JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print) 1 Abstrak—Turbulensi merupakan salah satu parameter yang menentukan optimasi suatu proses pembakaran. Turbulensi dapat dihasilkan melalui adanya swirl pada sistem suplai udara pembakaran. Penelitian ini mengambil studi kasus mengenai pembakaran natural gas di dalam boiler furnace PLTU unit 1, PT. PJB UP Gresik, dimana sistem pembakaran di dalamnya menggunakan Radially Stratified Flame Core (RSFC) burner. RSFC burner beroperasi untuk membakar bahan bakar dengan sistem non-premixed, dimana terdapat tiga swirl combustion air yang menyelimuti bahan bakar. Untuk mengoptimasi turbulensi pembakaran, dapat dilakukan pengaturan sudut swirl vanes pada primary dan tertiary combustion air. Penelitian dilakukan melalui simulasi berdasarkan studi numerik computational fluid dynamics (CFD) menggunakan software ANSYS Fluent 14. Penyelesaian untuk persamaan continuity, momentum, energy, combustion species, radiation, dan pollutant NO dilakukan untuk memperoleh hasil temperatur, fraksi massa komponen pembakaran, serta emisi nitrogen oxide (NOx). Kondisi operasional boiler pada 85 MWe dan terdapat sembilan susunan burner dengan arah swirl yang berbeda. Simulasi ditinjau pada variasi sudut swirl vanes untuk tertiary air combustion terhadap karakteristik pembakaran yang dihasilkan, diantaranya temperatur rata-rata dan temperatur tertinggi di dalam boiler furnace, serta temperatur rata-rata, emisi NOx, fraksi massa methane (CH 4 ) dan oxygen (O 2 ) pada sisi furnace outlet. Besar sudut swirl vanes pada keseluruhan burner diatur pada nilai yang sama. Dari hasil simulasi, diketahui bahwa pengaturan sudut swirl vanes 25% untuk tertiary combustion air pada keseluruhan burner, menghasilkan karakteristik pembakaran yang lebih optimum dibandingkan pengaturan 37.5% dan 50%, dengan hasil temperatur pembakaran rata-rata 1456.30 °C, sisa CH 4 0.52%, sisa O 2 2.41%, pembentukan carbon dioxide (CO 2 ) 12.75%, dan pembentukan emisi total NOx 456.76 dry-ppm. Kata Kunci—boiler furnace, burner, combustion air, natural gas, non-premixed, swirl. I. PENDAHULUAN alam memenuhi kebutuhan energi listrik di Indonesia, PT. Pembangkitan Jawa Bali (PT. PJB) sebagai badan usaha milik negara yang berperan dalam usaha pembangkitan, memiliki beberapa unit pembangkitan yang tersebar di wilayah Pulau Jawa, salah satunya adalah Unit Pembangkitan Gresik (UP Gresik). PT. PJB UP Gresik memiliki tiga jenis pembangkitan diantaranya pembangkit listrik tenaga gas (PLTG), pembangkit listrik tenaga uap (PLTU), dan pembangkit listrik tenaga gas-uap (PLTGU). PLTU yang pertama kali dioperasikan adalah PLTU unit 1- 2, dimana pada awal operasionalnya, boiler PLTU unit 1-2 didesain untuk beroperasi dengan fuel oil. Namun, seiring melimpahnya pasokan fuel gas, dilakukan retrofit pada sistem pembakaran di dalam boiler dengan mengganti burner dengan jenis RSFC burner sehingga dapat beroperasi dengan fuel oil atau fuel gas. Namun, selama masa operasional menggunakan fuel gas, PLTU unit 1 mengalami derating akibat kurang optimumnya proses pembakaran yang terjadi, sehingga hanya dapat menghasilkan daya 85 MWe dari kapasitas daya maksimum 100 MWe. Untuk mengoptimalkan proses pembakaran, dapat dilakukan dengan mengatur turbulensi pembakaran dengan mengatur swirl vanes dari RSFC burner untuk memberikan pengaruh turbulensi yang berbeda akibat swirl pada primary dan tertiary combustion air. Studi CFD telah banyak digunakan dalam memberikan prediksi fenomena dan karakteristik pembakaran mendekati kondisi aktual sistem, sehingga lebih efektif dan efisien melalui hasil simulasi. Habib. dkk (2008) melakukan simulasi pembakaran natural gas di dalam boiler berkapasitas 160 MWe dengan variasi air to fuel ratio (AFR), temperatur air inlet, serta sudut swirl untuk mengetahui karakteristik temperatur dan emisi NOx yang dihasilkan. Dai-fei, dkk (2009) melakukan simulasi pembakaran natural gas di dalam gas suspension calcinations (GSC) furnace dengan variasi kecepatan dan temperatur udara pembakaran, serta kecepatan bahan bakar, untuk mengetahui karakteristik distribusi temperatur dan kuantitas emisi dari NOx, carbon monoxide (CO), dan CO 2 di dalam GSC furnace tersebut. II. MODEL BOILER FURNACE DAN BURNER Simulasi dilakukan pada daerah furnace dari boiler jenis water-tube, dengan sistem pembakaran non-premixed berbahan bakar natural gas, secara three-dimensional (3D). Boiler digunakan untuk menghasilkan superheated steam dengan laju aliran massa feedwater 301.98 T/h. Tekanan dan temperatur feedwater di dalam waterwall yang terletak pada dinding boiler furnace yakni 105 kgf/cm 2 dan 310 °C. Luas efektif pemanasan waterwall yakni 875 m 2 . Terdapat sembilan burner yang memiliki konfigurasi arah swirl counter clockwise (CCW) untuk burner A1, A3, B2, C1, dan C3, sedangkan arah swirl clockwise (CW) untuk burner A2, B1, B3, dan C2. Natural gas diinjeksikan ke dalam furnace melalui 16 nozzle dengan diameter 10.4 mm pada tiap fuel- gun burner. Cap fuel gun burner memiliki diameter luar 165 mm. Diameter luar untuk laluan primary air 360 mm, untuk secondary air 518 mm, dan tertiary air 862 mm. Swirl vanes pada secondary air merupakan fixed vanes sehingga tidak dapat dilakukan perubahan sudut. Untuk geometri boiler furnace dapat dilihat pada gambar 1. Studi Numerik Karakteristik Pembakaran Natural Gas di dalam Boiler Furnace dengan Variasi Sudut Swirl Vanes pada Radially Stratified Flame Core Burners Senna Septiawan dan Atok Setiyawan Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail: [email protected]D
5
Embed
Studi Numerik Karakteristik Pembakaran di dalam Boiler ...digilib.its.ac.id/public/ITS-paper-33431-2109100151-Paper.pdf · pembakaran natural gas di dalam boiler furnace PLTU unit
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.