VARIASI SUDUT TILTING DAN NILAI KALOR BATUBARA (STUDI KASUS PLTU PACITAN UNIT 1)
TESIS - TM 142501
STUDI NUMERIK KARAKTERISTIK ALIRAN GAS-SOLID
DAN PEMBAKARAN TANGENTIALLY FIREDPULVERIZED-COAL BOILER
315 MWe DENGAN
VARIASI SUDUT TILTING DAN NILAI KALOR BATUBARA (STUDI KASUS PLTU PACITAN UNIT 1)
RAKHMAT HIDAYAT NRP 2112 204 804 DOSEN PEMBIMBING Dr. Ir. Atok Setiyawan, M.Eng, Sc.
PROGRAM MAGISTER BIDANG KEAHLIAN REKAYASA ENERGI JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2015
THESIS - TM 142501 NUMERICAL STUDY OF GAS-SOLID FLOW AND COMBUSTION CHARACTERISTICS IN 315 MWe
TANGENTIALLY FIRED PULVERIZED-COAL BOILER
WITH TILTING ANGLE VARIATION AND CALORIFIC
VALUE OF COAL (CASE STUDY OF PLTU PACITAN UNIT 1)
RAKHMAT HIDAYAT NRP 2112 204 804 ADVISOR Dr. Ir. Atok Setiyawan, M.Eng, Sc.
MASTER PROGRAM ENERGY ENGINEERING MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT FACULTY OF INDUSTRIAL TECHNOLOGY SEPULUH NOPEMBER INSTITUTE OF TECHNOLOGY SURABAYA 2015
STUDI NUMERIK KARAKTERISTIK ALIRAN GAS-SOLID
DAN PEMBAKARAN PADA TANGENTIALLY FIRED
PULVERIZED-COAL BOILER 315MWe
DENGAN VARIASI SUDUT TILTING DAN NILAI KALOR
BATUBARA
(STUDI KASUS PLTU PACITAN UNIT 1)
Nama Mahasiswa : Rakhmat Hidayat NRP : 2112204804 Jurusan : Teknik Mesin FTI-ITS Pembimbing : Dr. Ir. Atok Setiyawan, M.Eng,Sc
ABSTRAK
Pada kebanyakan tangentially fired pulverized-coal boiler dilengkapi fasilitas tilting burner. Fasilitas ini memungkinkan burner untuk dapat diarahkan ke atas maupun ke bawah membentuk sudut tertentu terhadap garis horizontal. Perubahan arah burner ini mengakibatkan fire-ball bergerak ke atas maupun ke bawah mengikuti pergerakan arah burner. Pergerakan fire-ball akan memberikan pengaruh heat transfer pada area waterwalltube, superheater dan reheater. Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh pengaturan sudut tilting dengan menggunakan batubara low rank coal (LRC) dan medium rank coal (MRC) terhadap kecepatan aliran gas-solid, distribusi temperatur, distribusi fraksi massa O
2 , distribusi fraksi massa CO 2 dan distribusi fraksi massa NOx. Penelitian
ini dilakukan pada tangentially fired pulverized-coal boiler dengan beban 100% MCR dengan menggunakan batubara LRC dan MRC dengan memvariasikan sudut tilting. Proses simulasi menggunakan software Ansys Fluent 13.0. Model turbulensi yang digunakan adalah k-ε standart dan combusting material yang digunakan adalah lignite untuk batubara kategori LRC dan coal-hv untuk batubara kategori MRC. Pada penelitian ini variasi sudut tilting yang dilakukan adalah -
o o o o o o
30 , -15 , 0 , +15 dan +30 terhadap garis horizontal. Perubahan tilting -15 , akan
o o
menurunkan temperatur flue gas outlet furnace 15 C dengan LRC dan 25,87 C
o
dengan MRC, menurunkan temperatur flue gas inlet reheater 13,48 C dengan
o o
LRC dan 25,59 C dengan MRC. Perubahan tilting -30 , akan menurunkan
o o
temperatur flue gas outlet furnace 52,05 C dengan LRC dan 28,91 C dengan
o
MRC, menurunkan temperatur flue gas inlet reheater 30,32 C dengan LRC dan
o o
29,19 C dengan MRC. Perubahan tilting ke +15 , akan menaikkan temperatur flue
o o
gas outlet furnace 18,3 C dengan LRC dan 13,2 C dengan MRC, menaikkan
o o temperatur flue gas inlet reheater 25 C dengan LRC dan 12,16 C dengan MRC. oPerubahan tilting ke +30 , akan menaikkan temperatur flue gas outlet furnace
o o
42,42 C dengan LRC dan 34,51 C dengan MRC, menaikkan temperatur flue gas
o o inlet reheater 72,25 C dengan LRC dan 51,36 C dengan MRC.
