Pengaruh Sudut Inlet Secondary Air Terhadap Abrasion Rate dan Reaksi Pembakaran pada Boiler CFB dengan Simulasi CFD

Laporan Simulasi

SUMMARY

Boiler CFB banyak digunakan untuk PLTU skala kapasitas menengah dan besar. Boiler ini dinilai lebih efisien dibanding dengan tipe boiler lain. Boiler FCB ini amat rentan terhadap abrasi, seperti yang terjadi pada PLTU Tarahan yang juga menggunakan boiler tipe ini. PLTU Tarahan menggunakan bahan bakar batu bara dan pasir silika sebagai bed-nya. Pada saat pelaksanaan uji keandalan unit selama 30 hari secara terusmenerus, pada hari ke 26, telah terjadi kegagalan pada boiler CFB berupa bocornya water wall tube. Kebocoran tuk terjadi akibat dari erosi oleh material bed, yang terdiri dari pasir kuarsa, batu bara, limestone dan udara yang berada di ruang bakar. Kegagalan tersebut dapat dijadikan latar belakang dilakukannya simulasi aliran material bed dan mengkaji kemungkinan penyebab terjadinya erosi oleh material bed pada water wall tube.

Kata kunci : CFB, CFD, Abrasi, pembakaran

.

GENERAL

Objective
  1. Membuat simulasi permodelan pada boiler CFB
  2. Memperoleh desain letak inlet air dan solid material yang memiliki abrasion rate yang minimum.
  3. Mengetahui interaksi aliran dan energi antara gas panas hasil pembakaran bahan bakar, udara primer, udara sekunder, aliran batubara, dan aliran bed.
  4. Mengetahui distribusi temperature akibat pembakaran pada boiler.
  5. Mempelajari aliran fluida yang terjadi dalam boiler
  6. Mengetahui proses pembakaran barubara pada furnace
  7. Meningkatkan proses pembelajaran simulasi software bagi mahasiswa

Scope of Work

Report ini mencakup simulasi pada boiler CFB. Pada boiler type CFB terdapat 3 bagian utama yaitu:

1. FURNACE yang berfungsi sebagai tempat terjadinya pembakaran bahan bakar. Komponen yang terdapat di Furnace: Wall tube, Panel Evaporator, Panel Superheater .

2. CYCLONE yang berfungsi untuk memisahkan batubara yang belum terbakar dengan abu (ash) sisa pembakaran dan mengembalikannya ke Furnace. Komponen utama Cyclone: Cyclone, SealPot, Seal Pot Duct.

3. BACKPASS yang berfungsi sebagai ruang pemanfaatan kalor yang terdapat dalam flue gas. Komponen utama di Backpass: Finishing Superheater, Low Temperature Superheater, Economizer, dan Tubular Air Heater

Simulasi hanya dilakukan pada bagian furnace, karena tujuan simulasi ini ialah untuk mengetahui factor abrasi yang terjadi pada dinding furnace tersebut.

Simulation Condition

Proses penyalaan boiler CFB seperti jenis boiler lainnya, pertama-tama dilakukan Purging selama 5 menit untuk membersihkan ruang bakar dari gas-gas yang berpotensial menimbulkan ledakan pada saat burner dinyalakan. Setelah purging selesai 2 burner (sisi berseberangan ) dinyalakan. Kenaikan temperature furnace di jaga tidak lebih dari 950C per jam untuk menjaga material dari termal stress dan menjaga refractory agar tidak retak. Setelah temperature Furnace 530oC Batubara dimasukkan melalui 3 coal feeder pada minimum flow rate (6 Ton/jam) / coal feeder sambil kedua burner masih menyala. Setelah temperature furnace mencapai 660o C kedua burner dimatikan satu persatu. Selanjutnya pembakaran dilakukan dengan batubara. Selama boiler beroperasi tidak diperlukan support burner karena dapat menyebabkan materal bed meleleh. Burner hanya digunakan pada saat proses start up sampai temperature yang diizinkan diatas.

