Simulasi Performa Propeller Drone Menggunakan Ansys Fluent
May 27, 2024
Optimalisasi Jaringan menggunakan IoT Gateway
May 29, 2024

Simulasi CFD Pembakaran Batu Bara pada Pulverize Coal Boiler Menggunakan Ansys Fluent

Penulis: Riqy Rizqyandra – CAE Engineer PT Optimaxx Prima Teknik (2024)

PENDAHULUAN

Gambar 1. Pulverize Coal Boiler
Gambar 2. Circulating Fluidized Boiler

Boiler digunakan pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) yang berfungsi untuk membakar batu bara, udara panas hasil pembakaran ini akan digunakan untuk merubah air menjadi uap temperature tinggi. Uap ini digunakan untuk menggerakan turbin sehingga menghasilkan energi Listrik. Di dalam boiler terdapat pipa-pipa yang berisi air/uap air. Karena udara panas melewati pipa ini maka air tersebut akan berubah fasa. Contohnya pada gambar 1 terdapat superheater dimana uap air tersebut akan dipanaskan menjadi superheated steam.

Secara umum terdapat dua jenis boiler yaitu Pulverize Coal Boiler (PC Boiler) dan Circulating Fluidized Bed Boiler (CFB Boiler). PC Boiler menginjeksikan batu bara berukuran kecil bersamaan dengan udara. Batu bara tersebut akan terbakar di tengah lalu udara panasnya akan mengalir ke atas. CFB Boiler menginjeksikan udara pada bagian bawah boiler, dimana pada bagian bawah tersebut terdapat bata bara seperti pasir. Nantinya pasir tersebut akan bertebangan dan terbakar ke atas.

Pada tulisan kali ini penulis akan mensimulasikan reaksi pembakaran batu bara pada PC Boiler. Pada simulasi kali ini penulis hanya akan berfokus pada reaksi pembakarannya saja, heat exchanger seperti superheater dan economizer tidak akan dimodelkan. Tujuan dari simulasi ini adalah untuk melihat persebaran temperature pada ruang boiler dan melihat gas hasil pembakaran dari batu bara. Gas hasil pembakaran tersebut bisa dijadikan acuan seberapa besar pollutan yang dihasilkan oleh pembakaran batu bara.

PRE-PROCESSING

Gambar 3. Fluid domain dan lokasi inlet

Pada PC Boiler terdapat 3 jenis inlet. Yang pertama primary air inlet. Disini udara dengan temperature relative rendah diinjeksikan. Tugas utama dari primary air inlet ini untuk mensupply oksigen untuk menginisiasi pembakaran. Yang kedua coal inlet, dimana lokasi coal inlet dengan primary inlet berada pada lokasi yang sama. Yang membedakan kalau coal inlet yang diinjeksikan partikel batu bara. Yang ketiga adalah secondary air inlet yaitu berfungsi untuk menciptakan pembakaran sempurna. Lokasi secondary air biasanya berada di atas primary air.

Gambar 4. BoilerMesh

SETUP

Gambar 5. Contohhasil proximate dan ultimate analysis batu bara

Hal yang perlu disiapkan oleh user sebelum melakukan simulasi adalah melakukan eksperimen proximate dan ultimate analysis. Proximate analysis digunakan untuk mencari komposisi dasar dari batu bara. Hal yang didapat dari proximate analysis adalah persentase kandungan air (moisture), abu (ash), Volatile Matter, dan karbon (fixed carbon). Ultimate analysis merupakan metode untuk mencari komposisi kimia dasar dari batu bara seperti persentase carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen, dan sulfur. Dari kedua analysis tersebut bisa didapatkan berapa heating value dari batu bara tersebut (dalam satuan kJ/kg). Hasil proximate dan ultimate analysis akan dimasukkan ke dalam gambar 6.

Gambar 6. Coal Calculator Ansys Fluent

Hasil eksperimen Proximate Analysis berupa %Volatile, %Fixed Carbon, %Moisture, dan %Ash akan dimasukkan ke dalam Coal Calculator yang ditandai dengan warna garis oranye. Hasil penjumlahan seluruh komponen Proximate Analysis harus berjumlah 1 (100%). Persentase komponen Proximate Analysis yang digunakan adalah pada kolom As Received (AR). AR merupakan analisis komposisi batu bara sesuai dengan kondisi naturalnya (apa adanya). Jadi batu bara tersebut masih terdapat moisture content dan ash content.

Hasil eksperimen Ultimate Analysis berupa %Carbon, %Hidrogen, %Oxygen %Nitrogen, dan %Sulfur akan dimasukkan ke dalam Coal Calculator yang ditandai dengan warna garis merah. Hasil penjumlahan komponen Ultimate Analysis ini juga harus berjumlah 1. % C, H, O, N yang digunakan adalah pada kolom Dry, Ash-Free Basic (DAFB) yang ditandai dengan kotak merah pada gambar 4. DAFB merupakan analisis komposisi kimia batu bara dengan menghilangkan moisture content dan ash content di dalam batu bara. DAFB ini memberikan gambaran komposisi kimia batu bara murni yang digunakan untuk analisis reaksi pembakaran batu bara.