iv v
“Halaman ini sengaja dikosongkan”
NUMERICAL STUDY OF GAS-SOLID FLOW AND
COMBUSTION CHARACTERISTICS IN 315
MWeTANGENTIALLY FIRED PULVERIZED-COAL BOILER
WITH TILTING ANGLE VARIATION AND CALORIFIC
VALUE OF COAL
(CASE STUDY OF PLTU PACITAN UNIT 1)
Name : Rakhmat Hidayat NRP : 2112204804 Major : Mechanical Engineering Department, ITS Advisor : Dr. Ir. Atok Setiyawan, M.Eng,Sc
ABSTRACT
In most tangentially fired pulverized-coal boilers, it’s equipped with tilting burners. This facility allows the burner to be directed upwards or downwards to form a certain angle to the horizontal. This resulted in a change of fire-ball moves up and down following the movement direction of the burner. Fire-ball movement will have an impact on the area of heat transfer waterwall tube, superheater and reheater. This study was conducted to determine the effect of tilting angle by using low rank coal (LRC) and medium rank coal (MRC) of the gas-solid flow, temperature distribution, the distribution of the mass fraction of O
2 , CO 2 and
NOx. This study was conducted in a tangentially fired pulverized-coal boiler with a load of 100% MCR using LRC coal and MRC by varying the tilting angle. Process simulation using ANSYS FLUENT 13.0 software. Turbulence model used is the standard k-ε and combusting material used is lignite for LRC category and coal_hv for MRC category. In this study conducted tilting angle variation is
o o o o
- 30 , -15 , 0 , +15°and +30° to the horizontal. Tilting changes to -15 , will
o o
decrease the flue gas temperature of furnace outlet 15 C at LRC and 25,87 C at
o
MRC, decresing the flue gas temperature of reheater inlet 13,48 C at LRC and
o o
25,59 C at MRC. Tilting changes to -30 , decrease the flue gas temperature of
o o
furnace outlet 52,05 C at LRC and 28,91 C at MRC, decresing the flue gas
o o
temperature of reheater inlet 30,32 C at LRC and 29,19 C at MRC. Tilting
o o
changes to +15 , will raise the flue gas temperature of furnace outlet 18,3 C at
o o
LRC and 13,2 C at MRC, raising the flue gas temperature of reheater inlet 25 C at
o o
LRC and 12,16 C at MRC. Tilting changes to +30 , will raise the flue gas
o o
temperature of furnace outlet 42,42 C at LRC and 34,51 C at MRC, raising the
o o flue gas temperature of reheater inlet 72,25 C at LRC and 51,36 C at MRC.
vi vii
“Halaman ini sengaja dikosongkan”
KATA PENGANTAR
ii
Segala puji bagi Allah SWT yang telah memberikan petunjuk dan kekuatan sehingga kami dapat menyelesaikan tesis yang berjudul “Studi Numerik Karakteristik Aliran Gas-Solid dan Pembakaran pada Tangentially Fired
Pulverized-Coal Boiler 315MWe Dengan Variasi Sudut Tilting dan Nilai Kalor
Batubara (Studi Kasus PLTU Pacitan Unit 1)”.Penyusunan tesis ini merupakan persyaratan kelulusan Program Studi S-2 Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya. Penulis menyadari keberhasilan penulisan tesis ini mendapat dukungan dan bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis menyampaikan banyak terima kasih kepada pihak-pihak yang telah mendukung dan membantu dalam penulisan tesis ini, antara lain kepada :
1. Dr. Ir. Atok Setiyawan, M.Eng,Sc. selaku dosen pembimbing tesis.
2. Prof. Ir. Sutardi, M.Sc. PhD, selaku Koordinator S-2 Jurusan Teknik Mesin.
3. Dr. Wawan Aries Widodo, ST., MT,. Dr. Bambang Sudarmanta, ST., MT., Dr. Bambang Arif D., ST., M.Sc.Eng, selaku dosen penguji tesis penulis.
4. PT PJBServices yang memberikan beasiswa dan kesempatan tugas belajar S2.
5. Siti Nailin, istri tercinta yang selalu memberi dukungan dan semangat untuk segera lulus.
6. Faiza dan Zhafira tersayang yang selalu menjadikan semangat untuk segera lulus.
7. Bapak dan Ibu yang selalu memanjatkan doa demi keberhasilan penulis dalam menjalani kehidupan.
8. Segenap Dosen dan Karyawan Jurusan Teknik Mesin.
9. Rekan-rekan S-2 Jurusan Teknik Mesin.
10. Rekan-rekan UBJOM Pacitan yang telah banyak direpotkan oleh penulis. Penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam penulisan tesis ini, segala saran dan kritik akan sangat berguna dalam perbaikan tesis ini. Semoga tesis ini bermanfaat bagi semua. Surabaya, Januari 2015 Penulis iii
DAFTAR ISI
Halaman Halaman Judul ................................................................................................. i Kata Pengantar ................................................................................................. ii Abstrak ............................................................................................................ iv Daftar Isi .......................................................................................................... viii Daftar Tabel ...................................................................................................... x Daftar Gambar ................................................................................................. xi BAB 1 PENDAHULUAN................................................................................
1 1.1 Latar Belakang................................................................................
1 1.2 Perumusan Masalah .......................................................................
2 1.3 Batasan Masalah .............................................................................
2 1.4 Tujuan Penelitian ...........................................................................
3 1.5 Manfaat Penelitian .........................................................................
3 BAB 2 KAJIAN PUSTAKA ...........................................................................
5 2.1 Boiler .............................................................................................