Pada simulasi ini, proses yang disimulasi ialah saat boiler telah steady, saat temperature furnace telah mencapai 660o C. Pada simulasi ini, hanya dilakukan simulasi partikel solid berupa coal saja, dengan asumsi coal tersebut telah terbakar saat keluar dari feeder. Karena simulasi material bed tidak digabung dengan simulasi combustion untuk mengurangi kompleksivitas simulasi. Pada kondisi aktualnya, saat kondisi furnace telah steady, coal tersebut terbakar tanpa burner karena temperature furnace telah cukup untuk mengaktivasi coal, juga dikarenakan heat transfer dari material bed yang memiliki kapasitas panas yang besar.

General Assumptions

Simulasi ini mensimplifikasi geometri menjadi 2D, dan menggunakan metode steady-state. Variasi perubahan sudut inlet secondary air tidak dengan mengubah geoetri, tetapi hanya mengubah komponen kecepatan. Reaksi yang terjadi dalam furnace juga disederhanakan, yaitu hanya reaksi pembakaran batubara.

.

METODOLOGI

A. Tahap Pendahuluan

  1. Pengumpulan referensi
  2. Identifikasi kebutuhan objektif

B. Tahap Modelling dan Simulasi

  1. Re-modelling boiler CFB
  2. Membuat boundary conditions yang sesuai/mendekati keadaan aktual.
  3. Menentukan kerapatan mesh yang optimal.
  4. Mensimulasikan dengan menggunakan software CFDSOF untuk tiap sudut inlet.
  5. Menganalisis pengaruh sudut inlet secondary air pada boiler

C. Tahap Analisis dan Penarikan Kesimpulan

  • Menganalisis fenomena hasil simulasi yang terjadi pada boiler.
  • Membuat kesimpulan dan menentukan sudut inlet secondary air yang optimal.

MODELING

Geometri

Data geometry dari objek simulasi berasal dari pendekatan model simulasi PLTU Tarahan yang ada, kemudian dilakukan remodeling dengan CAD Software (SolidWorks), sehingga mendapat model 3Dnya seperti gambar berikut;


Untuk menghemat waktu perhitungan dilakukan penyederhanaan geometry menjadi 2D. Simplifikasi yang dilakukan untuk geometrinya diantaranya; membuat inlet secondary air menjadi 4 buah (pada bagian kiri dan kanan), tidak membuat alur sirkulasi bed seperti mendesain cyclone. Untuk kemiringan inlet secondary air, kemiringan pipa inlet tidak dimodelkan, karena grid yang dipakai ialah grid persegi, jika dimodelkan akan terjadi drop pressure yang besar. Maka untuk pemodelan kemiringan pipa inlet tinggal memasukkan parameter komponen kecepatan di kondisi sempadan. Berikut grid beserta kondisi sempadan yang telah dimasukkan;

Jumlah total cell perhitungan ialah 6080 cell.

.
.
.
.
.
Boundary Conditions

Berdasarkan data yang terdapat pada PLTU Tarahan,

Kita dapat membuat kondisi sempadan sebagai berikut;

  1. Inlet BCs

    Inlet-1=inlet primary air

    inlet-2=inlet udara dari coal feeder

    inlet-3=inlet secondary air kanan

    inlet-4=inlet secondary air kiri

     

    VRES

    U(m/s)

    V(m/s)

    T(K)

    A(m^2)

    Inlet-1

    2.638889

    0

    2.638889

    528.2

    22

    Inlet-2

    3.395816

    2.401205

    -2.401205

    528.2

    1.227

    Inlet-3(90)

    54.4225

    -54.4225

    0

    498.2

    0.19

    Inlet-4(90)

    54.4225

    54.4225

    0

    498.2

    0.19

    Inlet-3(65)

    54.42251

    49.32313

    -23.02072

    498.2

    0.19

    Inlet-4(65)

    54.42251

    -49.3231

    -23.02072

    498.2

    0.19

    Inlet-3(40)

    54.42251

    34.99368

    -41.68765

    498.2

    0.19

    Inlet-4(40)

    54.42251

    -34.9937

    -41.68765

    498.2

    0.19

  2. Solid Particle

Partikel padat yang digunakan pada simulasi ialah partikel pembakaran itu sendiri, yaitu Batubara, Carbon – C(s). Untuk mempercepat waktu dan resources yang digunakan untuk simulasi, reaksi pembakaran dibuat sederhana.

