena waktu tinggal partikeldidalam furnace demikian pendek, makapada saat meninggalkan out let furnace,masih ada partikel yang belum terbakar.

Gambar 7 menunjukkan konturtemperatur dari penampang vertikal dariboiler. Sudut tilting burner sangatmempengaruhi distribusi temperatur didalam furnace dan di dalam super heater,maupun re-heater. Pada sudut tilting -30o,temperatur tinggi terkonsentrasi pada asbottom hopper dan disekitar burnersedangkan semakin dinaikkan sudut tiltingburner terjadi pergeseran distribusitemperatur mengarah ke atas, bahkan padasudut tilting yang postif (+ 30o) temperaturgas yang tinggi masih terjadi disisi out letpada furnace, hal ini menandakan bahwamasih teejadi proses pembakaran di luardari furnace.


KE-11

Gambar 7. Kontur temperatur PenampangVertical Pada Boiler Dengan Batubara

LRC

600

800

1000

1200

1400

-30 -15 0 15 30

Temp Outlet Furnace Temp Inlet Re-Heater

Tem

pera

tur (

oC)

Sudut Tilting (o)

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

Sudut tilting juga sangat berpengaruhterhadap perubahan temperatur sisi out letfurnace dan sisi inlet Re-Heater. Padasudut titling, pada – 30o, temperatur outletfurnace dan inlet re-heater masing-masingsebesar sekitar 1230o dan 925o, sedangkanpada sudut +30o, meningkat cukup tinggidengan masing-masing sebesar sekitar1310o dan 1230o - (Gambar 8). Temperaturini sangat mempengaruhi pembentukantemperatur uap lanjut yang akandihasilkan oleh boiler.

Karakteristik pembakaran daripulverized coal dengan variasi suduttilting dapat dilihat pada Gambar 8, 9 dan10. Proses pembakaran merupakan prosesyang rumit dan melibatkan banyakparameter yang salingantagonis/berkompetitif.

Kontur fraksi dari O2 ditunjukkanpada Gambar 8. Kontur ini akanmenunjukkan ketersediaan O2 dan bisajuga mengindikasikan proses dan tingkatkesempurnaan pembakaran yang terjadi didalam furnace boiler bilamanasedang/sudah terjadi proses pembakaran.Baik pada sudut tilting negative (-30o)maupun positif (+30o), di sekitar ashbottom hoper mempunyai fraksi O2 yangsama-sama rendah. Namun rendahnyafraksi O2 tersebut disebakan olehfenomena yang berbeda. Bila pada suduttilting yang negatif sudah terjadi prosespembakaran sehingga ketersediaan O2

akan menipis sebaliknya pada sudut yangpostif, karena injeksi udara dan pulverizedcoal mengarah keatas maka tidak ada O2

yang mengarah ke ash bottom hopper.

Gambar 8. Kontur fraksi O2 PenampangVertical Pada Boiler

Gambar 9, mendiskrpsikan kontur dari gasCO2 yang ada di dalam boiler. Secaraumum pada proses pembakaran konturCO2 dan O2 merupakan kebalikannya,dimana pada campuran udara-bahan bakaryang relative sama, maka bila ketersedianO2 menipis maka pembentukan CO2 akanmeningkat yang mengindikasikankesempurnaan pembakaran. Hal ini jugaterjadi pada proses pembakaran pulverizedcoal didalam boiler yang mana variasisudut tilting signifikan untukpembentukan CO2. Terbentuknya CO2

terbesar terjadi pada lokasi di sekitar out-let furnace yang mana proses pembakaransebagian besar dari pulverized coal sudahterjadi. Terbentuknya CO2 ini juga bisa


KE-11

dikonfirmasi dengan distribusi temperatur(Gambar 7).

Gambar 9. Kontur fraksi CO2 PenampangVertical Pada Boiler

Salah satu hasil pembakaran yangperlu mendapatkan perhatian karena bersifatpolutif adalah NOx. Gambar 9,memperlihatkan kontur NOx dari hasilsimulasi numerik. Pembentukan emisi NOxsangat dipengaruhi oleh temperature tinggidan ketersediaan O2 di dalam prosespembakaran.

Gambar 10. Kountur fraksi NOX

Penampang Vertical Pada BoilerKecuali sudut tilting –30o, secara

umum pembentukan NOx pada prosespembakaran pulverized coal di dalamfurnace boiler adalah identik dengan hanyasedikit variasi distribusinya.

Kesimpulan

Pengaturan sudut tilting burner padatangentially fired pulverized-coal boilerPLTU Pacitan Unit #1berpengaruh signifikan

utamanya terhadap distribusi temperatur gasbuang dan particles trace. Dua parametertersebut sangat penting untuk diketahui untukmendapatkan system operasional boiler yangefektif dan efisien. Pengaturan sudut tiltingsangat penting bilamana diggunakan jenisbatu bara yang berbeda-beda, yang sekaligusakan mengatur tingkat kesempurnaanpembakaran dan distribusi temperatur gasbuang di super-heater dan re-heater.

Menaikkan sudut tilting cenderungakan menaikkan temperature gas buang,dimana dengan sudut tilting +30o,temperatur outlet gas buang out let furnacedan inlet Re-Heater masing-masing sebesar40oC dan 70oC bila dibandingkan dengansudut tilting 0o.

Referensi

[1] Kumar, Ravindra P., Ramchandra R.V. &Ravi K.N., [2013],”Effect of Parametersin Once- Through Boiler for ControllingRe-heat Steam Temperature inSupercritical Power Plants”, ResearchJournal 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 Behaviourin a Tangentially Fired Pulverized CoalBoiler Using CFD”, Fuel, Vol. 87, p.482-90.

[3] Choi, R.C. & Kim, C.N. [2009],”Numerical Investigation on the FlowCombustion and NOx EmissionCharacteristics in a 500 MW TangentiallyFired Pulverized Coal Boiler”, Fuel. Vol.88, p. 1720-31.

[4] Fan. J, Qian L., Ma. Y., Sun P. & CenK.,[2001],”Computational Modeling ofPulverized Coal Combustion Process inTangentially Fired Furnaces”, ChemicalEngineering Journal, Vol. 81, p. 26-69.

studi numerik karakteristik aliran gas …dengan dilengkapi fasilitas tilting burner yang berfungsi...

Documents