5 2.1.1 Furnace ...................................................................................
5 2.1.2. Burner ...................................................................................
5 2.1.3. Tilting Burner ........................................................................
7 2.1.4. Heat Exchanger ....................................................................
8 2.2 Bahan Bakar dan Teori Pembakaran .............................................
9 2.2.1 Bahan Bakar .............................................................................
9 2.2.2 Teori Pembakaran .....................................................................
11 2.3 Studi Numerik CFD .......................................................................
14 2.3.1 Pemodelan dengan Menggunakan Metode Numerik .............
16 2.3.2 Penelitian Terdahulu ..............................................................
22 BAB 3 METODE PENELITIAN .....................................................................
31
3.1 Tahapan Penelitian ........................................................................
31 3.2 Flowchart Penelitian ......................................................................
32 3.3 Pemodelan dan Simulasi ...............................................................
34 3.4 Rancangan Simulasi .......................................................................
49 BAB 4 ANALISA DAN PEMBAHASAN......................................................
55 4.1 Grid Independence Test ................................................................
55 4.2 Validasi Analisa Numerik ..............................................................
56 4.3 Analisa Aliran Gas-Solid ..............................................................
57 4.3.1. Analisa Vector Velocity Magnitude .......................................
57 4.3.2. Analisa Kontour Velocity Magnitude ......................................
60 4.3.3. Analisa Particle Track ..........................................................
64 4.4 Analisa Pembakaran ......................................................................
66 4.4.1. Analisa Kontour Temperatur ..................................................
67
4.4.2. Analisa Kontour Fraksi Massa O 2 ..........................................
74 4.4.3. Analisa Kontour Fraksi Massa CO ........................................
77
2 4.4.4. Analisa Kontour Fraksi Massa NOx .......................................
80 BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ...........................................................
85 5.1 Kesumpulan ..................................................................................
85 5.2 Saran ...............................................................................................
86 DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................
87 LAMPIRAN 1 : Appendix of Boiler Performance Test Report for Unit 1 ......
89 LAMPIRAN 2 : Result of Heat Transfer Performance Calculation Boiler ...................................................................................
92 LAMPIRAN 3 : Report of Coal Analysis ........................................................
94 LAMPIRAN 4 : Report of Coal Analysis ........................................................
95 LAMPIRAN 5 : Report of Analysis .................................................................
96 LAMPIRAN 6 : Coal Analys ...........................................................................
97 LAMPIRAN 7 : Perhitungan Beban Panas Heat Exchanger...........................
98 LAMPIRAN 8 : Perhitungan Udara Pembakaran ............................................ 103
x
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Klasifikasi Batubara Berdasarkan Ranking .....................................46 Tabel 3.9 Rancangan Data Hasil Simulasi ......................................................
54 Tabel 4.1 Pengaruh Sudut Tilting Terhadap Perubahan Temperatur ...............
53 Tabel 3.15 Properties Combusting Particle .....................................................
53 Tabel 3.14 Setup Mass Flow Inlet pada Y-Component ....................................
52 Tabel 3.13 Setup Point Properties Injeksi Batubara untuk Variasi Sudut Tilting ..............................................................................................
51 Tabel 3.12 Data Performance Test PLTU Pacitan Unit #1..............................
49 Tabel 3.11 Temperatur Flue Gas Boiler ..........................................................
48 Tabel 3.10 Coal Analysis LRC dan MRC di PLTU Pacitan ...........................
45 Tabel 3.8 Heatflux dan Temperature pada Wall Boiler ...................................
9 Tabel 2.2 Komposisi Udara Kering .................................................................
44 Tabel 3.7 Setup Mass Flow Inlet......................................................................
43 Tabel 3.6 Setup Porous Media Heat Exchanger Boiler ...................................
42 Tabel 3.5 Properties Combusting Particle Batubara LRC ..............................
41 Tabel 3.4 Setup Point Properties Injeksi Batubara ..........................................
40 Tabel 3.3 Reaksi-Reaksi Pembakaran Batubara pada Simulasi.......................
39 Tabel 3.2 Setup Heat Exchanger......................................................................
13 Tabel 3.1 Model Numerik yang Digunakan.....................................................
71
xi
“Halaman ini sengaja dikosongkan”
vii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Ilustrasi Pembakaran pada Boiler.................................................33 Gambar 3.2 Boiler PLTU Pacitan Tampak Samping.......................................
61 Gambar 4.5 Kontour Velocity Magnitude pada Outlet Furnace ......................
58 Gambar 4.4 Kontour Kecepatan pada Boiler dengan Batubara LRC ..............
56 Gambar 4.3 Vector Velocity Magnitude pada Penampang Vertikal pada Boiler dengan Batubara LRC......................................................
56 Gambar 4.2 Grafik Validasi Hasil Simulasi dengan Data Operasional ...........
50 Gambar 4.1 Grafik Grid Indepence Test..........................................................
48 Gambar 3.8 Skema Posisi Alat Ukur Temperatur............................................
38 Gambar 3.7 Skema Surface Yang Akan Dianalisa ..........................................
37 Gambar 3.6 Domain Simulasi Boiler ...............................................................
36 Gambar 3.5 Hasil Meshing Boiler ...................................................................
35 Gambar 3.4 Geometri Sudut Burner Terhadap Dinding Boiler PLTU Pacitan.........................................................................................