C(s) + (O2 + N2) => CO2 + N2

  • Entalpi formasi batubara adalah 2.1368 x 1010 J/kmol.
  • Energi aktivasi batubara adalah 1.092 x 108 J/kmol.
  • Laju aliran massa batubara kedalam boiler adalah 0.81 kg/s.
  • Fraksi massa Oksigen dari inlet-1, inlet-2, inlet-3, dan inlet-4 adalah 0.2.
T(K)

498.2

Massflow

13.611

Cp (kJ/kg)

5000

avg dimm

6mm

min dim

4 mm

max dimm

8 mm

Itensitas dan panjang aliran turbulen, diperoleh dari persamaan:

Avg Reynold Num.

1.1E+06

turbulence intensity %

2.10836548

Location turbulence lenght
Inlet-1 5.32E-02
Inlet-2 8.75E-03
Inlet-3 3.50E-03
Inlet-4 3.50E-03
W-Wall conditions

Boiler Heat Absorbtion pada PLTU Tarahan sebesar 1.16E+05 kW. Dengan memasukkan luar area boiler sebesar 1431 m2, maka heat flux pada wall ialah sebesar -81062.194 W/m.

Mesh Dependency test

  • Dari kontur kecepatan pada perhitungan percobaan didapatkan bahwa pada daerah y=0 sampai y=9m terdapat perubahan gradient yang rapat. Sehingga pada bagian tersebut perlu untuk dilakukan percobaan perbedaan kerapatan cell. Ada 3 test yang diuji, pertama dengan kerapatan grid 0.125m, kedua 0.167m, dan terakhir 0.25m.

            

        (a)            (b)            (c)

    Gambar (a).Cell dengan kerapatan 8 grid/m, (b).Cell dengan kerapatan 6 grid/m, (c).Cell dengan kerapatan 4 grid/m.

Setelah dilakukan perhitungan pada ketiga cell tersebut, grid A dan grid B tidak dapat memperoleh hasil yang konvergen, bahkan cenderung untuk divergen setelah mencapai lebih dari lima ratus iterasi. Oleh karena itu dapat dikatakan bahwa mesh dependency test di sini sebenarnya tidak berhasil untuk dilakukan. Namun dari kontur kecepatan yang diperoleh pada grid A dan grid B jika dibandingkan dengan grid C, tidak jauh berbeda. Maka untuk komputasi berikutnya akan digunakan grid C sebagai cell perhitungannya.

Model Verification

Model pembakaran diaktifkan pada simulasi CFD ini. Penggunaan metode multiphase (2 fase) sudah tepat karena pembakaran berupa partikel padat/solid batubara, sedangkan supply udara berfasa gas. Kondisi sempadan pada inlet telah diatur sedemikian rupa sehingga diharapkan kondisi simulasi mendekati kondisi aktual.

.

RESULT & ANALYSIS

  1. Sudut Inlet 900



  1. Sudut Inlet 650


  1. Sudut Inlet 400


Kontur di atas menunjuk-kan distribusi kecepatan dan temperature dengan sudut inlet 900 dari garis vertikal furnace. Pada kontur kecepatan, kecepatan mak-simal sebesar 59 m/s berada pada titik tengah furnace pada keting-gian sekitar 10 m.

Pada reaksi pembakaran dapat dilihat pada kontur temperature, batubara padat yang diinjeksikan langsung terbakar saat keluar dari inlet injeksi. Pada sudut inlet 900 terdapat temperature yang terperangkap di sudut kiri atas furnace. Sedangkan untuk yang lainnya, tempera-ture yang terperangkap lebih merata pada bagian atas furnace.

Pada bagian tersebut memang terletak boiler/water drum, dan komponen ini memiliki heat absorbsion yang besar, namun tidak dimodelkan dalam simulasi ini.

Plot Kecepatan

Plot kecepatan pada i=2, atau pada dinding kiri dari furnace menunjukkan, bahwa nilai kecepatan paling kecil yang terjadi ialah pada sudut inlet sebesar 900. Pada sudut inlet 400 dan 600, kecepatan fluida yang melewati wall hampir sama. Kecepatan maksimum pada dinding kiri berada pada ketinggian 19m. pada ketinggian tersebut kecepatan fluida dengan inlet 900 lebih rendah 4 sampai 5 m/s dari inlet 650 dan 400.

