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

Transkripsi

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 Indonesia Phone: , Fax: 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 CO2 dan 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 untuk membangun geometri dan menentukan domain dari sistem pembakaran dan software Ansys Fluent 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. Kata Kunci sudut tilting, tangentially fired pulverized-coal boiler, low rank, coal combustion.

2 batu bara dengan nilai kalor 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 30o dengan interval 15o. Pendahuluan Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) Pacitan Unit #1 dan #2 berkapasitas masingmasing 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 kcal/kg. Namun demikian dalam kenyataannya, pasokan batu bara dari PT PLN mempunyai nilai kalor antar 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 parameterparameter 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. 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 proses preprocessing. Gambar 1. Skematik boiler PLTU Pacitan (Dongfang Boiler Group Co, Ltd, 2007) Metode Dan Perangkat Simulasi Data-data, kondisi dan asumsi yang digunakan dalam studi numerik adalah: (a) Gambar 2 memperlihatkan konstruksi dari empat burner yang terpasang pada masing

3 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. 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 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 CO2 didalam boiler. Gambar 5. Vector kecepatan pada Penampang Vertikal pada Boiler Dengan menaikkan sudut tilting ke atas (0 sampai + 30o), pusaran api bergerak keatas sehingga vektor kcepatan tertinggi berada di pertengan sampai unjung out let sisi furnace. Pergerakan vektor kecepatan ke o Gambar 3. Skema permukaan yang akan dianalisa.

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. 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. 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 solidgas 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

5 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 7. Kontur temperatur Penampang Vertical Pada Boiler Dengan Batubara LRC Temperatur (oc) Sudut Tilting (o) Temp Outlet Furnace Temp Inlet Re-Heater 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 1230o dan 925o, sedangkan pada sudut +30o, meningkat cukup tinggi dengan masing-masing sebesar sekitar 1310o dan 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. Gambar 8. Kontur fraksi O2 Penampang 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 outlet furnace yang mana proses pembakaran sebagian besar dari pulverized coal sudah terjadi. Terbentuknya CO2 ini juga bisa

6 dikonfirmasi dengan distribusi temperatur (Gambar 7). 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. Gambar 9. Kontur fraksi CO2 Penampang 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. 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 [3] Choi, R.C. & Kim, C.N. [2009], Numerical Investigation on the Flow Combustion and NOx Emission Characteristics in a 500 MW Tangentially Fired Pulverized Coal Boiler, Fuel. Vol. 88, p [4] Fan. J, Qian L., Ma. Y., Sun P. & Cen K.,[2001], Computational Modeling of Pulverized Coal Combustion Process in Tangentially Fired Furnaces, Chemical Engineering Journal, Vol. 81, p 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