35 Gambar 3.3 Geometri Burner pada Corner PLTU Pacitan..............................
30 Gambar 3.1 Flowchart Rencana Penelitian ....................................................
6 Gambar 2.2 Ilustrasi Tilting Burner .................................................................
29 Gambar 2.12 Lintasan Partikel Batubara ........................................................
28 Gambar 2.11 Vector Kecepatan dan Distribusi Temperatur pada Furnace .....
27 Gambar 2.10 Contour Prediksi Fraksi Oksigen pada Vertical Central Cross-Section .............................................................................
26 Gambar 2.9 Profil Prediksi dan Kondisi Nyata Temperatur pada Pusat Furnace .......................................................................................
25 Gambar 2.8 Prediksi Profil Flow ....................................................................
24 Gambar 2.7 Distribusi Fraksi Massa NOx .......................................................
2 dan CO 2 ............................................
24 Gambar 2.6 Distribusi Fraksi Massa O
23 Gambar 2.5 Distribusi Temperatur pada Boiler ..............................................
12 Gambar 2.4 Velocity Magnitude pada Boiler ..................................................
7 Gambar 2.3 Skema Proses Pembakaran Partikel Batubara .............................
63
viii
Gambar 4.6 Lintasan Partikel Batubara pada Boiler dengan Penampang Vertical ........................................................................................64 Gambar 4.7 Kontour Temperatur pada Boiler..................................................
68 Gambar 4.8 Pengaruh Perubahan Sudut Tilting Terhadap Temperatur ...........
70 Gambar 4.9 Kontour Temperatur pada Sudut Tilting 0
o ..................................
72 Gambar 4.10 Pengaruh Perubahan Nilai Kalor Batubara Terhadap Temperatur ..................................................................................
73 Gambar 4.11 Kontour Fraksi Massa O 2 ............................................................
75 Gambar 4.12 Fraksi Massa O
2 pada Boiler Dengan Batubara LRC dan MRC ............................................................................................
76 Gambar 4.13 Kontour Fraksi Massa CO 2 .........................................................
78 Gambar 4.14 Fraksi Massa CO
2 pada Boiler Dengan Batubara LRC dan MRC ............................................................................................
80 Gambar 4.15 Kontour Fraksi Massa NOx ........................................................
81 Gambar 4.16 Fraksi Massa NOx pada Boiler Dengan Batubara LRC dan MRC ............................................................................................
83
DAFTAR PUSTAKA
Ansys Fluent 13 Theory Guide . Ansys Inc., Southpointe, 275 Technology Drive,
Canonburg, PA 15317, USA; 2010.Ansys Fluent 13 User’s Guide . Ansys Inc., Southpointe, 275 Technology Drive,
Canonburg, PA 15317, USA; 2010.Asotani, T., Yamashita, T., Tominaga, H., Uesugi, Y., Itaya, Y., dan Mori, S.
(2008), “Prediction of Ignition Behavior in a Tangentailly Fired Pulverized Coal Boiler Using CFD”, Fuel, Vol. 87, Hal 482–490. Belosevic S., Sijercic M., Oka S., dan Tucakovic D. (2006), “Three-Dimensional
Modeling of Utility Boiler Pulverized Coal Tangentially Fired Furnace”, International Journal of Heat and Mass Transfer , Vol. 49, Hal. 3371-3378. Belosevic S., Sijercic M., Tucakovic D., dan Crnomarkovic N. (2008), “A
Numerical Study of a Utility Boiler Tangentially-Fired Furnace Under Different Operation Conditons”, Fuel, (2008)
Center of Coal Utilization Japan, (2003), Technology Transfer Project on Clean Coal Technology. Choi, R.C., dan Kim, C.N. (2009), “Numerical Investigation on the Flow,
Combustion, and NOx emission Characteristics in a 500MWe Tangentially Fired Pulverized Coal Boiler”. Fuel, Vol. 88, Hal. 1720-1731. Chui, H. Eddy, Gao, Haining, Majeski, Adrian, Lee, dan George K. ”Reduction
Of Emissions From Coal-Based Power Generation”. Canmet Energy Technology Centre, Natural Resources Canada, Ottawa, Canada
Donfang Boiler Group, Co. Ltd. Result of Heat Transfer Performance Calculation for Boiler. Fan J., Qian L., Ma Y., Sun P., dan Cen K. (2001) “Computational Modeling of
Pulverized Coal Combustion Processes in Tangentially Fired Furnaces”, Chemical Engineering Journal , Vol. 81, Hal. 261-269. Kumar, R.P., Raju, R.V., dan Kumar, R. N. (2013) “Effect of Parameter in Once-
Trough Boiler for Controlling Reheat Steam Temperature in Supercritical Power Plants”, Researh Journal of Engineering Sciences, Vol 2, Hal 27-34.
87 Moran, M.J., Shapiro, H.N., (2006), Fundamentals of Engineering
th Thermodynamics 5 edition. John Wiley & Sons, Inc.
PT PLN (Persero), Basic Desin Stage PLTU 1 Jatim Pacitan (2X315 MW). PT PLN (Persero), (2013), PLTU 1 Jatim Pacitan (2X315 MW) Project Test Report.
Speight, James G., (2005), Handbook of Coal Analysis, John Wiley & Sons, Inc.
Hoboken, New Jersey.
th
Warnatz, J., Maas, U., Dibble, R.W., (2006), Combustion 4 edition , Springer, Berlin. Surveyor Indonesia, (2012), Certificate of Sampling and Analysis. Surveyor Indonesia, (2012), Certificate of Weight.
88
Rekayasa En
BIOGRAFI PENULIS
bekerja di PT Tungga penulis mulai bekerja di Pada masa mendapatkan pengala
Gresik dan PLTGU Mua penulis penempatan di Pada tahun 2010-2012
Predictive Maintenanc
pendidikan S2 Teknik Me Email : myutt_9@yaho
Energi
Rakhmat Hidayat dilahirkan di P Tengah pada hari Selasa, 3 Mare merupakan putra kedua dari pa Hadi Susanto dan Djamiah. Penuli dengan Siti Nailin Rochmah dan orang putri. Penulis menempuh formal di SD N Sruwohrejo, SMP SMU N 1 Purworejo dan mela Teknik Mesin Sebelas Maret tahun 1999. Pada tahun 2005 ggal Jaya Plastics Industry, Tasikmalaya. Pa rja di PT PJBServices hingga sekarang. sa On Job Training (OJT) di PT PJBSe galaman di beberapa unit pembangkit, diantara
Muara Tawar, Bekasi. Setelah masa OJT sele n di UBJOM PLTU Rembang sebagai Operato 2012 penulis bertugas ke UBJOM PLTU Pacita
nance . Pada tahun 2012 penulis diberi tugas bel
knik Mesin di ITS dengan bidang keahlian rekaya ahoo.com di Purworejo, Jawa
Maret 1981. Penulis pasangan Salam nulis telah menikah dan dikaruniai dua puh pendidikan
SMP N 2 Butuh, elanjutkan S1 di t Surakarta pada 2005 penulis mulai
. Pada tahun 2008 Services, penulis ntaranya PLTU 3-4 selesai, tahun 2009 ator Turbin Lokal. citan sebagai Staff belajar menempuh ayasa energi.
Rekayasa En Energi
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang g
PLTU Pacita citan merupakan salah satu unit pembangkit kit listrik program 10000MW tahap I yan yang berlokasi di Jl Pacitan-Trenggalek Km 55
55 Pacitan. PLTU Pacitan ini merupakan kan aset dari PT PLN dibawah naungan Unit Pe Pembangkit Jawa- Bali. Dalam pengope operasionalan PLTU Pacitan, PT PLN menunj nunjuk salah satu anak perusahaanya ya yaitu PT PJB sebagai jasa Operasional dan Mai n Maintenance-nya.
Pengerjaan P n PLTU Pacitan dilakukan oleh konsorsium Dongf Dongfang Electric Corporation (DEC) da ) dan PT Dalle Energy. Boiler PLTU Pacita itan didesain dan dibuat oleh Dongfang ng Boiler Manufacturer. Boiler ini menggunaka unakan pembakaran tangensial dengan em n empat sudut. Dimana burner pada boiler i r ini dapat diatur sudutnya ke atas dan an bawah. Fasilitas ini lebih lazim disebut tilti ilting . Tilting pada
burner dapat diubah ah-ubah untuk mengatur temperatur steam out outlet reheater .
Pengaturan tilting burne burner dapat mempengaruhi proses pembaka karan batubara di boiler.
Boiler PLTU TU Pacitan didesain menggunakan batubara ra dengan rentang nilai kalor 3900 kcal/kg al/kg - 4500 kcal/kg LHV (4112 kcal/kg - 4712 4712 kcal/kg HHV). Batubara yang disedia diakan pihak PLN mempunyai nilai kalor HH HV 4200kcal/kg, 4700kcal/kg, 4900kca 4900kcal/kg dan 5200kcal/kg. Terdapat supply batuba ubara dengan nilai kalor diluar range range desain, oleh karena itu diperlukan n analisa untuk mengoptimalkan prose proses pembakaran dan mencegah terjadinya ke kerusakan akibat penggunaan batubara ra diluar range desain. Salah satu opsi untuk m uk mengoptimalkan proses pembakaran di di boiler adalah dengan mengatur sudut tilting ilting burner . Dari permasalahan tersebut sebut, diperlukan analisa terlebih dahulu unt untuk mengetahui fenomena dan karakte kteristik pembakaran dengan batubara yang te tersedia. Sebagai alternatif analisa terse rsebut, CFD merupakan solusi dengan biaya da a dan resiko yang paling kecil.
Terdapat be beberapa studi CFD yang dilakukan pada da boiler dengan menggunakan batuba ubara sehingga penelitian tersebut dapat dig digunakan sebagai
Rekayasa Energi rgi
acuan. T. Asotani, dkk (2008) (2008) melakukan simulasi pada boiler 40MW
40MWe dengan bahan bakar batubara tange tangentailly fired untuk memprediksi ka karakteristik pembakaran pada boiler. r. Zhou Hao, dkk (2002) melakukan simul ulasi untuk memprediksi terbentuknya ya ash deposit akibat penggunaan tilting burne burner pada boiler pulverized coal. Jianr ianren Fan, dkk (2001) melakukan simulasi pa si pada boiler tangensial dengan bahan ba n bakar batubara dengan kapasitas 600MW dima ana Jianren Fan, dkk (2001) membandi ndingkan penggunaan standard k-ε model den dengan RNG
k-ε model . Ravindra, dkk (2013) dkk (2013) melakukan penelitian pada once-throug hrough boiler
untuk mengetahui paramete eter-parameter yang mempengaruhi pengontrol ontrolan reheat steam . Salah satu parameter ter tersebut adalah tilting burner.
1.2 Perumusan Masalah
Penelitian ini berisi risi mengenai studi CFD untuk simulasi pemba mbakaran di boiler yang bertujuan untuk untuk mengetahui fenomena dan karaktestik pe pembakaran dengan adanya perubahan sudut n sudut tilting burner pada boiler PLTU Pacita citan unit #1 dengan menggunakan bahan han bakar batubara LRC dengan nilai kalor 4700 4700 kcal/kg HHV dan membandingkan an dengan menggunakan bahan bakar batubar bara medium rank coal (MRC) dengan ni nilai kalor 5200 kcal/kg HHV.
1.3 Batasan Masalah
Untuk menganalisa alisa permasalahan diatas, terdapat beberapa apa batasan masalah yang diambil dalam lam penelitian ini, diantaranya :
1. Simulasi pembakara karan dilakukan pada boiler PLTU Pacitan #1 n #1 dengan kapasitas terpasang 315 g 315 MWe.
2. Data analisa batuba tubara dan data operasional yang digunaka unakan pada pembuatan model si l simulasi adalah data performace test PLTU P Pacitan #1 pada tanggal 7 Mare 7 Maret 2013 dengan beban 100% MCR.
3. Software yang dig digunakan pada tahapan pembuatan geomet etri adalah
Gambit 2.4.6 , seda dangkan untuk tahapan simulasi menggunaka unakan Ansys Fluent 13.0.
Rekayasa En Energi
4. Simulasi dila dilakukan berdasarkan kondisi steady time e based , dengan menggunakan kan model turbulensi k-ε standard, model pem mbakaran species
transport , dan model radiasi di nonaktifkan (off). , dan m
5. Heat flux yan yang terjadi pada waterwall tube, superheate ater dan reheater berdasarkan h heat flux yang diterima air dan uap air da r dalam walltube, da dan reheater.
superheater
6. Mass flow rat rate batubara dan udara yang digunaka unakan di simulasi berdasarkan da n data performace test.
7. Diameter batuba atubara yang diinputkan pada simulasi sudah sudah dalam kondisi sesuai persyara aratan minimal operasi.
8. Unsur yang ad ada pada fixed carbon batubara diasumsikan ha n hanya carbon.
9. Unsur sulfur pa ur pada batubara diabaikan.
10. Arah sudut burne burner terhadap pada arah horizontal sesuai dat data desain.
1.4 Tujuan Penelitian tian
Tujuan dilakuka lakukan penelitian ini adalah untuk mengetahui tahui karakteristik pembakaran serta karakteristik aliran gas-solid hasil pem pembakaran pada
tangentially fired pul pulerized-coal boiler dengan beban 315 MWe MWe menggunakan
batubara Low Rank C ank Coal (LRC) dengan nilai kalor 4700 kcal/k al/kg dan Medium
Rank Coal (MRC) de dengan nilai kalor 5200 kcal/kg dan variasi sudut sudut tilting yang
terdiri dari :
1. Mengetahui ke kecepatan aliran gas-solid, distribusi temper peratur, distribusi fraksi massa ssa O , CO dan NOx pada berbagai sudut sudut tilting dengan
2
2 menggunakan ba kan batubara LRC dan MRC.
2. Mengetahui p pengaruh sudut tilting terhadap penggunaan aan desuperheater superheater da dan desuperheater reheater.
3. Mengetahui de deviasi distribusi temperatur aliran flue gas out outlet furnace dan masuk reheate ater pada berbagai sudut tilting dengan mengguna nggunakan batubara LRC dan MRC n MRC.
4. Mengetahui sudut sudut tilting yang sesuai berdasarkan jenis nis batubara yang digunakan untuk untuk mendapatkan pembakaran paling sempurn urna.
Rekayasa Energi rgi
1.5 Manfaat Penelitian
Dengan adanya pe penelitian mengenai simulasi pembakaran pa n pada boiler PLTU Pacitan #1, dapat dia diambil manfaatnya sebagai berikut :
1. Mengetahui fenome ena dan karakteristik pembakaran dengan var variasi tilting burner dengan batub tubara LRC dan MRC.
2. Dengan mengetahui hui aliran partikel batubara pada boiler dapat di pat digunakan untuk memprediksi ksi sudut tilting yang sesuai dengan jenis batuba batubara yang digunakan dan mem emprediksi penggunaan desuperheater pada supe superheater dan reheater.
3. Dengan mengetahui ahui distribusi temperatur dapat digunaka unakan untuk mencegah kerugian a n akibat panas berlebih yang diterima oleh tube ube .
Rekayasa En Energi
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Boiler
Boiler merup rupakan alat yang digunakan untuk memana anaskan air dan merubahnya menjadi di fase uap. Pada PLTU uap panas tersebut di but digunakan untuk memutar turbin dimana ana poros turbin dikopel dengan generator listr istrik. Pembakaran di boiler terjadi di furnac di furnace, dimana burner mensuplai bahan ba n bakar dan udara pembakaran. Energi ha i hasil pembakaran digunakan untuk memanaska naskan air dan uap air sebagai fluida kerj kerja pada PLTU.
2.1.1. Furnace Furnace atau tau ruang bakar merupakan bagian dari boile boiler yang dibatasi oleh waterwall tube. ube . Pada furnace terjadi proses pembakaran da n dari bahan bakar.
Disinilah terjadinya n a nyala api dari bahan bakar yang bercampur pur dengan udara. Perubahan energi kim kimia menjadi energi panas terjadi di furnace. P e . Pada furnace ini terdapat lidah api yang ang keluar dari burner.
2.1.2. Burner Burner merupa erupakan pensuplai bahan bakar dan udara k a ke dalam boiler
untuk dibakar di furna furnace . Geometri burner didesain sedemiki ikian rupa untuk menghasilkan pembak bakaran yang paling optimal. Pada beberapa de desain boiler, ada tipe burner yang dapa dapat memberikan efek swirl pada fluida yang di g dialirkan. Bahan bakar dan udara yang ng keluar dari burner akan terbakar dan membe bentuk semburan lidah api.
Berdasarkan an arah semburan lidah api (flame) dalam ruang uang bakar, boiler dapat dibedakan : a. Boiler dengan gan pembakaran arah dinding depan (Front-fired red)
b. Boiler dengan pe gan pembakaran arah depan belakang (Opposed- pposed-fired)
c. Boiler pembaka akaran arah tangensial (Tangentially-fired)
5
5
5
Rekayasa Energi rgi
Pada tangentially- ally-fired boiler mempunyai empat, enam, dela delapan, atau lebih corner, dimana setiap tiap burner membentuk sudut tertentu terhada dap dinding boiler. Apabila dibaut garis ris memanjang ke pusat furnace, garis-garis da s dari burner dalam satu layer akan mem embentuk lingkaran imajiner. Lingkaran imajim ajimer inilah yang nantinya menjadi fire ire-ball bila terjadi proses pembakaran, sehingga hingga proses pembakaran terjadi di teng ngah furnace. Ilustrasi berbagai tipe boiler di ditampilkan pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1.
2.1. Ilustrasi Pembakaran pada Boiler (CCUJ, 200 , 2003) Lingkaran fire-ball ball pada tangentially-fired boiler akan membent bentuk vortex
motion yang akan bergerak ak ke atas sebagai akibat turbulensi yang tejadi di pada fire-
ball tersebut. Hal ini akan kan mengurangi terjadinya erosi dan overheat rheating pada
dinding ruang pembakaran. an. Keuntungan lainnya dari metode ini adalah ah NO x yang dihasilkan cenderung kecil cil dan heat flux akan lebih merata pada dindi dinding ruang bakar sehingga akan mengur ngurangi kegagalan akibat thermal stress. Deng ngan adanya efek fire-ball, waktu terba bakar untuk bahan bakar menjadi lebih lama ma sehingga lebih sesuai untuk bahan ba n bakar yang proses pembakarannya lama seperti rti batubara. Namun kekurangan dari me metode ini adalah terdapatnya zona di boiler ya yang terjadi pembakaran miskin dan ka kaya. Bila terjadi gangguan pada burner y r yang akan mengakibatkan ketidakstabi abilan lingkaran fire-ball.
6
6
6
Rekayasa En Energi
2.1.3. Tilting Burner er
Pada tangent angentially-fired boiler dilengkapi fasilitas tilting ting burner , yaitu
burner memungkinka nkan untuk digerakkan ke arah atas maupun upun bawah secara
bersamaan pada satu tu grup aktuator. Perubahan arah tilting burner burner akan membuat pergerakan posisi fi fire-ball di dalam furnace, sehingga ter terjadi perubahan penyerapan jumlah pa h panas di waterwall tube, superheater dan dan reheater. Oleh karena itu, tilting burn ng burner biasa digunakan untuk mengatur te temperatur pada
reheater dan superhe rheater (Ravindra, 2013). Ketika temperatur st ur steam hot reheat
lebih rendah dari yan yang seharusnya, maka tilting dapat diarahka hkan keatas untuk menaikkan temperatur atur steam hot reheat, begitu juga sebaliknya ya jika temperatur
steam hot reheat terl terlalu tinggi maka tilting burner dapat diara arahkan ke bawah
untuk mengurangi pe penyerapan panas pada reheater. Hal ini da dapat mengurangi penggunaan spray air air desuperheater, karena dengan melakukan p n perubahan sudut
tilting maka penyer yerapan panas di area superheater dan reheater dapat
dikondisikan. Pada sa da saat boiler dalam kondisi sliding pressure ssure atau start-up, penggunaan tilting le lebih dominan untuk mendapatkan temperat ratur dan tekanan steam drum yang sesua sesuai operisional. . Ilustrasi tilting burner di ditampilkan pada Gambar 2.2.
