SIMULASI PENGARUH UKURAN PARTIKEL PADA GASIFIKASI BATUBARA KUALITAS RENDAH

Transkripsi

1 SIMULASI PENGARUH UKURAN PARTIKEL PADA GASIFIKASI BATUBARA KUALITAS RENDAH Nama : Nuur Faridatun H ( ) Ida Meipurwati ( ) Jurusan : Teknik Kimia FTI-ITS Pembimbing : Prof. Dr. Ir Sugeng Winardi, M.Eng Dr. Tantular Nurtono, ST., M.Eng Abstrak Penelitian ini dilakukan dengan metode simulasi berbasis CFD karena metode eksperimental sangat sulit dilakukan dan tidak fleksibel karena proses gasifikasi batu bara yang sangat rumit. Kerumitan tersebut meliputi reaksi bertingkat, multifasa, suhu yang sangat tinggi, terjadi sangat cepat, dan tidak bisa memperoleh gambaran mekanisme gasifikasi di dalam gasifier yang sangat tergantung pada desain peralatan dan pola alir fluida. Proses gasifikasi ini sangat menarik karena disamping menghasilkan energi juga dapat dimanfaatkannya gas hasil gasifikasi (syngas) yang kaya H 2 dan CO untuk industri lain. Simulasi berbasis CFD yang memperhitungkan reaksi kimia, perpindahan massa, perpindahan panas, dan pola alir fluida secara simultan mampu menyajikan informasi terperinci tentang apa yang terjadi di dalam gasifier. Gambaran rinci tentang profil distribusi suhu, efisiensi reaksi, dan kandungan gas hasil gasifikasi memberikan alternatif pemecahan masalah dalam mengoptimalkan kondisi operasi gasifikasi berbahan baku batu bara kualitas rendah. Dalam meningkatkan unjuk kerja gasifikasi tersebut diperlukan kajian terhadap kondisi bahan baku batu bara khususnya ukuran butiran atau partikel batu bara. Geometri gasifier yang digunakan berbentuk silinder dengan panjang gasifier 3 m dan diameter 20 cm. Bahan yang digunakan pada penelitian ini berupa pulverized batubara dan oksigen murni sebagai oksidiser. Pulverized batubara 1

2 diinjeksikan melalui primary inlet dengan suhu masuk 1200 K bersamaan dengan oksigen dengan mass flow 0,0066 kg/s. Variabel yang digunakan adalah variasi ukuran partikel batubara. Metodologi yang dilakukan meliputi beberapa tahapan diantaranya dokumentasi data-data sifat fisik dan kimia batu bara kualitas rendah ke dalam software CFD, penggambaran peralatan gasifikasi dengan software pre-processing, simulasi proses gasifikasi dengan variasi kondisi operasi dan variasi ukuran partikel batubara. Semakin besar ukuran partikel temperatur keluar gasifier semakin rendah. Fraksi massa CO semakin turun dengan bertambahnya ukuran partikel. Namun semakin besar ukuran partikel, fraksi massa H 2 yang dihasilkan semakin meningkat. Kata kunci : Gasifikasi, batubara, syngas, ukuran partikel batubara 2

3 SIMULATION OF PARTICLE SIZE EFFECT ON LOW RANK COAL GASIFICATION Name : Nuur Faridatun H ( ) Ida Meipurwati ( ) Department : Chemical Engineering FTI-ITS Advisors : Prof. Dr. Ir Sugeng Winardi, M.Eng Dr. Tantular Nurtono, ST., M Eng Abstract This research is conducted by simulation method based on CFD (Computational Fluid Dinamycs) because the experimental method is very difficult to be conducted and considered to be inneffctive due to the complexity of coal gasification process. The difficulties are multiphase reaction involved in the process, very high operating temperature, instantaneous reaction, and the difficulty to obtain estimation of gasification mechanism in the gasifier which depends on the equipment design and its fluid flow pattern. Gasification is the process of converting various carbon-based feedstocks to clean synthetic gas (syngas), which is primarily a mixture of hydrogen (H 2 ) and carbonmonoxide (CO) as fuels, through an incomplete combustion. This gasification process is very interesting because it produces energy and syngas that can be used for industry necessity. Numerical simulations of the oxygen-blown coal gasification process inside an entrained flow gasifier involve chemical reaction, mass and heat transfer, and simultaneously fluid flow pattern can display detail information about what is occurred in the gasifier. The detail display of temperature distribution profile, reaction efficiency, and gas composition as the result of the gasification process could provide alternative solution to optimize the operating conditions of the low rank coal gasification. To increase the performance of gasification, the 3

4 study is required to analyze the conditions of low rank coal especially about granule size or coal particle size. Cylinder geometry is used for gasifier with 3 m of length and the diameter is 20 cm. The material used in this research is pulverized coal and pure oxygen as an oxidizer. Pulverized coal and oxygen are injected into gasifier as the primary inlet at 1200 K. Oxygen mass flow is 0,0066 kg/s. Variabel which applied is various of particle size. The methodology that will be conducted includes some stages, the first step is to document physical and chemical properties datas of low rank coal into the CFD shoftware, display the gasification equipment by the preprocessing shoftware, simulate the gasification process by variating operating condition and various of particle size. The bigger the particle size, the higher the temperature coming out of the gasifie. Mass fraction of CO decrease with the bigger the particle size. But mass fraction of H 2 increase with the bigger the particle size. Key words : Gasification, coal, syngas, particle size of coal 4

5 SIMULASI PENGARUH UKURAN PARTIKEL PADA GASIFIKASI BATUBARA KUALITAS RENDAH TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik pada Program Studi S-1 Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Oleh: NUUR FARIDATUN H IDA MEIPURWATI NRP NRP Disetujui oleh Tim Penguji Tugas Akhir: 1. Prof. Dr. Ir. Sugeng Winardi, M.Eng... (Pembimbing) 2. Dr. Tantular Nurtono, ST. M.Eng... (Pembimbing) 3. Dr. Ir. Heru Setyawan, M.Eng... (Penguji) 4. Ir. Minta Yuwana, MS.... (Penguji) 5. Dr. Ir. Arief Widjaja, M.Eng... (Penguji) SURABAYA AGUSTUS,

6 KATA PENGANTAR Puji syukur ke hadirat Allah SWT atas rahmat dan ridho- Nya sehingga kami dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul : SIMULASI PENGARUH UKURAN PARTIKEL PADA GASIFIKASI BATUBARA KUALITAS RENDAH Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih atas segala sesuatu yang diberikan sehingga skripsi ini dapat kami selesaikan, yaitu kepada : 1. Bapak Prof. Dr. Ir. Sugeng Winardi, M.Eng selaku Dosen Pembimbing dan Kepala Laboratorium Mekanika Fluida dan Pencampuran atas bimbingan, doa, dukungan dan fasilitas yang telah diberikan sehingga kami dapat menyelesaikan skripsi ini. 2. Bapak Dr. Tantular Nurtono, ST. M.Eng selaku Dosen Pembimbing di Laboratorium Mekanika Fluida dan Pencampuran atas bimbingan, masukan, dan sarannya yang amat bermanfaat sehingga skripsi ini bisa terselesaikan. 3. Ibu Dr.Widiyastuti,ST. MT selaku dosen di Laboratorium Mekanika Fluida dan Pencampuran atas doa dan dukungannya kepada kami. 4. Dr. Ir. Tri Widjaja, M.Eng, selaku ketua Jurusan Teknik Kimia FTI ITS Surabaya atas fasilitas yang diberikan. 5. Dr. Ir. Kusno Budikarjono, MT selaku koordinator Skripsi dan Tugas Akhir Jurusan Teknik Kimia FTI ITS. 6. Bapak Prof. Dr. Ir. Ali Altway, MS yang telah memberikan saran dan masukan yang amat berharga terhadap skripsi kami. 7. Bapak Dr. Ir. Heru Setyawan, M.Eng, Bapak Ir. Minta Yuwana, MS. dan Bapak Dr. Ir. Arief Widjaja, M.Eng selaku dosen penguji atas saran dan bimbingannya yang sangat bermanfaat demi kelancaran skripsi ini. 6

7 8. Ibu Ir. Pantjawarni P dan Bapak Ir. Samsudin Affandi, MS selaku dosen wali kami atas bimbingan yang diberikan selama kami menjadi mahasiswa. 9. Dosen dosen pengajar serta seluruh karyawan Jurusan Teknik Kimia FTI ITS. 10. Orang tua dan keluarga kami tercinta yang telah memberi dukungan moral, doa, semangat, nasehat, dan material yang tiada hentinya kepada kami. 11. Saudara-saudara kami Mixing Crew , Bang Farid dan teman-teman K-45 di Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS atas kerja sama dan bantuannya selama proses penyelesaian skripsi ini. 12. Pihak-pihak yang tidak dapat kami sebutkan satu per satu yang telah membantu kelancaran proses penyelesaian skripsi kami. Kami menyadari bahwa masih terdapat kesalahan dalam pengerjaan skripsi ini. Oleh karena itu, saran dan kritik yang bersifat membangun sangat kami harapkan demi peningkatan kualitas skripsi ini. Semoga skripsi ini dapat bermanfaat dikemudian hari. Aamiin. Surabaya,Agustus 2009 Penyusun 7

8 DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL LEMBAR PENGESAHAN ABSTRAK i KATAPENGANTAR v DAFTAR ISI... vii DAFTAR GAMBAR... ix DAFTAR TABEL... x DAFTAR NOTASI... xi BAB I PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang... 1 I.2 Perumusan Masalah... 2 I.3 Batasan Masalah... 2 I.4 Tujuan Penelitian... 2 I.5 Manfaat Penelitian... 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA II.1 Batubara... 5 II.2 Proses Gasifikasi... 7 II.2.1 Tipe Gasifier II.2.2 Keuntungan Teknologi Gasifikasi Pada Batubara II.3 Peneliti Terdahulu II.4 Model Matematika Proses Gasifikasi II.4.1 Transport Senyawa II.4.2 Turbulensi II.4.3 Persamaan Energi II.4.4 Discrete Phase Model II.4.5 Particle Size Distribution II.5 Computational Fluid Dynamics (CFD) BAB III METODOLOGI PENELITIAN III.1 Sistem yang dipelajari III.2 Bahan yang Digunakan III.3 Simulasi III.3.1 Model Sistem yang Dipelajari

9 III.3.2 Parameter Devolatilisasi III.3.3 Parameter Reaksi Heterogen (Char-Gas) III.3.4 Parameter Reaksi Homogen III.3.5 Parameter Ukuran Partikel Batubara III.4 Kondisi Batas III.5 Prosedur Simulasi III.6 Variabel Penelitian BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN IV.1 Pengaruh Ukuran Partikel Batubara Terhadap Distribusi Temperatur IV.2 Pengaruh Ukuran Partikel Batubara Terhadap Fraksi Massa CO IV.3 Pengaruh Ukuran Partikel Batubara Terhadap Fraksi Massa H IV.4 Pengaruh Ukuran Partikel Batubara Terhadap Fraksi Massa CH IV.5 Pengaruh Ukuran Partikel Batubara Terhadap Fraksi Massa H 2 O IV.6 Pengaruh Ukuran Partikel Batubara Terhadap Fraksi Massa CO IV.7 Pengaruh Ukuran Partikel Batubara Terhadap Karakteristik dan Distribusi Medan Kecepatan Aliran BAB V PENUTUP V.1 Kesimpulan V.2 Saran DAFTAR PUSTAKA 9

10 DAFTAR GAMBAR Gambar II.1. Kondisi batas untuk pemodelan reflect Gambar II.2. A Reacting Particle in the Multiple Surface Reactions Model Gambar III.1. Dimensi Peralatan Gasifier Gambar III.2. Grid Gasifier Gambar IV.1. Distribusi Temperatur (K) Untuk Berbagai Variasi Ukuran Batubara Gambar IV.2. Distribusi Fraksi Massa CO Gambar IV.3. Hubungan Antara Tinggi Gasifier [m] dengan Fraksi Massa CO Gambar IV.4. Distribusi Fraksi Massa H Gambar IV.5. Hubungan Antara Tinggi Gasifier [m] dengan Fraksi Massa H Gambar IV.6. Distribusi Fraksi Massa CH Gambar IV.7. Hubungan Antara Tinggi Gasifier [m] dengan Fraksi Massa CH Gambar IV.8. Distribusi Fraksi Massa H 2 O Gambar IV.9. Hubungan Antara Tinggi Gasifier [m] dengan Fraksi Massa H 2 O Gambar IV.10. Distribusi Fraksi Massa CO Gambar IV.11. Hubungan Antara Tinggi Gasifier [m] dengan Fraksi Massa CO Gambar IV.12. Vektor medan kecepatan aliran (m/s) untuk variasi ukuran partikel batubara

11 DAFTAR TABEL Tabel II.1 Analisis Komposisi Batubara di Indonesia... 6 Tabel II.2 Komposisi Volatile Matter... 7 Tabel II.3 Standard Baku Mutu Udara Ambient Tabel III.1 Komposisi Batubara menurut proximate dan elemental analysis Tabel III.2 Data Kinetika untuk devolatilisasi kobayashi model Tabel III.3 Data Kinetika untuk devolatilisasi single rate model Tabel III.4 Data Kinetika untuk reaksi heterogen Tabel III.5 Data Kinetika untuk reaksi homogeny Tabel III.6 Parameter Rosin-Rammler Size Distribution Tabel IV.1 Suhu Gas Keluar Gasifier Tabel IV.2 Komposisi CO (fraksi massa) Keluar Gasifier untuk Berbagai Ukuran Partikel Tabel IV.3 Komposisi H 2 (fraksi massa) Keluar Gasifier untuk Berbagai Ukuran Partikel Tabel IV.4 Komposisi CH 4 (fraksi massa) Keluar Gasifier untuk Berbagai Ukuran Partikel Tabel IV.5 Komposisi H 2 O (fraksi massa) Keluar Gasifier untuk Berbagai Ukuran Partikel Tabel IV.6 Komposisi CO 2 (fraksi massa) Keluar Gasifier untuk Berbagai Ukuran Partikel

12 DAFTAR NOTASI NOTASI KETERANGAN SATUAN cmf Koefisien konstanta [-] f Mixture fraction [-] g Gravitasi [m/s2] k Energi kinetik turbulen [m2/s2] P Tekanan [bar] T Temperature [K] D Diameter gasifier [m] L Tinggi Gasifier [m] mf Mass flow batubara [kg/s] ma Mass flow oksigen [kg/s] x, y, z Komponen koordinat [-] u, v, w Komponen kecepatan [-] Wi Berat komponen i [gr] e Energi Dissipasi [W/kg] ρ Densitas Fluida [kg/m3] me Viskositas efektif [Pa.s] tw Shear stress di dinding [Pascal] vx Kecepatan fluida arah x [m/s] v Viscositas kinematik [m2/s] σ Konstanta pemodelan [-] Ji Fluks difusi spesies i [kgmol/s.m2] Yi Fraksi massa local masing-masing spesies [-] Di Diffusivitas [m2/s] Sct Turbulent schmidt number [dimensionless] 12

13 µt Viskositas turbulen [Pa.s] Ri,r Arehenius molar rate untuk pembentukan/ hilangnya spesies i dalam reaksi r [-] Mw,i Berat molekul spesies i [kg/kgmol] Er Activation energy untuk reaksi r [J/kg] Ar Pre-exponensial factor [dimensionless] n Temperatur exponent [-] µj,r Eksponent untuk spesies j dalam rekasi r [-] Nr Jumlah spesies dalam reaksi r [-] YR Fraksi massa reaktan R [-] YP Fraksi massan produk P [-] YM Kontribusi dari dilatasi yang berfluktuasi dalam compressible [-] σk Bilangan Prandtl turbulen untuk k [dimensionless] σε Bilangan Prandtl turbulen untuk ε [dimensionless] C2 Konstanta [-] C1ε Konstanta [-] Sh Panas yang berasal dari reaksi kimia dan sumber panas lainnya [...] mj Fraksi massa dari spesies j' [-] hoj Entalpi pembentukan spesies j' [J/kg] Rj Rate volumetrik dari pembentukan spesies j' [m3/s] CD Koefisien seret [dimensionless] σ Konstanta Stefan-Boltzmann [W/m2-K4] H Koefisien transfer panas konveksi [W/m2.K] T Temperatur lokal dari fase kontinyu [K] Ap Luas permukaan partikel [m2] 13

14 Cp Kapasitas panas dari partikel [J/kg.K] mp Massa partikel [kg] G Radiasi insiden [W/kg] Dp,0 Diameter partikel pada awal devolatiliassi [µm] Nr Orde reaksi dari r [-] D0,r Laju reaksi dari partikel surface spesies per unit area [kg/m2.s] Pr Effectiveness factor [dimensionless] Rj,r Laju reaksi dari particle surface per unit area (kg/m2-s) µ Laju deplesi dari partikel surface spesies [kg/s] 14