Gambar 7. Setup injeksi batu bara

Data lain yang perlu dipersiapkan adalah ukuran diameter dari batu bara. Karena ukuran diameter batu bara beragam, maka perlu mencari diameter minimum, maksimum, dan rata-rata. Pada tulisan ini penulis hanya menggunakan diameter rata-rata batu bara sebesar 0.1 mm. Nilai diameter tersebut akan dimasukkan ke dalam settingan DPM. Pada settingan DPM juga perlu berapa laju injeksi batu bara ke ruang bakar (dalam satuan kg/s). Lokasi injeksi batu bara ini sama dengan lokasi primary air inlet. Pada settingan ini kita juga perlu mengaktifkan wet combustion model untuk memperhitungan kadar air di dalam batu bara terhadap reaksi pembakaran.

Gambar 8. Reaksi pembakaran batu bara

Karena boiler settingan ini menggunakan two-step reaction maka akan muncul 2 reaksi. Reaksi pertama ketika volatile matter bereaksi dengan oxygen menghasilkan carbon monoksida dan uap air (nitrogen pada simulasi ini tidak dianggap bereaksi). Reaksi kedua ketika karbon monoksida bereaksi dengan oksida menghasilkan karbon dioksida.

Gambar 9. Discrete Ordinates (DO) radiation model

Karena gas hasil pembakaran seperti karbon monoksida, karbon dioksida, dan uap air menyerap dan memberikan radiasi dari reaksi pembakaran maka perlu mengaktifkan Discrete Ordinates (DO) radiation model.

POST-PROCESSING TEMPERATURE FLUE GAS

Gambar 10. Kontur temperature flue gas arah vertikal pada ketinggian primary air inlet

Gambar di atas menunjukan hasil simulasi berupa kontur temperature flue gas arah vertikal pada ketinggian primary air inlet. Batu bara yang diinjeksikan dari primary air inlet terbakar oleh udara dari primary air inlet yang memiliki temperature sebesar 50℃ menghasilkan reaksi pembakaran. Reaksi pembakaran terjadi di tengah boiler. Temperature hasil pembakaran ini sekitar  600℃ sampai  800℃ yang ditandai dengan warna kuning pada bagian tengah boiler.

Gambar 11. Kontur temperature flue gas arah vertikal pada ketinggian secondary air inlet

Gambar di atas menunjukan hasil simulasi berupa kontur temperature flue gas arah vertikal pada ketinggian secondary air inlet. Temperature dari secondary air inlet lebih panas dibandingkan dari primary air inlet. Besarnya temperature dari secondary air inlet ini sebesar  300℃. Hal ini berfungsi untuk menciptakan reaksi pembakaran yang sempurna. Fungsi lain dari secondary air inlet ini adalah untuk meningkatkan temperature hasil reaksi pembakaran.

Gambar 12. Kontur temperature dari tampak depan
Gambar 13. Kontur temperature dari tampak samping

Kedua gambar di atas menunjukan hasil simulasi berupa kontur temperature dari tampak depan dan samping. Hasil simulasi menunjukan temperature hasil pembakaran yang menuju bagian atas boiler sekitar 900℃ sampai 1000℃.

Gambar 14. Grafik temperature flue gas vs ketinggian pada bagian tengah boiler

Gambar di atas menunjukan grafik temperature flue gas vs ketinggian pada bagian tengah boiler. Ketinggian mula-mula yang diambil sebesar 10 m dari dasar boiler yaitu berada di primary air inlet pertama sampai bagian atap boiler yaitu setinggi 45 m. Lokasi primary air inlet dan secondary air inlet berada pada ketinggian 10 m sampai 17.8 m. Dari grafik tersebut didapatkan bahwa temperature flue gas dari primary air inlet sebesar  720℃ sampai pada ketinggian dari secondary air inlet terakhir yaitu pada ketinggian 17.8 m temperaturenya meningkat sampai sekitar 800℃. Setelah itu temperaturenya menurun 860℃ dan meningkat lagi sampai  yaitu pada ketinggian 45 m (dekat dengan atap boiler).

Pada ketinggian 30 m sampai 40 m merupakan tempat dari pipa superheater. Pipa superheater harus dilalui flue gas bertemperature tinggi karena pipa superheater berfungsi untuk merubah saturated vapor steam menjadi superheated steam. Artinya pipa superheater ini berfungsi menaikkan derajat panas dari steam menjadi lebih tinggi. Biasanya range temperature flue gas pada bagian superheater ini berkisar antara 800℃ sampai 1200℃.

Disclaimer :

Hasil temperature pada simulasi ini mungkin melebihi apa yang biasa terjadi di lapangan. Hal ini diakibatkan karena pada simulasi ini tidak memperhitungan panas yang diserap oleh pipa superheater, reheater, dan economizer. Hasil temperature ini digunakan untuk menerka (preliminary design) berapa temperature yang dihasilkan dari reaksi pembakaran batu bara.

POST-PROCESSING KOMPOSISI FLUE GAS

Gambar 15. Kontur %mass fraction oxygen arah vertikal pada ruang bakar boiler

Gambar di atas menunjukan kontur %mass fraction oxygen pada ruang bakar boiler pada setiap ketinggian air inlet. Dari air inlet (primary&secondary) %fraksi mass fraction oxygen sebesar 23%. Semakin menuju tengah ruang bakar, oxygen tersebut akan bereaksi dengan batu bara sehingga %mass fractionnya berkurang sampai sekitar 18% yang ditandai dengan warna biru muda.

Gambar 16. Kontur %mass fraction oksigen tampak depan

Gambar di atas menunjukan hasil simulasi berupa kontur %mass fraction oksigen tampak depan. Dari kontur tersebut menunjukan bahwa %mass fraction oxygen menuju outlet sekitar 17% sampai 18% yang ditandai dengan warna biru-hijau. Hal tersebut menunjukan bahwa %mass fraction oksigen yang dipakai untuk reaksi pembakaran sekitar 5% sampai 6%.

Gambar 17. Kontur %mass fraction karbon dioksida arah vertikal pada ruang bakar boiler

Gambar di atas menunjukan hasil simulasi berupa %mass fraction karbon dioksida arah vertikal pada ruang bakar boiler. Dari kontur tersebut menunjukan Pada bagian tengah ruang bakar %mass fraction karbon dioksida paling besar yaitu sebesar 6.76% yang ditandai dengan warna merah.

Gambar 18. Kontur %mass fraction karbon dioksida tampak depan

Gambar di atas menunjukan hasil simulasi berupa kontur %mass fraction karbon dioksida tampak depan. Dari kontur tersebut menunjukan %mass fraction karbon dioksida yang mengalir ke outlet sekitar 4.38% sampai 4.75%.

Gambar 19. Kontur %mass fraction karbon monoksida arah vertikal pada ruang bakar boiler

Gambar di atas menunjukan hasil simulasi berupa kontur %mass fraction karbon monoksida arah vertikal pada ruang bakar boiler. Akibat reaksi pembakaran yang tidak sempurna (batu bara kekuranan supply oksigen) maka akan muncur karbon monoksida. Hal ini dapat dilihat bahwa pada ruang bakar tersebut terdapat bagian yang tidak mengalami pembakaran sempurna.  Lokasi pembakaran tidak sempurna tersebut dapat dilihat ada bintik merah yang menunjukan pada lokasi tersebut dihasilkan %mass fraction karbon monoksida sebesar 0.46%.

Gambar 20. Kontur %mass fraction karbon monoksida tampak depan

Gambar di atas menunjukan hasil simulasi berupa kontur %mass fraction karbon monoksida tampak depan. Dari kontur tersebut didapatkan bahwa karbon monoksida paling banyak tercipta hanya pada bagian ruang bakar saja. Setelah ruang bakar tidak ada karbon monoksida yang tercipta. Karbon monoksida masih bisa bereaksi dengan oksigen untuk membentuk karbon dioksida. Karbon monoksida dihindari dalam reaksi pembakaran. Dengan terciptanya banyak karbon monoksida itu menandakan bahwa ruang bakar kekurangan supply udara sehingga terjadi pembakaran yang tidak sempurna.

Gambar 21. Kontur %mass fraction water vapor arah vertikal pada ruang bakar boiler
Gambar 22. Kontur %mass fraction water vapor tampak depan

Kedua gambar di atas menunjukan hasil simulasi berupa kontur %mass fraction water vapor. Didapatkan %mass fraction water vapor yang dihasilkan menuju outlet sebesar 1% dan pada ruang bakar sebesar 1.5%.

POST-PROCESSING KECEPATAN FLUE GAS

Gambar 23. Kontur vector kecepatan pada ruang bakar boiler

Gambar di atas menunjukan hasil simulasi berupa kontur dan vector kecepatan pada ruang bakar boiler. Dari kontur vector tersebut menunjukan bahwa pada bagian tengah ruang bakar arah kecepatan udara membentuk arah seperti pusaran. Pusaran ini berfungsi untuk mencampurkan udara dengan batu bara agar tercipta reaksi pembakaran yang lebih merata dan terpusat di tengah. Pusaran ini juga menjaga agar api yang tercipta dari reaksi pembakaran tetap berada di tengah.

Referensi

[1] R. Laubscher and P. Rousseau. CFD study of pulverized coal-fired boiler evaporator and radiant superheaters at varying loads. Applied Thermal Engineering Volume 160, September 2019, 114057. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.114057

Related Posts