Gamba bar 2.2 Ilustrasi Tilting Burner (Ravindra, 2013 13)
7
7
7
Rekayasa Energi rgi
2.1.4. Heat Exchanger
Air dan uap air yan yang dipanaskan di boiler mengalir didalam ban banyak pipa, pipa-pipa tersebut disusun m susun menjadi suatu heat exchanger dan diposisika sikan tertentu untuk mendapatkan panas as yang dibutuhkan. Kelompok susunan pipa pipa tersebut adalah waterwall tube, roof roof superheater, steam cool, economizer , pane panel division
, , , ,
superheater platen supe superheater medium reheater final reheat heater final
superheater dan low tempe peratur superheater . Setiap heat exchanger m mempunyai
beban panas yang berbeda-be a-beda.
Pada waterwalltube ltube yang berisi air mengalir dari steam drum drum dan kembali menuju ke steam drum drum, terjadi perubahan fase dari cair menjadi adi gas, oleh karena itu diasumsikan tida tidak terjadi perubahan temperatur air di wate aterwalltube . Sehingga beban panas yang ng terjadi dapat dihitung menggunakan persama maan 2.1.
(2.1) = ̇ ℎ = ̇ ℎ = ̇ ℎ dengan :
Q = energi panas yang di ng diterima (Watt)
= mass flow air yang ang melewati waterwall tube (kg/s) ̇ ̇ ̇
= beda enthalpi air-u ir-uap air pada tekanan steam drum (J/kg) ℎ ℎ ℎ
Dinding waterw rwalltube mempunyai tebal 6 mm, sehingg hingga dapat diasumsikan temperatur di diluar dinding waterwalltube samadengan t n temperatur fluida didalam waterwalltube ltube.
Pada heat exchang hanger selain waterwall tube tidak terjadi perub rubahan fase fluida, sehingga beban pana nas yang terjadi dihitung menggunakan persam samaan 2.2.
(2.2) = ̇ = ̇ = ̇ ∆ ∆ ∆ dengan :
Q = energi panas yang di ng diterima (Watt)
= mass flow air/uap a uap air yang melewati heat exchanger (kg/s) ̇ ̇ ̇
o
= panas spesifik air/ ir/uap air (J/kg- K)
o
= beda temperatur ai ur air/uap air keluar-masuk heat exchanger ( K) ) ∆ ∆ ∆
8
8
8
Rekayasa En Energi
2.2 Bahan Bakar dan dan Teori Pembakaran
Pada furnace urnace terjadi proses pembakaran, yaitu reaksi ksi oksidasi bahan bakar. Ketika terjadi di pembakaran, ikatan-ikatan dalam molekul-m kul-molekul reaktan (bahan bakar dan oksi oksigen dalam udara) terputus dan atom-atom -atom membentuk menjadi produk reaksi ksi (flue gas).
2.2.1. Bahan Bakar ar
Pada bahan b n bakar terkandung energi kimia, energi ini te ni tersimpan dalam ikatan kimia yang kom komplek. Bahan bakar dapat dikelompokka pokkan berdasarkan fasenya, yaitu bahan han bakar padat, cair dan gas. Batubara merup upakan salah satu contoh bahan bakar pa r padat yang banyak paling digunakan pada boi da boiler. Batubara mempunyai beberapa pa jenis menurut kandungan material dan nilai ai kalornya seperti ditampilkan pada Tabe abel 2.1.
Tabel 2.1 Klasifikasi B si Batubara Berdasarkan RankingFix Volatile Carbon GCV Limits Content
Coal R oal Rank Limit % % Kcal/kg dmmf dmmf moisture mmf m
≥
98 Meta-Anthracite < 2 Anthracite Anthracite 92 - 98 2 - 8
Semi-Anthracite 86 - 92 8 - 14
Low Volatile Bituminous Lo 78 - 86 14 - 22
Med. Volatile Bituminous Me 69 - 78 22 - 31 ≥
Hig High Volatile A Bituminous < 69 > 31 7781,31
Bituminous High Volatile B Bituminous Hig
< 69 > 31 7225,62 – 7781,31 7225,62 High High Volatile C Bituminous < 69 > 31 6391,73 6391,73 – 7225,62 High Volatile C Bituminous High > 31 5836,04 5836,04 – 6391,73
5836,04 – 6391,73 5836,04 Subbi Subbituminous A Coal Subbituminous Subbituminous B Coal Subbi 5279,64 – 5836,04 5279,64 Subbituminous C Coal Subbi 4612,81 4612,81 – 5279,64 Lignite A 3501,43 3501,43 – 4612,81
Lignite Lignite B < 3501,43
Sumber : ASTM D388 388-12, 1998
9
9
9
Rekayasa Energi rgi