Sedangkan pada plot i=38, yang berarti kecepatan fluida pada dinding kanan juga menunjukkan hal yang sama dengan kondisi pada dinding kiri, dimana kecepatan fluida untuk inlet 40 dan 65 nyaris sama besar. Sedang untuk inlet 900 lebih rendah pada ketinggian wall 14 m sampai 25 m. Pada ketinggian wall 26-37 meter barulah kecepatan fluida inlet 900 lebih besar dari yang lain. Pada ketinggian 32 m merupakan letak outlet dari furnace menuju cyclone. Kecepatan fluida untuk setiap variasi inlet jauh meningkat di lokasi ini. Selisih kecepatan untuk tiap variasi inlet hampir sama, sekitar 5 m/s.

Pada i=20 yang merupakan garis tengah dari furnace. Kecepatan inlet dengan sudut 900 paling besar.

Plot Temperatur

Plot temperatur pada i=2, atau pada dinding kiri dari furnace menunjukkan, bahwa nilai temperature pada furnace sudut inlet sudut 400 paling tinggi. Sedangkan pada inlet sudut 900 derajat, temperature cenderung untuk konstan, hanya terjadi kenaikan temperature sekitar 100 K pada ketinggian 33.5-40m. pada plot temperature inlet sudut 650, terjadi peningkatan temperature yang signifikan pada bagian atas boiler, dan mencapai suhu maksimum pada ujung atas boiler. Sedangkan pada sudut inlet 400, temperature mencapai maksimum di ketinggian 36m, kemudian temperature turun kembali.

Plot temperatur pada i=38, atau pada dinding kanan dari furnace menunjukkan, bahwa nilai temperature pada furnace sudut inlet sudut 400 paling tinggi. Terjadi peningkatan suhu pada ketinggian 35m untuk setiap sudut inlet, dan suhu kembali turun di ujung atas furnace. Pada inlet sudut 900 kenaikan temperature sekitar 100 K. Pada plot temperature inlet sudut 400 dan 650, terjadi peningkatan temperature yang signifikan pada bagian tersebut.

Pada bagian tengah boiler, distribusi suhu cukup konstan dan bernilai hampir sama untuk setiap sudut inlet secondary air. Hanya untuk sudut 40 dan 65 derajat, terdapat suhu yang tinggi pada bagian atas furnace.

.

CONCLUSION AND RECOMMENDATION

Kesimpulan

  1. Pada simulasi dengan reaksi pembakaran, variasi inlet secondary air tidak terlalu menghasilkan perbedaan yang signifikan, berbeda dengan tanpa reaksi pembakaran. Meskipun tidak saya tampilkan dan bahas dalam report ini.
  2. Reaksi pembakaran langsung terjadi sesaat setelah batubara keluar dari coal feeder.
  3. Sudut inlet secondary air yang direkomendasikan ialah 400
  4. Simulasi CFD dapat memberikan gambaran mendalam terhadap dinamika fluida yang terjadi dalam furnace.

.

REFERENCES

A. Dwiputra, I. Felani, CFD Modelling of Multiple Layer Anti Abrasion Beam Implementation at 100 MW Tarahan CFB Boiler, Proceedings of the World Congress on Engineering 2012 Vol III.

M.T. Shah, R.P. Utikara, G.M. Evans, CFD Simulations Of Gas-Solid Flows In A CFB Riser: Effect Of Inlet Boundary Conditions, 19th International Congress on Modelling and Simulation, Perth, Australia, 2011.

Munson, Bruce R, Donald F. Young, Fundamentals of Fluid Mechanics 4th ed, USA: John Willey&Sons,Inc. Munson, Bruce R, Donald F. Young, Fundamentals of Fluid Mechanics 4th ed, USA: John Willey&Sons,Inc.

N. Zhang, Bona Lu, W.Wang, 3D CFD simulation of hydrodynamics of a 150 MW e circulating fluidized bed boiler, Chemical Engineering Journal 162 (2010) 821–828.

About Mahdiy

Seorang penuntut ilmu kecil-kecilan.. ^^

Posted on Juni 20, 2013, in CFD, Kuliah and tagged , , , , , . Bookmark the permalink. 1 Komentar.

  1. la ode ahmad barata

    assalamualaikum, bang, mantap tu, artikelnya, mohon izin kopy sebagai bahan referensi.

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s

%d blogger menyukai ini: